Мідь і її сплави

Мідь – метал червоного, а у зломі рожевого - кольору. Її атомний номер 29, атомна маса 63,54, температура плавлення 1083^оС, кристалічна гратка-ГЦК з періодом 0,31607 нм, густина 8,94 г/см³. Характерною особливістю міді є її висока електропровідність (r=0,0178 Ом см²/м), тому вона широко використовується в електротехніці.

Механічні властивості чистої міді відносно низькі: s_В=250 МПа, твердість 45НВ, d=50%, тому як конструкційний матеріал її застосовують дуже рідко. Підвищення механічних властивостей досягається утворенням різних сплавів на мідній основі. Широке застосування як конструкційний матеріал в техніці мають латуні (сплави міді з цинком) і бронзи (сплави міді з іншими елементами: Sn, Pb, Si, Al, Be, Cr, Zr).

Латуні – це мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. На рис.9.3 наведена діаграма стану Cu-Zn. Відповідно до неї при вмісті цинку до 39% латуні мають структуру однофазного a-твердого розчину цинку в міді. Такі латуні мають високу пластичність, добре оброблюються тиском при низьких і високих температурах. Максимальну пластичність мають латуні, що містять ~37%Zn.

При вмісті Zn>39% у структурі латуні з’являється b¢-фаза – впорядкований твердий розчин на основі електронної сполуки CuZn, тобто структура латуні стає двофазною (a+b¢). Такі латуні мають підвищену міцність і твердість, але низьку пластичність.

Практичне застосування в техніці мають латуні з вмістом до 45%Zn.

Для підвищення механічних властивостей та хімічної стійкості латуней до них часто додають легуючі елементи: Al, Ni, Mn, Si, Sn тощо. Al, Mn, Fe, Si підвищують міцність і твердість латуні, однак при цьому знижують її пластичність. Al, Mn, Sn, Ni підвищують корозійну стійкість латуней.

За технологічною ознакою латуні поділяються на ті, що деформуються та ливарні.

Латуні, що деформуються, використовують для виготовлення виробів і напівфабрикатів обробкою тиском. Двокомпонентні латуні маркуються літерою Л і числом, що вказує вміст міді у сплаві, %, наприклад, Л96, Л90, Л62. У латуні марки Л90 вміст міді становить 90%, решта (10%) – Zn. Якщо латунь додатково легована іншими елементами, то після літери Л ставляться літери, що вказують легуючі елементи, а після них число, що вказує вміст міді в %, та числа, які вказують вміст легуючих елементів (у тому ж порядку). Легуючі елементи у марках позначаються звичайно початковими літерами назви елементів: А-Al, O-Sn, C-Pb, Мц-Mn, Ф-Р, Ж-Fe, H-Ni і тд. Наприклад, ЛЖМц 59-1-1 – це латунь, що містить 59%Cu, 1%Fe, 1%Mn.

Рис. 9.3. Діаграма стану Cu-Zn

Ливарні латуні використовуються для фасонного лиття. Це в основному складнолеговані сплави. Легуючі елементи впливають на ливарні властивості латуней по різному. Наприклад, Fe, Mn знижують рідкотекучість, а Sn (до 2,5%) підвищує її. Ливарні латуні маркуються дещо інакше: після літери Л ставлять літеру Ц (цинк) та число, що вказує вміст цинку в сплаві, %, потім літери та числа, які вказують легуючі елементи та їх вміст у %, наприклад, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – це ливарна латунь, що містить 23%Zn, 6%Al, 3%Fe, 2%Mn, решта – Cu.

Бронзи – це сплави міді з оловом, алюмінієм, кремнієм та іншими елементами (крім цинку). В залежності від основного легуючого елементу бронзи бувають олов’янисті, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві, хромові та цирконієві, а за технологічною ознакою – ливарні і ті, що деформуються.

Бронзи мають добрі ливарні властивості. Їх усадка при литті в три рази менша, ніж у стальних виливках. Більшість бронз мають достатньо високу корозійну стійкість. Вони широко використовуються як антифрикційні сплави.

Маркують бронзи літерами Бр, за якими слідують літери, що вказують легуючі елементи, та числа, що вказують їх процентний вміст. Позначення легуючих елементів у бронзах співпадають з їх позначенням у латунях. Наприклад, марка бронзи БрОЦС5-5-5 – це бронза, що деформується, з вмістом 5%Sn, 5%Zn, 5%Pb, решта (85%) – мідь. У марках ливарних бронз числа, що вказують вміст легуючих елементів, ставлять відразу за відповідною літерою, наприклад, БрО5Ц5С5 – це ливарна бронза, що містить 5%Sn, 5%Zn і 5%Pb, решта – мідь.

Олов’янисті бронзи – це сплави міді з оловом та іншими елементами: Zn, Pb, Ni, P. При кристалізації олов’янистих бронз (рис. 9,4) утворюються такі тверді фази: a-твердий розчин олова в міді; b-твердий розчин на базі електронної сполуки Cu₅Sn; d- електронна сполука Cu₃₁Sn ₈; g-твердий розчин на базі хімічної сполуки; e-електронна сполука Cu₃Sn; h -хімічна сполука Cu₆Sn₅.

Рис. 9.4. Діаграма стану сплавів Cu-Sn

Олов’янисті бронзи за структурою поділяються на однофазні (a) та двофазні (a+d). Звичайно d-фаза виділяється при вмісті олова більше 6%. Вона підвищує твердість і крихкість бронз. Тому бронзи з вмістом 6%Sn не піддаються деформуванню і їх використовують у литому стані.

Характерною особливістю олов’янистих бронз є дуже мала усадка, тому їх використовують для отримання найбільш складних за конфігурацією відливків. Але вони мають невисоку рідкотекучість і не утворюють при кристалізації концентровану усадочну раковину, що пов’язано зі значною різницею в температурах між лініями ліквідус і солідус.

Механічні властивості олов’янистих бронз суттєво залежать від вмісту олова. Пластичність їх різко починає знижуватись при 5%Sn, а міцність – при ~25%Sn.

У промисловості застосовують бронзи, що містять до 10...12%Sn Завдяки їх високій хімічній стійкості з них виготовляють парову і водяну арматуру. Крім того з них виготовляють вкладиші підшипників ковзання, тобто використовують як антифрикційний матеріал. До складу олов’янистих бронз часто додають Zn (для зниження вартості) і свинець (для підвищення оброблюваності). Марки олов’янистих бронз: БрО10 – це бронза (Бр), олов’яниста (О ), 10%Sn, решта (90%) – мідь; БрОЦС5-5-5.

Алюмінієві бронзи – це сплави міді з алюмінієм, які додатково можуть бути леговані Ni, Mn, Fe та ін. Вони мають добрі технологічні і механічні властивості та не містять в собі дефіцитних складових.

У рівноважному стані (рис.9.5) мідь з Al утворює обмежений a-твердий розчин з граничною розчинністю при нормальній температурі (20^оС) 9,4% Al. При вмісті понад 9,4%Al в сплавах Cu з Al при температурі 565^оС відбувається евтектоїдне перетворення, в результаті якого утворюється механічна суміш a-твердого розчину і крихкої g¢-фази (Cu₃₂Al₁₉) – евтектоїд: b®a+g¢.

Рис. 9.5. Діаграма стану сплавів Cu-Al

В залежності від структури алюмінієві бронзи поділяються на одно (a)– і дво (a+g ¢)–фазні.

Однофазні Al–бронзи (<7...8% Al) добре деформуються пластично як у холодному, так і в гарячому стані, корозійностійкі, мають високі механічні та добрі ливарні властивості. До однофазних належать, наприклад, бронзи БрА5, БрА7.

Двофазні бронзи (>9...11% Al) характеризуються більш високою міцністю і крихкістю. Їх можна піддавати гартуванню і старінню. Наприклад, бронза БрАЖН10-4-4 зміцнюється гартуванням з температури 980^оС і штучним старінням при 400^оС. Після такої обробки твердість підвищується в два рази – з 200НВ до 400НВ.

З алюмінієвих бронз виготовляють литтям і обробкою тиском відповідальні деталі машин: шестерні, втулки, фланці.

Кремнієві бронзи – це сплави міді з кремнієм. Їх застосовують як замінник олов’янистих бронз. Вони характеризуються більшою усадкою, ніж олов’янисті бронзи, вищими корозійною стійкістю і механічними властивостями, а також високою пружністю. До кремнієвих належать бронзи БрК4, БрКМц3-1.

Берилієві бронзи – це сплави міді з берилієм. Вони характеризуються високими механічними, зокрема, пружними властивостями, стійкістю проти корозії. У промисловості застосовують берилієві бронзи, що містять 1,6...2,6% Ве, наприклад, БрБ2, БрБ2,5.

Рис. 9.6. Діаграма стану сплавів Cu-Be

Розчинність берилію в міді зі зниженням температури від 866^оС до 300^оС зменшується від 2,7 до 0,2% (рис. 9.6). Це використовують для отримання високої міцності та пружності берилієвих бронз методом дисперсійного зміцнення. Для цього їх піддають гартуванню з нагріванням до 760...800^оС і штучному старінню при 300...350^оС. При гартуванні утворюється пересичений твердий розчин берилію в міді з такими механічними характеристиками: s_В=450...560 МПа; 100НВ; d=30...40%. При старінні відбувається виділення із пересиченого твердого розчину дисперсних частинок g-фази (CuBe), внаслідок чого підвищується міцність (s_В=1250...1300 МПа), твердість (370НВ) і знижується пластичність (d=2...5%) бронзи.

Застосовують берилієві бронзи для виготовлення пружин, мембран, слюсарного інструменту та ін.

Свинцеві бронзи – це сплави міді зі свинцем. Вони використовуються як антифрикційний матеріал у підшипниках ковзання. Структура свинцевої бронзи БрС30 (30%Рb) складається з окремих зерен міді та свинцю. Високі антифрикційні властивості сплаву забезпечуються рівномірним вкрапленням свинцю в міді.

Хромові бронзи (БрХ0,5 ) – це сплави міді з хромом. Вони мають високі механічні властивості, добру електро- і теплопровідність, підвищену температуру рекристалізації (450...500^оС). Хромові бронзи містять 0,4...1% Cr і 0,2%Ag. Срібло підвищує механічні властивості і температуру рекристалізації бронз. Хромові бронзи зміцнюються гартуванням (950^оС) у воді і наступним штучним старінням (400^оС).

Цирконієві бронзи – це сплави міді з цирконієм, які містять 0,1...0,8% Zr, наприклад, БрЦр0,2; БрЦр0,7. Вони мають високу електро- і теплопровідність, що наближаються до аналогічних характеристик міді, і жароміцність.Цирконієві бронзи зміцнюються комплексною обробкою, яка складається з гартування (t_н=920^оС), холодного пластичного деформування (e£75%) і штучного старіння (t_н=450^оС), коли із a-твердого розчину виділяється зміцнююча фаза Cu₃Zr.

Хромові і цирконієві бронзи застосовують у двигунобудуванні. З них виготовляють внутрішній кожух рідинних ракетних двигунів.

Дата добавления: 2014-01-07