Входящие в группу латуней, томпаки и полутомпаки имеют желтоватый цвет и по свойствам близки к меди.

Их используют для изготовления различных ювелирных изделий с соответствующим защитным и декоративным покрытием.

Бронзы

Сплавы меди со всеми металлами, кроме цинка, называют бронзами. В ювелирной промышленности в основном используются оловянистые бронзы (сплавы системы Си – Sn), обладающие высокими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая усадка), достаточно высокой прочностью, коррозионной стойкостью и имеющие красивый желтоватый цвет. Применение находят сплавы меди, содержащие до 5 % олова. Кроме того, используются алюминиевые и кремниевые бронзы.

Оловянистые бронзы

Диаграмма состояния медь – олово приводится на рис. 6.3.

В сплавах системы Си – Sn образующие фазы следующие:

αфаза – твердый раствор замещения олова в меди, имеющий гранецентрированную кубическую решетку;

βфаза – твердый раствор на базе химического соединения Cu3Sn8;

γфаза – твердый раствор на базе химического соединения Cu31Sng, образующийся при перитектической реакции между жидким сплавом и βфазой;

εфаза – электронное соединение Cu3Sn;

ηфаза – химическое соединение Cu6Sn5.

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Си – Sn.

Предельная растворимость олова в меди – 15,8 %. При содержании олова более 15,8 % в структуре сплавов образуется эвтектоид (а + β), где βфаза – электронное соединение Gu3Sn8 со сложной кубической решеткой. Оно обладает высокой твердостью и хрупкостью, вызывает резкое снижение вязкости и пластичности. Практическое применение имеют бронзы с содержанием олова до 10 %. Двойные оловянистые бронзы применяются редко ввиду большой склонности к дендритной ликвации, низкой жидкотекучести, рассеянной усадочной пористости и в связи с этим невысокой герметичностью отливок. Деформируемые бронзы содержат до 6–8 % Sn. Они имеют в равновесном состоянии однофазную структуру αтвердого раствора. В условиях неравновесной кристаллизации наряду с αтвердым раствором может образовываться небольшое количество |3фазы. Для улучшения литейных свойств оловянистых бронз в них вводят цинк и свинец и как раскислитель фосфор. Кроме повышения жидкотекучести, уменьшения усадочной пористости замена части олова цинком и свинцом снижает стоимость сплава.

Кроме цинка и свинца в некоторые бронзы вводят никель. Это улучшает декоративные свойства бронзы, придавая ей красивый серебристый цвет. Ювелирные бронзы – многокомпонентные сплавы.

Алюминиевые бронзы Диаграмма состояния Си – Al показана на рис. 7.4. Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность, а также малую склонность к дендритной ликвации. Однако изза большой усадки из них редко получают фасонные отливки сложной формы.

Медь с алюминием образуют αтвердый раствор, концентрация алюминия в котором при понижении температуры с 1035 до 565 °C увеличивается от 7,4 до 9,4 %.

Рис. 7.4. Диаграмма состояния Си – Al.

Фаза βтвердый раствор на базе электронного соединения CugAl β/2). При содержании алюминия более 9 % в структуре появляется эвтектоид α + γ’ (γ’ – электронное соединение Cu32Alig). Фаза а пластична, но ее прочность невелика, γ’фаза обладает высокой твердостью, но низкой пластичностью. Сплавы, содержащие до 4–5 % Al, обладают высокой прочностью и пластичностью. Двухфазные сплавы α + γ’ имеют достаточно высокую прочность, но низкую пластичность. Прочность сплавов уменьшается при содержании алюминия более 10–12 %. Железо измельчает зерно, повышает механические и антифрикционные свойства алюминиевых бронз. Никель улучшает механические свойства до температур 500–600 °C. Сплавы алюминиевой бронзы, содержащие никель, хорошо деформируются в горячем состоянии.

Химический состав бронз, используемых при изготовлении художественных изделий, показан в табл. 7.3.

Таблица 7.3 Химический состав бронз

Рис. 7.5. Диаграмма состояния Си – Si.

Бронзы, имея в своем составе 3 % кремния, лежат в области αтвердого раствора. Однако в условиях длительного отжига граница αобласти несколько сдвигается в область меньших концентраций кремния, поэтому в богатых кремнием сплавах возможно появление гетерогенной структуры. При легировании кремнием с содержанием его до 3,5 % повышается прочность и пластичность. Кроме того, небольшие добавки кремния повышают жидкотекучесть. С увеличением содержания кремния до 5 % увеличивается интервал кристаллизации и жидкотекучесть снижается. Небольшие добавки марганца и никеля, вводимые в некоторые сплавы (БрКМцЗ,5–1 и БрКН13), входят в твердый раствор, придавая ему декоративные свойства. Например, добавка 1 % марганца значительно увеличивает коррозионную стойкость кремнистой бронзы, повышает прочность и плотность. Никель, который улучшает декоративные свойства бронзы, придавая ей красивый серебристый цвет, так же как и марганец, растворяясь в меди, повышает твердость, прочность и коррозионную стойкость, но ухудшает жидкотекучесть, увеличивает газонасыщенность расплава и измельчает структуру. Поэтому легирование никелем производят только для промышленных деформируемых бронз (БрКН13, БрКН0,5–2). Эти сплавы термически упрочняются после закалки при температуре от 850 °C и старения при 450 °C в течение 1 ч. В результате указанной термообработки временное сопротивление разрыву составляет 700 МПа при относительном удлинении 8 %.

Как ранее сообщалось, бинарные сплавы системы Си – Si лежат в области αтвердого раствора (заштрихованная область на рис. 7.5) и термически не упрочняются. Для снятия внутренних напряжений проводят отжиг при 800 °C. Микроструктура бронзы в литом отожженном состоянии показана на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Микроструктура никелькремнистой бронзы БрКН13, 75. Дендритные зерна αтвердого раствора сложного состава.

При изготовлении замков сережек и клипс, сложных обручальных колец с ажурными кастами, крапаны должны быть выполнены из литейных сплавов, обладающих пружинными свойствами. Поэтому изготовление таких колец выполняется из бериллиевой бронзы. Бериллиевые бронзы Бериллиевая бронза обладает высокими пружинными и литейными свойствами. Кроме того, в отливках из бериллиевой бронзы практически не наблюдается усадочной пористости. Сплавы не склонны к ликвации, так как линии ликвидуса и солидуса очень близки.

Бронзы Бр. Б2 и Бр. Б2,5, согласно диаграмме состояния (рис. 7.7), кристаллизуются в одну стадию: L→ α + L1.

С понижением температуры вследствие уменьшения растворимости бериллия в меди происходит распад твердого раствора: α → α + Ь, с выделением кристаллов βфазы переменного состава. Фаза Р является твердым раствором на основе химического соединения СиВе, относящегося к электронным соединениям. Оно имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 2,7 Å и характеризуется электронной концентрацией 3/2 электрона на атом.

Фаза β устойчива только до температуры 608 °C, при которой происходит эвтектоидный распад: β → α + γ (СuВе).

При дальнейшем охлаждении (ниже температуры эвтектоидного превращения) вследствие сильного уменьшения растворимости бериллия в меди происходит распад αтвердого раствора, сопровождающийся выделением уфазы. Бронза имеет высокие декоративные свойства – блестящий светложелтый цвет.

Рис. 7.7. Диаграмма состояния Си – Be.

Наиболее высокие механические свойства данная бронза имеет после закалки при температуре от 800 °C и старения при 350 °C. Широкому распространению бериллиевой бронзы препятствуют ее высокая стоимость и дефицитность. Для уменьшения стоимости в ее состав вводят различные добавки (Ni, Со, Mn, Ti и др.), которые частично заменяют бериллий и в то же время незначительно снижают свойства бронзы. В настоящее время широкое применение получили бронзы с содержанием 1,7–1,9 % Be с добавками никеля и титана. На основе изучения сплавов тройной системы Си – Mn – Be были предложены бериллиевые бронзы с еще меньшим содержанием бериллия, которыми в ряде случаев можно заменить стандартную бериллиевую бронзу. Эти сплавы называются низколегированными бериллиевыми бронзами. Химический состав: 0,6 % Be, 12,2 % Mn, остальное медь; 0,9 % Be, 7,3 % Mn, остальное медь. Сплавы не уступают по своим технологическим свойствам стандартным бериллиевым бронзам, и потому их стали широко применять при изготовлении ювелирных и художественных изделий.

В конце XIX в. в качестве заменителей драгоценных металлов стали активно использоваться декоративные латуни, сплав хризит (36,8 % Zn, 0,2 % Pb), сплав Вигольди (31 % Zn, 0,8 % Al, 0,2 % Pb), и в настоящее время при производстве украшений применяяются сплавы на основе меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы. Как было отмечено, в качестве заменителя золота служит кремнистая латунь ЛК80ЗЛ. Отливки, полученные из этого сплава, имеют красивый золотистый цвет. На рис. 7.8 показана микроструктура кремнистой латуни ЛК80ЗЛ.

Рис. 7.8.

Микроструктура латуни АК80ЗА после травления. Увеличение х 250. Светлые зерна – αфаза, между ними расположены включения эвтектоида (α + γ). Внутри островков эвтектоида – кремний.