6.4. Медь и ее сплавы

Медь – металл красного цвета, имеет ГЦК решетку с периодом а = 0,361 нм. Плотность – 8,96 г/см³, температура плавления – 1083 С. Характерное свойство меди – высокая тепло- и электропроводность, поэтому она находит широкое применение в тепло- и электротехнике. Механические свойства чистой меди низкие; в качестве конструкционного материала применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием сплавов на основе меди.

Первая группа – элементы (металлы), растворимые в твердой меди: Al, Fe, Ni, Zn, Ag, Au, Pt, Cd, Sb. В качестве примера приведена диаграмма состояния системы Cu–Zn (рис. 6.3). Вторая группа – элементы, нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики: Pb, Bi. Третья – неметаллические и полуметаллические элементы, образующие с медью химические соединения: P, As, O, S, Se, Te. Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Л атуни – сплавы меди с цинком и другими элементами. Максимальная пластичность латуни достигается при 30 % Zn, максимальная прочность – при 43 % Zn (рис. 6.4). Медь с цинком образует твердые растворы: -, -, -, - (рис. 6.3). Широко используются только однофазные (-твердый раствор) и двухфазные (+-фазы) латуни. По способу изготовления различают деформируемые и литейные латуни. Из однофазных латуней путем деформирования в холодном состоянии изготавливают ленту, проволоку, гильзы патронов. Из двухфазных латуней путем деформирования в горячем состоянии (выше 500 ^oС) изготовляют листы, прутки и другие заготовки. Обрабатываемость резанием повышается добавкой свинца («автоматная латунь»). Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость; ее можно повысить добавлением олова («морская латунь»). Добавка никеля и железа повышает механическую прочность. Литейные латуни не склонны к ликвации, отливки имеют высокую плотность. Кремнистые однофазные латуни – материал для конструкций, работающих при отрицательных температурах (до –183 ^oС).

Бронзы – сплавы меди с другими элементами, в которых цинк не является основным. По способу изготовления различают деформируемые и литейные бронзы.

Оловянные бронзы образуются из ряда твердых растворов и склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Сплавы с содержанием олова более 5 % имеют в структуре легкоплавкую фазу. Такая структура является благоприятной для деталей с хорошими антифрикционными свойствами (подшипники скольжения). Мягкая фаза обеспечивает прирабатываемость, твердая – износостойкость бронзы. Литейные бронзы имеют малую объемную усадку (1 %) и используются в художественном литье, для изготовления отливок пароводяной арматуры и антифрикционных деталей: втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников. Для повышения жидкотекучести добавляется фосфор. Деформируемые оловянные бронзы (менее 6 % олова) обладают высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными свойствами и используются в различных отраслях промышленности. Изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Алюминиевые бронзы применяют как заменители оловянных бронз. Сплавы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют структуру однофазного -твердого раствора, до 15,6 % – сплавы двухфазные (+-фазы). Оптимальные свойства имеют алюминиевые бронзы с 5-8 % Al. При 10-11 % Al сильно снижается пластичность бронзы. Сплавы с содержанием 8-9,5 % Al можно закаливать для повышения прочности. Преимущества: большая плотность отливок, высокая механическая прочность и жаропрочность, низкая склонность к хладноломкости и внутрикристаллической ликвации. Недостатки: большая усадка, склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, спонтанный отпуск при медленном охлаждении, недостаточная коррозионная стойкость. Для устранения недостатков сплавы легируют марганцем, железом, никелем, свинцом. Из алюминиевых бронз литьем и обработкой давлением изготавливают малогабаритные ответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев. Штамповкой изготавливают медали и разменную монету.

Кремнистые бронзы не магнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые бронзы используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.

Бериллиевые бронзы – сплавы меди с 2-5 % бериллия – высококачественный материал для изготовления пружин. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры резко уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий за счет дисперсионного твердения твердого раствора. При закалке от 800 ^oС до комнатной температуры фиксируется пересыщенный твердый раствор бериллия в меди. Старение проводят при 300-350 С.