Лекции - Цветные металлы и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

2.2. Классификация и маркировка сплавов на медной основе

Конструктивные медные сплавы подразделяют на 2 основные группы:

1. Латуни - это сплавы на основе меди, основным легирующим элементом

которых является цинк;

2. Бронзы - это сплавы на основе меди, основными легирующими элементами

которых являются иные, кроме цинка, компоненты, прежде всего: олово

(оловянные бронзы); алюминий (алюминиевые бронзы); кремний (кремнистые

бронзы); бериллий (бериллиевые бронзы); свинец (свинцовые бронзы).

Кроме основных легирующих элементов, в состав медных сплавов входят и

другие компоненты, вводимые для повышения определенных их свойств.

Латуни маркируют буквой Л, после которой указывают последовательно

буквенные символы легирующих элементов (заглавными буквами русского

алфавита). Далее числами, разделенными тире, указывают вначале среднее

содержание меди, а затем - содержание иных, кроме цинка, легирующих

элементов. Следовательно, содержание основного легирующего элемента латуней

- цинка - в маркировке не указывается (и символ цинка также отсутствует) и

определяется путем вычитания из 100% суммарного содержания меди и других

элементов (по маркировке). В отсутствие иных, кроме цинка, легирующих

элементов марка латуни обозначается буквой Л и двумя цифрами, указывающими

содержание меди, например, латунь Л 90. Это так называемые двойные, или

простые, латуни.

Бронзы маркируют буквами Бр, вслед за которыми, как и в латунях,

следуют последовательно символы всех без исключения легирующих элементов.

После всех символов в той же последовательности указывается процентное

содержание соответствующих элементов. В отличие от латуней, в маркировке

бронз содержание основного компонента - меди- не указывается. Оно

определяется по разнице между 100% и суммарным содержанием легирующих

элементов.

Легирующие элементы при маркировке медных сплавов имеют следующие

символы: цинк - Ц, олово - О, марганец - Мц, железо - Ж, фосфор - Ф, бериллий -

Б, алюминий - А, кремний - К, никель - Н, свинец - С, хром - Х и т.д.

Примеры маркировки медных сплавов:

- ЛС 59-1 - латунь, содержащая 59% Cu, 1% Pb, 40% Zn;

- ЛЖМц 59-1-1 - латунь, содержащая 59% Cu, 1% Fe, 1% Mn, 39% Zn:

- Бр ОЦСН 3-7-5-1 - бронза, содержащая 3% Sn, 7% Zn, 5% Pb, 1% Ni, 84% Cu:

- Бр А 5 - бронза, содержащая 5% Al и 95% Cu.

2.3. Структура, свойства и применение латуней

Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Zn приведена на рисунке 2.2.

Основными фазами в данной системе являются:

- жидкий раствор меди и цинка;

-  - твердый раствор внедрения цинка в меди;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

соединения CuZn; образуется в пределах определенной концентрации сплавов в

результате перитектического превращения при температуре Т = 902 - Т °С;

Рисунок 2.2 - Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Zn

‘- фаза - упорядоченная фаза переменного состава на базе электронного

соединения CuZn; эта фаза образуется в результате перехода -фазы в упо-

рядоченное состояние при температурах ниже 468 - 454 °С;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

соединения Cu

(n = 21/13); образуется в определенном интервале

концентраций в результате перитектического превращения при температуре

Т=834 - Т,°С;

- ‘-фаза - упорядоченная фаза переменного состава на базе электронного

соединения Cu

; может образоваться в результате перехода -фазы в

упорядоченное состояние при температурах ниже 270 °С;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

соединения CuZn

(п = 7/4); образуется в определенном интервале концентраций

в результате перитектического превращения при температуре Т = 424 - Т , °С;

-  -фаза - твердый раствор на базе соединения меди с цинком, природа которого

абсолютно точно пока не установлена; образуется в результате перитектического

превращения при температуре Т = 700 - Т, °С;

-  - твердый раствор меди в цинке; в определенном интервале концентраций

образуется в результате перитектического превращения при температуре Т= 424 -

Т,°С.

Предельная растворимость цинка в меди составляет 39%. С понижением

температуры от 902 до 454°С предельная растворимость цинка в меди

повышается, а при дальнейшем ее снижении, по данным ряда авторов, может

снижаться примерно до 30-32%. Поэтому латуни, содержащие до 39% цинка,

теоретически имеют структуру, состоящую только из кристаллов твердого

раствора  . Такие латуни называют однофазными, или  -латунями. Однако, в

реальных условиях уже при содержании цинка около 30% в структуре латуни

появляются кристаллы второй фазы (‘-фазы). При превышении предельной

растворимости цинка в меди латуни становятся двухфазными, или (  + ‘ )-

латунями. ‘-фаза является весьма прочной, но хрупкой.

Как следует из данных рисунка 2.3, повышение концентрации цинка в  -

латунях способствует не только повышению прочности, но и увеличению

пластичности (до 30% Zn).

Рисунок 2.3 - Влияние цинка на механические свойства латуни

Поэтому  -латуни обладают хорошим сочетанием прочностных и пластических

характеристик. Появление в структуре латуней твердой и хрупкой ‘- фазы

приводит к снижению пластичности сплава, но к его упрочнению при повышении

концентрации цинка до 45%. Поэтому двухфазные латуни в сравнении с

однофазными сплавами являются более прочными и значительно менее

пластичными. Повышение прочности латуни с увеличением концентрации цинка

происходит до тех пор, пока латунь остается двухфазной (  + ‘ ). Переход

латуни из двухфазного ( + ‘) в однофазное состояние со структурой ‘-фазы

(т.н.‘ -латуни) приводит к резкому снижению прочности сплава. Поэтому

практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 45%. Сплавы же

с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью. Промышленные

двойные латуни, таким образом, по структуре подразделяют на 2 группы:

однофазные ( -латуни) и двухфазные (  + ‘ ) -латуни.

По способу изготовления изделий латуни подразделяют на две группы:

1. Деформируемые, изделия из которых изготавливают методами горячей и

холодиной пластической деформации; это преимущественно однофазные латуни,

обладающие высокой пластичностью и хорошо поддающиеся холодной

пластической деформации;

2. Литейные латуни, являющиеся преимущественно двухфазными, обладающие

хорошей жидкотекучестью и используемые для изготовления отливок.

В таблице 2.2 приведены механические свойства некоторых марок латуней.

Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их

обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять

износу. При этом уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость

(примерно в 2-5 раз в сравнении с чистой медью).

Таблица 2.2 - Механические свойства и структура некоторых латуней

Марка латуни Структура 

, Н/мм



, Н/мм

, % , %

Деформируемые латуни

Л 90

Л 68

ЛН 65-5

Л 59

ЛС 59-1

ЛО 70-1

ЛК 80-3



 + ‘

 + ’



260

330

380

390

420

350

300

120

170

140

100

200

Литейние латуни

Л А 67-2,5

Л АЖ 60-1-1 Л

Л МцЖ 52-4-1

Л АЖМц 66-6-3-2

 + ‘

400

420

500

650

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Свинец и

висмут являются особенно неблагоприятными, поскольку в однофазных латунях

вызывают красноломкость из-за образования легкоплавких эвтектик. Это

ухудшает условия обработки латуней в горячем состоянии, прежде всего, горячей

пластической деформацией. В двухфазных латунях вследствие    -

превращения легкоплавкие эвтектические фазы находятся не по границам, а

внутри зерен твердого раствора, поэтому не вызывают красноломкости.

Широкое применение находят легированные латуни. Добавки свинца

способствуют улучшению обрабатываемости резанием и повышению

антифрикционных свойств. Легированные свинцом латуни подвергают горячей

пластической деформации с получением листов, прутков, труб, штамповок. Из

них изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали

электрооборудования.

Легированные латуни применяют для изготовления как деформируемых

полуфабрикатов, так и фасонных отливок, поскольку они характеризуются

меньшей в сравнении с двойными латунями концентрированной усадкой.

Литейные латуни содержат, как правило, большое количество цинка и

легирующих элементов.

Помимо свинца, для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти

элементы повышают коррозионную стойкость латуней. Легированные латуни

широко используются в судостроении. Так, латуни, легированные оловом,

называют морскими (ЛО 70-1). Алюминий повышает прочность и твердость

латуней. Однофазные латуни с содержанием алюминия до 4%, несмотря на

упрочнение, хорошо обрабатываются давлением. Легирование алюминиевых

латуней дополнительно Ni, Fe, Mn, Si , обладающими переменной

растворимостью в  -твердом растворе, позволяет дополнительно упрочнять их

путем закалки и старения, повышая предел прочности до 700 Н/мм

. Пластическая

деформация перед старением позволяет повысить предел прочности до 1000

Н/мм

Кремнистые латуни характеризуются высокими прочностью,

пластичностью, вязкостью при отрицательных температурах, высокой

свариваемостью и деформируемостью в холодном и горячем состояниях. Такие

латуни (ЛК 80-3) применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в

судостроении и общем машиностроении. Никель повышает растворимость цинка

в меди и улучшает механические свойства латуни. Никелевые латуни (например,

латунь ЛН 65-5) хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем

состояниях.

Формирование структуры специальных (или легированных) латуней,

содержащих, кроме цинка, и другие элементы, не может быть точно описано

лишь по диаграмме состояния сплавов двух компонентов - Cu-Zn. Так,

легирующие элементы изменяют границы фазовых областей и, соответственно,

могут изменить структурный класс латуни. В частности, присадка всех элементов,

кроме никеля, равносильна (по данным А.П.Гуляева) увеличению содержания

цинка. То есть, ‘-фаза в таких латунях появляется при меньшем содержании

цинка. Коэффициенты такого влияния элементов, установленные Л.Гийе,

составляют:

Элемент Si Al Sn Mg Cd Pb Fe Mn Ni

Коэффициент 10 5 2 2 1 1 1 0,5 - 1,5

Т.е., наличие, например, 2% олова по влиянию на фазовый состав латуней

эквивалентно 4 % цинка.

2.4. Структура, свойства и применение бронз

2.4.1. Оловянные бронзы

Оловянные бронзы обычно содержат до 12% олова. Диаграмма состоя-

ния сплавов системы Cu - Sn ( точнее, часть диаграммы ) приведена на рисунке

2.4, а, а влияние концентрации олова на механические свойства оловянных бронз

- на рис. 2.4, б.

В этой системе могут присутствовать следующие твердые фазы:

-  - твердый раствор олова в меди;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

соединения Cu

Sn ( n = 3 / 2);

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

соединения Cu

( n = 21 / 13);

-  -фаза - электронное соединение Cu

Sn ( n = 7 / 4);

-  -фаза - твердый раствор на базе соединения, точный стехиометрический состав

которого пока не установлен;

Рисунок 2.4 - Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu - Sn

(а) и влияние концентрации олова на механические свойст-

ва оловянных бронз (б)

-  -фаза - соединение состава (приблизительно) Cu

;

-  -фаза - соединение состава Cu

Предельная растворимость олова в меди соответствует 15,8%. Однако,

сплавы этой системы характеризуются склонностью к неравновесной

кристаллизации и к значительной дендритной ликвации. Поэтому лишь бронзы,

содержащие до 5-7% олова, кристаллизуются в реальных условиях охлаждения с

образованием однофазной структуры ( - твердый раствор). При дальнейшем

охлаждении сплава -фаза выделяется лишь в условиях очень медленного

охлаждения. В реальных условиях охлаждения эта фаза не выделяется и сплав

остается однофазным.

В промышленных же сплавах с более высокой концентрацией олова

процесс кристаллизации происходит в два этапа:

1) кристаллизация твердого раствора  из жидкости;

2) перитектическая кристаллизация Ж +    при переохлаждени ниже

798°С.

При дальнейшем охлаждении ниже 586°С происходит эвтектоидное

превращение      эвтектоид, а при переохлаждении ниже 520°С  -фаза

распадается по эвтектоидной реакции на эвтектоид ( + ). При последующем

охлаждении ниже примерно 350°С в системе возможно еще одно эвтектоидное

превращение:     ) эвтектоид, в результате которого может образоваться

новая фаза (). Однако, даже при медленном охлаждении такое превращение в

реальных условиях не происходит и -фаза не образуется. Таким образом,

фазовый состав двухфазных оловянных бронз при комнатной температуре:  +  .

В структуре такой бронзы будут наблюдаться кристаллы  -твердого раствора и

участки эвтектоида ( + ). Эвтектоид образуется в участках, обогащенных

оловом.

-фаза обладает высокой твердостью и хрупкостью. Ее появление в бронзе

вызывает резкое снижение ее пластичности и вязкости, хотя и обеспечивает

упрочнение сплава (см. рис. 2.4,б). В связи с этим, несмотря на повышение

прочности бронз с увеличением концентрации олова до 25%, практическое

применение нашли бронзы с содержанием олова до 10%.

Оловянные бронзы обладают наименьшей усадкой среди всех других

сплавов, поэтому применяются для изготовления фасонных отливок. Двойные

бронзы с содержанием олова более 10% применяются редко вследствие их

дороговизны, высокой степени дендритной ликвации, низкой жидкотекучести,

наличия рассеянной усадочной пористости и поэтому невысокой герметичности

отливок.

Оловянные бронзы дополнительно легируют Zn, Pb, Ni, P. Для экономии

олова в бронзы добавляют 2-25% цинка. В таком количестве цинк полностью

растворяется в - твердом растворе, что способствует повышению механических

свойств сплава. Цинк улучшает жидкотекучесть оловянных бронз, плотность

отливок, способность к сварке и пайке. Свинец повышает антифрикционные

свойства и улучшает обрабатываемость резанием. Фосфор, являясь раскислителем

оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть, износостойкость (появляются

твердые включения фосфида меди Cu

P ), прочностные характеристики и

выносливость бронз. Никель способствует измельчению структуры и повышению

механических свойств бронз. Механические свойства ряда оловянных бронз

приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Механические свойства оловянных бронз

Марка бронзы 

Н/мм



Н/мм

, % Твердость,

НВ

Деформируемые

Бр ОФ 6,5-0,15

Бр ОФ 4-0,25

Бр ОЦ 4-3

Бр ОЦС 4-4-2,5

400

340

350

250

130

Литейные

Бр ОЦСН 3-7-5-1

Бр ОЦС 5-5-5

Бр ОЦ 10-2

Бр ОФ 10-1

210

180

250

200

100

180

140

Оловянные бронзы хорошо обрабатываются резанием, паяются, хуже -

свариваются. Низкие показатели линейной усадки (0,8 % при литье в землю и 1,4

% при литье в металлическую форму) позволяют использовать их для получения

фасонных отливок сложной формы. Высокая коррозионная стойкость в

атмосфере, пресной и морской воде способствуют широкому использованию

литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением до 30 Н/

мм

Деформируемые оловянные бронзы содержат до 6-8% олова, имеют

однофазную структуру  - твердого раствора, характеризуются более высокой

пластичностью и прочностью в сравнении с литейными бронзами.

Деформируемые оловянные бронзы характеризуются хорошей электрической

проводимостью, коррозионной стойкостью, низким коэффициентом трения

(антифрикционные свойства), высокими упругими свойствами и сопротивлением

усталости. Поэтому их используют для изготовления круглых и плоских пружин в

точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других

отраслях.

2.4.2. Алюминиевые бронзы

Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu - Al приведен на

рисунке 2.5,а.

В промышленных бронзах содержание алюминия не превышает 11% (по

массе). В сплавах могут присутствовать следующие фазы:

-  - твердый раствор алюминия в меди с ГЦК-решеткой;

-  -фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

Рисунок 2.5 - Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu - Al,

соответствующий концентрации промышленных сплавов

(а) и кривые изменения свойств алюминиевых бронз (б)

соединения Cu

Al ( n = 3/2 );

- 

-фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе электронного

соединения с примерной формулой Cu

( n = 21/13 );

- 

-фаза - промежуточная фаза переменного состава на базе соединения,

примерно описываемого формулой Cu

;

- фазы             - промежуточные фазы переменного состава на базе

соединений между медью и алюминием при различном соотношении

компонентов;

-  - твердый раствор меди в алюминии.

Медь с алюминием образуют -твердый раствор, растворимость алюминия

в котором при понижении температуры от 1035 до 565°С увеличивается от 7,4 до

9,4 %. При температуре Т=1035 - Т,°С, в сплавах с содержанием алюминия от

7,4 до 9% происходит эвтектическое превращение: Ж       эвтектика. При

температуре Т = 565 -  Т,°С,  -фаза претерпевает эвтектоидное превращение:

      ).

Несмотря на то, что предельная растворимость алюминия в  - твердом

растворе составляет 9,4 %, при реальных скоростях охлаждения, в отличие от

равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре алюминиевых бронз

при содержании 6 - 8 % алюминия. Это влияет на характер изменения свойств

алюминиевых бронз ( см. рис. 2.5,б). С увеличением содержания алюминия до 4-

5% наряду с твердостью и прочностью повышается и пластичность алюминиевых

бронз. Появление эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности

сплавов, прочность же продолжает расти при увеличении содержания алюминия

до 10-11%.

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими,

антикоррозионными и антифрикционными свойствами. По сравнению с

оловянными бронзами, они характеризуются меньшей стоимостью, более

высокими механическими и некоторыми технологическими свойствами.

Вследствие небольшого интервала кристаллизации алюминиевые бронзы имеют

высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность,

малую склонность к дендритной ликвации. Однако, из-за большой усадки иногда

трудно получить сложные фасонные отливки из алюминиевой бронзы.

По своей структуре алюминиевые бронзы подразделяются на:

- однофазные со структурой - твердого раствора; они содержат, в основном, до

7-8% алюминия;

- двухфазные, в структуре которых, кроме твердого раствора  , содержатся

участки эвтектоида (  +  ).

Однофазные бронзы, например, бронзы марок Бр А 5, Бр А 7, имеющие

высокую пластичность, относятся к деформируемым бронзам, Они обладают

наилучшим сочетанием прочности ( 

= 400 - 450 Н/мм

) и пластичностью (

около 60% ). Двухфазные бронзы, содержащие 9-11% алюминия, выпускают в

виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления

фасонных отливок. При наличии большого количества эвтектоида бронзы

подвергают не холодной, а горячей обработке давлением. Двухфазные бронзы

отличаются высокой прочностью ( 

 600 Н/мм

) и твердостью. Они могут

быть упрочнены термической обработкой. При закалке - фаза претерпевает

мартенситное превращение.

К недостаткам двойных (Cu+Al) бронз, помимо большой усадки, относятся

склонность к газонасыщению, окисляемость во время плавки, образование

крупнокристаллической столбчатой структуры, трудность пайки. При

легировании бронз железом, никелем, марганцем эти недостатки в значительной

степени устраняются.

Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых

бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства,

уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз из-за замедления

эвтектоидного превращения -фазы и измельчения кристаллов  -фазы,

образующейся при этом превращении. В  -фазе алюминиевой бронзы

растворяется до 4% железа. При большем содержании железа образуется

избыточная фаза Al

Fe. Дополнительное легирование таких сплавов никелем и

марганцем способствует появлению включений этой избыточной фазы при

меньшем содержании железа. Наилучшей пластичностью Al - Fe - бронзы

(например, бронза Бр АЖ 9-4) обладают после термической обработки, частично

или полностью подавляющей эвтектоидное превращение -фазы

(нормализация при 600-700°С или закалка от 950 °С). Отпуск закаленной бронзы

при 250-300°С приводит к распаду  -фазы с образованием тонкодисперсного

эвтектоида (  +  ) и повышению твердости до НВ 175-180 ед.