Мідь і її сплави

Мідь – метал червоного, а у зломі - рожевого кольору. Її атомний номер 29, атомна маса 63,54, температура плавлення 1083^оС, густина 8940 кг/м³. Мідь має гранецентровану кристалічну гратку з параметром а =0,3608 нм,. Характерною особливістю міді є її висока електропровідність (r= 0,0178 Ом см²/м) і теплопровідність. За цими параметрами вона поступається лише сріблу.

Мідь має високу стійкість до корозії, її легко обробляти тиском, паяти і зварювати, проте вона має невисокі ливарні властивості і погано обробляється різанням. Оскільки механічні властивості чистої міді відносно низькі (sВ= 250 МПа, твердість 45НВ, d =50%), то як конструкційний матеріал її застосовують дуже рідко, переважно – як провідниковий матеріал.

Підвищення механічних властивостей досягається утворенням різних сплавів на мідній основі – латуней і бронз. Легують мідь цинком, оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем, нікелем, берилієм та іншими елементами. Ці елементи підвищують твердість і міцність мідних сплавів, практично не знижуючи пластичність, а окремі з них (цинк, олово, алюміній) навіть підвищують її. Алюміній, марганець і олово поліпшують стійкість до корозії, олово, кремній і марганець у певних концентраціях підвищують антифрикційні властивості сплавів міді. Залізо сприяє подрібненню зерна, а кремній – підвищує ливарні властивості.

Легуючі елементи у сплавах міді позначають такими літерами: А - алюміній, Б – берилій, Ж – залізо, К – кремній, Мц – марганець, Н – нікель, О – олово, С – свинець, Ф – фосфор, Ц – цинк.

Латуні

Латуні – це дво- або багатокомпонентні мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. Двокомпонентні латуні системи Cu-Zn відносять до простих, абагатокомпонентні, які містять ще й інші елементи – до спеціальних.

Завдяки поєднанню добрих технологічних і непоганих механічних властивостей латуні найбільш поширені серед мідних сплавів.

Структура простих латуней у рівноважному стані описується діаграмою стану Cu-Zn (рис.9.3), яка складається з двох діаграм з перитектичним перетворенням. Відповідно до неї при вмісті цинку до 39 % латуні мають структуру однофазного a -твердого розчину цинку в міді. Такі латуні мають високу пластичність, добре оброблюються тиском при низьких і високих температурах. Максимальну пластичність мають латуні, що містять ~37 % Zn.

При вмісті Zn> 39%у структурі латуні з’являється b¢- фаза – впорядкований твердий розчин на основі електронної сполуки CuZn, тобто структура латуні стає двофазною (a+b¢). Такі латуні мають підвищену міцність і твердість, але низьку пластичність.

З появою у структурах твердої і крихкої b¢ -фази від початку до концентрації 45 % спостерігається інтенсивне збільшення міцності, а перехід до однофазного стану (фаза b¢) зумовлює раптовий спад σв. Таким чином, латуні з вмістом цинку понад 45 % характеризуютьсянизькою міцністю, тому практичного застосування в техніці не мають.

Для підвищення механічних властивостей та хімічної стійкості латуней до них часто додають легуючі елементи. Так, алюміній, марганець, залізо і кремній підвищують міцність і твердість, однак при цьому знижують її пластичність. Алюміній, марганець, олово і нікель підвищують корозійну стійкість латуней.

За технологічною ознакою латуні поділяються на деформівні та ливарні.

До деформівних латуней належать однофазні (α) і двофазні (α+b ¢). Маючи дуже високу пластичність, однофазні латуні легко обробляються тиском в холодному і гарячому стані. Щоправда, холодна пластична деформація не лише істотно підвищує міцність і твердість, а й зменшує пластичність (явище наклепу). При потребі наклеп можна зняти рекристалізаційним відпалюванням при температурі 500...600 ^оС. Двофазні латуні в холодному стані менш пластичні, тому обробляти їх тиском рекомендується при температурах понад 700 ^оС.

Двокомпонентні латуні маркують літерою Л і числом, яке вказує вміст міді у сплаві, %, наприклад, Л96, Л90, Л62. У латуні марки Л90 вміст міді становить 90%, решта (10%) – Zn. Якщо латунь додатково легована іншими елементами, то після літери Л ставляться літери, що вказують легуючі елементи, а після них число, що вказує вміст міді в %, та числа, які вказують вміст легуючих елементів (у тому ж порядку). Наприклад, ЛЖМц 59-1-1 – це латунь, що містить 59 % Cu, 1 % Fe, 1 % Mn.

З латуней виготовляють трубки теплообмінників (Л70), гільзи патронів (Л68, Л70), прутки, дріт, стрічки тощо.

Рис. 9.3. Діаграма стану Cu-Zn

Ливарні латуні використовуються для фасонного лиття. Це в основному складнолеговані сплави. Легуючі елементи впливають на ливарні властивості латуней по різному. Наприклад, залізо і марганець знижують рідкотекучість, а олово (при вмісті до 2,5 %) її підвищує. Ливарні латуні маркують таким чином: після літери Л ставлять літеру Ц (цинк) та число, яке вказує вміст цинку в сплаві (у відсотках), потім літери та числа, які вказують легуючі елементи та їх вміст (також у відсотках). Наприклад, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – це ливарна латунь, яка містить 23 % Zn, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, решта – Cu.

З ливарних латуней виготовляють сантехнічну арматуру (ЛЦ40С), гайки, вінці черв’ячних коліс (ЛЦ23А6Ж3Мц2), шестерні, втулки підшипників (ЛЦ38Мц2С2) тощо.

Бронзи

Бронзи – це дво- або багатокомпонентні сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем, берилієм, кремнієм хромом та іншими елементами, серед яких цинк не є основним.

Серед бронз найпоширенішими є багатокомпонентні, рідше – двокомпонентні. В залежності від основного легуючого елементу бронзи поділяють на олов’яні, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві та інші, а за технологічною ознакою – ливарні і деформівні.

Бронзи мають добрі ливарні властивості. Їх усадка при литті в три рази менша, ніж у стальних виливках. Більшість бронз мають достатньо високу корозійну стійкість. Вони широко використовуються як антифрикційні сплави.

Маркують бронзи літерами Бр, за якими слідують літери, що вказують легуючі елементи, та числа, які вказують їх процентний вміст. Позначення легуючих елементів у бронзах такі ж, як і у латунях. Наприклад, БрОЦС5-5-5 – це деформівна бронза з вмістом 5% Sn, 5% Zn, 5% Pb, решта (85%) – мідь. У марках ливарних бронз числа, які вказують вміст легуючих елементів, ставлять за відповідною літерою. Наприклад, БрО5Ц5С5 – це ливарна бронза, яка містить 5% Sn, 5% Zn і 5% Pb, решта – мідь.