7.5 Превращения при отпуске закалённых сталей

Структура стали после закалки является неравновесной. Она содержит метастабильную фазу – мартенсит, для которого характерна искажённая кристаллическая решётка и избыточные внутренние напряжения. При отпуске, предполагающем нагрев закалённых сталей, структура становится более равновесной.

Отпуск проводят при температурах ниже температур фазовых превращений. При нагреве закалённых сталей до температур порядка 200°С избыточный углерод частично выходит из мартенсита и образуются необособленные карбиды. В результате тетрагональность решётки мартенсита уменьшается и получается мартенсит отпуска. Он отличается меньшей твёрдостью и большей пластичностью. При температуре нагрева стали порядка 400°С избыточный углерод полностью покидает мартенсит и образует цементит. В результате формируется структура троостита отпуска (т.е. мелкозернистая смесь феррита с цементитом). При нагреве закалённых сталей до температур порядка 600°С наблюдается укрупнение (путём объединения) зёрен образующего цементита, в результате формируется структура сорбита отпуска. Сорбит и троостит отпуска отличаются от обычного пластинчатого сорбита и троостита зернистым строением. Такая структура обеспечивает сталям более высокую вязкость и пластичность.

47

Отжиг состоит в нагреве сталей до определённых температур с последующей выдержкой и медленным охлаждением их в печи. В результате отжига сталь приобретает равновесную структуру, свободную от остаточных напряжений.

Различают отжиг первого и второго рода. Отжиг первого рода не связан с фазовыми превращениями в сталях. В зависимости от назначения отжиг первого рода может быть либо диффузионным, либо рекристаллизационным, либо отжигом для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг применяют для устранения неоднородности слитков стали по химическому составу. С этой целью образец нагревают до температур порядка 1000°С и выдерживают при данной температуре до тех пор, пока диффузионные процессы в образце не приведут к выравниваю химического состава слитка (т.е. к устранениюликвации).

Рекристаллизационный отжиг производят с целью устранения наклёпа в деформированных сталях. Как известно, в ходе холодной пластической деформации сталей развивается наклёп. Зёрна материала вытягиваются в направлении деформации, твёрдость и прочность стали возрастает, а её пластичность снижается. При нагреве деформированных сталей до температур рекристаллизации наблюдается процесс образования новых округлых зёрен взамен старых вытянутых зёрен. В ходе рекристаллизации твёрдость и прочность сталей уменьшается, а пластичность возрастает, приобретая значения, близкие к тем, которые были до деформации. Температуры, при которых наблюдается рекристаллизация сталей, превышают 400°С.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется с целью устранения в сталях механических напряжений, возникших в результате обработки давлением, резанием, плавлением и так далее. Нагрев в данном случае осуществляется до относительно невысоких температур, не превышающих температур фазовых превращений. По термическому режиму данный отжиг похож на отпуск, но имеет иное назначение.

Отжиг второго рода, напротив связан с фазовыми превращениями в сталях, поэтому его называют также фазовой перекристаллизацией. Он может бытьполным и неполным. Полный отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии GSE диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 7.3). Неполный – заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии PSK. После медленного охлаждения с печью сталь при полном отжиге приобретает структуру мелкозернистой смеси феррита с цементитом. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали с целью измельчения зерен материала и улучшения его пластических свойств. Полный отжиг приводит к улучшению обрабатываемости доэвтектоидных сталей резанием, поэтому относится к подготовительным операциям. Неполному отжигу обычно подвергают инструментальные заэвтектоидные стали. В ходе такого отжига исчезает сетка вторичного цементита, который приобретает округлую зернистую форму. Это благоприятно отражается на механических свойствах сталей, в частности, повышается их ударная вязкость. Такую термическую операцию называют сфероидизирующим отжигом.

 

Если после нагрева и выдержки сталей охлаждение производится не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. В ходе нормализации исчезают внутренние напряжения, а структура сталей становиться более мелкозернистой, т.е. «нормальной». Нормализация более дешёвая операция, чем отжиг. В то же время для низкоуглеродистых сталей нет различий в свойствах между отожжённым и нормализованным состояниями. Различия в структуре и свойствах начинают проявляться только с увеличением содержания углерода. Поэтому низкоуглеродистые стали лучше подвергать нормализации, вместо отжига.

 

 

Рис. 7.3. Температуры нагрева при отжиге и закалке сталей.

Нормализация и отжиг обычно первичные операции. Их основное назначение – устранить последствия предыдущих технологических операций (ковки, литья) и подготовить сталь к обработке резанием, давлением, а также к окончательным операциям термообработки (закалке и отпуску).

48

После механической обработки изделие, как правило, подвергается упрочняющей термической обработке.

Наиболее распространенным видом упрочняющей термической обработки углеродистых сталей, содержащих углерода более 0,3 %, является закалка с последующим отпуском.

Закалка—процесс нагрева стали выше точки Ас₃ (полная закалка) или Ас₁, (неполная) на 30...50°С с последующим быстрым охлаждением. Цель закалки — получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.

На рис. 2.10 приведена диаграмма интервалов температур для закалки железоуглеродистых сталей.

Рис. 2.10. Диаграмма интервалов закалочных температур

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке. После охлаждения закаленной детали в воде при ком­натной температуре в структуре образуется мелкоигольчатый мартенсит и небольшое количество остаточного аустенита (1...2 %). Нагрев стали при закалке значительно выше критической точки Ас₃, (на 150...200 °С) приводит к ее перегреву. В результате получается крупноигольчатый мартенсит, и сталь приобретает пониженную ударную вязкость.

Нагрев доэвтектоидной стали выше точки Ас₁, но ниже точки Ас₃, приводит к неполной закалке. В структуре такой стали наряду с мартенситом присутствуют участки феррита. Эта сталь имеет понижен­ную твердость.

На рис 2.11 приведено схематическое изображение структурных превращений для доэвтектоидных сталей, имеющих место при полной закалке (а)—нагрев до температуры выше точки Ас₃, и неполной закалке (б)—нагрев до температуры выше точки Ас₁. На рис. 2.12 приведена схема структурных превраще­ний, происходящих при закалке заэвтектоидной стали. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки Ас_m, то в структуре ее будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита, что приведет к снижению твердости стали. Поэтому все заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Структура этих сталей состоит из мартен­сита и цементита.

Рис. 2.11. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке: а-полная; б- неполная закалка Рис. 2.12. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке: а—неполная закалка; б—полная закалка

Скорость нагрева и время выдержки деталей зависят от размеров, массы деталей, их конфигурации, химического состава материала деталей, от типа нагревательных печей и нагревательных сред.

 

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы.

Для закалки существенное значение имеет скорость охлажде­ния в интервале температур, где аустенит менее всего устойчив (650...550°С). Этот интервал температур при закалке надо пройти быстро. Важное значение имеет скорость охлаждения и в интервале температур 300...200 °С, когда во многих сталях происходит образование мартенсита. В этом районе температур требуется медленное охлаждение, во избежание возникновения напряжений и закалочных трещин.

Существуют следующие способы закалки.

Закалка в одном охладителе заключается в том, что нагретую под закалку деталь погружают в закалочную среду (вода, масло и т. д.), в которой она находится до полного охлаждения. Применяют для несложных деталей из углеродистой и легированных сталей.

При закалке в двух средах (прерывистая закалка) деталь сначала погружают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую среду (масло, селитру или на воздух), где она охлаждается до комнатной температуры. Такую закалку применяют обычно для обработки инструмента из высоколеги­рованной стали.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в среде при температуре 230...250 °С (например, в горячем масле, расплавленной соли и др.), а затем после небольшой выдержки охлаждается на воздухе.

Изотермическая закалка производится так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита (высокодисперсная смесь феррита и карбида железа).

Закалка с обработкой холодом заключается в охлаждении закаленной стали, содержащей остаточный аустенит, до температур ниже 0 °С. Обычно эта температура около —70 °С. Обработка холо­дом производится немедленно после закалки, после чего весь остаточный аустенит переходит в мартенсит. Приме­няется для высокоуглеродистых сталей (углерода более 0,6 % ) и специальных сталей (инструментальных, шари­коподшипниковых и др.).

К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом.

Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем прово­дят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.

Перегрев имеет место тогда, когда сталь нагревают до температуры, намного превышающей критическую. Перегрев также можно исправить отжигом с последующей закалкой.

Пережог стали может иметь место при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой. Этот дефект неисправимый (брак).

Обезуглероживание и окисление поверхности происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев вести в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к стали.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой. По указанным выше причинам закаленные изделия и инструмент подвергают отпуску.

Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже точки Ас, с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью (обычно охлаждают на воздухе). Цель отпуска—уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств. Основное пре­вращение при отпуске—распад мартенсита, т. е. выде­ление углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.

Распад мартенсита завершается при температуре около 400 °С, образовавшуюся феррито-цементитную высокодисперсную механическую смесь называют трооститом отпуска. При более высокой температуре нагрева происходит коагуляция кристаллов карбида железа, дисперс­ность ферритоцементитной смеси снижается и при темпе­ратуре 500...650 °С образуется сорбит отпуска. Помимо описанных превращений в интервале температур 200....300 °С происходит распад остаточного аустенита с об­разованием отпущенного мартенсита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска.

Низкий отпуск производится при 120...150 °С (отпуск на отпущенный мартенсит). Его применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий, а также после поверхностной закалки. При низком отпуске уменьшаются остаточные закалочные напряжения, твердость практически не снижается.

Средний отпуск (отпуск на троостит) происхо­дит при нагреве до температур 350...450 °С. При этом снижается твердость. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор.

Высокий отпуск (отпуск на сорбит) производится при температуре 500...650 °С. Применяют его в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластич­ности. Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением. Эту операцию применяют для среднеуглеродистых сталей (0,35...0,6 %С).

После закалки (при охлаждении в воде) углеродистой стали (0,4 % С) и отпуске при 300 °С: σ_в=1300 МПа, δ=12 %, Ψ =35, %, а при отпуске с 600 °С - σ_в = 620 МПа, δ = 22 %, φ = 55 %.

Для повышения твердости, предела выносливости и износостойкости детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Обычно для этих целей применяют поверхностную закалку—газопламенную закалку, закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты и другие виды поверхностного упрочнения. При таком виде обработки сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки.

Нагрев поверхности детали производится до температуры выше точки Ас, с последующим быстрым охлаждением.

Газопламенная закалка заключается в нагреве поверхности стальных изделий ацетиленокислородным пламенем, температура которого составляет 2400...3150 °С; при этом поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, а сердцевина не успевает нагреться. Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверх­ностного слоя. Толщина закаленного слоя 2...4 мм, твердость достигает 50...56 НRС. Газопламенную обработку применяют в мелкосерийном и единичном производстве. Недостатком этого способа является неравномерность нагрева с поверхности вглубь деталей и как следствие - структурная неоднородность. Последняя состоит как бы из трех слоев: первый слой нагрет выше точки Ас, и после закалки его структура— мартенсит, второй слой нагрет ниже точки Ас, но выше Ас, получается структура неполной закалки (мартенсит с ферритом), наконец, третий слой нагрет ниже точки Ас,,в нем сохраняется исходная структура.

Индукционный нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) наиболее распространенный производительный и прогрессивный метод поверхностного упрочнения. Преимуществом его является возможность автоматизации процесса, отсутствие выгорания углерода и других эле­ментов, а также окисления поверхности изделия. Сущность способа состоит в том, что под действием электродвижущей силы (ЭДС) в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), которые нагревают металл до нужной температуры.

Твердость поверхностного слоя при нагреве ТВЧ несколько выше, чем твердость, получаемая при обычной закалке. Закалку с использованием ТВЧ применяют для сталей с содержанием углерода более 0,4 %, чтобы получить заданную твердость. В последнее время также применяется поверхностная обработка с использованием нагрева лазером.

Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость.

Прокаливаемость — способность стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров детали и условий охлаждения. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем больше прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр, т. е. максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается полностью в охлаждающей среде. Так, например, для углеродистых сталей при закалке в воде критический диаметр составляет 10...20 мм. Легированные стали при закалке в масле в зависимости от степени легирования могут прокаливаться в сечении до 250...300 мм.

Мартенситное превращение Структурные исследования показывают, что при резком охлаждении сталей из аустенитного состояния до 240 °С подвижность атомов углерода близка к нулю, что приводит к бездиффузионному превращению аустенита. Это превращение приводит лишь к изменению типа решетки γ→α (полиморфное превращение), а весь углерод ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Напомним, что предельная равновесная концентрация углерода в решетке феррита составляет 0, 006 % при комнатной температуре. Отсюда следует, что в результате быстрого охлаждения аустенита образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе, которое называется мартенситом. Из-за пересыщенности углеродом решетка исходного аустенита сильно искажается и вместо г ц к решетки образуется тетрагональная (удлиненная) форма решетки (см. рис. 2.8), когда с›а. Такое искажение (деформация) решетки приводит к повышению плотности дислокации в мартенсите (10¹⁰…10¹² см^‾2) до уровня плотности этих дефектов в холоднодеформированной стали. Это обстоятельство наряду с высоким содержанием углерода вызывает высокую твердость мартенсита до 65 HRC и одновременно хрупкость из-за больших и внутренних напряжений. Следует заметить, что несмотря на практически мгновенную скорость γ→α скорость перехода ( ≈ 1000 м/с) атомы смещаются упорядоченно с сохранением общей сопрягающей плоскости решеток γ- и α-Fe, то есть наблюдается когерентная связь. Это означает, что решетка мартенсита закономерно ориентирована относительно исходной решетки аустенита. Однако, наличие такой когерентной связи и различие удельных объемов фаз приводят к возникновению больших внутренних напряжений.

Мартенситное превращение наблюдается в интервале температур и для эвтектоидной стали такой интервал составляет 240…-50 °С (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Влияние содержания углерода в стали на температуру начала М и и конца М к мартенситного превращения

При таком интервале превращения одновременно с мартенситом в структуре наблюдается и остаточный (непревращенный) аустенит. Охлаждение ниже температуры М_к (-50 °С) не приводят к его окончательному распаду, поскольку положение точек М_к и М_н зависит только от содержания углерода, а скорость охлаждения на них не влияет (см. рис. 2.13).

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава сплава, а следовательно, в зависимости от температуры своего образования, могут иметь различную морфологию и субструктуру. Различают два вида мартенсита: пластинчатый (игольчатый) (рис. 2.14, а) и пакетный (реечный) (рис. 2.14, б). Структура пластинчатого мартенсита имеет большое число микродвойников, кристаллы такого мартенсита похожи на широкие пластины, а в плоскости – иглы.

Рис. 2.14. Схема образования пластинчатого (игольчатого) (а) и п а к е т н о г о (реечного) (б) мартенсита

Пакетный мартенсит характерен для низко- и среднеугле-родистых, а также легированных конструкционных сталей. Крис-таллы пакетного мартенсита имеют форму реек, вытянутых в одном направлении (см. рис. 2.14, б). Тонкая структура представляет собой запутанные дислокации высокой плотности при полном отсутствии двойников. Внутри мартенситных пакетов наблюдаются прослойки аустенита (см. рис. 2.14, б).

2/6

49

Поверхностная закалка при нагреве токами высокой частоты.Нагрев токами высокой частоты (т.в.ч.), предложенный и разработанный проф. В.П.Вологдиным, является наиболее производительным и прогрессивным способом. При нагреве т.в.ч. можно закаливать детали разнообразных конфигураций, полностью автоматизировать процесс закалки.

Сущность нагрева т.в.ч. заключается в следующем. Если в переменное электромагнитное поле поместить замкнутый проводник электрического тока, то в проводнике возникают переменные, так называемые вихревые токи. Характерным является распределение тока по сечению проводника. Если постоянный ток распределяется при прохождении по проводнику равномерно по всему сечению, то распределение переменного тока по сечению проводника неравномерно. Плотность протекающего переменного тока значительно больше у поверхности, чем во внутренних слоях проводника. Такое неравномерное распределение переменного тока в проводнике называется поверхностным эффектом. Вследствие поверхностного эффекта проводник нагревается на определенную глубину от поверхности.

Нагрев т.в.ч. принципиально отличается от других способов нагрева – тепло возникает в самой детали, а при нагреве в печах, соляных ваннах и газовым пламенем тепло распространяется от поверхности к сердцевине путем теплопроводности.

В связи с большой скоростью нагрева (в течение нескольких секунд) для завершения всех превращений в стали необходима температура, значительно (на 100-200°С) превышающая нормальную температуру закалки при нагреве в печах. Но в связи с отсутствием выдержки при температуре закалки такая высокая температура не вызывает роста зерна стали.

По сравнению с обычной закалкой сталь, закаленная при нагреве т.в.ч., имеет следующие преимущества: более высокая твердость, более мелкая микроструктура, более высокая износостойкость, более высокая прочность при относительно меньшем понижении вязкости, более высокий предел выносливости.

Поверхностную закалку нагревом т.в.ч. проводят различными способами – в зависимости от размера и формы детали и предъявляемых к ней требований.

При закалке небольших деталей применяют одновременный нагрев и охлаждение всей обрабатываемой поверхности. Наибольшее применение имеет душевое охлаждение. Для этого на внутренней поверхности индуктора имеются многочисленные отверстия, через которые, после окончания нагрева, на поверхность детали поступает вода.

Закалку деталей значительной длины проводят непрерывно – последовательным способом. Непрерывно – последовательно нагревается и охлаждается вся поверхность детали.

Если необходимо закалить отдельные части детали, то целесообразно применять способ последовательной закалки, при котором обрабатываемая поверхность нагревается и охлаждается по частям.

После закалки для уменьшения возникающих внутренних напряжений детали подвергают низкому отпуску (160 - 200°С).

Для точной установки детали в индукторе и обеспечения определенного одинакового нагрева и охлаждения каждой нагреваемой детали, от чего зависит качество закалки, применяют специальные приспособления, установки, станки-полуавтоматы и автоматы различных конструкций.

Поверхностная закалка при нагреве пламенем.При этом способе закалки нагрев поверхности детали осуществляют пламенем. Наиболее часто используют ацетилено - кислородное пламя, температура которого 3150°С.

50

Под цементацией понимают процесс насыщения поверхно­сти углеродом. Ее целью явля­ется получение твердой и изно­состойкой поверхности.

Цемен­тации обычно подвергают низкоуглеродистые стали, со­держащие 0,1…0,18 (иногда до 0,30) % С. По­сле обработки поверхностные слои содержат 0,8…1,0 % С, а сердцевина изделий остается вязкой. На цементацию детали обычно поступают после меха­нической обработки. Если це­ментации следует подвергать часть поверхности детали, то нецементируемые участки за­щищают тонким слоем меди или изолируют специальными обмазками, состоящими из сме­си огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле или других связках.

Цементацию проводят в области существования аустенита из-за малой растворимости углерода в феррите. Как правило, цементацию осуществляют при температурах 920…950 °С. Когда активность углерода в газовой фазе велика, концентрация растворенного углерода в аустените достигает предела насыщения (определяемого на диа­грамме линией SE) и на поверхности изделий образуется слой цементита. В реальных условиях слой цементита на поверхности образуется очень редко и обычно цементованный слой состоит из аустенита почти насыщенного углеродом при температуре цементации. При охлажде­нии он распадается на феррит и цементит. Практически всегда в цементованном слое концентрация углерода убы­вает от поверхности к сердцевине изделия. У поверхности имеется заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и вторичного цементита. Эта зона постепенно переходит в эвтектоидную - состоящую из пластинчатого перлита и, наконец, в доэвтектоидную зону, состоящую из перли­та и феррита. В этой зоне доля феррита возрастает по мере приближения к сердцевине.

Хотя обычно средняя концентрация углерода в по­верхностном слое и составляет 0,8…1,0 % С, иногда для повышения сопротивления контактной усталости ее по­вышают до 1,1…1,2 %. Более высокое содержание угле­рода нецелесообразно, так как при этом повышается хрупкость цементованного слоя.

Если цементируют стали, легированные карбидообразующими элементами, то может образовываться двухфаз­ный слой, состоящий из аустенита и глобулярных карбидов. Несмотря на то, что концентрация углерода в леги­рованном аустените ниже, чем в обычном, средняя концентрация углерода в сталях, легированных хромом, марганцем, вольфрамом, молибденом и ванадием дости­гает 1,8…2 %. На скорость диффузии легирующие эле­менты влияют неодинаково. Так, например, вольфрам и хром ее уменьшают, а никель - увеличивает.

 

Поэтому вольфрам и хром, повышая концентрацию углерода в по­верхностных слоях изделий, уменьшают их толщину. Ни­кель, наоборот, снижает концентрацию углерода и уве­личивает толщину диффузионного (цементованного) слоя. Марганец почти не влияет на коэффициент диффу­зии углерода в аустените, но увеличивает его в легиро­ванном цементите, повышая глубину упрочненного слоя.

Цементируют стальные изделия различными метода­ми. При цементации в твердом карбюризаторе источни­ком углерода является активированный уголь, каменно­угольный полукокс или торфяной кокс.

Для ускорения цементации и регулирования состава поверхностных слоев в шихту добавляют активизаторы, которыми слу­жат углекислый барий (ВаСО₃) и кальцинированная со­да (Na₂СО₃). Содержание Ва₂СО₃ в смеси составляет 20…25 %. Для предотвращения спекания частиц карбю­ризатора к шихте добавляют также СаСО₃ в количестве 3…5 %. Выдержка при температуре цементации (920…950 °С) зависит от требующейся толщины цементован­ного слоя, и как правило, для слоя толщиной 0,7…0,9 мм она колеблется от 6 до 8 ч, а для слоя в 1,2…1,5 мм - от 9 до 14 ч. Для наследственно мелкозернистых сталей с целью ускорения цементации температуру повышают до 950…1000 °С. Газовую цементацию проводят путем нагрева изделия в среде газов, содержащих углерод. В качестве кар­бюризатора чаще всего используют природный газ.

Газоваяцементация имеет преимущества перед це­ментацией в твердом карбюризаторе, так как позволяет получить не только заданную концентрацию углерода, но и обеспечивает большую равномерность толщины слоя, что позволяет уменьшить длительность обработки. При газовой цементации процесс можно автоматизировать. Кроме того, упрощается последующая термическая обра­ботка изделий, поскольку не требуется извлечения дета­лей из карбюризатора и имеется возможность проводить закалку непосредственно из цементационной печи.

В последние годы начинают также развиваться мето­ды жидкостной цементации с использованием солевых расплавов и наложением процессов электролиза. Для це­ментации используют барботируемые жидкости, ско­рость цементации в которых в 3…5 раз выше, чем в твер­дых карбюризаторах. При электрохимико-термической обработке также значительно ускоряются многие процессы насы­щения.

51

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных изделий азотом (N₂). Осуществляется азотирование путем нагрева деталей в потоке аммиака (NH₃) при 480-650⁰С. Тонкий азотированный слой очень тверд, износостоек и хорошо сопротивляется коррозии.

Кроме того, азотирование создает на поверхности изделий остаточные напряжения сжатия, повышающие предел выносливости и долговечность.

Сущность процесса азотирования заключается в разложении NH₃ на N₂ и H₂: 2NH₃ =2N+3H_2. Активные (в момент выделения) атомы азота проникают в решетку a-Fe и диффундирует в ней. В результате получается ряд структурных составляющих и переходных структур. В начале при азотировании получается a -фаза, т.е. твердый раствор N₂ в феррите, который при температуре 591⁰С растворяет до 0,42% N, а при атмосферной температуре – только до 0,015%N.

При повышении содержания N образуется g´- фаза, содержащая 5,7-6,1% N и представляющая собой твердый раствор на основе нитрида Fe (Fe₄N).

Наконец, при дальнейшем повышении содержания азота образуется ε - фаза – твердый раствор на базе нитрида Fe (Fe₃N), содержащая 8,0-11,2% азота. Наибольшее содержание в ней азоту отвечает нитриду Fe₂N (11,2%).

При температурах выше 591⁰С образуется g - фаза, представляющая собой твердый раствор азота в g-Fe. Понижение температуры приводит к эвтектоидному распаду. Азотистый эвтектоид состоит из a и g '- фаз и содержит 2,35% N.

Твердость азотированного слоя простой углеродистой стали невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали.

При азотировании легированных сталей образуются нитриды специальных элементов: Al, Ti, V, Cr, Mo, W и Mn: AlN, TiN, VN и т.д., которые придают азотированному слою очень высокую твердость.

Хорошие результаты дает азотирование нержавеющей и жароупорной стали. Замечательные антифрикционные свойства обнаруживает азотированная поверхность графитизированной стали, т.е. стали, имеющей в структуре графит. Она отличается высокой твердостью и износостойкостью; вместе с тем, графит удерживает смазку и понижает коэффициент трения, что очень важно для гильз, цилиндров, втулок и подшипников.

Азотированные детали обладают хорошей сопротивляемостью действию переменных напряжений и обладают высоким пределом выносливости, коррозионной стойкостью. Недостатком процесса азотирования является чрезмерная длительность процесса – 50-100 часов и необходимость применения легированных сталей.

52

Процесс азотирования включает несколько последова­тельно выполняемых операций. Сначала проводят опера­цию улучшения, состоящую в закалке и высоком отпуске. Как правило, закалку проводят при температурах 800…850 °С с охлаждением в воде или масле. Отпуск проводят при температуре, превышающей температуру последую­щего азотирования. Структура стали после такого отпус­ка - сорбит. Применяют отпуск не только для устране­ния коробления, но и для получения твердости, допускающей обработку резанием. После улучшения проводят механическую обработку детали резанием и ее шлифова­ние для придания необходимых размеров.

На следую­щем этапе обработки участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова или жидкого стек­ла и лишь затем проводят азотирование в течение 24…96 ч. После азотирования осуществляют окончательное шлифование и доводку изделия.

Иногда для ускорения применяют двухступенчатый процесс; сначала азотируют при 500…520 °С, а затем при 540…600 °С.

Применение двухступенчатого азотирова­ния уменьшает длительность обработки, но не приводит к снижению твердости. Охлаждение деталей после азо­тирования проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования (в 2…3 раза) получается при азотировании в «тлеющем разряде», т. е. когда обрабатываемую деталь, находящу­юся в разреженной атмосфере, содержащей азот, под­ключают к отрицательному электроду - катоду. В каче­стве анода служит контейнер. Между катодом и анодом возникает тлеющий разряд. В рабочем пространстве уве­личивается концентрация атомарного азота, деталь на­гревается до температуры насыщения в результате бом­бардировки ионами газа.

Еще более быстрым является азотирование в жидких средах - расплавленных цианистых солях (тенифер-процесс).

Как и при газовом азотировании, так и при тенифер-процессе твердость азотированного слоя составляет 300…350 HV для углеродистых сталей, а для легирован­ных может меняться от 600 до 1100 HV. При жидкост­ном азотировании не происходит ни коробления деталей, ни заметного изменения их размеров. Недостатками это­го процесса являются токсичность и высокая стоимость цианистых солей.

 

 

 

Цианированием и нитроцементацией называют процесс одновременного насыщения поверхности изделия углеро­дом и азотом. Цель обоих процессов - одна: повысить твердость и износостойкость стальных изделий. Различие процессов - в способе насыщения и насыщающей среде. Цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. В отличие от описанного вы­ше тенифер-процесса, цианирование ведут при более вы­соких температурах (820…860 °С).

Цианированный слой содержит углерода меньше, чем цементованный (при­мерно 0,6…0,7 %), а азота в нем 0,8…1,2 %. Изделия после цианирования прямо из ванны подвергают закал­ке, а затем - низкому отпуску при 180…200 °С. Циани­рованный слой имеет большую по сравнению с цементированным износостойкость и более высокий предел вынос­ливости, его твердость 58…62 HRC.

Различают среднетемпературное цианирование (при 820…860 °С) и высокотемпературное (930…960 °С). При высокотемпературном цианировании получается более толстый слой и его применяют для более крупных дета­лей.

В отличие от цианирования - нитроцементацию проводят в смеси науглероживающего газа и аммиака. Важно, что при этом скорость диффузии углерода выше, чем при обычной цементации, несмотря на то, что тем­пература нитроцементации почти на 100°С ниже (850…860 °С). Установлено, что ускорение диффузии углерода вызвано присутствием азота.

После нитроцементации изделия закаливают либо прямо из печи, либо с подстуживанием до 800…825 °С. Иногда применяют ступенчатую закалку. После закалки всегда дают низкотемпературный отпуск (160…180 °С).

Структура нитроцементованного слоя состоит из мел­кокристаллического мартенсита, мелких, равномерно распределенных карбонитридов (25…30 %) и остаточно­го аустенита.

После закалки и отпуска твердость нитроцементован­ного слоя составляет 58…64 HRC (5700…6900 HV). Мак­симальная прочность получается при оптимальном соот­ношении содержаний углерода и азота в поверхностном слое. Причем его численное значение для разных марок может изменяться от 1,0 до 1,65.

Газовой нитроцементации подвергают детали слож­ной формы, склонные к короблению. Преимущества ме­тода нитроцементации по сравнению с газовой цемента­цией состоят в меньшей деформации и короблении дета­лей, что обусловлено меньшей длительностью процесса.

Нитроцементация имеет преимущества и перед цианированием, так как для ее проведения не требуется применения ядовитых солей, а также возможно более тонкое регулирование содержания углерода и азота в слое. В последнее время вместо тенифер-процесса рас­ширяется применение низкотемпературной нитроцементации (при 570 °С в течение 0,5…3 ч) в атмосфере, содер­жащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака. При низкотемпературной нитроцементации на поверхности образуется слой карбонитридов Fe₃(N,С), твердость ко­торого в легированных сталях достигает 5000…11000 HV.

53

Диффузионное легирование проводится с различной целью. [1]

Диффузионное легирование может проводиться одновременно одним легирующим элементом ( аналогия с цементацией и азотированием), двумя ( аналогия с цианированием), тремя и более элементами. Степень насыщения в основном зависит от температуры процесса легирования, активности окружающей среды и времени выдержки. [2]

Процесс диффузионного легирования аналогичен цементации, азотированию и цианированию. Он заключается в том, что в сталь или чугун при высоких температурах внедряются атомы одного или другого металла, в результате чего изменяется химический состав верхних слоев изделия или детали. [3]

Процесс диффузионного легирования протекает, как и процесс цементации, в трех самостоятельных, но и взаимосвязанных между собой областях: 1-я область - среда, окружающая деталь; 2-я - граница раздела окружающей среды и металла и 3-я - верхние слои металла. [4]

При диффузионном легировании возникают трудности в получении тонких легированных слоев и достаточно резких р-и-пере-ходов. [5]

При диффузионном легировании GaAs литием удельное сопротивление кристалла n - типа возрастает до десятка ом см. В результате термообработки при высоких температурах удельное сопротивление снижается до 0 2 ом см и кристалл становится р-типа. Предполагается, что литий может входить в решетку как по междоузлиям, так и путем замещения атомов галлия. Эти два вида дефектов могут образовать комплекс LijLiQa, обладающий акцепторными свойствами. [6]

Зависимость среднего значения проекции пробега Rp ( а и среднего нормального отклонения проекции пробега ДЛР ( б в SiC от энергии для различных ионов / - Be. 2 - В. 3 - N. 4 - AI. 5 - Р.| Предельные концентрации примесей в кристаллах карбида кремния, легированных в процессе роста.

Наряду с диффузионным легированием, монокристаллов карбида кремния интенсивно развивается и ионное легирование, что для SiC особенно актуально в связи с высокими температурами и большими длительностями диффузионных отжигов. [7]

Методы изготовления сплавного ( а-г и диффузионных р-л-переходов, подготовленных по планарной ( д-ж и планарно-эпитаксиальной ( з технологии. 7 - алюминиевая таблетка, 2 - кремний п-типа, 3 - капля жидкого расплава, 4 - рекристаллизованный слой, 5 - силуминовый электрод, 6 - сплавной р-п-пере-ход, 7 - электрод омического контакта, 8 - окно в слое диоксида кремния, 9 - диоксид кремния, 10 - диффузионная р-область, 11 - контактное окно, 12 - алюминиевый электрод, 13 - сильно легированный кремний л - типа, 14 - эпитаксиаль.

Чаще всего применяют локальное диффузионное легирование, при котором на первом этапе примесь вводят не по всей поверхности кремния, а лишь на отдельных участках ( рис. 14, д) через окна 8, изготовленные фотолитографией в тонком слое диоксида кремния 9, защищающем поверхность пластины от проникновения примеси. Затем заготовку подвергают термической обработке. [8]

Электромагнитный вибратор с питанием постоянным пульсирующим током через контактный прерыватель зум-мерного типа, смонтированный на самом вибраторе.

Основным результатом совместного действия диффузионного легирования, закалки и азотирования является упрочнение поверхностного слоя небольшой толщины, при одновременном незначительном увеличении размера детали. Таким образом, применение электроискровой обработки для восстановления деталей ограничено частным случаем компенсации малых износов. [9]

Еще более значительным становится преимущество углеродистых сталей при их совместном диффузионном легировании хромом и титаном. В этом случае на первых стадиях легирования, когда основным является диффузионное проникновение легирующих элементов в насыщаемую матрицу, хром проявляет себя как более подвижный элемент, что объясняется двумя причинами. Во-первых, титан, обладая тенденцией к образованию интерметаллидных связей с железом, несколько менее подвижен даже в чисто железной матрице. [10]

Состав матричных сплавов, % ( масс.| Состав порошков железа.

Для азотирования был использован метод активаци-онного смешивания, позволяющий осуществлятьравномерное диффузионное легирование металлических порошков без их спекания и агломерации. [11]

54

металлов и сплавов, изменение структуры и соответственно свойств металлов и сплавов, вызванноепластической деформацией при температуре ниже температуры рекристаллизации (См. Рекристаллизация).Н. называется также технологический процесс создания упрочнённого состояния материала холоднойповерхностной пластической деформацией. Явление Н. объясняется накапливанием в металле частиэнергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решётки, образованиепреимущественно ориентированных кристаллов (текстур (См. Текстура)), изменение дислокационныхструктуры, а также на увеличение удельного объёма металла в слое. Н. может быть результатом действиявнешних деформирующих сил (деформационный Н.) или, реже, фазовых превращений (фазовый Н.). Н.сопровождается увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности материала.

         В технике Н. используется для поверхностного упрочнения деталей. Кроме того Н. приводит квозникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияниекоторых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластическойдеформации, выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Н.осуществляют специальными способами и на специальном оборудовании, например, производят обкаткуцилиндрических поверхностей роликами, зубьев зубчатых колёс роликами или зубчатыми накатниками,дробеструйную обработку фасонных поверхностей, обработку ударными инструментами и др.

55

Одним из технологических процессов упрочняющей обработки являетсятермомеханическая обработка (ТМО).

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам изменения строения и свойств материалов.

При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка (закалка предварительно деформированной стали в аустенитном состоянии).

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

В зависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) и низкотемпературную термомеханическую обработку (НТМО).

Сущность высокотемпературной термомеханической обработки заключается в нагреве стали до температуры аустенитного состояния (выше А₃). При этой температуре осуществляют деформацию стали, что ведет к наклепу аустенита. Сталь с таким состоянием аустенита подвергают закалке (рис. 1 а).

Высокотемпературная термомеханическая обработка практически устраняет развитие отпускной хрупкости в опасном интервале температур, ослабляет необратимую отпускную хрупкость и резко повышает ударную вязкость при комнатной температуре. Понижается температурный порог хладоломкости. Высокотемпературная термомеханическая обработка повышает сопротивление хрупкому разрушению, уменьшает чувствительность к трещинообразованию при термической обработке.

Рис. 1. Схема режимов термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО); б – низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).

Высокотемпературную термомеханическую обработку эффективно использовать для углеродистых, легированных, конструкционных, пружинных и инструментальных сталей.

Последующий отпуск при температуре 100…200^oС проводится для сохранения высоких значений прочности.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (аусформинг).

Сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600^oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (рис. 16.1 б).

 

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95 %), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два – четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

Механические свойства после разных видов ТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики (см. табл. 1):

Таблица 1. Механические свойства сталей после ТМО

	, МПа	, МПа	, %	, %
НТМО	2400…2900	2000…2400	5…8	15…30
ВТМО	2100…2700	1900…2200	7…9	25… 40
ТО
				(сталь 40 после обычной закалки)

Термомеханическую обработку применяют и для других сплавов.

56

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств. Химико-термическая обработка получила наибольшее распространение, как метод упрочнения поверхностей из-за простоты, доступности и высокой эффективности. Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структурных изменений происходят изменения состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах. Основная цель - упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности и повышение стойкости против воздействия агрессивных сред. Толщина упрочненного слоя может превышать 2 мм.

К процессам ХТО относятся цементация, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др.

ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами. Первый процесс - диссоциация - заключается в распаде молекул и образовании диффундирующего элемента в атомарном состоянии. Второй процесс, называемый абсорбцией, представляет собой взаимодействие атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия и проникновение их в решетку железа. Третий процесс – диффузия - заключается в проникновении атомов насыщенного элемента в глубь металла.

Рассмотрим кратко некоторые виды ХТО.

Цементация – процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цель цементации - придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С (сталь марок 10, 15, 20, А 12, 15Х, 25ХГМ и др.), работающие в условиях переменных ударных нагрузок и подвергающиеся износу, например зубья зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т. д. Цементация осуществляется в твердом (древесный уголь), жидком (расплавы солей) и газообразном (углеводороды) карбюризаторах. Температура цементация 900...970°С. Толщина цементованного слоя от 0,1 до 3...4 мм. Процесс протекает медленно: скорость науглероживания порядка 0,1 мм/ч. Однако, если повысить температуру до 950…980 °С, процесс существенно ускоряется. Наиболее эффективна газовая цементация с нагревом детали токами высокой частоты.

 

Азотирование – процесс насыщения стали азотом. Цель азотирования - придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс заключается в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500...600°С. Легирующие элементы, входящие в состав стали (Cr, Mo, V, Al), образуют с азотом стойкие нитриды, обладающие высокой твердостью (до НRС 70). Азотированный слой сохраняет свою твердость до 400...600°С, в то время как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200...250°С. Толщина азотированного слоя 0,25...0,75 мм. Азотированию подвергают коленвалы, цилиндры, поршневые кольца, седла клапанов, зубья шестерен. Недостатком метода является увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.

Цианированием – насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при температуре 820...950°С.

Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование. При низкотемпературном цианировании детали нагревают до 820...860 °С в расплавленных солях, содержащих МаСМ, в течение 0,5…1,5 ч. при этом получают слой толщиной 150...350 мкм. Затем производят закалку с последующим низкотемпературным отпуском (180...200°С). Твердость после термической обработки составляет НRС 58...62. Такой обработке обычно подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущих сталей.

Для получения более толстого слоя (500...2000 мкм) применяют высокотемпературное цианирование при 930...950°С со временем выдержки 1,5...6 ч. После такой обработки детали охлаждают на воздухе, производят закалку и низкотемпературный отпуск.

Цианированию подвергаются ответственные резьбовые соединения, втулки, зубчатые колеса, вилки механизма коробки передач, ролики, кулачковые пары. Преимущество цианирования перед цементированием и азотированием - большая скорость процесса и более высокий упрочняющий эффект. Недостатком этого процесса является токсичность цианистых солей, что вызывает необходимость проводить работу в специальном помещении с соблюдением мер безопасности.

Нитроцементация представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота (40 %), водорода (40 %) и оксида углерода (20 %) при температуре 850...870 °С в течение 4...10 ч. Назначение – повышение износостойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости. После закалки и низкого отпуска (160...180°С) твердость поверхностного слоя составляет НRС 58...60 и толщина слоя 0,2...0,8 мм. Твердость и толщина поверхностного слоя зависят от температуры и времени выдержки.

Нитроцементацию широко используют в автомобильном и автотракторном производстве. Нитроцементация имеет определенные преимущества по сравнению с газовой цементацией - более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др.

Борированиезаключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей (20, 40, 40Х, ЗОХГС и др.) бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс проводится при температуре 850...950°С в течение 2...6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1...0,2 мм, твердость его НV 1800...2000.

57

Лекция №13

Медь - химический элемент I группы побочной подгруппы периодической системы, порядковый номер 29, атомный вес 63,54. Химический знак - Сu. Она носит латинское название «купрум», которое происходит от наименования острова Кипр, богатого залежами медьсодержащих ископаемых. Это один из древнейших химических элементов-металлов. Он совместно с золотом и серебром был известен в 7 - 6 тысячелетии до нашей эры.

Массовая доля данного элемента в земной коре составляет 0,01 %. Медь содержится во многих сульфидных рудах: халькопирите (медный колчедан) CuFeS₂, халькозине (медный блеск) Cu₂S, ковеллине CuS. Существуют оксидные медные руды, например, куприт Сu₂О, и гидрокарбонатные, такие как малахит СuСО₃∙Сu(ОН)₂.

Медь кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Она имеет розовато-красный цвет. Это тяжелый и высокоплавкий металл, так плотность меди составляет 8,9 г/см³; а температура плавления - 1084,5 °С. Важнейшимифизико-механическимисвойствами данного металла являются значительные электро- и теплопроводность, по которым он после серебра занимает второе место. Так удельное сопротивление меди равно 0,0178 Ом×м, а теплопроводность l = 340ккал/м×град×ч, Медь высокопластична и способна подвергаться пластической деформации в холодном и нагретом состояниях, хорошо сопротивляется коррозии. Чистый металл диамагнитен. Медь легко образует сплавы со многими металлами с широким диапазоном различных свойств.

По своей химической природе медь - малоактивный металл. Он легче всего взаимодействует с галогенами при обычной температуре, с кислородом и серой реагирует только при нагревании, образуя оксид и сульфид соответственно. С водородом и углеродом медь не взаимодействует.

Сухой воздух практически не вызывают окислительного разрушения металла. Незначительное влияние на химическую стойкость меди оказывают ряд органических кислот, спирты и фенольные смолы.

Поскольку медь находится в ряду напряжений после водорода, кислоты окисляют ее лишь за счет аниона: она растворяется только в азотной НNО₃ (любой концентрации) и концентрированной H₂SO₄, но не реагирует с хлороводородной (соляной) и разбавленной серной кислотами. Также медь не взаимодействует как с чистой пресной, так и с морской водой и растворами щелочей.

 

Металл плохо сопротивляется действию аммиака, аммиачных солей и щелочных цианистых соединений. Коррозию меди вызывают также хлористый аммоний и окислительные минеральные кислоты. На воздухе во влажной атмосфере, содержащей диоксид углерода, она покрывается плотной серо-зеленой пленкой основного карбоната - Cu(OH)₂∙CuCO₃.

Постоянными примесями в меди являются висмут, сурьма, мышьяк и др. Все они понижают ее электропроводность. Температура плавления, плотность, пластичность и другие свойства металла значительно изменяются от присутствия в нем примесей.

Висмут и свинец образуют с медью легкоплавкие твердые растворы с ограниченной растворимостью (эвтектики), которые при кристаллизации затвердевают последними и располагаются по границам ранее выпавших зерен основного метала. При нагревании до температур, превышающих точки плавления эвтектик (270 и 327 °С соответственно), зерна меди разъединяются жидкой эвтектикой. Такой металл является красноломким и при прокатке в горячем состоянии разрушается. Красноломкость меди может вызываться присутствием в ней тысячных долей процента висмута и сотых долей процента свинца. При повышенном их содержании она становится хрупкой и в холодном состоянии.

Сера и кислород образуют с медью тугоплавкие эвтектики с точками плавления выше температур горячей обработки меди (1065 и 1067 °С). Поэтому присутствие небольших количеств серы и кислорода не сопровождается появлением красноломкости. Однако значительное повышение содержания кислорода приводит к заметному понижению механических, технологических и коррозионных свойств меди; она становится красноломкой и хладноломкой.

Медь, содержащая кислород, при отжиге ее в водороде или в атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается. Это явление известно под названием «водородной болезни». Растрескивание меди в этом случае происходит в результате образования значительного количества водяных паров при взаимодействии водорода с кислородом меди. Водяные пары при повышенных температурах имеют высокое давление и разрушают медь. Наличие трещин в меди устанавливается путем испытаний на изгиб и кручение, а также микроскопическим методом. В меди, пораженной водородной болезнью, после полировки хорошо видны характерные темные включения пор и трещин.

Сера снижает пластичность меди при холодной и горячей обработке давлением и улучшает обрабатываемость резанием.

Железо растворяется в меди в твердом состоянии весьма незначительно. Под влиянием примесей железа резко снижаются электро- и теплопроводность меди, а также ее коррозионная стойкость. Структура меди под влиянием примесей железа измельчается, что повышает ее прочность и уменьшает пластичность. Под влиянием железа медь становится магнитной.

Бериллий является раскислителем по отношению к меди, несколько снижает электропроводность ее, повышает механические свойства и значительно уменьшает окисление при повышенных температурах.

Мышьяк сильно понижает электро- и теплопроводность меди. Одновременно с этим мышьяк в значительной мере нейтрализует вредное влияние примесей висмута, кислорода, сурьмы и повышает жаростойкость меди. Поэтому мышьяковистая медь с содержанием 0,3 - 0,5 % As применяется для изготовления деталей специального назначения, используемых для работы в условиях восстановительной атмосферы при повышенных температурах. Мышьяк растворим в меди в твердом состоянии до 7,5 %.

Сурьма очень сильно понижает электро- и теплопроводность меди. Поэтому металл, предназначенный для изготовления проводников тока, должен содержать ее минимальное количество (не выше 0,002 %). Растворимость сурьмы в меди при температуре образования эвтектики (645 °С) составляет 9,5 %. При понижении температуры она резко падает. С этим связано отрицательное влияние сурьмы при прокатке меди. Поэтому содержание сурьмы при этом не должно быть более 0,06 %. В металле, используемом для штамповки, допускается концентрация Sb до 0,2 %.

Фосфор значительно уменьшает электро- и теплопроводность меди, но положительно влияет на ее механические свойства и жидкотекучесть. Он широко применяется в литейном деле в качестве раскислителя меди и оказывает положительное влияние при сварке изделий из нее.

Алюминий повышает коррозионную стойкость меди при различных температурах, значительно понижает ее окисляемость, электро- и теплопроводность, а также оказывает отрицательное влияние при пайке и лужении медных изделий. На механические свойства и обрабатываемость Cu давлением примесь алюминия не оказывает заметного влияния. Растворимость его в меди в твердом состоянии составляет 9,8 %.

Более 50 % добываемой меди применяется в электротехнической промышленности. Благодаря высокой теплопроводности и коррозионной стойкости она широко используется в теплообменниках, холодильниках, вакуумных аппаратах и является одним из важнейших проводниковых материалов. Из нее изготовляют монтажные и обмоточные провода, токопроводящие детали, приборы и аппараты. Большое применение она находит также в электровакуумной технике.

Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь в качестве конструкционного материала применяют крайне редко. Примерно 30 - 40 % всего производимого металла употребляется в виде сплавов.

Обширное распространение в промышленности нашли сплавы меди с другими элементами - бронзы и латуни.

Обозначают сплавы начальной буквой (Л - латунь, Бр - бронза), после чего следуют первые заглавные буквы основных элементов. Например, О - олово, А – алюминий, Ц - цинк, Мц - марганец, Ж - железо, Н – никель, Ф - фосфор, С - свинец, Б - бериллий, Х - хром и др. В латуни первая цифра указывает содержание меди, последующая - количество легирующих металлов и неметаллов. Например, ЛЖМц59-1-1 - латунь с 59% меди, 1% железа, 1% марганца и остальное цинк; Бр.ОФ6,5-0,15 - бронза с 6,5% олова, 0,15% фосфора и остальное медь.

Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, кроме цинка. Первыми и самыми древнейшими из всех полученных и применяемых человеком сплавов (3 - 1век до н. э.) были оловянные бронзы (массовая доля Sn 4 – 30 %). По твердости они намного превосходят отдельно взятые металлы, но очень хрупки. Сплав более легкоплавок, чем сама медь. Оловянные бронзы имеют большой интервал температур кристаллизации и поэтому склонны к ликвации и образованию рассеянной пористости. При резко выраженной обратной ликвации на поверхности отливок появляются хрупкие выделения в виде белых пятен (оловянного пота), отрицательно влияющих на качество отливок.

Сплавы медь-олово обладают хорошими механическими, антифрикционными и технологическими свойствами, а также высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в сухом и влажном водяном паре, в пресной и морской воде, в сухих газах и кислороде при нормальной температуре. Оловянные бронзы имеют очень малую усадку и не дают сосредоточенной усадочной раковины. Они также мало чувствительны к перегреву, отлично воспринимают пайку и сварку, не дают искры при ударах, немагнитны и морозостойки. При содержании олова более 22 % сплавы очень хрупки и не имеют практического применения. Все оловянные бронзы быстро разрушаются под воздействием рудничных вод, содержащих соли-окислители, и в растворах аммиака. Скорость коррозии сплавов в газах возрастает при высоких температурах в присутствии хлора, брома, йода, а также во влажном сернистом газе.

Значительное влияние на свойства оловянных бронз оказывают примеси. Цинк улучшает технологические свойства сплава и удешевляет его. Фосфор повышает литейные и механические характеристики: твердость, прочность, износостойкость, упругость и антифрикционость. В сплавах, обрабатываемых давлением, содержание фосфора допускается не более 0,5 %. При повышении концентрации фосфора оловянные бронзы не поддаются горячей обработке давлением. Свинец улучшает антифрикционные свойства сплавов медь-олово и их обрабатываемость резанием. Железо при его содержании до 0,03% является полезной примесью, так как способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает механические свойства и задерживает рекристаллизацию. Более высокая концентрация железа уже отрицательно влияет на некоторые характеристики оловянных бронз: резко снижаются их коррозионные и технологические свойства. Никель увеличивает механические свойства, коррозионную стойкость и уменьшает ликвацию. Он также повышает их жаропрочность и практически не снижает тепло- и электропроводность. Такими же эффектами обладают еще хром, магний и цирконий. Магний наряду с алюминием и кадмием усиливает жаростойкость (окалиностойкость) оловянных бронз. Вредными примесями в данных сплавах являются алюминий, кремний, магний, висмут, мышьяк и сера.

Сплавы меди с другими элементами, кроме олова, называют специальными (безоловянными) бронзам. По литейным свойствам они хуже оловянных бронз. Однако по другим качествам специальные бронзы обладают более высокими показателями.

Алюминиевые бронзы (до 12 % Al) превосходят оловянные по механическим свойствам и приближаются по этим параметрам к сталям. Они наиболее коррозионно-стойки в атмосферных условиях, морской воде, углекислых растворах, а также в растворах многих органических кислот (лимонной, уксусной и молочной). Данные сплавы кристаллизуются в узком интервале температур, обладают высокой жидкотекучестью, не склонны к ликвации, морозостойки, немагнитны и не дают искры при ударах. К их недостаткам следует отнести то, что они трудно поддаются пайке мягкими и твердыми припоями, имеют повышенную объемную усадку и недостаточно устойчивы к воздействию перегретого пара. Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости в алюминиевые бронзы чаще всего добавляют железо, никель, марганец. Железо способствует образованию более мелкой структуры и повышает механические свойства сплава. Никель значительно увеличивает предел текучести, прочность, твердость, коррозионно- и жаростойкость алюминиевых бронз. Алюминиево-никелевые бронзы более легкие по отношению к чистой меди: их плотность составляет 7,5 - 7,7 г/см³. Однако они имеют более низкие тепло- и электропроводность в сравнении с медью. Такие сплавы удовлетворительно переносят обработку давлением и применяются для деталей ответственного назначения как сплавы высокой прочности. Марганец также повышает коррозионно- и жаростойкость алюминиевых бронз. Примеси висмута и серы ухудшают механические и технологические свойства. Цинк также оказывает отрицательное влияние на технологические и антифрикционные свойства сплавов. Все три элемента являются вредными примесями в алюминиевых бронзах. В наклепанном состоянии прочность алюминиевых бронз значительно возрастает. В широком диапазоне изменяются механические свойства алюминиевых бронз в результате термической обработки.

Бериллиевые бронзы (до 2,85 % Be) имеют значительные пределы прочности, упругости, текучести и усталости, а также высокую электро- и теплопроводность, твердость, износоустойчивость, сопротивление ползучести, коррозионную стойкость и большое сопротивление коррозионной усталости. Они немагнитны, морозостойки и имеют высокую усталостную прочность. Отличительной их особенностью является способность подвергаться термообработке. В связи с этим, они получили широкое применение в технике для изготовления пружин, мембран, пружинящих контактов и т. д. Добавка некоторых количеств никеля и кобальта в бериллиевые бронзы является полезной. Ухудшают качество бериллиевых бронз примеси железа, алюминия, кремния, магния и фосфора. Весьма вредными примесями для них являются свинец, висмут и сурьма. Ограниченное применение бериллиевых бронз в промышленности частично объясняется высокой их стоимостью. Добавки таких металлов, как никеля, марганца и кобальта, не только позволяет несколько уменьшить содержание в них бериллия (снижение стоимости), но и улучшить качества бериллиевой бронзы. Так введение кобальта (до 0,65 %) повышает их механические свойства, износо- и коррозионную стойкость. Никель (до 1,2 %) способствует увеличению предела прочности при растяжении и твердости образцов из таких сплавов. Добавление совместно с никелем магния делает сплав самым жаропрочным из всех электропроводных бериллиевых бронз.

Медно-титановые сплавы по физико-механическим свойствам близки к бериллиевым, но превосходят их по технологичности и стоят значительно дешевле. Они также отличаются высокой жаропрочностью: могут надежно работать при нагреве до 500 – 550 °С.

Марганцевые бронзы при удовлетворительных механических свойствах обладают высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью и способностью сохранять механические свойства при повышенных температурах.

Кремнистые бронзы обладают высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами. Для повышения механических характеристик и коррозионной стойкости в них обычно добавляют марганец и никель. Одновременно при этом улучшаются и антифрикционные свойства сплавов. Также они отлично свариваются и паяются, немагнитны, в значительной мере сохраняют свои свойства при низких температурах, не дают искры при ударах, хорошо обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состояниях, обладают неплохой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в атмосфере таких сухих газов, как: сернистого, хлора, брома, фтора, фтористого водорода, аммиака и хлористого водорода. В присутствии влаги коррозионная стойкость кремнистых бронз снижается. Они удовлетворительно сопротивляются воздействию разбавленных растворов щелочей в условиях низких температур.Сплавы корродируют в кислых рудничных водах, содержащих сернокислую окисную соль железа, а также в растворах солей хромовых кислот и хлорного железа. При этом в бронзах, обрабатываемых давлением, содержание железа не должно быть выше 0,2 - 0,3 %, так как при более высоких значениях концентраций оно заметно снижает коррозионную стойкость сплава. Под влиянием свинца кремнистые бронзы легко разрушаются при обработке давлением в горячем состоянии, поэтому содержание данного металла в сплавах, предназначенных для горячей обработки давлением, не должно быть более 0,01 %. Примеси висмута, мышьяка, сурьмы, серы, фосфора являются очень вредными и их концентрации в данных сплавах не следует увеличивать выше 0,002 %.

Свинцовые бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и применяются для изготовления высоконагруженных подшипников с большим удельным давлением.

Состав сплавов, способы их получения и изготовления готовых изделий выбираются в зависимости от назначения, условий эксплуатации и предъявляемых к ним требований.

По способу производства все бронзы делят на две группы: литейные и деформируемые.

Литейные сплавы предназначены для получения деталей путем литья в песчаные формы, в кокиль, центробежным способом и по выплавляемым моделям. Они широко применяются для изготовления различной арматуры, антифрикционных деталей, для художественного литья и других целей. Это в основном оловянные бронзы.

Деформируемые сплавы - это материал для производства поковок, фасонных профилей, прутков различного сечения, полос, лент, листов, проволоки и труб. Их изготавливают ковкой, прессованием, горячей и холодной прокаткой.

Из оловянистых бронз в качестве деформируемых материалов применяются сплавы, содержащие до 8 % Sn.

Легко обрабатываются давлением алюминиевые бронзы с концентра­цией Al до 12 %: алюминиевожелезные, алюминиевомарганцевые, алюминиевожелезоникелевые и др.

Хорошо поддаются обработке давлением кремнемарганцовистые (Бр.КМц3-1) и бериллиевые бронзы. Бериллиевые сплавы в закаленном состоянии обладают высокой пластичностью, а после отпуска приобретают высокую упругость, прочность и твердость.

В зависимости от назначения, физических, механических и других свойств деформируемую бронзу разделяют на жаропрочную, износостойкую, конструкционную, приборную, пружинную и т. д.

К жаропрочным бронзам относится целый ряд специальных сплавов: хромистые, хромоциркониевые, хромо-кадмиевые, хромоцинковые и др., а также кремнистоникелевые Бр.КН1-3 и алюминиевые – Бр.АЖН10-4-4. Они обладают хорошей прочностью при высоких температурах.

Износостойкая бронза применяется для изготовления деталей трения. К этой группе сплавов относятся оловянистые, алюминиевые, кремнистые и бериллиевые бронзы. Прутки из сплава марки Бр.ОФ6,5-0,15 применяются для подшипников, изготовляемых в виде втулок, работающих в условиях средней трудности по удельным давлениям и скоростям скольжения или при повышенных нагрузках и малых скоростях скольжения. По сравнению с литейными бронзами оловянистые деформируемые медно-оловянные сплавы имеют более низкую износостойкость.

Бронзы алюминиевые уступают оловянистым по сопротивлению заеданию и износостойкости. Однакоони обладают большей прочностью и твердостью. В условиях средней трудности и при хорошей смазке алюминиевые бронзы работают надежно. Из них изготовляют червячные передачи, направляющие втулки, неответственные подшипники в виде втулок и другие детали.

Бериллиевая бронза успешно применяется в условиях трения-качения, где недопустимы остаточные деформации материала (в шаровых сочленениях приборов и агрегатов и др.).

Бронза кремнистомарганцовистая в качестве коррозионно- и износостойкого материала используется для изготовления сеток и решеток, работающих в сточных водах, испарителях, дымовых фильтрах и т. д.

Конструкционная бронза употребляется для производства деталей, которые в процессе эксплуатации испытывают силовую нагрузку и от которых одновременно требуются коррозионная стойкость и специальные физические свойства. В данную группу сплавов входят алюминиевые, алюминиевожелезные и кремнемарганцовистые бронзы.

Полуфабрикаты из алюминиевых бронз, легированных железом, никелем и марганцем, нашли широкое применение для нагруженных деталей в различных конструкциях химических аппаратов, в судостроении, в авиации и общем машиностроении. Этому способствует сочетание в указанных сплавах высоких прочностных характеристик при наиболее значительных пластических свойствах иударной вязкости с повышенной коррозионной стойкостью.

Бронзы кремнемарганцовистая (Бр.КМц3-1) и кремнистоникелевая (Бр.КН1-3) при хорошей коррозионной стойкости и достаточно высокой прочности обладают значительной пластичностью. Из первых в отожженном состоянии изготовляют очень тонкие ленты (толщиной до 0,05мм). При холодной прокатке этот сплав нагартовывается и приобретает высокие упругие свойства.

Алюминиевожелезные (типа Бр.АЖН10-4-4) и кремнистоникелевые (Бр.КН1-3) бронзы, обладающие высокой жаропрочностью, применяются для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах.

Из приборной бронзы делают детали, приборы и аппараты. В зависимости от условий их эксплуатации в качестве материалов могут применяться различные высокопрочные конструкционные и пружинные бронзы.

Пружинные сплавы идут на производство пружин и пружинных деталей различного типа и назначения. В данном качестве могут выступать оловянистые Бр.ОФ6,5-0,15, Бр.ОФ4-0,25. Бр.ОЦ4-3, алюминиевые А7 и бериллиевые бронзы Бр.Б2, Бр.БНТ1,9 и Бр.БНТ1,7. Оловянистые и алюминиевые сплавы обладают повышенной упругостью и прочностью в нагартованном состоянии. Бериллиевые бронзы, мягкие и пластичные в закаленном состоянии, получают высокую упругость и твердость после отпуска.

Мягкая бронза легко штампуется и гнется. Мягкость сплавов достигается обработкой давлением и отжигом при высокой температуре для полного снятия внутренних напряжений и восстановления структуры. Их применяют тогда, когда по условиям технологии изготовления детали подвергаются дополнительной деформации (штамповке, гибке и так далее).

Полутвердая бронза применяется для изготовления мембран, флянцев, тросов и других деталей крепления, от которых требуется повышенная прочность. При повышенной прочности и твердости они сохраняют достаточную пластичность для обработки штамповкой. Для получения необходимых свойств их подвергают обработке давлением со средними степенями деформации 10 – 30 %.

Твердая бронза обрабатывается давлением со степенями деформации 30 – 50 %. Она обладает повышенной прочностью, твердостью и упругостью, низкой пластичностью и применяется для изготовления пружин, контактов, втулок и других деталей.

Особо твердая бронза имеет высокие пределы упругости, прочности и твердости и пониженную пластичность. Требуемые свойства сплав приобре­тает после обработки давлением с высокой степенью деформации (более 50 %).

Сплавы, в которых основными компонентами являются медь и цинк, называют латунями. Они обладают достаточно высокими механическими и технологическими свойствами и коррозионной стойкостью. Практическое применение в технике имеют латуни с содержанием цинка до 45 – 50 %. При его концентрации до 39 % латунь имеет структуру однофазного твердого раствора цинка в меди, называемую a-латунью. Структура латуней, содержащих цинк в пределах от 39 до 43 %, состоит из смеси кристаллов двух твердых растворов a + b. При концентрации цинка более 50 % образуется твердый раствор g, обладающий высокой хрупкостью. Максимальной пластичностью обладает латунь, содержащая примерно 32 % Zn, а максимальной прочностью - сплав, содержащий 45 % Zn. Латуни, структура которых состоит только из a-pacтвора, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Сплавы, имеющие двухфазную структуру a+b, обладают повышенной твердостью, хорошо обрабатываются в горячем состоянии, но в холодном - пластичность их очень мала.

Температуры начала и конца кристаллизации латуней лежат близко друг от друга. Этим объясняется особенность их литейных свойств - малая склонность к ликвации, хорошая жидкотекучесть, способность к образованию концентрированной усадочной раковины. Обработка латуней давлением имеет ряд особенностей.

Твердый раствор b-латуней при температуре выше 500 °С обладает большей пластичностью и меньшей прочностью, чем a-латуни, в то время как при комнатной температуре наоборот. В связи с этим для прокатки в горячем состоянии наиболее пригодны латуни, структура которых состоит из b-раствора или a + b-раствора.

При обработке давлением в холодном состоянии латуни получают значительный наклеп и для снятия напряжений их подвергают отжигу. Свойства латуней и величина зерна ее структуры находятся в зависимости от температуры и продолжительности отжига, а также от степени предшествующей деформации. Для получения мелкого зерна в a-латунях требуется температура отжига в пределах 350 – 450 °С.

В интервале температур 200 – 600 °С у латуней появляется хрупкость, связанная с образованием примесями свинца, сурьмы и висмута хрупких межкристаллитных прослоек. С повышением температуры эти прослойки растворяются и пластичность латуней резко возрастает.

Атмосферные условия, сухой пар, пресная и морская вода, сухие газы, уксусная кислота в спокойном состоянии, сухой четыреххлористый углерод, фторированные органические соединения, хлористый метил и бромозамещенные соединения при отсутствии влаги не вызывают заметной коррозии латуни. Они сильно корродируют при действии рудничных вод, растворов йодистых солей, азотной, соляной, фосфорной и жирных кислот, серного ангидрида, сероводорода, растворов едких щелочей и аммиака. Их скорость коррозии резко возрастает при повышении температуры в морской и пресной воде и других перечисленных средах. Значительно повышается степень коррозии латуней в газах с увеличением их влажности.

Большой ущерб промышленности наносится обесцинкованием и коррозионным растрескиванием латуней, которое происходит при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих напряжений. Склонность сплавов к коррозионному растрескиванию возрастает с повышением содержания цинка и с увеличением до известного предела растягивающих напряжений. Мало чувствительны к нему латуни, содержащие менее 7 % Zn. В сплавах с высоким содержанием цинка оно наблюдается относительно редко, если только внутренние напряжения менее 6 кГ/мм².

Коррозионное растрескивание нагартованной латуни может наблюдаться и при лежании во влажной атмосфере. Этот вид коррозии в сильной степени зависит от влажности атмосферы и проявляется во все времена года не одинаково интенсивно, поэтому ее иногда называют «сезонным растрескиванием».

Медноцинковые сплавы, содержащие кроме меди и цинка, добавки алюминия, железа, марганца, свинца, никеля и других элементов, называют специальными латунями. Они обладают повышенной коррозионной стойкостью, лучшими технологическими и механическими свойствами, а также особыми специальными свойствами.

Специальные латуни в зависимости от основного легирующего компонента обычно носят и соответствующие названия: алюминиевая, кремнистая, марганцовистая, никелевая, свинцовистая и т. д.

Алюминиевые латуни находят применение в качестве коррозионно- и жаростойкого материала. При введении в латуни алюминия резко повышаются прочность, твердость и коррозионную стойкость сплава в отношении атмосферной коррозии, но понижается его пластичность. Однако алюминиевые латуни менее устойчивы к морской воде. Кроме того, они сравнительно сильно подвержены коррозионному растрескиванию. Поэтому такие латуни не рекомендуются для длительного хранения. Также введение алюминия ухудшает способность латуней к пайке и лужению. Алюминиевые латуни употребляются в качестве материала для конденсаторных трубок, шестерней, различных труб, втулок, всевозможных деталей в авиационной и других отраслях промышленности. Наибольший практический интерес представляют латуни, содержащие до 4 % А1, которые хорошо обрабатываются давлением.

Кремнистые латуни обладают более высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде, чем простые сплавы данного типа. Под влиянием кремния значительно повышаются механические и литейные свойства сплава, а также улучшается технологический процесс сварки и пайки. В латунях с повышенным содержанием цинка кремний значительно увеличивает твердость и уменьшает пластичность. Примеси алюминия, железа, сурьмы, мышьяка и фосфора в кремнистых латунях являются вредными, так как ухудшают антифрикционные, коррозионные, литейные и другие свойства латуней. Из них изготавливают поковки и штамповки, литую арматуру, шестерни и детали морских судов, литые подшипники и втулки.

Марганцовистые латуни характеризуются более высокой прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью по сравнению с простыми медноцинковыми сплавами. При содержании марганца в латунях до 4 % значительно повышаются временное сопротивление, пределы пропорциональности и упругости без уменьшения пластичности. Понижение относительного удлинения, ударной вязкости наблюдается при содержании в латунях марганца выше 4 %. Марганцевые латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Стойкость их к воздействию хлоридов, морской воды и перегретого пара значительно выше, чем у обычных латуней. Склонность марганцевых латуней к коррозионному растрескиванию весьма значительна. Их используют в виде полос, листов, прутков, а также поковок в судостроении и в других отраслях промышленности.

Никелевые латуни обладают хорошей коррозионной стойкостью, повышенными механическими свойствами и выносливостью против истирания, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Под влиянием никеля у латуней повышается коррозионная стойкость в атмосферных условиях, морской воде и в условиях бактериологической коррозии, а такжe резко уменьшается склонность к коррозионному растрескиванию. Они применяются для изготовления конденсаторных трубок морских судов, манометрических трубок, сеток бумагоделательных машин и других изделий.

Свинцовистые латуни относятся к числу автоматных. Они хорошо обрабатываются резанием, обладают повышенными антифрикционными свойствами и хорошо деформируются в холодном состоянии. Значительная часть существующих марок свинцовистых латуней относится к группе специальных, носящих название мунц-металл. Коррозионная стойкость латуней резко повышается в условиях воздействия морской воды при добавке в них 0,5 - 1,5 % Sn «морские латуни». Они имеют удовлетворительные механические, технологические и литейные свойства и по химическому составу относятся к оловянным латуням. Наибольшее применение имеют латуни марок ЛО70-1 и ЛО62-1. Из первых производят трубки конденсаторов морских судов и различной теплотехнической аппаратуры. Латунь марки ЛО62-1 используется для изготовления деталей, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость. Выпускается она в виде полос, листов и прутков.

Добавка в латуни железа повышает механические и технологические свойства сплава главным образом вследствие того, что задерживает его ре­кристаллизацию и способствует получению мелкого зерна. При содержании железа более 0,03% латуни становятся магнитными. Поэтому для получения антимагнитных сплавов концентрация железа допускается не выше указан­ного значения. Особо благоприятное влияние на повышение механических свойств и улучшение коррозионной стойкости оказывает железо в сочетании с марганцем, никелем и алюминием.

Сурьма и сера сильно ухудшают качество латуней. Примеси сурьмы вызывают разрушение сплавов при обработке давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Под влиянием сурьмы увеличивается склонность латуней к коррозионному растрескиванию.

При большом содержании As (более 0,5%) сплавы в значительной мере теряют пластичность за счет образования на границах зерен хрупких прослоек химического соединения. Вместе с тем содержание мышьяка до 0,02% предохраняет латуни от обесцинкования, что повышает коррозионную стойкость их в морской воде.

Небольшие количества фосфора повышают механические свойства латуней и способствуют измельчению зерна в литье. При большом его содержании он выделяется в виде отдельной фазы, увеличивая твердость и снижая пластичность латуней.

В зависимости от способа изготовления изделий и полуфабрикатов из латуни сплавы разделяют на литейные и деформируемые.

Литейные латуни предназначаются для отливки различных коррозионностойких, антифрикционных и других деталей.

Деформируемые латуни подвергают всем видам горячей и холодной обработки давлением.

Изменяя режимы обработки давлением, получают латуни с различными механическими свойствами: мягкие, твердые и мягко-твердые.

Мягкая латунь обладает высокой пластичностью. Достигается это обработкой давлением в отожженном состоянии. Степень мягкости характеризуется величиной предела прочности и относительного удлинения, а для лент и листов - глубиной продавливания по Эриксону.

Твердая латунь характеризуется повышенной прочностью (твердостью) и пластичностью. Первая достигается обработкой давлением с высокими степенями обжатия (упрочнением). Обычно требуемые механические свойства полуфабрикатов получаются при степени нагартовки не менее 30 %.

Особо твердая латунь изготавливается холодной обработкой давлением (прокаткой и волочением) с высокой степенью деформации. Таким путем из латуни производят ленты и полосы с временным сопротивлением не менее 6 2кГ/мм² и относительным удлинением не менее 2,5 %.

Также широко применяются различные медноникелевые сплавы, их условно разделяют на конструкционные и электротехнические. К конструкционным материалам относятся сплавы типов мельхиор, нейзильбер и куниаль.

Маркируют данные сплавы следующим образом: начальной буквой М - медь, после чего следуют первые заглавные буквы основных элементов, как при обозначении бронз и латуней. Например, МНЖМц30-0,8-1 – 29 – 33 % никеля и кобальта, 0,69 – 1,00 % железа, 0,8 – 1,0 % марганца и остальное медь.

Мельхиоры обладают высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде,сухих газах и в атмосферных условиях, они хорошо противостоят действию щелочных растворов солей и органических соединений. По структуре они представляют собой твердые растворы металлов-добавок в меди, и поэтому хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях.

Мельхиор марки МНЖМц30-0,8-1,0 имеет большую стойкость в среде парового конденсата. По устойчивости против действия ударной (турбулентной) коррозии он превосходит практически все другие известные сплавы. Благодаря этим свойствам он применяется для конденсаторных труб морских судов, работающих в особо тяжелых условиях. Мягкие конденсаторные трубы, изготовляемые из него, имеют временное сопротивление не менее 38 кГ/мм² и относительное удлинение в пределах 23 %, а полутвердые трубы 50 кГ/мм² и 10 % соответственно.

Сплав марки МН19 применяется для изготовления монет, деталей точной механики, медицинских инструментов, сеток, столовой посуды и других изделий.

Нейзильбер - сплав, обладающий наилучшими свойствами из группы тройных сплавов меди с никелем и цинком. Он представляет собой твердый раствор данных элементов в меди, обладает хорошей коррозионной стойкостью, красивым серебристым цветом, повышенной прочностью и удовлетворительной пластичностью в холодном и горячем состояниях. На воздухе нейзильбер не окисляется и достаточно стоек в растворах солей и органических кислот. Применяется этот сплав для изготовления медицинских инструментов, технической посуды, телефонной аппаратуры, паровой и водяной арматуры, изделий санитарной техники, точной механики, бытовой посуды и художественных изделий. Полуфабрикаты из нейзильбера поставляются в виде полос, лент, прутков и проволоки.

Мягкие нейзильберовые полосы имеют временное сопротивление не менее 55кГ/мм² и относительное удлинение 1 %. Особо твердые ленты обладают временным сопротивлением более 70 кГ/мм². Данный параметр мягкой нейзильберовой проволоки составляет не менее 35 кГ/мм², полутвердой - не менее 45 кГ/мм² и твердой - не менее 65 кГ/мм².

Куниаль А - сплав меди с никелем и алюминием.Он хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состояниях. Полуфабрикаты из него производят в виде спрессованных прутков с временным сопротивлением и относительным удлинением не менее 70 кГ/мм² и 7 % соответственно.

Куниаль Б обладает хорошей коррозионной стойкостью. Полуфабрикаты из данного сплава изготовляют в виде полос толщиной 0,5 – 3,0 мм; имеющих соответственно временное сопротивление и относительное удлинение не менее 56 кГ/мм² и 3 %. Их используют для изготовления различных пружин.

Группу электротехнических медноникелевых сплавов составляют таковые типов ТП, ТБ, копель, константан и манганин.

Сплав ТП (МН0,6) применяется для производства компенсационных проводов к платина-платинородиевой термопаре, а из ТБ (МН16) - к платина-золотой и палладий-платинородиевой термопарам.

Копель (МНМц43-0,5) - сплав, употребляемый в качестве отрицательного термоэлектрода термопар хромель-копель и железо-копель, а также в виде компенсационных проводов. Он имеет максимальную термоэлектродвижущую силу по сравнению с другими медноникелевыми сплавами такого же назначения и практически нулевой температурный коэффициент электросопротивления. Этот сплав является также хорошим материалом для реостатов и нагревательных устройств с рабочей температурой до 600 °С.

Константан (МНМц40-1,5) отличается высокой термоэлектродвижущей силой, малым температурным коэффициентом и постоянным электросопротивлением. Он используется для реостатов, термопар, нагревательных приборов с рабочей температурой до 500 °С. Его температурный коэффициент электросопротивления в интервале 20 – 100 °С составляет 2×10^-6 град^-1.

Манганин (МНМц5-12) широко применяют в качестве прецизионного материала с высоким омическим сопротивлением. В паре с медью он обладает незначительной термоэлектродвижущей силой, что позволяет почти полностью избавиться от термотоков. При 20 °С электросопротивление манганиновых лент, полос и проволоки составляет 0,42 - 0,48 Ом×мм²/м.

 

 

Контрольные вопросы к лекции №13

1. Каковы структура и свойства меди и медных сплавов?

2. Каковы области применения медных сплавов?

3. Чем можно объяснить коррозионную стойкость медных сплавов?

58

ЛАТУНИ

Медь и медные сплавы.

Товарная чистая медь согласно ГОСТ 854—66 может быть 10 марок : М00 (99,99% меди), М0 (99,95%меди). М0б (99,97% меди), М1 (99,90% меди), М1р (99.90%меди), М2 (99,70% меди), М2р (99,70% меди), М3 (99,50%меди), М3р (99,95% меди), М4 (99,0% меди).

Марки меди М00, М0 и M1 получаются обычно только после электролитического рафинирования меди, другие марки могут быть получены и путем переплавки отходов, а медь М3 и М4 можно получить только огневым рафинированием меди. В технической меди могут присутствовать примеси Bi, Sb, As, Pb, Sn, Fe, Ni, S, О, сопутствующие при получении ее из руд и при рафинировании или попавшие в нее при переработке отходов. Более 50% чистой меди потребляет электротехническая промышлен­ность и энергетика в качестве проводников электрического тока. Поэтому большое количество меди подвергается прокатке и волоче­нию. Медь обладает хорошей пластичностью как в холодном, так и в горячем состоянии. Но не все перечисленные примеси одинаково влияют на пластичность и другие свойства меди. Наиболее ослож­няют горячую прокатку меди висмут и свинец. Поэтому их содержание в высших сортах меди лимитируется тысячными долями процента.

Наиболее распространенными и известными сплавами меди являют­ся латуни и бронзы.

 

Латунями называют группу сплавов меди с цинком, получившую наиболее широкое применение в технике. В группу латуней входят томпак (90% и более меди, остальное цинк, если эти сплавы содержат от 79 до 86% меди, их называют полу­томпак) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди, и они хорошо обрабатываются резанием. Большим их преимуществом яв­ляется их пониженная стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Латуни широко применяют в приборострое­нии, в общем и химическом ма­шиностроении.

Медноцинковые латуни в соответствии с ГОСТ 15527—70 вы­пускают восьми марок: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60. В России их марки обозначают буквой Л, затем ставят цифру, указывающую средний процент меди в этом сплаве. Латуни более сложного состава обозначении имеют после бук­вы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показываю­щей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни. Так, например, ЛС-59-1 означает: латунь свинцовистая, содержа­щая от 57до60% меди отО,8до 1,5 свинца; ЛМцА-57-3-1 — латунь марганцовистоалюминиевая, содержащая 2,5—3,5% марганца и 0,5—1,5% алюминия. Все добавляемые к латуни элементы обозна­чают русскими буквами: О—олово, Ц—цинк, С—свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — никель, К — кремний, А — алюминий и т. д.

 

Добавки этих металлов к латуням дают или для повышения их механических свойств, или для улучшения их обрабатываемости, или коррозионной стойкости. Так, добавки никеля повышают проч­ность и коррозионную стойкость; добавки свинца ухудшают меха­нические свойства латуней, но улучшают обрабатываемость реза­нием.

Латуни алюминиевые ЛА77-2, никелевые ЛН65-5, марганцовистые ЛМц58-2, оловянистые ЛО70-1, кремнистые ЛК80-1 используются в машиностроении для изготовления деталей методами давления, а латуни алюминиевожелезистомарганцовистые ЛАЖМц66-6-3-2, кремнистосвинцовистые ЛКС80-3-3 используются как литьевые.

БРОНЗЫ.

Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами. Из бронзы еще в древности делали оружие и инструменты, сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионно-стойки, чем медь. Благодаря отличным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали отливать пушки, колокола и статуи. Современные оловянистые бронзы редко содержат более 10% олова. Они значительно тверже меди, но хорошо заполняют форму при литье и обрабатываются резцами, а также отличаются высокой коррозионной стойкостью. Наряду с применением бронз для монументальных памятников они используются при изготовле­нии арматуры газовых и водопроводных линий и в химическом машиностроении. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей под­шипников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят эле­менты, входящие в бронзу: О — олово, А — алюминий, Ф — фос­фор, Т — титан и другие, обозначаемые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за буквами, обозначают среднее содержание добавок этих дополнительных элементов в бронзе (цифры, обозна­чающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят). Так, например, БрОЦ4-3 обозначает в бронзе в среднем 4% олова, 3% цинка, остальное медь.

Оловянные бронзы, обрабатываемые давлением БрОФ6,5-0,15,БрОЦ4-3,

Оловянные литейные бронзыБрОЦС5-5-5, БрОЦСН3-7-5-1,

Алюминиевые бронзы БрА5, БрАМц9-2, БрАЖС1-5-1,5.

В последнее время получили известность сплавы меди и никеля —. мельхиор (80% Сu и 20% Ni, иногда часть меди в этих сплавах бы­вает заменена цинком), широко применяемый для изготовления украшений, столовых и чайных приборов, а также используемый для изготовления монет так называемый монель-металл (68% Ni, 28% Сu и небольшие добавки марганца и железа). Высокая корро­зионная стойкость этого сплава, хорошие механические свойства и легкая обрабатываемость сделали возможным его использование не только для изготовления разменной монеты, но и как материал для хирургических инструментов, деталей в точном машиностроении и в тонкой химической технологии.