Микроструктура сплавов на основе меди

В качестве характерных представителей сплавов на медной ос­нове в работе используются сплавы марок Л68 и Л59 (латуни) и БрО10 и БрСЗО (бронзы).

Микроструктура двойных низколегированных латуней в условиях равновесия определяется диаграммой состояния системы Cu-Zn. На рис.6 приведен фрагмент этой диаграммы, отражающей фазовые равновесия в сплавах с содержанием цинка до 50%, поскольку промышленное приме­нение находят латуни, содержащие до 45%Zn. В соответствии с этой диа­граммой состояния латуни по структуре делятся на однофазные (α-латуни), содержащие до 39%Zn и состоящие из зерен а-твердого рас­твора цинка в меди, и двухфазные (α+β)-латуни, содержащие от 39 до 45%Zn и состоящие из зерен α-твердого раствора цинка в меди и зерен α-твердого раствора на основе соединения CuZn.

Однофазные α-латуни об­ладают высокой пластичностью при нормальной (комнатной) темпера­туре. Поэтому однофазные латуни выпускают в виде полуфабрикатов, полученных холодной обработкой давлением (штамповкой, прокаткой или протяжкой) листов, труб, лент, проволоки, из которых методом глубокой вытяжки изготавливают радиаторные трубы, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы, а также производят детали (шайбы, втулки, уплотнительные кольца), не требующие высокой твердости. Хо­лодная обработка вызывает наклеп.

Рис.6. Фрагмент диаграммы состояния системы медь-цинк

В наклепанном состоянии латунь с содержанием цинка 20% и выше подвержена растрескиванию

по границам зерен, имеет низкую коррозионную стойкость. Поэтому ее подвергают рекристаллизационному отжигу, в результате чего однофаз­ная латунь приобретает зеренную структуру с характерными для пла­стичных сплавов двойниками. На рис.7 показана микроструктура одно­фазной латуни марки Л68. Поскольку зерна а-фазы выходят на поверх­ность микрошлифа различными кристаллографическими плоскостями, степень их травимости реактивом различна и они имеют неодинаковую окраску.

Микроструктура двухфазной латуни марки Л59 в литом состоя­нии, представленная на рис,8, состоит из светлых зерен α-твердого рас­твора цинка в меди и темных (более богатых цинком и травящихся силь­нее) зерен β-твердого раствора на базе химического соединения CuZn. Присутствие в структуре β- фазы, имеющей низкую пластичность и высо­кую твердость, повышает характеристики прочности латуней. Двухфаз­ные латуни являются более пластичными при температурах выше 500°С. Поэтому эти латуни выпускают в виде полуфабрикатов, полученных го­рячей обработкой давлением: листов, прутков, труб, штамповок, из кото­рых изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.

Рис.7. Схема микроструктуры однофазной латуни марки Л68 после холодной пластической деформации и рекристаллизационного отжига,

α-фаза, х 440

Рис.8. Схема микроструктуры двух-фазной латуни марки Л59 в литом состоянии, α-фаза и β-фаза, х 440

Легированные латуни применяют в качестве деформируемых и литейных. Последние, как правило, содержат большое количество цинка и легирующих элементов.

В промышленности находят применение как двойные - оловян­ные, свинцовистые и другие бронзы, так и многокомпонентные, содер­жащие кроме основных легирующих элементов добавки свинца, цинка, фосфора и никеля.

Микроструктура двойных оловянных бронз определяется диа­граммой состояния системы Cu-Sn. На рис.9 приведен фрагмент этой диа­граммы для сплавов с содержанием олова до 30%, поскольку промыш­ленное применение имеют сплавы, содержащие до 20%Sn. Сплошными -линиями показаны границы фазовых областей равновесной системы.

Рис.9. Фрагмент диаграммы состояния системы медь-олово

Рис.10. Схема микроструктуры двухфазной бронзы марки БрО10 в литом состоянии, α-фаза и эвтектоид (α+δ),.х600

В соответствии с этой диаграммой состояния бронзы по структу­ре делятся на однофазные, состоящие из зерен а-твердого раствора оло­ва в меди, и двухфазные, состоящие из зерен а-твердого раствора олова в меди и зерен эвтектоида (α+δ), в котором δ-фаза представляет собой соединение Cu₃iSn₈. При очень медленном охлаждении протекает равно­весная кристаллизация, и граница между однофазными и двухфазными бронзами соответствует 14% олова. В реальных заводских условиях при литье в металлические и земляные формы происходит ускоренное охла­ждение сплавов, в связи с чем диффузия атомов олова в меди затрудня­ется и сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была постоянное, равной 6-8%, и не менялась с температурой (пунктир­ные линии на рис.9). Исходя из этого, однофазными являются бронзы с содержанием олова не более 5-6%. Такие сплавы имеют высокую пла­стичность и являются деформируемыми.

Бронзы, содержащие олово в большем количестве, по структуре являются двухфазными. Микроструктура двухфазной бронзы марки БрО10 состоит из темных зерен α-твердого раствора олова в меди и зе­рен эвтектоида (α+δ) (рис.10). Основой эвтектоида является S-фаза (химическое соединение Cu₃iSn₈), на белом поле которой расположены мел­кие темные выделения

α-фазы. Наличие твердой и хрупкой δ-фазы ис­ключает возможность обработки давлением, поэтому такие бронзы при­меняют только в литом состоянии.

Для повышения свойств в оловянистые бронзы вводят различ­ные добавки: цинк для улучшения жидкотекучести и повышения плотно­сти отливок; фосфор как раскислитель для устранения нежелательной окиси олова SnO₂, присутствующей в бронзах в виде твердых и хрупких включений; свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повы­шения уровня антифрикционных свойств. Оловянистые бронзы с пере­численными добавками находят в промышленности более широкое при­менение, чем двойные сплавы. В качестве примера можно назвать ли­тейные бронзы марок БрО5Ц5С5, БрО10Ф1 и др., деформируемые бронзы марок БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3 и др. Оловянистые бронзы используются для изготовления паровой и водяной арматуры, подшипников скольжения, втулок, зубчатых колес, деталей приборов.

Микроструктуру свинцовистых бронз можно охарактеризовать с помощью двойной диаграммы состояния системы Cu-Pb (рис.11). Как видно из диаграммы состояния, свинцовистая бронза марки БрСЗО с содержанием свинца 30% является доэвтектическим сплавом и его струк­тура при нормальной (комнатной) температуре должна состоять из зерен α-твердого раствора свинца в меди и эвтектики, состоящей из а-твердого раствора свинца в меди и β-твердого раствора.

Рис. 11. Диаграмма состояния системы медь-свинец

Рис.12. Схема микрострукуры свинцовистой бронзы марки БрСЗО в литом состоянии, α-фаза и эвтектика (α+β), х340

Однако эвтектика по составу совпадает с чистым свинцом (99,98%), а α-фаза - с чистой медью, поэтому можно сказать, что факти­чески микроструктура сплава состоит из зерен двух металлов - свинца и меди.

На рис.12 представлена микроструктура свинцовистой бронзы марки БрСЗО, состоящая из светлых зерен α-фазы (фактически меди) и темных зерен эвтектики (фактически свинца). Свинцовистые бронзы яв­ляются высококачественными антифрикционными материалами и приме­няются для изготовления опорных и шатунных подшипников мощных турбин, авиационных моторов, дизелей и других машин.