Медь и сплавы на ее основе

Чистая медь, обладая высокой электропроводностью и пластичностью, является основным материалом для проводов. Помимо этого медь применяется на прокладки, уплотнительные кольца, шайбы и т.д.

Микроструктура отожженной меди состоит из равноосных зерен меди с наличием двойниковых кристаллов.

Медные сплавы применяются как антифрикционный материал, например, свинцовистая и оловянистая бронза; конструкционный – латуни, алюминиевая и бериллиевая бронза; антикоррозионный – морская (легированная оловом) латунь, а также для электротехнических целей – кадмиевая бронза и т.д.

Специальными элементами, которые вводятся в медь, являются Zn, Sn, Al, Fe, Ni, Mn, Pb, Si, P, Be и другие.

По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. Цинк в латунях является основным легирующим элементом (ЛЭ). Практическое применение имеют латуни, содержащие до 45 % Zn. Это обусловлено тем, что при концентрации Zn более 30 % пластичность и прочность латуни начинают снижаться и резко падают при содержании цинка 45 %, что объясняется появлением в структуре хрупкой - фазы, которая представляет собой электронное соединение Cu₅Zn₈.

Латуни подразделяют на двойные и многокомпонентные.

По технологическим признакам обработки все латуни делятся на две группы: деформируемые – для производства лент, листов, труб, проволоки и др. и литейные – для фасонного литья.

Двойные латуни в соответствии с диаграммой состояния системы Cu-Zn (рис.7), содержащие до 39 % Zn, имеют однородную структуру - твердого раствора (- латуни). - фаза является твердым раствором цинка в меди Cu(Zn). Она наиболее богата медью и имеет кристаллическую решетку такую же как и сама медь, т.е. ГЦК. Применяется большей частью в деформированном виде. Из нее изготовляют прутки, трубы, листы, ленты и т.п.

Структура латуней с концентрацией цинка свыше 39 % представляет собой смесь двух твердых растворов, и ^'. Твердый раствор построен на основе химического соединения CuZn, имеет решетку ОЦК, представляет собой так называемое электронное соединение. Твердый раствор ^' в отличие от твердого раствора является упорядоченным и имеет меньшую пластичность, чем - и - твердые растворы. Переход ^' происходит при 454 ^оС. ^,- фаза представляет собой твердый раствор цинка в электронном соединении CuZn (фаза Юм-Розери), является твердой и хрупкой структурной составляющей.

Таким образом, в зависимости от структуры при комнатной температуре промышленные типы латуней делятся на две группы: - латуни и +^'- латуни. Однофазные - латуни хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Двухфазные +^'- латуни малопластичны в холодном состоянии. Их подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих областям стабильного состояния ^'- или +^'- фаз. Двухфазные латуни по сравнению с однофазными менее пластичны, однако более прочны и износостойки.

Структура - латуни , содержащей 30%Zn, дана на рис 8 и 9. Микроструктура литой латуни (рис. 8) имеет дендритное строение. Светлые участки – дендриты, богатые медью, затвердевающие первыми из жидкого состояния; темные участки – междендритные пространства, обогащенные цинком. Микроструктура деформированной и отожженной - латуни (рис. 9) имеет зернистое строение и характерные полоски двойников. Зерна имеют различную окрашиваемость вследствие анизотропии.

Рис. 8

 

Рис.9

 

Микроструктура +^'- латуни (рис. 10), содержащей 40%Zn, состоит из твердого раствора (светлый ), окруженного твердым раствором^' (темный).

Деформируемые двойные латуни маркируют буквой Л, за которой стоит число, указывающее содержание меди. Наиболее широко применяют двойные латуни марок Л90, Л68 и Л63.

Рис. 10

 

Латунь Л90 (томпак) обладает хорошей стойкостью против коррозии и имеет красивый золотистый цвет. ЕЕ используют для изготовления фурнитуры, знаков отличия и радиаторных трубок.

Латунь Л68 (патронная) прочнее, чем Л90 из-за большего содержания цинка. Ее используют для изготовления изделий холодной штамповкой и вытяжкой.

Латунь Л63 (торговая), среди всех латуней занимает первое место по объему производства. Она прекрасно деформируется в холодном и горячем состоянии, является самой прочной.

Для придания латуням специальных свойств в них вводят Al, Ni, Sn, Mn, Pb, Fe и другие элементы. Свинец, например, облегчает обработку резанием и улучшает антифрикционные свойства сплавов; Алюминий, цинк, кремний увеличивают сопротивление коррозии (многокомпонентные латуни).

Деформируемые многокомпонентные латуни маркируются буквой Л, за которой стоят первые буквы названий легирующих элементов, после чего указывается содержание меди и соответствующих легирующих элементов.Например, свинцовая (α+β) - латунь, ЛС59-1 содержит 59 % Cu и 1%Pb,остальное – Zn.

Латуни, предназначенные для фасонного литья, от которых требуется повышенная прочность, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются и лучшей коррозионной стойкостью. Все литейные латуни являются легированными. В марке таких латуней после буквы Л указаны буквы, обозначающие все добавки к меди, начиная с цинка, за которыми следует число, указывающее содержание добавки; концентрация меди в марке не указывается. Например, свинцовая латунь ЛЦ40С является литейной модификацией деформируемой латуни ЛС59-1 и отличается от последней более широким допуском по содержанию примесей.

Бронзы. Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, кадмием, хромом и т.д. называются бронзами. Все бронзы обладают высокими параметрами прочности, коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами.Наиболее широко применяются алюминиевые и оловянистые бронзы.

По основному технологическому признаку обработки бронзы делятся на деформируемые и литейные. В марке обрабатывамых давлением бронз после букв Бр стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соответствующих элементов. Например, БрАЖН10-3-1,5. В марке же литейных бронз после каждого обозначения названия легирующего элемента указано его содержание. Например, БрА10Ж3Мц2.

Оловянистая бронза. Практическое применение в машиностроении имеют сплавы меди с оловом, содержащие до 12 % Sn. Диаграмма состояния Cu-Sn приведена на рис.11.

Рис. 11

 

Как видно из диаграммы, область - твердого раствора ограничивается сплошными и пунктирными линиями. Сплошные линии относятся к равновесным сплавам, прошедшим после литья очень длительный отжиг, а пунктирные – к литым неотожженным сплавам. Поэтому при изучении структуры литых бронз следует пользоваться пунктирными линиями диаграммы. В этом случае линия пунктирная линия, ограничивающая поле однородного твердого раствора , лежит левее, чем на равновесной диаграмме, и в структуре сплавов, содержащих более 5-6 % Sn, уже содержится эвтектоид.

Фаза является твердым раствором олова в меди и имеет такую же кристаллическую решетку, как у меди, т.е. ГЦК (различаются решетки только параметрами).

Фазы и являются твердыми растворами, построенными на базе интерметаллических соединений электронного типа. Фаза построена на основе Cu₅Sn, а фаза - на основе электронного соединения Cu₃₁Sn₈, имеющего сложную кристаллическую решетку.

При рассмотрении диаграммы состояния виден значительный интервал температур между линиями солидуса и ликвидуса, вследствие чего оловянистая бронза весьма склонна к ликвации (неоднородность состава и структуры по объему слитка). В этом случае разница в концентрации жидкой и твердой фаз значительна, так как расстояние по горизонтали между ликвидусом и солидусом велико. Образующийся твердый раствор имеет вид дендритов с неодинаковым составом в различных точках (дендритная ликвация). Если литой сплав с дендритной структурой твердого раствора отжечь, то образуются однородные зерна. Оловянистая литая бронза

Рис. 12

применяется в промышленности как антифрикционный материал.

На рис.12 показана структура литой - бронзы с содержанием 6 % Sn. Структура состоит из дендритов твердого раствора . Оси дендритов (темные участки) наиболее богаты медью, так как они кристаллизовались первыми. Междуосные поля (светлые участки), наоборот, более богаты оловом, так как они затвердевают последними.

Неоднородная структура является антифрикционной, обеспечивает небольшой коэффициент трения и применяется в качестве подшипниковых сплавов для вкладышей подшипников скольжения.

К антифрикционным сплавам предъявляются следующие требования. Они должны:

-иметь низкий коэффициент трения;

-хорошую прирабатываемость, т.е. минимальное время до принятия подшипником очертаний конфигурации вала;

-выдерживать большое удельное давление, т.е. быть достаточно прочным и пластичным;

-иметь более низкую твердость по сравнению с валом,

-обладать высокой теплопроводностью и сопротивлением коррозии;

-иметь хорошие технологические и литейные свойства.

Для удовлетворения указанных требований антифрикционные сплавы должны иметь разнородную структуру, т.е. состоять из мягкой, пластичной основы, в которую вкраплены твердые частички.

Двухфазная структура оловянистой бронзы отличается от однофазной тем, что она содержит эвтектоид (+Cu₃₁Sn₈), дендритность же твердого раствора сохраняется.

Деформируемые оловянные бронзы – это трех- и четырехкомпонетные сплавы, в которые помимо олова,могут входить фосфор, цинк и свинец. Как правило они или полностью однофазные, или содержат в виде включений небольшое количество второй фазы (Cu₃₁Sn₈, Cu₃P).

Литейные оловянные бронзы имеют широкий интервал кристаллизации, который обусловливает большую склонность к образованию рассеянных усадочных пор и соответственно, малую линейную усадку. В сочетании с коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере и красивым цветом это сделало оловянную бронзу незаменимым материалом для художественного литья.

Алюминиевая бронза. Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянистыми бронзами – меньшая стоимость, более высокие механические и некоторые технологические свойства. Например, небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность отливок, малую склонность к дендритной ликвации. Вместе с тем из-за большой усадки иногда трудно получить сложную фасонную отливку.

Практическое применение имеют сплавы меди с алюминием, содержащие до 10-11 % Al(рис.13). Сплавы, отвечающие по составу области , - однофазные сплавы, термически не обрабатываемые, весьма пластичные; структура их состоит из однородных зерен твердого раствора . Сплавы, отвечающие по составу области +₂, - двухфазные сплавы, термически обрабатываемые, значительно менее пластичны, чем сплавы области ; в структуре содержат эвтектоид +₂. Вследствие большой хрупкости фазы ₂ двухфазные алюминиевые бронзы применяются только доэвтектоидные, т.е. с содержанием Al меньше 11,8 %.

На рис.14 показана структура алюминиевой бронзы с 10 % Al. Структура состоит из зерен твердого раствора (светлый фон) и эвтектоида +₂ (темный фон).

Рис. 14

 

При большом увеличении строение эвтектоида напоминает структуру перлита, т.е. содержит смесь и ₂- фаз.

Наличие эвтектоидного превращения позволяет двухфазную алюминиевую бронзу термически обрабатывать, т.е. подвергать закалке и отпуску. При нагреве доэвтектоидной бронзы до области - фазы с последующей закалкой в воде образуется мартенситоподобная (игольчатая) структура. На рис.15 показана структура алюминиевой бронзы с 10 % Al после закалки с 930 ^оС в воде. Структура игольчатая, мартенситная.

Однофазные бронзы (БрА5, БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (_в = 400-450 Мпа) и пластичности (= 60 %). Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. При наличии большого количества эвтектоида бронзы подвергают не холодной. А горячей обработке давлением. Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью (_в = 600 Мпа) и твердостью (>100 НВ).

Рис. 15

 

К недостаткам двойных алюминиевых бронз помимо большой усадки относятся: склонность к газонасыщению и окисляемости во время плавки, образование крупнокристаллической столбчатой структуры, трудность пайки. Эти недостатки уменьшаются при легировании алюминиевых бронз железом, никелем, марганцем БрАЖ9-4; БрАЖН10-4-4; БрАЖМц10-3-1,5). Из всех алюминиевых бронз наиболее прочными являются БрАЖН10-4-4 и БрАЖН11-6-6. Кроме того, эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами, поэтому широко применяются в машиностроении для изготовления втулок, частей насосов и турбин, шестерен и других ответственных деталей, работающих в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500 ^оС).

Свинцовистая бронза. Свинцовистая бронза имеет большое применение как подшипниковый сплав (антифрикционный материал).

На рис.16 показана диаграмма состояния Cu-Pb. Как видно из диаграммы, медь со свинцом в твердом состоянии образует только механическую смесь и не дает ни твердых растворов, ни химических соединений. Чаще всего двойная свинцовистая бронза применяется с содержанием 30 % Pb (марки БрС30). Структура такой бронзы состоит из зерен меди (основное светлое поле шлифа) и включений свинца (темные участки шлифа), показана на рис.17. Структура свинцовистой бронзы находится в некотором противоречии с общепринятой теорией для подшипниковых сплавов. По этой теории антифрикционная структура должна состоять из мягкой пластичной основы и небольшого количества твердых частиц, вкрапленных в эту мягкую основу. В структуре же свинцовистой бронзы БрС30 наблюдается обратное: 70 % площади шлифа занимает более твердая медь и 30 % более мягкий свинец. Как показала практика, такое сочетание в сплаве не нарушает его антифрикционных свойств, если твердая составляющая обладает достаточной пластичностью и значительно мягче вала. В этом случае количество твердой фазы может быть допущено большее, чем мягкой.

 

Баббиты

Баббиты – мягкие (30 НВ) антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. К сплавам на оловянной основе относятся баббиты Б83 (83 % Sn, 11 % Sb, 6 % Cu) и Б88; на свинцовой основе – Б16 (16 % Sn, 16 % Sb, 2 % Cu), БС6 БН. Особую группу образуют более дешевые свинцово-кальциевые баббиты: БКА и БК2 (ГОСТ 1209-90).

Наилучшими свойствами обладают оловянистые баббиты. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т.п.), работающих при больших скоростях и нагрузках. Для менее ответственных деталей используют свинцовистые баббиты.

Баббиты на оловянной основе. Наилучшим баббитом на оловянной основе является сплав Б83. Олово с сурьмой при содержании Sb больше 10,5 % образует два твердых раствора: и ^,, причем твердый раствор более мягкий и пластичный, чем твердый раствор ^,. Таким образом, при содержании в сплаве 11 % Sb образуется двухфазная структура, состоящая из мягкой пластичной основы твердого раствора и небольшого количества кристаллов ^,, вкрапленных в эту массу. Такая структура является антифрикционной. Медь введена в сплав для предотвращения ликвации ^,-кристаллов. В двойных сплавах Sn-Sb кристаллы ^, при отливке всплывают наверх. Медь с оловом дает химическое соединение Cu₃Sn, которое, кристаллизуясь первым, образует как бы скелет, на котором кристаллы ^, задерживаются и не всплывают.

Температура начала и конца плавления баббита лежит в пределах 240-380 ^оС. Твердость НВ 28-34.

Структура баббита Б83 показана на рис.18. Темный основной фон – твердый раствор (мягкая основа). Белые крупные кристаллы, имеющие квадратную и треугольную форму, - твердый раствор ^, (твердые частицы). Белые иголочки и звездочки – кристаллы химического соединения Cu₃Sn, являющиеся также твердыми частицами в сплаве.

Этот баббит применяется только для заливки подшипников и вкладышей машин большой мощности.

Баббиты на свинцовой основе. На рис.19 приведена микроструктура баббита марки Б16. Структура этого баббита

Рис. 19

 

состоит из мягкой основы – эвтектики Свинца и твердого раствора сурьмы в олове), твердых частичек твердого раствора β прямоугольной формы и игольчатых включений Cu₃Sn.. Эвтектика будет служить мягкой основой, а кристаллы - твердым включением. Двойные свинцовистые сплавы еще сильнее ликвируют, чем оловянные, поэтому в сплав добавляют медь, которая образует с сурьмой химическое соединение Cu₂Sb. Это соединение играет ту же роль, что и Cu₃Sn в оловянистом баббите, т.е. препятствует всплыванию на поверхность кристаллов . Свинцовистые баббиты являются менее качественными, но дешевле последних. Они обладают большим коэффициентом трения. Твердые включения менее тверды, чем Cu₃Sn и ^, -фаза в оловянистых баббитах. Основа в свинцовистых баббитах – не твердый раствор, а эвтектика, являющаяся менее пластичной.

Задание

 

Изучить диаграммы состояния цветных сплавов. Указать на диаграммах состояний положения изучаемых сплавов.

Изучить химический состав цветных сплавов, их термообработку.

Изучить микроструктуру путем просмотра под микроскопом коллекции шлифов различных цветных сплавов. Зарисовать микроструктуру просмотренных микрошлифов (подписать марку сплава, режим ТО, наименование фаз и структурных составляющих).

Изучить свойства и область применения цветных сплавов.

* Здесь и далее размерность твердости дана в МПа.