Лекция 14 «Медь и ее сплавы» 1
Медь и ее сплавы Медь чаще других металлов встречается в виде самородков, иногда достигающих весьма больших размеров. Естественно это один из первых металлов, с которым познакомился человек. Значение меди и ее сплавов в деятельности человека было столь велико, что это нашло отражение в названии целых эпох в развитии человечества (медный век, бронзовый). Медь и ее сплавы, обладающие ценными техническими свойствами, широко применяются и в наше время. 2
Медь и ее сплавы По электропроводности Си занимает 2 место после серебра и поэтому является одним из важнейших материалов для проводников По теплопроводности Си также уступает только серебру и ее широко используют в теплообменниках. Сплавы меди отличаются достаточной коррозионной стойкостью, высокими технологическими свойствами, имеют приятный цвет и полируются до сильного блеска. 3
Медь и ее сплавы хорошо обрабатывается давлением , из них производят все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением: плиты, листы, ленту, фольгу, поковки, штамповки, трубы, профили, проволоку. Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, легко поддаются пайке. При ее обработке резанием особых затруднений не возникает. К недостаткам меди можно отнести ее высокую плотность, склонность к окислению при повышенной температуре , ее высокую стоимость и дефицитность. Меди в земной коре сравнительно немного (0, 01%), но известны богатые ее месторождения 4
Медь и ее сплавы Свойства меди Тпл. =1083° Тип решетки -ГЦК плотность -8, 95 г/смз Т кипения 2360° Чистейшая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. =200 Мпа =35% Техническая медь имеет следующие марки: М 00 Си не менее 99, 99% М 0 99, 95% М 1 99, 9% М 2 99, 7% М 3 99, 5% Механические свойства технической меди в =220 -260 Мпа =40 -45% 5
Медь и ее сплавы Области применения меди Они очень разнообразны: Сu широко используется в электротехнике : это провода высоковольтных линий электропередач, воздушных линий связи, троллейбусные провода, коллекторные шины для электромашин, токопроводящие шины. Это всевозможные теплообменники, водоохлаждаемые поддоны, кристаллизаторы, обеспечивающие интенсивный отвод тепла от расплава. 6
Медь и ее сплавы Влияние примесей на свойства меди Присутствующие в меди примеси существенно влияют на ее свойства. По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на следующие группы: Примеси, образующие с медью твердые растворы. Это никель, цинк, сурьма, олово , алюминий, фосфор и др. Они улучшают механические свойства, но резко снижают (особенно сурьма и фосфор) электро и теплопроводность. Примеси практически не растворимые в меди: это свинец, висмут, и др. и образующие легкоплавкие эвтектики. Они располагаются по границам зерен и затрудняют обработку давлением. На электропроводность они не оказывают большого влияния, а влияют на механические и технологические свойства. (Висмут - хладноломкость, свинец-горячеломкость) Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения - это кислород, сера, располагающиеся по границам зерен ( Си 2 О, Си 2 S) На электропроводность они не влияют. Сера улучшает обрабатываемость резанием. Кислород образует с медью оксид меди и вызывает так называемую "водородную болезнь" - так как при нагреве меди в атмосфере , содержащей водород, он реагирует с Си 2 О по реакции, протекающей с увеличением объема. Это создает в металле большое давление и вызывает появлением микротрещин. 7
Медь и ее сплавы Сплавы меди Различают две основные группы медных сплавов: ЛАТУНИ - сплавы меди и цинка и БРОНЗЫ - сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими может быть и цинк. Сплавы меди маркируются следующим образом: Латуни - буквой Л и цифра, указывающая содержанием в ней меди. Например, Л 96, Л 80, Л 59 , остальное - цинк. Бронзы - Бр- бронзы, а далее элемент : олово - 0, свинец -С, алюминий -А, бериллий -Б, марганец -Мц, кремний -К, железо - Ж, никель -Н, фосфор -Ф, а далее цифра , показывающая процент этого элемента. Например, Бр. А 9, Бр. О 10, ЛАН 59 -1 -1, ЛС 60 -3 8
Медь и ее сплавы ЛАТУНИ Механическая прочность латуней выше, чем у меди, они хорошо обрабатываются резанием, большое их преимущество пониженная стоимость, т. к. цинк дешевле меди. Латуни лучше, чем медь обрабатываются давлением и литьем. Al Ni Fe вводят в латунь для улучшения ее механических свойств Sn Mn вводят в латунь для повышения коррозионной стойкости Pb - для улучшения обработки резанием По технологическому признаку латуни могут быть: -литейные ( для фасонных отливок, их поставляют в виде чушек) -деформированные ( их поставляют в виде прутков, проволоки, труб, листов ) 9
Медь и ее сплавы Как видно из диаграммы состояния различают однофазные альфа-латуни, содержащие до 39% цинка ( твердый раствор цинка в меди). В сплавах, содержащих от 39 до 50% цинка образуется бэтта фаза ( твердый раствор цинка в электронном соединении Си. Zn) 10
Медь и ее сплавы Латуни, содержащие более 45% - не применяются. 2 -х фазные латуни имеют более высокую прочность и износостойкость, чем однофазные альфа-латуни. Альфа-латуни- Л 96 -томпак, Л 80 (полутомпак) и Л 70 Ϭ = 240 -320 Мпа δ =50 -52% Двух-фазные латуни -Л 62, Л 59 имеют Ϭ =360 -390 Мпа δ =4449% они малопластичны, их подвергают ГОД Латуни упрочняются в процессе деформирования. Для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг при температуре 500 -700°С Латуни плохо обрабатываются резанием, для улучшения их обрабатываемости в них добавляют свинец. , их называют автоматными латунями. (ЛС 59 -1) 11
Медь и ее сплавы Олово улучшает коррозионную стойкость латуней. (ЛО 60 -2) - морская латунь ЛМц. С 58 -2 -2 - антифрикционные детали, втулки ЛМц. Ж 55 -3 -1 гребные винты 12
Бронзы Из бронз еще в древности делали оружие, орудия труда, предметы обихода. Бронза более прочна и коррозионностойка, чем медь. Благодаря отличным литейным свойствам из нее стали отливать пушки, колокола и статуи. Современные оловянные бронзы значительно тверже меди, они хорошо заполняют форму при литье и обрабатываются резанием, отличаются высокой коррозионной стойкостью. Бронзу используют при изготовлении арматуры газовых и водопроводных линий в химическом машиностроении и др. отраслях Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников скольжения, червячных колес, шестерен ответственных деталей машин и приборов. 13
Бронзы Оловянные бронзы Это сплавы меди и олова, содержащие олова до 12 %. Как видно из диаграммы состояния медь -олово , олово растворимо в меди до 12%. , далее возникают механические смеси, химические соединения и свойства бронз резко ухудшаются. В реальных условиях охлаждения структура бронзы состоит из альфатвердого раствора и дельта-фазы (близкой к химическому соединению). Оловянные бронзы склонны к ликвации, они имеют резко выраженное дендритное строение Сплавы более богатые оловом (более 12%) очень хрупки. 14
Бронзы Маркируют бронзы буквами Бр и цифрой, показывающей процент олова. Например, Бр. О 10, Бр. О 6 Бронза марки Бр010 имеет в = 200 Мпа =10% Обработке давлением можно подвергать бронзы, содержащие не более 5 -6 % олова. Они проходят рекристаллизационный отжиг (600 -650 о. С) для придания готовым полуфабрикатам (листам, лентам) требуемых свойств. Оловянные бронзы дороги. Для их удешевления в них добавляют свинец, цинк (свинец улучшает обрабатываемость), можно добавлять до 1 % фосфора, он повышает механические и антифрикционные свойства. 15
Бронзы Оловянные бронзы имеют прекрасные литейные свойства, очень жидкотекучи - это прекрасный литейный материал. Из нее изготавливают всевозможные вентили и др. детали. Она хорошо сопротивляется коррозии. Но имеет два но!!! Если ее медленно охлаждать, то растворимость ее пойдет по пунктиру, т. е. твердый раствор будет распадаться с выделением химического соединения. Поэтому бронзы нужно отливать в кокиль или применять центробежное литье. Олово - это дорогостоящий материал и дефицитный. Бр03 Ц 7 С 5 Н 3 - втулки, подшипники, арматура в морской воде Бр05 Ц 5 С 5 втулки, подшипники Бр04 Ц 3 токоведущие контакты, пружины 16
Бронзы Алюминиевые бронзы Содержат до 10% алюминия, представляют собой - твердый раствор алюминия в меди и являются однофазными структурами. алюминиевые бронзы, содержащие до 6 -8% алюминия обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии Бронзы, содержащие 8 -10 % алюминия обрабатываются давлением только при высоких температурах, они обладают лучшими литейными свойствами и их применяют для фасонного литья. Они устойчивы против коррозии. Бр. А 9 Ж 4 Ϭ=550 Мпа δ = 15% фасонное литье Бр. АЖ 9 -4 Ϭ=850 Мпа δ =5% прутки поковки Бр. А 5 -мелкая разменная монета Данные бронзы обладают высокими механическими свойствами. повышенной жаропрочностью и антикоррозионной стойкостью. По сопротивлению коррозии они в 12 раз устойчивее оловянных бронз. в 2 -3 раза - нержавеющих сталей Бр. АЖМц10 -3 -1. 5 -детали химической аппаратуры 17
Бронзы Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам. они являются более дешевыми. устойчивы против коррозии. обладают высокой пластичностью. Содержание кремния в них до 3 %. Бр. К 3 Мц1 -ленты. проволока, пружины. сварные резервуары в пищевой промышленности После прокатки и отжига имеют в = 380 Мпа = 45% 18
Бронзы Бериллиевые бронзы Они содержат 2 -2. 5 % бериллия. Из всех известных бронз они обладают наилучшим комплексом свойств. Хорошо свариваются, обрабатываются давлением. в них удачно сочетаются - электропроводность, коррозионная стойкость, упругость, прочность. Из нее изготавливают особо ответственные детали - сильфоны, мембраны, пружинистые контакты (при работе не дают искр), детали электронной техники Бериллиевые бронзы подвергают термической обработке - закалке и старению. В результате термообработке значительно улучшаются механические свойства. При закалке фиксируется пересыщенный альфа раствор. При старении (отпуске) упрочняющие частицы. После закалки - (760 -780°) в =500 Мпа =45% После старения -(300 -350°) в =1300 Мпа =1, 5 Бр. Б 2 Бр. Б 1, 5 19
Бронзы Свинцовые бронзы Содержат до 30 % свинца. Свинец и медь не растворимы друг в друге , поэтому структура - твердая медь и мягкий свинецобеспечивают хорошие антифрикционные свойства применяются для изготовления вкладышей подшипников Бр. С 30 в =60 Мпа = 40% 20