Медные и антифрикционные сплавы

Цель работы: изучение структуры, свойств, маркировки медных и антифрикционных сплавов и области их применения.

Приборы и оборудование: коллекция изделий из медных и антифрикционных сплавов.

Основные свойства меди. Медь – металл красного (светло – розового) цвета с плотностью 8,94 г/см³, имеющий кристаллическую решётку ГЦК, без полиморфных превращений и температурой плавления 1083º С.

Широкое применение меди обусловлено рядом её ценных свойств и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Медь обладает высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью, удовлетворительной жидкотекучестью.

Медь и её сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На поверхности меди образуется плотная оксидная плёнка, поэтому медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных условиях и различных химических средах (органических кислотах, едких щелочах). Однако медь не противостоит воздействию азотной и соляной кислот, концентрированной серной кислоты, аммиака. Недостатком меди является сравнительно плохая обрабатываемость резанием.

Электрическая проводимость меди зависит от содержания примесей. При наличии даже небольшого количества примесей проводимость резко падает. При ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Cu), М0 (99,97% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu).

Наиболее чистую медь марок М00, М0, М1, содержащую не более 0,1% примесей, применяют для проводников тока различных теплообменников. Медь остальных марок, более загрязнённая примесями, пригодна только для производства сплавов различного состава и качества (М3, М4).

Наиболее часто встречающиеся в меди элементы подразделяют на две группы:

1. Растворимые в меди элементы алюминий (Аl), железо (Fe), никель (Ni), стронций (Sr), цинк (Zn), серебро (Ag) повышают прочность и твердость меди и используются для легирования сплавов на медной основе.

2. Нерастворимые элементы свинец (Pb), висмут (Bi) ухудшают механические свойства меди. Висмут и свинец даже в тысячных долях процентов резко ухудшают способность меди обрабатываться путём прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие эвтектики, которые располагаясь по граница зёрен, при нагреве расплавляются и вызывают красноломкость меди, т. е. приводят к разрушению металла при горячей деформации. Висмут, будучи хрупким металлом охрупчивает медь и её сплавы. Свинец, обладая низкой прочностью, снижает прочность медных сплавов, однако вследствие хорошей пластичности не вызывает их охрупчивание. Кроме того, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием медных сплавов, поэтому его применяют для легирования.

Механические свойства меди в большей степени зависят от её состояния и в меньшей от содержания примесей. В отожженном виде медь весьма пластична (δ = 50%, HB 50, σ_В = 240 МПа). В деформированном состоянии (при наклёпке) пластичность меди понижается, но прочность повышается (δ = 2-5%, HB 120, σ_В = 500 МПа). Исходные свойства меди восстанавливают путём отжига при температуре 600…700ºС.

Общая характеристика и классификация медных сплавов. Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (цинк, алюминий) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям. Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов.

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Из деформируемых медных сплавов изготавливают трубы, листы, ленту, проволоку, из литейных путем литья различные фасонные детали.

По способности упрочняться с помощью термической обработки медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых долей. В медных сплавах буквенные обозначения отличаются от обозначений, принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, марганец – Мц, медь – М, мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.

Латуни. С плавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества других элементов называют латунями. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.

По назначению и технологическим признакам латуни подразделяются на деформируемые и литейные.

Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставиться число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное цинк. Латунь ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца, остальное – цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставиться непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь.

Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуни изменяются при увеличении содержания в них цинка.

Структура латуней зависит от их состава и может быть установлена по известной диаграмме состояния системы медь – цинк (Cu- Zn). В системе Cu– Znобразуется шесть твердых растворов: α, β, γ, δ, σ, η, но практическое применение имеют латуни, содержащие до 45% цинка.

Левая часть диаграммы состояния Cu– Zn, включающая область однофазных (α) и двухфазных (α + β) латуней, приведена на рис. 40.

Однофазная α–латунь представляет собой твердый раствор цинка в меди с решеткой ГЦК и может содержать до 39% цинка. Однофазная α–латунь характеризуется высокой пластичностью. При содержании более 39% цинка в структуре появляется хрупкая β-фаза. β-фаза – это электронное соединение CuZnс решеткой ОЦК.

 

Рис. 40. Левая часть диаграммы Рис. 41. Влияние цинка на меха-

состояния Cu-Zn нические свойства латуней

 

Существуют две модификации β-фазы: выше 454…486°С устой- чива пластичная β-фаза, имеющая неупорядоченное расположение атомов. Ниже этих температур – более твердая и хрупкая β´-фаза, которая характеризуется упорядоченным расположением атомов меди и атомов цинка.

Двухфазные (α + β´)–латуни могут содержать до 45% цинка.

В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней. Влияние цинка на механические свойства латуней приведены на рис. 41.

β´-фаза появляется в структуре латуней при содержании цинка около 30%. Поэтому в сплавах, содержащих менее 30% цинка, увеличение его концентрации повышает и прочность, и пластичность. Затем пластичность начинает уменьшаться, а после появления в структуре значительных качеств β´-фазы происходит резкое падение пластичности. Прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до 45%, пока латунь находиться в двухфазном состоянии, а потом также резко снижается. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.

Химический состав некоторых промышленных латуней (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 1774-93) и их механические свойства приведены в табл. 12, 13.

Таблица 12