Сплавы на медной основе

Различают две группы медных сплавов: 1) латуни — сплавы меди с цинком; 2) бронзы — сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. Сплавы обозначают начальной буквой (Л — латунь, Бр — бронза), после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О — олово, Ц — цинк, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий, Х — хром и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента.

Для деформируемых латуней и бронз порядок цифр в маркировке различен. Например, ЛЖМц 59-1-1 — латунь, содержащая 59 % Сu. 1 % Fе и 1 % Мn и остальное цинк, или БрОФ 6,5-0,15 — бронза, содержащая 6,5 % Sn, 0,15 % Р и остальное медь.

Для литейных латуней и бронз среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, ЛЦ40Мц 1,5 — латунь, содержащая 40 % Zn и 1,5 % Мn, остальное медь. БрА10ЖЗМц 2 — бронза, со­держащая 10 % А1, 3 % Fе и 2 % Мn, остальное медь.

Латуни

Латуни – это двойные или многокомпонентные сплавы меди, основным легирующим элементом которых является цинк. В целом в системе Cu-Zn образуется шесть твёрдых растворов: α -, β - , γ - , δ - ,ε – иη – фазы. Однако, практическое применение имеют одно (α) – и двухфазные (α + β) сплавы.

Рис.40. Диаграмма состояния системы Cu – Zn.

α–Фаза – это твёрдый раствор цинка в меди с ГЦК решёткой, т.е. с решёткой меди. Максимальное содержание цинка в однофазной α–латуни составляет 39%. α–Латуни характеризуется высокой пластичностью. При дальнейшем повышении содержания цинка в структуре латуни возникает β–фаза, которая охрупчает сплав. β ^/–фаза представляет собой твёрдый раствор с ОЦКрешёткой на основе электронного соединения CuZn.

Предельное содержание цинка в технических двухфазных (α + β) латунях при обычных условиях не превышает 50%. Существуют две модификации β–фазы: при температурах выше 454-468°С устойчива гомогенная и пластичная β–фаза с неупорядоченным расположением атомов. Ниже этих температур – более твёрдая и хрупкая β – фаза с упорядоченным расположением атомов меди и цинка. Диаграмма состояния системы Cu – Zn приведена на рис.40.

Начальная область диаграммы, ограниченная со стороны меди линией AES, представляет собой фрагмент диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов. Это область существования α–фазы. При большем содержании в латуни цинка, кроме α–фазы появляется новая фаза, имеющая две модификации β и β ^/ в разных температурных интервалах. Таким образом, в области SEMN сплав приобретает двухфазное ( α + β или α + β ^/ )строение. В области NMFK сплав вновь становится однофазным (β – фаза). Как отмечалось, применяемые в технике латуни содержат до 48-50% Zn. Далее у сплава меняется металл – растворитель, т.е. им становится Zn. Такие сплавы не имеют практического интереса из-за низких механических свойств, рис.40.

На рис. 41 представлены две характеристики механических свойств: величина δ определяет пластичность металла, а σ_в – его прочность (способность противостоять внешней нагрузке без остаточной деформации).

Рис.41 Влияние содержания цинка на механические свойства латуни:

δ – относительное удлинение, %; σ_в – временное сопротивление

В области α–фазыпрочность и пластичность латуни растут с увеличением содержания цинка. Как следует из рис.41, максимальная пластичность латуни достигается при ~ 32% содержания Zn. Её максимальная прочность – при ~ 45% Zn. Затем происходит резкое уменьшение этих характеристик, из-за появления в каждом случае β ^/ – фазы.

Латуни обычно хорошо обрабатываются давлением. Однофазные α–латуни высокопластичны и хорошо деформируются в холодном состоянии.

Двухфазные ( α + β ^/ ) – латуни лучше деформируются при нагреве выше температуры β β ^/ – превращения. Обычно их деформируют при температуре около 700⁰С.

Двойные латуни часто легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb, и другими элементами. Легированные латуни называются многокомпонентными или специальными. Специальные латуни, кроме легированных никелем, чаще двухфазные, так как третий компонент снижает растворимость цинка в меди. Никель, напротив, увеличивает растворимость цинка в латуни. При добавлении его ( α + β ^/ ) латуни содержание в ней β ^/–фазыуменьшается, а при достаточно высоком содержании никеля двухфазная латунь становится однофазной - α–латунью. Легирующие элементы, кроме свинца увеличивают прочность (твёрдость) латуни, но уменьшают её пластичность. Алюминий, цинк, кремний, марганец, никель – повышают сопротивление латуней коррозии. Свинец облегчает обрабатываемость сплавов Cu – Zn резанием и улучшают их антифрикционные свойства. Свинец вводят в α+β^/ латуни или же в α–латуни, которые испытывают α - β превращения при нагреве (охлаждении). В результате α - β превращения свинец располагается не по границам зёрен, как в случае чистой меди, рис.1, или α–латуни (не имеющей превращений в твёрдом состоянии), а внутри зёрен, что не мешает обработке давлением и улучшает обработку резанием.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства двойных и специальных латуней

* Механические свойства мягкой латуни (после отжига при 600°С).

По технологическим признакам все латуни подразделяются на две группы: деформируемые и литейные. Влияние химического состава латуней на их механические свойства демонстрирует таблица 1.

Деформируемые латуни предназначаются для изготовления листов, лент, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов. Литейные латуни применяются для фасонного литья – арматуры, деталей приборов, гребневых винтов, гаек, подшипников, втулок, вкладышей и др.

α–Латуни с содержанием меди более 90% (Л90, Л96) имеют цвет золота и применяются для ювелирных и декоративных изделий. Их называют томпаком. Латуни с содержанием цинка от 10 до 20% - полутомпаком.

Бронзы

Бронзы – это сплавы меди с различными элементами, исключая цинк. Основные отличия латуней и бронз связаны с различной растворимостью элементов в меди, а также с различием структурных составляющих (и природы фаз) практически используемых сплавов. В качестве основных легирующих элементов в двойных и многокомпонентных бронзах используются олово, алюминий, свинец, бериллий, кремний, хром и др. Цинк также может входить в состав бронз, но только в качестве легирующей добавки. Кроме цинка для этой цели используются также фосфор, никель и другие элементы.

Оловянные бронзы

Диаграмма состояния системы Cu – Sn представлена на рис.42. Она характеризуется сравнительно большим расстоянием между линиями ликвидус и солидус (область L+α или L+β). Поэтому особенностью двухкомпонентных оловянных бронз является их повышенная склонность к ликвации (химической неоднородности зёрен по сечению), вызванной медленно происходящим процессом диффузии; низкая жидкотекучесть; рассеянная пористость.

В соответствии с диаграммой состояния предельная растворимость олова в меди составляет 15,8%. Это значение ограничивает справа область существования α–фазы, показанную линией AES. Учитывая склонность сплавов Cu-Snк неравновесной кристаллизации, при обычных условиях охлаждения область α – твёрдого раствора сужается (пунктирные линии – АК-KL). Уже при содержании олова 5-6% в структуре бронзы появляется (α + δ) – эвтектоид, в котором δ – фаза представляет собой твёрдое и хрупкое электронное соединение Cu₃₁Sn₈. С появлением δ – фазы снижается пластичность и вязкость сплавов, рис.43. Бронзы с содержанием Sn больше 12% из-за повышенной хрупкости практически не применяются.

Рис.42. Диаграмма состояния системы Cu – Sn.

Рис.43. Влияние содержания олова на механические свойства сплавов Cu-Sn,

полученных в неравновесных условиях

Полученная в равновесных условиях диаграмма состояний разбита на большое число областей, отвечающих разным фазам и структурным составляющим: α–фаза представляет собой твёрдый раствор олова в меди с ГЦК решёткой; β–фаза - это твёрдый раствор на основе электронного соединения Cu₅Sn с электронной концентрацией 3/2; δ–фаза – это твёрдый раствор на основе соединения Cu₃₁Sn₈ с электронной концентрацией 21/13; ε–фаза имеет электронную концентрацию 7/4 и отвечает твёрдому раствору на основе соединения Cu₃Sn.

Существует также γ–фаза. Это твёрдый раствор на основе химического соединения (его природа точно не установлена). Система Cu – Snимеет ряд перетектических превращений и два превращения эвтектоидного типа. При 588°С кристаллиты β– фазы претерпевают эвтектоидный распад с образованием α – и γ – фаз. При 520°С кристаллиты γ – твёрдого раствора распадаются на α – и - δ – фазы. При 350°С δ – фаза распадается на α – твёрдый раствор и ε – фазу. Однако это превращение протекает при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения сплав после 520°С сохраняет однотипное двухфазное строение: α + δ.

С целью улучшения технологических свойств оловянные бронзы дополнительно легируются Zn, Fe, P, Pb, Ni, и другими элементами.

Цинк полностью растворяясь в α – фазе,не образует самостоятельных фаз, улучшает технологические свойства, повышает плотность, способность сплава к сварке и спайке, а также удешевляет оловянную бронзу.

Фосфор. При содержании выше 0,3% он образует фосфид Cu₃P. Фосфор, являясь раскислителем, улучшает литейные свойства, повышает твёрдость, прочность, износоустойчивость, упругие и антифрикционные свойства.

Свинец. Эта легирующая добавка повышает антифрикционные свойства сплава и улучшает его обрабатываемость резанием, но снижает механические свойства бронзы.

Никель. Способствуя измельчению структуры, никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок, уменьшает ликвацию.

Железо. Измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и понижает их сопротивляемость коррозии.

Различают деформируемые и литейные бронзы. Их типичный состав и механические свойства демонстрирует таблица 2.

Деформируемые бронзы однофазны (α) и содержат 3-7% олова, до 5% цинка, 1,5-3,5% свинца и до 0,4% фосфора. Из них изготовляют пружины, мембраны, антифрикционные детали, барометрические коробки, прокладки во втулках и подшипниках и др. Литейные бронзы содержат несколько большее количество цинка, свинца и фосфора. Они имеют двухфазную структуру (α и δ), состоящую из твёрдого раствора и эвтектоида. Их применяют для изготовления втулок, подшипников, вкладышей червячных пар, водную и паровую арматуру, шестерни и др.

Таблица 2

Химический состав (%) и механические свойства оловянных бронз

*Сплав для художественного литья.