Лекція. Тема: Мідь та її сплави

Тема: Мідь та її сплави

План:

1. Властивості міді, застосування, принцип маркування.
2. Латунь: властивості, застосування, маркування.
3. Бронза: властивості, застосування, маркування.

Мідь за обсягами світового виробництва посідає серед кольорових металів друге місце після алюмінію. Вона широко використовується у чистому вигляді як провідниковий матеріал, а у вигляді сплавів — як конструкційний.

Властивості міді

Мідь — метал червонуватого кольору, має елементарну кристалічну комірку гранецентрований куб з параметром а - 0,3608 нм. Густина міді-8940 кг/м³, температура плавлення Т_пл - 1083 °С.

Порівняно з алюмінієм мідь характеризується вищими електро- та теплопровідністю, добрим опором корозії на повітрі, у прісній та морській воді, а також у багатьох хімічних середовищах. Вона легко обробляється тиском, добре  зварюється, проте має невисокі ливарні властивості й погану оброблюваність різанням. За електро- й теплопровідністю мідь стоїть на другому місці після срібла. З огляду на низьку границю текучості й порівняно високу вартість мідь у конструкціях майже не застосовується.

Механічні й технологічні властивості міді помітно знижують шкідливі домішки — вісмут, свинець, сірка й кисень. Вісмут і свинець практично не розчи­няються в міді й утворюють з нею легкоплавкі евтектики, які, розміщаючись на границях зерен, призводять до руйнування міді під час її гарячої обробки тиском. Тому масова частка вісмуту в міді не повинна перевищувати 0,002 %, а свинцю — 0,005 %. У свою чергу сірка й кисень погіршують пластичність міді, утворюючи на границях зерен крихкі евтектики.

Сплави міді

До найпоширеніших сплавів міді належать латуні та бронзи. Легують мідь цинком, оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем, нікелем, берилієм та ін. Ці елементи підвищують твердість і міцність мідних сплавів, практично не знижуючи пластичність, а окремі з них  навіть підвищують її. Алюміній, марганець і олово покращують корозійну тривкість, а крім цього олово, кремній і марганець у певних концентраціях підвищують антифрикційні влас­тивості сплавів міді. Залізо сприяє здрібненню зерна, а кремній підвищує ливарні властивості сплавів. Пластичність багатьох однофазових мідних сплавів дуже висока, а міцність у рівноважному стані  нижча порівняно зі сталями. Винятком щодо міцності може бути берилієва бронза, зміцнена термо­обробкою.

Легувальні елементи в сплавах міді позначають літерами: А — алюміній, Б — берилій, Ж — залізо, К — кремній, Мц — марганець, Н — нікель, О — олово, Ф — фосфор, Ц—цинк .За технологічною ознакою розрізняють деформівні й ливарні сплави міді.

Латуні

Латунями називають дво- або багатокомпонентні сплави міді, в яких основним легувальним компонентом є цинк. Двокомпонентні латуні системи Сu—Zn зачисляють до простих, а багатокомпонентні, що крім цинку містять ще й інші елементи, — до спеціальних. Завдяки поєднанню добрих технологічних і непоганих механічних властивостей латуні найбільш розповсюджені серед сплавів міді.

Марки, хімічний склад і механічні властивості деяких деформівних латуней .

Марки, хімічний склад і механічні властивості ливарних латуней

Марки латуней позначають літерою Л (латунь), після якої у випадку простих латуней ставлять числа, що показують масову частку міді — Л96, Л90, Л85, Л80. Наприклад, в латуні марки Л85 середня масова частка міді 85 %, а цинку — 15 %. Маркуючи спеціальні латуні, на початку теж ставлять літеру Л, після якої йдуть літери, що позначають легувальні елементи й числа після них поз­начають середні масові частки в % відповідних елементів. Зокрема в латуні марки ЛЦ40МцЗА маємо 40 % цинку (Ц), 3 % марганцю (Мц) і 1 % алюмінію (А), решта — 56 % міді.

До деформівних належать однофазові і двофазові  латуні. Маючи дуже високу пластичність, однофазові латуні легко обробляються тиском і в холодному, і в гарячому стані. Слід пам'ятати, що холодна пластична деформація не лише істотно підвищує міцність і твердість, але зменшує пластичність (явище наклепу). В разі потреби наклеп можна зняти рекристалізаційним відпалом при температурі 500...600 °С.

Із однофазових деформівних α-латуней обробкою тиском у холодному стані виготовляють гільзи патронів (Л68, Л70), трубки теплообмінників (Л70), прутики, дріт, стрічки. Однофазові латуні з вмістом міді понад 90% мають колір золота й використовуються для ювелірних і декоративних виробів.

Менш пластичні в холодному стані двофазові латуні — прості й спеціальні — рекомендують обробляти тиском у гарячому стані при температурах понад 700 °С.

Як ливарні використовують переважно спеціальні латуні. Вони відзначаються значною рідкотекучісттю, малою схильністю до ліквації й доб­рими антифрикційними властивостями. З ливарних латуней виготовляють арматуру (ЛЦ40С), лопатки гребних гвинтів (ЛЦ40МЗЖ), гайки, вінці черв'ячних коліс (ЛЦ23А6ЖЗМц2), шестерні (ЛІД16К4) і втулки підшипників.

Бронзи

Бронзами називають дво- або багатокомпонентні сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем, берилієм, кремнієм, хромом або іншими елементами, серед яких цинк не є основним.

Серед бронз найпоширеніші багатокомпонентні й набагато рідше зустрічаються двокомпонентні бронзи. Залежно від назви основного легувального елемента бронзи поділяють на олов'яні, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві та ін.

Олов'яні бронзи.

Олов'яні бронзи є найстарішими серед металевих сплавів.

Двокомпонентні олов'яні бронзи мають підвищену схильність до ліквації, низьку рідкотекучість, проте вони відзначаються дуже низькою лінійною усадкою (0,8 %) й добрими протикорозійними властивостями. Ці бронзи дорогі. Щоб здешевити олов'яні бронзи й покращити технологічні та механічні властивості, їх додатково легують цинком, свинцем, нікелем і фосфором.

Нікель сприяє здрібненню зерна, збільшує міцність та пластичність й підвищує корозійну тривкість бронз.

Свинець знижує механічні властивості, проте підвищує щільність відливок, покращує антифрикційні властивості й оброблюваність різанням.

Фосфор підвищує міцність і рідкотекучість бронз.

Бронзи маркують літерами Бр (бронза), за якими проставляють літери, що позначають. які компоненти, крім міді, входять до складу бронзи. Числа показують середню масову частку відповідних легувальних елементів. Наприклад, бронза марки БрОФ10-1 містить 10% олова(О), 1% фосфору (Ф), а решта 89% — мідь.

Розрізняють деформівні й ливарні олов'яні бронзи.

Деформівні бронзи мають до 8 % олова, до 5 % цинку, до 4,5 % свинцю та до 0,35% фосфору . Щоб забезпечити добру пластичність, масова чистка олова в деформівних бронзах не повинна перевищувати 6%. Вироби з таких бронз (стрічки, прутики, дріт) постачають у нагартованому (твердому) й відпаленому (м'якому) стані. Відпалюють при температурі 700...750 °С, щоб наблизити структуру до рівноважної. Структура відпаленої бронзи однофазова (а-фаза).

Ливарні бронзи відзначаються низькою пластичністю. З підвищенням вмісту олова до 9...11 % в нерівноважній структурі появляється крихка а -фаза, яка істотно знижує пластичність. Додавання до ливарних бронз цинку й свинцю підвищує їх рідкотекучість.

З ливарних бронз виготовляють переважно арматуру, а також деталі, що працюють в умовах тертя (втулки, вкладки підшипників, вінці черв'ячних коліс).

Алюмінієві бронзи

Алюмінієві бронзи відзначаються високою рідкотекучістю, добрими механічними властивостями  й корозійною тривкістю, проте вони мають дещо більшу усадку порівняно з олов'яними бронзами

Двокомпонентні однофазні бронзи (БрА5, БрА7) найкраще поєднують міцність і пластичність. Вони належать до деформівних бронз. З бронзи БрА5 штампуванням виготовляють медалі, розмінні монети й деталі хімічного машинобудування. До недоліків двокомпонентних алюмінієвих бронз відносять підвищену усадку, схильність до насичення газами й до утворення оксидів під час розплавлення, а також низьку здатність до паяння. Перелічені недоліки можна у значній мірі усунути, легуючи бронзу залізом, марганцем і нікелем.

Залізо відіграє роль модифікатора, підвищуючи міцність й антифрикційні властивості алюмінієвих бронз при деякому зниженні їх механічних показників.

Марганець підвищує міцність, пластичність, антифрикційні властивості й корозійну тривкість.

Нікель покращує технологічні й механічні властивості алюмінієво-залізних бронз.

Бронза марки БрАЖН 10-4-4 під час гартування й подальшого старіння отримує твердість 4000 НВ. Із алюмінієво-залізних бронз рекомендують виго­товляти деталі, що працюють в умовах тертя при температурі до 500 °С (деталі насосів, зубчасті колеса).

Окремі марки бронз (БрМц9-2, БрАЖН 10-4-4 та ін.) використовують і як деформівні, і як ливарні, з тією лише різницею, що в ливарних — більша частка домішок. Щоб відрізнити ливарні бронзи від деформівних, в кінці марки ливарної бронзи дописують літеру Л (ливарна).

Кремнієві бронзи є замінниками олов'яних. Порівняно з олов'яними вони відзначаються вищою корозійною тривкістю, кращими механічними властивостями й щільністю відливок. Проте з огляду на підвищену усадку й схильність до поглинання газів ливарні властивості кремнієвих бронз гірші, ніж олов'яних і алюмінієвих. Кремнієві бронзи легко обробляють тиском і різанням, добре зварюються, мають високі антифрикційні властивості. Вони містять до 3,5 % кремнію.

Коли вміст кремнію менше 3 %, структура двокомпонентних кремнієвих бронз у рівноважному стані складається із α-твердого розчину кремнію в міді, а коли понад 3 %, в структурі появляється крихка й тверда γ-фаза.

Кремнієві бронзи рідко застосовують як ливарні сплави. Ці бронзи постачають переважно у вигляді стрічок, прутків і дроту. З них виготовляють пружини, напрямні втулки, деталі для хімічного машинобудування, що працюють при температурі до 500 °С.

Берилієві бронзи

Берилієві бронзи поєднують високу міцність, пружність, корозійну тривкість, добру електро- й теплопровідність; вони легко зварюються й обробляються різанням. Зі зниженням температури розчинність берилію в міді зменшується від 2,7 % при 866 °С до ~ 0,2 % при 300 °С , що створює передумову для гартування бронзи. Берилієві бронзи додатково легують нікелем й титаном. Нікель зменшує критичну швидкість охолодження і підвищує жароміцність, а титан сприяє додатковому зміцненню.

Берилієві бронзи належать до дисперснотвердіючих сплавів. Унаслідок гартування у воді від температури 800 °С утворюється пересичений твердий розчин берилію в міді. В процесі штучного старіння з пересиченого розчину виділяються дрібнодисперсні частинки зміцнювальної γ -фази. Границя міцності бронзи БрБ2 (~ 2 % берилію) після гартування й штучного старіння становить 1200 МПа, а відносне видовження —до 5 %.

Берилієві бронзи дорогі. Тому з них виготовляють відповідальні деталі авіаційних приладів — мембрани, пружини, пружинні контакти й ударні інструменти, що працюють у вибухонебезпечних умовах.

Свинцеві бронзи

Свинцева бронза — добрий антифрикційний матеріал з високою теплопро­відністю, проте з низькими механічними та технологічними властивостями. Завдяки високій теплопровідності тепло, що виникає під час тертя, легко відводиться у зовнішнє середовище. Серед свинцевих бронз широко відома марка БрСЗ0 , з якої виготовляють підшипники ковзання для роботи в умовах підвищеного тиску й великих швидкостей. Свинець практично не розчиняється в міді, йому властива ліквація за густиною. Щоб не допустити істотної структурної неоднорідності, рідку бронзу перед кристалізацією інтенсивно перемішують і швидко охолоджують. Після кристалізації структура бронзи складається з кристалів міді та вкраплень свинцю. Легування свинцевої бронзи нікелем і оловом, які розчиняються в міді, покращує  механічні і антикорозійні властивості.

Питання для самоперевірки:

1. Які властивості міді зумовлюють її використання в промисловості?
2. Наведіть приклад  маркування міді.
3. Який сплав називають латунь?
4. За яким принципом маркують деформівні та ливарні латуні?
5. Як застосовують латунь в промисловості?
6. Яку термообробку застосовують для латуней?

Література:

1. [1], с. 174 – 180.