UA-75651220-1

Сплави на основi мiдi

Найпоширенішими сплавами міді є латуні та бронзи. Легують мідь цинком, оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем, нікелем, берилієм тощо. Ці елементи підвищують твердість і міцність мідних сплавів, практично не знижуючи їх пластичність, а окремі з них (Zn, Sn, Аl) навіть підвищують її. Алюміній, марганець і олово поліпшують корозійну стійкість, окрім цього олово, кремній і марганець у певних концентраціях підвищують антифрикційні властивості сплавів міді. Залізо сприяє подрібненню зерна, а кремній підвищує ливарні властивості сплавів. Пластичність багатьох однофазових мідних сплавів є дуже високою, а міцність у рівноважному стані (γв = 250-550 МПа) нижча порівняно зі сталями. Винятком щодо міцності може бути берилієва бронза, зміцнена термообробкою.

За технологічною ознакою розрізняють деформівні та ливарні сплави міді.

Латунями називають дво- або багатокомпонентні сплави міді, у яких основним легуючим компонентом є цинк. Двокомпонентні латунні системи Сu - Zn належать до простих, а багатокомпонентні, що крім цинку містять ще й інші елементи, - до спеціальних. Завдяки поєднанню високих технологічних і непоганих механічних властивостей латуні найпоширеніші серед сплавів міді (табл. 2.5).
Марки латуней позначають літерою Л (латунь), після якої для простих латуней ставлять цифри, що відповідають масовій частці міді, - Л96, Л90, Л85, Л80. Наприклад, у латуні марки Л85 середня масова частка міді 85 %, решта - цинк. Маркуючи спеціальні латуні, на початку теж ставлять літеру Л, після якої йдуть літери, що позначають легуючі елементи, й цифри після них відповідають середній масовій частці у відсотках відповідних елементів (рис. 1.2.40). Зокрема, в латуні марки ЛЦ40Мц3А маємо 40 % цинку (Ц), 3 % марганцю (Мц) і 1 % алюмінію (А), решта - 56 % міді.
Рис. 1.2.40. Приклад розшифрування марок латуні
До деформівних належать однофазові та двофазові латуні (табл. 2.6).
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 й зменшує пластичність (явище наклепу). У 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), прутки, дріт, стрічки (рис. 1.2.41, а-д). Однофазові латуні з умістом міді понад 90 % мають колір золота й використовуються для ювелірних і декоративних виробів (рис. 1.2.41, e).
Рис. 1.2.41. Вироби з деформівних латуней:
а - гільзи патронів; б - теплообмінник; в - стрічка; г - трубка; д - пруток; е - корпуси годинників
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 (табл. 2.7). Вони характеризуються значною рідкоплинністю, малою схильністю до ліквації й високими антифрикційними властивостями. З ливарних латуней виготовляють арматуру (ЛЦ40С), лопатки гребних гвинтів (ЛЦ40МЗЖ), гайки, вінці черв’ячних коліс (ЛЦ23А6ЖЗМц2), шестерні (ЛЦ16К4) і втулки підшипників (ЛЦ38Мц2С2) (рис. 1.2.42).
Рис. 1.2.42. Використання ливарних спеціальних латуней:
а - фітинги; б - вінці черв’ячних колес; в, г - шестерні; д - сепаратори підшипників; е - втулки підшипників
Бронзами називають дво- або багатокомпонентні сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем, берилієм, кремнієм, хромом або іншими компонентами, серед яких цинк не є основним.

Серед бронз найпоширенішими є багатокомпонентні й значно рідше трапляються двокомпонентні. Залежно від назви основного легуючого компонента бронзи поділяють на олов’яні, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві та ін.

Олов’яні бронзи - найстаріші серед металевих сплавів. У реально використовуваних промислових бронзах масова частка олова здебільшого не перевищує 11 %.

Двокомпонентні олов’яні бронзи мають підвищену схильність до ліквації, низьку рідкоплинність і розсіяну пористість, проте вони характеризуються дуже низькою лінійною усадкою (0,8 %) й добрими корозієстійкими властивостями. Ці бронзи коштовні. Для того щоб здешевити олов’яні бронзи й поліпшити технологічні та механічні властивості, їх додатково легують цинком, свинцем, нікелем і фосфором.

Оскільки цинк дешевший не лише від олова, але й від міді, його вводять у великих кількостях, але не більше його розчинності в α-фазі.

Нікель сприяє здрібненню зерна, збільшує міцність і пластичність і підвищує корозієстійкість бронз.

Свинець знижує механічні властивості, проте підвищує густину виливків, поліпшує антифрикційні властивості й оброблюваність різанням.

Фосфор підвищує міцність і рідкоплинність бронз.

Бронзи маркують літерами Бр (бронза), за якими проставляють літери, що показують, які компоненти, крім міді, входять до складу бронзи. Цифри відповідають середній масовій частці відповідних легуючих елементів (рис. 1.2.43). Наприклад, бронза марки БрОФ10-1 містить 10 % олова (О), 1 % фосфору (Ф), а решта 89 % - мідь.
Рис. 1.2.43. Приклад розшифрування марки бронзи
Розрізняють деформівні й ливарні олов’яні бронзи.

Деформівні бронзи мають до 8 % олова, 5 % цинку, 4,5 % свинцю й 0,35 % фосфору (табл. 2.8).
Для того щоб забезпечити добру пластичність, масова частка олова в деформівних бронзах не має перевищувати 6 %. Вироби з таких бронз (стрічки, прутки, дріт) постачають у нагартованому (твердому) й відпаленому (м’якому) стані. Відпалюють при температурі 700-750 °С, щоб наблизити структуру до рівноважної. Структура відпаленої бронзи є однофазовою.

Ливарні бронзи мають низьку пластичність. Із підвищенням умісту олова до 9-11 % у нерівноважній структурі з’являється крихка δ-фаза, яка істотно знижує пластичність. Додавання до ливарних бронз цинку і свинцю підвищує їх рідкоплинність. М’яка α-фаза матриці із вкрапленнями твердих зерен δ-фази надає бронзам добрих антифрикційних властивостей. Тверді частинки протистоять спрацьовуванню бронзи, а м’яка матриця сприяє припрацьовуванню деталей, що труться. Отже, олов’яні бронзи із двофазовою структурою є типовим антифрикційним матеріалом.

З ливарних бронз виготовляють переважно арматуру, а також деталі, що працюють в умовах тертя (втулки, вкладки підшипників, вінці черв’ячних коліс) (рис. 1.2.44).
Рис. 1.2.44. Вироби з ливарних бронз:
а - клапани; б - редуктори тиску; в - кільце; г - втулка; д - зубчастий вінець; e - вкладки підшипників
Алюмінієві бронзи характеризуються високою рідкоплинністю, добрими механічними властивостями (табл. 2.9) й корозієстійкістю, проте вони мають дещо більшу усадку порівняно з олов’яними бронзами.

За нормальної температури в міді розчиняється до 9,4 % алюмінію.
Двокомпонентні однофазові бронзи (БрА5, БрА7) найкраще поєднують міцність і пластичність (табл. 2.9). Вони належать до деформівних бронз. З бронзи БрА5 штампуванням виготовляють медалі, розмінні монети й деталі хімічного машинобудування (рис. 1.2.45). До недоліків двокомпонентних алюмінієвих бронз належать підвищена усадка, схильність до насичення газами й до утворення оксидів під час розплавлення, а також низька здатність до паяння. Ці недоліки можна значною мірою усунути, легуючи бронзу залізом, марганцем і нікелем.
Рис. 1.2.45. Вироби з деформівних бронз:
а - монети; б - медалі; в - деталі хімічного машинобудування
Залізо відіграє роль модифікатора, підвищуючи міцність та антифрикційні властивості алюмінієвих бронз при деякому зниженні їх механічних показників. Воно розчиняється до 4 %, а при вмісті понад 4 % утворює хімічну сполуку Аl3Fе.

Марганець підвищує міцність, пластичність, антифрикційні властивості й корозієстійкість. Нікель поліпшує технологічні й механічні властивості алюмінієво-залізних бронз, до того ж при підвищених температурах.

Бронза марки БрАЖН10-4-4 під час гартування й подальшого старіння набуває твердості 400 НВ. Із алюмінієво-залізних бронз рекомендують виготовляти деталі, що працюють в умовах тертя при температурі до 500 °С (сідла клапанів, деталі насосів, зубчасті колеса).

Окремі марки бронз (БрМц9-2, БрАЖН10-4-4 та ін.) використовують і як деформівні, і як ливарні, з тією лише різницею, що в ливарних наявна більша частка домішок. Для того щоб відрізнити ливарні бронзи від деформівних, наприкінці марки ливарної бронзи дописують літеру Л (ливарна).

Кремнієві бронзи служать замінниками олов’яних. Порівняно з олов’яними вони характеризуються вищою корозієстійкістю, кращими механічними властивостями і густиною виливків. Проте з огляду на підвищену усадку та схильність до поглинання газів ливарні властивості кремнієвих бронз гірші, ніж олов’яних і алюмінієвих. Кремнієві бронзи легко обробляються тиском і різанням, добре зварюються, мають високі антифрикційні властивості. Вони містять до 3,5 % кремнію (табл. 2.10).
Двокомпонентні сплави системи Сu - Si не застосовуються у промисловості. Легуючи їх марганцем і нікелем, можна поліпшити антикорозійні й механічні властивості.

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 (рис. 1.2.46).
Рис. 1.2.46. Деталі, виготовлені з кремнієвих бронз:
а - напрямні втулки; б - датчик для хімічної промисловості
Берилієві бронзи характеризуються високою міцністю, пружністю, корозієстійкістю, доброю електро- й теплопровідністю; 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 і титаном. Нікель зменшує критичну швидкість охолодження і підвищує жаротривкість, а титан сприяє додатковому зміцненню за рахунок сполук ТіВе2 і Сu3Ті (табл. 2.11).
Берилієві бронзи належать до дисперснотвердіючих сплавів. Унаслідок гартування у воді від температури 800 °С утворюється пересичений твердий розчин берилію в міді. Під час штучного старіння з пересиченого розчину виділяються дрібнодисперсні частинки зміцнювальної γ-фази (СuВе). Межа міцності бронзи БрБ2 (~ 2 % берилію) після гартування й штучного старіння становить 120 НВ, а відносне видовження δ - до 5 %. Попередньо наклепана бронза зміцнюється ще сильніше.

Берилієві бронзи коштовні, тому з них виготовляють відповідальні деталі авіаційних приладів - мембрани, пружини, пружинні контакти й ударні інструменти, що працюють у вибухонебезпечних умовах (рис. 1.2.47).
Рис. 1.2.47. Деталі, виготовлені з берилієвих бронз:
а - мембрани; б - пружини та пружинні контакти; в - сильфони
Свинцева бронза - антифрикційний матеріал з високою теплопровідністю, проте з низькими механічними і технологічними властивостями. Завдяки високій теплопровідності теплота, що виникає під час тертя, легко відводиться у зовнішнє середовище. Серед свинцевих бронз широко відома марка БрС30, з якої виготовляють підшипники ковзання для роботи в умовах підвищеного тиску й великих швидкостей (рис. 1.2.48).
Рис. 1.2.48. Деталі підшипників ковзання, виготовлені зі свинцевої бронзи
Свинець практично не розчиняється в міді, йому властива ліквація за густиною. Для того 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, поліпшує механічні й антикорозійні властивості.
Рис. 1.2.49. Властивості міді та її застосування
Рис. 1.2.50. Використання сплавів міді
Сплави на основі міді використовують у виробництві сільськогосподарської техніки, наприклад, у тракторах. Рідинний термостат у системі охолодження має слідкувальний пристрій - гофрований латунний циліндр.