Медь и ее сплавы

Медь - металл красного цвета, плотность которого составляет 8,9 г/см3, а температура плавления- 1083 °С. Медь имеет гранецентрированную кубическую. решетку и не претерпевает превращений при нагреве. Чистая медь обладает высокой электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Свойства меди зависят от степени чисто­ты металла. Уровень содержания примесей определяет ее марку: М00 - 99,96 % Си; МО - 99,93; Ml - 99,00; М2-99.7 и М39 - 99,5 % Си.

В литом состоянии прочностные свойства меди невысокие (8В = 160 МПа), но пластичность хорошая (8 = 25 %). Холодная пла­стическая деформация позволяет повысить ств до 450 МПа, но пла­стичность при этом снижается (5 < 3 %).

Медь хорошо куется, но плохо обрабатывается резанием и из-за большой усадки и низкой жидкотекучести имеет плохие литейные свойства.

Вредными примесями, снижающими механические и технологи­ческие свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, сера и кислород. Висмут и свинец почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен, что снижает способ­ность к пластической деформации. Сера и кислород образуют с ме­дью хрупкие эвтектики Си-Cu3S и Си-Си2О, которые располагаются по границам зерен. При нагреве меди, содержащей кислород, во влажной атмосфере проявляется «водородная болезнь» меди:

Cu2O

H2O.

Образующиеся между зернами пары воды создают высокое давле­ние и способствуют образованию трещин.

Все сплавы меди в зависимости от основного легирующего эле­мента делятся на две группы: латуни и бронзы.

Латунями называются двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. В системе Си-Zn образуется шесть твердых растворов с различной природой, но в используемых на практике плавах (до 45 % Zn) струк­тура представлена либо одной а-фазой, либо двумя фазами - а+р.

Из рис. 6.6 следует, что при достижении равновесных структур сплав, содержащий до 39 % цинка, является однофазным а-твердым раствором цинка в меди. В реальных отливках р-фаза появляется уже при содержании свыше 30 % цинка. Кроме того, латуни содержат ле­гирующие элементы (Al, Pb, Fe, Ni, Sn, Mn). Все они, кроме никеля, снижают растворимость цинка и способствуют образованию двухфаз­ной (а + Р')-латуни. Твердый а-раствор имеет ГЦК решетку и харак­теризуется высокой пластичностью.

Рис. 6.6. Диаграмма состояния Си-Zn

Электронное соединение CuZn, или р-фаза, существует при тем­пературе свыше 454 °С, имеет неупорядоченное расположение ато­мов цинка и весьма пластично. При более низкой температуре оно превращается в Р'-фазу, имеющую ОЦК решетку и упорядоченное расположение атомов. Это хрупкая и твердая структурная составляю­щая. Латуни со структурой (а + Р') более прочные и износостойкие, чем а-латуни, но пластичность у них низкая. Латуни, содержащие 20 % цинка, склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере, которое заметно уменьшается после отжига изделий при 250...270 °С.

Различают деформируемые (ГОСТ 15527-70) и литейные (ГОСТ 17711-93) латуни. Маркируют латуни буквами и цифрами. Буквы ис­пользуются для обозначения латуни (Л) и элементов сплава: А-алю­миния; Ж - железа; Мц - марганца; Н -никеля; О - олова; С - свинца; К - кремния; Мш - мышьяка. В деформируемых латунях первые две цифры указывают среднюю массовую долю меди (%), в литейных после буквы Ц - цинка, все последующие - среднюю массовую долю других легирующих элементов (%) в том же порядке, что и буквы. Прочность двойных деформируемых латуней (Л96...Л60) возрастает по мере увеличения содержания цинка. Улучшается и их обрабатываемость резанием, но коррозионная стойкость падает. Пла­стичность растет при содержании цинка до 30 %, а затем резко падает.

Для улучшения технологических свойств латуни легируют различ­ными элементами. Добавки алюминия, кремния, марганца и никеля повышают сопротивление коррозии, а свинец улучшает обрабатывае­мость резанием.

Состав, свойства и область применения наиболее часто встречаю­щихся марок латуней приведены в табл. 6.4.

Бронзами называются двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими эле­ментами.

Бронзы бывают деформируемыми (ГОСТ 5017-74 и ГОСТ 18175-78) и литейными (ГОСТ 493-79 и ГОСТ 613-79). Их обозначают буква­ми Бр, элементы сплава - по аналогии с латунями, дополнительно используя следующие буквы: Ф-фосфор; Б - бериллий; Т - титан; Мг - магний; Кд - кадмий; X - хром. Цифры указывают среднюю массовую долю элементов сплава (%) в том же порядке, что и буквы; остальное - средняя массовая доля меди. Буквы, обозначающие эле­менты сплава, в деформируемых бронзах указываются подряд (далее следуют соответствующие цифры через дефис), в литейных - указы­ваются по порядку буквы и цифры. Например, БрОФ7-0,2иБрОЮФ1.

Наиболее распространенные марки бронз приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.4

Марки и свойства латуней

Примечание. Для деформируемых латуней в числителе даны значения ов и 5 в отожженном, а в знаменателе - в наклепанном состоянии.

Таблица 6.5 Марки и свойства бронз

Примечание. Для деформируемых бронз в числителе даны значения ств и 8 в отожженном, а в знаменателе - в наклепанном состоянии.

Деформируемые бронзы с целью увеличения пластичности перед деформацией гомогенизируют при 700...750 °С с последующим быст­рым охлаждением в воде или (для небольших заготовок) на воздухе.

Наибольшее распространение получили оловянистые и алюми­ниевые бронзы.

В соответствии с диаграммой Cu~Sn (рис. 6.7) оловянистые бронзы характеризуются широким интервалом кристаллизации, вследствие чего они склонны к ликвации и пористости в отливках, а также име­ют низкую жидкотекучесть. Несмотря на то что растворимость олова в меди при равновесных условиях составляет 15,8 %, в обычных усло­виях охлаждения в связи с низкой скоростью диффузии олова уже при его содержании 5...6 % в структуре появляется 5-фаза - хрупкое со­единение Cu31Sn8. В литом состоянии 5-фаза располагается сеткой по границам зерен, резко снижая пластичность и вязкость, а после дефор­мации и отжига она в виде игл располагается непосредственно в а-фа-зе. Две другие фазы ф и е) являются соединениями Cu5Sn и Cu3Sn. -

Рис. 6.7. Диаграмма состояния сплавов Си-Sn

По мере увеличения содержания олова в двойных оловянистых бронзах пластичность снижается (начиная с 6 % Sn), а прочность вна­чале возрастает (до концентрации 25 % Sn) и затем резко снижается. Двойные оловянные бронзы применяются редко. Для улучшения тех­нологических и эксплуатационных характеристик их дополнительно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором. Цинк в основном улучшает технологические свойства. Фосфор повышает твердость и прочность, а также антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, плотность и коррозионную стойкость. Свинец снижает механические свойства, но улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.

Двойные алюминиевые бронзы (БрА5 и БрА7) применяются редко. Обычно их легируют никелем, марганцем и железом. Так как в меди при нормальной температуре растворяется до 9,4 % алюминия, эти бронзы являются однофазным а-сплавом. Легирование никелем, марганцем и железом осуществляют с целью измельчения зерна, по­вышения механических и антифрикционных свойств, а также изно­состойкости.

По мере роста содержания алюминия наблюдается рост пластич­ности (до 2...3 % А1) и прочности (до 9... 10 % А1). Алюминиевые брон­зы хорошо сопротивляются коррозии и легко обрабатываются давле­нием, но они дают большую усадку в процессе кристаллизации и склонны к газонасыщению, что приводит к образованию газовых ра­ковин в отливках.

Кремнистые бронзы характеризуются упругостью и их можно при­менять для изготовления пружин. Легирование этих бронз никелем и марганцем благоприятно сказывается на механических, технологиче­ских и эксплуатационных характеристиках.

Бериллиевые бронзы можно упрочнять термической обработкой, так как растворимость бериллия в меди уменьшается от 2,7 до 0,2 % по мере снижения температуры. После закалки с 760...780 °С брон­зы пластичны (5 = 25 %). Отпуск (старение) при 300...350 °С упроч­няет берилливую бронзу (ств > 1200 МПа), но резко снижает ее пла­стичность (5 < 1 %).

Свинец нерастворим в меди в твердом и жидком состоянии. Вслед-, ствие этого после кристаллизации сплав состоит из меди с включения­ми свинца по границам зерен. Это обеспечивает высокие антифрикци­онные свойства и хорошую прирабатываемость свинцовистых бронз. Следует отметить, что при кристаллизации свинец ликвирует вследст­вие высокой плотности, что приводит к возникновению зональной ли­квации в слитках.