Материаловедение Медь и ее сплавы Медь

Материаловедение Медь и ее сплавы

Медь – металл красного (в изломе розового) цвета. Тяжелый цветной металл (ρ = 8, 89 г/см 3) с ГЦК решеткой (а = 0, 36074 нм). Не имеет полиморфных превращений. Обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред. Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и удовлетворительной обрабатываемостью резанием. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так называемой «патины» зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (Cu. OH)2 CO 3. Эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии. Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Характеристики основных физико-механических свойств меди Температура плавления Тпл, °С 1083 Предел прочности σв, МПа мягкой меди (в отожженном состоянии) 190– 215 твердой меди (в нагартованном состоянии) 280– 360 Относительное удлинение δ, % мягкой меди (в отожженном состоянии) 60 твердой меди (в нагартованном состоянии) 6 Твердость по Бринеллю НВ, МПа мягкой меди (в отожженном состоянии) 45 твердой меди (в нагартованном состоянии) 110 Модуль сдвига G × 10– 3, МПа 42– 46 Модуль упругости Е × 10– 3, МПа 117– 135 Температура рекристаллизации, °С 180– 300 Температура горячей деформации, °С 1050– 750 Температура литья, °С Линейная усадка, % 1150– 1250 2, 1

Все примеси, особенно входящие в твердый раствор, снижают электропроводность меди. Наиболее сильно уменьшают электропроводность примеси P, As, Al, Sn. Вредными примесями, снижающими механические и технологические свойства меди и ее сплавов, являются Bi, Pb, S и O. Свинец и висмут ничтожно растворимы в меди и образуют по границам зерен легкоплавкие эвтектики, что приводит к красноломкости. Сера и кислород также нерастворимы в меди и образуют эвтектики Cu - Cu 2 S и Cu - Cu 2 O, но красноломкость они не вызывают, так как их температура плавления (1067 °С и 1065 °С соответственно) выше температур горячей обработки давлением. Однако эти эвтектики весьма хрупкие, и их наличие даже в небольших количествах приводит к снижению пластичности. Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла и восстанавливают оксид меди Cu 2 O + H 2 = 2 Cu + H 2 O. Пары воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди. Содержание вредных примесей в меди строго ограничено.

Прочность меди может быть увеличена в результате холодной пластической деформации с высоким обжатием (~ 60… 70 %), что приводит к упрочнению до уровня в= 450 МПа, но при этом сильно снижается пластичность ( 5 %). Процесс скольжения при пластической деформации в кристаллах меди развивается по плоскостям {111} в направлении <110>. После холодной прокатки медь имеет простую основную текстуру {110} <112>. После волочения вдоль проволоки преимущественным направлением будет <111>, а также, но в меньшей степени, направление <100>. При нагреве деформированной меди в области температур 130… 150 °С происходит явление полигонизации, сопровождающееся повышением электропроводности за счет аннигиляции вакансий; при более повышенной температуре наблюдается начало рекристаллизации. Температура этого процесса тем ниже, чем выше была степень предшествующей пластической деформации. В реальных условиях обработки меди рекристаллизационный отжиг проводят при 300… 350 °С. После рекристаллизации в меди формируется кубическая текстура типа {100} <001>, степень совершенства которой тем выше, чем больше была величина обжатия при предшествующей холодной пластической деформации.

Классификация сплавов на основе меди Наиболее распространенные легирующие элементы в меди – Zn, Al, Sn, Fe, Si, Mn, Be, Ni. Они повышают прочностные свойства меди. Медные сплавы делятся на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является Zn. Их маркируют буквой Л и числами, характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь Л 80 содержит 80 % Cu и 20 % Zn. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов: С – Pb; О – Sn; Ж – Fe; А – Al; К – Si, Мц – Mn, Н – Ni. Числа после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка. Содержание цинка определяется по разности до 100%. Например, латунь ЛАЖМц66 -6 -3 -2 – 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn и 23 % Zn. Бронзами называют все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т. д. Бронзы маркируют буквами Бр, затем указывают основные легирующие элементы и их содержание в сплаве так же, как для латуней. Zn в бронзах маркируют буквой Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – X. Например, бронза Бр. АЖМц10 -3 -1, 5 – 10 % Al; 3% Fe; 1, 5% Mn, остальное Cu.

Латуни Структура и свойства латуней определяются диаграммой состояния Cu – Zn. В системе Cu – Zn имеется пять перитектических превращений, в результате которых образуются пять фаз , , , и . Растворимость цинка в меди очень велика и с понижением температуры возрастает и составляет 32, 5 % при 902 °С и 39 % при 454 °С. С понижением температуры растворимость цинка в меди уменьшается (до 36 % при комнатной температуре). Латуни со структурой -фазы пластичны, отличаются высокой технологичностью, поддаются горячей и холодной обработке давлением. С увеличением содержания цинка возрастают прочность и относительное удлинение. δ достигает максимального значения при 30… 32 % Zn, а затем когда появляется -фаза резко уменьшается. σв возрастает до 45… 47 % Zn, но как только -фаза полностью сменяет -фазу, оно резко снижается.

Стабильная при высоких температурах, -фаза очень пластична, а образующаяся из нее при охлаждении '-фаза с упорядоченной структурой, наоборот, хрупка. Поэтому пластичность -латуней с '-структурой при комнатной температуре очень мала, и при содержании около 50 % Zn и более они не поддаются холодной обработке давлением. По указанным выше причинам в промышленном масштабе применяют лишь - и ( + ) -латуни. Микроструктура -латуней после деформации и отжига полиэдрическая с большим количеством двойников; их в -латунях больше, чем в меди, из-за более низкой энергии дефектов упаковки. Структура двухфазных латуней представлена светлыми кристаллами -фазы и темными кристаллами -фазы. Структура -латуней после отжига представлена полиэдрами -фазы. Холодная деформация приводит к существенному повышению прочности латуней при одновременном очень резком снижении пластичности. Отжиг нагартованного металла при температурах выше 400 °С снимает наклеп. Для улучшения свойств латуни дополнительно легируют Al, Mn, Fe, Ni, Sn, Pb, Si, которые вводят в небольших количествах (1… 2 %). В промышленности применяют деформируемые и литейные латуни. Латуни разделяют на простые, легированные только Zn, и специальные, которые содержат дополнительно один или несколько элементов. Специальные латуни называют по основному дополнительному элементу: алюминиевые, кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые.

Оловянные бронзы В реальных условиях охлаждения оловянные бронзы состоят из фаз и Cu 31 Sn 8. Применяют только сплавы с содержанием до 10… 12 % Sn. Сплавы, богатые Sn, очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации. Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы содержат 4… 6 % Sn, до 0, 4 % Р, до 4 % Zn и до 2, 5 % Pb. Они предназначаются для пружин и пружинящих деталей. Структура деформированных оловянных бронз твердый раствор. Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и свинца, имеют двухфазную структуру -твердый раствор и твердые, хрупкие включения -фазы. Бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами.

Алюминиевые бронзы могут быть как двойными (например, Бр. А 5), так и дополнительно легированными Ni, Mn, Fe и др. Бронзы, содержащие до 4… 5 % Аl, характеризуются высокой пластичностью. При ускоренном охлаждении сплавов с 6… 8 % Аl в структуре наряду с пластичным -твердым раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая '-фаза (Сu 32 Аl 19). Поэтому двухфазные сплавы обладают более высокой прочностью, но пониженной пластичностью по сравнению с однофазными. Алюминиевые бронзы хорошо обрабатываются давлением, коррозионностойки, имеют высокие механические свойства, хорошие литейные свойства. Многокомпонентные бронзы, содержащие > 9… 11 % Аl, упрочняются закалкой и старением. Алюминиевые бронзы прежде всего используются в качестве заменителей оловянных. Из них изготавливают шестерни, втулки, подшипники, пружины, детали электрооборудования.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими (в частности, упругими) свойствами, стойкостью против коррозии и удовлетворительной электро- и теплопроводностью, хорошо свариваются. Широко известны бронзы, содержащие 1, 6… 2, 6 % Bе, 0, 2… 0, 5 % Ni, 0, 1… 0, 25 % Тi (Бр. Б 2; Бр. Б 2, 5; БНТ-1, 9, БНТ-1, 7, цифры указывают содержание Be в %). Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой (760… 800 °С) со старением (300… 350 °С, 2 ч). В результате закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в меди. При этом бронза имеет высокую пластичность ( = 30… 40 %), невысокую прочность ( в = 450… 560 МПа) и может подвергаться пластической деформации в закаленном состоянии. При старении из пересыщенного -раствора выделяются дисперсные частицы -фазы (Сu. Ве). Бронзы Бр. Б 2 и Бр. Б 2, 5 после закалки и старения обладают высокой прочностью ( в = 1250… 1300 МПа), но малой пластичностью ( = 2… 5 %). Промежуточная холодная пластическая деформация обеспечивает дополнительное повышение прочности до в = 1400 МПа. Имеются еще классы кремнистых, хромовых, циркониевых и др. бронз, которые получили меньшее распространение.

Переход к следующей теме