Медь; влияние примесей на свойства меди. Латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы

Медь – это металл красного, в изломе розового цвета, имеет температуру плавления 1083 о С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а 0,31607 ям. Плотность меди 8,94 г/см 3. Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью. Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм·м.

Марки меди: М00 (99,99 % Си), МО (99,97 % Си), М1 (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), М3 (99,50 % Си). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделять на три группы.

1. Примеси, образующие с медью твердые растворы: Ni, Zn, Sb, Fе. Р и др. Эти примеси (особенно Sb) резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь М0 и М1. Сурьма затрудняет горячую обработку давлением.

2. Примеси Pb, Bi и другие, практически не растворимые в меди, образуют в ней легкоплавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением.

При содержании 0,005 % Вi медь разрушается при горячей обработке давлением, при более высоком содержании висмута медь становится хладноломкой; на электропроводимость эти примеси оказывают небольшое влияние.

3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Сu₂О и Сu₂S, входящие в состав эвтектики. Если кислород находится в растворе, то он уменьшает электропроводимость, а сера не влияет на нее. Сера улучшает обрабатываемость меди резанием, а кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает «водородную болезнь».

При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Си ₂ О, то они реагируют с водородом, в результате чего образуются пары воды. Две основные группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком; бронзы – сплавы меди с другими элементами.

Латуни – это многокомпонентные сплавы на основе меди, где основным компонентом является цинк. Технические латуни содержат до 40–45 % Zn. К однофазным б-латуням, которые легко деформируются в холодном и горячем состоянии, относятся Л96 (томпак), Л80 (полутомпак), Л68, обладающая наибольшей пластичностью. Двухфазные (α + β) – латуни, Л59 и Л60 менее пластичны в холодном состоянии и их подвергают горячей обработке давлением.

По технологическому признаку латуни подразделяют на две группы: деформированные и литейные. Литейные латуни мало склонны к ликвидации и обладают антифрикционными свойствами

Деформируемые латуни обладают высокими коррозийными свойствами в атмосферных условиях.

Латуни, предназначение которых для фасонного литья, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства.

Оловянные бронзы. Сплавы, богатые оловом, очень хрупки. Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Ре, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства бронзы и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозийную стойкость и плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы, которые обладают хорошими литейными свойствами. Двухфазные бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами. Их применяют для изготовления антифрикционных деталей.

Никелевые сплавы широко распространены в машиностроении. Никель сообщает меди повышенную стойкость против коррозии и улучшает ее механические и литейные свойства. Бронзы, которые содержат только никель, не применяются из-за высокой стоимости никеля. Никель вводится в сочетании с другими элементами.

В промышленности распространены никелевые сплавы, которые имеют названия: мельхиор (сплав меди с 18–20 % никеля) – применяется для гильз, имеет белый цвет и высокую коррозийную стойкость; константан – сплав меди с 39–41 % никеля. Константан имеет большое электрическое сопротивление и применяется в виде проволок и лент для реостатов, электроизмерительных приборов.

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении. Так, 50 % полученной меди потребляется электротехнической и электронной отраслями промышленности. Она стоит на втором месте (вслед за алюминием) по объему производства среди цветных металлов.

Технические и технологические свойства меди: высокие электро– и теплопроводность, достаточная коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость давлением, свариваемость всеми видами сварки, хорошо поддается пайке, легко полируется. У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность. К недостаткам меди относятся:

– высокая стоимость;

– значительная плотность;

– большая усадка при литье;

– горячеломкость;

– сложность обработки резанием.

Магний и его сплавы

Магний является химически активным металлом: образующаяся на воздухе оксидная пленка МдО в силу более высокой плотности, чем у самого магния, растрескивается и не имеет защитных свойств; порошок и стружка магния легко воспламеняются; горячий и расплавленный магний при контакте с водой происходит взрыв.

Магний и его сплавы плохо сопротивляются коррозии, обладают пониженной жидкотекучестью при литье, пластически деформируются лишь при повышенных температурах (225 °C и более). Последнее обусловлено тем, что сдвиг в гексагональной решетке магния при низких температурах осуществляется лишь по плоскости базиса (основание шестигранной призмы). Нагрев до 200–300 °C приводит к появлению дополнительных плоскостей скольжения и, соответственно, повышению пластичности. Малая диффузионная подвижность атомов в магниевых сплавах приводит к замедлению фазовых превращений в них. Поэтому термическая обработка (диффузионный или рекристаллизационный отжиг, закалка, старение) требует больших выдержек (до 24 ч).

В то же время магниевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, не взаимодействуют с ураном. Они хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной

сваркой. Основными легирующими элементами в магниевых сплавах являются Мп, Al и Zn.

Марганец повышает коррозионную стойкость и свариваемость сплавов магния. Алюминий и цинк оказывают большое влияние на прочность и пластичность магниевых сплавов: максимальные значения механических характеристик достигаются при введении в сплав 6–7% алюминия или 4–6% цинка. Эти элементы (Al, Zn) образуют с магнием упрочняющие фазы, выделяющиеся в мелкодисперсном виде после закалки со старением.

Цирконий, титан, щелочноземельные (Са) и редкоземельные (Се, 1а) металлы и торий измельчают зерно, раскисляют сплав, повышают его жаропрочность.

По технологии изготовления изделий магниевые сплавы разделяют на литейные (маркировка «МЛ») и деформируемые («МА»). Магниевые сплавы подвергаются различным видам термической обработки.

Так, для устранения ликвации в литых сплавах (растворения выделившихся при литые избыточных фаз и выравнивания химического состава по объему зерен) проводят диффузионный отжиг (гомогенизацию) фасонных отливок и слитков (400–490 °C, 10–24 ч). Наклеп снимают рекристаллизационным отжигом при 250–350 "С, в процессе которого уменьшается также анизотропия механических свойств, возникшая при пластической деформации.

Магниевые сплавы в зависимости от состава могут упрочняться закалкой (часто с охлаждением на воздухе) и последующим старением при 150–200 о С (режим Тб). Ряд сплавов закаливается уже в процессе охлаждения отливок или поковок и может сразу упрочняться искусственным старением (минуя закалку). Но в большинстве случаев ограничиваются только гомогенизацией (закалкой) при 380–540 °C (режим Т4), т. к. последующее старение, повышая на 20–35 % прочность, приводит к снижению пластичности сплавов. Литейные сплавы.

В литых магниевых сплавах повышения механических свойств добиваются измельчением зерна посредством перегрева расплава или его модифицирования добавками мела или магнезита.

При этом в расплаве образуются твердые частицы, становящиеся центрами кристаллизации. Для предотвращения возгорания магниевых сплавов их плавку ведут в железных тиглях под слоем флюса, а разливку – в парах сернистого газа, образующегося при введении серы в струю металла. При литье в песчаные формы в смесь вводят специальные добавки (фториды алюминия) для уменьшения окисления магния. Среди литейных магниевых сплавов широкое применение нашли сплавы МЛ5 и МЛ6, отличающиеся повышенными литейными и механическими свойствами. Они могут упрочняться как гомогенизацией и закалкой на воздухе (Т4), так и добавочным старением (Т6).

Деформируемые сплавы.

Деформированный (прессованный) магний обладает более высоким комплексом механических свойств, чем литой.

Деформируемые сплавы производят в виде поковок, штамповых заготовок, горячекатаных полос, прутков и профилей. Температурные интервалы технологических процессов обработки давлением магниевых сплавов находятся в следующих пределах: прессование при 300–480 °C, прокатка при 440–225 °C и штамповка (в закрытых штампах) при 480–280 °C. Хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью и технологической пластичностью отличается сплав МА1, относящийся к группе сплавов низкой прочности.

Сплав МА2-1 сочетает в себе оптимальный комплекс механических и технологических свойств (хорошо сваривается, штампуется), но подвержен коррозии под напряжением. Жаропрочным (до 250 °C) является сплав системы (Мд-Zn-Zr) МА14. Сплав упрочняется искусственным старением (режим Т5) после прессования и охлаждения на воздухе. Он характеризуется повышенными механическими свойствами, но склонен к образованию при прокатке горячих трещин.

Применение магниевых сплавов. Из сплавов магния изготавливают корпуса ракет, насосов, приборов, топливные и кислородные баки, рамы двигателя, кожухи. Так, сплавы МЛ5 и МЛ6 используются для литья тормозных барабанов, штурвалов, коробок передач, МЛ10 – деталей приборов высокой герметичности.

Арматуры, бензо– и маслосистемы, а также сварные детали изготавливают из деформируемых сплавов МА1, высоконагруженные детали – из МА14.

Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.

Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан, снижают его пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно – давлением, сваривается в защитной атмосфере. Широкое распространение получило вакуумное литье, в том числе вакуумно-дуговой переплав с расходуемым электродом.

Аллотропические модификации титана: низкотемпературная и высокотемпературная.

Различают две основные группы легирующих элементов в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения титана (882,5 °C): б-стабилизаторы (элементы, расширяющие область существования б-фазы и повышающие температуру превращения – А1, Оа, С) и в-стабилизаторы (элементы, суживающие б-область и снижающие температуру полиморфного превращения, – V, Мо, Сг).

Легирующие элементы делятся на две основные группы: элементы с большой (в пределе – неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Элементы с ограниченной растворимостью вместе с титаном могут образовывать интерметаллиды, силициды и фазы внедрения.

Легирующие элементы влияют на эксплуатационные свойства титана (Ре, А1, Мп, Сг), повышают его прочность, но снижают эластичность и вязкость; А1, Zr увеличивают жаропрочность, а Мо, Zr, Та – коррозионную стойкость.

Классификация титановых сплавов. Структура промышленных сплавов титана – это твердые растворы легирующих элементов в б– и в-модификациях титана.

Виды термической обработки титановых сплавов.

Рекристаллизационный (простой) отжиг холоднодеформированных сплавов (650–850 °C).

Изотермический отжиг (нагрев до 780–980 °C с последующим охлаждением в печи до 530–680 °C, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе), обеспечивающий высокую пластичность и термическую стабильность сплавов.

Двойной ступенчатый отжиг (отличается от изотермического тем, что переход от первой ступени ко второй осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры второй ступени), приводящий к упрочнению сплава и снижению пластичности за счет частичного протекания процессов закалки и старения.

Неполный отжиг при 500–680 °C с целью снятия возникающих при механической обработке остаточных напряжений.

Упрочняющая термическая обработка. Большинство титановых сплавов легировано алюминием, повышающим жесткость, прочность, жаропрочность и жаростойкость материала, а также снижающим его плотность.

α-титановые сплавы термической обработкой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией.

(α + β) – титановые сплавы характеризуются смешанной структурой и упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения.

Псевдо-β-титановые сплавы характеризуются высоким содержанием β-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью в состаренном; они удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми литейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТЗ-1Л по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополнительно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °C. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °C вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок.

Порошковые сплавы титана. Применение методов порошковой металлургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же эксплуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50 % стоимости и времени изготовления изделий. Титановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прессованием (ГИП), обладает теми же механическими свойствами, что и деформируемый сплав после отжига. Закаленному и состаренному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит в пластичности.

Применение сплавов титана: обшивки самолетов, морских судов, подводных лодок; корпусов ракет и двигателей; дисков и лопаток стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребных винтов; баллонов для сжиженных газов; емкостей для агрессивных химических сред и др.