МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Медь

Медь - тяжелый металл (r = 8,94*10³ кг/м³) красно-розового цвета. Находится в 1 группе Периодической таблицы. Полиморфных превращений не имеет. Кристаллизуется в ГЦК-решетке с параметром а=0,36074 нм. Характеризуется исключительной пластичностью, элек­тропроводностью и теплопроводностью. Около 40 % добываемой ме­ди идет на изготовление электрических проводов и кабелей.

Электронная структура внешних оболочек меди Зs²3p⁶3d^l04s^l. Наличие одного неспаренного электрона во внешнем электронном слое атома объясняет одновалентное состояние. При возбуждении атома электрон из 3d¹⁰ может переходить во внешнюю 4р оболочку.

Поэтому для меди типичны валентности +2 и +3. Наиболее ус­тойчивы соединения меди СuО, CuSO₄ и др.

С кислородом медь образует оксид меди:

2Cu + О₂ = CuO,

а на воздухе (влажном) медь покрывается зеленовато-серой пленкой основных карбонатов (СuОН)₂ СО₃ *Н₂О.

На поверхности меди, как правило, образуется тонкая оксидная пленка, предохраняющая от дальнейшего окисления. Таким обра­зом, медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и мор­ской воде, щелочах, органических кислотах. Однако азотная, соляная, серная кислоты и аммиак "разъедают" медь. Механические свойства меди низки, поэтому в качестве конструкционного материала медь находит ограниченное применение. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе.

Латуни

Латунями называют сплавы меди с цинком. Из цветных сплавов латуни самые распространенные. Латуни обозначают буквой Л, справа от которой пишут легирующие элементы кроме цин­ка, затем цифру - процент меди. Так, Л90 содержит 90 % меди, ос­тальные 10 % Zn, ЛАЖМц 66-6-3-2 означает латунь, содержащую 66 % Сu, 6 % А1, 3 % Fe, 2 % Mn. Остальное – 23 % Zn.

Латуни могут иметь в своем составе до 45 % Zn (рис. 15.1). Повышение Zn до 45 % повышает прочность от 20 до 45 кг/мм², а свыше 45% Zn резко ухудшает механические свойства (s и d) – (рис. 15.2).

Рис. 15.1. Диаграмма Cu-Zn Рис. 15.2. Влияние содержания Zn на

свойства латуней

При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых рас­творов a, b, g, e. a - твердый раствор меди с цинком с предельной растворимостью цинка 39 %. Фазы b, g, e - твердые растворы на базе электронных соединений:

b -CuZn, g -Сu₅Zn, e -CuZn₃.

По химическому составу различают латуни простые и сложные, а по структуре – однофазные и двухфазные. Простые латуни легируются одним компонентом: цинком. Простые однофазные латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у латуней с 30—32 % цинка (латунь Л68). Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуни Л68 в пластичности, но превосходят ее в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и в поковках. Простые двухфазные латуни имеют хорошие ковкость (но главным образом при нагреве) и повышенные литейные свойства и используются не только в виде проката, но и отливках. Пластичность их ниже, чем у однофазных латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния более твердых частиц второй фазы.

Прочность простых латуней 300—350 МПа при однофазной структуре и 400— 450 МПа при двухфазной. Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией. Эти латуни имеют достаточную стойкость в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений, создаваемых холодной деформацией). Сложные латуни вследствие дополнительного легирования имеют более высокую прочность: до 500—550 МПа. Они хорошо устойчивы в морской воде.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди с оловом (оловянные бронзы) с алюминием (алюминиевые бронзы) и др.

Бронзы маркируют буквами Бр, затем указывают элементы. Например, БрОЦ-4-3 означает 4% Sn, 3% Zn, остальное Сu, бронза БрАЖМц 10-3-1,5 содержит 10 % А1, 3 % Fe, 1,5 % Мn, остальное Сu.

По способу производства полуфабрикатов и изделий медные сплавы (латуни и бронзы) подразделяют на деформируемые и ли­тейные, а по способности к термическому упрочнению - на термически упрочняемые и термически не упрочняемые.

Бронзы оловянные.

Рис. 15.3. Диаграмма Cu-Sn

Диаграмма состояния Cu-Sn (рис. 15.3) в части, представляющей интерес при изучении оловянных бронз, показана на рисунке, a-фаза – твердый раст­вор замещения олова в меди с ГЦК-решеткой, b- фаза – твердый раствор на базе электронного соединения Сu₅Sn (отношения валентных электронов к числу атомов 3/2) с ОЦК-решеткой. d -фаза - твердый раствор на базе электронного соединения Сu₅Sn₈. g- - фаза химическое соединение CuSn.

Сплошная линия АВК - характе­ризует состояние приочень медленном охлаждении (или отжиге) по­сле литья, штриховая - в обычных условиях литья. Для определения структур литых бронз лучше пользоваться штриховой диаграммой.

Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде). Однофазные бронзы в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные и упругие свойства (s_в > 400 МПа). Для двухфазных бронз характерна более высокая износостойкость. Важное преиму­щество двухфазных оловянных бронз — высокие литейные свойства; они получают при литье наиболее низкий (0,8%) коэффициент усадки по сравнению с другими металлами, в том числе с чугунами. Оловянные бронзы применяют для литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз — значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются алюминиевыми бронзами. Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком (или свинцом).

Рис. 15.4. Основ­ные механические свойства оловян­ных бронз (s_В и d) в зависимости от содержания олова

Бронзы алюминиевые.

Состав БрА: a-фаза - твер­дый раствор алюминия в меди с предельной растворимостью до 9 %, b-фаза - растворна основе хими­ческого соединения Сu₂А1, g -раствор на основе соединенияCuAl. b и g - фазы образуются при содержании А1 свыше 9 %.

Эти бронзы (однофазные и двухфазные) все более широко заменяют оловянные бронзы. Однофазные бронзы в группе медных сплавов имеют наибольшую пластичность (6 до 60 %). Их используют для листов (в том числе небольшой толщины) и штамповки со значительной деформацией. После сильной холодной пластической деформации достигаются повышенные прочность и упругость. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации или применяют в виде отливок. У алюминиевых бронз литейные свойства (жидкотекучесть) ниже, чем у оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют пористости, что обеспечивает получение более плотных отливок. Литейные свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств фосфора. Бронзы в отливках используют, в частности, для котельной арматуры сравнительно простой формы, но работающей при повышенных напряжениях.

Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы имеют более высокие прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы. У сложных алюминиевых бронз, содержащих никель и железо, прочность составляет 550—600 мПа. Все алюминиевые бронзы, как и оловянные, хорошо устойчивы против коррозии в морской воде и во влажной тропической атмосфере. Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации и т. д. В виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих элементов, в частности для токоведущих пружин.

Кремнистые бронзы. Они представляют собой сплав меди и основного легирующего элемента – кремния (Si). Максимальное содержание Si не более 3,5%. В этих пределах Cu образует с Si твердый раствор. Для лучших механических свойств бронза должна быть однофазная. Но в действительности в кремнистых бронзах по границам зерен выделяется избыточный интерметаллид, который охрупчивает сплав.

Применение кремнистых бронз ограниченное. Используются однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят алюминиевые бронзы и латуни в прочности и стойкости в щелочных (в том числе сточных) средах. Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах. Однофазная область обладает высоким пределом прочности, пределом упругости, пластичностью в горячем и холодном состояниях, высокими деформационными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, хорошо сваривается, паяется. К недостаткам относятся невысокие литейные свойства, повышенная усадка, пониженная жидкотекучесть. Поэтому отливки сложных форм из кремнистых бронз не изготавливают. Изготавливают полосы, ленты, круглый профиль. Кремнистые бронзы применяют для изготовления упругих элементов деталей, деталей, работающих в агрессивных средах, т.к. она обладает высокими коррозионными свойствами. Также применяют для изготовления антифрикционных деталей, узлов, машин и приборов. Широкое применение имеет кремнистая бронза БрК3.

Легируют кремнистые бронзы Ni, Mn, Pb и т.д. Ni и Mn повышают механические свойства, а Pb повышает антифрикционные свойства. Ni влияет на растворимость Si в Cu. Поэтому появляется дополнительная возможность повышения механических свойств за счет управления закалкой и искусственным старением (старение выбирается в зависимости от получаемых свойств). Если БрК3 закалить от 850 ⁰С и состарить при 500 ⁰С, то предел прочности составит ≈70кгс/мм², а относительное удлинение ε ≈8%.

Далее приведены химический состав и примерное назна­чение оловянных и алюминиевых бронз:

· БрОФ 6,5-0,15 (Sn=6-7 %)-ленты, полосы, прутки, проволокадля пружин, детали подшипников;

· БрОЦСЧ-4-2,5 - ленты и полосы для прокладок во втулках под­шипников;

· БрОЦС 6-6-3 - антифрикционные детали;

· БрОЦС 3,5-7-5 - детали для тракторов;

· БрА5, Бр-А7 - ленты, полосы;

· БрАЖМц 10-3-1,5 - прутки, поковки, трубы, фасонное литье.

Бериллиевые бронзы. Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность (s_В до 1200 мПа) и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью. Однако эти бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для особо ответственных назначений в изделиях небольшого сечения. Производят эти бронзы взамен дорогостоящих оловянных бронз. Сплавы, содержащие более 4% Ве, относятся к эвтектическим сплавам. Поэтому, чтобы предотвратить выпадение эвтектики, содержание Ве в бериллиевых бронзах составляет 1,5-2,5 %. Широкое распространение получила бронза БрБ2. Для повышения механических свойств применяется закалка в воде от 770-780 ⁰С и искусственное старение при 300-350 ⁰С. Получаемые механические характеристики: после закалки ≈50 кгс/мм², ε ≈25%, а после закалки и старения – ≈125 кгс/мм², ε ≈3-5 %.

Достоинства: бериллиевые бронзы высокими прочностными и упругими свойствами, имеют способность гасить вибрационные нагрузки, имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии, хорошо сваривается, обрабатывается резанием. Недостатки: высокая стоимость, а также пониженные литейные свойства по сравнению с оловянными бронзами, Ве токсичен, поэтому соблюдаются повышенные меры предосторожности.

Для более улучшенных механических свойств применяется термомеханическая обработка как промежуточное звено между закалкой и старением. Получаемые механические характеристики: предел упругости повышается на 20-40 % и составляет ≈80-100 кгс/мм², ≈150 кгс/мм².

Микролегирование Ni≈0,1-0,25 % и Ti ≈ 0,2-0,4 % ( марка БрБНТ1,9) обеспечивает механические свойства не ниже, чем у БрБ2,5 ( ≈80 кгс/мм²).

К достоинствам относится также то, что бериллиевые бронзы не дают искры при сопротивлении с породой. Из нее изготавливают инструмент для работы в газоопасных условиях: отбойные молотки для шахт, детали комбайнов и др.

Свинцовые бронзы. Это сплав меди со свинцом ≈до 35 %. Самая распространенная марка свинцовых бронз БрС30 ( ≈7-8 кгс/мм², ε ≈3-6%, теплопроводность в 4 раза выше, чем у оловянных бронз).

Главное достоинство – низкий коэффициент трения. Используются свинцовые бронзы как антифрикционные материалы, подшипниковые сплавы (вкладышей подшипников скольжения; вкладыш шатунов; вкладышей подшипников, работающих при повышенном удельном давлении и больших скоростях вращения и т.д.), которые изготавливаются методом литья без деформации.

В автомобилестроении антифрикционные сплавы применяют для изготовления трущихся поверхностей механизмов, двигателей и машин. Трение происходит в подшипниках между вкладышем под­шипника и трущейся деталью (оси, валы). Для вкладышей подшип­ников должен быть подобран такой материал, который предохранял бы от износа вал, сам минимально изнашивался, создавал условия для нормальной смазки и облегчал работу трущегося узла, те уменьшал коэффициент трения.

Исходя из условий работы подшипника, подшипниковый ма­териал должен представлять собой сочетание достаточно прочной, относительно пластичной и вяз­кой основы, в которой должны быть твердые опорные включения.

При этих условиях изнашивается пластичная основа, вал лежит на твердых опорных включениях и, следовательно, трение будет идти не по всей поверхности подшипника, смазка будет удерживаться в изнашивающихся местах пластичной основы.

Свинец не растворяется в жидкой меди, поэтому при затверде­вания получается механическая смесь твердых фаз свинца и меди. В силу ограниченной растворимости кристаллов в жидком состоянии, а также широкого интервала кристаллизации (953-324 ⁰С) сплавы характеризуются высокой степенью ликвации (большая разница по плотности между медью и свинцом). При кристаллизации вследствие ликвации тяжелый свинец окажется внизу, а медь наверху отливки. Для того, чтобы не произошло рас­слоения используют интенсивное перемешивание и ускоренное охлаждение. В таких бронзax основной фон составляет твердая медь с включениями мягкого свинца. Теплопроводность БрС-30 высокая, следовательно, подшипники менее нагреваются, а механические свойства сохраняются до 200°С, поэтому ее применяют для вкладышей подшипников наиболее мощных двигателей.

Легируют свинцовые бронзы оловом до 8% (БрСО 12-8), т.к. олово образует с медью более прочный твердый раствор, а также никелем до 2,5%, т.к. никель способствует измельчению структуры свинцовых бронз.