Тема 3. 3. Классификация, структура, свойства и области применения сплавов на основе меди

Медь относится к цветным металлам с высокой плотностью – 8940 кг/м³ (8, 94 г/см³). Характерной особенностью меди является ее высокая электропроводность, поэтому техническая медь используется главным образом для изготовления проводников электрического тока. В качестве материалов конструкционного и специального назначения широкое распространение имеют сплавы на основе меди - латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Кроме Zn часто вводятся дополнительные легирующие элементы. Соответственно различают двухкомпонентные, или двойные, простые латуни (система Cu-Zn) и многокомпонентные, сложные латуни (система Cu-Zn - легирующие элементы).

По структуре промышленные латуни делятся на однофазные, или a‑ латуни, и двухфазные - (a+b) - латуни, а по технологическим свойствам - на обрабатываемые давлением (деформируемые) и литейные. Эта классификация основана на изменении структуры и свойств латуней в зависимости от содержания Zn (рис.3.5).

Латуни с высокой пластичностью, т.е. преимущественно a‑ латуни, относятся к группе обрабатываемых давлением (деформируемых). Они выпускаются в основном в виде холоднокатаного полуфабриката (листы, ленты, проволока), детали из которого изготавливают методами холодной пластической деформации, например глубокой вытяжкой (трубы, сильфоны, гильзы).

По сравнению с обрабатываемыми давлением литейные латуни содержат, как правило, большее количество Zn и дополнительные легирующие элементы, улучшающие литейные свойства. Большинство легирующих элементов повышает прочность и снижает пластичность латуней; Sn, Ni, Al, кроме того, улучшают антикоррозионные свойства, Pb облегчает обрабатываемость резанием.

Принцип маркировки обрабатываемых давлением (ГОСТ 15527-2000) и литейных (ГОСТ 17711-93) латуней различен, что видно из табл. 3.5.

Таблица 3.5. Химический состав и механические свойства латуней

Двойные латуни с низким содержанием цинка Л96 (томпак), Л80 (полутомпак), обладают меньшей пластичностью, чем Л68 и Л70, но электро- и теп­лопроводность выше.

Двойные латуни маркируются буквой Л (Л63, Л68, Л80) с указанием содержания меди (ГОСТ 15527-70). Так как цинк дешевле меди, то с увеличением количества цинка латунь становится дешевле. Высокомедистые латуни получили название томпак (Л96, Л90) и полутомпак (Л85, Л80), они имеют цвет золота и применяется для ювелирных изделий. Прочность двойных латуней 300-350 МПа при однофаз­ной структуре. Прочность однофазной латуни может быть значительно повы­шена холодной пластической деформацией. α -латуни с высоким содержанием меди не имеют склонности к коррозионному растрескиванию и достаточно ус­тойчивы в атмосфере воды и пара (при условии снятия напряжений, создавае­мых холодной деформацией). α +β - двойные латуни с большим содержанием цинка (Л62, Л60, Л59) обладают более высокой прочностью, которая составляет 400-450 МПа. Они лучше обрабатываются резанием, дешевле, но их коррози­онная стойкость ниже из-за неоднородности структуры. Самой высокой пла­стичностью обладает Л68, которую используют для изготовления деталей штамповкой.

Кроме двойных латуней (сплавов меди и цинка) применяют специальные латуни, в которые для придания им тех или иных свойств вводят легирующие элементы, обозначаемые в марке сплава дополнительными буквами: С - свинец, О - олово, Ж - железо, А - алюминий, К - кремний, Мц - марганец, Мш – мышьяк, Н - никель, и цифрами, указывающими их среднее содержание в процентах.

В производстве приборов, часовых механизмов, крепёжных деталей и т. д. применяют автоматные латуни (типа ЛС59-1) с добавками 0, 6-3, 0 % Pb для улучшения обрабатываемости. Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде (морская латунь марки ЛО70-1). Алюминий, железо, никель, марганец вводят для улучшения механических характеристик латуней. Примером литейного сплава является кремнистая латунь ЛЦ16К4 (ГОСТ Р50425-92). Из нее отливают арматуру, шестерни, часто применяют для литья под давлением. В марках литейных латуней после буквы «Л» стоит буква «Ц», обозна­чающая цинк и цифры, показывающие его содержание. Например, ЛЦ30АЗ - содержит 30% цинка (Ц), 3% алюминия (А) и остальное медь.

Большинство латуней не упрочняется термической обработкой, но их прочность может быть значительно повышена в результате холодной пластической деформации (явление наклепа). Особенно эффективно упрочняются наиболее пластичные однофазные a‑ латуни. В табл. 3.5 механические свойства обрабатываемых давлением латуней приведены для сравнения в отожженном и деформированном (данные в скобках при степени деформации 50 %) состояниях. Видно, что в ряде случаев прочность в результате деформации возрастает в 2 раза.

Автоматная латунь - сплав меди, цинка и свинца, предназначена для из­готовления деталей массового производства на станках автоматах. С повыше­нием содержания свинца пластичность немного снижается, но улучшаются ан­тифрикционные свойства за счет мягких частиц свинца, которые служат свое­образной смазкой, и улучшается обрабатываемость резанием, т.к. образуется мелкая и легко отделяющаяся стружка, что позволяет получать поверхность высокой частоты и повысить производительность станков. Структура латуни представляет собой α -твердый раствор цинка в меди и частицы свинца. Введе­ние в эти латуни железа повышает температуру рекристаллизации и прочность (таблица 3.6).

Таблица 3.6. Химический состав и свойства некоторых марок автоматных латуней

* коэффициент нагартовки 30-50%.

Автоматная латунь отличается также хорошей коррозионной стойкостью на воздухе, в пресной и соленой воде. Она легко поддается накатке, гибке и штампованию. Латунь марок ЛЖС58-1-1, ЛС58-1 и ЛС60-1 обрабаты­вают давлением, ковкой, прокаткой, волочением в холодном и горячем состоя­нии, а ЛС63-3, ЛС64-2 и ЛС74-3 - только в холодном состоянии.

Смягчающий отжиг ведут при температуре 600-650^оС, горячую деформа­цию при температуре 640-780^оС. Допустимые суммарные обжатия между отжи­гами - не более 70%.

Из автоматных латуней изготовляют болты, гайки, винты, типографские матрицы, шестеренки, зубчатые колеса, подшипники и другие детали.

Алюминиевая латунь - сплав меди с цинком и алюминием. Алюминий повышает коррозионную стойкость латуни и особенно в морской воде. Введе­ние же дополнительных легирующих элементов: железа, никеля, марганца, кремния позволяет повысить прочность и коррозионную стойкость в щелочах и разбавленных кислотах (таблица 3.7). Алюминиевые латуни подвергаются от­жигу при температуре 600-650^оС для уменьшения твердости перед обработкой давлением.

Из алюминиевой латуни изготовляют конденсаторные трубы, детали су­довых агрегатов, сильфоны и другие детали.

Таблица 3.7. Химический состав и механические свойства алюминиевых латуней

Марганцовистая латунь - сплав меди, цинка и марганца. Она характе­ризуется хорошими механическими свойствами при повышенной температуре, легко поддается обработке давлением и имеет повышенную теплопроводность. Выпускаются две марки марганцовистой латуни (таблица 3.8).

Таблица 3.8. Химический состав и свойства марганцовистых латуней

Добавки марганца и алюминия повышают не только прочность латуни, но и коррозионную стойкость к хлоридам и морской воде. Однако марганцовистая латунь склонна к саморастрескиванию, что можно устранить путем проведения низкотемпературного отжига (250-300^оС).

Применяют данную латунь в морском судостроении, электротехнике, в качестве заменителя оловянистых бронз.

Морская латунь - сплав меди, цинка и олова. Содержание олова в коли­честве 0, 5-1, 5% повышает прочность и твердость латуни, но снижает пластич­ность и вязкость, т.к. уменьшает растворимость цинка в меди. Олово повышает коррозионную стойкость латуни в морской воде из-за изменения природы β -фазы. С целью повышения прочности латунь подвергают наклепу. В связи с этим латунь подразделяется на твердую (подвергнута деформированию на 25­-50%) и мягкую (после отжига при температуре 600-650 ^оС). В таблице 3.9 даны химический состав и свойства твердых морских латуней. Морская латунь при­меняется в судостроении.

Таблица 3.9. Химический состав и свойства морских латуней

Кремнистая латунь - сплав меди, цинка и кремния. Деформируемые кремнистые латуни характеризуются высокой коррозионной стойкостью на воздухе и в морской воде, более стойки против коррозионного растрескивания. Эти латуни хорошо свариваются и паяются обычными припоями, хорошо обра­батываются давлением в холодном и горячем состоянии (табл. 3.10).

Таблица 3.10. Химический состав и свойства кремнистых латуней

Литей­ные кремнистые латуни отличаются высокой жидкотекучестью, но при ох­лаждении дают значительную объемную усадку, вызывающую при кристалли­зации образование усадочных раковин и межкристаллитной пористости. Уве­личение содержания кремния способствует повышению плотности литья и кор­розионной стойкости. Добавка свинца не только улучшает обрабатываемость, но и повышает антифрикционные свойства.

Кремнистые латуни находят применение в судо- и машиностроении, для изготовления втулок, подшипников и других антифрикционных деталей вместо оловянистых бронз.

Бронзы - сплавы меди с различными элементами кроме цинка. В некоторых бронзах может содержаться и цинк, но, в отличие от латуней, не в качестве основного компонента. По основным легирующим элементам различают оловянные и безоловянные (алюминиевые, кремниевые, бериллиевые и другие) бронзы.

Так же, как и Zn, в латунях, легирующие элементы в бронзах образуют с Cu твердые растворы с ограниченной растворимостью и промежуточные интерметаллические соединения, обладающие высокой твердостью и хрупкостью. Если концентрация вводимых в бронзу элементов превышает предел рас­творимости их в меди в твердом состоянии, в структуре сплава появляются кристаллы новых фаз. Эти фазы представляют собой твердые растворы на ос­нове интерметаллидов, например d-фаза - Cu₃₁Sn₈ в оловянных бронзах; β -фаза - Cu₃Al в алюминиевых.

В связи с этим характер изменения структуры и свойств бронз в зависимости от их состава во многом напоминает закономерности, рассмотренные выше для латуней. Соответственно бронзы, как и латуни, могут иметь однофазную (a)и двухфазную структуру и по технологическим свойствам подразделяются на обрабатываемые давлением и литейные (таблица 3.11).

Таблица 3.11. Химический состав и свойства некоторых марок оловянных бронз

¹ - в скобках свойства бронз после наклепа, а без скобок - свойства после отжига.

² - в скобках свойства бронз при литье в песчаную форму, а без скобок - свой­ства при литье в кокиль.

Маркируются бронзы буквами «Бр», после чего следуют буквы, обозна­чающие легирующие элементы. В марках деформируемых бронз после букв «Бр» ставятся буквы и цифры, обозначающие название и количество легирую­щих элементов, например БрОЦ 4-3 - содержит олово (О) - 4%, цинка (Ц) - 3% и остальное медь (по разности от 100%). В марках литейных бронз содержание легирующих элементов ставится сразу после буквы, которой его обозначают, например, БрА10Ж3Мц2 имеет в своем составе: алюминий (А) - 10%, железо (Ж) - 3%, марганец (Мц) - 2% и остальное медь.

Рассмотрим изменения структуры и свойств в зависимости от их состава на примере оловянных бронз – система Cu-Sn, рис. 3.6, а. Фаза a‑ твердый раствор Sn в Cu, b-интерметаллидное соединение Cu₅Sn, d-Cu₃₁Sn₈. При обычных скоростях охлаждения кристаллизация оловянных бронз происходит по неравновесной диаграмме (штриховые линии на рис. 3.6, а). В результате область a‑ раствора сужается, и на практике бронзы, содержащие 5–6 % Sn, имеют в структуре эвтектоид (a+d), т.е. двухфазную структуру.

В литом состоянии структура бронз имеет дендритное строение: в однофазных бронзах (менее 5–6 % Sn) темные дендриты, обогащенные медью, окружены светлыми (повышенное содержание Sn) междендритными участками; в бронзах, содержащих более 5–6 % Sn, в структуре появляются также темные включения эвтектоида.

Оловянные бронзы с целью улучшения свойств легируют цинком, свин­цом, фосфором, никелем и другими элементами. Цинк вводится для улучшения технологических свойств и снижения ее стоимости. Свинец повышает плот­ность литья, улучшает антифрикционные свойства и облегчает обработку реза­нием, но снижает пластичность. Фосфор улучшает литейные свойства, повыша­ет предел прочности, твердость, упругость и антифрикционные свойства. Ни­кель измельчает зерно, повышает предел прочности и коррозионную стойкость.

Для облегчения обработки давлением оловянные бронзы подвергают го­могенизации при 700-750^оС с последующим быстрым охлаждением.

Из деформируемых бронз изготовляют вкладыши подшипников, пружи­ны, мембраны и др. Литейные бронзы применяют для изготовления герметич­ной пароводяной арматуры, работающей под давлением, вкладышей подшип­ников скольжения, втулок и других деталей.

Применяемые на практике оловянные бронзы содержат обычно не более 10% Sn и легирующие элементы (Zn, Р, Ni, Fe), вводимые для улучшения технологических свойств и замены дефицитного олова. Бронзы, содержащие относительно небольшое количество Sn и легирующих элементов, имеют однофазную a‑ структуру и обладают высокой пластичностью (рис. 3.6, б, табл. 3.11). Они относятся к группе деформируемых бронз (например, БрОЦ4-3, БрОФ6, 5-0, 15), из которых полуфабрикаты изготавливают в виде лент, полос, проволоки, трубок и т.п.

Бронзы с большим содержанием легирующих элементов являются двухфазными, имеют низкую пластичность и относятся к группе литейных (например, БрО5Ц5С5, БрО3Ц7С5Н1, табл. 3.11). Особенностью литейных свойств бронз является отсутствие концентрированной усадочной раковины в отличие от латуней, в связи с чем оловянные бронзы имеют малую усадку и применяются для сложных художественных отливок.

Наряду с оловянными, широкое распространение получили другие бронзы. Например, хорошим заменителем дефицитной оловянной бронзы являются алюминиевые бронзы, которые также могут иметь однофазную (БрА5, БрА7) или двухфазную (БрА10Мц2Л, БрА10Ж3Мц2) структуру. Однофазные алюминиевые бронзы являются деформируемыми, двухфазные с большим содержанием алюминия и легирующих элементов - литейными сплавами. Алюминиевые бронзы имеют высокие механические и антикоррозионные свойства и применяются для изготовления шестерен, червячных передач, различных втулок.

Алюминиевые бронзы. Основной легирующий элемент в этой бронзе алюминий. Сплавы, содержащие до 9% алюминия, однофазные (БрА5, БрА7), т.е. их структу­ра представляет собой α -твердый раствор алюминия в меди (рис. 3.7). При повышении содержания алюминия бронзы становятся двухфазными (БрА10Мц2Л, БрА10Ж3Мц2), в структуре бронзы появляются фазы: β - твердый раствор на базе соединения Cu₃Al, g'- электронное соединение Cu₃₂Al₉. g'-фаза может наблюдаться в сплавах, содержащих 6-8% алюминия при ускоренном охлаждении.

Введение в алюминиевую бронзу дополнительных легирующих элемен­тов, например марганца, никеля, железа, улучшает механические, технологиче­ские и антифрикционные свойства, а также жаростойкость, коррозионную стойкость.

Таблица 3.12. Химический состав и свойства алюминиевых бронз

¹ - свойства после смягчающего отжига,

² - свойства после литья в песчаную форму.

Литейные свойства алюминиевых бронз ниже, чем оловянных, но выше плотность отливок. По прочности и коррозионной стойкости они превосходят оловянные бронзы, но хуже паяются. Температура горячей обработки алюми­ниевых бронз составляет 750-850^оС, а смягчающего отжига - 600-750^оС. Брон­зы, содержащие 9-11% алюминия и дополнительно легированные никелем, марганцем и железом, могут быть упрочнены закалкой и старением.

Алюминиевые бронзы применяют для изготовления обойм подшипников, направляющих втулок, маслоуплотнительных колец, зубчатых колес, фланцев и других мелких, но ответственных деталей в судо- и авиастроении, электротех­нике, химическом аппаратостроении.

Кремнистые бронзы - бронзы, представляющие собой сплав меди с кремнием (рис. 3.8). Практическое применение находят бронзы, содержа­щие до 4% кремния (таблица 3.13). По технологическим свойствам их подразделяются на деформируемые и литейные.

Таблица 3.13. Химический состав и механические свойства кремнистых бронз

Перед прокаткой или штамповкой отливки нагревают до температуры 890-910^оС.

Кремнистые бронзы, содержащие до 1, 5% Si, упрочняются закалкой (850- 870^оС) и старением (при температуре 450-500^оС) с выдержками 0, 5-3 часа и ох­лаждением на воздухе. Если же содержание кремния более 1, 5%, то бронза не упрочняется термической обработкой, так как имеет однофазную структуру.

Вследствие высоких механических свойств, упругости, коррозионной стойкости эти бронзы используют для изготовления пружин и пружинящих де­талей, металлических сеток, решеток и труб, испарителей, дымовых фильтров, деталей в сварных конструкциях.

Бериллиевые бронзы - бронзы, представляющие собой сплав меди с бе­риллием, причем бронзы одних и тех же марок применяют как деформируемые и как литейные бронзы. В качестве дополнительных легирующих элементов они могут содержать никель, кобальт, железо, марганец, магний и другие эле­менты, которыми частично заменяют дорогостоящий бериллий (таблица 3.14).

Таблица 3.14. Химический состав и механические свойства бериллиевых бронз

Бериллиевые бронзы (БрБ2; БрБНТ1, 7; БрБНТ1, 9) обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин, сохраняющих упругость в широком интервале температур, в том числе в криогенных условиях. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии.

Наряду с высокими прочностью, жидкотекучестью, твердостью, упруго­стью и коррозионной стойкостью, бериллиевые бронзы немагнитны, отличаются высокой электропроводностью, теплопроводностью, высоким сопротивлением ползуче­сти, хорошо свариваются и обрабатываются резанием.

Эти бронзы применяют для изготовления высоконагруженных подшип­ников, различных мембран, втулок, пружин, зубчатых колес, шестерен и других деталей. Кроме того, бериллиевую бронзу можно применять как безыскровой инструмент, так как при ударе о металл или камень не возникает искры, как у стали. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.

Свинцовые бронзы - бронзы, представляющие собой сплав меди и свинца. Свинец не растворяется в меди и образует механическую смесь (рис. 3.10). Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом (99, 98% Pb). После охлаждения структура сплавов состоит из кристаллов меди и включений свинца, которые располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства. Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства бронз, поэтому их используют в подшипниках скольжения. Свинцо­вые бронзы относятся к литейным бронзам (таблица 3.15). Эти бронзы дополни­тельно легируют никелем или оловом, которые, растворяясь в меди, улучшают механические свойства и коррозионную стойкость.

Рисунок 3.10 - Диаграмма состояния Cu-Pb

Таблица 3.15. Химический состав и механические свойства свинцовых бронз

Свинцовые бронзы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой теплостойкостью. Теплопроводность БрС30 в 4 раза выше, чем у оловянных бронз, поэтому она отлично отводит тепло, возникающее при трении. Но из-за низкой прочности свинцовые бронзы наплавляют тонким слоем на стальные ленты, т.е. получают биметаллические подшипники, которые просты в изготов­лении и легко заменяются при износе. Применяют свинцовые бронзы также для изготовления нагруженных подшипников, сальников и антифрикционных дета­лей.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Какие сплавы относятся к латуням?

2. Какие классы бронз используют в технике?

3. Чем отличаются маркировки деформируемых и литейных латуней и бронз?

4. В каких областях промышленности наиболее широко используют латуни и бронзы?

5. Какие легирующие элементы используют в литейных бронзах?

6. Какая латунь называют морской?

7. К какому классу относятся сплавы ЛЖМц-59-1-1 и БрОЦС-4-4-2, 5?

8. Чем отличаются детали из сплавов ЛАН-59-3-2 и Л36А3Н2?

9. Какие медные сплавы используют в качестве пружинных и мембранных?