Сплавы на основе меди

Сплавы на основе меди

Медь – металл красновато-розового цвета. По применению в промышленности она занимает одно из первых мест среди цветных металлов. Температура плавления меди 1083 С. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая. Аллотропических превращений медь не имеет. Плотность меди 8,96 г/см, ее твердость почти в 2 раза ниже, чем у железа.

Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы, ленту. Из меди получают тонкую проволоку, трубки небольшого диаметра, она легко полируется, хорошо паяется и сваривается.

Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. По электропроводимости она лишь незначительно уступает серебру. Поэтому значительная часть всей выплавляемой меди используется электротехнической промышленностью для производства электрических проводов и кабелей.

Важное значение имеет степень чистоты меди, поскольку при наличии даже небольшого количества примесей электрические свойства меди существенно понижаются. Поэтому в качестве проводникового материала используют электролитическую медь марок М1 (99,9%), М0 (99,95%) и особо чистую медь М00 (99,99%).

Недостатками меди являются высокая плотность, плохая обрабатываемость резанием и низкие литейные качества.

В качестве конструкционного материала чистая медь в технике практически не применяется. Легирование меди позволяет получать на ее основе различные технические сплавы, обладающие хорошими механическими, технологическими и эксплутационными свойствами. В качестве легирующих добавок используют цинк, олово, свинец, алюминий, марганец, бериллий, никель и другие элементы.

Наиболее распространенными конструкционными сплавами на основе меди являются латуни и бронзы.

Латунями называют группу сплавов меди с цинком. Механическая прочность латуней выше, чем меди. Все латуни хорошо обрабатываются резанием.

Влияние химического состава латуней на их механические свойства показано на рис.25. При содержании цинка примерно до 30% увеличиваются одновременно и прочность, и пластичность. После этого пластичность резко снижается. Прочность латуней увеличивается до содержания цинка около 45%, а затем снижается также резко, как и пластичность. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.

В технике наибольшее применение нашли латуни, содержащие цинка 30…38%. Эти латуни достаточно пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, проявляют высокую коррозионную стойкость к различным агрессивным средам.

Чем больше меди в латуни, тем она более пластична, выше ее коррозионная стойкость, теплопроводность и электропроводимость. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют от 20 до 50% от характеристик меди.

Все латуни имеют хорошие литейные свойства – высокую жидкотекучесть, малую усадку, небольшую ликвацию.

Для повышения механических свойств и химической стойкости производят легирование латуней. С этой целью в их состав дополнительно вводят различные легирующие элементы: свинец, олово, алюминий, кремний, марганец и др. Свинец улучшает обработку латуней резанием и антифрикционные свойства. Марганец и, особенно, олово повышают прочностные свойства латуней и их коррозионную стойкость. Кремний увеличивает твердость и прочность, улучшает литейные свойства. Кремнистые латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются и соединяются с помощью различных припоев.

Выпускают латуни в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготавливают, например, радиаторные трубки, снарядные гильзы, трубопроводы, а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и т.п.).

Латуни обозначаются буквой Л (латунь) и числом, показывающим среднее содержание меди в процентах. Например, в латуни Л85 содержится 85% меди и 15% цинка. В марках латуней сложного состава имеются буквы, указывающие на содержание соответствующих легирующих элементов. Алюминий в медных сплавах обозначают буквой А, олово – О, свинец – С, железо – Ж, марганец –Мц, никель – Н, кремний – К. Например, в латуни ЛАН59-3-2 содержится в среднем 59% меди, 3% алюминия и 2% никеля (остальное цинк).

Двойные латуни марок Л96 и Л90, имеющие наибольшую массовую долю меди (88…97%), называются томпаками. Томпак Л90, например, имеет высокую коррозионную стойкость, обладает достаточно хорошими литейными и механическими свойствами, имеет хорошую свариваемость со сталью. Латуни, имеющие массовую долю меди 79…86%, называются полутомпаками (марки Л85, Л80). Они несколько дешевле томпаков, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Бронзами называют сплавы на основе меди с добавками олова, алюминия, свинца, кремния, бериллия и других элементов. В состав бронз может входить и цинк, при этом он не является основной добавкой.

Маркируют бронзы буквами Бр. Далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов, а содержание меди определяется как разность от 100%. Например, в бронзе марки Бр.АЖН10-4-4 содержится в среднем 10% алюминия, 4% железа, 4% никеля и остальное медь (82%). Элементы обозначаются так же, как и в латунях.

Бронзы обладают хорошими литейными свойствами, их усадка при литье почти в 3 раза меньше, чем у стальных отливок. Некоторые бронзы имеют достаточную пластичность и могут обрабатываться давлением. В отличие от латуней все бронзы хорошо обрабатываются резанием. Большинство бронз обладает хорошей коррозионной стойкостью. Многие бронзы имеют хорошие антифрикционные свойства, поэтому используются как подшипниковые материалы.

Бронзы получают название по основным элементам, входящим в их состав. Важнейшими являются оловянистые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и никелевые. Одной из давно известных человечеству бронз является оловянистая. Она обладает высокими литейными и антифрикционными свойствами, поэтому используется в основном для художественного литья и как подшипниковый материал в узлах трения машин и механизмов. Однако эта бронза сравнительно дорогая из-за высокой дефицитности и стоимости олова, содержание которого обычно не превышает 3…6%.

Для удешевления в большинство промышленных бронз вводят свинец, цинк, алюминий и другие элементы. Добавки свинца снижают стоимость оловянистых бронз и улучшают их обрабатываемость резанием. Однако механические свойства при этом снижаются.

Алюминиевые бронзы характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, имеют высокие механические свойства. Однако эти сплавы имеют достаточно высокую литейную усадку (2,3%). Кроме того, у некоторых алюминиевых бронз недостаточно высокая коррозионная стойкость.

Бериллиевые бронзы обладают комплексом уникальных свойств, отличающих от других сплавов на основе меди. Эти бронзы имеют высокую химическую стойкость, упругость, износоустойчивость. После термической обработки они приобретают высокую прочность и твердость. Бериллиевые бронзы хорошо свариваются, обрабатываются резанием и подвергаются горячей обработке давлением.

Из этих бронз изготавливают такие детали точного приборостроения, как пружины, мембраны, пружинящие элементы электронных устройств, а также детали, работающие на истирание.

Кремнистые бронзы содержат до 3% кремния. Они характеризуются хорошими механическими свойствами, высокой упругостью и выносливостью, успешно поддаются обработке литьем и давлением в горячем состоянии. Во многих случаях они успешно заменяют оловянистые бронзы при изготовлении деталей подшипниковых узлов.

Сплавы меди с никелем и другими легирующими элементами называют мельхиорами. Эти сплавы представляют собой по существу бронзы особого вида. Принцип маркировки таких сплавов аналогичен, как и для латуней и бронз. Например, мельхиор МНЖМц30-1-1 содержит около 30% никеля, до 1% железа и марганца, остальное – медь. Эти сплавы используют для изготовления монет, столовой посуды, деталей точной механики и др.

Медные сплавы с повышенным электрическим сопротивлением называют константанами. Такие сплавы (например, МНМц40-1,5) используют для изготовления катушек сопротивления, реостатов, термопар, а также нагревательных элементов электрических приборов и печей.

Термическая обработка

Термической обработкой (термообработкой) называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутренней структуры. Так как основными параметрами термической обработки являются температура и время, то любой процесс термообработки может быть представлен графиком в координатах “температура-время”. Если термическая обработка состоит только из одной операции (нагрев-выдержка-охлаждение), то она называется простой, а если из нескольких операций - сложной.

Графики термической обработки: простой и сложной

Основными видами термической обработки являются: Отжиг Нормализация Отпуск Старение Закалка

Отжиг заключается в нагреве сталей до температур выше фазового превращения с последующей выдержкой и медленным охлаждением сплава вместе с печью. В результате отжига получают структуру перлит с ферритом или цементитом, и сталь приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость.

Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат, заготовки из углеродистой и легированной стали.

Различают следующие виды отжига: неполный, полный, низкотемпературный, диффузионный и рекристализационный.

Если после нагрева охлаждение происходит не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. Получаемая структура после нормализации – мелкопластинчатая перлитного класса (перлит, сорбит, троостит).

Для низкоуглеродистых сталей структура и свойства после отжига и нормализации ничем не отличаются. При этом операция нормализации дешевле отжига. По этой причине для низкоуглеродистых сталей рациональней проводит нормализацию. Отличия в структуре появляются с повышением содержания углерода. Также существенно может отличаться структура после отжига и нормализации у легированных сталей.

Закалка – нагрев стали до температур выше фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической. Цель закалки – придать стали большую твердость. После закалки сталь приобретает неравновесную метастабильную структуру и обладает высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и повышенной хрупкостью. Закалка не является окончательным видом термической обработки.

Для устранения избыточных напряжений и повышенной хрупкости сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением.

В результате отпуска структура стали переходит к более равновесному состоянию, твердость снижается, а пластичность повышается.

В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на: низкий (150–250 ^оС), средний (300-450 ^оС), высокий (500-700 ^оС).

С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.

Самопроизвольный отпуск закаленных сталей при незначительном нагреве или без него, наблюдающийся с течением времени называют старением.

Улучшение. Закалку в сочетании с высоким отпуском называют улучшением. Его назначение – измельчение структуры, повышение механических свойств и повышение обрабатываемости стали резанием.

Легирование стали

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы (хром, никель, кобальт, молибден, титан, вольфрам и др.). Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств.

По своему воздействию  на структуру стали легирующие элементы делятся на 2 класса: - первые расширяют гамма-область и сужают альфа-область - вторые наоборот – сужают гамма-область и расширяют альфа-область

Легированные стали классифицируют: - по структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе - по типу легирующих элементов и их процентному содержанию - по качеству - по назначению

По структуре в равновесном состоянии разделяют на: - доэвтектоидные - эвтектоидные - заэвтектоидные

После охлаждения на воздухе структура стали может измениться. По структуре в нормализованном состоянии легированные стали подразделяют на: - перлитные - аустенитные - мартенситные

По типу легирующих элементов стали подразделяют на хромовые, никелевые и т.д. Современные легированные стали – сложнолегированные.

По общему процентному содержанию легирующих элементов легированные стали разделяют на: - низколегированные – 5-10% - среднелегированные – 10% - высоколегированные – более 10%

Все легированные стали являются качественными сталями. Но бывают высококачественные и особо высококачественные.

Все легированные стали подвергаются термообработке, которая существенно улучшает структуру и форму. Использование без термообработки нерационально.

По назначению стали делят на: - конструкционные - инструментальные - стали специального назначения

Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей зависит от их назначения. В основе маркировки легированных сталей лежит буквенно-цифровой метод. В начале марки конструкционных легированных сталей (гост 4543-71) ставятся цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента.                               Далее идут большие буквы, обозначающие тот или иной легирующий элемент:

Х – хром	Б - ниобий
Н – никель	Д – медь
К – кобальт	Г – марганец
М – молибден	Р – бор
Т – титан	Ю – алюминий
В – вольфрам	Ф – ванадий
А – азот	С - кремний

После буквы может стоять цифра, которая обозначает среднее округленное до целого процентное содержание соответствующего легирующего элемента. Если цифры нет, то содержание легирующего элемента около 1% (или менее).

Если буква А стоит в середине марки стали – она означает присутствие в стали азота как легирующего элемента. Если буква А стоит в конце марки – сталь высококачественная. У особо высококачественной стали ставится буква Ш в конце марки.

40ХН3МФА – конструкционная легированная сталь со средним содержанием углерода 0,4%, ~1% хрома, ~3% никеля, ~1% молибдена, ~1% ванадия, высококачественная.

18ХГТ – конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,18% и по 1% (приблизительно) хрома, марганца и титана.

В начале марки инструментальных легированных сталей (ГОСТ 5950-2000) первая цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если цифра не стоит, то содержание углерода в этой стали 1% и более. Затем следуют буквы и цифры, обозначающие тоже самое, что и у конструкционных легированных сталей. Легирующие элементы, которые вводят в инструментальные стали увеличивают теплостойкость, закаливаемость, вязкость, износостойкость.

ХВГ – инструментальная легированная сталь, углерода более 1%, приблизительно около 1% хрома, вольфрама, марганца.

Стали специального назначения маркируются несколько иначе. В начале марки – большая буква русского алфавита, обозначающая назначение стали:

А – автоматная

Э – электротехническая

Ш – шарикоподшипниковая

Р - быстрорежущая

После буквы ставятся цифры, обозначающие среднее, округленное до целого, содержание ведущего легирующего элемента. Для электротехнических сталей это кремний, для быстрорежущих (используются для изготовления режущего инструмента) – вольфрам.

Р18 – быстрорежущая сталь, 18% вольфрама

Р6М5К4 – быстрорежущая сталь, содержание вольфрама 6%, молибдена 5%, 4% кобальта.