Цветные сплавы

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕДИ

Структура и свойства меди существенно зависят от присутствующих в ней примесей.

По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы. К первой группе относятся металлы, растворимые в твердой меди. Вторая группа представлена элементами, практически нерастворимыми в меди в твердом состоянии и образующими с ней легкоплавкие эвтектики (В; , РЬ). Третью группу составляют полуметаллические и металлические элементы, образующие с ней химические соединения.

Элементы первой группы существенно не влияют на свойства меди в тех количествах, которые характерны для металла технической чистоты. В больших количествах некоторые из этих металлов благоприятно сказываются на свойствах меди и поэтому применяются для легирования.

Примеси, нерастворимые в меди, обычно отрицательно влияют на ее механические и технологические свойства. Наиболее вредное влияние оказывает висмут. Висмут - хрупкий металл, и его прослойки по границам зерен приводят к хладноломкости меди и ее сплавов.

Свинец не приводит к хладноломкости меди и ее сплавов, так как он пластичен, но из-за низкой точки плавления эвтектики вызывает горячеломкость. Вместе с тем свинец облегчает обработку меди и ее сплавов резанием, так как делает стружку более ломкой. Если хорошая обрабатываемость давлением при высоких температурах не является решающим фактором, то в меди и ее сплавах допускают довольно большое содержание свинца.     Кислород присутствует в меди в виде закиси, которая дает с ней эвтектику при 3,4% Си    или 0,39% 02.

Закись меди неблагоприятно влияет на пластические свойства, технологичность, коррозионную стойкость меди. При отжиге в атмосфере, содержащей водород, атомы водорода диффундируют в медь и реагируют с закисью меди, образуя внутри металла пары воды высокого давления, что вызывает разрушение меди. Это явление называют водородной болезнью. Кислород затрудняет также пайку, сварку и лужение меди.

Сера образует с медью соединение, которое в твердой меди практически не растворяется, поэтому при самых малых содержаниях серы в меди формируется хрупкая эвтектика. Эта эвтектика не вызывает горячеломкости, так как она плавится при высоких температурах, но приводит к хладноломкости, снижает технологическую пластичность при горячей обработке давлением.

Селен и теллур образуют с медью соединения, растворимость которых в меди весьма мала. Эти элементы даже в тысячных долях процента резко ухудшают свариваемость меди, снижают ее пластичность.

Оптимальные температуры рекристаллизационного отжига 500-600°С. При более высоких температурах относительное удлинение меди сильно уменьшается из-за роста зерна, образования текстуры рекристаллизации.

КЛАССИФИКАЦИЯ  сплавов   на   основе  МЕДИ

Наиболее распространенные легирующие элементы в меди - цинк, алюминий, олово, железо, кремнии, марганец, бериллий, никель. Они повышают прочностные свойства меди.

Медные сплавы, как и сплавы на основе алюминия и магния, подразделяются на деформируемые и литейные, а также термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Однако более широко известно деление медных сплавов на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является цинк. Их маркируют буквой Л и числами, характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Так, например, латунь Л80 содержит 80% Си и 20% Zn. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов; С - свинец, 0 - олово, Ж -железо, А - алюминии, К – 5кремний, Мц - марганец, Н - никель. Числа после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка. Содержание цинка определяется по разности до 100%.

Бронзами ранее называли сплавы меди с оловом. Позднее появились сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами, которые тоже назвали бронзами. В настоящее время бронзами называют все сплавы меди, кроме латуни и медноникелевых сплавов. По основным легирующим элементам их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т.д.

ОЛОВЯННЫЕ БРОНЗЫ

Оловянные бронзы применяют с древнейших времен. Их структура определяется диаграммой состояния.

Структура литых бронз, содержащих менее 8% Sn , представлена альфа-раствором переменной концентрации. Из-за сильно развитой дендритной ликвации состав зерен в центре обеднен оловом и обогащен им на стыке дендритных ветвей.

Оловянные бронзы отличаются невысокой жидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине в них не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невелика и составляет 0,8% при литье в землю и 1,4% при литье в кокиль. До сих пор не найдено ни одного сплава, у которого была бы столь небольшая линейная усадка.

Бронзы с литой структурой обладают невысокой пластичностью, что обусловлено включениями твердой 0 -фазы. В то же время включения твердого эвтектоида обеспечивают высокую стойкость бронз против истирания. Поэтому оловянные бронзы с достаточно высоким содержанием эвтектоида являются отличным антифрикционным материалом.

Для повышения пластичности бронзы гомогенизируют при 700--750иС. В бронзах, содержащих менее 14% Sn, получащающаяся после гомогенизации однородная структура сохраняется даже при довольно медленном охлаждении.

Оловянные бронзы по коррозионной стойкости в морской воде превосходят медь и медноцинковые сплавы.

Основные виды термической обработки бронз - гомогенизация и промежуточный отжиг. Основная цель этих операций - облегчение обработки давлением. Гомогенизацию проводит ври 700-750°С с последующим быстрым охлаждением. Для снятия остаточных напряжении в отливках достаточно отжига при 550°С в течение I ч. Промежуточный отжиг при холодной обработке давлением проводят при температурах 550-700°С.

АЛЮМИНИЕВЫЕ БРОНЗЫ

Алюминиевые бронзы начали применять лишь в начале нашего века. Постепенно они вытесняют оловянные бронзы, так как не уступают им по многим показателям, а по ряду свойств даже превосходят их. В настоящее время по распространенности в промышленности они занимают одно из первых мест среди медных сплавов.

Алюминиевые бронзы обычно содержат не более 11% А1.

С увеличением содержанеия алюминия прочностные свойства сплавов повышаются.

Алюминиевые бронзы по сравнению с оловянными имеют следующие преимущества;

I) меньшую склонность к дендритной ликвации;

2} большую плотность отливок;

3) лучшую жидкотекучесть;

4) более высокую  прочность и жаропрочность;

5) более высокую коррозионную и противокавитационную стойкость;

6) меньшую склонность  к хладноломкости.

Кроме того, алюминиевые бронзы не дают искр при ударе.

СПЛАВЫ МЕДИ С НИКЕЛЕМ

СПлавы меди с никелем имеют большое значение для техники, так как они отличаются хорошими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и высокими электрическими и термоэлектрическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы во всем диапазоне температур и концентраций ниже солидуса. Никель существенно упрочняет медь, причем максимальной прочностью и твердостью обладают сплавы примерно эквиатомного состава. Сплавы этого же состава имеют в 30 раз большее электрическое сопротивление, в десятки раз меньшую теплопроводность и практически нулевой температурный коэффициент расширения.

Медноникелевые сплавы разделяют на две группы: коррозионностойкие и электротехнические. К коррозионностойким сплавам относятся мельхиор, нейзильбер, куниалы и ряд новых сплавов. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель. Мельхиоры имеют однофазную структуру и поэтому хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем.

Мельхиоры отличаются достаточно хорошими прочностными свойствами, которые можно существенно повысить нагартовкой, а также высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде и водяном паре. Наиболее распространены мельхиоры марок МНКМцЗО-1-1 и МН19.

Основной недостаток описанных выше сплавов - большое содержание дефицитного никеля.

 

БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

 

Бериллий (Be), обладая уникальным сочетанием физико-механических свойств, занимает особое место в ряду конструкционных материалов. Интерес к нему обусловлен в первую очередь низкой плотностью (1,85 г/см3), высоким модулем упругости (3x105 МН/м2), сочетанием высоких значений теплоемкости и теплопроводности. По удельной жесткости в интервале температур до 500-7000С Be значительно превосходит все известные металлы и сплавы, а также композиционные материалы.

 

tпл = 1283 С

Полиморфен: до 1250 -a-Ве (ГП), 1250-1283 С b-Ве (ОЦК).

r = 1,8 г/см3

Е = 310 Гпа

+

1. По электро- и теплопроводности близок к Al, намного >>Ti и сталей.
2. По коррозионной стойкости близок к Al (оксидная пленка на поверхности сохраняется до 600 С).
3. По плотности близок к Mg.
4. tраб > tпл Al, Mg
5. Е в 7 раз больше, чем у Mg(близок  Mo), жесткость >чем у Al, Ti, стали. Сохраняет жесткость и при высоких t, и при наличии вибраций.
6. Размерная стабильность как у сталей, поэтому они совместимы в конструкции.

 

 

-

1. Дорог
2. Малопластичен.
3. Токсичен.

 

Механические свойства a-Ве: sв = 250МПа, d = 1%.

Прокат листа или выдавливание прутка приводит к сильной текстуре из-за решетки, имеющей единственную плоскость скольжения : вдоль направления sв = 700МПа, d = 10% 9одномерная пластичность). ТО не уменьшает анизотропию. Поэтому используют перекрестную прокатку листа во взаимно перпендикулярных направлениях с равными степенями деформации. ОЦК-Ве более пластичен, но он не существует при комнатной t, и достичь этого не удается ни при помощи легирования,(Ni,Co, Cu, Ag), ни при повышении скорости охлаждения.

Получение полуфабрикатов Ве

Основной метод – порошковая металлургия:

1. Холодное прессование заготовки;
2. Спекание в вакууме;
3. Горячее (800-1000 С) или теплое (400-500 С) выдавливание.

 

Отливки делают крайне редко.

Чем мельче порошок, тем выше прочность.

Механическая обработка Ве в 8 раз дороже, чем Al или Ti, применяется химическое фрезерование.

Сварка W-электродом в вакууме или нейтральной атмосфере.

Перспективно применение плазменного напыления, тогда отпадает надобность в механической обработке и сварке.

 

СПЛАВЫ Ве

Улучшение свойств достигается не за счет легирования, а за счет чистоты, т.к. все твердые растворы имеют сильно искаженную решетку из-за разницы в атомных диаметрах (ат.№ Ве 4 ), что сильно понижает пластичность. Напр., достаточно 0,001%Si, и Ве становится абсолютно хрупким.

Тем не менее, пытаются создавать сплавы. Их делят на :

• высокомодульные и высокопрочные;
• жаропрочные и коррозионностойкие.

Высокомодульные Ве-сплавы

              t ж

 

                  ж+Al   ж+Ве

  645

                  Al+эвт   Ве+ эвт

 

    эвт.

(Al+Be)

 

  Al    2,5     Be  

 

Cистема Be-Al: легкость, жесткость, пластичность.

Основа сплавов – смесь двух фаз с резко выраженной разнородностью: Ве-фаза твердая и прочная, Al-фаза мягкая и пластичная.

Практическое применение нашли заэвтектические сплавы с 20-40% Al.

Пример: механические свойства сплава 76%Ве+24%Al:

Е = 260ГПа ;

sв = 620Мпа;

sв = 510Мпа;

d = 3%.

Т.е., модуль упругости сплава близок к модулю упругости Ве, а пластичность выше.

Если ввести третий л.э.:

• тот, который растворяется в Ве-фазе (Cu, Ni, Fe), увеличивается различие в свойствах фаз и уменьшается комплекс свойств.
• тот, который растворяется в Al- фазе – это повысит ее прочность и улучшит комплекс свойств.

Поэтому вводят магний. В тройных сплавах Be – Al – Mg модуль упругости выше на 10-12%.

Двойные сплавы получают из порошков.

Тройные – сплавлением.

 

Жаропрочные и коррозионностойкие Ве-сплавы

1. Be  + 0,25-0,95%Ca;
2. Be + 0,5%Ni;
3. Be + BeO2 (порошковая металлургия);
4. Бериллиды – интерметаллиды с бериллием (Ta, Zr, Hf).