Медно-цинковые сплавы (латуни)

Сплавы меди с цинком являются самыми распространенными в машиностроении из тяжелых цветных сплавов. Диаграмма состояния медь – цинк приведена на рис.118. Система медь – цинк относится к случаю ограниченной растворимости с наличием перитектических превращений. Цинк растворяется в меди с образованием твердого раствора замещения ; предельная растворимость цинка в меди при комнатной температуре составляет 39%. При температуре 903 С происходит перитектическое превращение с образованием фазы  (ж.р.+ ). Фаза  является электронным соединением на основе CuZn с решеткой объемно-центрированного куба. Выше 450…470 C в  фазе наблюдается неупорядоченное расположение атомов меди и цинка в кристаллической решетке. Ниже этих температур происходит упорядочение в расположении атомов; атомы меди располагаются в вершинах куба, а атомы цинка – в центре куба. Такой раствор  называется упорядоченным и отличается повышенной хрупкостью.

Рис.118. Диаграмма состояния Cu-Zn и механические свойства сплавов.

Свойства сплавов зависят от содержания цинка. С увеличением цинка прочность возрастает, достигает максимума при 45% цинка и далее уменьшается. Относительное удлинение также увеличивается и достигает наибольшего значения при 30% цинка. В промышленности применяют сплавы с содержанием до 47% цинка. При нагреве в интервале температур 200…700 С наблюдается резкое снижение пластичности и поэтому горячую обработку латуней нельзя проводить при температуре ниже 700 С.

Медно – цинковые сплавы применяются главным образом как деформируемые сплавы (листы, ленты, трубы, прутки и др.) (Л68 и др.) и в меньшей степени в качестве литейных сплавов для изготовления фасонных деталей и отливок (ЛЦ16К4 и др.). В качестве деформируемых сплавов применяются простые латуни марок Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68 (число показывает содержание меди в %) и легирование латуни.

Бронзы

Бронзами называют все сплавы меди с алюминием, оловом, свинцом, кремнием и другими элементами, кроме цинка. Ниже рассматриваются важнейшие промышленные бронзы.

Алюминиевые бронзы. Эти бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. Диаграмма состояния медь – алюминий приведена на рис. 119. Система медь – алюминий относится к случаю  ограниченной  раствори-

Рис.119.Диаграмма состояния Cu-Al и механи- ческие свойства сплавов.

мости: алюминий растворя- ется в меди с образованием твердого раствора (предель- ная растворимость при ком- натной температуре состав- ляет 9,4% Al). В сплавах с большим содержанием алюми- ния при высоких температурах образуется промежуточная фа- за .При температуре 565 С происходит эвтектоидное пре- вращение ( -фаза яв- ляется электронным соеди- нением и отличается высокой хрупкостью). Следовательно, алюминиевая бронза с содер- жанием 9,4…12% имеет ниже температуры 565 С структуру из кристаллов  - раствора и эвтектоида + , как показано на схеме (рис.120).    Относительное удлинение бронзы резко уменьшается при содержании алюминия выше

9%, что связано с появлением хрупкой фазы . Алюминиевые бронзы с 5…7% Al легко поддаются холодной и горячей пластической деформации и применяются в качестве деформируемых материалов. Бронзы с 9…10% Al, при комнатной температуре имеют малую пластичность и обрабатываются давлением только в горячем состоянии; они применяются для получения изделий методом горячего прессования. Эти бронзы используются также для изготовления фасонных отливок, так как хорошо заполняют форму, не дают рассеянной пористости и обеспечивают получение плотных отливок, не имеют ликвации. Недостатком при литье являются значительная усадка и повышенная способность к загрязнению окисными пленками. Бронза с 9…10% Al для большего упрочнения дополнительно легируется железом и марганцем. Добавки железа измельчают, микроструктуру бронзы, а марганец

Рис.120.Схема микроструктуры алюминиевой бронзы.

растворяется в твердом растворе и повышает его прочность. Широкое применение в промышленности получила легированная бронза БрА10Ж3Мц2 и др. (А-алюминий, Ж-железо,Мц-марганец; числа пока- зывают среднее содержание этих элементов). Алюминиевые бронзы обладают высокими механическими свойствами ( = 490…580 МПа, = 10…15%), хорошей износостой-

костью и применяются для изготовления втулок, червячных шестерен, арматуры для судостроения, ответственных деталей.

Оловянистые бронзы. Эти бронзы ранее имели широкое распространение; в виду высокой стоимости олова оловянистые бронзы заменены новыми сплавами (алюминиевыми и другими бронзами) и применяются ограниченно.

     Система медь-олово относится к случаю ограниченной растворимости. В литых технических сплавах в меди растворяется до 5…6% олова; при большем содержании олова образуется химическое соединение Си Sn  и структура состоит  из твердого раствора и химического соединения.

     Бронзы с содержанием до 4…6% олова имеют сравнительно высокие пластические свойства (  до 30…35%) и применяются в качестве деформируемых материалов (ленты, полосы, прутки, проволока для пружин). Бронзы с более высоким содержанием олова (6…10%) используются в качестве литейных сплавов для производства отливок в земляные формы и кокиль. Из них изготавливаются арматура, работающая в условиях морской и пресной воды и пара, сложное фасонное литье, подшипники. Оловянистая бронза имеет сравнительно невысокую жидкотекучесть и отливки характеризуются повышенной междендритной пористостью (неплотные отливки). Для улучшения свойств в бронзы добавляют цинк и свинец. Цинк полностью растворяется в твердом растворе и улучшает литейные свойства бронзы. Свинец в меди не растворяется и выделяется в виде отдельных включений. Добавки свинца улучшают антифрикционные свойства и обработку бронзы резанием.

Кремнистые, марганцовистые и бериллиевые бронзы. Промышленные сплавы меди с кремнием, марганцем и бериллием имеют структуру твердого раствора и обладают высокими свойствами. Кремнистая бронза содержит около 3% кремния, имеет хорошую жидкотекучесть и применяется для изготовления фасонных отливок. Эта бронза имеет также высокую пластичность и пригодна для всех видов обработки давлением. Марганцовистая бронза с содержанием 5% марганца обладает повышенной коррозионной стойкостью и сохраняет механические свойства при повышенных температурах. Эти бронзы применяются для изготовления литых деталей, работающих при повышенных температурах (арматура паровых котлов и др.).

Бериллиевые бронзы отличаются наличием переменной растворимости бериллия в меди. С понижением температуры растворимость бериллия уменьшается с 2,1% до 0,16% и из твердого раствора выделяются частицы соединения CuBe ( - фаза). Вследствие переменной растворимости бронза БрБ2 с 2% бериллия может подвергаться термической обработке – закалке с последующим старением. В результате термической обработки прочность повышается до =1080…1275 МПа при =1,5%.

Магний и его сплавы

Магний имеет небольшую плотность 1,74 г/см . Особенностью магния является гексагональная кристаллическая решетка, в которой обычно имеется только одна возможная плоскость скольжения. Поэтому магний имеет малую пластичность и обработка давлением затруднена. Недостатком магния является пониженная коррозионная стойкость и способность к самовозгоранию. Для защиты от коррозии на поверхности изделий наносятся тонкие окисные пленки или лакокрасочные покрытия.

Вследствие низких механических свойств в чистом виде в качестве конструкционного материала не применяется и используется для производства сплавов. Магниевые сплавы подразделяются на литейные, предназначаемые для изготовления фасонных отливок, и деформируемые для производств листов, труб, профилей, поковок металлами горячей и холодной обработки давлением.

Литейные сплавы. Важнейшие литейные сплавы построены на основе системы магний – алюминий – цинк (сплавы марок МЛ4 и МЛ5). Плавка ведется под слоем флюса для предотвращения самовозгораний магния. Для уменьшения окисляемости вводятся небольшие добавки бериллия (0,01… 0,02%), который образует окисную пленку на поверхности металла. Измельчение зерна достигается добавками модификаторов в жидкий металл (магнезит, хлорное железо, цирконий).

Магниевые сплавы имеют склонность к образованию микропор и усадочной рыхлости. Наличие переменной растворимости алюминия и цинка в магнии обеспечивает возможность термической обработки сплавов – закалки и закалки со старением. Характерной особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузии, поэтому нагрев под закалку производится длительное время (16…30 часов).

Литейные сплавы магния применяются для отливки сложных по конфигурации деталей самолетов, авиационных и автомобильных двигателей, корпусов приборов, биноклей, фотоаппаратов. Отливка ведется в землю, в кокиль и под давлением.

Деформируемые сплавы. По химическому составу деформируемые сплавы очень близки к литейным сплавам (система магний – алюминий – цинк) и применяются для изготовления штамповок, реже для листов, труб и профилей. Сплавы отличаются низкой пластичностью и для деформирования требуется нагрев до температур 280…500 С. Сплав МАЗ применяется для производства штамповок, профилей, труб, листов.

Другой группой деформируемых сплавов, применяемых в качестве листового материала, являются сплавы магния с 1,3…2,5% марганца. Эти сплавы имеют хорошую пластичность при повышенных температурах и являются наиболее коррозионностойкими из деформируемых сплавов. Сплавы используются для изготовления баков, обшивки некоторых элементов самолета.

Сплавы магния с редкоземельными элементами (церий, неодим, лантан) и с торием применяются в качестве жаропрочных сплавов. Эти сплавы по прочности при температуре 300…350 С превосходят алюминиевые сплавы.

Антифрикционные материалы

Сплавы для подшипников скольжения должны иметь малый коэффициент трения, хорошо прирабатываться к валу и иметь микрокапилляры, обеспечивающие доступ смазки к трущимся поверхностям. Эти требования удовлетворяются при наличии разнородной структуры, состоящей из твердых включений и мягкой, пластичной основы. Мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость, а твердые включения – небольшой коэффициент трения и высокую износостойкость. Промышленные подшипниковые сплавы построены на базе пластичных металлов: олова, свинца, алюминия, меди.

Сплавы олова и свинца с сурьмой (баббиты). Баббиты системы Sn-Sb (рис.121) на основе олова содержат 4…12% сурьмы и 2…6% меди. Микроструктура баббита состоит из мягкого  - твердого раствора сурьмы в олове и твердых включений  (SnSb). Эти сплавы склонны к ликвации по плотности; при этом более легкие кристаллы  всплывают наверх, а тяжелые кристаллы твердого раствора  опускаются вниз. Для предотвращения ликвации в баббит вводится медь. Медь образует с оловом химическое соединение Cu Sn, которое образует разветвленные кристаллы первым и препятствует всплыванию легких кристаллов . На схеме микроструктуры баббита Б83 (рис.122) видны кристаллы (светлые)  (SnSb) и мелкие светлые кристаллы Cu Sn на основе - раствора (темный).

Рис.121. Диаграмма состояния Sn-Sb. Рис.122.Схема микроструктуры баббита Б83.

Баббиты марок Б83, Б89 (число показывает содержание оло- ва) являются одними из лучших легкоплавких антифрикционных сплавов и применяются при боль- ших скоростях, малых удельных давлениях и температурах не выше 120 С. Ввиду малой прочности баббиты заливаются на стальные вкладыши подшипников. Недос- татком баббитов на основе олова является малое сопротивление усталости при работе с вибрациями и высокая стоимость. Заменителями оловянных баб- битов являются сплавы на свинцово – оловянной основе с добавками сурьмы и небольшого количества меди. Широкое применение получил баббит Б16 с 16%олова, 16% сурьмы и 2% меди. Структура таких бабби- тов аналогична структуре оловян- ных баббитов. Свинцовооловянные баббиты по сравнению с оловян- ными имеют меньшую вязкость и применяются в условиях спокойной нагрузки.

Лучшее сцепление слоев баббита и стальной основы и более высокую усталостную прочность имеют триметаллические вкладыши. В этих вкладышах на стальную ленту наносится смесь порошков меди и никеля и производится спекание. Порошки припекаются к ленте и образуют высокопористый слой. Далее поры пропитываются баббитом.

Простейшим баббитом является сплав свинца с 16% сурьмы марки БС. Структура этого баббита состоит из эвтектики (свинец – сурьма) и твердых включений сурьмы. Для предотвращения ликвации по удельному весу в сплав добавляют медь, которая образует кристаллы Cu Sb. Свинцовые баббиты являются хрупкими, имеют больший коэффициент трения, сильнее изнашиваются по сравнению с оловянными баббитами и применяются для малонагруженных и неответственных подшипников при температурах нагрева не выше 60 С.

Алюминиевые подшипниковые сплавы. Некоторые алюминиевые сплавы применяются в качестве подшипниковых материалов. Так, в автомобильной промышленности получил применение сплав марки АО20-1 (20% олова, 1% меди) (ГОСТ 14113).

Свинцовистая бронза. Сплавы меди с 25…30% свинца марки БрС30 могут работать при больших удельных давлениях, повышенных скоростях (8…10 м/сек) и допускают нагрев до температур 300…320 С. Свинцовистые бронзы находят широкое применение для заливки стальных вкладышей высоконагруженных ответственных подшипников мощных турбин, авиационных моторов, дизелей. Недостатком бронзы является плохая смешиваемость меди и свинца даже в жидком состоянии и склонность к резко выраженной ликвации – неоднородному распределению в микроструктуре свинца и меди. Этот недостаток предотвращается путем быстрого охлаждения после заливки и введением небольших присадок модификаторов.

Припои для пайки

Припои представляют собой сравнительно легкоплавкие металлические материалы, используемые при проведении пайки. Пайка является одним из способов образования неразъемных соединений различных металлов с помощью промежуточного тонкого слоя припоя.

Припой в расплавленном жидком состоянии наносится на поверхность соединяемых деталей и должен иметь хорошую смачиваемость этих поверхностей. В отличие от сварки металлические детали в поверхностных слоях не расплавляются. После затвердевания промежуточного слоя жидкого припоя образуется неразъемное соединение деталей.

На качество процесса пайки большое влияние оказывает предварительная подготовка поверхностей спаиваемых деталей. Для обеспечения качественной очистки поверхностей деталей от окислов и других загрязнений используются особые вещества, называемые флюсами.

Применяемые при пайке припои подразделяются на мягкие и твердые. Основу мягких припоев составляют легкоплавкие металлы: олово и свинец. Механические свойства получаемого спая низкие (табл.20).

                                                                                                                       Таблица 20