Материаловедение
Группа 22
Занятие № 18
Дата: 02 ноября 2020г.
Тема занятия «Медь и ее сплавы. Свойства, маркировка, применение»
Цели работы:
- изучить материал, связанный со свойствами, маркировкой и применением меди и ее сплавов;
- знать общую характеристику меди и её сплавов.
Изучение материала:
Медь и ее сплавы
Общая характеристика меди и её сплавов
Медь – металл без полиморфных превращений с кристаллической ГЦК решеткой. Температура плавления составляет 1083оС. При нагревании полиморфные превращения в меди отсутствуют. Плотность меди составляет 8940кг/м3.
Медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. По электрической проводимости и теплопроводности медь занимает второе место после серебра. Медь обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, едких щелочах, органических кислотах и других агрессивных средах, но взаимодействует с аммиаком и сернистыми газами.
Медь хорошо прокатывается в тонкие листы и ленту Холодная пластическая деформация (достигающая 90% и более) увеличивает прочность, твердость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую проводимость. При пластической деформации возникает текстура, вызывающая анизотропию механических свойств меди. Отжиг для снятия наклепа проводят при 550 – 600°С в восстановительной атмосфере, так как медь легко окисляется при нагреве.
К недостаткам меди относятся: невысокая прочность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.
В зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Сu), М0 (99,97% Сu), M1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,5% Сu).
Наиболее часто встречающиеся в меди элементы подразделяют на три группы.
К первой группе относятся растворимые в меди элементы Al, Fe, Ni, Sn, Zn, которые повышают прочность и твердость меди и используются для легирования сплавов на медной основе. Эти примеси резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди.
Вторую группу составляют нерастворимые в меди элементы РЬ и Bi, которые ухудшают механические свойства меди и однофазных сплавов на ее основе. Образуя легкоплавкие эвтектики (соответственно, при 326 и 270°С), располагающиеся по границам зерен основной фазы, они вызывают красноломкость сплавов.
Нерастворимые элементы О, S, Se, Те присутствуют в меди и ее сплавах в виде промежуточных фаз (например, Сu2О, Сu2S). Они составляют третью группу элементов и образуют с медью эвтектики с высокой температурой плавления, не вызывающих красноломкости. Кислород при отжиге меди в водороде вызывает «водородную болезнь», которая может привести к разрушению металла при обработке давлением или эксплуатации готовых деталей.
Для легирования медных сплавов в основном используют элементы, растворимые в меди, – Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Sn, Al) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. Относительное удлинение некоторых однофазных сплавов достигает 65%. По прочности медные сплавы уступают сталям. Временное сопротивление большинства сплавов меди лежит в интервале 300...500 МПа, что соответствует свойствам низкоуглеродистых нелегированных сталей в нормализованном состоянии. И только у наиболее прочных бериллиевых бронз после закалки и старения предел прочности составляет 1100...1200 МПа и соответствует уровню прочности среднеуглеродистых легированных сталей, подвергнутых термическому улучшению.
Медные сплавы подразделяются на две основные группы: латуни и бронзы.
Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых деталей. В медных сплавах алюминий обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, никель – Н, олово – О, свинец – С, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – X; марганец – Мц.
Латуни (сплавы меди с цинком) маркируют буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих, кроме меди и цинка, других элементов, за буквой Л ставится число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие на содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь Л68 содержит 68% Сu, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59% Сu, 3% А1; 2% Ni (остальное Zn). В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% Zn, 3% Mn и 1% Al.
Бронзы (сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка) обозначают буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие на их содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% А1, 4% Fe, остальное – Сu. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb, остальное – Сu.
Латуни
Медь с цинком образует a-твердый раствор с предельной концентрацией цинка 39% (рис.). При большем содержании цинка образуется электронное соединение CuZn (β-фаза) с кристаллической решеткой ОЦК. При 454…468°С (штриховая линия на диаграмме) наступает упорядочение β-фазы, а упорядоченный β-твердый раствор обозначается как β'-фаза.
Рисунок - Диаграмма состояния Cu-Zn
При наличии в структуре латуни только α-твердого раствора увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластичности. Появление β'-фазы сопровождается резким снижением пластичности, повышением твердости и хрупкости. Прочность продолжает повышаться при увеличении содержания цинка до 45 %, пока латунь находится в двухфазном состоянии. При дальнейшем повышении процентного содержания цинка происходит переход латуни в однофазное состояние со структурой β'-фазы, что вызывает резкое снижение прочности. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45% Zn. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.
Двойные латуни (содержащие только медь и цинк) подразделяются на однофазные (со структурой α-твердого раствора) и двухфазные(со структурой α и β-фаз).
Однофазные латуни обладают высокой пластичностью и хорошо поддаются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость. Для повышения пластичности проводят рекристаллизационный отжиг при 600…700°С.
Детали, которые изготовлены из деформируемых латуней при содержании более 20% цинка, могут подвергаться "сезонному " растрескиванию во влажном воздухе при наличии в атмосфере серных газов. Для предотвращения растрескивания детали отжигают при температурах, ниже температуры рекристаллизации (в большинстве случаев при 250…270оС).
Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность противостоять износу, но при этом уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость.
Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни не подвергают горячему деформированию, а выпускают в виде холоднокатаных полос, лент, проволоки, листов. Из проката изготавливают детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).
Вследствие небольшого температурного интервала кристаллизации двойные латуни обладают низкой склонностью к дендритной ликвации, высокой жидкотекучестью, малой рассеянной усадочной пористостью и хорошей герметичностью. Но, несмотря на это, они практически не применяются для фасонных отливок, так как имеют довольно большую концентрированную усадочную раковину.
Для повышения обрабатываемости в латунь вводят свинец. Латунь ЛС59-1 («автоматная») поставляется в прутках и предназначается для изготовления деталей на станках-автоматах.
Для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают прочность и коррозионную стойкость латуней. Поэтому легированные латуни широко применяют в речном и морском судостроении(ЛАЖ60-1-1). Латуни, легированные оловом (ЛО70-1, ЛО62-1) обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде и поэтому имеют название «морские латуни».
Практическое применение находят латуни с добавлением алюминия до 4 % (ЛА77-2), которые, благодаря однофазной структуре, хорошо обрабатываются давлением.
Алюминиевые латуни дополнительно легируют никелем, железом, марганцем, кремнием, обладающими переменной растворимостью в α-твердом растворе, что позволяет упрочнять эти латуни с помощью закалки и старения.
Латунь ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 является единственным сплавом на основе системы Cu-Zn, который упрочняется дисперсионным твердением. Температура закалки составляет 800оС, после проведения которой латунь имеет высокую пластичность, а после старения приобретает и высокую прочность (sв = 700 МПа, d = 25%). Хорошая пластичность в закаленном состоянии позволяет дополнительно упрочнять сплавы с помощью пластического деформирования перед старением, что обеспечивает повышение временного сопротивления до 1000 МПа.
Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью, пластичностью, вязкостью как при обычных, так и при низких температурах (до -183°С). При легировании латуней для получения однофазной структуры используют небольшие добавки кремния (ЛК80-3). Такие латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов, в судо- и машиностроении.
Бронзы
Оловянные бронзы
Предельная растворимость олова в меди соответствует 15,8%, но при концентрации олова более 10% в структуре бронз образуется δ-фаза, вызывающая резкое снижение их вязкости и пластичности. Поэтому практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10% Sn.
Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую линейную усадку, что позволяет получать сложные фасонные отливки. Двойные и низколегированные литейные бронзы содержат 10% Sn. Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, P (БрО3Ц12С5, БрО4Ц4С17, БрО10Ц2 и др.). Цинк полностью растворяется в α-твердом растворе при легировании до 15% и, уменьшая интервал кристаллизации оловянных бронз, улучшает их жидкотекучесть и плотность отливок. Свинец повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть, а износостойкость улучшается, благодаря появлению твердых включений фосфида меди Сu3Р.
Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде способствует широкому применению литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением.
Деформируемые бронзы содержат до 6…8%Sn (БрОФ 4-2,5, БрОЦ 4-3 и др.). Для устранения дендритной ликвации и выравнивания химического состава, а также улучшения обрабатываемости давлением применяют диффузионный отжиг, который проводят при 700…750°С. При холодной пластической деформации бронзы подвергают промежуточным отжигам при 550…700°С. Деформируемые бронзы характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литейные.
Деформируемые бронзы обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Их используют для изготовления круглых и плоских пружин в точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других областях промышленности.
Алюминиевые бронзы
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянными бронзами заключаются в меньшей стоимости и более высоких механических и технологических свойствах. В частности, небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность отливок, малую склонность к дендритной ликвации.
Медь с алюминием образует α-твердый раствор. С увеличением содержания алюминия до 4,5 % наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, которая затем резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10…11 %. С появлением при этих концентрациях эвтектоида, содержащего твердую и хрупкую фазы, повышается износостойкость и проявляются антифрикционные свойства.
Деформируемыми являются однофазные бронзы (БрА5, БрА7). Они обладают наилучшим сочетанием прочности (σв = 400...450 МПа) и пластичности (δ = 60%).
Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью (σв = 600 МПа) и твердостью (> 100 НВ). Их можно подвергать упрочняющей термической обработке.
Алюминиевые бронзы легируют железом, никелем, марганцем. В α-фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4 % железа, при большем содержании образуются включения Al3Fe. Дополнительное легирование сплавов никелем и марганцем способствует появлению этих включений при меньшем содержании железа. Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз.
Наилучшей пластичностью алюминиево-железные бронзы (например, БрАЖ9-4) обладают после нормализации при 600…700°С или закалки от 950°С с последующим отпуском при 250…300°С.
Никель способствует дополнительному упрочнению бронз, легированных железом и никелем, вследствие старения. Например, в отожженном (мягком) состоянии БрАЖН10-4-4 твердость составляет 160 НВ. После закалки от 980°С и старения при 400°С в течение 2 ч твердость увеличивается до 400 НВ.
Из алюминиево-железоникелевых бронз изготовляют детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400…500°С): седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и др.
Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешевым марганцем (БрАЖМц10-3-1,5).
Кремнистые бронзы
Кремнистые бронзы содержат до 3% Si и имеют однофазную структуру α-твердого раствора. Однофазная структура твердого раствора обеспечивает кремнистым бронзам высокую пластичность и хорошую обрабатываемость давлением. При увеличении содержания кремния более 3% в структуре сплавов появляется твердая и хрупкая γ-фаза, что снижает их пластичность.
Добавки марганца и никеля повышают прочность и твердость кремнистых бронз. Никель, обладая переменной растворимостью в α-фазе, создает возможность для упрочнения никель-кремнистых бронз проведением закалки и старения. После закалки от 800°С и старения при 500°С БрКН-1-3 и БрКН-0,5-2 имеют σв > 700 МПа, δ ≈ 8 %.
Кремнистые бронзы выпускают в виде лент, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей (БрКН1-3), (БрКМцЗ-1), а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.
Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней.Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств этих бронз
Бериллиевые бронзы
Бериллиевые бронзы характеризуются высокими пределами прочности и упругости, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0…2,5% Be (БрБ2, БрБ2,5), поскольку при большем содержании бериллия пластичность становится очень низкой.
Бериллий обладает переменной растворимостью в меди, которая уменьшается при снижении температуры, что дает возможность проводить упрочнение, заключающееся в закалке от 780…800оС и последующем старении при 325оС. Наиболее распространенная бериллиевая бронза БрБ2 после закалки с 780°С и старения при 300…350 °С в течение 2 ч имеет следующие механические свойства: σв = 1250 МПа, σ0,2 = 1000 МПа, δ = 2,5 %, твердость 700 НВ, Е = 133 ГПа. Пластическая деформация закаленной бронзы и последующее старение позволяют увеличить временное сопротивление до 1400 МПа.
Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, устойчиво работающими при температурах до 310…340°С. При 500°С они имеют приблизительно такое же временное сопротивление, как оловянно-фосфористые и алюминиевые бронзы при комнатной температуре.
Бериллиевые бронзы обладают высокой теплопроводностью и электрической проводимостью. Они хорошо обрабатываются резанием, свариваются точечной и роликовой сваркой, однако широкий температурный интервал кристаллизации затрудняет их дуговую сварку.
Бериллиевые бронзы выпускают преимущественно в виде полос, лент, проволоки и других деформированных полуфабрикатов. Вместе с тем из них можно получить качественные фасонные отливки. Из бериллиевых бронз изготовляют детали ответственного назначения: упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинные контакты, мембраны); детали, работающие на износ (кулачки, шестерни, червячные передачи); подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.
Бериллиевую бронзу применяют для изготовления инструмента, не образующего искру при ударе о металл или камень, что позволяет использовать его при взрывоопасных горных работах.
Основным недостатком бериллиевых бронз является их высокая стоимость. Легирование Mg, Ni, Ti, Co позволяет уменьшить содержание бериллия до 1,7…1,9% без заметного снижения механических свойств (БрБНТ1,7 и др.).
Домашнее задание:
На основе данного материала выписать в тетрадь маркировку специальных бронз. На основе данного материала выписать определения: бериллиевая бронза, кремнистая бронза.
Форма отчетности: прислать скан выполненной работы на эл. адрес:
nesterova.911@yandex.ru