Алюминиевые бронзы

Бронзы

Латуни

Классификация медных сплавов и их маркировка

Медные сплавы

 

Медь обладает рядом ценных технических свойств: вы­сокой электропроводностью и теплопроводностью (выше эти свойства только у серебра), хорошей пластичностью и достаточной прочностью. Имеет атомный вес 63,57, плотность 8,94 . 103 кг/м3 при 20 °С, температуру плавле­ния 1084 °С, удельную теплоемкость 0,383 кДж/м2 при 20 °С, удельное электросопротивление 1,67 . 10-8 Ом . м, модуль нормальной упругости 121000 МПа, модуль сдви­га 45500 МПа. Медь диамагнитный материал.

Медь устойчива во многих агрессивных средах (спир­тах, фенольных смолах, органических кислотах и др.). Однако она легко растворяется в концентрированной сер­ной, азотной, соляной кислотах. Медь плохо сопротив­ляется воздействию аммиака и щелочных цианистых со­единений. В кислороде окисляется уже при комнатной температуре, а с азотом практически не взаимодействует даже при высоких температурах. Примеси оказывают значительное влияние на свойства меди и что очень важ­но - на ее электропроводность. Техническую медь под­разделяют на М00 (99,99 %); М0 (99,95 %); М1 (99,90 %); М2 (99,70 %); М3 (99,5 %) и М4 (99,0 %), т. е. - на марки, содержащие различное количество при­месей. Техническую медь применяют в виде листов, труб, проволоки. В чистом состоянии ее используют лишь в случаях, когда необходима высокая электро- и тепло­проводность. Обычно для проводников электрического тока применяют медь марок М0 и М1, а для электроники и электротехники - бескислородную медь М0б или ваку­умную медь М00. Бескислородная медь обладает более высокой пластичностью. В продовольственном машино­строении медь марки М3 используют для изготовления маслопроводов, испарителей, емкостей варочной аппара­туры.

 

 

Медные сплавы могут быть литейными и деформируемы­ми, термически упрочняемыми и неупрочняемыми. По химическому составу их подразделяют на латуни и брон­зы. К латуням относят сплавы, в которых главным ле­гирующим элементом является цинк, а к бронзам спла­вы меди с другими легирующими элементами. Латуни принято маркировать буквой Л, бронзы - Бр. После этих обозначений стоит перечень букв, указывающих на присутствие легирующих элементов в сплаве, и лишь за­тем цифры, показывающие их примерное содержание в массовых процентах. Элементы обозначаются следую­щими буквами и их сочетаниями: А - алюминий, О - олово, Ц - цинк, Мц - марганец, Мг - магний, Ж - железо, Б - бериллий, Х - хром, Ф - фосфор, С - сви­нец. Содержание цинка в латунях (меди в бронзах) оп­ределяют по сумме концентраций элементов, указанных в марке. Например, в латуни, легированной 5 % Ni, - ЛН65-5, содержится 30 % Zn (цифра 65 соответствует содержанию меди). В бронзе, легированной 7 % Аl; 1,5 % Fе; 1,5 % Рb, т. е. БрАЖС 7-1,5-1,5 содержится 90 % Сu.

 

Благодаря высоким технологическим и механическим свойствам как бинарные, так и многокомпонентные лату­ни получили в технике большое распространение. Струк­тура латуней зависит от их состава и может быть уста­новлена по известной диаграмме состояний системы Сu - Zn (рис. 26). Составы большинства используемых латуней лежат в области концентраций от 0 до 45 % Zn, где существуют либо a -, либо (a + b) - фазы. Фаза a пред­ставляет собой твердый раствор цинка в меди, а b - фаза - электронное соединение СuZn с электронной концентра­цией 3/2. При низких температурах b - фаза упорядочива­ется и переходит в так называемую b' - фазу (Сu5Zn8 с электронной концентрацией 21/13).

Рис. 26. Диаграмма состо­янии системы Сu – Zn

 

Рис. 27. Зависимость прочностных и пласти­ческих свойств латуней от содержания цинка

 

Температурная зависимость растворимости цинка в a - фазе имеет необычный характер, так как с пониже­нием температуры она не уменьшается, а растет. При 900 °С в a - фазе растворяется 32,5 % Zn, при 454 °С - 39 %, а при дальнейшем понижении температуры до ком­натной она снижается до 36 %. Поэтому закалкой можно получить однофазные латуни, содержащие до 39 % Zn.

Латуни очень пластичны (рис. 27), хорошо поддают­ся горячей и холодной обработке, однако при 300…700 °С они обнаруживают провал пластичности, и поэто­му в этой области температур a - латуни деформировать нецелесообразно.

Двухфазные (a + b) - латуни малоплас­тичны при умеренных и комнатных температурах из-за хрупкости b' - фазы, поэтому обработку давлением двухфазных латуней лучше проводить при температурах вы­ше 468 °С, когда устойчивой становится не b' - фаза, а пла­стичная b - фаза, в присутствии которой низкая пластич­ность b - фазы не проявляется. Вообще, двухфазные латуни, по сравнению с однофазными, имеют большую прочность и износостойкость, но меньшую пластичность.

Легирование бинарных латуней алюминием, железом, марганцем и другими элементами, кроме никеля, умень­шает растворимость цинка в меди и расширяет область существования (a + b) - фаз. Поэтому легированные лату­ни, как правило, двухфазны. Введение же никеля увели­чивает растворимость цинка в латуни, и такие латуни чаще всего однофазны. Легирование бинарных латуней, как правило, повышает прочность латуней и снижает их пластичность. Исключение составляет свинец, образую­щий легкоплавкие эвтектики по границам зерен. В a - латунях присутствие свинца приводит к горячеломкости. В двухфазных латунях происходит перекристаллизация (a + b) - фаз, в результате которой образовавшийся по границам прежних зерен a - фазы эвтектоид оказывается внутри вновь формирующихся зерен и вредное действие свинца снижается. При комнатных температурах свинец способствует улучшению обрабатываемости латуней ре­занием и его вводят специально для улучшения обраба­тываемости.

Сурьма в латунях оказывает еще более вредное дей­ствие, чем в меди, увеличивая их склонность к коррози­онному растрескиванию. Улучшают коррозионную стой­кость присадки алюминия, олова, никеля и марганца.

На повышение прочности наиболее эффективно влия­ют добавки алюминия и олова, в меньшей мере марган­ца и кремния. Железо и никель снижают прочность и увеличивают деформируемость сплавов, богатых медью.

К числу деформируемых однофазных латуней отно­сятся Л96, Л85, Л70, Л090-1, ЛО90-1, ЛА77-2, ЛМц59-1, ЛС74-3 и ряд других. Бинарные латуни также легко де­формируются, и поэтому их применяют для изготовления штампуемых деталей, лент, проволоки, трубок и т. д. Ла­тунь Л63 используют для деталей холодильного оборудо­вания, пружин, прокладок, матриц для формовки мака­ронных изделий. Латуни Л62 и Л68 применяют для изготовления труб теплообменных аппаратов в продоволь­ственном машиностроении. Латуни, легированные оло­вом, характеризуются высокой коррозионной стойкостью в морской воде, большей, чем кремнистые латуни ЛК80-3, которые в свою очередь более прочны и коррозионностойки по сравнению с простыми латунями. Железомарганцовистая латунь ЛЖМц59-1-1 отличается вы­сокой прочностью и вязкостью, высокими антифрикцион­ными свойствами, высокой коррозионной стойкостью в морской воде и атмосфере. Для вытачивания деталей на станках наилучшими свойствами обладают свинцовые латуни (ЛС59-1, ЛС63-3, ЛС64-2), а латунь ЛС59 полу­чила даже название автоматной, поскольку хорошо обра­батывается на станках-автоматах.

Для повышения прочности деформируемых латуней применяют нагартовку, т. е. холодную деформацию (на 50…60 %), после которой прочность латуней можно уве­личить примерно в два раза (на 250…300 МПа).

Литейные латуни отличаются от деформируемых бо­лее высокими механическими свойствами. В латунях практически не наблюдается ликвации компонентов. Многие из них обладают высокими антифрикционными свойствами. К числу литейных латуней относятся ЛА67-2,5, ЛАЖМц66-6-3-2; ЛМцОС58-2-2-2; ЛМцЖ55-3-1 и др. Уровень свойств некоторых литейных латуней характеризуют следующие данные. Для ЛАЖМц66-3-2 sВ = 600…650 МПа, а d = 7 %. Ее применяют для гаек, нажимных винтов, червячных винтов. Для ЛЖМц52-4-1 2 sВ =500 МПа, а d = 15 %. Ее применяют для подшипников, а также для ответственных деталей.

Недостатком литейных латуней является образование крупных усадочных раковин при кристаллизации, в свя­зи с чем, много металла идет в отходы. Кроме того, лату­ни с большим количеством b - фазы склонны к сезонному растрескиванию. В латуни для фасонного литья, от кото­рых требуется более высокая прочность, вводят большее количество присадок, а также присадок, улучшающих литейные свойства (например, свинец). При маркировке литейных латуней в конце марки ставят букву Л, на­пример ЛС59-1Л (латунь с содержанием 59 % Сu, 1 % Рb, литейная). Латунь ЛК80-3Л используют для отливки сложных по конфигурации деталей, работающих в кон­такте с агрессивными пищевыми средами (детали насо­сов, шестерни, арматура, детали узлов трения).

 

В зависимости от легирующего элемента бронзы могут быть оловянистыми, алюминиевыми, бериллиевыми и кремнистыми, марганцовистыми, свинцовистыми и др. Наиболее широкое распространение получили три первые вида бронз. Используют также многокомпонентные бронзы.

В сплавах системы Сu - Sn, богатых медью, фазовое равновесие устанавливается медленно, и поэтому в ре­альных условиях охлаждения бронзы состоят из двух фаз: a и d (Cu31Sn8) (рис. 28). В практике применяют сплавы, содержание олова в которых не превышает обыч­но 10…12 %, так как при более высоком их содержании бронзы хрупки. В отличие от латуней оловянистые брон­зы склонны к ликвации, в их микроструктуре можно от­четливо видеть дендриты выделяющихся соединений.

Рис. 28. Диаграмма состояния сплавов системы Cu – Sn

Бронзы характеризуются пониженной жидкотекучестью, поэтому в них не образуются усадочные раковины, но возникает мелкая пористость, распределенная по объему. Это позволяет получать отливки сложной формы без усадочных раковин. Пластичность литых бронз низка как из-за ликвации компонентов, так и из-за хрупкости d - фазы.

Рис. 29. Зависимость прочностных и пласти­ческих свойств

оловянных бронз от содержа­ния олова

 

Для повышения пластичности бронзы гомогени­зируют при 700…750 °С с последующим медленным ох­лаждением. В бронзах, содержащих 14…15 % Sn гомогенизирующий отжиг не приводит к появлению однофаз­ной структуры, поэтому после отжига при 700…750 °С быстрой закалкой стараются сохранить (a + b) - структу­ру, поскольку b - фаза более пластична, чем d. Временное сопротивление (предел прочности) бронз возрастает при увеличении содержания олова вплоть до 24 %, а затем резко падает, пластичность же начинает уже снижаться при содержаниях олова, превышающих 8 % (рис. 29).

По коррозионной стойкости в морской воде оловянис­тые бронзы превосходят и медь и латуни. Их легируют Zn, Fе, Р, Рb, Ni и другими элементами. Примеси, оказы­вающие вредное воздействие на свойства меди (Bi, Аs, S, Sb), ухудшают и свойства деформируемых бронз. На литейные свойства бронз примеси оказывают меньшее влияние, а сурьму даже специально добавляют для улуч­шения жидкотекучести (до 0,5 %). Литейные свойства улучшает также фосфор (до 0,3 %). Цинк улучшает тех­нологические свойства бронзы и снижает ее стоимость. Присадка никеля уменьшает ликвацию и тем самым по­вышает коррозионную стойкость, а также прочностные и антифрикционные характеристики. Легирование свин­цом облегчает обработку резанием и повышает анти­фрикционные свойства.

Из деформируемых бронз изготовляют пружины, мембраны, антифрикционные детали. Для деформируе­мых бронз sВ = 350…400 МПа в литом состоянии и sВ = 650…750 МПа в деформированном; d = 10 % и d = 2 % соответственно. Из деформируемых бронз назо­вем БрОЦ-4-3, БрОФ-6-0,15, БрОЦС-4-4-2,5.

В продовольственном машиностроении бронзу БрОЦС-3-12-5 используют для изготовления деталей ап­паратов, работающих под давлением. Бронзы БрАЖ-9-4 и БрАЖС-10-3-1,5 используют как заменители дефицит­ных оловянистых бронз. Из них изготавливают паропро­водную арматуру высоких и низких давлений, мешалки, зубчатые колеса, краны, клапаны, втулки, вкладыши и другие детали, контактирующие с пищевыми продук­тами.

Литейные оловянистые бронзы подразделяют на ма­шинные, предназначенные для фасонного литья деталей машин (БрО3Ц12С5, БрО3Ц7С5Н1) и антифрикционные с хорошим сопротивлением истиранию (БрО5Ц5С5, БрО4Ц4С17 и др.). Машинные бронзы имеют высокие ме­ханические свойства, коррозионную стойкость, но для снижения стоимости в них уменьшают содержание олова. Антифрикционные бронзы применяют для изготовления подшипников. Из-за дефицитности олова его частично заменяют свинцом; бронзы для художественного литья - БХ1, БХ2, БХ3 содержат соответственно 1..7, 5…8 и 25…35 % Sn, а также от 1 до 6 % Р.

Для облегчения обработки давлением их подвергают гомогенизирующему отжигу при 700…750 °С с последую­щим быстрым охлаждением. Но лучшая пластичность достигается, если с температуры гомогенизации ее сни­жают сначала лишь до 600…625 °С, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают. Для сня­тия внутренних напряжений в отливках проводят их от­жиг при 550 °С в течение 1 ч.

 

Алюминиевые бронзы вытес­няют оловянистые, так как по многим свойствам их пре­восходят и занимают в промышленности первое место по объему использования бронз. Алюминиевые бронзы со­держат не более 11 % Аl. Поскольку в меди при комнат­ной температуре растворяется лишь 9 % Аl, то не все такие бронзы однофазны (рис. 30).

Рис. 30. Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Al

 

За однофазным a - твердым раствором следует (a + b) - область, где b является фазой с ОЦК решеткой типа Сu3Аl. При более низких температурах b - фаза претерпевает эвтектоидный распад b ® g', а затем - перитектоидный. Но эти превращения проте­кают очень медленно, поэтому при обычной скорости ох­лаждения алюминиевые бронзы состоят из a - фазы и эвтектоида. При достаточно быстром охлаждении эвтектоидного распада не происходит и b - фаза претерпевает мартенситное превраще­ние b ® b2. Сплавы с a -структурой имеют высокую пластичность, но низ­кую прочность, сплавы со структурой a + b2 име­ют более высокую проч­ность, но их пластичность резко падает по мере уве­личения доли b2 - фазы. Оптимальными свойства­ми обладают сплавы с 5…8 % Аl.

Алюминиевые бронзы имеют хорошую коррозионную стойкость, высокие ме­ханические свойства (рис. 31), хорошую обрабатывае­мость. Для улучшения механических и антифрикцион­ных свойств алюминиевые бронзы легируют железом и марганцем. Дополнительно сплавы могут упрочняться закалкой и старением. Так, бронзу БрАЖН-10-4-4 зака­ливают с 980 °С и подвергают старению при 400 °С, в ре­зультате чего ее прочность и твердость увеличиваются в два раза.

Рис. 31. Зависимость прочности и пластичности алюминиевых

бронз от содержания алюминия

 

Литейную бронзу БрА10Ж4Н4 используют в продо­вольственном машиностроении для изготовления ответст­венных высоконагруженных деталей технологического оборудования, работающих при температурах до 500 °С и в контакте с агрессивными пищевыми средами (на­правляющие, втулки, седла клапанов, шестерни и др.).