Медь и сплавы на её основе

Медь – мягкий металл красного цвета.

Плотность меди 8,9 г/см³, температура плавления 1083 °C. Во влажной атмосфере медь покрывается зеленой пленкой окиси. Обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью. Механические свойства невысокие: s_в=16 кгс/мм ²(160 МПа), d=25 %.

Холодная деформация позволяет увеличить s_в до 45 кгс/мм² (450 МПа). Чистая медь применяется в электротехнике и являет­ся основой латуней и бронз.

Латуни

Латуни – медно-цинковые сплавы с содержанием цинка до 45 %, меди от 55 до 91 % (рис.4.7).

Рис.4.7. Диаграмма состояния медь-цинк

Латуни условно обозначаются буквой Л (латунь), последующими буквами, указывающими на вводимый в сплав эле­мент, и цифрами. Первое число, следующее за буквами, указывает количество меди в %, последующие числа – количество легирующих элементов в порядке буквенного обозначения через дефис. Содержание цинка в марке не указывается и равно числу, дополняющему до 100 %. Напри­мер, Л80 – латунь, содержит 80 % меди и 20 % цинка; ЛЖМц 59-1-1 – латунь, содержит 59 % меди, 1 % железа,1 %марганца, остальное – 39 % цинка.

Предельная растворимость цинка в меди составляет 39% Технические латуни содержат цинка до 45 %. В зависимости от содержания цинка двойные латуни могут иметь структуру a-твердого раствора (однофазные a-латуни) – до 39 % цинка и (a-твердо­го раствора + b-твердого раствора) ((двухфазные (a + b^'­ )­­-латуни) (рис.4.8).

Однофазные a-латуни прочные и пластичные, хорошо деформи­руются в холодном состоянии. Однофазнаяa-латунь Л80 в холоднодеформированном состоя­нии имеет прочность s_в = 640 МПа, относительное удлинение d = 8 % , после отжига – s_в = 45 кгс/мм² (450 МПа), d = 45 %.

Микроструктура литой латуни Л80 имеет дендритное строение (рис.4.8,а). Светлые участки, обогащенные медью (дендриты), темные – цинком (междендритное пространство).

Микроструктура деформированной и отожженной при 650 °С латуни имеет зернистое строение с полосками двойников (см. рис.4.8,б). Однофазные a-латуни применяются для деталей, получаемых холодной штам­повкой. С увеличением содержания цинка в a-латунях растет их прочность и пластичность.

а б в

Рис.4.8. Микроструктура: а – литая a-латунь (x500); б – деформированная и отожженная a-латунь (x500); в – (a+b)-латунь (х300)

Микроструктура (a + b) латуней (типа Л60) в литом состоянии имеет вид видманштетовой структуры литой стали (рис.4.8,в). Проч­ность (a + b) латуней с увеличением содержания цинка до 45 % уве­личивается, далее - уменьшается. Латуни с(a + b) структурой деформируются только в горячем состоянии.

Для изготовления ли­тых деталей применяются литейные латуни алюминиевые и кремнистые марок ЛА 67-2,5; ЛК 80-3 и др.

Бронзы

Бронзы – сплавы меди с различными элементами, за исключе­нием цинка (латуни), марганца (манганины) и никеля (мельхиоры).Бронзы условно обозначаются буквами Бр.(бронза) и последующими буквами, указывающими на вводимые элементы. Цифры, следующие после всех букв, указывают процентное содержание элементов в со­ответствии с последовательностью буквенного обозначения. Например, оловянистая бронза

Бр. ОФ I0 - 2 – бронза, содержащая 10 % олова, 2 % фосфора, остальное – медь.

Бронзы носят название по основному легирующему элементу, входящему в ее состав.

Оловянная бронза – древнейший сплав, выплавляемый человеком за 3 тыс. лет до н.э. До середины XIX в оловянные бронзы были единственным материалом для отливки орудийных стволов. Оловянные бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и стойкостью против коррозии. Они широко применяются в машиностроении для из­готовления вкладышей подшипников, шестерен и др. Хорошие литейные свойства оловянной бронзы обуславливают ее широкое применение для получения отливок.

Классическим примером оловянной бронзы является бронза БрО10. Структура бронзы в литом состоянии (рис.4.9) – двухфазная: а – неоднородный a-твердый раствор олова в меди (темные уча­стки – дендриты); б – эвтектоид ( a + Cu₃₁Sn₈ ) – светлые участки; в – после литья; г – после деформации и отжига.

а б

в г

Рис.4.9. Микроструктура оловянной бронзы Бр.010: а – дендриты (x130),

б – эвтектоид (x500); в – после литья; г – после деформации и отжига

В осях дендритов вследствие ликвации содержится меньше олова, чем в междуосных пространствах, поэтому они более твердые. На светлом фоне химического соединения видны темные точки включений a-твердого раствора. Такая неоднородность обеспечивает высокие антифрикционные свойства оловянной бронзы. При работе детали на трение твердые прослойки служат из­носостойкой опорой, а мягкие частицы, вырабатываясь, облегчают приработку и способствуют образованию на поверхности мельчайших каналов, по которым может циркулировать смазка.

Оловянные бронзы легируют цинком, фосфором, свинцом и др. элементами. Деформируемые бронзы, содержащие 4…8 % олова, 0,4 % фосфора, до 4 % цинка и до 4 % свинца, применяются для изготовления пружин, пружинящих деталей (БрОФ 6,5 – 0,15; БрОЦ 4-3). Эти бронзы имеют структуруa- твердого раствора легирующих элементов в меди.

Литейные оловянные бронзы, содержащие большее количество цинка, фосфора и свинца, имеют двухфазную структуру: a-твердый раствор, и твердые, хрупкие включение фазы Cu₃₁Sn₈ (Бр ОЦС 5-5-5, БрОЦС 4-4-17). Они применяются для изготовления всевозможной арматуры, когда требуется высокая теплопроводность и элек­тропроводность в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, для антифрикционных деталей.

Механические свойства оловянной бронзы определяется, в основном, содержанием олова (рис.4.10).

Бериллиевые бронзы являются дисперсионно твердеющими спла­вами, и они уникальны по благоприятному сочетанию в них хороших механических, физико-химических и антикоррозионных свойств. Бронза БрБ2 после закалки с температуры 760…780°С и облагораживания (отпуска) при температуре 320°C в течение двух часов имеет прочность s_в = I30-I40 кгс/мм².

Рис 4.10. Зависимость механических свойств оловянной

бронзы от содержания олова

На рис.4.11 приведена часть диаграммы состояния системы медь - бериллий со стороны меди. Из диаграммы видно, что медь с бериллием образует ряд твердых растворов. Об­ласть твердого раствора при температуре 886 °С достигает 2,7 % Be.С уменьшением температуры растворимость бериллия в ме­ди понижается до 0,2 при 300 °С, что обеспечивает возможность упрочнения сплавов путем термической обработки. В результате закалки при температуре 760…780°С в воде получают структуру перенасыщенного a -твердого раствора бериллия в меди.

Рис.4.11. Диаграмма состояния сплавов системы медь-бериллий

В этом состоянии бериллиевые бронзы легко переносят технологические операции гибки, вытяжки и другие виды деформации.

После старения при 300…350°С в структуре наблюдаются выделение b-фазы CuBe (рис.4.12), что связано со значительными напряжениями

Рис. 4.12. Микроструктура бериллиевой бронзы Бр.Б2 после закалки и старения; (x250) (травление солянокислым раствором хлорного железа)

кристаллической решет­ки, которые обеспечивают повышение твердости и прочности. Наряду с высокой прочностью (σ_в= 1400 Мпа, при δ =2%) бериллиевые бронзы в термообработанном состоянии (структура – твёрдый раствор бериллия в меди + дисперсные выделения частиц CuBe) обладают высокими упругими свойствами.

Высокая стоимость бериллиевой бронзы ограничивает её широкое применение в машиностроении. Бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и пружинящих деталей ответственного назначения, в частности, для изготовления плоских пружин, мембран, деталей часовых механиз­мов и т.д.

Баббиты

Баббит – антифрикционный сплав на основе олова или свинца, предназначенный для заливки вкладышей подшипников.

Высокие антифрикционные свойства баббита обуславливаются особой гетерогенностью(неоднородностью) его структуры, характеризующейся наличием твердых частиц в мягкой пластичной основе сплавa. Особый микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение смазочными материалами участков трения и теплоотвод, обеспечивает защитную реакцию материала подшипников на увеличение трения.

Основным баббитом на основе олова является баббит марки Б83 (83 % олова, 11 % сурьмы и 6 % меди). Структура этого сплава (рис.4.13,а) состоит из мягкой основы a-твердого раствора сурьмы и меди в олове (темный фон), твердых крупных кристал­лов b-фазы CuSb (светлые участки) и твердых частиц в виде игл и звездочек соединения Cu₃Sn. Это соединение, выделяясь при кристаллиза­ции первым, образует своего рода скелет, затрудняющий ликвацию кубических кристаллов b-фазы.

Баббит на оловянной основе имеет минимальный коэффициент трения, повышенную вязкость и применяется для подшипников от­ветственного назначения, а также для подшипников машин большой мощности при высокой напряженности работы подшипника (паровые турбины, дизели, опорные подшипники гребных валов и т.д.).

Для менее нагруженных подшипников применяют баббит, где дорогостоящее олово частично или полностью заменено свинцом (Б16,БК2,БКА).

Основным баббитом на основе свинца являются баббит БС (82 % Рв, 17,0 % Sb, 1,0 % Сu). Структура этого баббита (рис.4.13,б) состоит из пластичной основы – эвтектики (a-твердый раст­вор сурьмы в свинце + b- твердый раствор свинца в сурьме) и твердых включений соединения Cu₂Sb и b-твердого раствора. Свинцовые баббиты могут работать при более высокой темпера­туре, чем оловянные. Особую группу образуют дешевые свинцово-кальциевые баббиты: БКА и БК2.

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости.

Рис.4.13. Микроструктура баббита:

а – оловянистый баббит Б83; б – свинцовистый баббит БС; (х120)

В связи с этим баббиты применяют только для тонкого покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Лучшими свойствами обладают оловянистые баббиты. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизели, паровые турбины), работающих при больших скоростях и нагрузках.

Наибольшие распространение получили многослойные подшипники, в состав которых входят многие сплавы или чистые металлы, уложенные слоями, каждый из которых имеет определённое значение.

В современном автомобильном двигателе применяют четырёхслойный подшипник (рис.4.14).

Рис.4.14. Схема строения четырёхслойного подшипника скольжения:

1 – сплав Pb-Sn (25 мкм); 2 – никель или латунь (10 мкм); 3 – сплав Pb-Sb (250 мкм); 4 – стальная основа

Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника, верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовая бронза. Слой бронзы, имеющий невысокую твёрдость, обеспечивает также хорошую прирабатываемость, хорошее прилегание вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости

Слой никеля служит барьером, не допускающим диффузии олова из верхнего слоя в свинец бронзы.