Навігація
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Головна arrow Техніка arrow Матеріалознавство в машинобудуванні

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.).

 
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук