Общая характеристика и классификация медных сплавов

Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (цинк, алюминий) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям. Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов.

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Из деформируемых медных сплавов изготавливают трубы, листы, ленту, проволоку, из литейных путем литья различные фасонные детали.

По способности упрочняться с помощью термической обработки медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

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

Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых долей. В медных сплавах буквенные обозначения отличаются от обозначений, принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, марганец – Мц, медь – М, мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.

Латуни

Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества других элементов. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.

По назначению и технологическим признакам латуни подразделяются на деформируемые и литейные.

Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставиться число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное цинк. Латунь ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца, остальное – цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставиться непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь.

Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуни изменяются при увеличении содержания в них цинка.

Структура латуней зависит от их состава и может быть установлена по известной диаграмме состояния системы медь – цинк (Cu- Zn). В системе Cu– Znобразуется шесть твердых растворов: α, β, γ, δ, σ, η, но практическое применение имеют латуни, содержащие до 45% цинка.

Левая часть диаграммы состояния Cu– Zn, включающая область однофазных (α) и двухфазных (α + β) латуней, приведена на рис. 45.

Однофазная α–латунь представляет собой твердый раствор цинка в меди с решеткой ГЦК и может содержать до 39% цинка. Однофазная α–латунь характеризуется высокой пластичностью. При содержании более 39% цинка в структуре появляется хрупкая β-фаза. β-фаза – это электронное соединение CuZnс решеткой ОЦК.

Существует две модификации β-фазы: выше 454…486°С устойчива пластичная β-фаза, имеющая неупорядоченное расположение атомов. Ниже этих температур – более твердая и хрупкая β´-фаза, которая характеризуется упорядоченным расположением атомов меди и атомов цинка.

Двухфазные (α + β´)–латуни могут содержать до 45% цинка.

В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней. Влияние цинка на механические свойства латуней приведены на рис. 46.

β´-фаза появляется в структуре латуней при содержании цинка около 30%. Поэтому в сплавах, содержащих менее 30% цинка, увеличение его концентрации повышает и прочность, и пластичность. Затем пластичность начинает уменьшаться, а после появления в структуре значительных качеств β´-фазы происходит резкое падение пластичности. Прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45%, пока латунь находиться в двухфазном состоянии, а потом также резко снижается. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.

Химический состав некоторых промышленных латуней (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 1774-93) и их механические свойства приведены в табл. 14, 15.

Латуни обычно хорошо обрабатываются давлением. Наибольшую пластичность имеют однофазные α–латуни (содержание цинка до 39%) и они хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость.

В двухфазных α + β´–латунях пластичность резко снижена, поэтому они удовлетворительно деформируются в горячем состоянии. Обычно их деформируют при температуре несколько выше 700°С.

Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют 20-50% от характеристик меди.

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни в основном выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).

В двухфазные латуни иногда добавляют свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств.

В виду невысокой пластичности эти латуни выпускают в виде горячекатаного полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.

Бронзы

Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим, называются бронзами.

Бронзы обозначаются буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В маркировках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие их содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% алюминия, 4% железа, остальное – медь. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% олова, 6% цинка, 3% свинца, остальное – медь.

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

Оловянные бронзы. 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. Эти 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 – низкая. Двойные оловянные бронзы применяют редко, так как они дороги. По коррозионной стойкости в морской воде оловянистые бронзы превосходят медь и латунь. Их легируют цинком (Zn), железом (Fe), фосфором (P), никелем (Ni), свинцом (Pb).

Бронзы хорошо обрабатываются резанием, паяются, хуже свариваются.

Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую