2. Общая характеристика и классификация медных сплавов

Сохраняя положительные качества меди (высокие теплопроводность и электропроводимость, коррозионную стойкость и т.д.), ее сплавы обла­дают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Для легирования медных сплавов в основном используют эле­менты, растворимые в меди, — 2п, 8п, А1, Ве, 81, Мп, №. Повышая проч­ность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (2п, 8п, А1) увеличивают пластичность. Высокая пла­стичность — отличительная особенность медных сплавов. Относительное удлинение некоторых однофазных сплавов достигает 65 %. По прочности медные сплавы уступают сталям. Временное сопротивление большин­ства сплавов меди лежит в интервале 300 - 500 МПа, что соответствует свойствам низкоуглеродистых нелегированных сталей в нормализованном состоянии. И только временное сопротивление наиболее прочных берил- лиевых бронз после закалки и старения находится на уровне среднеугле­родистых легированных сталей, подвергнутых термическому улучшению (ст_в = 1100... 1200 МПа).

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на де­формируемые (обрабатываемые давлением) и литейные; по способности упрочняться с помощью термической обработки — на упрочняемые и не- упрочняемые термической обработкой. По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых деталей. В медных сплавах (так же как в алюминиевых и магниевых) буквенные обо­значения отличаются от обозначений, принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А; бериллий — Б; железо — Ж; кремний — К; медь — М; магний — Мг; мышьяк — Мш; никель — Н; олово — О; свинец — С; серебро — Ср; сурьма — Су; фосфор — Ф; цинк — Ц; цирконий — Др; хром — X; марганец — Мц.

Латуни (сплавы меди с цинком) маркируют буквой Л. В деформиру­емых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставится число, показывающее среднее содержание меди. В мно­гокомпонентных латунях после Л ставятся буквы — символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь Л68 содержит 68 % Си, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59 % Си, 3 % А1; 2 % № (остальное 2п). В марках литейных ла­туней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его. Напри­мер, латунь ЛЦ40МцЗА содержит 40 % 2п, 3 % Мп и 1 % А1.

Бронзы (сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка) обозначают буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В марках деформируе­мых бронз сначала помещают буквы — символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие их содержание. Например, БрАЖ9-4 содер­жит 9 % А1, 4 % Ге, остальное — Си. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. На­пример, БрОбЦбСЗ содержит 6 % 8п, 6 % 2п, 3 % РЬ, остальное — Си.

3. Латуни

Медь с цинком образует твердый раствор с предельной концентраци­ей цинка 39 % (рис. 10.9, а). При большем содержании цинка образуется электронное соединение Си2п (/3-фаза) с кристаллической решеткой ОДК. При 454 - 468 °С (штриховая линия на диаграмме) наступает упорядоче­ние /3-фазы (/З'-фаза), сопровождающееся значительным повышением ее твердости и хрупкости. В отличие от равновесного состояния /З'-фаза появляется в структуре латуней при содержании цинка около 30 %. В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуней (рис. 10.9, б). Когда латунь имеет структуру а-твердого раство­ра, увеличение содержания цинка вызывает повышение ее прочности и пластичности. Появление /З'-фазы сопровождается резким снижением пла­стичности, прочность продолжает повышаться при увеличении цинка до

I, °С

а б

Рис. 10.9. Диаграмма состояния системы Си - 2п (а) и влияние цинка на механические свойства латуней (б)

45 %, пока латунь находится в двухфазном состоянии. Переход латуни в однофазное состояние со структурой /З'-фазы вызывает резкое снижение прочности. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45 % 2п. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хруп­костью. Химический состав некоторых промышленных латуней (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-93) и их механические свойства приведены в табл. 10.4, 10.5.

Двойные латуни по структуре подразделяют на две группы:

1. однофазные со структурой а-твердого раствора (рис. 10.10, а);

2. двухфазные со структурой а + /?-фаз (рис. 10.10, б).

В связи с высокой пластичностью однофазные латуни хорошо подда­ются холодной пластической деформации, которая значительно повышает их прочность и твердость. Рекристаллизационный отжиг проводят при 600- 700 °С.

Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их обра­батываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют 20 - 50 % от характеристик меди.

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в одно­фазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни в основном выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов: полос,

Таблица 10-4■ Химический состав и механические свойства деформируемых латуней после отжига (ГОСТ 15527—70)

Марка латуни	Си	Прочих элементов	о-в	<70,2	6	Ф	КС11, МДж/м2	нв
	% (мае.)		МПа		%
Л90	88-91	-	260	120	45	80	1,76	53
Л68	67-70	-	320	90	55	70	1,68	55
Л63	62-65	-	330	110	50	66	1,37	56
Л60	59-62	-	380	160	25	62	0,78	77
ЛА77 - 2	76-79	1,75-2,5 А1	400	140	55	58	-	60
ЛАН59 - 3 - 2	57-60	2,5-3,5 А1 2-3 N1	380	300	50	—	0,5	75
ЛН65-5	64-67	5 - 6,5 №	400	170	65	-	-	60
ЛЖМц59-1 -1	57-60	0,1 -0,4 А1 0,6- 1,2 Ге 0,5-0,8 Мп 0,3-0,7 8п	450	170	50	58	1,18	88
ЛМц58 - 2	57-60	1 - 2 Мп	400	160	40	52,5	-	85
Л070 -1	69-71	1 -1,5 8п	350	100	60	70	0,6	60
ЛК80 - 3	79-81	2,5-4 81	81	200	58	55	0,4	100

лент, проволоки, листов, из которых изготовляют детали методом глубо­кой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубо­проводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).

В двухфазных латунях вследствие а ^/3-превращения легкоплавкие эвтектики находятся не по границам, а внутри зерен твердого раство­ра и не влияют на их способность к горячей пластической деформации. Иногда добавляют свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств. Ввиду невысокой пластичности эти латуни выпускают в виде горячекатаного полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.

Вследствие небольшого температурного интервала кристаллизации двойные латуни обладают низкой склонностью к дендритной ликвации, высокой жидкотекучестью, малой рассеянной усадочной пористостью и

Таблица 10.5. Механические свойства и область применения литейных латуней (ГОСТ 17711—93)

Марка латуни	(тв, МПа	6, %	НВ	Область применения
ЛЦ40С	215	12-20	70-80	Арматура, втулки, сепа­раторы для подшипников качения
ЛЦ40МцЗЖ	390 - 490	10-18	90-100	Несложные детали от­ветственного назначения, гребные винты и лопасти, судовая арматура, работа­ющая при температуре до 300 °С
ЛЦ38Мц2С2	245 - 340	10 - 15	80-85	Антифрикционные втул­ки, вкладыши, ползуны, судовая арматура
ЛЦЗОАЗ	290 390	12-15	80-90	Коррозионно-стойкие де­тали
ЛЦ23А6ЖЗМц2	700	7	160-165	Детали ответственного назначения, нажимные винты и гайки прокатных станов, венцы червячных колес
ЛЦ16К4	290 - 340	15	100-110	Сложные по конфигу­рации детали, работаю­щие при температуре до 250 °С
ЛЦ14КЗСЗ	245 - 290	7-15	90 -100	Подшипники, втулки

Примечание. Максимальные механические свойства обеспечивают литье в кокиль, центробежное литье; минимальные — литье в песчаную форму.

а б

Рис. 10.10. Микроструктуры латуней:

а - однофазной; б - двухфазной (темная - /3-фаза, светлая - а-фаза)

хорошей герметичностью. Но, несмотря на это, они практически не при­меняются для фасонных отливок, так как имеют довольно большую кон­центрированную усадочную раковину. Этот недостаток в меньшей степе­ни присущ легированным латуням.

Легированные латуни применяют как для деформируемых полуфа­брикатов, так и в виде фасонных отливок. Литейные латуни, как правило, содержат большее количество легирующих элементов.

Для легирования латуней используют А1, Ге, №, 8п, 8ь Эти элемен­ты повышают прочность и коррозионную стойкость латуней. Поэтому легированные латуни широко применяют в речном и морском судострое­нии (конденсаторные и манометрические трубки и другие детали).

Практическое применение находят высокомедистые латуни с добавле­нием алюминия до 4 % (ЛА77-2), которые благодаря однофазной структу­ре хорошо обрабатываются давлением. Алюминиевые латуни дополни­тельно легируют никелем, железом, марганцем, кремнием, обладающими переменной растворимостью в а-твердом растворе, что позволяет упроч­нять эти латуни с помощью закалки и старения. Временное сопротивле­ние после такой обработки достигает 700 МПа. Хорошая пластичность в закаленном состоянии позволяет дополнительно упрочнять сплавы с по­мощью пластического деформирования (перед старением). Обработка по схеме «закалка + пластическая деформация + старение» обеспечивает повышение временного сопротивления до 1000 МПа.

Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью, пластич­ностью, вязкостью не только при 20—25 °С, но и при низких температурах (до —183 °С). При легировании латуней для получения однофазной струк­туры используют небольшие добавки кремния (ЛК80-3). Такие латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов, в судо- и ма­шиностроении .