7.1 Медь и ее сплавы
Медь – металл красновато-розового цвета. По применению в промышленности она занимает одно из первых мест среди цветных металлов. Температура плавления меди 1083?С. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая. Аллотропических превращений медь не имеет. Плотность меди 8,96 г/см?, ее твердость почти в 2 раза ниже, чем у железа.
Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы, ленту. Из меди получают тонкую проволоку, трубки небольшого диаметра, она легко полируется, хорошо паяется и сваривается.
Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. По электропроводимости она лишь незначительно уступает серебру. Поэтому значительная часть всей выплавляемой меди используется электротехнической промышленностью для производства электрических проводов и кабелей.
Важное значение имеет степень чистоты меди, поскольку при наличии даже небольшого количества примесей электрические свойства меди существенно понижаются. Поэтому в качестве проводникового материала используют электролитическую медь марок М1 (99,9%), М0 (99,95%) и особо чистую медь М00 (99,99%).
Недостатками меди являются высокая плотность, плохая обрабатываемость резанием и низкие литейные качества.
В качестве конструкционного материала чистая медь в технике практически не применяется. Легирование меди позволяет получать на ее основе различные технические сплавы, обладающие хорошими механическими, технологическими и эксплутационными свойствами. В качестве легирующих добавок используют цинк, олово, свинец, алюминий, марганец, бериллий, никель и другие элементы.
Наиболее распространенными конструкционными сплавами на основе меди являются латуни и бронзы.
Латунями называют группу сплавов меди с цинком. Механическая прочность латуней выше, чем меди. Все латуни хорошо обрабатываются резанием.
Влияние химического состава латуней на их механические свойства показано на рис.25. При содержании цинка примерно до 30% увеличиваются одновременно и прочность, и пластичность. После этого пластичность резко снижается. Прочность латуней увеличивается до содержания цинка около 45%, а затем снижается также резко, как и пластичность. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью.
В технике наибольшее применение нашли латуни, содержащие цинка 30…38%. Эти латуни достаточно пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, проявляют высокую коррозионную стойкость к различным агрессивным средам.
Чем больше меди в латуни, тем она более пластична, выше ее коррозионная стойкость, теплопроводность и электропроводимость. Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют от 20 до 50% от характеристик меди.
Все латуни имеют хорошие литейные свойства – высокую жидкотекучесть, малую усадку, небольшую ликвацию.
Для повышения механических свойств и химической стойкости производят легирование латуней. С этой целью в их состав дополнительно вводят различные легирующие элементы: свинец, олово, алюминий, кремний, марганец и др. Свинец улучшает обработку латуней резанием и антифрикционные свойства. Марганец и, особенно, олово повышают прочностные свойства латуней и их коррозионную стойкость. Кремний увеличивает твердость и прочность, улучшает литейные свойства. Кремнистые латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются и соединяются с помощью различных припоев.
Выпускают латуни в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготавливают, например, радиаторные трубки, снарядные гильзы, трубопроводы, а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и т.п.).
Латуни обозначаются буквой Л (латунь) и числом, показывающим среднее содержание меди в процентах. Например, в латуни Л85 содержится 85% меди и 15% цинка. В марках латуней сложного состава имеются буквы, указывающие на содержание соответствующих легирующих элементов. Алюминий в медных сплавах обозначают буквой А, олово – О, свинец – С, железо – Ж, марганец –Мц, никель – Н, кремний – К. Например, в латуни ЛАН59-3-2 содержится в среднем 59% меди, 3% алюминия и 2% никеля (остальное цинк).
Двойные латуни марок Л96 и Л90, имеющие наибольшую массовую долю меди (88…97%), называются томпаками. Томпак Л90, например, имеет высокую коррозионную стойкость, обладает достаточно хорошими литейными и механическими свойствами, имеет хорошую свариваемость со сталью. Латуни, имеющие массовую долю меди 79…86%, называются полутомпаками (марки Л85, Л80). Они несколько дешевле томпаков, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Бронзами называют сплавы на основе меди с добавками олова, алюминия, свинца, кремния, бериллия и других элементов. В состав бронз может входить и цинк, при этом он не является основной добавкой.
Маркируют бронзы буквами Бр. Далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов, а содержание меди определяется как разность от 100%. Например, в бронзе марки Бр.АЖН10-4-4 содержится в среднем 10% алюминия, 4% железа, 4% никеля и остальное медь (82%). Элементы обозначаются так же, как и в латунях.
Бронзы обладают хорошими литейными свойствами, их усадка при литье почти в 3 раза меньше, чем у стальных отливок. Некоторые бронзы имеют достаточную пластичность и могут обрабатываться давлением. В отличие от латуней все бронзы хорошо обрабатываются резанием. Большинство бронз обладает хорошей коррозионной стойкостью. Многие бронзы имеют хорошие антифрикционные свойства, поэтому используются как подшипниковые материалы.
Бронзы получают название по основным элементам, входящим в их состав. Важнейшими являются оловянистые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и никелевые. Одной из давно известных человечеству бронз является оловянистая. Она обладает высокими литейными и антифрикционными свойствами, поэтому используется в основном для художественного литья и как подшипниковый материал в узлах трения машин и механизмов. Однако эта бронза сравнительно дорогая из-за высокой дефицитности и стоимости олова, содержание которого обычно не превышает 3…6%.
Для удешевления в большинство промышленных бронз вводят свинец, цинк, алюминий и другие элементы. Добавки свинца снижают стоимость оловянистых бронз и улучшают их обрабатываемость резанием. Однако механические свойства при этом снижаются.
Алюминиевые бронзы характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, имеют высокие механические свойства. Однако эти сплавы имеют достаточно высокую литейную усадку (2,3%). Кроме того, у некоторых алюминиевых бронз недостаточно высокая коррозионная стойкость.
Бериллиевые бронзы обладают комплексом уникальных свойств, отличающих от других сплавов на основе меди. Эти бронзы имеют высокую химическую стойкость, упругость, износоустойчивость. После термической обработки они приобретают высокую прочность и твердость. Бериллиевые бронзы хорошо свариваются, обрабатываются резанием и подвергаются горячей обработке давлением.
Из этих бронз изготавливают такие детали точного приборостроения, как пружины, мембраны, пружинящие элементы электронных устройств, а также детали, работающие на истирание.
Кремнистые бронзы содержат до 3% кремния. Они характеризуются хорошими механическими свойствами, высокой упругостью и выносливостью, успешно поддаются обработке литьем и давлением в горячем состоянии. Во многих случаях они успешно заменяют оловянистые бронзы при изготовлении деталей подшипниковых узлов.
Сплавы меди с никелем и другими легирующими элементами называют мельхиорами. Эти сплавы представляют собой по существу бронзы особого вида. Принцип маркировки таких сплавов аналогичен, как и для латуней и бронз. Например, мельхиор МНЖМц30-1-1 содержит около 30% никеля, до 1% железа и марганца, остальное – медь. Эти сплавы используют для изготовления монет, столовой посуды, деталей точной механики и др.
Медные сплавы с повышенным электрическим сопротивлением называют константанами. Такие сплавы (например, МНМц40-1,5) используют для изготовления катушек сопротивления, реостатов, термопар, а также нагревательных элементов электрических приборов и печей.
Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008
