Медь и ее сплавы

1. Характеристика меди.

2. Классификация медных сплавов. Латуни.

3. Оловянные бронзы.

4. Алюминиевые бронзы.

5. Кремниевые, бериллиевые, свинцовые бронзы.

В электромашиностроении и при производстве проводов очень широко применяется чистая медь, которая по электропроводимости занимает среди металлов 2-е место после серебра. Медь – вязкий металл красновато-розового цвета. Кристаллическая решетка меди – куб с центрированными гранями.

Микроструктура чистой меди состоит из зерен с характерными двойниками. Медь отличается хорошей теплопроводимостью и стойкостью против атмосферной коррозии.

Присутствие даже незначительных количеств других элементов может сильно понизить ее электропроводимость. Нерастворимые в меди и неметаллические включения (Pb, Bi, S-стые и О₂-е включения) мало изменяют ее электропроводимость.

Элементы, образующие твердые растворы с медью по-разному влияют на ее электропроводимость. Например, полностью растворимое в медь серебро очень мало снижает ее электропроводимость. Элементы, ограниченно растворимые в твердом состоянии, например, As резко снижают электропроводимость меди, причем, чем меньше растворимость, тем больше снижается электропроводимость.

Различные элементы могут сжижать или расширять решетку меди, но чем сильнее они искажают ее, тем больше снижение электропроводимости. Так, Ni полностью может растворяться в меди, но вызывает большое снижение электропроводимости вероятно потому, что Ni сильно сжимает решетку меди.

Медную проволоку используют тогда, когда не требуется высокая механическая прочность. Утроить предел прочности в случае необходимости можно добавками Cd (0,8-1,0%). Электропроводимость при этом составляет приближенно 90% от электропроводимости чистой меди.

2.Классификация медных сплавов. Латуни.

Различают 2 основные группы медных сплавов: 1) латуни, сплавы меди с цинком и 2) бронзы, сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но наряду с другими может быть и цинк.

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

Обозначаются сплавы начальной буквой (Л – латунь, Б – бронза), после чего следуют 1е 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 буквой, указывают количество легирующих элементов. Например, ЛЖМц59-1-1 – латунь, содержащая 59% меди, 1% железа и 1% Мn, остальное цинк. Или: БрОФ6,5-0,15 – бронза, содержащая 6,5 олова, 0,15 Р, остальное медь.

Латуни – это двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, легирующий элемент – цинк.

Диаграмма состояния Cu-Zn сложна и состоит из 5-ти перитектических диаграмм. В твердом состоянии в сплавах возможно образование 6-ти фаз.

Zn при комнатной температуре растворяется в меди на 39%, не меняется практически до 453⁰С. Образуется  - твердый раствор Zn в меди с решеткой меди ГЦК.

Наиболее часто структура латуней состоит из  и  фаз.  - фаза – упорядочен­ный  - твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с решеткой ОЦК.

При высоких температурах  - фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности. В этом состоянии  - фаза пластична. При температуре 454-468⁰С расположение атомов Cu и Zn упорядочивается и фаза обозначается .

Механические свойства сплава зависят от содержания Zn. В области  - твердого раствора прочность и пластичность растут. При появлении в структуре  - кристаллов пластичность падает, а прочность возрастает до содержания цинка 45%. При большем содержании цинка структура сплава состоит из  - фазы и прочность сильно уменьшается из-за высокой хрупкости.

Технические латуни содержат 40-45% цинка. В зависимости от содержания цинка различают  - латуни и  - латуни. 1-е хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. 2-х фазные  - латуни мало пластичны в холодном состоянии. Обычно их подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих области  или  - фаз.  - латуни более прочны и износостойки, чем  - латуни.

Нередко используют специальные или многокомпонентные латуни, получаемые легированием двойных латуней алюминием, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и т.д.

Все, кроме Ni, легирующие элементы уменьшают растворимость Zn в меди и способствуют образованию  - фазы.

Электронные соединения (фазы Юм-Розери) образуются между 2-мя металлами из следующих групп: Cu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pd, Pt с одной стороны и Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si с другой стороны. Эти соединения характеризуются определенным соотношением между валентными электронами и числом атомов (3/2, 21/13 или 7/4), причем каждому соотношению соответствует определенная кристаллическая решетка. Например, при отношении числа валентных электронов к числу атомов, равному 3/2 образуется решетка ОЦ куба (так называемая  - фаза). Все соединения, у которых отношение числа валентных электронов к числу атомов равны 21/13, имеют сложную кубическую решетку с 52 атомами на ячейку (-фаза), при отношении 7/4 – гексагональную решетку (-фаза). Например, в системе Cu-Zn  - фазой является соединение Cu-Zn (3/2), -фазой - Cu₅Zn₈ (21/13) и  - фазойCuZn₃ (7/4).

У электронных соединений определенное соотношение атомов и новая, отличная от элементов кристаллическая решетка – это признаки, характерные для химического соединения. Однако в соединении нет упорядоченного расположения атомов. При высоких температурах атомы обоих элементов часто не занимают определенных узлов в решетке, т.е. располагаются статистически.

При понижении температуры до определенного значения происходит упорядочение, которое обычно не бывает полным.

Таким образом, и этот тип соединений следует считать промежуточным между химическим соединением и твердым раствором.

Электрические соединения в сплавах меди

Система	β -фаза, отн.3/2 куб. объемн.-центр. решетка	γ-фаза,21/13 сложн.куб.решетка	ε-фаза, отн. 7/4 гексагон.решетка
Cu-Zn	CuZn	Cu5Zn8	CuZn3
Cu-Sn	Cu5Sn	Cu31Sn8	Cu3Sn
Cu-Al	Cu3Al	Cu9Al4	Cu5Al3
Cu-Si	Cu5Si	Cu31Si8	Cu3Si

В связи с этим специальные латуни чаще всего 2-х фазные . Ni увеличивает растворимость Zn в меди, уменьшает количество  - фазы и при определенном соединении Ni сплав становится однофазным (-латунь).

Легирующие элементы увеличивают прочность, в частности, твердость, но уменьшают пластичность латуни.

Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn, Ni.

Наклепанные латуни и содержащие Zn свыше 20% в присутствии влаги, О₂, NH₃ склонны к коррозионному растрескиванию. Во избежание этого латунные полуфабрикаты ука­занных свойств отжигают при 250-650 ^оС, а изделия из латуни при 250-270 ^оС.

По техническому признаку латуни подразделяют на 2 группы: деформируемые, из которых изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты и литейные – для фасонного литья. Последние обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами.

Если требуется высокая пластичность, теплопроводимость и важно отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию, применяют α- латуни с высоким содержанием меди: Л96 и Л9Л (латуни, содержащие до 10% цинка, называют томпаком, а от 10 до 20% цинка – полутомпаком).

Латуни с большим содержанием цинка – Л70 (-л) и Л62 (_л) обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии. Наиболее пластична  - латунь Л70, которую используют чаще всего для изготовления деталей штамповкой.

В судостроении применяют коррозионностойкую деформируемую латунь [-ЛАЖ60-1-1] и ЛЖМц59-1-1.

Еще более стойки в морской воде латуни, легированные Sn ЛО70-1 и ЛО62-1, так называемые морские латуни.

ЛС59-1 – автоматная латунь поставляется в прутках, из нее изготавливают изделия на станках-автоматах.

Для уменьшения твердости полуфабрикаты подвергают рекристаллизационному отжигу при 600-700 ^оС. Для отделения слоя окалины охлаждают на воздухе или в воде. Чтобы получить мелкозернистость структуры перед глубокой вытяжкой полосы и ленты отжигают при более низкой температуре: 450-550⁰С.

Структура и свойства  - латуней зависят от скорости охлаждения. При быстром охлаждении возрастает количество  - фазы, что повышает твердость и иногда улучшает обработку резанием. При необходимости холодной обработки давлением, когда нужна высокая пластичность, охлаждение должно быть медленным, чтобы получить больше  - фазы.

Латуни, предназначенные для фасонного литья с повышенной прочностью, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Такие латуни более коррозионностойки.