Сплавы на основе меди

Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum),откуда и название ее Cuprum. Медь особенно важна для электротехники. По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра.

Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из аллюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в XIX в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди. Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата медного купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому. 2. Медь и ее сплавы Медь – металл характерного красного цвета, который обладает след. св-ми: · Плотность 8940 кг / м 3 · Температура плавления 1083 С · Температура кипения 2595 С Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева; · атомный номер 29 · атомная масса 63,546 Кристаллическая решетка меди – гранецентрированный куб с параметром a = 3,61 . Механические свойства чистой меди в в отожженом состоянии после деформации в =220-240 Мпа, =50%, =75%, KCU = 1,6-1,8 МДж/м 2 и твердость HB =45. Медь обладает высокой электрои теплопроводностью, устойчива против атмосферной коррозии и коррозии в пресной и морской воде благодаря образованию на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей из CuSO 4 * 3 Cu ( OH ) 2 . Медь хорошо обрабатывается в холодном и горячем состояниях.

Техническую медь в зависимости от чистоты разделяют на десять марок: 1) М00 (99,99% Cu); 2) М0 (99,9 5 % Cu); 3) М0б (99,9 7 % Cu, бескислородная медь ); 4) М1 (99,9% Cu); 5) М1 p (99,9% Cu , раскисленная медь ); 6) М 2 (99,7% Cu); 7) М 2p (99,7% Cu); 8) М 3 (99,5% Cu); 9) М 3p (99,5% Cu); 10) М 4 (99% Cu) . Примеси меди Bi , Pb , H 2 , Sb затрудняют обработку давлением в горячем состоянии, а O 2 и S придают ей хладноломкость. Все примеси, особенно P , As , Sb снижают электропроводность.

Технически чистую медь широко применяют в электротехничекой промышленности для проводов кабелей, шин, других токопроводящих частей, в машиностроении, судостроении, котлостроении для теплообменников. В большом колличестве медь используют для изготовления важнейших конструкционных сплавов – латуней и бронз. В материаловедении было установлено, что многие сплавы на основе меди, серебра, и золота, легированные цинком, оловом и т.д. образуют похожие фазы с похожими свойствами. При этом тип образующейся фазы и соответственно свойства определяются электронной концентрацией сплавов e / n . e – среднее число электронов на элементарную ячейку n – число атомов в элементарной ячейке Следовательно, e / n – это средняя электронная концентрация на атом сплава Такие фазы называют электронными соединениями или фазами Юм-Розери. В таблице приведены условия образования этих фаз и примеры таких сплавов:

Латуни, имеющие в структуре однофазный твердый -раствор, хорошо поддаются обработке давлением в горячем и холодном состоянии, сварке, пайке и лужению.

Однофазный -раствор при температуре примерно 453 С имеет упорядоченное расположение атомов меди и цинка и обозначается '. Эта фаза, в отличие от -фазы, является твердой и хрупкой.

Обработке давлением она подвергается только в горячем состоянии.

Латуни, имеющие двухфазную структуру + также обладают низкой пластичностью и обрабатываются давлением только в горячем состоянии. Все латуни имеют хорошие антикоррозийные свойства; в атмосферных условиях скорость коррозии составляет 0,0001-0,00075 мм/год.

Механические свойства латуней в зависимости от содержания цинка представлены на рис 1 б) Увеличение содержания цинка до 39% приводит к образованию при комнатной температуре -фазы и сопровождается повышением прочности и пластичности. При дальнейшем увеличении содержания цинка образуются две фазы + ', что приводит к интенсивному уменьшению пластичности с одновременным увеличением прочности. При переходе в однофазную область ' латунь становится весьма хрупкой, вследствие чего резко снижаются прочность и пластичность.

Поэтому на практике используют латуни, содержащие не боее 42% Zn , т.е. однои двухфазные латуни. Марку латуни обозначают буквой «Л», за которой следует цифра, указывающая среднее содержание (в процентах) меди в сплаве, например Л62, Л68, Л70 и т.д. Для улучшения механических и технологических свойств латуней в них вводят легирующие элементы. Для обозначения легированных или специальных латуней после буквы «Л» ставят начальную букву легирующего элемента, его процентное содержание указывают цифрой, например, ЛС59-1 (1% Pb ), ЛАН59-3-2 (3% Al и 2% Ni ), ЛМцОС58-2-2-2 ( Mn , Sn , Pb , по 2%) и т.д.

Обозначение легирующих элементов следующее: · А – алюминий; · Ж – железо; · Мц – марганец; · Н – никель; · О – олово; · К – кремний; · С – свинец. По технологическому признаку латуни разделяют на деформируемые и линейные. 3.1. Деформируемые латуни К этим латуням относят медноцинковые сплавы с содержанием 4-10% Zn (томпаки марок Л96 и Л90); 15-20% Zn (полутомпаки марок Л85 и Л80); 30-50% Zn (латуни марок Л70, Л68, Л63 и Л60), а так же специальные илимногокомпонентные латуни, легированные алюминием, кремнием, оловом, никелем, свинцом и т.д. (с содержанием легирующих элементов примерно 2%), например, алюминиевая латунь ЛА77-2, алюминийжелезистая латунь ЛАЖ60-1-1 и др.

Деформируемые латуни обрабатывают прессованием, прокаткой, волочением и штамповкой.

Применяют латуни для изготовления труб, листов, лент, полос, прутков и поковок для деталей машин, приборов и агрегатов. 3.2. Литейные латуни К ним относят медноцинковые сплавы с содержанием 14-38% Zn , легированные алюминием, марганцем, кремнием, железом и свинцом (с содержанием легирующих элементов более 3%) К литейным латуням относят ЛА67-2,5; ЛКС80-3-3; ЛАЖМц66-6-3-2; ЛМцС58-2-2; ЛМцЖ55-3-1 и др.

Литейные латуни используют для изготовления фасонных отливок в виде подшипников, втулок и других антифрикционных деталей для арматуры и деталей морского судостроения и т.д. 4. Славы бронзы Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием, берилием и другими элементами, которые являются основными легирующими элементами.

Бронзы делят на две основные группы: 1) Оловянистые, в которых основным легирующим элементом является олово; 2) Специальные, в которых основными элементами являются алюминий, марганец, кремний, берилий и т.д.

Название специальных бронз дается по основному легирующему элементу: алюминиевые, марганцовистые, кремнистые и т.п.

Бронзы обозначают буквами «Бр» и первыми буквами основных легирующих элементов, за которыми следуют цифры, показывающие их процентное содержание.

Например, БрОФ6,5-0,4 означает, что бронза оловянофосфористая с содержанием 6,5% Sn и 0,4% P , остальное медь; БрА7 – содержит 7% Al , остальное медь и т.д. Рис 2. Диаграмма состояния системы медь – олово (а) и механические свойства литой бронзы в зависимости от содержания олова (б) Весьма широкое применение получили технические оловянистые бронзы с содержание 10-12% Sn и реже до 20-22% Sn . Из диаграммы состояния медь – олово рис 2 а) (левая часть полной диаграммы) видно, что меднооловянистые сплавы при 800-700 С образуют: 1) твердый -раствор олова в меди (при содержании до 13,5% Sn ); 2) сесь двух фаз + (при содержании 13,5-22% Sn ). В отличие от латуней в бронзе -фаза существует только при высоких температурах и на диаграмме имеется горизонтальная линия между + -фазой, -фазой и + -фазой. Это означает что такие материалы можно подвергать закалке и старению. При медленном охлаждении с 588 С кристаллы -фазы претерпевают эквивалентный распад с образованием смеси -фазы и g -фазы, а при 520 С кристаллы твердого раствора g -фазы распадаются на смесь фаз и . В свою очередь при 350 С -фаза распадается на твердый -раствор и -фазу (соединение Cu 3 Sn ). В результате медленного охлаждения при комнатной температуре микроструктура оловянистой бронзы состоит из смеси фаз + . При реальных условиях охлаждения последнее превращение не успевает произойти и бронза состоит из фаз + (соединение Cu 31 Sn 8 ) Оловянистые бронзы по технологическому признаку разделяют на литейные и деформируемые. 4.1. Литейные оловянистые бронзы К ним относят бронзы марок БрО10, БрОФ10-1, БрОЦ10-2, Бр ОЦС5-5-5, БрОЦС6-6-3, БрОНС11-4-3 b и др. Эти бронзы, содержащие свыше 5-6% Sn , относят к двухфазным.

Наличие в макроструктуре, кроме твердого -раствора, эвтектоида ( + ) обуславливает их хрупкость. 4.2. Деформируемые оловянистые бронзы Используются для получения лент, полос, прутков, проволоки, пружин, трубок, подшипниковых деталей и т.д., относят бронзы марок БрОФ4-0,25, БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 и др. Эти бронзы однофазные (твердый -раствор); они обладают удовлетворительной пластичностью.

Механические свойства бронзы в зависимости от содержания олова представлены на рис 2 б). Увеличение прочности с повышением до 18-20% Sn сопровождается снижением пластичности. Кроме того, различают специальные, или безоловянистые, бронзы, к которым относяталюминивые, марганцовистые, кремнистые и другие, обладающие в ряде случаев более высокими механическими и антикоррозийными свойствами, чем оловянистые, поэтому они нашли широкое приминение в промышленности. В зависимости от назначения и механических свойств специальные бронзы делятся на деформируемые и литейные. 4.2.1. Деформируемые специальные бронзы К ним относят однофазные бронзы с содержанием основного легирующего элемента 5-10%. Эти бронзы хорошо обрабатываются в горячем и в ряде случаев в холодном состоянии. Они обладают высокой коррозийной стойкостью и предназначены для производства листов, лент, труб, прутков и профилей, получаемых прессованием и прокаткой.

Бронзу БрА5 широко применяют для изготовления монет.