9.4. Мідь і її сплави
Мідь – метал червоного, а у зломі - рожевого кольору. Її атомний номер 29, атомна маса 63,54, температура плавлення 1083оС, густина 8940 кг/м3. Мідь має гранецентровану кристалічну гратку з параметром а=0,3608 нм,. Характерною особливістю міді є її висока електропровідність (=0,0178 Ом см2/м) і теплопровідність. За цими параметрами вона поступається лише сріблу.
Мідь має високу стійкість до корозії, її легко обробляти тиском, паяти і зварювати, проте вона має невисокі ливарні властивості і погано обробляється різанням. Оскільки механічні властивості чистої міді відносно низькі (В=250 МПа, твердість 45НВ, =50%), то як конструкційний матеріал її застосовують дуже рідко, переважно – як провідниковий матеріал.
Підвищення механічних властивостей досягається утворенням різних сплавів на мідній основі – латуней і бронз. Легують мідь цинком, оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем, нікелем, берилієм та іншими елементами. Ці елементи підвищують твердість і міцність мідних сплавів, практично не знижуючи пластичність, а окремі з них (цинк, олово, алюміній) навіть підвищують її. Алюміній, марганець і олово поліпшують стійкість до корозії, олово, кремній і марганець у певних концентраціях підвищують антифрикційні властивості сплавів міді. Залізо сприяє подрібненню зерна, а кремній – підвищує ливарні властивості.
Легуючі елементи у сплавах міді позначають такими літерами: А - алюміній, Б – берилій, Ж – залізо, К – кремній, Мц – марганець, Н – нікель, О – олово, С – свинець, Ф – фосфор, Ц – цинк.
9.4.1Латуні
Латуні – це дво- або багатокомпонентні мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. Двокомпонентні латуні системи Cu-Zn відносять до простих, а багатокомпонентні, які містять ще й інші елементи – до спеціальних.
Завдяки поєднанню добрих технологічних і непоганих механічних властивостей латуні найбільш поширені серед мідних сплавів.
Структура простих латуней у рівноважному стані описується діаграмою стану Cu-Zn (рис.9.3), яка складається з двох діаграм з перитектичним перетворенням. Відповідно до неї при вмісті цинку до 39 % латуні мають структуру однофазного -твердого розчину цинку в міді. Такі латуні мають високу пластичність, добре оброблюються тиском при низьких і високих температурах. Максимальну пластичність мають латуні, що містять 37 % Zn.
При вмісті Zn>39% у структурі латуні з’являється -фаза – впорядкований твердий розчин на основі електронної сполуки CuZn, тобто структура латуні стає двофазною (+). Такі латуні мають підвищену міцність і твердість, але низьку пластичність.
З появою у структурах твердої і крихкої -фази від початку до концентрації 45 % спостерігається інтенсивне збільшення міцності, а перехід до однофазного стану (фаза ) зумовлює раптовий спад σв . Таким чином, латуні з вмістом цинку понад 45 % характеризуються низькою міцністю, тому практичного застосування в техніці не мають.
Для підвищення механічних властивостей та хімічної стійкості латуней до них часто додають легуючі елементи. Так, алюміній, марганець, залізо і кремній підвищують міцність і твердість, однак при цьому знижують її пластичність. Алюміній, марганець, олово і нікель підвищують корозійну стійкість латуней.
За технологічною ознакою латуні поділяються на деформівні та ливарні.
До деформівних латуней належать однофазні (α) і двофазні (α+). Маючи дуже високу пластичність, однофазні латуні легко обробляються тиском в холодному і гарячому стані. Щоправда, холодна пластична деформація не лише істотно підвищує міцність і твердість, а й зменшує пластичність (явище наклепу). При потребі наклеп можна зняти рекристалізаційним відпалюванням при температурі 500...600 оС. Двофазні латуні в холодному стані менш пластичні, тому обробляти їх тиском рекомендується при температурах понад 700 оС.
Двокомпонентні латуні маркують літерою Л і числом, яке вказує вміст міді у сплаві, %, наприклад, Л96, Л90, Л62. У латуні марки Л90 вміст міді становить 90%, решта (10%) – Zn. Якщо латунь додатково легована іншими елементами, то після літери Л ставляться літери, що вказують легуючі елементи, а після них число, що вказує вміст міді в %, та числа, які вказують вміст легуючих елементів (у тому ж порядку). Наприклад, ЛЖМц 59-1-1 – це латунь, що містить 59 % Cu, 1 % Fe, 1 % Mn.
З латуней виготовляють трубки теплообмінників (Л70), гільзи патронів (Л68, Л70), прутки, дріт, стрічки тощо.
Рис.
9.3. Діаграма стану Cu-Zn
Ливарні латуні використовуються для фасонного лиття. Це в основному складнолеговані сплави. Легуючі елементи впливають на ливарні властивості латуней по різному. Наприклад, залізо і марганець знижують рідкотекучість, а олово (при вмісті до 2,5 %) її підвищує. Ливарні латуні маркують таким чином: після літери Л ставлять літеру Ц (цинк) та число, яке вказує вміст цинку в сплаві (у відсотках), потім літери та числа, які вказують легуючі елементи та їх вміст (також у відсотках). Наприклад, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – це ливарна латунь, яка містить 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, решта – Cu.
З ливарних латуней виготовляють сантехнічну арматуру (ЛЦ40С), гайки, вінці черв’ячних коліс (ЛЦ23А6Ж3Мц2), шестерні, втулки підшипників (ЛЦ38Мц2С2) тощо.