Медь и ее сплавы

ГЛАВА 4. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Медь — красно-розовый мономорфный металл с ГЦК решеткой;

плотность γ = 8,96 г/см³,Тпл = 1083 °С.

Медь обладает высокой электропроводностью, незначительно уступая лишь серебру, хорошей коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в органических кислотах, в атмосфере влаги и пара и т. д.

К достоинствам меди относятся и низкий коэффициент трения (свойство это сохраняется и в сплавах меди), а также хорошая обрабатываемость давлением, но следует избегать температур провала пластичности.

Медь хорошо паяется, сваривается и полируется, но плохо обрабатывается резанием, имеет сравнительно низкую прочность и плохие литейные свойства. Благодаря высокой электро- и теплопроводности и коррозионной стойкости электролитическая Ml (99,9% Си), М0 (99,95% Си) и особо чистая М00 (99,99% Си) медь находят широкое применение в электротехнической и электровакуумной промышленности.

Все примеси ухудшают тепло- и электропроводность меди и дифференцированно влияют на другие свойства. Как правило, примеси, образующие с медью твердые растворы, повышают ее твердость и прочность, а образующие химические соединения (кислород, сера) и легкоплавкие эвтектики (например, свинец, висмут и др.) резко снижают пластичность, прочность и технологические свойства. Поэтому перечисленные выше элементы считаются вредными примесями; допускается содержание свинца не более 0,005%, остальных примесей — не более 0,002%.

Значительное влияние на механические свойства меди оказывает ее состояние:

Ÿ литая медь имеет σ_в= 160 МПа, НВ =400 МПа, δ= 25%;

Ÿ отожженная мягкая (ММ) — σ_в = 220 МПа, НВ = = 550 МПа, δ= 50%;

Ÿ холоднодеформированная МТ (нагартованная, твердая) — σ_в= 450 МПа, НВ = 1250 МПа, δ= 3%.

Таким образом, нагартовка способствует значительному росту прочности и твердости меди.

Рис. 23. Диаграмма состояния медь—цинк (а) и влияние цинка на механические свойства латуни (б).

 

Медные сплавы, сохраняя многие положительные свойства меди, обладают более высокими механическими и антифрикционными свойствами, лучшей технологичностью.

Среди медных сплавов широкое применение нашли л а т у н и — сплавы меди с цинком. Они подразделяются на простые (двойные) и специальные сложные (многокомпонентные). В системе Сu — Zn образуются твердые растворы α; (Zn в Сu) и η;(Си в Zn), электронные соединения β (CuZn), γ(Cu₅Zn₈) и ε (CuZn₃). Ha базе этих соединений образуются гомогенные или двухфазные области твердых растворов (рис. 23, а). Все электронные соединения обладают повышенной хрупкостью и твердостью, что сказывается и на свойствах сплавов. Так, однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях (но следует избегать температур охрупчивания 300...700 °С). Появление в сплаве β'-фазы (двухфазные α+β'-латуни) вызывает резкое падение пластичности при одновременном росте прочности (рис. 23, б). Лишь при нагреве выше температуры 454° С, когда упорядоченный твердый раствор β' переходит в неупорядоченное β- состояние, пластичность возрастает и становится возможной горячая обработка давлением. С увеличением содержания цинка в латунях появляется очень хрупкая γ-фаза. Поэтому латуни с содержанием цинка более 42% не находят практического применения.

Изделия из однофазных α-латуней (снарядные гильзы, сильфоны, прокладки и др.) изготовляют методом глубокой штамповки из полуфабриката (листа, проволоки и др.). полученного прокаткой, Они отличаются хорошей коррозионной стойкостью в воде и в сухом паре.

При увеличении содержания цинка уменьшается стоимость α-латуней, улучшается их прирабатываемость, повышается прочность и др.; начиная с 20% Zn резко уменьшается коррозионная стойкость.

Вылеживание деформированных латуней во влажной атмосфере (особенно при наличии аммиака) вызывает разрушение изделий (так называемое «сезонное растрескивание»). Это неприятное явление устраняется кратковременным отжигом, практически не изменяющим остальных свойств латуни, при температуре 240...300°С. Предел прочности отожженных α-латуней составляет 300 МПа и может быть повышен нагартовкой.

Из двухфазных а + β'-латуней изготовляют мелкие детали (втулки, тройники, штуцера, токоподводящие детали электрооборудования и др.).

Легирование латуней кремнием, алюминием, марганцем, никелем, железом, оловом повышает их коррозионную стойкость и механические свойства. Вредными примесями считаются те же элементы, что и в меди.

Маркируются простые латуни буквой Л и цифрами, указывающими на содержание меди в процентах Л96, Л70 и др.

В обозначение марок специальных латуней после буквы Л добавляются буквы и цифры, показывающие соответственно наименование легирующих элементов и их процентное содержание. Например, ЛК.С80- 3-3 (80% Сu, 3% Si, 3% Pb, остальное — Zn).

Широко применяются и бронзы — сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка и никеля. Они обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Изделия из бронз получают литьем, обработкой давлением и резанием. По основному компоненту различают оловянистые, свинцовые и другие бронзы.

Еще в глубокой древности человечество применяло оловянистую бронзу. Литые бронзы с содержанием олова до 5% — однофазный, твердый раствор α, при содержании 8...10% — двухфазные (α + δ). В связи с тем что δ-фаза — хрупкая составляющая, пластичность и вязкость бронз при увеличении содержания олова резко падают. Поэтому сплавы с содержанием олова свыше 14% не применяются.

Оловянистые бронзы легируют с целью повышения механических (легирующие элементы — Ni, Zn, Р), технологических (РЬ, Zn, Ni), антифрикционных (Pb, P) свойств, коррозионной стойкости (Ni).

По способу изготовления изделий бронзы делятся на:

Ÿ деформируемые (однофазные) и

Ÿ литейные (двухфазные).

Из деформируемых бронз получают пружины и пружинящие материалы, из литейных бронз — подшипники скольжения ответственного назначения (работают при высоких скоростях и больших давлениях), арматуру, детали с высокой тепло- и электропроводностью в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, фасонное и художественное литье.

В связи с дефицитностью олова были разработаны специальные бронзы, которые по ряду свойств даже превосходят оловянистые.

Алюминиевые бронзы (5...11% Аl) обладают более высокими антикоррозионными и механическими свойствами, но уступают оловянистым в литейных свойствах. Из них изготовляют зубчатые колеса, детали турбин, втулки, седла клапанов и др.

Кремнистые бронзы (1...4% Si), легированные никелем, марганцем и цинком, по механическим свойствам приближаются к сталям и являются заменителями дорогостоящих оловянистых и бериллиевых бронз. Они используются для изготовления деталей, работающих при температурах до 500 °С в условиях трения.

Свинцовые бронзы (25...30% РЬ) обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются резанием, воспринимают ударные нагрузки и работают на усталость. Применяются для изготовления тяжелонагруженных, высокоскоростных подшипников авиационных двигателей, дизелей турбин и др.

Все большее распространение, несмотря на дороговизну, получают бериллиевые бронзы (до 3% Be). Они характеризуются чрезвычайно высокими механическими свойствами (после закалки и старения), износостойкостью, коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением усталости, ползучести, высокими тепло- и электропроводностью, высокой теплостойкостью: при температуре 500 °С их прочность такая же, как у алюминиевых бронз при 20° С. Из них изготовляют детали особо ответственного назначения (упругие элементы точных приборов — мембраны, скользящие контакты, пружины, кулачки, шестерни, червячные передачи, высокоскоростные подшипники, работающие при повышенных температурах и др.).

Бронзы маркируются буквами Бр, после которых дается буквенное обозначение легирующих элементов и цифры, указывающие их процентное содержание. Например, Бр ОЦС-8-4-3 (8% Sn, 4% Zn, 3% Pb, остальное — медь), Бр Б2 (2% Be); Бр АЖН10-4-4 (10% А1, 4% Fe, 4% Ni, остальное — медь).

Большое применение имеют также м е д н о н и к е л е в ы е с п л а в ы: мельхиоры, нейзильберы и др.

Мельхиоры, например, марки МН19 (19% Ni) отличаются высокой коррозионной стойкостью в морской воде, в органических кислотах, растворах солей и т.д.; имеют высокую пластичность; применяются в морском судостроении, для изготовления разменной монеты, медицинского инструмента, деталей в точной механике и др.

Нейзильбер ы (сплавы меди с 5...35% Ni и 13...45% Zn), например, марки МНЦ15—20 (15% Ni + Со, 20% Zn) имеют более высокую, чем мельхиоры, прочность, высокую коррозионную стойкость, красивый серебристый цвет. Из них изготовляют изделия широкого потребления, детали часовых механизмов, приборов точной механики и другой ответственной аппаратуры.