КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА СПЛАВИ

Мідь і сплави на її основі

Мідь - хімічний елемент I групи періодичної системи Д. І. Менделєєва, порядковий номер 29. Кристалічні ґрати міді - ГЦК. Температура плавлення 1083 ° С; щільність 8,94 г / см3. Мідь має дуже високу тепло- і електропровідністю, поступаючись за цими властивостями тільки сріблу. Внаслідок високої електропровідності, корозійної стійкості і пластичності мідь отримала широке застосування в електропромисловості (див. 10.6.2). Мідь - метал червоного кольору.

До недоліків міді слід віднести високу щільність, що визначає велику вагу виробів, а також ряд технологічних недоліків: малу вологотекучість, низьку свариваемость і різанням.

Залежно від чистоти випускають мідь наступних марок: М00 (99,99% Сі), МО (99,95% Сі), Ml (99,9% Сі), М2 (99,7% Сі) і М3 (99,5 % Сі).

Мідь випускають у вигляді листів, прутків, труб і дроту. Крім використання в електропромисловості з міді, використовуючи її високу теплопровідність, виготовляють різні теплообмінники, нагрівачі радіаторів і т.д.

Сплави на основі міді

Мідь є основою конструкційних машинобудівних сплавів - це латуні і бронзи.

Латуні - сплави на основі міді, в яких основним легуючим компонентом є цинк. Бронзи - сплави міді з іншими компонентами, в числі яких як неосновного може бути і цинк.

Мідні сплави знайшли широке застосування в промисловості завдяки високим експлуатаційним і технологічними властивостями. Вони мають досить високу міцність, корозійну стійкість, антифрикційними властивостями, немагнітних.

Більшість сплавів на основі міді не може бути зміцнений за допомогою термічної обробки. Аналіз діаграм стану "мідь - легуючий компонент" (рис. 8.1 і нижче 8.3) показує, що неможлива перекристалізація - через відсутність в сплавах поліморфного перетворення. Неможливо також дисперсійне твердіння - оскільки зниження температури не супроводжується зменшенням розчинності легирующего компонента в α-твердому розчині (для системи "мідь - цинк", навпаки, навіть збільшується), тому отримати пересичений твердий розчин з наступним виділенням дисперсних частинок зміцнюючої фази можна.

Діаграма стану сплавів системи "Cu - Ζn"

Мал. 8.1. Діаграма стану сплавів системи "Cu - Ζn"

Структура мідних сплавів в залежності від концентрації в них легуючих компонентів може бути однофазної - твердий розчин заміщення легирующего компонента в міді (α) або двофазної а + інтерметаліди (хімічна сполука).

За технологічною ознакою сплави підрозділяються па деформуються і ливарні. В основі цього поділу лежать властивості сплавів, що визначаються їх структурою.

Високоюпластичністю володіють сплави типу "твердий розчин", тому що деформуються сплави, як правило, однофазні або, що рідше, двофазні з невеликою кількістю другої фази. Однофазні сплави добре деформуються в гарячому і в холодному стані, двофазні - лише в гарячому при температурах вище 500 ... 600 ° С.

Ливарнісплави - двофазні. Наявність другої фази визначає малу пластичність сплавів, але вони мають гарну жидкотекучестью внаслідок відносно низьких температур плавлення (див. 11.2.1).

Деформуємі сплави поставляють у вигляді листів, стрічки, дроту, прокату. Ливарнісплави - у вигляді чушок.

Маркування латуней і бронз. Легуючі компоненти в марках цих сплавів позначаються однаковими буквами (відмінними від прийнятих для позначення сталей): А - алюміній, Б - берилій, Ж - залізо, К - кремній, Мц - марганець, Мг - магній, Н - нікель, О - олово, С - свинець, Т - титан, Ф - фосфор, X - хром, Ц - цинк.

Зміст компонентів вказується в масових відсотках. Поєднання букв і цифр в марках деформівних і ливарних сплавів різне. У позначенні деформуються спочатку пишуться всі букви, що позначають наявність певних легуючих компонентів, а потім цифри, що показують вміст компонентів в порядку їх написання. У ливарних - цифри пишуться безпосередньо після букви, що позначає наявність компонента (аналогічно тому, як це прийнято в сталях).

Латуні позначаються літерою "Л". У деформуються латунях вміст цинку не вказується, воно доповнює склад до 100% (наприклад, склад латуні Л96 - 96% Сі та невказаним вміст Zn - 4%). У ливарних, навпаки, не вказується вміст міді (склад ливарної латуні ЛЦЗОАЗ - 30% Zn, 3% Al і 67% Сі).

Бронзи позначаються буквами "Бр", в марках не вказується вміст міді. Приклади позначення бронз: деформируемой БрОЦС 6-6-3 (Sn - 6%, Zn - 6%, Pb - 3%, решта - Сі) і ливарної Бр08Ц4 (Sn - 8%, Zn - 4%, решта - Сі).

Латуні є подвійні або багатокомпонентні мідні сплави, в яких основним легуючим компонентом є цинк. Вони мають більш високу міцність і корозійну стійкість, кращої технологічністю, ніж мідь. Латуні - найбільш поширені конструкційні машинобудівні мідні сплави. Підвищення вмісту цинку здешевлює латуні, покращує їх оброблюваність різанням, зносостійкість. Разом з тим у порівнянні з міддю латуні мають більш низькі тепло- і електропровідність.

За хімічним складом латуні поділяють на прості (один легуючий компонент - цинк) і складні (з кількома легирующими компонентами), за структурою - на однофазні і двофазні.

Мідь утворює з цинком твердий розчин заміщення (див. Діаграму "Сі - Zn" на рис. 8.1). Гранична розчинність цинку в міді висока - 39%. При більшій концентрації цинку в структурі сплавів утворюється фаза CuZn (β'-фаза), що володіє високою твердістю і крихкістю.

Міцність і пластичність латуні в залежності від вмісту цинку змінюються нелінійно (відповідно до правила Н. С. Курнакова для твердих розчинів, см. 3.4.6 і рис. 3.13). Залежності і міцності, і пластичності мають екстремуми - максимуми (рис. 8.2). Підвищення міцності спостерігається при збільшенні концентрації цинку до 45% (тобто в областях а й а + β ') (див. Рис. 8.1). При його більшому вмісті структура сплавів стає однофазної, що складається з тендітною β'-фази, що призводить до зниження міцності. У промисловості використовують латуні з вмістом цинку до 45%. Підвищення пластичності при збільшенні концентрації цинку досягається лише для сплавів з однофазної структурою (α-твердого розчину), при переході в двофазну область пластичність знижується через появу β'-фази.

Однофазні латуні (з вмістом цинку менше 39%) мають хорошу пластичність, вони обробляються тиском в холодному і в гарячому станах. Під час холодної обробки тиском досягається підвищення механічної

Вплив цинку на межу міцності (σв) і пластичність (δ) латуней

Мал. 8.2. Вплив цинку на межу міцності (σ в ) і пластичність (δ) латуней

ських властивостей за рахунок наклепу. (Нагадаємо, що термічною обробкою латуні зміцнити можна.) Двофазні латуні (Ζn> 39%) обробляються тиском тільки в гарячому стані, але вони добре обробляються різанням, так як наявність тендітної β'-фази забезпечує краще стружкоотделеніе.

Прості латуні з вмістом цинку до 10% (Л96) називаються " томпаку ", при вмісті цинку 10 ... 20% (Л80) - "полутомпакі ". Ці латуні мають колір золота і широко застосовуються для виготовлення декоративних виробів.

Додаткове легування латуней (поряд з цинком) дозволяє отримувати конструкційні матеріали з більш високими механічними або кращими технологічними властивостями.

Легування оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем (наприклад, ЛО70-1) підвищує корозійну стійкість.

Латуні з нікелем і алюмінієм мають підвищені механічні властивості. Межа міцності латуні Л96 - 240 МПа, латуні з нікелем ЛАН 59-3-2 - 500 МПа, міцність сложнолегірованних латуней (ЛЦ23А6ЖЗМЦ2) досягає 600 ... 700 МПа.

Латунь ЛС 59-1 добре обробляється різанням, її називають автоматною латунню (див. 11.5.2). Вона призначена для виробів, які виготовляють різанням на верстатах-автоматах (наприклад, для кріпильних деталей).

Складні корозійно-стійкі латуні, леговані оловом, алюмінієм, марганцем, широко застосовуються в суднобудуванні.

Двофазні (міцніші) латуні використовують для виготовлення різних деталей машин - зубчастих коліс, підшипників ковзання і т.д.

Діаграма стану сплавів системи "Cu - Sn"

Мал. 8.3. Діаграма стану сплавів системи "Cu - Sn"

Бронзи - сплави міді, в яких основним може бути будь-який легуючий компонент, крім цинку і нікелю. Основні легуючі компоненти - олово (олов'яні бронзи), алюміній (алюмінієві бронзи), берилій (берилієві бронзи).

Механічні і антифрикційні властивості, а також корозійна стійкість бронз вище, ніж у латуней.

Олов'яні бронзи. Мідь утворює з оловом (як і з цинком) тверді розчини і проміжні (інтерметалідних) фази. Область існування α-твердого розчину на діаграмі стану "Cu - Sn" значно вужче, ніж на діаграмі "Cu - Zn".

Відповідно до діаграмою стану системи "Cu - Sn" (рис. 8.3) гранична розчинність олова в міді становить 14%, при більшому вмісті олова сплави стають двофазними, з'являється друга фаза (6). Однак мала швидкість дифузії олова в міді не дозволяє отримати в реальних сплавах рівноважного стану.

Тому фактично однофазними є бронзи з вмістом олова до 5 ... 6%.

При його більшому вмісті в структурі вже з'являється δ-фаза, що володіє високою твердістю і крихкістю, що супроводжується підвищенням міцності, але різким зниженням в'язкості і пластичності сплаву (рис. 8.4).

Однофазні бронзи (БрОФ6,5-0,15, БрОЦС 4-4-2,5) мають досить високу пластичність. Це деформуються сплави, їх можна деформувати в холодному стані і зміцнювати наклепом.

Наявність тендітної δ-фази в двофазних бронзах виключає можливість їх деформування не тільки в холодному, але і в гарячому стані. Це ливарні бронзи (Бр05Н5С5, Бр08Ц4).

Міцність деформуються олов'яних бронз - 300 ... ... 400 МПа, ливарних - 150 ... 200 МПа.

Крім основного легуючого компонента - олова олов'яні бронзи легують цинком, свинцем, фосфором.

Цинк в кількості 5 ... 10% розчиняється в міді, без помітного збитку на структуру, його вводять для здешевлення бронз. Свинець поліпшує оброблюваність різанням. Фосфор підвищує механічні властивості бронз, будучи розкислювачем, він видаляє (виводить в шлак при плавці) тендітні включення оксиду олова (SnO).

Висока корозійна стійкість бронз визначила їх застосування для деталей, що працюють в агресивних середовищах - морській воді, оліях та ін.

Деформуємі бронзи застосовують для виготовлення пружин і пружних елементів машин і приладів.

Ливарні олов'яні бронзи використовують для виготовлення деталей пар тертя ковзання (втулки і підшипники

Механічні властивості сплавів системи "Cu - Sn"

Мал. 8.4. Механічні властивості сплавів системи "Cu - Sn"

ковзання). Виливки з бронз мають високу пористість. Пори, розподілені по всьому об'єму, є маслозадержівающімі ємностями, і це визначає високі антифрикційні властивості бронз. Пористість визначає також малу усадку, тобто високі ливарні властивості (див. 11.2.1 та 11.2.2).

Алюмінієві бронзи. При утриманні А1 до 9% бронзи мають однофазну структуру (α-твердий розчин заміщення алюмінію в міді). Однофазні алюмінієві бронзи відрізняються високою міцністю і пластичністю.

При більшому вмісті алюмінію в структурі з'являється друга фаза Сі32А119, тендітна, що володіє високою твердістю. Це призводить до різкого зниження пластичності сплавів, тому практичне застосування отримали бронзи, що містять не більше 10% алюмінію. Двофазні бронзи менш пластичні, заготовки з них отримують або гарячої пластичної деформацією, або литтям.

Додаткове легування бронз залізом, нікелем, марганцем покращує ряд властивостей.

Залізо підвищує міцність, твердість і антифрикційні властивості алюмінієвих бронз. Нікель підвищує механічні властивості, жаростійкість і корозійну стійкість, поліпшує антифрикційні властивості. Марганець підвищує технологічні властивості і корозійну стійкість.

Алюмінієві бронзи мають комплекс високих експлуатаційних і технологічних властивостей. По міцності і корозійної стійкості вони перевершують олов'яні бронзи, мають гарні антифрикційними властивостями.

Дво- і багатокомпонентні алюмінієві бронзи мають широке застосування в машинобудуванні. Висока міцність (до 650 МПа) і хороші технологічні властивості дозволяють виготовляти з них деталі складної форми, що працюють в особливо важких умовах, наприклад вінці черв'ячних коліс, зубчасті колеса та ін. Алюмінієві бронзи, додатково леговані залізом, марганцем і нікелем, широко застосовуються в авіаційній промисловості та суднобудуванні. З двофазних бронз виготовляють деталі пар тертя ковзання. Висока зносостійкість бронз при експлуатації в цих умовах пояснюється низьким коефіцієнтом тертя таких матеріалів (пористість) і наявністю в структурі другої твердої фази.

Берилієві бронзи. Принциповою відмінністю беріллісвих бронз від інших є можливість їх зміцнення за рахунок твердіння внаслідок зниження розчинності берилію в міді від - 2,7 до 0,3% при зниженні температури від - 866 ° C до цехової (рис. 8.5).

Упрочняющая термічна обробка - гарт і подальше старіння. Розглянемо зміцнення широко використовується бронзи марки БрБ2 (2% Be). Її структура в рівноважному стані - α-твсрдий розчин заміщення берилію в міді і великі частки γ-фази, що володіє високою твердістю. Нагрівання під загартування до 760 ... 780 ° С забезпечує повне розчинення γ-фази в α-твердому розчині. Швидке охолодження в воді фіксує при температурі цеху пересичений берилієм α-твердий розчин. В загартованому стані бронза має малу міцність (σΒ - 550 МПа) і високу пластичність (8 - 25%).

Діаграма стану сплавів системи "Cu - Be"

Мал. 8.5. Діаграма стану сплавів системи "Cu - Be"

Загартований сплав піддають штучному старінню при 300 ... 350 ° С. В результаті виділення з пересиченого твердого розчину вторинної дисперсної γ-фази досягаються наступні властивості: σв - 1250 МПа; σ0,2 - 1000 МПа; δ = 2,5%; твердість - 370 НВ.

Практичне застосування отримали берилієві бронзи з вмістом берилію 1,9 ... 2,2%. Сплави з більшою концентрацією берилію не застосовуються, оскільки мають низьку пластичність через великої кількості γ-фази. Берилієві бронзи легують марганцем, нікелем і титаном (наприклад, БрБНТ1,9; середній склад 2% Be, 0,3% Ni, 0,2% Ti).

Берилієві бронзи випускають у вигляді прокату (пруток, смуга, стрічка, дріт), з них можна також отримувати якісні виливки.

Ці бронзи поряд з високими значеннями меж міцності і пружності мають корозійну стійкість, підвищеним опором втоми, повзучості і зношування. Високе значення межі пружності визначило застосування берилієвих бронз для виготовлення пружних елементів (пружин, мембран і т.п.) точних приладів, в яких не можна використовувати матеріали, що володіють магнітними властивостями. Берилієві бронзи мають досить високу теплостійкість. Вироби з них можуть працювати при нагріванні до 340 ° С. Їх застосовують також і для виготовлення навантажених деталей приладів і машин (кулачків; підшипників ковзання, що працюють при високих швидкостях, і т.д.).

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >