Медь и ее сплавы

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, элек­тронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении. Так, 50% полученной меди потребляется электротехнической и электронной от-

раслями промышленности. Она стоит на втором месте (вслед за алюминием) по объему производств среди цветных металлов.

Медь обладает ценными техническими и технологическими свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, достаточной коррозионной стой­костью, хорошо обрабатывается давлением, сваривается всеми видами свар­ки, легко поддается пайке, прекрасно полируется. У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность (табл. 8.9).

Таблица 8.9. Свойства сплавов на основе меди

Марка сплава	Y,	К	Е,	о„ МПа	5,%	НВ,	Способ
	Мг/м3	Вт/(м-К)	ГПа			кгс/мм2	получения и обработки
Медь Ml	8,94	386,2		400(240)	6(58)	110(45)	Н(0)
Л96	8,85	244,8		400 (240)	2(52)	145 (53)	Н(0)
Л90	8,8	188,3	ПО	660 (260)	4(44)	130(53)	ЩО)
Л70	8,53	121,3		680 (330)	3(55)		Н(0)
ЛС59-1	8,5	104,6		650 (400)	6(45)	170(75)	Н(0)
ЛЖМц59-1-1	8,5	75,3		700 (420)	10 (50)	170 (75)	Н(0)
ЛЦ16К4				294 (343)	15(15)	100(110)	ЩК)
ЛЦ40С				215 (215)	12 (20)	70 (80)	П(К)
БрОФ6,5-0,4	8,8	73,2		750 (400)	10(65)	180 (80)	ЩО)
БрОЦ4-3	8,8	83,7		680 (400)	4(40)	160 (60)	ЩО)
БрОЦС4-4-2,5	9,02	83,7		600 (350)	2(40)	160 (60)	ЩО)
БрОЗЦ12С5				176 (206)	8(5)	60(60)	ЩК)
Бр05Ц5С5				147(176)	6(4)	60 (60)	ЩК)
Бр05С25	9,1	58,6		147(137)	5(6)	45 (60)	ЩК)
БрО10Ф1				216 (245)	3(3)	80 (90)	П(К)
БрА5	8,2	104,6		780 (380)	4(55)	190 (60)	ЩО)
БрАЖ9-4	7,5	58,6		980(600)	5(33)	180(110)	Н*(0)
БрАЖНЮ-4-4	7,5	75,3		1080 (700)	5(25)	225 (150)	Н*(0)
БрА9ЖЗЛ				392 (490)	10(12)	100 (100)	ЩК)
БрАПЖбНб				587(587)	2(2)	250 (250)	ЩК)
БрБ2,5	8,2	83,7		560(1300)	30(2)	130 (440)	3(3+С)
БрКМцЗ-1	8,4	37,7		750 (400)	13 (60)	200 (90)	ЩО)
БрХ0,5	8,9	167,4		240(410)	50 (22)	65 (130)	3(3+С)
БрЦрО,4	8,85	334,7		270(480)	35 (17)	65(135)	3(3+Н+С)

Примечание Н — сплав нагартованный, упрочненный со степенью пластической дефор­мацией 50% (Н) и 40% (Н*), О — отожженный при 600 °С после соответствующей степени деформации, 3 — закаленный, (3+С) — после закалки и старения, (3+Н+С) — закаленный, нагартованный и состаренный; П — литье в песчаные формы, К— литье в кокиль

Недостатками меди являются ее высокая стоимость, значительная плот­ность, большая усадка при литье, горячеломкость, сложность обработки ре­занием.

Температура плавления меди 1083 °С, плотность 8,94 Мг/м³. Она обла­дает ГЦК решеткой, диамагнитна и не имеет полиморфизма. Удельное элек­трическое сопротивление меди равно 0,0178 мкОмм. Нашей промышленно­стью производится 11 марок меди с различным содержанием примесей. В электронике применяют бескислородную (б) медь марок МООб (99,99% Си) и МОб (99,97% Си), в электротехнике и металлургии МО (99,95% Си), Ml (99,9% Си), М2 (99,7% Си) и др.

По характеру взаимодействия с медью легирующие элементы и примеси разделяют на три группы:

1. Элементы (Ag, Al, As, Au, Cd, Fe, Ni, Pt, P, Sb, Sn, Zn), взаимодейст­вующие с медью с образованием твердых растворов. Они повышают ее прочность, но при этом существенно уменьшаются значения (в первую оче­редь, из-за присутствия сурьмы и мышьяка) тепло- и электропроводности.

2. Элементы (Bi, Pb), практически нерастворимые в меди в твердом со­стоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики. Возникновение эвтек-тик по границам зерен приводит к разрушению слитков меди в процессе их горячей прокатки (явление красноломкости). Повышенное (более 0,005%) содержание висмута вызывает хладноломкость меди.

3. Элементы (Se, S, О, Те и др.), образующие с медью хрупкие химиче­ские соединения (например, Cu₂0, Cu₂S). Увеличение содержания серы в меди, с одной стороны, обеспечивает повышение качества ее механической обработки (резанием), с другой стороны, вызывает хладноломкость меди. При­сутствие кислорода в меди является причиной ее «водородной болезни», прояв­ляющейся в образовании микротрещин и разрушении при отжиге (/ > 400 °С) в водородсодержащей среде. В данном случае водород, активно диффунди­рующий в металл, отнимает кислород у закиси меди Cu₂0 с образованием паров воды. В металле возникают области с высоким давлением, вызываю­щим разрушение материала.

Сплавы меди с цинком называют латунями, томпаками (до 10% Zn) или полутомпаками (от 10 до 20% Zn); за исключением сплавов с никелем, все другие ее сплавы называют бронзами.

Латуни

Деформируемые латуни обозначают (по ГОСТ 15527—70) буквой Л и

цифрой, указывающей массовое содержание меди в сплаве в процентах (на­пример, Л96, Л63). Если латунь легирована наряду с цинком другими эле­ментами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов: С —

свинец; О — олово; Ж — железо; А — алюминий; К — кремний, Мц — марга­нец; Н — никель. Числа после букв по­казывают массовое содержание меди и последующих (согласно буквам) леги­рующих элементов, кроме цинка (на­пример, ЛАН59-3-2 содержит -59% Си, 3% А1, 2% Ni, Zn — остальное).

Zn,%

a„, мп» «,%

60 Zn.S

Рис. 8.6. Влияние содержания цинка на фазовый состав (а) и механические свойства (б) сплавов меди

Маркировка литейных латуней (по ГОСТ 17711—93) начинается также с буквы Л. После буквенного обозначе­ния основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего (как в сталях) ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6ЖЗМц2 со­держит 23% Zn, 6% А1, 3% Fe и 2% Мп. Как уже указывалось, основной ле­гирующий элемент в латуни — цинк; при его содержании до 39% сплавы являются однофазными а-твердыми растворами цинка в меди (рис. 8.6, а). Количество цинка свыше 39% приводит к выделению из твердого раствора электронного соединения CuZn с не­упорядоченной пластичной (В-фаза) или упорядоченной хрупкой (В'-фаза, существует ниже 468—454 °С) структурой. В технике применяют латуни, содержащие до 45—50% цинка (со структурой а, а+р' и В'), поскольку при дальнейшем увеличении цинка в сплаве прочность латуни уменьшается, а хрупкость увеличивается. Как видно из рис. 8.6, б, в области a-твердого рас­твора с увеличением содержания цинка происходит одновременный рост прочности и пластичности сплава, в двухфазной (а+Р')-области пластичность уменьшается с повышением концентрации цинка, а прочность сохраняет рост ориентировочно до 43% Zn; в области Р'- фазы из-за ее хрупкости на­блюдается резкое снижение прочности латуни по мере увеличения доли цинка.

По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, твердо­стью, коррозионной стойкостью и жидкотекучестью (см. табл. 8.9). Одно­фазные a-латуни хорошо воспринимают холодную и горячую пластическую деформацию. Двухфазные (а+Р')-латуни подвергаются горячей пластической деформации в температурном интервале (а+Р)- или Р-областей, поскольку

эти сплавы при температурах холодной деформации обладают малой пла­стичностью.

В сложных (специальных) латунях общее содержание дополнительных ле­гирующих компонентов обычно не превышает 9%. Многие из них (Al, Mn, Fe, Si и др.) подобно цинку (но с более значительным эффектом) повышают прочность и твердость латуни, однако при этом уменьшают ее пластичность. Специальные латуни часто бывают двухфазными (а+Р'), поскольку дополнительные легирую­щие элементы (за исключением никеля), снижая растворимость цинка в меди, создают условия для выделения Р'-фазы из а-твердого раствора. Добавка свинца приводит к улучшению антифрикционных свойств и обрабатываемости резани­ем. Al, Mn, Sn, Ni повышают коррозионную стойкость латуней. Нагартованные латуни с содержанием Zn более 20% необходимо отжигать при 250—300 °С во избежание коррозионного растрескивания в присутствии влаги, кислорода и ам­миака. Латуни подразделяют на деформируемые и литейные в зависимости от технологии получения полуфабрикатов и изделий.

Деформируемые латуни используются при производстве изделий и полу­фабрикатов различными способами обработки металлов давлением (см. разд. 3).

Применяемые а-латуни (Л96, Л90) обладают высокой пластичностью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью. С повышением содержания цинка в а- (Л70) и (а+р')-латунях (Л62) достигается более высокая проч­ность (табл. 8.9), но снижается коррозионная стойкость. Эти латуни лучше обрабатываются резанием, чем медь или томпак. Специальные латуни, леги­рованные железом (ЛЖМц59-1-1) или особенно оловом (ЛО70-1), отличают­ся высокой коррозионной стойкостью в условиях воздействия атмосферных явлений, а также в пресной и морской воде. «Автоматная» латунь ЛС59-1, обладающая сыпучей стружкой, используется для изготовления деталей, в том числе метизов (винтов, болтов, гаек, шайб и др.), на станках-автоматах. Структура и свойства (а+Р')-латуней изменяются в зависимости от скорости охлаждения после отжига, что обусловлено протеканием процессов рекри­сталлизации и фазовых превращений. Так, быстрое охлаждение обеспечива­ет повышение количества Р'-фазы и, как следствие, твердости латуни, а мед­ленное, наоборот, увеличивает количество а-фазы и, тем самым, пластич­ность материала. Перед пластическим деформированием проводят рекри-сталлизационный отжиг латуней при 500—600 °С с целью уменьшения их твердости и обеспечения полуфабрикатам необходимого комплекса свойств. При этом для облегчения отделения окалины от металла его охлаждение по­сле отжига осуществляют на воздухе или в воде.

Литейные латуни используют для фасонного литья. В основном при­меняют сложнолегированные сплавы. Легирующие элементы по-разному влияют на литейные свойства сплавов. Так, железо и марганец снижают жидкотекучесть латуни, а олово (до 2,5%) ее повышает. Алюминий и кремний (в

отдельности) повышают жидкотекучестъ двойных латуней. В то же время нали­чие примесей алюминия в кремнистой латуни ЛЦ16К4 приводит к снижению ее жидкотекучести и способствует возникновению в отливках пористости.

Для литья арматуры часто используют кремнистую латунь ЛЦ16К4, а втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников льют из свинцо­вой латуни ЛЦ40С. Необходимо отметить, что некоторые сложнолегирован-ные деформируемые латуни по составу близки к литейным сплавам (напри­мер, ЛС59-1 иЛЦ40С).

Бронзы

400 300

О 200

Ю

20 Sn,%

_/»	-^	V
тС	о;	\
л	,,°	V
\	^ч	--------

о

10 20 Sn,% б

Рис. 8.7. Влияние содержания олова на фазовый состав (а) и механические свойства (б) сплавов меди (пунктиром по­казан неравновесный солидус диаграммы состояния)

Маркируют бронзы буквами Бр; затем буквами последовательно указывают леги­рующие элементы и в конце их содержание в сплаве. Так обозначают деформируемые бронзы (по ГОСТ 5017—74, 18175—78). На­пример, БрОФ6,5-0,4 содержит 6,5% Sn и 0,4% Р, Си — остальное. Обозначение эле­ментов в бронзах то же, что и при маркировке латуней. Кроме того, фосфор обозначают бук­вой Ф, цинк — Ц, хром — X, бериллий — Б, цирконий — Цр. Маркировка литейных бронз (по ГОСТ 613—79, 493—79) начинается так­же с букв Бр, а дальше производится анало­гично обозначению литейных латуней. На­пример, БрОЗЦ12С5 содержит 3% Sn, 12% Zn и 5% Pb.

Оловянные бронзы по структуре быва­ют однофазными (а-твердый раствор олова в меди) и двухфазными, состоящими из а- и o(Cu₃iSn₈)^a3. Обычно 5-фаза выделяется при содержании олова, большем 7—9%. Она повышает твердость и хрупкость бронз.

Для анализа превращений, протекающих в оловянных бронзах, представляют интерес следующие фазы, образующиеся в системе Си—Sn (рис. 8.7, а): а-твердый раствор олова в меди с ГЦК решеткой, три электронных со­единения (J(Cu₅Sn)-, 8(Cu₃iSn₈)- и E(Cu₃Sn)-фазы, а также у-фаза (твердый раствор на базе химического соединения). При температурах

ниже 350 °С 5-фаза должна распадаться с образованием а- и е-фаз. Однако это превращение протекает настолько медленно, что при реальных условиях охлаждения (20—500 °С/мин) оно не происходит. Поэтому низкооловянные бронзы (до 7% Sn) имеют однофазную структуру а-твердого раствора, а структура высокооловянных (более 7—9% Sn) сплавов состоит из двух структурных составляющих: а-твердого раствора и эвтектоида (а+5). С уве­личением скорости затвердевания возрастает количество эвтектоида и фор­мируется дендритная структура сплава. Повышение содержания олова при­водит к возрастанию прочности литейных бронз, но с появлением большого количества хрупкой 5-фазы она резко падает (рис 8.7, б). При этом также заметно снижается пластичность. Легирующие элементы в оловянных брон­зах улучшают их литейные свойства (Zn, Р, Ni), повышают твердость, проч­ность, износостойкость (Р, Ni), коррозионную стойкость (Ni), а также анти­фрикционные свойства (Р, РЬ). В то же время алюминий и кремний, присут­ствующие даже в очень малых (сотые доли процента) количествах, резко снижают механические свойства и герметичность отливок.

Деформируемые оловянные бронзы (БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5) имеют однофазную структуру (а-твердый раствор), поскольку содер­жат до 7% Sn. Их дополнительно легируют фосфором (до 0,4%), цинком (до 4%) и свинцом (до 2,5%). Полуфабрикаты (лента, проволока, прутки) по­ставляются как в нагартованном, так и отожженном виде. Из них изготавли­вают упругие элементы (пружины, мембраны и др.). По сравнению с литей­ными деформируемые бронзы характеризуются более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью (в отожженном состоянии) и сопротивлением ус­талости (см. табл. 8.9). По усталостным характеристикам они уступают лишь бериллиевой бронзе.

Литейные оловянные бронзы (БрОЗЦ12С5, БрОЗЦ7С5Н1, Бр05Ц5С5, Бр05С25, БрО10Ф1) имеют двухфазную структуру (а и 5). По сравнению с деформируемыми литейные бронзы содержат большее количество ле­гирующих элементов (цинка, свинца, фосфора). Оловянные бронзы склонны к образованию усадочной пористости, что вызвано широким интервалом (150—200 °С) кристаллизации сплавов. Для них характерна невысокая жидкотекучесть, но в то же время малая линейная усадка. Оловянные бронзы коррозионностойки и обладают высокими антифрик­ционными свойствами.

В промышленности применяют бронзы, содержащие до 10—12% Sn из-за возрастающей хрупкости при увеличении концентрации олова. Повыше­ние пластичности бронзы достигается гомогенизацией при 700—750 °С с последующим быстрым охлаждением сплава. При этом уменьшается денд­ритная ликвация в сплаве и его структура приближается к равновесной. От­жиг отливок при 550 °С устраняет внутренние напряжения в них.

Алюминиевые бронзы могут быть как двойными (например, БрА5), так и дополнительно легированными никелем, марганцем, железом и др. Содержащие до 4—5% А1 бронзы характеризуются высокой пластичностью. При ускоренном охлаждении сплавов с 6—8% А1 в структуре наряду с пластичным а-твердым раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая у'-фаза (Q132AI19). По­этому двухфазные сплавы (а+у') обладают высокой прочностью, но пониженной пластичностью по сравнению с однофазными (см. табл. 8.9). Никель и железо повышают механические свойства бронз и их износостойкость. Алюминиевые бронзы хорошо пластически деформируются как в холодном (сплавы, содержа­щие менее 7—8%А1), так и горячем состоянии, коррозионностойки, обладают высокими механическими свойствами. Они имеют хорошие литейные свойства, однако при литье образуется концентрированная усадочная раковина. Устране­ние ликвации достигается гомогенизацией при 700—750 °С. Алюминиевые бронзы бывают деформируемыми и литейными. Многокомпонентные бронзы (например, БрАЖН 10-4-4), содержащие более 9—11% А1, упрочняются закалкой (с температуры 980 °С для указанной марки сплава) и старением (при 400 °С). При этом твердость повышается в два раза (с 200 НВ до 400 НВ).

Кремнистые бронзы (БрКМцЗ-1) характеризуются хорошей прочно­стью (см. табл. 8.9) и пластичностью. Они немагнитны, морозостойки. Ни­кель и марганец повышают механические и коррозионные свойства кремни­стых бронз. Сплавы свариваются, подвергаются пайке.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими (в частно­сти, упругими) свойствами, стойкостью против коррозии и удовлетворитель­ной электро- и теплопроводностью, хорошо свариваются (см. табл. 8.9). Ши­роко известны бронзы, содержащие 1,6—2,6% Be, 0,2—0,5% Ni, 0,1—0,25% Ti (БрБ2; БрБ2,5; БНТ-1,9; БНТ-1,7, где цифры указывают содержание бе­риллия в масс. %). Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой (760—800 °С) со старением (300—350 °С. 2 ч). В результате закалки фиксируется пересыщен­ный а-твердый раствор легирующих элементов в меди. При этом бронза имеет высокую пластичность (5 = 30—40%), невысокую прочность (о_в = 450—560 МПа) и может подвергаться пластической деформации в закаленном состоя­нии. При старении происходит выделение из пересыщенного а-тнердого раство­ра дисперсных частиц у-фазы (СиВе). Бронзы БрБ2 и БрБ2,5 после закалки и ста­рения обладают высокой прочностью (ст_в = 1250—1300 МПа), но малой пластич­ностью (5 = 2—5%). Промежуточная холодная пластическая деформация обес­печивает дополнительное повышение прочности до о_в = 1400 МПа.

Хромовые бронзы (БрХ0,5) обладают высокими механическими свойства­ми, хорошей электро- и теплопроводностью, повышенной температурой рекри­сталлизации (450—500 °С). Бронзы содержат 0,4—1% Сг; 0,2% Ag. Серебро по­вышает механические свойства и температуру рекристаллизации бронз. Бронзы упрочняются закалкой (-950 °С) в воде и последующим старением (400 °С, 6 ч).

Циркониевые бронзы (см. табл. 8.9) сочетают в себе высокую тепло- и электропроводность, близкую к меди, и жаропрочность (в частности, сопро­тивление ползучести). Бронзы содержат 0,1—0,8% Zr (БрЦрО,2—БрЦрО,7). Упрочняются они комплексной обработкой: закалкой (~920 °С), последую­щей холодной пластической деформацией (степень деформации до 75%) и старением (~450 °С, 1 ч). При старении из ос-твердого раствора выделяется упрочняющая фаза (Cu₃Zr).

Области применения меди и ее сплавов весьма разнообразны. Чистая медь широко используется в электротехнике, в различного рода теплообмен­никах. Из высокотехнологичных латуней получают изделия глубокой вытяж­кой (радиаторные и конденсаторные трубки, сильфоны, гибкие шланги). Ла­туни, содержащие свинец, используют при работе в условиях трения (в часо­вом производстве, в типографских машинах).

Оловянные бронзы применяют для литья художественных изделий. При дополнительном легировании фосфором их используют для изготовления деталей, работающих на трение в коррозионной среде: подпятники, подшип­ники, уплотняющие втулки, пояски поршневых колец, клапаны. Алюминие­вые бронзы прежде всего используются в качестве заменителей оловянных, Высокопрочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, подшипников, пружин, деталей электрооборудования. Из берид-лиевой бронзы делают детали точного приборостроения, упругие эле­менты электронных приборов и устройств, мембраны. Для менее ответ­ственных деталей используют кремнистые бронзы. Хромовые и цирко­ниевые бронзы применяют в двигателестроении (внутренний кожух ЖРД, держатели форсунки и др.).