Медь и ее сплавы

4.5.1 Общая характеристика меди и её сплавов

Медь – металл без полиморфных превращений с кристаллической ГЦК решеткой. Температура плавления составляет 1083^оС. При нагревании полиморфные превращения в меди отсутствуют. Плотность меди составляет 8940кг/м³.

Медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. По электрической проводимости и теплопроводности медь занимает второе место после серебра. Медь обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, едких щелочах, органических кислотах и других агрессивных средах, но взаимодействует с аммиаком и сернистыми газами.

Медь хорошо прокатывается в тонкие листы и ленту Холодная пластическая деформация (достигающая 90% и более) увеличивает прочность, твердость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую проводимость. При пластической деформации возникает текстура, вызывающая анизотропию механических свойств меди. Отжиг для снятия наклепа проводят при 550 – 600°С в восстановительной атмосфере, так как медь легко окисляется при нагреве.

К недостаткам меди относятся: невысокая прочность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.

В зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Сu), М0 (99,97% Сu), M1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,5% Сu).

Наиболее часто встречающиеся в меди элементы подразделяют на три группы.

К первой группе относятся растворимые в меди элементы Al, Fe, Ni, Sn, Zn, которые повышают прочность и твердость меди и используются для легирования сплавов на медной основе. Эти примеси резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди.

Вторую группу составляют нерастворимые в меди элементы РЬ и Bi, которые ухудшают механические свойства меди и однофазных сплавов на ее основе. Образуя легкоплавкие эвтектики (соответственно, при 326 и 270°С), располагающиеся по границам зерен основной фазы, они вызывают красноломкость сплавов.

Нерастворимые элементы О, S, Se, Те присутствуют в меди и ее сплавах в виде промежуточных фаз (например, Сu₂О, Сu₂S). Они составляют третью группу элементов и образуют с медью эвтектики с высокой температурой плавления, не вызывающих красноломкости. Кислород при отжиге меди в водороде вызывает «водородную болезнь», которая может привести к разрушению металла при обработке давлением или эксплуатации готовых деталей.

Для легирования медных сплавов в основном используют элементы, растворимые в меди, – Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Sn, Al) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. Относительное удлинение некоторых однофазных сплавов достигает 65%. По прочности медные сплавы уступают сталям. Временное сопротивление большинства сплавов меди лежит в интервале 300...500 МПа, что соответствует свойствам низкоуглеродистых нелегированных сталей в нормализованном состоянии. И только у наиболее прочных бериллиевых бронз после закалки и старения предел прочности составляет 1100...1200 МПа и соответствует уровню прочности среднеуглеродистых легированных сталей, подвергнутых термическому улучшению.

Медные сплавы подразделяются на две основные группы: латуни и бронзы.

Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых деталей. В медных сплавах алюминий обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, никель – Н, олово – О, свинец – С, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – X; марганец – Мц.

Латуни (сплавы меди с цинком) маркируют буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих, кроме меди и цинка, других элементов, за буквой Л ставится число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие на содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь Л68 содержит 68% Сu, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59% Сu, 3% А1; 2% Ni (остальное Zn). В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% Zn, 3% Mn и 1% Al.

Бронзы (сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка) обозначают буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие на их содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% А1, 4% Fe, остальное – Сu. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb, остальное – Сu.

Латуни

Медь с цинком образует a-твердый раствор с предельной концентрацией цинка 39% (рис. 22). При большем содержании цинка образуется электронное соединение CuZn (β-фаза) с кристаллической решеткой ОЦК. При 454…468°С (штриховая линия на диаграмме) наступает упорядочение β-фазы, а упорядоченный β-твердый раствор обозначается как β'-фаза.

Рисунок 22 - Диаграмма состояния Cu-Zn

При наличии в структуре латуни только α-твердого раствора увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластичности. Появление β'-фазы сопровождается резким снижением пластичности, повышением твердости и хрупкости. Прочность продолжает повышаться при увеличении содержания цинка до 45 %, пока латунь находится в двухфазном состоянии. При дальнейшем повышении процентного содержания цинка происходит переход латуни в однофазное состояние со структурой β'-фазы, что вызывает резкое снижение прочности. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45% Zn. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.

Двойные латуни (содержащие только медь и цинк) подразделяются на однофазные (со структурой α-твердого раствора) и двухфазные(со структурой α и β-фаз).

Однофазные латуни обладают высокой пластичностью и хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость. Для повышения пластичности проводят рекристаллизационный отжиг при 600…700°С.

Детали, которые изготовлены из деформируемых латуней при содержании более 20% цинка, могут подвергаться "сезонному " растрескиванию во влажном воздухе при наличии в атмосфере серных газов. Для предотвращения растрескивания детали отжигают при температурах, ниже температуры рекристаллизации (в большинстве случаев при 250…270^оС).

Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность противостоять износу, но при этом уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость.

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни не подвергают горячему деформированию, а выпускают в виде холоднокатаных полос, лент, проволоки, листов. Из проката изготавливают детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).

Вследствие небольшого температурного интервала кристаллизации двойные латуни обладают низкой склонностью к дендритной ликвации, высокой жидкотекучестью, малой рассеянной усадочной пористостью и хорошей герметичностью. Но, несмотря на это, они практически не применяются для фасонных отливок, так как имеют довольно большую концентрированную усадочную раковину.

Для повышения обрабатываемости в латунь вводят свинец. Латунь ЛС59-1 («автоматная») поставляется в прутках и предназначается для изготовления деталей на станках-автоматах.

Для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают прочность и коррозионную стойкость латуней. Поэтому легированные латуни широко применяют в речном и морском судостроении(ЛАЖ60-1-1). Латуни, легированные оловом (ЛО70-1, ЛО62-1) обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде и поэтому имеют название «морские латуни».

Практическое применение находят латуни с добавлением алюминия до 4 % (ЛА77-2), которые, благодаря однофазной структуре, хорошо обрабатываются давлением.

Алюминиевые латуни дополнительно легируют никелем, железом, марганцем, кремнием, обладающими переменной растворимостью в α-твердом растворе, что позволяет упрочнять эти латуни с помощью закалки и старения.

Латунь ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 является единственным сплавом на основе системы Cu-Zn, который упрочняется дисперсионным твердением. Температура закалки составляет 800^оС, после проведения которой латунь имеет высокую пластичность, а после старения приобретает и высокую прочность (s_в = 700 МПа, d = 25%). Хорошая пластичность в закаленном состоянии позволяет дополнительно упрочнять сплавы с помощью пластического деформирования перед старением, что обеспечивает повышение временного сопротивления до 1000 МПа.

Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью, пластичностью, вязкостью как при обычных, так и при низких температурах (до -183°С). При легировании латуней для получения однофазной структуры используют небольшие добавки кремния (ЛК80-3). Такие латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов, в судо- и машиностроении.

Бронзы

4.5.3.1 Оловянные бронзы

Предельная растворимость олова в меди соответствует 15,8%, но при концентрации олова более 10% в структуре бронз образуется δ-фаза, вызывающая резкое снижение их вязкости и пластичности. Поэтому практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10% Sn.

Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую линейную усадку, что позволяет получать сложные фасонные отливки. Двойные и низколегированные литейные бронзы содержат 10% Sn. Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, P (БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17, БрО10Ц2 и др.). Цинк полностью растворяется в α-твердом растворе при легировании до 15% и, уменьшая интервал кристаллизации оловянных бронз, улучшает их жидкотекучесть и плотность отливок. Свинец повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть, а износостойкость улучшается, благодаря появлению твердых включений фосфида меди Сu₃Р.

Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде способствует широкому применению литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением.

Деформируемые бронзы содержат до 6…8%Sn (БрОФ 4-2,5, БрОЦ 4-3 и др.). Для устранения дендритной ликвации и выравнивания химического состава, а также улучшения обрабатываемости давлением применяют диффузионный отжиг, который проводят при 700…750°С. При холодной пластической деформации бронзы подвергают промежуточным отжигам при 550…700°С. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литейные.

Деформируемые бронзы обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Их используют для изготовления круглых и плоских пружин в точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других областях промышленности.

4.5.3.2 Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянными бронзами заключаются в меньшей стоимости и более высоких механических и технологических свойствах. В частности, небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность отливок, малую склонность к дендритной ликвации.

Медь с алюминием образует α-твердый раствор. С увеличением содержания алюминия до 4,5 % наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, которая затем резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10…11 %. С появлением при этих концентрациях эвтектоида, содержащего твердую и хрупкую фазы, повышается износостойкость и проявляются антифрикционные свойства.

Деформируемыми являются однофазные бронзы (БрА5, БрА7). Они обладают наилучшим сочетанием прочности (σ_в = 400...450 МПа) и пластичности (δ = 60%).

Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью (σ_в = 600 МПа) и твердостью (> 100 НВ). Их можно подвергать упрочняющей термической обработке.

Алюминиевые бронзы легируют железом, никелем, марганцем. В α-фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4 % железа, при большем содержании образуются включения Al₃Fe. Дополнительное легирование сплавов никелем и марганцем способствует появлению этих включений при меньшем содержании железа. Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз.

Наилучшей пластичностью алюминиево-железные бронзы (например, БрАЖ9-4) обладают после нормализации при 600…700°С или закалки от 950°С с последующим отпуском при 250…300°С.

Никель способствует дополнительному упрочнению бронз, легированных железом и никелем, вследствие старения. Например, в отожженном (мягком) состоянии БрАЖН10-4-4 твердость составляет 160 НВ. После закалки от 980°С и старения при 400°С в течение 2 ч твердость увеличивается до 400 НВ.

Из алюминиево-железоникелевых бронз изготовляют детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400…500°С): седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и др.

Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешевым марганцем (БрАЖМц10-3-1,5).

4.5.3.3 Кремнистые бронзы

Кремнистые бронзы содержат до 3% Si и имеют однофазную структуру α-твердого раствора. Однофазная структура твердого раствора обеспечивает кремнистым бронзам высокую пластичность и хорошую обрабатываемость давлением. При увеличении содержания кремния более 3% в структуре сплавов появляется твердая и хрупкая γ-фаза, что снижает их пластичность.

Добавки марганца и никеля повышают прочность и твердость кремнистых бронз. Никель, обладая переменной растворимостью в α-фазе, создает возможность для упрочнения никель-кремнистых бронз проведением закалки и старения. После закалки от 800°С и старения при 500°С БрКН-1-3 и БрКН-0,5-2 имеют σ_в > 700 МПа, δ ≈ 8 %.

Кремнистые бронзы выпускают в виде лент, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей (БрКН1-3), (БрКМцЗ-1), а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.

Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней.Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств этих бронз

4.5.3.4 Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы характеризуются высокими пределами прочности и упругости, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0…2,5% Be (БрБ2, БрБ2,5), поскольку при большем содержании бериллия пластичность становится очень низкой.

Бериллий обладает переменной растворимостью в меди, которая уменьшается при снижении температуры, что дает возможность проводить упрочнение, заключающееся в закалке от 780…800^оС и последующем старении при 325^оС. Наиболее распространенная бериллиевая бронза БрБ2 после закалки с 780°С и старения при 300…350 °С в течение 2 ч имеет следующие механические свойства: σ_в = 1250 МПа, σ_0,2 = 1000 МПа, δ = 2,5 %, твердость 700 НВ, Е = 133 ГПа. Пластическая деформация закаленной бронзы и последующее старение позволяют увеличить временное сопротивление до 1400 МПа.

Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310…340°С. При 500°С они имеют приблизительно такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре.

Бериллиевые бронзы обладают высокой теплопроводностью и электрической проводимостью. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются точечной и роликовой сваркой, однако широкий температурный интервал кристаллизации затрудняет их дуговую сварку.

Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно в виде полос, лент, проволоки и других деформированных полуфабрикатов. Вместе с тем из них можно получить качественные фасонные отливки. Из бериллиевых бронз изготовляют детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.

Бериллиевую бронзу применяют для изготовления инструмента, не образующего искру при ударе о металл или камень, что позволяет использовать его при взрывоопасных горных работах.

Основным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость. Легирование Mg, Ni, Ti, Co позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7…1,9% без заметного снижения механических свойств (БрБНТ1,7 и др.).