Медные сплавы

 

Медные сплавы и отливки из них применяются в различных отраслях  промышленности для изготовления арматуры, подшипников,  втулок, шестерен и других деталей,  работающих на трение. Высокое сопротивление отдельных медных сплавов воздействию атмосферных  условий и других  агрессивных  сред позволяет изготовлять из них  детали с высокой коррозионной стойкостью.

Поэтому, несмотря на то, что медные сплавы значительно дороже стали и чугуна, их до сих пор широко применяют в машиностроении.

Однако конструкторы и технологи должны стремиться к тому, чтобы по возможности заменять  медные сплавы другими, менее дефицитными металлами и сплавами, пластмассами, керамикой и другими материалами.

 

Медные сплавы и медь как литейный материал

Чистая медь имеет ряд важнейших свойств: она обладает хорошей электропроводностью, высокой теплопроводностью, имеет высокую атмосферную коррозионную стойкость, кроме того, медь обладает большой пластичностью. Но эти высокие свойства сохраняются только в том случае, если в меда содержится незначительное количество примесей. При содержании в меди даже небольшого количества примесей свойства ее резко изменяются: уменьшаются теплопроводность и электропроводность. При этом элементы, образующие с медью твердые растворы, меньше понижают ее свойства по сравнению с элементами, обладающими ограниченной растворимостью или совсем не растворяются в меди.

Прочностные и технологические свойства меди очень сильно  понижаются при содержании в ней таких примесей, как Bi,Pb,S,O2, S,O2  и др.

Сера образует с медью соединение Cu2O, которое в свою очередь, дает эвтектику Cu-Cu2S,  отличающуюся  большой хрупкостью. Кислород с медью образует соединение Cu2O –закись меди, — которое дает точечную эвтектику, содержащую 3,45% Cu2O. Эвтектика располагается по границам зерен и служит причиной  образования трещин.

Отливки из чистой красной меди применяются для электротехнических машин, электропечей, сварочных машин, доменных печей, котлов, химических аппаратов и др. Обычно к этим отливкам предъявляются высокие требования по электропроводности или теплопроводности. Поэтому медь в отливках должна быть очень чистой. Однако чистая красная медь имеет низкие литейные свойства: большую объемную и линейную усадку, большую склонность к образованию трещин, большую склонность к поглощению газов во время плавки и заливки, ограниченную растворимость газов при затвердевании и низкую  жидкотекучесть. Все это затрудняет изготовление  фасонных отливок из чистой меди. Кроме того, для фасонных деталей  требуется медь с повышенными механическими свойствами.

Чтобы придать отливкам из меди большую прочность, в нее добавляют элементы, которые незначительно снижают свойства меди и тем самым повышают прочность деталей, так получ аются медные сплавы. Так, например, при добавке 0,9%  кадмия предел прочности повышается в 3 раза, а электропроводность снижается на 10%.

Основное внимание при изготовлении отливок из чистой меди  следует обращать на дегазацию и хорошее раскисление меди. Литейная форма должна быть сухой и при заливке не должна выделять большое количество газов. Материалы, из которых   изготовлена форма и стержни, должны быть  податливыми.

Для изготовления машиностроительных деталей чистая медь непригодна вследствие низких механических свойств; она имеет  низкий предел прочности при сжатии, растяжении и изгибе. поэтому в машиностроительной технике в большинстве случаев  применяют не чистую медь, медные сплавы.

Медные сплавы, в которых преобладающим легирующим компонентом является цинк, называют латунью.

Бронзы разделяются на две группы: оловянные, в которых легирующим компонентом является олово, и безоловянные, не содержащие олова в качестве легирующего элемента.

Оловянная бронза

Оловянная бронза с повышенным содержанием олова применяется в ограниченном количестве, только для таких деталей, которые нельзя изготовить из безоловянной бронзы.

Характерной особенностью оловянной бронзы является то, что она имеет большой температурный интервал затвердевания,  достигающий в отдельных  сплавах 150-160ᴼ. Большой температурный интервал затвердевания оловянной бронзы оказывает существенной влияние на ее литейные свойства: жидкотекучесть, распределение усадочных раковин и пористости.

Кристаллизация бронз с большим температурным интервалом затвердевания приводит к тому, что между ветвями дендритов и отдельными кристаллами образуются усадочные пустоты. Поэтому трудно бывает  получить плотные бронзовые отливки, годные для работы под гидравлическим или воздушным давлением: после снятия  плотной литейной корки отливки часто пропускают воду и газы.  Чтобы получить годную отливку, надо,  чтобы металл быстро  охлаждался, что достигается, например, при литье в кокиль, или производить отливку с кристаллизацией под давлением по методу А.А. Бочвара и А.Г. Спасского.

Для литых деталей, которые,  по техническим условиям, могут быть  пористыми, например,  подшипники,  втулки и др., эта оловянная бронза является ценным литейным материалом.

Введение в оловянную бронзу дополнительных элементов – цинка, свинца, никеля, фосфора – улучшает  литейные, технологические и эксплуатационные  свойства и несколько удешевляет бронзу, так как  количество олова в ней снижается.

В табл. 1,  даны химический состав,  механические и физические свойства основных литейных оловянных бронз.  Жидкотекучесть для различных марок бронзы колеблется  в пределах от 20 до 117 см. Наибольшей жидкотекучестью обладает оловяннофосфористая  бронза. Линейная усадка  этой бронзы колеблется в пределах  от 1,3 до 1,6 %.  Допустимое  содержание вредных примесей в литейной бронзе в зависимости от  основного состава колеблется в следующих пределах:  0,5%Sb; 0,2-0,4 Fe; 0,02-0,05% Al; 0,02-0,05%Si; 0,05%S; 0,005%Bi; 0,5Pb; 0,02%Mg; 0,05-0,1

медные сплавы, хим состав, механические и физические свойства оловяных бронз 1

Медные сплавы, хим.состав

Механические свойства оловянной бронзы зависит от количества  содержащегося в ней олова (рис .1).

медные сплавы, влияние содержания олова на механические свойства бронзы

 С возрастанием содержания  олова до 18-20% предел прочности при  растяжении и твердость повышается.  При 18-20% олова образуется значительное количество эвтектоида, в состав которого входит хрупкое химическое соединение олова и меди. Вследствие этого величина предела прочности резко снижается.

Относительное удлинение начинает  сильно снижаться уже при  содержании 6-7% олова, а для бронзы БР.010 при литье в кокиль оно равно 2-3%. Введение цинка в состав оловянной бронзы повышает жидкотекучесть, предел прочности при растяжении, снижает твердость, а также стоимость бронзы, так как цинк дешевле олова.

Свинец в оловянной бронзе повышает  обрабатываемость, жидкотекучесть и особенно благоприятно влияет на ее антифрикционные свойства.

В настоящее время в литейном производстве для изготовления фасонных деталей применяют в основном вторичную литейную оловянную бронзу (табл.2).

вторичная литейная оловянная бронза

   Вторичная оловянная бронза  по своим механическим, физическим, химическим и технологическим свойствам во многих  случаях удовлетворяет требованиям,  предъявляемым машиностроительной промышленностью.

Безоловянная бронза

Для изготовления фасонных литых деталей применяют алюминиевую, кремнистую, свинцовую бронзу и бронзу специального назначения.

Безоловянная бронза по своим  механическим, физико-химическим и эксплуатационным свойствам часто превосходят оловянную бронзу. Химический состав безоловянной бронзы, механические, физические и технологические свойства приведены в табл. 3.

механические и физические и технологические свойства безоловянной бронзы 1

механические и физические и технологические свойства безоловянной бронзы 2

механические и физические и технологические свойства безоловянной бронзы 3

   Наибольшее распространение получила алюминиевая безоловянная  бронза А10. По сравнению с оловянной бронзой она обладает  более высокими прочностью, коррозионной стойкостью,  износостойкостью, жидкотекучестью. Но эта бронза обладает  повышенной  объемной и линейной усадкой. Общая объемная усадка ее 11,2%,  усадка в период затвердевания 4,1% и линейная усадка 2,37%.  При медленном затвердевании в песчаной форме алюминиевая бронза образует  грубокристаллическое строение, вследствие чего отливки приобретают хрупкость. Характер изменения предела прочности  при растяжении и относительного  удлинения в зависимости от содержания алюминия показан на рис. 2.

влияние алюминия на механические свойства алюминиевой бронзы

Механические свойства алюминиевой бронзы возрастают только до определенного содержания  алюминия в сплаве, затем снижаются. Алюминиевая бронза имеет высокие пластические свойства при содержании алюминия  примерно до 5-7%.

Алюминиевая бронза вспенивается при заливке и поглощает газы, поэтому заливка должна производиться спокойно,  преимущественно сифоном. Применяют метод литья с поворотом (рис. 3),

метод литья с поворотом формы

который устраняет брак литья по пленам.  Температурный интервал затвердевания алюминиевой бронзы небольшой, затвердевает она с образованием концентрированных усадочных раковин. Для питания отливок необходимо устанавливать массивные прибыли.  В отдельных частях отливки для выравнивания скорости охлаждения устанавливают холодильники. Применяют алюминиевую бронзу для изготовления деталей насосов, арматуры высокого давления, втулок и других деталей, требующих повышенной химической стойкости.

Механические и технологические свойства алюминиевой бронзы  можно значительно улучшить путем добавки к ней дополнительных элементов: железа, марганца, никеля, свинца и др. Добавкой этих  элементов устраняется склонность алюминиевой бронзы к образованию крупнокристаллического строения и повышается механическая прочность и износостойкость. Алюминиевая бронза с добавкой  перечисленных элементов, называемая специальной алюминиевой  бронзой, с успехом заменяет оловянную бронзу.  Так, например, бронза марок Бр. АМц 9-2, Бр. АЖ9-4 и Бр. АЖМц 10-3-1,5  применяется для различного фасонного литья (табл.3) и заменяет  бронзы марок Бр. ОЦС 6-6-3;Бр. ОЦС 5-5-5, Бр. ОЦ 10-2 и Бр. ОЦ 8-4.

Особенно широкое применение находит бронза Бр. АЖ 9-4. Эта бронза имеет хорошие антифрикционные и литейные свойства и применяются  для отливки в песчаные формы и в  металлические формы как мелких, так и крупных деталей.

Алюминиевоникелевая бронза Бр. АЖН 10-4-4 и Бр. АЖН 10-6-6 обладает  высокими механическими свойствами, износостойкостью и жаропрочностью. Из этой бронзы изготовляют ответственные детали, применяемые в самолетостроении, краностроении и турбостроении.

Алюминиевоникелевая бронза при 500ᴼ имеет механические свойства более высокие, чем оловянная бронза при комнатной температуре.  Поэтому ее применяют для деталей, работающих при повышенных температурах (седла, краны, клапаны,  втулки и др.).

Механические и физические свойства специальной алюминиевой бронзы приведены в табл. 3.

Кремнистая бронза превосходит по своим механическим свойствам оловянную бронзу, она имеет  небольшой температурный  интервал затвердевания, обладает  достаточной  жидкотекучестью. При нормально температуре предельная растворимость кремния в меди составляет 3-4% . в табл. 4  приведены состав и основные свойства некоторых марок кремнистой бронзы.

 

состав и основные свойства некоторых марок кремнистой бронзы

 Введение в кремнистую бронзу цинка или свинца улучшает ее литейные и эксплуатационные свойства. Так, например, добавка свинца в количестве 3-4 % повышает  антифрикционные свойства  кремнистой бронзы.  Кремнистая бронза может  заменять оловянную бронзу марок Бр. ОФ 10-1, Бр. ОЦ 10-2, Бр. ОЦ 8-4 и Бр. ОЦС 6-6-3.

Кремнистая бронза отличается низкой температурой плавления и заливки. Содержание вредных примесей в кремнистой бронзе ограничивается  следующими пределами: 0,002%Bi,0.02-0.05%;Sb, 0.2-0.5% Sn.

Содержание железа в кремнистой бронзе в отдельных случаях допускается до  2%.

Большой интерес в качестве заменителя оловянной бронзы представляет высокосвинцовая бронза марок Бр. СН 60-2 и Бр. С-30. Специальная высокосвинцовая бронза обладает высокой износостойкостью при трении в условиях высокой удельной нагрузки и при большом числе оборотов. При изготовлении подшипников бронзу наплавляют на стальную основу. Наплавка свинцовой бронзы может  производиться на индивидуальную стальную основу для каждого подшипника отдельно или на стальную  ленту, из которой потом  штампуют вкладыши для подшипников. Изготовление таких лент производится на специальных установках.

Изготовление подшипников из свинцовой бронзы  представляет большие трудности в связи с тем, что медь и свинец при высоких  температурах (выше 1100ᴼ)  находятся в  жидком  состоянии и  представляют однородный раствор. При охлаждении до 1005ᴼ начинается  кристаллизация меди, которая заканчивается при 952ᴼ. При понижении температуры до 325ᴼ медь и свинец существует в твердом виде как самостоятельные составляющие. Размеры и форма выделений меди и свинца имеет большое значение для качества подшипника.

При медленном охлаждении  свинцовой бронзы свинец выделяется в виде  крупных включений, быстрое охлаждение обеспечивает  дисперсное распределение свинца в меди.

Структура и свойства свинцовых бронз значительно меняется с введением добавок третьего компонента. Такие добавки, как никель,  марганец, фосфор, олово, серебро и т.п.,  растворяются в меди,  образуют твердые растворы и упрочняют  свинцовую бронзу.

Для обеспечения высокого качества  биметаллических  подшипников соединение бронзы со сталью должно быть плотным, без  отслоения; бронза не должна давать трещин, пористости, раковин; свинец должен быть распределен в бронзе равномерно, в виде  мелких  включений.  Заливка свинцовой бронзы производится на стальную основу,  содержащую до 0,25% углерода.

Простая марганцевая бронза Бр.Мц 5 обладает  повышенной  коррозионной стойкостью и жаропрочностью. При обычных температурах величина предела прочности равна 36 кг/мм2, удлинение  равно  40%, а при нагреве до 400ᴼ Gb = 26 кг/мм2, δ = 24%. Из этой бронзы  можно изготовлять детали паровой арматуры, паровых котлов и др.  Характеристика основных  свойств специальной марганцевой бронзы приведена в табл. 3.

Берилиевая бронза Бр.Б-2 в литейном производстве применяется редко. Эта  бронза представляет значительный  технический интерес  в связи с тем, что ее свойства  значительно улучшаются путем  термической обработки. Она может  иметь после отпуска высокие механические свойства: предел прочности при растяжении до 150 кг/мм2,  твердость НВ  = 400 и относительное удлинение 2-3%.  Из этой бронзы можно изготовлять инструмент и пружины; она также хорошо работает на износ и может  применяться для изготовления ответственных  машиностроительных  деталей. Ввиду высокой стоимости эта бронза применяется в ограниченном количестве.

Латунь

Простая латунь представляет собой сплав меди с цинком. Механические свойства латуни зависят от  количества цинка. Наибольшая прочность латуни достигается при содержании 45-50% цинка, а наибольшее удлинение – 30-35% цинка (рис 4).

влияние цинка на механические свойства латуни

   Обычно содержание цинка в латуни для фасонного литья составляет 35-45%.

Присадка к меди цинка понижает  температуру плавления олова, увеличивает жидкотекучесть, улучшает механические свойства.

Для улучшения механических, физических, химических и технологических свойств в латунь вводят различные элементы: марганец, свинец, олово, алюминий, железо, кремний, никель и др.  Латунь с добавкой таких элементов называют специальной.

В табл. 5 приведены состав и области применения  специальной латуни.

 

состав и область применения специальной латуни 1

состав и область применения специальной латуни

Главная особенность латуни состоит в том, что она самораскисляется за счет цинка.

При испарении цинка сплав рафинируется и защищается от  насыщения печными газами.

Кремнистая латунь марок ЛК 80-3 и ЛКС 80-3-3 обладает  высокой жидкотекучестью и хорошо заполняет формы. Отливки из кремнистой  латуни хорошо выдерживают воздушное и гидравлическое давление. Эта латунь хорошо обрабатывается и сваривается. Кремнистая латунь ЛКС 80-3-3,  содержащая свинец, обладает  повышенными антифрикционными свойствами и более высокой  химической стойкостью в серной кислоте, чем оловянная бронза.

Кремнистая латунь обладает склонностью к поглощению газов  во время плавки, выделяющихся при  затвердевании и  способствующих образованию газовых раковин.

Эта латунь имеет значительную объемную усадку, поэтому  требует  установки прибылей, в противном  случае в толстых местах отливок образуются раковины или усадочная межкристаллическая  пористость. Кремнистая латунь имеет недостаточную  пластичность при высоких температурах, поэтому формы и стержни должны быть  податливыми во избежание  образования трещин. Заливку форм производят при возможно более низкой температуре.

Литниковая система должна обеспечивать спокойное  заполнение  формы и хорошее улавливание окисных пленок.

Свинцовая латунь отличается хорошей обрабатываемостью режущим инструментом. Механические свойства свинцовой латуни несколько ниже по сравнению с латунью других марок. Свинец нерастворим в твердой меди и в латуни. Поэтому в свинцовой латуни свинец располагается по границам зерен твердого раствора, изолируя  их  друг от друга. Отливки из латуни, содержащей свинец, хорошо  обрабатываются на механических станках.

Гетерогенность структуры свинцовой латуни обеспечивает антифрикционные  свойства, поэтому свинцовые латуни можно  применять для изготовления деталей, работающих на трение.

Марганцевая латунь находит применение в промышленности благодаря повышенным механическим свойствам, жаростойкости и повышенной сопротивляемости коррозии. В практике применяют  марганцевые латуни, в состав которых входят железо, алюминий и свинец. Добавка к марганцевой латуни различных  элементов улучшает ее литейные и механические свойства.

Алюминиевая латунь обладает устойчивостью против воздействия морской воды, поэтому она находит применение в морском судостроении. Кроме того, алюминиевая латунь применяется в машиностроении.

Оловянная латунь хорошо сопротивляется воздействию морской  воды и морскому влажному воздуху, вследствие чего она получила  название морской латуни. Содержание олова в этой латуни находится в пределах 1,0-1,5%. Олово повышает механическую прочность латуни и коррозионную стойкость в морской воде.

Латунь многих марок, кроме повышенной коррозионной стойкости, обладает хорошими антифрикционными свойствами и может  применяться для машиностроительных деталей, работающих  на трение. Поэтому в машиностроительной промышленности оловянная  бронза с успехом заменяется латунью.

Медные сплавы с содержанием никеля

Никель с большим количеством  различных металлов образует двойные и более сложные растворы, которые обладают  высокой  прочностью, пластичностью,  повышенным  электросопротивлением, малым температурным коэффициентом электросопротивления, хорошей жаропрочностью и значительной коррозионной стойкостью.

Медноникелевые сплавы применяются для изготовления деталей  измерительных приборов, реостатов,  деталей химической аппаратуры, архитектурных, бытовых и художественных изделий,  медицинских инструментов и т.п.  В табл.6 приведены составы  медноникелевых сплавов и их физико- механические свойства.

состав медноникелевых сплавов и их физико-механические свойства

   Фасонных деталей из медноникелевых сплавов  изготовляют  сравнительно мало. Производство отливок из медноникелевых  сплавов представляет известные трудности, так как требуется  сравнительно высокая температура плавки и заливки, хорошая дегазация и раскисление сплава.

Раскисление медноникелевых сплавов производится вначале  марганцем, а затем магнием, поэтому  почти во всех медноникелевых сплавах  всегда содержится до 2 % Mn.

При  плавлении никель поглощает в большом количестве газы – водород, окись углерода и углекислоту , которые  выделяются во время  затвердевания и могут  образовывать  газовые раковины  в отливках. Марганец является хорошим  дегазатором, кроме того, он улучшает  механические свойства  никелевых сплавов.

Сера в никелевых сплавах является вредной примесью, которая  образует с никелем соединение Ni3S2.  Это соединение  при  кристаллизации сплава выделяется по границам зерен и понижает  механические свойства сплава. Вредное влияние серы  устраняется добавкой Mn и Mg,  которые образуют  с серой  тугоплавкие соединения MnS, MgS и всплывают в шлак.

Источник: Литейные сплавы  П.П. Жевтунов.