Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

дым раствором замещения, где часть атомов меди замещается

атомами цинка

Предельная растворимость цинка в меди при комнатной

температуре составляет 38—39% и практически не меняется до

температуры 453° С, а затем с дальнейшим повышением темпе

ратуры уменьшается и при температуре 903° С составляет

32,5% цинка 1

Фаза р является также твердым раствором, но основой его

служит химическое соединение CuZn с решеткой объемноцен

трированного куба с периодом а = 2,94 А. Фаза р при высоких

температурах имеет значительную область гомогенности (от 37

до 57% Zn , однако с понижением температуры эта область зна

чительно сужается 45—49% Zn

Таблица 32

физико-механические свойства

свойства (для среднего состава)

теплоем

кость,

г. ал г-град

теплопро

водность,

кал! смх

X сек град

удельное

электро

сопротив

ление,

ом-мм9! и

темпера

турный ко

эффициент

электро

сопротив

ления

модуль

упругости,

кГ'мм2

Применение

0 093

0 09

0 093

0 0925

0 012

0,585

0 30

0 36

0 34

0 26

0 18

0 043

0 040

0 047

0 054

0 068

0 071

0 063

0 0027

0 00186

0 0016

0 0015

0 0017

0,0025

11400

9150

11050

9700

11000

10000

980

Для радиаторных и конден

саторных трубок

Листы, ленты, полосы

Ленты, трубы

Ленты, листы, проволока

Полосы, ленты, листы, про

волока

Полосы, ленты, листы

прутки, трубы, проволока,

фольга

Полосы, листы, ленты,

прутки, проволока, трубы

Листы, прутки, трубы,

штамповки

В сплавах, лежащих по одну и другую сторону от указанной

области, происходит распад p-фазы с выделением а- или у-кри

сталлов.

Фаза у является твердым раствором на основе нового хими

ческого соединения CusZns со сложной кубической решеткой

с периодом а = 8,83 А

1 С. Т Конобеевский и В. П. Тарасов (Советская физика, 1936, № 10,

с. 272) для латуней, прошедших длительную гомогенизацию (несколько тысяч

часов) установили, что граница растворимости в области низких температур

смещается в сторону меньших концентраций цинка. При температуре 167° С

растворимость цинка составляет 34,4%

141

Необходимо отметить, что фазы р и у характеризуются, кро

ме всего прочего, еще определенным отношением числа валент

ных электронов к числу атомов (фаза р 3/2, фаза у 21 3),

поэтому их часто называют соединениями электронного типа.

Выше температур 450—470° С (см. пунктирную линию на

диаграмме состояния) p-фаза является неупорядоченным твер

дым раствором, т е. раствором, характеризующимся беспоря

дочным расположением атомов меди и цинка в решетке соеди

нения CuZn. Ниже указанных температур различных для

разных составов сплавов наблюдается упорядочение в распо

ложении атомов в решетке p-фазы, при этом атомы меди рас

полагаются в вершинах куба, а атомы цинка в его центре.

Образующийся упорядоченный твердый раствор обычно обозна

чается р'

Явление образования упорядоченных твердых растворов на

блюдается в ряде сплавов и подробно описано в специальной

литературе [90].

Переход неупорядоченного твердого раствора в упорядочен

ное состояние сопровождается резким падением пластичности и

повышением хрупкости сплавов, что затрудняет их обработку

На практике применяются р-латуни с содержанием 45—47%

цинка и во избежание хрупкости их обработку производят в

горячем состоянии.

Двойные латуни применяются главным образом как дефор

142

мируемые сплавы. Из них производят листы, ленты, трубы, прут

ки и другие изделия.

Макроструктура слитков латуней, отлитых различными спо

собами, показана на рис. 75 атласа.

Для всех слитков характерна ярко выраженная зональность

в строении, причем кристаллы наружной зоны растут перпенди

кулярно стенкам изложницы (кристаллизатора)

При достаточно большой скорости охлаждения эти кри

сталлы могут прорастать через толщу слитка, встречаясь в оп

ределенной его зоне (рис. 76 атласа) Эта зона часто называет

ся поверхностью слабины, так как в ней наиболее ослаблена

связь между отдельными зернами.

Наличие поверхности слабины и недостаточной прочности

самой столбчатой зоны часто приводит к «раскрытию» слитков

при горячей прокатке и образованию трещин по кромкам ката

ных полос (рис. 77 атласа)

В зависимости от содержания цинка латуни могут состоять

из а, а + р или (}-кристаллов.

Рассмотрим несколько подробнее кристаллизацию и после

дующие фазовые превращения для некоторых типовых латуней,

принадлежащих различным областям диаграммы состояния.

Сплав 1, содержащий в своем составе 30% Zn (латунь ти

па Л70), кристаллизуется в одну стадию по схеме

950-915°С

M 30% zn)

---------

> а (6_ а)

в скобках показано изменение состава выпадающих кристал

лов a-твердого раствора)

Микроструктура этой латуни в литом состоянии представ

лена на рис. 78 атласа.

В литом виде латунь имеет типичную дендритную структуру,

свойственную всем твердым растворам. В данном случае оси

дендритов, кристаллизуясь первыми, обогащаются тугоплавкой

медью (на фотографии белые) межосные пространства запол

няются в последующие моменты кристаллизации более богатым

цинком a-твердым раствором (на фотографии темные) После

отжига литой латуни химическая неоднородность в пределах

зерна устраняется и получается однородная зернистая структу

ра. Если отжигу предшествовала деформация, получается ти

пичная рекристаллизованная структура с характерными двой

никовыми зернами (рис. 79 атласа) Размер зерна рекристалли

зованной а-латуни, так же как меди, зависит от степени

деформации и температуры отжига и может в зависимости от

этого изменяться в широком диапазоне.

Сплав 2 с 35% Zn кристаллизуется в две стадии

1-я стадия первичная кристаллизация)

1 903° С ^ ( т

а (а-р) + L (n-q)

(в скобках указано изменение состава твердой и жидкой фаз),

143

2-я стадия (перитектическая кристаллизация)

QAQO р

1М + % ) ^ К ) + а(рГ

Так как в данном случае перитектическая реакция протекает

при недостатке жидкой фазы, то при этом растворяется только

незначительная часть а-кристаллов.

При дальнейшем охлаждении сплава вследствие того, что

растворимость цинка и меди увеличивается с понижением тем

пературы, происходит растворение p-кристаллов в a-фазе, т е.

_ 903—750°С

а + Р

------

»%-*>•

При температуре около 750° С p-фаза полностью растворяет

ся и при дальнейшем охлаждении вплоть до комнатной темпе

ратуры сплав находится в однофазном состоянии. Таким обра

зом, при комнатной температуре данный сплав имеет ту же

структуру, что и сплав с 30% Zn.

Однако все сказанное выше относится к тому случаю, когда

сплав охлаждается медленно и когда все фазовые превращения

проходят полностью. Практика показывает что в производст

венных условиях охлаждения даже в сплавах с 32% Zn можно

обнаружить p-кристаллы, не успевшие раствориться в а-фазе

при быстром охлаждении.

В результате сплав имеет неравновесную структуру, состоя

щую из а- и р-кристаллов.

Сплав 3 с 40% Zn (латунь типа Л62) принадлежит к об

ласти а + р-латуней.

Кристаллизация этой латуни, согласно диаграмме состоя

ния, протекает в одну стадию, причем начинается и заканчи

вается образованием {5-кристаллов, т е.

1 -*Р<зг

В состоянии однородного твердого раствора сплав находится

приблизительно до температуры 750° С, а затем при охлаждении

происходит распад p-фазы с выделением a-кристаллов по сле

дующей схеме:

750—200°С

Р > a (k-e) + Р(y-z)

в скобках обозначено изменение состава фаз с понижением

температуры При 454° С совершается переход р р'

Одновременно с изменением состава фаз изменяется и коли

чественное соотношение. С понижением температуры количе

ство a-кристаллов увеличивается, количество р-кристаллов

уменьшается

При комнатной температуре соотношение между кристалла

ми а- и p-фаз определится соотношением отрезков гз и 7з, т е.

144

в структуре будут преобладать кристаллы a-твердого раствора.

Структура литого сплава показана на рис. 80 и 81 атласа. Раз

мер и форма a-кристаллов зависят от скорости охлаждения.

При большой скорости охлаждения эти кристаллы имеют вытя

нутую форму (рис. 80 атласа) При очень медленном охлажде

нии или при применении отжига зерна a-твердого раствора

принимают равноосную форму (рис. 81 атласа)

Сплав 4 с 42—43% Zn (латунь типа JI59) принадлежит

также к области а + р-латуней.

Процесс кристаллизации этого сплава и последующие пре

вращения протекают аналогично предыдущей латуни. Однако

характерной особенностью этой латуни является то, что в ее

структуре будет значительно больше |3-фазы. Соотношение а- и

p-фаз определится отношением отрезков 4z и /4, т е. их будет

приблизительно одинаково. Микроструктура этого сплава пока

зана на рис. 82 атласа.

Сплав 5 с 47% Zn принадлежит к области р-латуни. Кри

сталлизация его протекает в соответствии с изложенной выше

схемой. Структура такой латуни показана на рис. 83 атласа

Обычно p-кристаллы как более богатые цинком травятся

сильнее, чем зерна a-твердого раствора. Однако при слабом

травлении они могут иметь также светлую окраску В этом от

ношении структура р-латуней будет подобна структуре а-лату-

ней и возможны ошибки при их определении. В рекристаллизо-

ванном состоянии эти латуни легко различить по наличию двой

ников в структуре, характерной для а-латуней. Латунь р при

кристаллизации не образует двойников.

Свойства двойных латуней зависят от их структуры и содер

жания цинка. На рис. 74, по данным [91], показана зависимость

механических свойств литых латуней от их состава. На рис. 75

дана та же зависимость для деформированных отожженных ла

туней.

Влияние состава медноцинковых сплавов на их физические

свойства показано на рис. 76.

На рис. 77 показано изменение механических свойств лату

ней при высоких температурах. Для всех без исключения лату

ней в интервале температур 200—700° С наблюдается резкое

снижение пластичности. Наличие зоны хрупкости делает невоз

можным проведение горячей обработки латуней при температу

ре ниже 700° С.

Наиболее часто встречающимися примесями в латунях яв

ляются железо, висмут, свинец, сурьма, мышьяк, фосфор.

Железо в небольших количествах (до 0,1 %) не оказывает

заметного влияния на механические свойства латуней. Поэтому

содержание его в латунях допускается до 0,1— 0,2%

Свинец и висмут, как и в меди, оказывает вредное влияние

на механические и технологические свойства двойных латуней.

Механизм их действия описан на примере чистой меди.

10 Заказ 1024

145

Вредное действие этих примесей, как и в чистой меди, мож

но в значительной мере парализовать введением соответствую

щих добавок, связывающих примеси в химические соедине

ния [88, 89].

Сурьма в латунях является весьма вредной примесью. Это

объясняется тем, что последняя обладает ничтожной раствори

мостью в a-фазе и уже при малых концентрациях в сплаве

( < 0,1 % выпадает в форме хрупкого металлического соедине-

6Ь,кГ/мп2

« у $ Р ;г

О 10 20 30 40 50 60 70

Содержание Zn, %

Рис. 74. Механические свойства

литых медноцинковых сплавов

в зависимости от содержания

цинка [91]

О Ю 20 30 40 50

Содержание Zny<,

Рис. 75. Изменение механичес

ких свойств прокатанных и

отожженных медноцинковых

сплавов в зависимости от содер

жания цинка [83]

ния Cu2Sb, образующего по границам зерен тонкую сплошную

сетку

В одной из работ [92] было показано, что пластичность сурь

мянистых латуней можно значительно повысить путем закалки

и в таком состоянии обеспечить их хорошую способность к пла

стической деформации в холодном состоянии.

Мышьяк растворим в латуни в твердом состоянии в количе

стве до 0,1% При повышенном содержании последнего латуни

теряют свою пластичность вследствие образования по границам

зерен хрупких прослоев химического соединения Cu3As. Однако

мышьяк в малых количествах 0,02—0,03% благотворно дей

ствует на коррозионную стойкость латуни и предохраняет ее от

обесцинкования.

Фосфор, как и мышьяк, незначительно растворим в а-фазе

в твердом состоянии. При содержании свыше 0,05—0,06% фос

фор выделяется в виде хрупкого химического соединения с ме

дью Си3Р (фосфид меди), повышая твердость и резко снижая

пластичность латуней.

146

2u u / j m ‘ 49 t uu/jH 'дн ' I ? : % 7i

Рис. 76. Физические свойства деформированных и

затем отожженных медноцинковых сплавов в зави

симости от содержания цинка [83]

200 Ш 600

ТепператураХ

2 Рис. 77 Механические свойства лату

ней при высоких температурах [83]:

а — латунь JT68; б — латунь Л62; в — ла-

Q тунь Л59

10*

147

2. Многокомпонентные латуни

В многокомпонентных латунях добавки алюминия, олова,

никеля, марганца, железа и кремния повышают прочность, твер

дость, коррозионную устойчивость и литейные свойства. Свинец

улучшает обрабатываемость резанием. Введение третьего ком

понента в двойные латуни изменяет не только свойства, но и их

структуру

О структуре многокомпонентных латуней можно судить по

диаграммам состояния соответствующих тройных, четверных и

более сложных систем. В настоящее время изучены, но недоста

точно подробно только диаграммы состояния следующих трой

ных латуней: Си Zn Al, Си — Zn Мп, Си Zn Pb,

Си Zn Sn, Си Zn Ni и некоторых других.

На практике часто при определении ожидаемой структуры в

качестве первого приближения исходят из представления о так

называемых коэффициентах замены цинка (коэффициенты эк

вивалентности

Экспериментально установлено, что добавки третьего компо

нента сдвигают границы а а + p-областей. Добавляемый эле

мент действует на структуру латуней качественно так же, как

и сам цинк, но эффект от добавки 1 % этого элемента иной.

Обычно принимаются следующие значения коэффициентов

эквивалентности для указанных выше добавок: для Si 10— 12,

Al 4—6, Sn 2, Pb 1, Fe 0,9, Mn 0,5 и Ni минус 1,3; каждый из

этих коэффициентов показывает, сколько процентов цинка мо

жет структурно заменить один процент добавляемого металла.

Так, например, если к а-латуни Л70 (с 30% Zn добавить

2% Si, то она по структуре будет подобна сплаву, в котором на

68 вес. ч. меди приходится 30 + 2 0) = 50 ч. цинка, т. е. спла

ву с — 100 = 42,3% Zn. В общем случае содержание цинка

118

можно определить по формуле

х = юо%

А + В2СК

где А действительное содержание цинка в сплаве, %;

В содержание меди, %,

С количество добавляемого к латуни элемента, %,

К коэффициент эквивалентности.

Только один элемент никель расширяет a-область. Если

добавлять никель к а + р-латуням, то при определенном его со

держании p-фаза исчезает и сплав по структуре становится од

нофазной а-латунью.

Таким образом, зная коэффициенты эквивалентности и про

цент вводимой добавки, можно до некоторой степени предвидеть

тип получаемой структуры.

148

По характеру применения многокомпонентные латуни разде

ляют на обрабатываемые давлением и литейные.

Ниже рассмотрены отдельные группы специальных латуней.

Многокомпонентные латуни, обрабатываемые

давлением

Состав, свойства и применение важнейших промышленных

многокомпонентных обрабатываемых латуней указаны в табл. 33.

800°С 410°С

50 45 40 35 50 45 4 0 35

Zn, % (по массе)

Рис. 78. Изотермические разрезы диаграммы

состояния Си Zn Al

Алюминиевые латуни. Добавки алюминия сообщают

латуням повышенную прочность, твердость и коррозионную ус

тойчивость.

Облагораживающее действие алюминия связано со значи

тельным растворением его в латунях в твердом состоянии и с

образованием на поверхности прочной защитной окисной пленки.

Алюминий в латунях сдвигает область а- и p-фаз в сторону ме

ди. Это иллюстрируется изотермическими разрезами тройной

диаграммы Си Zn Al для температур 800 и 410° С (рис. 78)

Наибольший практический интерес представляют богатые ме

дью а-латуни, содержащие до 4% А1, так как они вследствие од*

нофазного строения хорошо воспринимают обработку давлением.

При повышении содержания алюминия в латунях появляются

новые составляющие р и у, повышающие прочность и твердость

и понижающие пластичность тройных сплавов.

149

Таблица 33

Состав, свойства и области применения многокомпонентных латуней, обрабатываемых давлением

Основные компоненты, %

Типовые свойства

сплавов

Марка латуни

Си

А1

Ni Mn

плот

ность,

г/см3

коэффици

ент линей

ного рас

ширения

а-10е,

1 /град

ЛА85—0 5 85

84-86

0 5

0,4—0 7

Остальное

8,6

18 6

ЛА77—2

76-79

1 7-2 5

8 6

18 3

ЛАЖ60-1—1

58-61

0 75-1 5

0 75—1 5

0 4

0 1—0 6

8 2

21 6

ЛАН59—3—2

57-60

2 5-3,5

2 3

8 4

ЛЖМц59—1 1

57—60

0 15

0 1-0 2

0 6—1 2

0 6-0 8

0 5

0 3-0 7

8 5

ЛК80-3 80

79—81

2 5—4

8 6

ЛКС65—1,5—3

63,5—66 5

1 5

1 2

2 5—3,5

8 5

ЛМц58—2

57-60

1—2

8 5

21 2

ЛМцА57— 3—1

55—58

0,5-1 5

2 5—3,5