Сплавы на основе меди

2.2.1 Медь

Медь – металл, имеющий температуру плавления 1083°С, плотность 8,94 г/см³, ГЦК кристаллическую решетку. Медь имеет ряд ценных технических свойств: высокую пластичность, высокие электро- и теплопроводность, малую окисляемость. В зависимости от химического состава устанавливаются следующие марки меди: М00 (99,99%Сu), М0 (99,95%Сu), М1 (99,90%Сu), М2 (99,70%Сu), М3 (99,50%Сu), М4 (99,0%Cu), остальное – примеси (висмут, свинец и др.).

Вредными примесями являются Bi, O, S, Рb и др. Примеси и наклёп резко снижают электропроводность меди.

Примеси в меди свинца и висмута образуют легкоплавкие эвтектики, затрудняют горячую обработку, вызывают красноломкость. Содержание в сплаве Pb и Bi должно быть меньше 0,2 % (температура плавления эвтектики 270 °С).

Сера и кислород с медью также образуют химические соединения в виде: Cu₂O, Cu₂S (температура плавления эвтектики Cu₂O - 1065 °С, Cu₂S – 1067 °С). Содержание O и S в соединениях менее 1 % не вызывает красноломкости.

Нагрев меди в среде, содержащей кислород и водород, приводит к разрывам и трещинам ("водородная болезнь"): Cu₂O + H₂ → Cu + H₂O.

Вредные примеси снижают механические свойства меди, но в большей степени они зависят от ее состояния. В отожженном виде медь весьма пластична: δ = 50 %, ψ = 75 %, σ_В = 220 МПа. В деформированном состоянии пластичность меди понижается, твердость и прочность повышаются: δ = 1 – 3 %, φ = 35 %, 120 НВ, σ_В = 450 МПа.

 

2.2.2 Медные сплавы

Важнейшими медными сплавами являются латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком, цинка в латунях содержится до 45%. Различают двойные и многокомпонентные (специальные) латуни, содержащие дополнительные (легирующие) элементы.

Диаграмма состояния Cu-Zn и влияние содержания цинка на механические свойства латуни приведены на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Диаграмма состояния Cu-Zn (а) и влияние содержания цинка на механические свойства латуни (б)

 

В зависимости от содержания цинка латуни подразделяются на две группы:

1. Однофазные a-латуни (до39%Zn);

2. Двухфазные a+b¢-латуни (от 39 до 45%Zn),

здесь a-фаза – твердый раствор замещения цинка в меди, имеет ГЦК решетку, высокую пластичность, низкие значения прочности и твердости;

b¢-фаза – упорядоченный твердый раствор на базе химического соединения CuZn с кристаллической решеткой ОЦК. Эта фаза характеризуется более высокой твердостью, чем a-фаза, и хрупкостью.

Микроструктуры однофазной и двухфазной латуней приведены на рисунке 5.

Однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Двухфазные латуни подвергаются пластической деформации при высоких температурах, т.к. присутствие в них хрупкой b¢-фазы затрудняет ее деформацию в холодном состоянии.

 

Рисунок 5 – Микроструктуры медно-цинковых сплавов (слева)

и схемы их зарисовки (справа), х 200:

а – однофазная латунь Л80;

б – двухфазная латунь ЛС59-1

 

Двойные латуни применяют чаще как деформируемые (а не литейные) сплавы для изготовления труб, фольги, листов, лент и изделий из них. Специальные латуни используют как деформируемые и литейные сплавы в машиностроении (гайки нажимных винтов, подшипники, антифрикционные детали, арматура) и других отраслях промышленности.

Двойные латуни маркируют буквой Л, следующая за ней цифра обозначает содержание меди в целых процентах, например, Л96 (Л – латунь, 96%Cu, остальное – Zn).

Для повышения механических и технологических характеристик и придания латуням специальных свойств их легируют. Легирующие элементы обозначают буквами: А-Al, Ж-Fe, Мц-Mn, К-Si, Н-Ni, О-Sn, С-Pb, Т-Тi, Ф-Р, Ц-Zn и т.д. В марке многокомпонентной деформируемой латуни после букв следуют цифры через дефис. Первая цифра указывает среднее содержание меди, остальные – содержания соответствующих легирующих элементов. Содержание цинка определяется по разности до 100%. Например, латунь ЛМцЖ55-3-1 содержит (в среднем): 55% Сu, 3% Mn, 1% Fe, остальное – Zn.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40МцЗА содержит 40 % цинка, 3 % марганца, около 1 % алюминия, остальное - медь.

Бронзы – сплавы меди с оловом, свинцом, алюминием и другими элементами, вместе с которыми может присутствовать и цинк. По основному легирующему элементу их подразделяют на оловянные (оловянистые), алюминиевые, бериллиевые и т. д.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянистые бронзы (обычно с содержанием до 10-12%Sn). Бронзы, содержащие до 4-5%Sn – однофазные (a – твердый раствор олова в меди), при большем содержании олова – двухфазные со структурой a+эвтектоид (a+e) (e– соединение CuSn).

Обработке давлением подвергаются только однофазные бронзы. Их используют для сеток целлюлозно-бумажной промышленности, лент, полос, пружинной проволоки. Оловянистые литейные бронзы применяются для сложного фасонного литья, шестерен, втулок, гаек, ходовых винтов, корпусов кранов, червячных колес, арматуры для водяных и паровых систем. Оловянистые бронзы склонны к ликвации; при ускоренном охлаждении они получают резко выраженное дендритное строение (рисунок 6).

Рисунок 6 – Микроструктура бронзы БрОЦ4-3 (слева)

и схема зарисовки (справа), х 200:

а – после литья (дендриты твердого раствора),

б – после ковки и диффузионного отжига (однородные зерна твердого раствора)

 

Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр, а затем, как и в латунях, указывают основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. Например, бронза БрАЖН10-4-4 содержит; 10% Al, 4% Fe, 4% Ni, остальное – Cu.

В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу же после буквы, обозначающей его название. Например, бронза БрО10Ц2 содержит 10 % олова, 2 % цинка, остальное - медь.