Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
едь — металл красного цвета, кристаллизующийся при температуре 1083 С с образованием ГЦК решетки, период которой 0,36153 нм, полиморфных превращений нет. По плотности при 20 С, r = 8,96 г/см 3 медь относится к тяжелым цветным металлам. По величине электропроводности (χ = 59 МСм/м) и теплопроводности (λ = 397 Вт/(м·К)) медь находится после серебра на втором месте. У отожженной меди высокой частоты в = 220 МПа, d = 50 %, а ее модуль упругости выше, чему поликристаллического титана, алюминия и магния, и составляет Е = 132 ГПа. Медь обладает сравнительно хорошей коррозионной стойкостью, при температурах ниже 185 °C с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и СО на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната (СuСО 3 ·СuОН 2 ). При нагревании меди на воздухе идет поверхностное окисление, ниже 375 °C образуется СО, а выше 375 °C до плавления возникает двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится СО, а во внутреннем — Сu 2 О. Три основных свойства меди определили ее значительную роль в технике высокая электропроводность, пластичность, теплопроводность. Благодаря этим свойствам > 50 % добываемой меди применяют в электротехнической и электронной промышленности для изготовления проводников тока. Все примеси понижают электропроводность меди, поэтому для проводников используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9 % С. Высокая теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют производить из меди и специальных сплавов на ее основе (микролегированные теплопроводные сплавы и малолегированные сплавы, сочетающие теплопроводность и жаропрочность) ответственные детали для теплообменников, холодильни‑ 108 Глава4.Медьиеесплавы ков, вакуумных аппаратов и т. п. Около 30–40 % С используют в виде различных сплавов, среди которых латуни, бронзы, медно‑никелевые сплавы. Среди цветных металлов по объему потребления медь находится после алюминия на втором месте. При производстве меди из руды полученную черновую медь подвергают огневому рафинированию и разливают в виде анодов, используя затем их для электролитического рафинирования, в результате которого получают листовые катоды. В соответствии с ГОСТ 859–2001 выпускают четыре марки катодной меди, используемой в качестве шихты при изготовлении медных полуфабрикатов и сплавов высокой электропроводности (табл. Таблица Марки катодной меди Марка Состав М00к М0к М1к М2к Cu + Ag, %, не менее Содержание О, % 99,98 0,01 99,97 0,015 99,95 0,02 99,93 Остальные двенадцать марок меди по ГОСТ 859–2001 (М00б, М0б, М1б, ММ, М, М1р, М1ф, М2Р, М3р, ММ) выпускают в виде слитков и полуфабрикатов (прокат, прутки, проволока и др, которые различаются способами конечного переплава, видом раскислителей и их сочетанием. Для выплавки бескислородной и раскисленной меди используют катоды, те. первичную медь, а огневому рафинированию подвергают расплав, содержащий ломи отходы. Для раскисления меди высокой чистоты применяют углерод (плавка подслоем древесного угля. Для остальных сортов меди чаще всего используют фосфор, который вводят в виде лигатуры марки МФ9 (ГОСТ 4515–81) — сплав меди с 8,0–9,5 % Р около‑эвтектического состава. После такого раскисления в меди остается фосфор (до 0,06 %), снижающий электропроводность. Наивысшей электропроводностью обладает бескислородная медь, полученная вакуумной плавкой. Медь обладает хорошей технологичностью. Путем деформации из меди можно получать тонкую проволоку для проводов, различные ленты, токоведущие шины, трубы и т. д. Микроструктура чистой меди имеет полиэдрическое строение (см. риса. Холодная пластическая деформация вызывает значительные изменения в структуре и свойствах меди. При больших степенях деформации медь при 109 Глава4.Медьиеесплавы нимает волокнистое строение. Прочность значительно возрастает с 220 до 450 МПа, а пластичность падает (с 50 до 2 %). Под действием деформации электропроводность меди уменьшается на 1–3 %. Для получения высокой пластичности и электропроводности медь подвергают рекристаллизации. После проведения рекристаллизации структура меди вновь становится равноосной, полиэдрической с большим количеством двойников (рис. 4.1, б. Величина зерна рекристаллизованной меди зависит от степени холодной пластической деформации, а также от температуры и продолжительности отжига. Значительное повышение температуры отжига (выше 900 С) вызывает сильное укрупнение зерна за счет собирательной рекристаллизации и резкое понижение прочности меди. Наилучшие температуры отжига — 600–700 С а б Рис. 4.1. Микроструктура меди после отжига — аи после деформации и отжига — б Примеси снижают все свойства меди, особенно электропроводность. Наиболее часто встречающиеся в меди примеси подразделяются натри группы. Примесные элементы (Al, Fe, Ni, Mn, Zn, Ag, Cd), растворимые в твердой меди в тех количествах, в которых они могут присутствовать в технической меди, практически не влияют на ее механические свойства, а в больших количествах повышают прочность и твердость меди и используются для ее легирования. Эти примеси влияют на электро‑ и теплопроводность меди, поэтому в проводниковых сортах меди их ограничивают тысячными долями процента. Примеси (Pb и Bi), малорастворимые в твердой меди, снижают ее деформируемость. Свинец и висмут незначительно растворимы в меди в твердом состоянии и образуют по границам зерен легкоплавкие эв‑ 110 Глава4.Медьиеесплавы тектики, состоящие практически из чистого свинца (рис. 4.2) и висмута (рис. 4.3). Микроструктура меди с висмутом и свинцом показана на рис. 4.4. Эти эвтектики располагаются по границам зерен меди. При горячей прокатке меди (800–900 °C) или рекристаллизационном отжиге эти эвтектики находятся в жидком состоянии ив них происходит межкристаллитное разрушение (красноломкость 800 600 400 200 326° 327° Cu Pb → Pb, мас. % 0 20 40 60 80 100 L L 2 L + L 1 2 L + Cu 1 L + Cu 2 Cu + Pb 99,9 T, °С Рис. 4.2. Фазовая диаграмма системы Cu–Pb 1083° 1000 800 600 400 200 0 20 40 60 80 100 Cu Bi → Bi, мас. % L L + Cu Cu + Bi 99,8 270° 271° T, °С Рис. 4.3. Фазовая диаграмма системы Cu–Bi 111 Глава4.Медьиеесплавы а б Рис. 4.4. Микроструктура меди с примесью свинца — ас примесью висмута — б Для предотвращения красноломкости при прокатке медь должна содержать не более 0,003 % В и 0,05 % Р. Свинец в отличие от висмута пластичен при низких температурах и не охрупчивает медь при холодной обработке давлением. Кроме того, свинец заметно улучшает обрабатываемость резанием меди и ее сплавов, делая стружку сыпучей. Сера и кислорода также селен и теллур) практически нерастворимы в меди и образуют эвтектики меди с хрупкими соединениями Cu 2 S, Cu 2 O, температуры плавления эвтектик 1067, 1065 °C соответственно (рис. 4.5 и 4.6). T , С 1100 1000 900 0 4 8 12 16 20 24 → S, мас. % S Cu 1083° 1130° 1105° 1067° L 1 L + Cu S 2 0,77 17,9 L 2 L + L 1 2 Cu + Cu S 2 Cu Рис. 4.5. Фазовая диаграмма системы Cu–S 112 Глава4.Медьиеесплавы T, С 1120 1080 1040 1083° 1065° 0,43 0,25 0 0,50 0,75 1,0 L L + Cu → O, мас. % O Cu L + Cu O 2 Cu + Cu Рис. 4.6. Фазовая диаграмма системы Температуры плавления эвтектики находятся выше температуры горячей прокатки меди, поэтому примеси кислорода и серы не вызывают красноломкости. Из‑за очень малой растворимости уже при малых концентрациях этих примесей в структуре появляются по границам зерен хрупкие эвтектики, снижающие деформируемость меди и при горячей, и при холодной обработке давлением. Содержание этих вредных примесей ограничивается тысячными долями процента. Кислород — наиболее часто встречающаяся в значительных количествах примесь, так как он легко попадает в медь при плавке. В до‑ эвтектических литых сплавах эвтектика (Cu + Cu 2 O) располагается по границам зерен и имеет точечное строение (см. риса, б. В эвтектическом сплаве (0,43 % O 2 ) включения Cu 2 O равномерно распределяются по всему полю шлифа (см. рис. 4.7, в, а в заэвтектических сплавах на фоне эвтектики наблюдаются первичные, избыточные кристаллы закиси меди в виде дендритов (см. рис. 4.7, г. После обработки давлением эвтектика разрушается ив деформированной меди кислород присутствует уже в виде обособленных включений закиси меди. Особенно вредна примесь кислорода, если медь отжигают или эксплуатируют в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют по междоузлиям вглубь металла, и при восстанов‑ 113 Глава4.Медьиеесплавы лении оксида меди (Cu 2 O + Н = 2Cu + H 2 O) образуется водяной пар, нерастворимый в меди. Под давлением этого пара возникают вздутия и микротрещины. Это явление называют водородной болезнью меди а б в г Рис. 4.7. Микроструктура литой меди с содержанием кислорода, а — меньше 0,05; б — 0,15; в — 0,43; г — С повышением температуры испытаний у разных сортов меди характеристики прочности плавно понижаются, а характеристики пластичности меняются немонотонно. Эти характеристики у многих сортов меди до 200 °C меняются мало, а затем начинают снижаться, ив области температур 300–600 °C наблюдается минимум пластичности, который называют провалом пластичности. Это является одной из причин того, что горячая обработка меди давлением производится при сравнительно высоких температурах 800–900 °C. 114 Глава4.Медьиеесплавы 4.1. Микроструктура и свойства латуней Латуни — это сплавы меди, в которых главной добавкой является цинк (до 45 %). Диаграмма состояния медь‑цинк показана на рис. 4.8. Сложная на первый взгляд диаграмма Cu–Zn фактически состоит из пяти простых перитектических диаграмм. В зависимости от содержания цинка из жидкой фазы выпадают различные твердые фазы α, β, γ, δ, ε, η. T , С Zn, мас. % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1083° 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 902° 855° 695° 594° 419° 468° 454° 32 L e α b bў γ h Рис. 4.8. Диаграмма состояния медь‑цинк α — твердый раствор цинка в меди имеет гранецентрированную кубическую решетку. Из диаграммы видно, что с понижением температуры растворимость цинка в меди возрастает — промежуточная фаза, твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с отношением числа валентных электронов к чис‑ 115 4.1.Микроструктураисвойствалатуней лу атомов, равным 3/2. Имеет объемноцентрированную кубическую решетку. При температурах ниже 453–470 °C этот раствор принимает упорядоченное расположение атомов и обозначается βʹ. Упорядоченный твердый раствор имеет высокую твердость и хрупкость — промежуточная фаза, твердый раствор на базе электронного соединения Cu 3 Zn 8 с отношением числа валентных электронов к числу атомов, равным 21/13. Имеет сложную кубическую решетку — промежуточная фаза, твердый раствор на базе электронного соединения CuZn 3 с отношением числа валентных электронов к числу атомов, равным 7/4. Имеет гексагональную решетку — промежуточная фаза, твердый раствор на базе электронного соединения, природа которого в настоящее время не установлена — твердый раствор меди в цинке, имеет гексагональную решетку. Промышленные латуни — это однофазные и двухфазные сплавы латуни и (латуни. При температурах выше 450 °C фаза пластичнее и обладает значительно меньшим сопротивлением деформации, чем фаза, поэтому двухфазные латуни нагревают под горячую обработку давлением в область или до таких температур в (области, при которых доля фазы превышает 50 Однофазные латуни имеют пластичность, которая увеличивается с повышением содержания цинка до 32 %. Эти латуни подвергаются холодной пластической деформации и рекристаллизации. Микроструктура деформированной однофазной латуни после рекристаллизации показана на риса. Равновесные зерна раствора имеют большое количество двойников. Величина зерна зависит от степени деформации и температуры рекристаллизации. Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые вод нофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни в основном выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов полос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют 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.). В двухфазных латунях вследствие превращения легкоплавкие эвтектики находятся не по границам, а внутри зерен твердого раствора и не влияют на их способность к горячей пластической деформа‑ 116 Глава4.Медьиеесплавы ции (рис. 4.9, б. Иногда добавляют свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств. Ввиду невысокой пластичности эти латуни выпускают в виде горячекатаного полуфабриката листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др. По технологическому признаку латуни делятся на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением. Латуни, обрабатываемые давлением Обрабатываемые давлением двойные латуни в соответствии с ГОСТ 15527–2004 маркируют буквой Л, за которой следует число, указывающее содержание меди содержание цинка считается как остальное а б Рис. 4.9. Микроструктура отожженной латуни — аи литой (латуни — б У многокомпонентных деформируемых латуней после буквы Л в марке перед количеством меди указывают буквенные обозначения других легирующих элементов, а их содержание указывается цифрами после меди с разделением знаком тире (см. табл. 4.2). Приняты обозначения компонентов для сплавов на основе меди Pb–C; О А As–Мш; ЦК Ж Mn–Мц; Ко Cd–Кд; Zr–Цр; Х Ф Б Н ТУ литейных латуней маркировка ГОСТ 17711–93) подобна принятой для сталей за буквой Л следует буква Ц и указание содержания цинка, затем буквы, обозначающие компоненты, принятые для сплавов на основе меди (см. выше, и их содержание в процентах (см. табл. 4.2). 117 4.1.Микроструктураисвойствалатуней Таблица Состав и свойства латуней Марка сплава Состав, Состояние и фазовый состав σ в , МПа δ, Обрабатываемые давлением латуни Л96 95–97 Рекристаллизация, α 235 Л 88–91 Cu –″– 285 Л 79–81 Cu –″– 315 Л 67–70 Cu –″– 340 Л 62–65 Рекристаллизация, α+β * 345 38 ЛС59‑1 57–60 Cu, 0,8–1,9 Рекристаллизация, α+β+Pb 400 45 ЛО70‑1 69–71 Cu, 1–1,5 Рекристаллизация, α 350 60 ЛАМш77‑2‑0,05 76–79 Cu, 1,7–2,5 Al, 0,02–0,06 Рекристаллизация, α 380 50 ЛЖМц59‑1‑1 57–60 Cu, 0,6–1,2 Fe, 0,5–0,8 Mn, 0,1–0,4 Al, 0,3–0,7 Рекристаллизация, α+β+γ+Fe 430 45 ЛАНКМц75‑2‑2,5‑0,5‑0,5 73–76 Cu, 1,6–2,2 Al, 2–3 Ni, 0,3–0,7 Si, 0,3–0,7 Закалка 850 °C, старение 500 °C 2 ч, α+NiAl+Ni 2 Si НТМО, α+NiAl+Ni 2 Si 700 1030 25 Литейные латуни ЛЦ40С 57–61 Cu, 0,8–2 Кокиль, α+β+Pb 300 30 ЛЦ16К4 78–81 Cu, 3,0–4,5 Кокиль, α+β 380 15 ЛЦ40Мц3Ж 53–58 Cu, 3–4 Mn, 0,5–1,5 Отливка в землю, α+β+γ+Fe 500 18 ЛЦ23А6Ж3Мц2 64–68 Cu, 4–7 Al, 2–4 Fe, 1,5–3 Кокиль, β+γ+Fe 650 7 * Небольшое количество фазы может присутствовать на верхнем пределе содержания цинка 118 Глава4.Медьиеесплавы Деформируемые латуни должны обладать хорошей пластичностью — способностью воспринимать пластические деформации без разрушения. Медно‑цинковые сплавы, содержащие до 10 % Zn, известны под названием томпак за их красивый золотистый цвета при содержании цинка от 10 до 20 % — полутомпак. Легирование меди цинком до 38 % (см. табл. 4.2) повышает ее прочность в отожженном состоянии больше, чем на 100 МПа, при сохранении пластичности на высоком уровне, а наклепом прочность этих сплавов можно повысить в 1,7–2 раза. Из двухкомпонентных сплавов наиболее широко применяют латуни Л, Ли Л63. Латунь Л обладает хорошей стойкостью против коррозии, имеет насыщенный желтый цвет, поэтому применяется для изготовления знаков отличия, фурнитуры, конденсаторных труб. Латунь Л выпускается в виде листов, лент, проволоки, трубок разнообразных сечений ее используют для производства сильфонов (гофрированных трубок, трубок манометров, художественных изделий и музыкальных инструментов. Латуни с 28–30 % Zn, Л, Л — лучший материал для холодной листовой штамповки — глубокой вытяжки, их называют патронными латунями. Латунь Л, называемая торговой, занимает первое место по объему производства. Она прекрасно деформируется ив горячем, ив холодном состоянии. Это самая прочная из рассмотренных двойных латуней. Многокомпонентные латуни (специальные или легированные) содержат такие легирующие элементы, как свинец, алюминий, олово, кремний, железо, марганец, никель, мышьяк и др. Свинцовая (латунь ЛС59–1 по объему производства находится на втором месте, уступая в этом лишь латуни Л. Свинец практически нерастворим в α‑ и фазах и находится в латуни в виде мелких округлых включений по границам зерен. Следует заметить, что в латуни свинец является вредной примесью, вызывающей горячеломкость, и его концентрация не должна превышать 0,03 %. У (латуни с большим количеством фазы при температуре горячей деформации свинец, находящийся в жидком состоянии, не вызывает горячеломкости даже при концентрациях до 3 %. Это связано стем, что вовремя нагрева из‑за превращения включения свинца, выделившиеся при кристаллизации по границам зерен, оказываются внутри зерен, по этой причине латунь ЛС59‑1 подвергают горячей обработке давлением 119 4.1.Микроструктураисвойствалатуней При обработке резанием включения свинца в латуни делают стружку ломкой, легко отделяющейся, в связи с чем латунь ЛС59‑1 применяют в массовом производстве для быстрой обработки резанием на стан‑ ках‑автоматах, в частности, в часовой промышленности. Кроме того, включения свинца улучшают антифрикционные свойства латуни, которую поэтому используют в трущихся парах. Оловянная латунь Л (см. табл. 4.2) имеет повышенную коррозионную стойкость в пресной и морской воде и называется морской латунью. Аналогично алюминиевая латунь ЛАМш77‑2‑0,05 имеет высокие механические свойства и благодаря малой добавке мышьяка хорошо сопротивляется обесцинкованию в морской воде. Ее используют главным образом для изготовления конденсаторных трубок в морском судостроении. Легированная железом и марганцем (латунь ЛЖМц59‑1‑1 имеет повышенную прочность ив отожженном состоянии, поэтому используется в виде листов, прутков, поковок, подшипников скольжения и других ответственных деталей в авиа‑ и судостроении. Все рассмотренные латуни не подвергаются упрочняющей термической обработке. Для них способ упрочнения — холодная деформация, способ термообработки — отжиг. Единственная отечественная термически упрочняемая латунь ЛАНКМц75‑2‑2,5‑0,5‑0,5 (см. табл. 4.2) имеет структуру латуни (кажущееся содержание цинка составляет 30 %), в которой переменно с повышением температуры растворяются фазы NiAl и Ni 2 Si. В закаленном и состаренном состоянии или после НТМО (см. табл. 4.2) эта латунь обеспечивает высокие механические свойства, в том числе и характеристики упругости, благодаря чему ее используют для производства пружин и манометрических трубок, не содержащих дорогого и токсичного бериллия. Закалку латуни ЛАНКМц75‑2‑2,5‑0,5‑0,5 проводят с температуры 850 °C. Вовремя охлаждения с температуры закалки твердый раствор неустойчив винтер валах температур 600–700 °C и 300–400 °C. При распаде раствора вблизи 650 °C выделяются крупные неупрочняющие стержнеобразные частицы сложной никель‑марганцево‑кремниевой фазы. Эти выделения нежелательны. Низкотемпературный распад при 300–400 °C приводит к выделению промежуточных когерентных частиц в форме дисков с диаметром 10 нм и толщиной 2–3 нм, которые в равновесном состоянии соответствуют фазами. Старение при 500 °C в течение 2 ч проводят для выделения этих промежуточных фаз‑упрочнителей. |