21. Медь и сплавы на ее основе 21.2. 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, обозначающее название и количество легирующего элемента, например ЛАЖ60-1-1 означает латунь 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  - твердого 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 концентрированных усадочных раковин.         Поэтому латуни применяются, главным образом, как деформированные, а не литейные 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 которых 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, проволока
ЛС59-1	400 (650)	45 (6)	-	То же
Литейные латуни 2
ЛЦ40С	215	12 (20)	70 (80)	Арматура, втулки, сепараторы 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 - свойства 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 коррозионной 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 вкладышей 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, мембраны, 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 подшипников 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 , существующая при температуре свыше 565⁰С, представляет собой твердый раствор на базе электронного 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 ниже. Железо измельчает зерно и повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства и износостойкость, как при низких температурах, так и высоких (500-600⁰С). Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической 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. 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, проволока 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

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). Бериллиевые бронзы. Эти бронзы относятся к сплавам, упрочняемые термической обработкой. 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 возможность упрочнения бериллиевой бронзы методом дисперсного твердения. При нагреве бронзы БрБ5 до 760-780⁰С образуется однородный  - раствор, который сохраняется результате быстрого охлаждения в воде при нормальной температуре. При закалке бронза обладает малой прочностью (_ = 450 МПа), высокой пластичностью ( = 40%) и способностью упрочняться при старении как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Старение проводят при 300-350⁰С. При старении из перенасыщенного  - раствора выделяются дисперсные частицы - 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 также титаном (0,1-0,25 %): БрБНТ1,9 и БрБНТ1,7. Обладая высокими значениями временного сопротивления, пределами текучести и упругости, бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются 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 предопределяет 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 наплавляют 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.