Медно-цинковые сплавы (латуни)

Сплавы меди с цинком являются самыми распространенными в машиностроении из тяжелых цветных сплавов. Диаграмма состояния медь – цинк приведена на рис.118. Система медь – цинк относится к случаю ограниченной растворимости с наличием перитектических превращений. Цинк растворяется в меди с образованием твердого раствора замещения ; предельная растворимость цинка в меди при комнатной температуре составляет 39%. При температуре 903 С происходит перитектическое превращение с образованием фазы (ж.р.+ ). Фаза является электронным соединением на основе CuZn с решеткой объемно-центрированного куба. Выше 450…470 C в фазе наблюдается неупорядоченное расположение атомов меди и цинка в кристаллической решетке. Ниже этих температур происходит упорядочение в расположении атомов; атомы меди располагаются в вершинах куба, а атомы цинка – в центре куба. Такой раствор называется упорядоченным и отличается повышенной хрупкостью.

Рис.118. Диаграмма состояния Cu-Zn и механические свойства сплавов.

Свойства сплавов зависят от содержания цинка. С увеличением цинка прочность возрастает, достигает максимума при 45% цинка и далее уменьшается. Относительное удлинение также увеличивается и достигает наибольшего значения при 30% цинка. В промышленности применяют сплавы с содержанием до 47% цинка. При нагреве в интервале температур 200…700 С наблюдается резкое снижение пластичности и поэтому горячую обработку латуней нельзя проводить при температуре ниже 700 С.

Медно – цинковые сплавы применяются главным образом как деформируемые сплавы (листы, ленты, трубы, прутки и др.) (Л68 и др.) и в меньшей степени в качестве литейных сплавов для изготовления фасонных деталей и отливок (ЛЦ16К4 и др.). В качестве деформируемых сплавов применяются простые латуни марок Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68 (число показывает содержание меди в %) и легирование латуни.

Бронзы

Бронзами называют все сплавы меди с алюминием, оловом, свинцом, кремнием и другими элементами, кроме цинка. Ниже рассматриваются важнейшие промышленные бронзы.

Алюминиевые бронзы. Эти бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. Диаграмма состояния медь – алюминий приведена на рис. 119. Система медь – алюминий относится к случаю ограниченной раствори-

Рис.119.Диаграмма состояния Cu-Al и механи- ческие свойства сплавов.

мости: алюминий растворя- ется в меди с образованием твердого раствора (предель- ная растворимость при ком- натной температуре состав- ляет 9,4% Al). В сплавах с большим содержанием алюми- ния при высоких температурах образуется промежуточная фа- за .При температуре 565 С происходит эвтектоидное пре- вращение ( -фаза яв- ляется электронным соеди- нением и отличается высокой хрупкостью). Следовательно, алюминиевая бронза с содер- жанием 9,4…12% имеет ниже температуры 565 С структуру из кристаллов - раствора и эвтектоида + , как показано на схеме (рис.120). Относительное удлинение бронзы резко уменьшается при содержании алюминия выше

9%, что связано с появлением хрупкой фазы . Алюминиевые бронзы с 5…7% Al легко поддаются холодной и горячей пластической деформации и применяются в качестве деформируемых материалов. Бронзы с 9…10% Al, при комнатной температуре имеют малую пластичность и обрабатываются давлением только в горячем состоянии; они применяются для получения изделий методом горячего прессования. Эти бронзы используются также для изготовления фасонных отливок, так как хорошо заполняют форму, не дают рассеянной пористости и обеспечивают получение плотных отливок, не имеют ликвации. Недостатком при литье являются значительная усадка и повышенная способность к загрязнению окисными пленками. Бронза с 9…10% Al для большего упрочнения дополнительно легируется железом и марганцем. Добавки железа измельчают, микроструктуру бронзы, а марганец

Рис.120.Схема микроструктуры алюминиевой бронзы.

растворяется в твердом растворе и повышает его прочность. Широкое применение в промышленности получила легированная бронза БрА10Ж3Мц2 и др. (А-алюминий, Ж-железо,Мц-марганец; числа пока- зывают среднее содержание этих элементов). Алюминиевые бронзы обладают высокими механическими свойствами ( = 490…580 МПа, = 10…15%), хорошей износостой-

костью и применяются для изготовления втулок, червячных шестерен, арматуры для судостроения, ответственных деталей.

Оловянистые бронзы. Эти бронзы ранее имели широкое распространение; в виду высокой стоимости олова оловянистые бронзы заменены новыми сплавами (алюминиевыми и другими бронзами) и применяются ограниченно.

Система медь-олово относится к случаю ограниченной растворимости. В литых технических сплавах в меди растворяется до 5…6% олова; при большем содержании олова образуется химическое соединение Си Sn и структура состоит из твердого раствора и химического соединения.

Бронзы с содержанием до 4…6% олова имеют сравнительно высокие пластические свойства ( до 30…35%) и применяются в качестве деформируемых материалов (ленты, полосы, прутки, проволока для пружин). Бронзы с более высоким содержанием олова (6…10%) используются в качестве литейных сплавов для производства отливок в земляные формы и кокиль. Из них изготавливаются арматура, работающая в условиях морской и пресной воды и пара, сложное фасонное литье, подшипники. Оловянистая бронза имеет сравнительно невысокую жидкотекучесть и отливки характеризуются повышенной междендритной пористостью (неплотные отливки). Для улучшения свойств в бронзы добавляют цинк и свинец. Цинк полностью растворяется в твердом растворе и улучшает литейные свойства бронзы. Свинец в меди не растворяется и выделяется в виде отдельных включений. Добавки свинца улучшают антифрикционные свойства и обработку бронзы резанием.

Кремнистые, марганцовистые и бериллиевые бронзы. Промышленные сплавы меди с кремнием, марганцем и бериллием имеют структуру твердого раствора и обладают высокими свойствами. Кремнистая бронза содержит около 3% кремния, имеет хорошую жидкотекучесть и применяется для изготовления фасонных отливок. Эта бронза имеет также высокую пластичность и пригодна для всех видов обработки давлением. Марганцовистая бронза с содержанием 5% марганца обладает повышенной коррозионной стойкостью и сохраняет механические свойства при повышенных температурах. Эти бронзы применяются для изготовления литых деталей, работающих при повышенных температурах (арматура паровых котлов и др.).

Бериллиевые бронзы отличаются наличием переменной растворимости бериллия в меди. С понижением температуры растворимость бериллия уменьшается с 2,1% до 0,16% и из твердого раствора выделяются частицы соединения CuBe ( - фаза). Вследствие переменной растворимости бронза БрБ2 с 2% бериллия может подвергаться термической обработке – закалке с последующим старением. В результате термической обработки прочность повышается до =1080…1275 МПа при =1,5%.