Медь и ее сплавы

Лекция №13

Медь - химический элемент I группы побочной подгруппы периодической системы, порядковый номер 29, атомный вес 63,54. Химический знак - Сu. Она носит латинское название «купрум», которое происходит от наименования острова Кипр, богатого залежами медьсодержащих ископаемых. Это один из древнейших химических элементов-металлов. Он совместно с золотом и серебром был известен в 7 - 6 тысячелетии до нашей эры.

Массовая доля данного элемента в земной коре составляет 0,01 %. Медь содержится во многих сульфидных рудах: халькопирите (медный колчедан) CuFeS₂, халькозине (медный блеск) Cu₂S, ковеллине CuS. Существуют оксидные медные руды, например, куприт Сu₂О, и гидрокарбонатные, такие как малахит СuСО₃∙Сu(ОН)₂.

Медь кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Она имеет розовато-красный цвет. Это тяжелый и высокоплавкий металл, так плотность меди составляет 8,9 г/см³; а температура плавления - 1084,5 °С. Важнейшимифизико-механическимисвойствами данного металла являются значительные электро- и теплопроводность, по которым он после серебра занимает второе место. Так удельное сопротивление меди равно 0,0178 Ом×м, а теплопроводность l = 340ккал/м×град×ч, Медь высокопластична и способна подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состояниях, хорошо сопротивляется коррозии. Чистый металл диамагнитен. Медь легко образует сплавы со многими металлами с широким диапазоном различных свойств.

По своей химической природе медь - малоактивный металл. Он легче всего взаимодействует с галогенами при обычной температуре, с кислородом и серой реагирует только при нагревании, образуя оксид и сульфид соответственно. С водородом и углеродом медь не взаимодействует.

Сухой воздух практически не вызывают окислительного разрушения металла. Незначительное влияние на химическую стойкость меди оказывают ряд органических кислот, спирты и фенольные смолы.

Поскольку медь находится в ряду напряжений после водорода, кислоты окисляют ее лишь за счет аниона: она растворяется только в азотной НNО₃ (любой концентрации) и концентрированной H₂SO₄, но не реагирует с хлороводородной (соляной) и разбавленной серной кислотами. Также медь не взаимодействует как с чистой пресной, так и с морской водой и растворами щелочей.

Металл плохо сопротивляется действию аммиака, аммиачных солей и щелочных цианистых соединений. Коррозию меди вызывают также хлористый аммоний и окислительные минеральные кислоты. На воздухе во влажной атмосфере, содержащей диоксид углерода, она покрывается плотной серо-зеленой пленкой основного карбоната - Cu(OH)₂∙CuCO₃.

Постоянными примесями в меди являются висмут, сурьма, мышьяк и др. Все они понижают ее электропроводность. Температура плавления, плотность, пластичность и другие свойства металла значительно изменяются от присутствия в нем примесей.

Висмут и свинец образуют с медью легкоплавкие твердые растворы с ограниченной растворимостью (эвтектики), которые при кристаллизации затвердевают последними и располагаются по границам ранее выпавших зерен основного метала. При нагревании до температур, превышающих точки плавления эвтектик (270 и 327 °С соответственно), зерна меди разъединяются жидкой эвтектикой. Такой металл является красноломким и при прокатке в горячем состоянии разрушается. Красноломкость меди может вызываться присутствием в ней тысячных долей процента висмута и сотых долей процента свинца. При повышенном их содержании она становится хрупкой и в холодном состоянии.

Сера и кислород образуют с медью тугоплавкие эвтектики с точками плавления выше температур горячей обработки меди (1065 и 1067 °С). Поэтому присутствие небольших количеств серы и кислорода не сопровождается появлением красноломкости. Однако значительное повышение содержания кислорода приводит к заметному понижению механических, технологических и коррозионных свойств меди; она становится красноломкой и хладноломкой.

Медь, содержащая кислород, при отжиге ее в водороде или в атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается. Это явление известно под названием «водородной болезни». Растрескивание меди в этом случае происходит в результате образования значительного количества водяных паров при взаимодействии водорода с кислородом меди. Водяные пары при повышенных температурах имеют высокое давление и разрушают медь. Наличие трещин в меди устанавливается путем испытаний на изгиб и кручение, а также микроскопическим методом. В меди, пораженной водородной болезнью, после полировки хорошо видны характерные темные включения пор и трещин.

Сера снижает пластичность меди при холодной и горячей обработке давлением и улучшает обрабатываемость резанием.

Железо растворяется в меди в твердом состоянии весьма незначительно. Под влиянием примесей железа резко снижаются электро- и теплопроводность меди, а также ее коррозионная стойкость. Структура меди под влиянием примесей железа измельчается, что повышает ее прочность и уменьшает пластичность. Под влиянием железа медь становится магнитной.

Бериллий является раскислителем по отношению к меди, несколько снижает электропроводность ее, повышает механические свойства и значительно уменьшает окисление при повышенных температурах.

Мышьяк сильно понижает электро- и теплопроводность меди. Одновременно с этим мышьяк в значительной мере нейтрализует вредное влияние примесей висмута, кислорода, сурьмы и повышает жаростойкость меди. Поэтому мышьяковистая медь с содержанием 0,3 - 0,5 % As применяется для изготовления деталей специального назначения, используемых для работы в условиях восстановительной атмосферы при повышенных температурах. Мышьяк растворим в меди в твердом состоянии до 7,5 %.

Сурьма очень сильно понижает электро- и теплопроводность меди. Поэтому металл, предназначенный для изготовления проводников тока, должен содержать ее минимальное количество (не выше 0,002 %). Растворимость сурьмы в меди при температуре образования эвтектики (645 °С) составляет 9,5 %. При понижении температуры она резко падает. С этим связано отрицательное влияние сурьмы при прокатке меди. Поэтому содержание сурьмы при этом не должно быть более 0,06 %. В металле, используемом для штамповки, допускается концентрация Sb до 0,2 %.

Фосфор значительно уменьшает электро- и теплопроводность меди, но положительно влияет на ее механические свойства и жидкотекучесть. Он широко применяется в литейном деле в качестве раскислителя меди и оказывает положительное влияние при сварке изделий из нее.

Алюминий повышает коррозионную стойкость меди при различных температурах, значительно понижает ее окисляемость, электро- и теплопроводность, а также оказывает отрицательное влияние при пайке и лужении медных изделий. На механические свойства и обрабатываемость Cu давлением примесь алюминия не оказывает заметного влияния. Растворимость его в меди в твердом состоянии составляет 9,8 %.

Более 50 % добываемой меди применяется в электротехнической промышленности. Благодаря высокой теплопроводности и коррозионной стойкости она широко используется в теплообменниках, холодильниках, вакуумных аппаратах и является одним из важнейших проводниковых материалов. Из нее изготовляют монтажные и обмоточные провода, токопроводящие детали, приборы и аппараты. Большое применение она находит также в электровакуумной технике.

Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь в качестве конструкционного материала применяют крайне редко. Примерно 30 - 40 % всего производимого металла употребляется в виде сплавов.

Обширное распространение в промышленности нашли сплавы меди с другими элементами - бронзы и латуни.

Обозначают сплавы начальной буквой (Л - латунь, Бр - бронза), после чего следуют первые заглавные буквы основных элементов. Например, О - олово, А – алюминий, Ц - цинк, Мц - марганец, Ж - железо, Н – никель, Ф - фосфор, С - свинец, Б - бериллий, Х - хром и др. В латуни первая цифра указывает содержание меди, последующая - количество легирующих металлов и неметаллов. Например, ЛЖМц59-1-1 - латунь с 59% меди, 1% железа, 1% марганца и остальное цинк; Бр.ОФ6,5-0,15 - бронза с 6,5% олова, 0,15% фосфора и остальное медь.

Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, кроме цинка. Первыми и самыми древнейшими из всех полученных и применяемых человеком сплавов (3 - 1век до н. э.) были оловянные бронзы (массовая доля Sn 4 – 30 %). По твердости они намного превосходят отдельно взятые металлы, но очень хрупки. Сплав более легкоплавок, чем сама медь. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации и образованию рассеянной пористости. При резко выраженной обратной ликвации на поверхности отливок появляются хрупкие выделения в виде белых пятен (оловянного пота), отрицательно влияющих на качество отливок.

Сплавы медь-олово обладают хорошими механическими, антифрикционными и технологическими свойствами, а также высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в сухом и влажном водяном паре, в пресной и морской воде, в сухих газах и кислороде при нормальной температуре. Оловянные бронзы имеют очень малую усадку и не дают сосредоточенной усадочной раковины. Они также мало чувствительны к перегреву, отлично воспринимают пайку и сварку, не дают искры при ударах, немагнитны и морозостойки. При содержании олова более 22 % сплавы очень хрупки и не имеют практического применения. Все оловянные бронзы быстро разрушаются под воздействием рудничных вод, содержащих соли-окислители, и в растворах аммиака. Скорость коррозии сплавов в газах возрастает при высоких температурах в присутствии хлора, брома, йода, а также во влажном сернистом газе.

Значительное влияние на свойства оловянных бронз оказывают примеси. Цинк улучшает технологические свойства сплава и удешевляет его. Фосфор повышает литейные и механические характеристики: твердость, прочность, износостойкость, упругость и антифрикционость. В сплавах, обрабатываемых давлением, содержание фосфора допускается не более 0,5 %. При повышении концентрации фосфора оловянные бронзы не поддаются горячей обработке давлением. Свинец улучшает антифрикционные свойства сплавов медь-олово и их обрабатываемость резанием. Железо при его содержании до 0,03% является полезной примесью, так как способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает механические свойства и задерживает рекристаллизацию. Более высокая концентрация железа уже отрицательно влияет на некоторые характеристики оловянных бронз: резко снижаются их коррозионные и технологические свойства. Никель увеличивает механические свойства, коррозионную стойкость и уменьшает ликвацию. Он также повышает их жаропрочность и практически не снижает тепло- и электропроводность. Такими же эффектами обладают еще хром, магний и цирконий. Магний наряду с алюминием и кадмием усиливает жаростойкость (окалиностойкость) оловянных бронз. Вредными примесями в данных сплавах являются алюминий, кремний, магний, висмут, мышьяк и сера.

Сплавы меди с другими элементами, кроме олова, называют специальными (безоловянными) бронзам. По литейным свойствам они хуже оловянных бронз. Однако по другим качествам специальные бронзы обладают более высокими показателями.

Алюминиевые бронзы (до 12 % Al) превосходят оловянные по механическим свойствам и приближаются по этим параметрам к сталям. Они наиболее коррозионно-стойки в атмосферных условиях, морской воде, углекислых растворах, а также в растворах многих органических кислот (лимонной, уксусной и молочной). Данные сплавы кристаллизуются в узком интервале температур, обладают высокой жидкотекучестью, не склонны к ликвации, морозостойки, немагнитны и не дают искры при ударах. К их недостаткам следует отнести то, что они трудно поддаются пайке мягкими и твердыми припоями, имеют повышенную объемную усадку и недостаточно устойчивы к воздействию перегретого пара. Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости в алюминиевые бронзы чаще всего добавляют железо, никель, марганец. Железо способствует образованию более мелкой структуры и повышает механические свойства сплава. Никель значительно увеличивает предел текучести, прочность, твердость, коррозионно- и жаростойкость алюминиевых бронз. Алюминиево-никелевые бронзы более легкие по отношению к чистой меди: их плотность составляет 7,5 - 7,7 г/см³. Однако они имеют более низкие тепло- и электропроводность в сравнении с медью. Такие сплавы удовлетворительно переносят обработку давлением и применяются для деталей ответственного назначения как сплавы высокой прочности. Марганец также повышает коррозионно- и жаростойкость алюминиевых бронз. Примеси висмута и серы ухудшают механические и технологические свойства. Цинк также оказывает отрицательное влияние на технологические и антифрикционные свойства сплавов. Все три элемента являются вредными примесями в алюминиевых бронзах. В наклепанном состоянии прочность алюминиевых бронз значительно возрастает. В широком диапазоне изменяются механические свойства алюминиевых бронз в результате термической обработки.

Бериллиевые бронзы (до 2,85 % Be) имеют значительные пределы прочности, упругости, текучести и усталости, а также высокую электро- и теплопроводность, твердость, износоустойчивость, сопротивление ползучести, коррозионную стойкость и большое сопротивление коррозионной усталости. Они немагнитны, морозостойки и имеют высокую усталостную прочность. Отличительной их особенностью является способность подвергаться термообработке. В связи с этим, они получили широкое применение в технике для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов и т. д. Добавка некоторых количеств никеля и кобальта в бериллиевые бронзы является полезной. Ухудшают качество бериллиевых бронз примеси железа, алюминия, кремния, магния и фосфора. Весьма вредными примесями для них являются свинец, висмут и сурьма. Ограниченное применение бериллиевых бронз в промышленности частично объясняется высокой их стоимостью. Добавки таких металлов, как никеля, марганца и кобальта, не только позволяет несколько уменьшить содержание в них бериллия (снижение стоимости), но и улучшить качества бериллиевой бронзы. Так введение кобальта (до 0,65 %) повышает их механические свойства, износо- и коррозионную стойкость. Никель (до 1,2 %) способствует увеличению предела прочности при растяжении и твердости образцов из таких сплавов. Добавление совместно с никелем магния делает сплав самым жаропрочным из всех электропроводных бериллиевых бронз.

Медно-титановые сплавы по физико-механическим свойствам близки к бериллиевым, но превосходят их по технологичности и стоят значительно дешевле. Они также отличаются высокой жаропрочностью: могут надежно работать при нагреве до 500 – 550 °С.

Марганцевые бронзы при удовлетворительных механических свойствах обладают высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью и способностью сохранять механические свойства при повышенных температурах.

Кремнистые бронзы обладают высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами. Для повышения механических характеристик и коррозионной стойкости в них обычно добавляют марганец и никель. Одновременно при этом улучшаются и антифрикционные свойства сплавов. Также они отлично свариваются и паяются, немагнитны, в значительной мере сохраняют свои свойства при низких температурах, не дают искры при ударах, хорошо обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состояниях, обладают неплохой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в атмосфере таких сухих газов, как: сернистого, хлора, брома, фтора, фтористого водорода, аммиака и хлористого водорода. В присутствии влаги коррозионная стойкость кремнистых бронз снижается. Они удовлетворительно сопротивляются воздействию разбавленных растворов щелочей в условиях низких температур.Сплавы корродируют в кислых рудничных водах, содержащих сернокислую окисную соль железа, а также в растворах солей хромовых кислот и хлорного железа. При этом в бронзах, обрабатываемых давлением, содержание железа не должно быть выше 0,2 - 0,3 %, так как при более высоких значениях концентраций оно заметно снижает коррозионную стойкость сплава. Под влиянием свинца кремнистые бронзы легко разрушаются при обработке давлением в горячем состоянии, поэтому содержание данного металла в сплавах, предназначенных для горячей обработки давлением, не должно быть более 0,01 %. Примеси висмута, мышьяка, сурьмы, серы, фосфора являются очень вредными и их концентрации в данных сплавах не следует увеличивать выше 0,002 %.

Свинцовые бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и применяются для изготовления высоконагруженных подшипников с большим удельным давлением.

Состав сплавов, способы их получения и изготовления готовых изделий выбираются в зависимости от назначения, условий эксплуатации и предъявляемых к ним требований.

По способу производства все бронзы делят на две группы: литейные и деформируемые.

Литейные сплавы предназначены для получения деталей путем литья в песчаные формы, в кокиль, центробежным способом и по выплавляемым моделям. Они широко применяются для изготовления различной арматуры, антифрикционных деталей, для художественного литья и других целей. Это в основном оловянные бронзы.

Деформируемые сплавы - это материал для производства поковок, фасонных профилей, прутков различного сечения, полос, лент, листов, проволоки и труб. Их изготавливают ковкой, прессованием, горячей и холодной прокаткой.

Из оловянистых бронз в качестве деформируемых материалов применяются сплавы, содержащие до 8 % Sn.

Легко обрабатываются давлением алюминиевые бронзы с концентра­цией Al до 12 %: алюминиевожелезные, алюминиевомарганцевые, алюминиевожелезоникелевые и др.

Хорошо поддаются обработке давлением кремнемарганцовистые (Бр.КМц3-1) и бериллиевые бронзы. Бериллиевые сплавы в закаленном состоянии обладают высокой пластичностью, а после отпуска приобретают высокую упругость, прочность и твердость.

В зависимости от назначения, физических, механических и других свойств деформируемую бронзу разделяют на жаропрочную, износостойкую, конструкционную, приборную, пружинную и т. д.

К жаропрочным бронзам относится целый ряд специальных сплавов: хромистые, хромоциркониевые, хромо-кадмиевые, хромоцинковые и др., а также кремнистоникелевые Бр.КН1-3 и алюминиевые – Бр.АЖН10-4-4. Они обладают хорошей прочностью при высоких температурах.

Износостойкая бронза применяется для изготовления деталей трения. К этой группе сплавов относятся оловянистые, алюминиевые, кремнистые и бериллиевые бронзы. Прутки из сплава марки Бр.ОФ6,5-0,15 применяются для подшипников, изготовляемых в виде втулок, работающих в условиях средней трудности по удельным давлениям и скоростям скольжения или при повышенных нагрузках и малых скоростях скольжения. По сравнению с литейными бронзами оловянистые деформируемые медно-оловянные сплавы имеют более низкую износостойкость.

Бронзы алюминиевые уступают оловянистым по сопротивлению заеданию и износостойкости. Однакоони обладают большей прочностью и твердостью. В условиях средней трудности и при хорошей смазке алюминиевые бронзы работают надежно. Из них изготовляют червячные передачи, направляющие втулки, неответственные подшипники в виде втулок и другие детали.

Бериллиевая бронза успешно применяется в условиях трения-качения, где недопустимы остаточные деформации материала (в шаровых сочленениях приборов и агрегатов и др.).

Бронза кремнистомарганцовистая в качестве коррозионно- и износостойкого материала используется для изготовления сеток и решеток, работающих в сточных водах, испарителях, дымовых фильтрах и т. д.

Конструкционная бронза употребляется для производства деталей, которые в процессе эксплуатации испытывают силовую нагрузку и от которых одновременно требуются коррозионная стойкость и специальные физические свойства. В данную группу сплавов входят алюминиевые, алюминиевожелезные и кремнемарганцовистые бронзы.

Полуфабрикаты из алюминиевых бронз, легированных железом, никелем и марганцем, нашли широкое применение для нагруженных деталей в различных конструкциях химических аппаратов, в судостроении, в авиации и общем машиностроении. Этому способствует сочетание в указанных сплавах высоких прочностных характеристик при наиболее значительных пластических свойствах иударной вязкости с повышенной коррозионной стойкостью.

Бронзы кремнемарганцовистая (Бр.КМц3-1) и кремнистоникелевая (Бр.КН1-3) при хорошей коррозионной стойкости и достаточно высокой прочности обладают значительной пластичностью. Из первых в отожженном состоянии изготовляют очень тонкие ленты (толщиной до 0,05мм). При холодной прокатке этот сплав нагартовывается и приобретает высокие упругие свойства.

Алюминиевожелезные (типа Бр.АЖН10-4-4) и кремнистоникелевые (Бр.КН1-3) бронзы, обладающие высокой жаропрочностью, применяются для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах.

Из приборной бронзы делают детали, приборы и аппараты. В зависимости от условий их эксплуатации в качестве материалов могут применяться различные высокопрочные конструкционные и пружинные бронзы.

Пружинные сплавы идут на производство пружин и пружинных деталей различного типа и назначения. В данном качестве могут выступать оловянистые Бр.ОФ6,5-0,15, Бр.ОФ4-0,25. Бр.ОЦ4-3, алюминиевые А7 и бериллиевые бронзы Бр.Б2, Бр.БНТ1,9 и Бр.БНТ1,7. Оловянистые и алюминиевые сплавы обладают повышенной упругостью и прочностью в нагартованном состоянии. Бериллиевые бронзы, мягкие и пластичные в закаленном состоянии, получают высокую упругость и твердость после отпуска.

Мягкая бронза легко штампуется и гнется. Мягкость сплавов достигается обработкой давлением и отжигом при высокой температуре для полного снятия внутренних напряжений и восстановления структуры. Их применяют тогда, когда по условиям технологии изготовления детали подвергаются дополнительной деформации (штамповке, гибке и так далее).

Полутвердая бронза применяется для изготовления мембран, флянцев, тросов и других деталей крепления, от которых требуется повышенная прочность. При повышенной прочности и твердости они сохраняют достаточную пластичность для обработки штамповкой. Для получения необходимых свойств их подвергают обработке давлением со средними степенями деформации 10 – 30 %.

Твердая бронза обрабатывается давлением со степенями деформации 30 – 50 %. Она обладает повышенной прочностью, твердостью и упругостью, низкой пластичностью и применяется для изготовления пружин, контактов, втулок и других деталей.

Особо твердая бронза имеет высокие пределы упругости, прочности и твердости и пониженную пластичность. Требуемые свойства сплав приобре­тает после обработки давлением с высокой степенью деформации (более 50 %).

Сплавы, в которых основными компонентами являются медь и цинк, называют латунями. Они обладают достаточно высокими механическими и технологическими свойствами и коррозионной стойкостью. Практическое применение в технике имеют латуни с содержанием цинка до 45 – 50 %. При его концентрации до 39 % латунь имеет структуру однофазного твердого раствора цинка в меди, называемую a-латунью. Структура латуней, содержащих цинк в пределах от 39 до 43 %, состоит из смеси кристаллов двух твердых растворов a + b. При концентрации цинка более 50 % образуется твердый раствор g, обладающий высокой хрупкостью. Максимальной пластичностью обладает латунь, содержащая примерно 32 % Zn, а максимальной прочностью - сплав, содержащий 45 % Zn. Латуни, структура которых состоит только из a-pacтвора, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Сплавы, имеющие двухфазную структуру a+b, обладают повышенной твердостью, хорошо обрабатываются в горячем состоянии, но в холодном - пластичность их очень мала.

Температуры начала и конца кристаллизации латуней лежат близко друг от друга. Этим объясняется особенность их литейных свойств - малая склонность к ликвации, хорошая жидкотекучесть, способность к образованию концентрированной усадочной раковины. Обработка латуней давлением имеет ряд особенностей.

Твердый раствор b-латуней при температуре выше 500 °С обладает большей пластичностью и меньшей прочностью, чем a-латуни, в то время как при комнатной температуре наоборот. В связи с этим для прокатки в горячем состоянии наиболее пригодны латуни, структура которых состоит из b-раствора или a + b-раствора.

При обработке давлением в холодном состоянии латуни получают значительный наклеп и для снятия напряжений их подвергают отжигу. Свойства латуней и величина зерна ее структуры находятся в зависимости от температуры и продолжительности отжига, а также от степени предшествующей деформации. Для получения мелкого зерна в a-латунях требуется температура отжига в пределах 350 – 450 °С.

В интервале температур 200 – 600 °С у латуней появляется хрупкость, связанная с образованием примесями свинца, сурьмы и висмута хрупких межкристаллитных прослоек. С повышением температуры эти прослойки растворяются и пластичность латуней резко возрастает.

Атмосферные условия, сухой пар, пресная и морская вода, сухие газы, уксусная кислота в спокойном состоянии, сухой четыреххлористый углерод, фторированные органические соединения, хлористый метил и бромозамещенные соединения при отсутствии влаги не вызывают заметной коррозии латуни. Они сильно корродируют при действии рудничных вод, растворов йодистых солей, азотной, соляной, фосфорной и жирных кислот, серного ангидрида, сероводорода, растворов едких щелочей и аммиака. Их скорость коррозии резко возрастает при повышении температуры в морской и пресной воде и других перечисленных средах. Значительно повышается степень коррозии латуней в газах с увеличением их влажности.

Большой ущерб промышленности наносится обесцинкованием и коррозионным растрескиванием латуней, которое происходит при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих напряжений. Склонность сплавов к коррозионному растрескиванию возрастает с повышением содержания цинка и с увеличением до известного предела растягивающих напряжений. Мало чувствительны к нему латуни, содержащие менее 7 % Zn. В сплавах с высоким содержанием цинка оно наблюдается относительно редко, если только внутренние напряжения менее 6 кГ/мм².

Коррозионное растрескивание нагартованной латуни может наблюдаться и при лежании во влажной атмосфере. Этот вид коррозии в сильной степени зависит от влажности атмосферы и проявляется во все времена года не одинаково интенсивно, поэтому ее иногда называют «сезонным растрескиванием».

Медноцинковые сплавы, содержащие кроме меди и цинка, добавки алюминия, железа, марганца, свинца, никеля и других элементов, называют специальными латунями. Они обладают повышенной коррозионной стойкостью, лучшими технологическими и механическими свойствами, а также особыми специальными свойствами.

Специальные латуни в зависимости от основного легирующего компонента обычно носят и соответствующие названия: алюминиевая, кремнистая, марганцовистая, никелевая, свинцовистая и т. д.

Алюминиевые латуни находят применение в качестве коррозионно- и жаростойкого материала. При введении в латуни алюминия резко повышаются прочность, твердость и коррозионную стойкость сплава в отношении атмосферной коррозии, но понижается его пластичность. Однако алюминиевые латуни менее устойчивы к морской воде. Кроме того, они сравнительно сильно подвержены коррозионному растрескиванию. Поэтому такие латуни не рекомендуются для длительного хранения. Также введение алюминия ухудшает способность латуней к пайке и лужению. Алюминиевые латуни употребляются в качестве материала для конденсаторных трубок, шестерней, различных труб, втулок, всевозможных деталей в авиационной и других отраслях промышленности. Наибольший практический интерес представляют латуни, содержащие до 4 % А1, которые хорошо обрабатываются давлением.

Кремнистые латуни обладают более высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде, чем простые сплавы данного типа. Под влиянием кремния значительно повышаются механические и литейные свойства сплава, а также улучшается технологический процесс сварки и пайки. В латунях с повышенным содержанием цинка кремний значительно увеличивает твердость и уменьшает пластичность. Примеси алюминия, железа, сурьмы, мышьяка и фосфора в кремнистых латунях являются вредными, так как ухудшают антифрикционные, коррозионные, литейные и другие свойства латуней. Из них изготавливают поковки и штамповки, литую арматуру, шестерни и детали морских судов, литые подшипники и втулки.

Марганцовистые латуни характеризуются более высокой прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью по сравнению с простыми медноцинковыми сплавами. При содержании марганца в латунях до 4 % значительно повышаются временное сопротивление, пределы пропорциональности и упругости без уменьшения пластичности. Понижение относительного удлинения, ударной вязкости наблюдается при содержании в латунях марганца выше 4 %. Марганцевые латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Стойкость их к воздействию хлоридов, морской воды и перегретого пара значительно выше, чем у обычных латуней. Склонность марганцевых латуней к коррозионному растрескиванию весьма значительна. Их используют в виде полос, листов, прутков, а также поковок в судостроении и в других отраслях промышленности.

Никелевые латуни обладают хорошей коррозионной стойкостью, повышенными механическими свойствами и выносливостью против истирания, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Под влиянием никеля у латуней повышается коррозионная стойкость в атмосферных условиях, морской воде и в условиях бактериологической коррозии, а такжe резко уменьшается склонность к коррозионному растрескиванию. Они применяются для изготовления конденсаторных трубок морских судов, манометрических трубок, сеток бумагоделательных машин и других изделий.

Свинцовистые латуни относятся к числу автоматных. Они хорошо обрабатываются резанием, обладают повышенными антифрикционными свойствами и хорошо деформируются в холодном состоянии. Значительная часть существующих марок свинцовистых латуней относится к группе специальных, носящих название мунц-металл. Коррозионная стойкость латуней резко повышается в условиях воздействия морской воды при добавке в них 0,5 - 1,5 % Sn «морские латуни». Они имеют удовлетворительные механические, технологические и литейные свойства и по химическому составу относятся к оловянным латуням. Наибольшее применение имеют латуни марок ЛО70-1 и ЛО62-1. Из первых производят трубки конденсаторов морских судов и различной теплотехнической аппаратуры. Латунь марки ЛО62-1 используется для изготовления деталей, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость. Выпускается она в виде полос, листов и прутков.

Добавка в латуни железа повышает механические и технологические свойства сплава главным образом вследствие того, что задерживает его ре­кристаллизацию и способствует получению мелкого зерна. При содержании железа более 0,03% латуни становятся магнитными. Поэтому для получения антимагнитных сплавов концентрация железа допускается не выше указан­ного значения. Особо благоприятное влияние на повышение механических свойств и улучшение коррозионной стойкости оказывает железо в сочетании с марганцем, никелем и алюминием.

Сурьма и сера сильно ухудшают качество латуней. Примеси сурьмы вызывают разрушение сплавов при обработке давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Под влиянием сурьмы увеличивается склонность латуней к коррозионному растрескиванию.

При большом содержании As (более 0,5%) сплавы в значительной мере теряют пластичность за счет образования на границах зерен хрупких прослоек химического соединения. Вместе с тем содержание мышьяка до 0,02% предохраняет латуни от обесцинкования, что повышает коррозионную стойкость их в морской воде.

Небольшие количества фосфора повышают механические свойства латуней и способствуют измельчению зерна в литье. При большом его содержании он выделяется в виде отдельной фазы, увеличивая твердость и снижая пластичность латуней.

В зависимости от способа изготовления изделий и полуфабрикатов из латуни сплавы разделяют на литейные и деформируемые.

Литейные латуни предназначаются для отливки различных коррозионностойких, антифрикционных и других деталей.

Деформируемые латуни подвергают всем видам горячей и холодной обработки давлением.

Изменяя режимы обработки давлением, получают латуни с различными механическими свойствами: мягкие, твердые и мягко-твердые.

Мягкая латунь обладает высокой пластичностью. Достигается это обработкой давлением в отожженном состоянии. Степень мягкости характеризуется величиной предела прочности и относительного удлинения, а для лент и листов - глубиной продавливания по Эриксону.

Твердая латунь характеризуется повышенной прочностью (твердостью) и пластичностью. Первая достигается обработкой давлением с высокими степенями обжатия (упрочнением). Обычно требуемые механические свойства полуфабрикатов получаются при степени нагартовки не менее 30 %.

Особо твердая латунь изготавливается холодной обработкой давлением (прокаткой и волочением) с высокой степенью деформации. Таким путем из латуни производят ленты и полосы с временным сопротивлением не менее 6 2кГ/мм² и относительным удлинением не менее 2,5 %.

Также широко применяются различные медноникелевые сплавы, их условно разделяют на конструкционные и электротехнические. К конструкционным материалам относятся сплавы типов мельхиор, нейзильбер и куниаль.

Маркируют данные сплавы следующим образом: начальной буквой М - медь, после чего следуют первые заглавные буквы основных элементов, как при обозначении бронз и латуней. Например, МНЖМц30-0,8-1 – 29 – 33 % никеля и кобальта, 0,69 – 1,00 % железа, 0,8 – 1,0 % марганца и остальное медь.

Мельхиоры обладают высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде,сухих газах и в атмосферных условиях, они хорошо противостоят действию щелочных растворов солей и органических соединений. По структуре они представляют собой твердые растворы металлов-добавок в меди, и поэтому хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях.

Мельхиор марки МНЖМц30-0,8-1,0 имеет большую стойкость в среде парового конденсата. По устойчивости против действия ударной (турбулентной) коррозии он превосходит практически все другие известные сплавы. Благодаря этим свойствам он применяется для конденсаторных труб морских судов, работающих в особо тяжелых условиях. Мягкие конденсаторные трубы, изготовляемые из него, имеют временное сопротивление не менее 38 кГ/мм² и относительное удлинение в пределах 23 %, а полутвердые трубы 50 кГ/мм² и 10 % соответственно.

Сплав марки МН19 применяется для изготовления монет, деталей точной механики, медицинских инструментов, сеток, столовой посуды и других изделий.

Нейзильбер - сплав, обладающий наилучшими свойствами из группы тройных сплавов меди с никелем и цинком. Он представляет собой твердый раствор данных элементов в меди, обладает хорошей коррозионной стойкостью, красивым серебристым цветом, повышенной прочностью и удовлетворительной пластичностью в холодном и горячем состояниях. На воздухе нейзильбер не окисляется и достаточно стоек в растворах солей и органических кислот. Применяется этот сплав для изготовления медицинских инструментов, технической посуды, телефонной аппаратуры, паровой и водяной арматуры, изделий санитарной техники, точной механики, бытовой посуды и художественных изделий. Полуфабрикаты из нейзильбера поставляются в виде полос, лент, прутков и проволоки.

Мягкие нейзильберовые полосы имеют временное сопротивление не менее 55кГ/мм² и относительное удлинение 1 %. Особо твердые ленты обладают временным сопротивлением более 70 кГ/мм². Данный параметр мягкой нейзильберовой проволоки составляет не менее 35 кГ/мм², полутвердой - не менее 45 кГ/мм² и твердой - не менее 65 кГ/мм².

Куниаль А - сплав меди с никелем и алюминием.Он хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состояниях. Полуфабрикаты из него производят в виде спрессованных прутков с временным сопротивлением и относительным удлинением не менее 70 кГ/мм² и 7 % соответственно.

Куниаль Б обладает хорошей коррозионной стойкостью. Полуфабрикаты из данного сплава изготовляют в виде полос толщиной 0,5 – 3,0 мм; имеющих соответственно временное сопротивление и относительное удлинение не менее 56 кГ/мм² и 3 %. Их используют для изготовления различных пружин.

Группу электротехнических медноникелевых сплавов составляют таковые типов ТП, ТБ, копель, константан и манганин.

Сплав ТП (МН0,6) применяется для производства компенсационных проводов к платина-платинородиевой термопаре, а из ТБ (МН16) - к платина-золотой и палладий-платинородиевой термопарам.

Копель (МНМц43-0,5) - сплав, употребляемый в качестве отрицательного термоэлектрода термопар хромель-копель и железо-копель, а также в виде компенсационных проводов. Он имеет максимальную термоэлектродвижущую силу по сравнению с другими медноникелевыми сплавами такого же назначения и практически нулевой температурный коэффициент электросопротивления. Этот сплав является также хорошим материалом для реостатов и нагревательных устройств с рабочей температурой до 600 °С.

Константан (МНМц40-1,5) отличается высокой термоэлектродвижущей силой, малым температурным коэффициентом и постоянным электросопротивлением. Он используется для реостатов, термопар, нагревательных приборов с рабочей температурой до 500 °С. Его температурный коэффициент электросопротивления в интервале 20 – 100 °С составляет 2×10^-6 град^-1.

Манганин (МНМц5-12) широко применяют в качестве прецизионного материала с высоким омическим сопротивлением. В паре с медью он обладает незначительной термоэлектродвижущей силой, что позволяет почти полностью избавиться от термотоков. При 20 °С электросопротивление манганиновых лент, полос и проволоки составляет 0,42 - 0,48 Ом×мм²/м.

Контрольные вопросы к лекции №13

1. Каковы структура и свойства меди и медных сплавов?

2. Каковы области применения медных сплавов?

3. Чем можно объяснить коррозионную стойкость медных сплавов?

Дата добавления: 2014-01-11