Сплавы меди с цинком или латуни.

       Двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк, называют латунями.

       В системе Cu-Zn образуется шесть твердых растворов: a, b, g, d, e, h, но практическое применение имеют сплавы, содержащие до 45% Zn, то есть однофазные (a-) и двухфазные (a+b)-латуни.

       Однофазная a-латунь представляет собой твердый раствор цинка в меди с решеткой ГЦК и может содержать до 39% Zn. Однофазная a-латунь характеризуется высокой пластичностью. При содержании более 39% Zn в структуре появляется хрупкая b- фаза, представляющая собой твердый раствор с решеткой ОЦК на базе соединения CuZn с электронным типом связи. Двухфазные латуни менее пластичные и более прочные.

       a-латуни редко легируют дополнительно другими элементами; они представляют собой обычно двойные сплавы меди с цинком. В марках этих латуней Л62, Л68, Л80, Л90 цифры показывают содержание меди. Цинк дешевле меди. Чем больше цинка в латуни, тем ниже ее стоимость. Из однофазных a-латуней холодным деформированием изготовляют ленты, гильзы патронов, трубки теплообменников, проволоку.

       Латунь, содержащая до 10% Zn, так называемый томпак, имеет цвет золота и применяется для изготовления украшений.

       (a+b)-латуни легируют дополнительно алюминием, железом, никелем для увеличения прочности, а также для улучшения обрабатываемости на станках. Высокими коррозионными свойствами обладают латуни, легированные оловом (ЛО70-1, ЛО62-1) и называемые морскими латунями. Наибольшей прочностью обладают латуни, дополнительно легированные алюминием, железом, марганцем.

       Отрицательным свойством деформированных латуней, содержащих более 20% Zn, является склонность к растрескиванию при вылеживании во влажной атмосфере, содержащей следы аммиака. «Сезонное растрескивание» обусловлено коррозией по границам зерен в местах неравномерной концентрации примесей. Для снижения этого дефекта после деформации латуни подвергают отжигу при температурах ниже температуры рекристаллизации (обычно около 250^оС).

       Из деформированных латуней изготовляют трубы, прутки, полосы, проволоку. Литейные латуни отливают в землю, в кокиль, под давлением, они идут на изготовление арматуры и деталей судостроения, гаек нажимных болтов для сложных условий работы, втулок, вкладышей и подшипников.

       Благодаря узкому интервалу между линиями ликвидуса и солидуса, литейные латуни не подвержены ликвации и усадочной пористости.

11.3. Бронзы.

       Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим, называются бронзами. По главному легирующему элементу различают бронзы оловянные, свинцовые, кремниевые и т.д.

Оловянные бронзы (ГОСТ 5017-74, ГОСТ 10025-78). Особенно широко применяются в машиностроении оловянные бронзы, в которых олово является основным легирующим элементом, в качестве добавок используют Zn, Pb, Ni и др.

Диаграмма состояния системы медь-олово характеризуется сравнительно большим расстоянием между линиями ликвидуса и солидуса. Поэтому особенностью двухкомпонентных оловянных бронз является их повышенная склонность к ликвации, вызванная медленно проходящим процессом диффузии, низкая жидкотекучесть и рассеянная пористость.

       В соответствии с диаграммой состояния предельная растворимость олова в меди составляет 15,8%. Уже при содержании олова 5-6% в структуре появляется ((a+b)-эвтектоид, в котором b-фаза представляет собой твердое и хрупкое электронное соединение Cu₃₁Sn₈. При этом снижаются пластичность и вязкость сплавов. Бронзы с содержанием олова более 12% из-за повышенной хрупкости как конструкционный материал практически не применяется.

       Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые оловянные бронзы содержат 3-7% Sn, до 5% Zn, и до 0,4% Р. Например БрОЦС4-2,5 содержит 3-5% Sn, 3,5% Zn, 1,5-3,5% Pb. Они состоят из однородного твердого раствора и после отжига имеют однофазную структуру. Благодаря хорошей пластичности они легко подвергаются обработке давлением и поставляются в виде прутков, труб и лент. Этот вид бронз используется также для изготовления различных деталей с высокими упругими свойствами. Их прочность s_В=320-350 МПа при относительном удлинении d=30-50%.

       При концентрации олова 9-11% в структуре увеличивается количество хрупкой составляющей – эвтектоида, содержащего соединение Cu₃₁Sn₈, что исключает возможность пластической деформации. Такие бронзы применяются только в литом состоянии. Примером такой бронзы является БрО5Ц5С5, содержащая 4-6% Sn, 4-6% Zn, 4-6% Pb.

       Литые оловянные бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства: малую объемную усадку (менее 1%) и хорошую жидкотекучесть. Из бронзы изготавливают сложные отливки, в частности художественное литье.

       Высокая коррозионная стойкость позволяет использовать литейные бронзы в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокой электрической проводимостью и теплопроводностью.

       Наличие включений твердого эвтектоида обеспечивает высокую стойкость против истирания, а мягкие частицы облегчают «приработку» и образуют на поверхности мельчайшие каналы, по которым может циркулировать смазка. Поэтому бронзы, содержащие 9-10% Sn, являются одним из лучших антифрикционных материалов и применяются для изготовления подшипников. Для улучшения антифрикционных свойств в состав бронз также вводят свинец.

 Из безоловянных бронз наибольшее применение нашли алюминиевые, кремниевые и бериллиевые бронзы.

       Алюминиевые бронзы.

       Из диаграммы состояния системы Cu-Al следует, что сплавы, содержащие до 9% Al, однофазные и состоят только из a-твердого раствора алюминия в меди. Увеличение содержания Al более 9% приводит к появлению в структуре эвтектоида a+g₂, в котором g₂ представляет собой твердое и хрупкое электронное соединение Cu₃₂Al₁₉.

       Гетерогенная структура, состоящая из мягкой основы a-твердого раствора и твердых дисперсных включений эвтектоида, обеспечивает высокие антирикционные свойства алюминиевых бронз, которые применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения.

       Однофазные алюминиевые бронзы характеризуются высокой пластичностью, их используют для глубокой штамповки. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% Al, 4% Fe и имеет следующие механические свойства: s_В=600 МПа, d=40%.

       Двухфазные бронзы подвергают горячей обработке давлением или используют в виде фасонного литья.

       Алюминиевые бронзы по коррозионной стойкости в морской воде и тропической атмосфере превосходят оловянные бронзы и латуни и конкурируют с хромоникелевыми аустенитными коррозионностойкими сталями.

       Дополнительное легирование алюминиевых бронз железом (до 5,5%), марганцем (до 2%) и никелем (до 5,5%) повышает их механические свойства. Примером является БрАЖН10-4-4, содержащая 10% Al, 4% Fe, 4% Ni. Из алюминиевых бронз изготавливают фрикционные шестерни, зубчатые колеса, втулки, краны, детали водяных и паровых турбин.

       Кремнистые бронзы. Кремнистые бронзы обычно содержат до 3% Si, часто их дополнительно легируют никелем или марганцем. Например, БрКМц3-1 содержит 3% Si, 2% Mn, остальное медь.

       Сравнительно небольшой интервал кристаллизации обеспечивает кремнистым бронзам хорошие литейные свойства. Их обычно используют в качестве заменителя оловянных бронз, например, БрКЦ4-4 может заменять БрОЦС5-5-5. Уступая оловянной бронзе по величине усадки, она имеет более высокие механические свойства, плотность отливок и коррозионную стойкость.

       Свинцовая бронза. Свинец практически нерастворим в меди. После затвердевания сплав состоит из кристаллов меди, перемежающихся включениями свинца. Благодаря такой структуре бронза БрС30 (30% Pb) имеет высокие антифрикционные свойства, что позволяет ее использовать взамен оловянных бронз для подшипников скольжения. Высокая теплопроводность бронзы БрС30 позволяет эффективно отводить тепло из зоны трения.

       Свинцовая бронза имеет невысокие механические свойства (s_В=70 МПа, d=4%). Для повышения надежности вкладышей подшипников тонкий слой бронзы наплавляют на основу из стальной ленты.

       Бериллиевая бронза. Медь образует с бериллием a-твердые растворы замещения с решеткой ГЦК, причем с понижением температуры растворимость бериллия в меди падает, что позволяет достичь значительного упрочнения при термической обработке.

       При нагреве бериллиевой бронзы, содержащей 2,0-2,5% Be, до 760-780^оС образуется однородный a-твердый раствор. После быстрого охлаждения эта структура сохраняется при комнатной температуре. Закаленная бериллиевая бронза БрБ2 имеет малую прочность (s_В=500 МПа) при высокой пластичности (d=30%). В результате старения при 300-350^оС из пересыщенного a-твердого раствора выделяются дисперсные частицы g-фазы (CuBe). Дисперсионное твердение резко увеличивает прочностные свойста: s_В=1200 МПа при d=4%.

       Благодаря более высокому уровню временного сопротивления и предела упругости бронзы БрБ2 по сравнению с другими медными сплавами бериллиевые бронзы находят применение для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов. Инструменты из бериллиевой бронзы не дают искр, поэтому их применяют в производстве взрывчатых веществ.

       Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью бериллия.

       Тема 12. АНТИФИРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ, ПРИПОИ, ЛЕГКОПЛАВКИЕ СПЛАВЫ.

       12.1. Антифрикционные сплавы.

       В машиностроении применяют как подшипники качения, так и подшипники скольжения. Подшипники скольжения применяют в виде вкладышей. Для их изготовления используют антифрикционные сплавы.

       Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, - низкие значения коэффициента трения со стальной поверхностью вала и высокая износостойкость подшипников. Для их удовлетворения необходимо, чтобы поверхности вала и вкладыша были разделены пленкой смазки. Высокие антифрикционные свойста обеспечиваются гетерогенной структурой сплава, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений твердых частиц. Мягкая основа прирабатывается к валу и вместе с твердыми включениями образует оптимальный антифрикционный микрорельеф с пространством для удерживания смазочных материалов (так называемый принцип Шарпи).

       Для повышения износостойкости вкладыши должны иметь высокие механические свойства и выдерживать достаточные удельные давления.

       Антифрикционные материалы должны иметь высокую теплопроводность для хорошего отвода тепла от трущихся поверхностей. Для изготовления подшипников скольжения заливкой трущихся поверхностей заливаемые сполавы должны иметь низкую температуру плавления. Для подшипников скольжения используют чугунные вкладыши, бронзовые вкладыши и баббиты.

       Чугунные вкладыши для подшипников являются наиболее дешевым антифрикционным материалов. Для этой цели используют высококачественные чугуны, имеющие перлитную основу и повышенное количество графита. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочные масла, тем самым дополнительно снижая коэффициент трения. Чугунные вкладыши применяют для неответственных подшипников в тихоходных двигателях из-за сравнительно высокого коэффициента трения пары сталь-чугун (по сравнению с парами бронза-сталь и баббит-сталь).

       Бронзовые вкладыши применяют для подшипников более ответственного назначения, используемых в быстроходных двигателях, при высоких удельных давлениях и значительных динамических нагрузках.

       Для изготовления бронзовых вкладышей применяют оловянные и свинцовые бронзы, например марок БрОС8-12 (8% Sn, 12% Pb), БрОС5-25 (5% Sn, 25% Pb), БрС30 (30% Pb). Недостатком бронз является их высокая стоимость и сравнительно невысокая механическая прочность. Поэтому их иногда наплавляют на стальную ленту.

       Специальные подшипниковые сплавы – баббиты имеют минимальный коэффициент трения со сталью, хорошо прирабатываются к валу и легко удерживают смазку: благодаря вязкой основе они легко поглощают посторонние твердые частицы, не образуя задиров вала. Обычно применяют баббиты на оловянной либо на свинцовой основе. Например баббит Б83 содержит 10-12% Sb, 5,5-6,5% Cu, остальное олово, баббит БС6 содержит 5,5-6,5% Sn, 5,5-6,5% Sb, 0,1-0,3% Cu, остальное свинец.

       Наилучшими антифрикционными и механическими свойствами обладают оловянные баббиты. Микроструктура баббита Б83 состоит из мягкой основы a-твердого раствора Sb и Cu в олове, более твердых кристаллов b-фазы SnSb и дисперсных включений соединения Cu₃Sn.

       Подшипниковые вкладыши из-за низкой прочности баббита изготавливают либо штамповкой из биметаллической ленты баббит-сталь, либо заливкой центробежным способом или литьем под давлением в более прочный стальной, чугунный или бронзовый корпус.

       12.2. Припои.

Сплавы, применяемые для пайки металлов, называют припоями. Припои должны обладать сравнительно невысокой температурой плавления и в расплавленном состоянии хорошо смачивать паяемый материал.

       Припои бывают двух видов: мягкие и твердые. Мягкие оловянные припои имеюи низкую температуру плавления (200-300^оС) и обеспечивают лишь герметичность спая без высоких механических свойств (s_В=50-70 МПа). Из-за низкой прочности соединения паяная деталь не должна подвергаться выоким механическим нагрузкам. В качестве мягких припоев чаше всего применяют сплавы свинца и олова, обозначаемые ПОС-60, ПОС-40, ПОС-30, где цифры указывают на содержание олова в процентах.

       ПОС-60 в производстве обычно называют третником, из мягких припоев является наиболее легкоплавким (Тпл.=185^оС).

       Кроме оловянно-свинцовых мягких припоев применяют оловянно-цинковые, содержащие 40, 60, 90% Sn (марки ПОЦ-40, ПОЦ-60, ПОЦ-90). Они иеют более высокую прочность.

       Твердые припои имеют высокую температуру плавления, их применение для пайки сложнее, но спай имеет значительно более высокие механические свойства. При пайке медных сплавов свойства припоев близки к свойствам основного металла. В качестве твердых припоев используют латуни Cu-Zn или сплавы Cu-Zn-Ag, так называемые серебряные припои с температурой плавления около 800^оС. Серебряные припои маркируют буквами ПСр и цифрой, показывающей среднее содержание серебра в процентах, например ПСр-25, ПСр-50.

       12.3. Легкоплавкие сплавы.

К легкоплавким относят сплавы с температурой плавления ниже температуры плавления их основной составляющей – олова (232^оС). В их состав входят металлы с низкой температурой плавления: Pb, Cd, Bi, Zn, образующие с оловом многокомпонентные эвтектики.

       Маркируются легкоплавкие сплавы буквой Л и цифрой, показывающей температуру плавления сплава в градусах Цельсия: Л199 (Sn – 8,9% Zn), Л130 (52% Sn, 30% Pb, 13% Cd, 5% Bi). Широко известен сплав Вуда на основе висмута Л68 (12,5% Sn, 25,0% Pb, 12,5% Cd, 50,0% Bi), названный по имени его изобретателя американского химика и археолога Б. Вуда.

       Легкоплавкие сплавы используют в качестве предохранителей, особо легкоплавких припоев, моделей для пластмассовых отливок сложной формы. Сплав Вуда используют в качестве материала для изготовления слепков.