Медь и ее сплавы

Чистая медь – светло-розовый пластичный металл имеющий кристаллическую решетку гранецентрированного куба с параметром 3,607Å, плотность чистой меди 8,94 г/см³. Медь не имеет полиморфных превращений от комнатной температуры до температуры плавления. Медь обладает резко выраженными металлическими свойствами, основными из которых являются высокая электропроводность, теплопроводность и пластичность.

; .

Большое количество меди используется в промышленности в чистом виде, как электропроводный материал (провода, кабели, электротехническая аппаратура). На основе меди приготовляют сплавы (латуни, бронзы, медноникелевые сплавы).

В зависимости от чистоты, медь поставляют по ГОСТ 859-76 нескольких марок (таблица 8.6).

Таблица 8.6 - Марки меди и ее применение

В меди могут быть следующие примеси: кислород, свинец, висмут, сера, фосфор и др. Примеси в меди снижают пластичность, электропроводность и теплопроводность, увеличивают электросопротивление, вызывают упрочнение меди, могут ухудшить технологические свойства меди.

Кислород в меди присутствует в виде хрупкой составляющей Cu₂O или эвтектики (Cu + Cu₂O)_э, вызывая охрупчивание при прокатке. В небольших количествах содержание кислорода не вызывает охрупчивания, а частички Cu₂O при прокатке равномерно распределяются во всем объеме меди. Включения Cu₂O под микроскопом на нетравленом шлифе имеют серовато-голубоватый цвет; в поляризованном свете окрашиваются в красный цвет.

Висмут и свинец образуют с медью легкоплавкие эвтектики, состоящие практически из чистых свинца или висмута, располагающихся в литой меди преимущественно по границам зерен. Нагрев такой меди перед горячей обработкой давлением может проводить к расплавлению этих прослоек по границам зерен и межзеренному разрушению. Такое явление называется красноломкостью меди. Висмут сообщает хрупкость меди и ее сплавам при холодной обработке давлением.

Сера дает соединение с медью Cu₂S – очень хрупкое соединение, что часто приводит к охрупчиванию меди и ее сплавов. Однако сера не образует легкоплавких эвтектик и не вызывает горячеломкости меди. Иногда добавки серы к меди применяют для улучшения обрабатываемости резанием.

Фосфор в небольших количествах, в которых он может присутствовать в меди, не оказывает значительного влияния на свойства меди. Однако последними исследованиями показано, что добавки тысячных долей процентов фосфора совместно с такими же добавками олова уменьшают анизотропию свойств меди, способствует получению равномерного мелкого рекристаллизованного зерна.

В сплавах на основе меди наиболее часто применяемыми легирующими элементами в меди являются цинк, олово и алюминий. Сплавы меди с цинком называются латунями. Техническое применение имеют латуни с содержанием Zn до 50% их марки: Л96, Л90, Л80, Л68, Л62, ЛС-59-1, где цифры обозначают среднее содержание меди в латуни. Согласно диаграмме состояния сплавов меди с цинком (рисунок 8.4), структурное состояние латуней соответствует однофазному состоянию a твердого раствора для сплавов до 32% Zn (до Л68) и двухфазному (a + b) состоянию (Л62, ЛС-59-1).

В соответствии со структурным состоянием медноцинковые сплавы называются a-латунями или (a + b) латунями. Диаграмма состояния Cu-Zn представляет собой совокупность пяти перитектических превращений и одного эвтектоидного. Образующиеся по перитектическим реакциям b, g, d, e, h фазы называют b, g, d, e, h - растворами, хотя они являются промежуточными фазами электронного типа. a-фаза - это твердый раствор Zn в Cu. b-фаза на основе соединения CuZn имеет электронную концентрацию 3/2, g-фаза – это раствор на основе соединения Cu₅Zn₈ с электронной концентрацией 21/13, e - раствор на основе соединения CuZn₃ с гексагональной решеткой (электронная концентрация 7/4). Природа d-фазы не установлена, h-фаза соответствует твердому раствору меди в цинке.

b фаза в латунях способна при температурах ниже 454-468 ºС претерпевать переход в упорядоченное состояние b ‘.

Структура отожженной a-латуни представляет собой однородные сравнительно равноосные зерна со следами двойникования, аналогично аустениту стали.

Рисунок 8.4. Диаграмма состояния медь - цинк и соответствующие ей изменения механических свойств (предела прочности σв, МПа и относительного удлинения δ,%)

Однако окраска их желтая, отдельные зерна в соответствии с различием кристаллографической ориентировки в зернах при исследовании в микроскопе оказываются более темными, другие – более светлыми. В литом состоянии a-латунь в связи с проявлением неравновесной кристаллизации имеет дендритное строение, которое устраняется отжигом. Двухфазная (a + b) – латунь имеет структуру, образованную светлыми участками a - и темными b-кристаллов. Количество и форма a и b кристаллов зависит от содержания Zn. Увеличение его количества приводит к постепенному увеличению количества темной фазы в структуре (a + b) латуни. Увеличение содержания Zn до 47-50% приводит к получению чистого b - состояния латуни. Структура b-латуни также как и a-латуни имеет зернистое строение, однако она составлена из темных зерен b-твердого раствора. Изменение механических свойств латуней в зависимости от содержания цинка описывается представленными кривыми (см. нижнюю часть рисунка 8.4). Однофазные a-латуни увеличивают s_в и d с ростом содержания цинка. Прочность продолжает расти и при двухфазном состоянии (a + b), с соответствующим снижением пластичности. Образование однофазного b - состояния приводит к резкому снижению, как прочностных, так и пластических свойств. Появление фазы g - еще более охрупчивает латуни. Двухфазная (a + b) латунь может быть закалена с температуры выше 454 ºС с образованием мартенсита. Однако эта операция не применяется в связи с повышенной хрупкостью и понижению коррозионной стойкости, проявляющейся после закалки. Основные сведения о составе и свойствах некоторых латуней, изготавливаемых по ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-80 приведены в таблицах 8.7 и 8.8.

Таблица 8.7 - Состав и свойства двойных однофазных латуней по ГОСТ 15527-70 после отжига

Дополнительное легирование латуней применяют для улучшения технологических или механических свойств. Одним из способов является легирование (a + b) латуней свинцом в количестве до 1%. В таком количестве в (a + b) латунях свинец не вызывает горячеломкости, а его присутствие в латуни улучшает ее обрабатываемость резанием. Для повышения механических и антикоррозионных свойств латуни легируют алюминием, кремнием, марганцем, железом и др.

Сплавы меди с оловом – оловянистые бронзы (таблица 8.9). Классическим содержанием олова в бронзе является 10 %. Марка оловянистой бронзы БрО10; Эта бронза обладает наименьшей усадкой среди известных в настоящее время сплавов, поэтому, очень часто оловянистая бронза используется для изготовления отливок.

Таблица 8.8. Состав, свойства и применение некоторых специальных латуней по ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-80 после отжига

Согласно диаграмме Cu-Sn (рисунок 8.5) структура оловянистых бронз состоит при комнатной температуре после охлаждения с обычно применяемыми скоростями охлаждения из a-твердого раствора и эвтектоида (a + d)_э. Эвтектоид образуется только в результате неравновесной кристаллизации. После отжига при температуре около 800 ºС дендритная ликвация устраняется, эвтектоид (a + d)_э исчезает. Бронза становится однофазной, состоящей из a-твердого раствора. Избыток e-фазы обычно в реальных условиях охлаждения не выделяется.

a - твердый раствор – это раствор олова на основе гранецентрированной решетки меди. Фазы b, d и g, образующиеся при кристаллизации из жидкого состояния по перитектическим реакциям, представляют собой электронные соединения с химическими формулами Cu₅Sn, Cu₃₁Sn₈ и Cu₃Sn. (электронные концентрации, соответственно, 3/2, 21/13 и 7/4). Фаза с гексагональной решеткой имеет примерный состав Cu₂₀Sn₆, фаза h - Cu₆Sn₅.

В связи с дефицитностью олова его стремятся полностью или частично заменить другими легирующими элементами. Например, олово может быть частично заменено цинком и свинцом (Бр ОЦС-4-4-2,5, Бр ОЦС-6-6-3).

Примерами полной замены олова являются алюминиевые бронзы (БрА5, БрА10) или комплексно легированные бронзы с легированием Al, P, Zn, Pb, Ni, Mn, Fe, Be и др.

Таблица 8.9 - Состав и свойства некоторых легированных оловянистых бронз по ГОСТ 5017-74 и ГОСТ 613-79

Алюминиевая бронза (рисунок 8.6) марки БрА5 имеет в своем составе около 5% Al. Структура ее представляет собой после ускоренного охлаждения a - твердый раствор, обладающий дендритной ликвацией или однородный a - твердый раствор после отжига или обработки давлением.

Структура БрА10 состоит из светлых кристаллов a-твердого раствора и темных (a + b)_э – эвтектоидных участков (рисунок 8.7).

Бронза БрА10 применяется для отливок. Алюминиевые бронзы в результате образования на поверхности плотной пленки Al₂O₃ обладают повышенной коррозионной плотностью.

Рисунок 8.5. Фазовая диаграмма медь-олово	Рисунок 8.6. Фазовая диаграмма медь-алюминий

а б в

Рисунок 8.7. Структура алюминиевой бронзы: а - в отожженном состоянии; б - после закалки на мартенсит; в - после закалки и отпуска

Алюминиевая бронза, с содержанием Al 8-10% и более, может быть упрочнена путем закалки на мартенсит из b-области в воде с образованием игольчатой метастабильной фазы b’. Аналогичными свойствами и структурой обладают сплавы с добавками Al, Fe, Mn, Ni, которые входят в твердый раствор, упрочняя его или образуя избыточные фазовые и структурные составляющие.

Бериллиевая бронза представляет интерес для металловедов и термистов, поскольку этот сплав оказывается способным к термическому упрочнению в результате закалки и последующего старения на дисперсионное твердение. Это связано со значительной разницей по растворимости бериллия при высокой и низкой температуре (соответственно, 2,1% и 0,16%), который выделяется при распаде пересыщенного твердого раствора, полученного закалкой с образованием мельчайших когерентных выделений стойкого интерметаллического соединения. В результате такой обработки бериллиевая бронза БрБ2 приобретает твердость по Бринеллю НВ 300-400, s_в до 1500 МПа при относительном удлинении d более 2-3%.

Таблица 8.10 - Состав, свойства и применение некоторых безоловянистых бронз по ГОСТ 18175 и ГОСТ 493-79

Аналогичными свойствами обладают комплексно легированные бронзы системы Cu-Ni-Al (куниаль).

Date: 2015-07-11; view: 643; Нарушение авторских прав