Краткие теоретические сведения. Чистая медь – металл розовато-красного цвета, она кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба

Чистая медь – металл розовато-красного цвета, она кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба. Отличительными свойствами меди являются высокая электрическая проводимость (93,1 % от электрической проводимости серебра) и теплопроводность, а также высокая пластичность в холодном состоянии. Плотность меди 8,94 г/см³.

Чистая медь марок М0 (99,95 % Cu) и М1 (99,9 % Cu) применяется в промышленности преимущественно для изготовления электропроводов. Для приготовления сплавов используется медь марок М2 и М3, в которых допускается большее содержание примесей. Медь этих марок служит также для изготовления электроконтактов, шин и других электропроводящих деталей, различных прокладок, уплотнительных колец, заглушек, стопоров, ниппелей и т.п. Кроме того, медь может быть использована при производстве металлокерамических материалов.

Висмут и свинец почти нерастворимы в меди в твердом состоянии и образуют с ней легкоплавкие эвтектики, плавящиеся при температурах 270 и 326 °С соответственно. Поэтому уже при небольшом содержании этих элементов медь проявляет в условиях горячей обработки давлением хрупкость, объяснимую плавлением этих эвтектик. В связи с этим висмут и свинец являются особенно вредными примесями, допустимыми лишь в очень малых количествах.

К числу вредных примесей относится также кислород, понижающий пластичность меди как в горячем, так и холодном состояниях.

Примеси сильно влияют на электрическую проводимость меди. Особенно сильно снижают электрическую проводимость фосфор и кремний.

Механические свойства чистой меди сильно зависят от степени деформации в холодном состоянии. Например, предел прочности отожженной меди после обжатия на 50 % возрастает от 200 до 400 МПа, удлинение при этом падает с 45 до 5 %.

Пластичность меди можно восстановить рекристаллизационным отжигом при температуре 550…650 °С в восстановительной атмосфере.

Медь устойчива против коррозии в атмосферных условиях, однако разрушается под действием аммиака, сернистого газа, азотной кислоты и других агрессивных сред. При нагревании медь легко окисляется.

Сплавы меди с цинком называются латунями. Содержание цинка в латунях составляет от 4 до 42 %. В некоторые латуни вводят также свинец, олово, алюминий, кремний, марганец, железо и другие элементы.

По своей коррозионной стойкости латуни значительно превосходят железо, углеродистую сталь и многие сорта легированной стали. Обычно латуни применяют в форме прокатанных полуфабрикатов – в виде листов, лент, прутков.

Из рис. 1 видно, что при затвердевании фаза a (раствор на основе меди) образуется, как твердый раствор в изоморфной системе. Так же образуются и фазы b, g, d, e и h. Однако, в определенных пределах концентрации эти фазы образуются по перитектическим реакциям (902, 834, 700, 598 и 424 °С соответственно). Таким образом, диаграмма состояния Cu–Zn может быть разделена на пять перитектических диаграмм – фрагментов.

 

 

(мас.)

Рис. 1 Диаграмма состояния системы Cu – Zn

 

Фаза b ниже температуры 468…454 °С находится в упорядоченном состоянии. Фаза d при охлаждении распадается, образуя эвтектоидную смесь g + e при 558 °С. В отличие от многих других систем в системе Cu–Zn предельная растворимость цинка в твердой меди увеличивается с понижением температуры от 902 до 450 °С.

В зависимости от состава и тем самым от фазового состояния Cu–Zn сплавы называются a -латунями, a+b -латунями или b-латунями. Структура a -латуни показана на рис. 2, а.

Структура a+b -латуни показана на рис. 2, б. Фаза a светлая. При высокой температуре отжига или обработки давлением (750-800 °С) сплав был однофазным (b), а при охлаждении из b -фазы выделилась a -фаза. Произошло также превращение b ® b¢. Фаза b¢ с большим содержанием Zn травится темнее. По правилу рычага можно определить состав сплава, измерив площадь, занимаемую a - и b¢ -фазами на шлифе. Путем закалки в воде a+b -латуни можно получить мартенситную структуру. При этом получается более высокая твердость, чем после отжига. Однако практического значения такая обработка латуни не имеет из-за значительной хрупкости, получающейся после закалки.

 

а б

Рис. 2. Структура латуни

 

В состоянии наклепа латунь уже при 20 % Zn и выше подвержена коррозии и растрескиванию по границам зерен, если в ней не устранены путем нагрева до 200…250 °С внутренние напряжения. Особенно выражено явление «коррозионного растрескивания» в атмосфере, содержащей аммиак.

Однофазная b -латунь не приобрела практического значения из-за ее хрупкости.

Особенно она хрупка в состоянии упорядочения (b¢), которое не удается полностью предотвратить даже при очень быстром охлаждении от температуры выше точки Курнакова.

При повышении содержания цинка в a -латуни до 30 % возрастают ее прочность и пластичность. При дальнейшем повышении содержания цинка от 30 до 45 % прочность (s_в) продолжает расти, а пластичность (d, y, KCU) резко уменьшается, особенно с появлением в структуре b¢ -фазы. Выше 45 % Zn уменьшается также и прочность, хотя твердость при этом растет.

В a + b - латуни свинец не является вредной примесью. Для улучшения обрабатываемости резанием его специально вводят в количестве 1 % в латунь с 40 % Zn (марка ЛС59-1). Несмотря на то, что свинец образует легкоплавкие включения, он в данном случае не оказывает вредного действия, так как при превращении a + b b (см. рис. 1, вертикаль 40 % Zn) он располагается не по границам зерен, а внутри кристаллов a -фазы, кристаллизующихся на включениях свинца, как на зародышах.

Ввиду малого расстояния между линиями ликвидус и солидус на диаграмме равновесия Cu–Zn дендритная ликвация в латунях выражена слабо. Из-за этой же особенности диаграммы равновесия сплавы Cu-Zn склонны к образованию значительной усадочной раковины при кристаллизации. Поэтому латунь применяется как деформируемый сплав, а не как литейный.

Деформируемость латуни достаточно хороша и при высокой, и при низкой температуре. Практически найдено, что a -латунь хрупка в интервале температур 300-700 °С, поэтому обработку давлением ведут выше 700 °С или ниже 300 °С.

Латуни со структурой a + b при горячей обработке давлением нагревают до температуры однофазного (b) состояния.

Медноцинковые латуни легируют, вводя в них дополнительные компоненты: алюминий, кремний, железо и др. Таким способом добиваются повышения механических и антикоррозионных свойств.

Оловянистая бронза – это сплав меди и олова. Он обладает наименьшей усадкой среди всех известных в настоящее время сплавов. Поэтому оловянистая бронза применяется для изготовления отливок. Классическим содержанием олова в бронзе, известным еще со времен бронзового века, является содержание 10 % Sn. И в настоящее время 10 %-ная бронза применяется в машиностроении.

(мас.)

Из рис. 3 видно, что фазы b, g и h образуются при затвердевании либо непосредственно из жидкой фазы (как в изоморфных системах), либо по перитектическим реакциям L + a b при 798 °С, L + b g при 755 °С и L + e h при 415 °С.

 

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Cu – Sn

Фаза h образуется также при 227 °С при эвтектическом распаде L Sn + h. При охлаждении в твердом состоянии образуются фазы e, z и d.

Фаза e из g- фазы (g e) и фазы z и d – по перитектоидным реакциям (g + e z и g + z d) при 640 и 590 °С соответственно.
В системе Cu–Sn имеются также четыре эвтектоидных превраще-

ния: при 586 ºС (b g + a), 582 °С (z d + e), 520 °С (g a + d)
и 350 °С (d a+e). В этой системе при 640 °С имеется

своеобразное фазовое превращение, относящееся к сплавам, содержащим 38…58,6 % Sn. При этой температуре в таких сплавах идет превращение g L+ e, т. е. при охлаждении твердая g -фаза распадается на две: жидкую и твердую (e). Иными словами, при охлаждении твердое вещество плавится. Учение о минимуме термодинамического потенциала не запрещает плавления твердого раствора при охлаждении и его затвердевания при нагреве.

Фаза a имеет, как и чистая медь, гранецентрированную кубическую решетку, период которой меняется с составом в области a -раствора. Фазы b, d и e, состав которых меняется в узких пределах, – это соединения, которым можно приписать химические формулы Cu₅Sn, Cu₃₁Sn₈ и Cu₃Sn. Состав фазы h приблизительно описывается формулой Cu₆Sn₅. Эта фаза упорядочена ниже 189…186 °С.

Растворимость меди в твердом олове не превышает 0,006 % при эвтектической температуре, т.е. она очень мала и практически можно считать, что область твердого раствора на стороне Sn отсутствует, как это показано на рис. 3.

В соответствии с диаграммой состояния бронза с 10 % Sn должна затвердевать в виде однофазного сплава и при дальнейшем охлаждении из твердого раствора a должна выделяться e -фаза. Ее выделения могут располагаться по границам зерен. В практических условиях обычной технологии литья структура формируется по иному. Из-за большого расстояния между линиями ликвидус и солидус в сплавах получается значительная дендритная ликвация.

На рис. 4 изображена типичная микроструктура 10 % бронзы (а – травление 5 % аммиачным раствором CuCl₂; 200^´; б – травление 3 % раствором FeCl и 10 % HCl; 1000^´). Светлые оси дендритов, обогащенные медью, представляют собой a -фазу.

Серая составляющая, затвердевшая при более низкой температуре, обогащена оловом. Эта составляющая наряду с a-фазой содержит также эвтектоид a + b. Этот эвтектоид, как видно из диаграммы равновесия, мог появиться только потому, что в отдельных местах образовалась g -фаза, т.е. произошло обогащение оловом выше 15,8 %. Длительным отжигом при температуре около 800 °С дендритная ликвация устраняется и сплав становится однофазным. Выделение e -фазы соответствует линии ограниченной растворимости, т. е ниже 300 °С в обычных условиях медленного охлаждения не происходит.

 

а б

 

Рис. 4. Структура оловянистой бронзы

 

В промышленности широко распространены бронзы, не содержащие олова, например, алюминиевые бронзы, в основе которых лежит двухкомпонентная система Cu – Al. Для дополнительного легирования применяют Mn, Fe, Ni.

 

Содержание алюминия, как и других легирующих элементов, в различных марках колеблется в широких пределах. Применяются как однофазные, так и двухфазные сплавы в литом и деформированном состояниях.

Рассмотрим возможные превращения в сплавах меди с алюминием (рис. 5).

 

 

(атом.)

Рис. 5. Диаграмма состояния системы Cu – Al

 

При температурах затвердевания (плавления) происходят следующие превращения: эвтектическое L a+b
(при 1037 °С), четыре перитектических: L + b x (при 1036 °С),
L + x g₁ (при 1022 °С), L + g₁ e ₁ (при 958 °С) и L + e₂ h₁
(при 624 °С), а также эвтектическое L a_A1 + q (при 548 °С). Имеется также вырожденная перитектическая реакция при температуре 591 °С, при которой жидкость, не изменяя состава, превращается в q- фазу.

В твердом состоянии происходят четыре эвтектоидных превращения и три перитектоидных. К эвтектоидным относятся: b a + g₂ (при 565 °С), х b + g₁ (при 963 °С), e₂ d + z₂ (при 560°С) и g₁®g₂ (при 780 °С). Последнее превращение вырожденное, его можно рассматривать как аллотропическое, идущее без изменения состава при 780 °С в сплаве с 15,6 % Al. С увеличением содержания алюминия это превращение протекает в интервале температур, с изменением состава фаз g₁ и g₂ – как в изоморфных системах. Перитектоидные превращения таковы: g₁+e₁ g₂ (при 873 °С), g₂ + e₂ d (при 686 °С) и e₂+h₁ x₂.

Фаза a, твердый раствор на базе Cu, имеет решетку меди (гцк) с периодом, изменяющимся по мере увеличения концентрации алюминия. Фазы b и g₂ могут быть приблизительно описаны формулами Cu₃Al и Cu₉Al₄.

Переходы e₁ e₂ и h₁ h₂, показанные на рис. 5 пунктирными линиями, связаны с упорядочением этих фаз при охлаждении. Фаза q, почти постоянного состава, описывается формулой CuAl₂.

На рис. 6, а показана структура однофазной a -бронзы
с 7 % Al, применяющейся для пружин после горячей обработки давлением и отжига. Полиэдрические (или, иначе, полигональные) зерна содержат большое количество двойников, как многие другие отожженные металлы и сплавы с гранецентрированной кубической решеткой.

Бронза с большим содержанием алюминия (в данном случае 10 %) наряду с a -фазой содержит также эвтектоид a+g₂ (рис. 6, б). Его количество, судя по структуре, составляет приблизительно 25 %, что несколько больше рассчитанного по правилу рычага из диаграммы равновесия. Это может быть результатом ликвации.

Алюминиевая двухфазная (a+g₂) бронза с 8-10 % Al, как и ее разновидности, дополнительно легированные Fe, Mn и Ni, может быть упрочнена закалкой на мартенсит. Для этого нужно нагреть сплав до однофазного состояния (b) и от температуры, соответствующей b-области на диаграмме равновесия, закалить в воде. Получается игольчатая структура, обозначаемая b¢-фазой, очень похожая на мартенситную структуру других сплавов.

Закалка алюминиевых бронз приобрела практическое значение и применяется в машиностроении для различных деталей – как литых, так и прессованных.

 

а б

Рис. 6. Микроструктуры алюминиевой бронзы

 

Высокие прочность и пластичность, хорошие технологические и антикоррозионные свойства, высокое сопротивление износу – все это делает алюминиевую бронзу в ее различных разновидностях материалом широкого применения.

Среди медных сплавов встречается бериллиевая бронза
(2-3 % Be, остальное Cu) благодаря ее способности упрочняться при старении. В твердом растворе на основе меди наблюдается ограниченная растворимость бериллия, возрастающая с температурой (от 0,16 до 2,1 %), что и определяет способность сплава к упрочнению. После закалки и старения бериллиевая бронза имеет предел прочности s _в=1500 МПа при удлинении 2…3 %. Главное назначение этой бронзы – пружины.

В качестве подшипниковых сплавов применяются свинцовистые бронзы. Одна из таких бронз содержит 70 % Cu и 30 % Pb. После затвердевания этот сплав состоит из кристаллов меди и свинца (рис. 7). Эти металлы почти нерастворимы один в другом в твердом состоянии. Даже в жидком состоянии имеется ограниченная растворимость, что приводит к расслоению в расплавленном состоянии и усиливает ликвацию по плотности. Эта ликвация возникает вследствие значительной разницы плотностей меди и свинца. Для устранения ликвации свинцовистую бронзу необходимо тщательно перемешивать перед разливкой и быстро охлаждать в процессе затвердевания.

 

 

 

Рис. 7. Свинцовистая бронза БрС30