Тема 21 Медь и сплавы на ее основе

29). Медь

Медь - металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления меди 10830С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 0,31607 нм. Плотность меди 8,94 % г/см3. Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью. Удельное электри-ческое сопротивление меди 0,0175 мкОм*м. В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00, М0, М1, М2 и М3. Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы.

1. Примеси, образующие с медью твердые растворы: Ni, Zn, Sb, Sn, Al; As, Fe, P и др.; эти примеси (особенно Sb и As ) резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь М0 и М1, содержащую  0,002 Sb и  0,002 As . Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением.

2. Примеси Pb, Bi и другие, практически не растворимые в меди, образуют в ней легко-плавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давле-нием. При содержании 0,005 % Bi медь разрушается при горячей обработке давлением; при более высоком содержании висмута медь становится , кроме того, хладноломкой; на электропроводимость эти примеси оказывают небольшое влияние.

3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu2O и Cu2S, входящие в состав эвтектики. Кислород, находясь в растворе, уменьшает элек-тропроводимость, а сера не влияет на нее. Сера улучшает обрабатываемость меди реза-нием, а кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает "водо-родную" болезнь.

Таблица 57

Механические свойства

Механические свойства меди в литом состоянии

 , МПа 0,2 , МПа ,% Е , МПа

160 35 25 115000

Механические свойства меди в горячедеформированном состоянии

240 95 45 115000

Механические свойства меди в холоднодеформированном состоянии

450 - 3 115000

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях. в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литей-ные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бес кислородную М0б (0,001 % O2) и раскисленную М1р (0,01 %О2).

29.1) Сплавы на основе меди

Различают две основные группы медных сплавов:

• латуни - сплавы меди с цинком;

• бронзы - сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть цинк.

Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

Принята следующая маркировка медных сплавов. Сплавы обозначаются буквами "Л" - латунь или "Б" - бронза, после чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав. например, О - олово, Ц - цинк, Мц - марганец, Ж- железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, Х - хром и. т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента.

Порядок цифр для бронз и латуней различен. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы "Л" указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 - латунь, содержащая 70 % меди.

В случае легируемых деформируемых латуней указывают еще буквы и цифры, обозна-чающее название и количество легирующего элемента, например ЛАЖ60-1-1 означает ла-тунь с 60 % меди, легированную алюминием (А) в количестве 1 % и железом в количестве 1 %. Содержание цинка определяется по разности от 100%.

В деформированных бронзах содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделенные друг от друга через тире, указывают среднее содержание легированных элементов в процентах; цифры расположены в том порядке, как и буквы, указывающие присутствие в бронзе того или иного элемента, например, бронза - БрОЦ4-3 - имеет следующий состав: олово (О) - 4 %, цинка (Ц) - 3 %. Содержание меди определяется по разности.

В литейных латунях и бронзах среднее содержание компонентов сплава в процентах становится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5, содержит 40 % цинка (Ц) и 1,5 % марганца (Мц). Бронза БрА10Ж3Мц2 содержит алюминия (А) 10 %, железа (Ж) - 3 % и марганца (Мц) - 2 %.

Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. На рис. 79 представлена часть диаграммы состояния системы Cu - Zn.

Все латуни по структуре можно разделить на две группы.

1. Сплав с содержанием до 39% Zn являются однофазными, со структурой  - твер-дого раствора. Под микроскопом в зернах твердого раствора наблюдается большое количество двойников, как во многих других отожженных металлах и сплавах с гранецентрированной кубической решеткой.

2. Сплав содержащие до 45 % Zn, имеют двухфазную структуру  +. Фаза  с большим содержанием цинка обычно после травления бывает более темной, чем  - фаза.

При повышении содержания цинка в  - латуни до 39% возрастает ее прочность и пластичность. При дальнейшем содержании цинка до 45% прочность продолжает расти, а пластичность снижается, особенно с появлением в структуре  - фазы.

Ввиду малого расстояния между линиями ликвидус и солидус на диаграмме Cu-Zn дендритная ликвация у латуни выражена слабо, но эти сплавы склонны к образованию кон-центрированных усадочных раковин.

Поэтому латуни применяются, главным образом, как деформированные, а не литей-ные сплавы. Деформируемость  - латуни достаточно высока, как при комнатной, так и при высоких температурах. Значительные количества примесей (Bi и Pb ) затрудняют деформацию  - латуни в горячем состоянии. Благодаря наличию хрупкой составляющей  латуни  + лучше деформируются в горячем состоянии. Висмут и свинец в данном случае способны растворяться в  - фазе и не образует легкоплавких эвтектик.

Кроме простых латуней, т.е. сплавов меди с цинком, в технике широко применяются специальные латуни с лучшими механическими и химическими свойствами, в состав кото-рых входят: алюминий, кремний, железо, никель, олово и др.

Таблица 58

Механические свойства и назначение специальных латуней

Латунь  МПа  НВ Назначение

Деформируемые латуни1

ЛАЖ60-1-1 450 (750) 45 (8) - Трубы, прутки

ЛЖМц59-1-1 450 (700) 50 (10) - Полосы, прутки, трубы, про-волока

ЛС59-1 400 (650) 45 (6) - То же

Литейные латуни 2

ЛЦ40С 215 12 (20) 70 (80) Арматура, втулки, сепарато-ры шариковых и роликовых подшипников и др.

ЛЦ40Мц3Ж 441(490) 18 (10) 90 (100) Сложные по конфигурации детали, арматура, гребные винты и их лопасти и др.

ЛЦ30А3 294 (392) 12 (15) 80 (90) Коррозионностойкие детали

1 Без скобок приведены свойства латуней после отжига при 6000С, а в скобках - свойст-ва после деформации (степень деформации 50 %).

2 Без скобок даны свойства латуней при литье в песочную форму, а в скобках - свойства при литье в кокиль

Некоторые из них обладают хорошими литейными свойствами и поэтому применяются для отливки деталей.

Латуни, предназначенные для фасонного литья, содержат большое количество присадок, улучшающих их литейное свойства. Эти латуни отличаются и лучшей кор-розионной стойкостью.

Оловянные бронзы. Бронзами называют сплавы меди с оловом или другими металлами (за исключением цинка). В зависимости от основного легирующего элемента бронзы разделяются на оловянистые, алюминиевые, бериллиевые и т.п.

На диаграмме состояния Cu-Sn (рис. 80) сплошная кривая соответствует состоянию равновесия, которое достигается после большой степени деформации и длительного отжига. Особенностью оловянистых бронз является их большая склонность к ликвации (большое расстояние между линиями ликвидус и солидус) и медленно проходящий процесс диффузии. Поэтому на диаграмме проведена дополнительная пунктирная линия, которая показывает состояние сплавов после отливки в металлические формы.

Ранее широко применялась однофазная бронза с 5% Sn, обладающая очень высокой пластичностью. В настоящее время она вытеснена более дешевой и с лучшими свойствами алюминиевой (с 5% Al ) бронзой.

В настоящее время также широко применяется бронза с 10 % Sn для литых вклады-шей подшипников, работающих при больших давлениях и скоростях. Структура литой бронзы состоит из сравнительно мягких  - кристаллов и более твердого эвтектоида ( + Cu31Sn8). Эта структура является неравновесной:  - кристаллы имеют переменный состав из-за дендритной ликвации; сам эвтектоид является неравновесной структурной составляющей, которая сохраняется из-за медленности диффузии. Литая бронза имеет хорошие антифрикционные свойства.

Таблица 59

Механические свойства и применение некоторых литейных оловянистых бронз

Бронза  МПа  Назначение

Деформируемые бронзы1

БрОФ6,5-0,4 400 (750) 65 (10) Пружины, барометрические коробки, мем-браны, антифрикционные детали

БрОЦ4-3 330 (550) 40 (4) Плоские и круглые пружины

БрОЦС4-4-2,5 350 (650) 35 (2) Антифрикционные детали

Литейные бронзы2

БрО3Ц12С5 200 (170) 5 (8) Арматура общего назначения

БрО5ЦНС5 175 (150) 4 (6) Антифрикционные детали, вкладыши под-шипников и арматура

БрО4Ц4С17 150 (150) 12 (5) Антифрикционные детали (втулки, подшипники, вкладыши, червячные пары и. т. д.)

1 В скобках приведены свойства бронз после холодной прокатки (наклепа) , без скобок - свойства после отжига.

2 В скобках указаны свойства бронз при литье в песчаную форму, и без скобок - свойства при литье в кокиль.

При длительном отжиге структура литых бронз изменяется - выравнивается состав  - кристаллов, уменьшается количество или вовсе исчезает эвтектоид, распадается соединение Cu31Sn8 согласно диаграмме Cu-Sn.

Бронзы с высоким содержанием олова обладают хорошими литейными свойствами, они отличаются равномерно распределенной пористостью и малой усадкой. Однако с целью уменьшения содержания олова они заменяются более дешевыми сплавами сложного состава.

Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные никелем, марганцем, железом и др. Сплавы, содержащие до 9% Al, однофазны и состоят только из  - твердого раствора алюминия в меди. Фаза , сущест-вующая при температуре свыше 5650С, представляет собой твердый раствор на базе элек-тронного соединения Cu3Al. При содержании алюминия более 9% в структуре появляемся эвтектоид   (рис. 81) .

Фаза  пластична, но прочность ее невелика.

Двухфазные сплавы имеют повышенную прочность, но пластичность их заметно ни-же. Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алю-миниевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость, как при низ-ких температурах, так и высоких (500-6000С).

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропиче-ской атмосфере, имеют высокие механические и технологические свойства. Однофазные бронзы, обладающие высокой пластичностью, применяют для глубокой штамповки.

Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации, или применяют в виде фасонного литья. Литейные свойства алюминиевых бронз ниже, чем литейные свойства оловянных бронз, но они обеспечивают высокую плотность отливок.

Кремнистые бронзы. При легировании меди кремнием (до 3,5%) повышается прочность, а так же пластичность.

Никель и марганец улучшает механические и коррозионные свойства кремнистых бронз, эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются. Благодаря высоким механическим свойствам, упругости и коррозионной стойкости их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при температуре до 2500С, а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Таблица 60

Механические свойства* и назначение безоловянных бронз

Бронза  МПа  НВ Назначение

Алюминиевые бронзы

БрАЖ9-4 600 40 110 Для обработки давлением

( прутки, трубы, листы)

БрАЖН10-4-4 650 35 150

БрА9Ж3Л 490 (392) 12 (10) 98 (98) Арматура, антифрикционные детали

БрА10Ж3Мц2 490 (392) 12 (10) 117(98)

Кремнистые бронзы

БрКМц3-1 380 35 80 Прутки, ленты, проволока для пружин

Бериллиевая бронза

БрБ2** 500(950) 45 (1-2) 100 (250) Полосы, прутки, лента, про-волока для пружин

Свинцовая бронза

БрС30 600 4 24,5 Антифрикционные детали

* Без скобок приведены свойства бронз при литье в кокиль, а в скобках - свойства при литье в песочную форму

** Свойства после закалки и старения

Бериллиевые бронзы. Эти бронзы относятся к сплавам, упрочняемые термической об-работкой. Предельная растворимость бериллия в меди при температуре 8660С составляет 2,7 %, при температуре 6000С 2,5 %, а при температуре 3000С всего 0,2 %. Это указывает на воз-можность упрочнения бериллиевой бронзы методом дисперсного твердения. При нагреве бронзы БрБ5 до 760-7800С образуется однородный  - раствор, который сохраняется резуль-тате быстрого охлаждения в воде при нормальной температуре.

При закалке бронза обладает малой прочностью ( = 450 МПа), высокой пластично-стью ( = 40%) и способностью упрочняться при старении как непосредственно после закал-ки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Старение проводят при 300-3500С. При старении из перенасыщенного  - раствора выделяются дисперсные части-цы - фазы (CuBe), что сильно повышает прочность бронзы. Предварительно наклепанная бронза при старении упрочняется сильнее и быстрее.

Так, бронза БрБ2 в состоянии после закалки и старения имеет  = 1250 МПа и  = 3-5 %, а после закалки, холодной пластической деформации с обжатием 30 % и старение -  = 1400 МПа, пластичность после старения невелика. (  = 2 %,). Бронзу нередко легируют так-же титаном (0,1-0,25 %): БрБНТ1,9 и БрБНТ1,7. Обладая высокими значениями временного сопротивления, пределами текучести и упругости, бериллиевые бронзы хорошо сопротивля-ются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на износ, в электронной технике

Свинцовые бронзы. Свинец практически не растворяется в жидкой меди. Поэтому сплавы после затвердевания состоит из кристаллов меди и включения свинца.

Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это пре-допределяет широкое применение бронзы БрС30 для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Из-за невысоких механических свойств ( = 60 МПа и  = 4 %,) бронзу БрС30 на-плавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при изнашивании. Вследствие большой разности значения плотности меди (8,94 г/см3) и свинца (11,3 4 г/см3) и широкого интервала кристаллизации бронза склонна к ликвации по плотности. Нередко свинцовые бронзы легирую никелем и оловом, которые растворяются в меди, повышают механические и коррозионные свойства.

В промышленности применяются безоловянные бронзы с особыми свойствами: кремнистые, обладающие высокой упругостью, марганцовистые с повышенной жаропрочностью, бериллиевые с высокой прочностью   130 кгс/ мм2, свинцовистые для ответственных подшипников и др.