Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 63. Изменение механических свойств и удельного

электросопротивления меди Ml от степени деформа

ции [83]

О 100 г оо 300 400 500 600 700 800 9001000

Температура отжига,°С

Рис. 64. Изменение механических свойств

и удельного электросопротивления меди ML

с повышением температуры отжига [83]

Взаимодействие меди с кислородом отмечается уже при ком

натной температуре. При температурах до 100° С на поверхности

меди образуется пленка окиси меди черного цвета. При более

высоких температурах скорость окисления меди значительно воз

растает и на поверхности образуется пленка закиси меди крас

ного цвета.

На рис. 65 атласа дана фотография макрошлифа плоского

слитка, полученного полунепрерывным методом литья. На

рис. 66 атласа показана макро

структура круглого слитка, вы

плавленного в электронно-луче

вой печи.

Микроструктура литой и отож

женной меди представлена на

рис. 67 атласа. Применяемые тра

вители указаны в приложениях I

и II

При деформировании меди

наблюдается раздробление и уд

О W0 200 300 № 5 00 60 0 700 800 линение отдельных зерен и соз-

Температура'С дается определенная их ориен

Рис. 65. Изменение механических тация (рис. 68, а атласа При

свойств меди в зависимости от больших степенях деформации

температуры испытания [83] металл принимает волокнистую

структуру (рис. 68, б атласа

При нагреве (отжиге) деформированной меди происходит

рекристаллизация, в результате чего создается качественно но

вая структура. Микроструктура рекристаллизованной меди при

различных температурах отжига показана на рис. 69 атласа.

Размер зерна рекристаллизованной меди оказывает заметное

влияние на ее механические свойства. Чрезмерное повышение

температуры отжига приводит к сильному росту зерна и резкому

падению прочности меди. Это явление в практике называется

перегревом. При температурах отжига, близких к температуре

начала оплавления, кроме этого, возможно окисление границ

зерен и частичное их оплавление пережог) Перегрев можно

исправить повторной деформацией с последующим отжигом при

более низких температурах. Пережог является непоправимым

браком.

Чистота меди оказывает большое влияние как на ее свойства,

так и на поведение при последующей обработке. Многие примеси

даже в ничтожных количествах (тысячные и сотые доли процен

та резко снижают электропроводность и теплопроводность меди,

а также ухудшают ее способность к обработке давлением. В за

висимости от характера взаимодействия с медью (см приложе

ние V) все примеси можно условно разделить на три группы.

К первой группе относятся элементы, растворимые в

твердой меди (Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Au, Ag, Al, Pt, Cd, Sb)

132

Вторую группу составляют элементы, практически не

растворимые в меди и образующие с ней легкоплавкие эвтектики

Pb, Bi и др.

К третьей группе относятся элементы, образующие с

медью хрупкие химические соединения S, О2, Р и др )

Растворимые элементы при малых концентрациях не могут

быть обнаружены под микроскопом, так как они входят в твер-

НВ, к Г/мм2

jfo

2 3 1*

Содержание % по массе)

Рис. 66. Влияние добавок на твердость меди [84]

дый раствор Эти примеси в допустимых пределах см табл. 28

практически не уменьшают способности меди к пластической де

формации В большинстве случаев добавки этих элементов по

вышают ее твердость и прочность, снижают электропроводность

и теплопроводность. Влияние некоторых элементов на свойства

меди показано на рис. 66, 67 и 68 [83, 84].

Нерастворимые примеси свинец и висмут образуют с

медью эвтектики (см. диаграммы состояния в приложении V),

состоящие почти из чистых металлов содержание висмута в эв

тектике 99,8% а свинца 99,94%) Вследствие почти полной не

растворимости свинца и висмута в твердой меди эти эвтектики

133

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Содержание добавок %

Рис. 67. Влияние добавок на электропроводность

меди [83]

появляются в сплавах при любом их содержании и, кристалли

зуясь последними, залегают по границам зерен меди.

Расположение висмута и свинца в ли

той меди показано на микрофотографиях

рис. 70 и 71 атласа.

Висмут (точнее богатая висмутом эв

тектика), как это показано на рис. 70 ат

ласа, образует тончайшие прослойки ме

жду зернами меди, причем толщина та

ких прослоек, по некоторым данным, мо

жет достигать всего лишь нескольких

атомных слоев. Поэтому обычно бывает

достаточно уже тысячных долей процента

висмута, чтобы подобные прослойки об

разовались на значительной части меж

зеренной поверхности.

Свинец при малых его содержаниях,

так же как и висмут, образует по грани

цам зерен меди тонкие легкоплавкие про

слойки, которые хорошо видны на нетрав

леном шлифе в виде темной сетки

(рис. 71 атласа) При больших содержа

ниях последний обнаруживается в виде

темных точек по границам зерен меди.

При микроскопическом анализе литой меди на свинец необ

ходимо иметь в виду, что, подобно свинцу могут выглядеть

имеющиеся в отливках поры и мелкие раковины, которые тоже

располагаются преимущественно по границам зерен. Микропоры

легко отличить от включений свинца следующим простым прие

мом поворотом микрометрического винта микроскопа микро

Со держание добавок, %

Рис. 68. Влияние добавок

на теплопроводность ме

ди [83]

шлиф слегка выводят из фокуса и снова наводят на фокус, при

этом края микропор в отличие от включений свинца то схо

дятся, то расходятся.

Примеси 3-й группы — сера и кислород образуют с медью

химические соединения CU2S (сульфид меди) и Си20 (закись

меди , которые также располагаются по границам зерен меди в

виде эвтектик Cu Cu2S и а (Си) — Си20

Ввиду того что эвтектические точки на диаграммах состоя

ния Си Си20 и Си — Cu2S (см. приложение V) сильно сдвину

ты в сторону чистой меди, то основой эвтектик в этом случае

является медь, в которой вкраплены включения сульфида или

закиси меди. На рис. 72 атласа даны микрофотографии шлифов

.меди с различным содержанием кислорода. При малом содержа

нии кислорода эвтектика образует тонкую оторочку вокруг зе

рен меди, намечая их контуры даже без травления (рис. 72, а)

По мере увеличения содержания кислорода количество эвтектики

увеличивается (рис. 72,6) и при содержании 0,39% 0 2 сплав

имеет чисто эвтектическое строение (рис. 72, в)

Эвтектика а (Си) Си20 имеет точечное строение, где от

дельные темные точки являются частицами закиси меди (Си20 ),

основу эвтектики (светлое поле) составляет медь (точнее твер

дый раствор кислорода в меди) Растворимость кислорода в

меди при эвтектической температуре (1065° С) составляет

0,0035%, при 600° С 0,0007% При переходе за эвтектическую

точку (0,39% 0 2) выпадают первичные кристаллы закиси меди,

имеющие форму дендритов (рис. 72, г атласа) Под микроско

пом закись меди на нетравленом шлифе выявляется в форме

темно-голубых включений. В поляризованном свете частички

закиси меди принимают рубиново-красную окраску, что является

характерным ее признаком, так как другие включения суль

фиды, фосфиды в этих условиях не дают цветной реакции.

При травлении смесью 3% ного ИеОз в 10% ной НС1 закись

меди принимает темную окраску в отличие от включений суль

фидов, фосфидов, которые не меняют своей окраски.

По количеству эвтектики в доэвтектическом сплаве можно

определить приблизительное содержание кислорода в меди

Х = °’39F»BT. % о

юо 2

где Рт площадь поля зрения микрошлифа, занимаемая эв

тектикой, %,

0,39 содержание кислорода в эвтектике.

На рис. 73 атласа показано распределение закиси меди после

деформации и отжига. При деформации нарушается литая

структура металла и частицы закиси меди располагаются по

границам сильно вытянутых зерен меди, образуя так называе

мую строчечную структуру При отжиге происходит перестройка

135

структуры основного металла и частицы закиси меди, несколько

укрупняясь за счет их слияния, располагаются в виде цепочек

внутри рекристаллизованных зерен.

Структура меди с примесями серы во многом подобна спла

вам меди с кислородом, что объясняется одинаковым характером

взаимодействия этих примесей с медью (см. приложение V)

Однако в сплавах меди с серой в сильной степени сказывается

явление коалесценции, в результате чего вместо раздробленных

выделений сульфидов наблюдается образование крупных скоп

лений в форме капель и эвтектика ча

сто не имеет характерного точечного

строения (рис. 74 атласа) Сульфид

меди на нетравленом шлифе по своей

окраске ничем не отличается от закиси

меди и только применение индикатор

ного травителя (смеси 3% ного FeCls

в 10% ной НС1) и поляризованного

света позволяет отличить эти соедине

ния друг от друга.

Примеси, образующие с медью лег

коплавкие эвтектики и хрупкие хими

ческие соединения, ухудшают ее меха

нические свойства и сильно снижают

способность к пластической деформа

ции. При небольших содержаниях кис

лород и сера не оказывают заметного

отрицательного влияния на горячую

обработку меди.

Кислород является причиной так

называемой «водородной болезни» ме

ди. Сущность этого явления заключает

ся в том, что при нагреве кислородсо

держащей меди в восстановительной

атмосфере в среде, содержащей Н2, СО, СН4 и т п. газы) во

дород и другие газы, проникая в твердую медь, взаимодействуют

с содержащимся в ней кислородом и образуют водяные пары

или С 02) нерастворимые в меди и стремящиеся выделиться из

нее под некоторым давлением. В результате этого в местах их

выхода образуются микротрещины, которые служат причиной

разрушения металла при последующей обработке давлением или

в процессе работы деталей, изготовленных из такой меди. По

этой причине в отношении содержания кислорода в стандартах

на медь и медные изделия даются весьма жесткие нормы.

Для раскисления меди обычно применяют небольшие добавки

фосфора (до 0,002—0,003% Весьма эффективным раскислите-

лем меди является также литий.

Влияние серы и кислорода на механические свойства меди

показано на рис. 69

0 0,02 0,04 0,06 0,08

Содержание 0г или S

Рис. 69. Влияние серы и

кислорода на механические

свойства меди [83]

136

Наиболее вредными примесями в меди и ее сплавах являются

висмут и свинец. Эти примеси уже при ничтожных содержаниях

тысячные и сотые доли процента резко снижают пластичность

меди при повышенных температурах. Висмут вследствие его

хрупкости способствует также понижению пластичности и в хо

лодном состоянии. Влияние свинца на механические свойства

меди показано на рис. 70 [85].

Вредной примесью считают также сурьму, отождествляя ее

действие с поведением висмута в меди. Однако это не вполне

обосновано. Сурьма, согласно

последним данным [86], до 2 %

входит в твердый раствор с ме

дью см. диаграмму Си Sb

на рис. 71) и поэтому не долж

на ухудшать ни горячей, ни хо

лодной обработки меди. В спла

вах на основе меди (например,

латунях), где растворимость

сурьмы уменьшается в десятки

раз, влияние ее на свойства

сказывается весьма существен

но.

В работах [87— 89] было по

казано, что вредное влияние

легкоплавких примесей можно

устранить путем введения спе

циальных присадок, связываю

щих эти примеси в тугоплавкие

химические соединения. При

выборе таких присадок в пер

вом приближении авторы руководствовались диаграммами со

стояния, характеризующими взаимодействие примесей с различ

ными элементами.

Наиболее эффективными являются такие добавки, которые

образуют с примесью химические соединения, кристаллизую

щиеся при температуре либо выше, чем сама медь, либо, по

крайней мере, при температуре выше горячей обработки сплава.

Легкоплавкие соединения могут способствовать горячеломкости.

Зная формулы этих соединений, при известном содержании при

меси можно приближенно подсчитать необходимое количество

нейтрализующей присадки.

Однако при выборе присадок нельзя не учитывать и той сре

ды, в которой происходит образование соответствующих соеди

нений. Во многих случаях вводимые добавки могут химически

взаимодействовать с другими компонентами сплава или образо

вывать с ними твердые растворы. При образовании химических

соединений или твердых растворов действие таких добавок на

примеси будет частично или полностью парализовываться.

0,05 0,1 0,2

Содержание РЬ.Уо

Рис. 70. Влияние свинца на механиче

ские свойства меди [85]

137

Для связывания свинца и висмута наиболее эффективными

присадками оказались, для висмута литий, кальций, церий,

цирконий, магний; для свинца кальций, церий и цирконий.

При введении указанных добавок образующиеся тугоплавкие

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Sd,% (по массе)

Рис. 71 Диаграмма состояния Си Sb [86]

1 — Марц и Матьюсон (1931 г.); 2 — Шибота; 3 — по данным автора

(1938 г.)

соединения см. табл. 30) кристаллизуются не в виде легкоплав

ких интеркристаллических прослоек, а в форме компактных изо

лированных тугоплавких соединений.

Таблица 30

Химические соединения свинца и висмута и температуры их плавления

Соединение

Температура

плавления, °С

Соединение

Температура

плавления, °C

Соединение

Температура

плавления, °C

СаоРЬ

1110

Zr*Pb^

2000

BiCa

567

СаРЬ

950 Bi2Ce 883

Bi2Ca

928

СаРЬ3

650 BiCe

1525

BiLi3

1146

Се2РЬ

1200 Bi3Ce4 1630 Bi2Mg3

715

СеРЬ

1160 BiCe3 1400

Bi*Zr у 2200

СеРЬ2

1140

При этом происходит заметное очищение границ зерен от

примесей и значительная часть включений располагается внутри

зерен меди.

В результате такого изменения (модифицирования) структу

ры достигаются существенные улучшения механических свойств,

138

особенно при высоких температурах (рис. 72 Одновременно с

этим устраняются горячеломкость и хладноломкость сплавов,

типичные для меди, содер

жащей легкоплавкие и хруп

кие примеси.

Указанные методы обез

вреживания свинца и висму

та в меди позволяют расши

рить возможности использо

вания низкосортных и вто

ричных металлов для произ

водства медных сплавов.

Как уже отмечалось, чи

стая медь имеет невысокую

прочность и поэтому огра

ниченно применяется как

конструкционный материал.

Для повышения прочно

сти и придания меди особых

свойств (жаропрочности,

коррозионной стойкости

и т д. ее легируют различ

ными добавками.

Сплавы на основе меди

обладают высокими механи

ческими и другими ценными

свойствами и нашли широкое применение в технике.

Ниже рассмотрены важнейшие группы промышленных спла

вов меди.

§ 2. МЕДНОЦИНКОВЫЕ СПЛАВЫ (ЛАТУНИ)

Латуни разделяют на двойные (простые) и многоком

понентные.

Двойные латуни представляют собой сплавы меди с цинком

Многокомпонентные латуни, кроме меди и цинка, содержат еще

один или несколько других легирующих металлов (алюминий,

никель, железо, марганец, олово, кремний и свинец) Латуни из

тяжелых цветных сплавов являются самыми распространенны

ми в современном машиностроении. Они хорошо обрабаты

ваются давлением и имеют достаточно высокие механические

свойства.

1. Двойные латуни

Состав, свойства и применение промышленных марок двой

ных простых) латуней приведены в табл. 31 и 32.

Рис. 72. Изменение механических свойств

свинцовистой меди (0,3% РЬ) с введени

ем присадок церия [88]

139

Таблица 31

Состав двойных латуней

Марка

Основные компоненты, %

Примеси, %, не более

Си

РЬ |

Л 96

95-97

Остальное

0 03 0 1

0 005

0 002

Л90

88-91

0 03 0 1

0 005

0 002

Л85

84-86

0 03 0 1

0 005

0 002

Л80 79-81

0,03

0 1 0 005 0 002

Л70

69-72

» 0 03

0,07

0 002 0,002

Л 68

67 70

0 03

0 1

0 005 0,002

Л62

60,5-63 5

0 08

0 15 0 005 0 002

Л 59 57-60

0,5

0 3 0 01 0,003

Марки двойных латуней и их

Марка

Типичные механические свойства в отожженном состоянии

Физические

вь-

кГ/мм2

ао 2’

кГ/мм2

». %

Ф. %

ан»

К Г At.'СМ2

ив,

к Г, мм2

плотность,

г см3

коэффици

ент линей

ного рас

ширения

а 10+6

1 /град

Л96

6 3 52 82

22 40

8 85

Л90

8 73

Л85 26

10 43

8 75

18,7

Л80

52 69 16 53 8 66

Л70

35 8

10 8

49 77

Л68

70 17 59 8 60

Л62 36 11 49 66

8 43

20 6

Л59 39

8 40

Взаимодействие меди с цинком при сплавлении характери

зуется диаграммой состояния, приведенной на рис. 73. Диаграм

ма состояния состоит в основном из пяти простых перитектиче-

ских диаграмм По отдельным ветвям ликвидуса из жидкости

кристаллизуется шесть различных фаз а, |3, у» 6, е и ц

Наибольшее практическое значение имеют сплавы, содержа

щие до 47—50% цинка, поэтому приведем более подробную ха

рактеристику фаз, образующихся в этой части диаграммы со

стояния.

Богатая медью фаза а имеет решетку меди (гранецентриро-

ванный куб с периодом а = 3,608 А и является типичным твер-

140