Сплавы меди с цинком - латуни
В технике находят широкое применение сплавы меди с различными элементами, известные под разными названиями. Технические сплавы меди с цинком имеют общее название - латуни. Различают латуни простые, являющиеся в основе двойными сплавами меди с цинком с некоторыми примесями, не имеющими существенного значения, и латуни сложные - легированные, заключающие в себе ряд элементов, оказывающих существенное влияние на сплав.
Система Си -Zn. Для изучения латуней нужно обратиться к диаграмме состояний (равновесия) системы Си-Zn. В этой системе практический интерес представляют лишь начальные области со стороны Си: область одного твердого раствора, ограниченного линией ABE и обозначенного буквой а, и следующая за ней область, начинающаяся от линии ВтЕ, в которой встречаются две фазы а + р (или ).
Отсюда и разделяют латуни по их физико-химическому составу на однофазные (а-латуни) и двухфазные. Границей между ними служит линия ВтЕ, которая является линией насыщения (пределом насыщения) а-твердого раствора и от точки т и до нормальной температуры отвечает 39% Zn (61 % Си).
Таким образом, 39% Zn является границей между однофазной и двухфазной латунями.
Количество второй фазы (р') непрерывно увеличивается по мере увеличения содержания Zn в сплаве, при уменьшении количества а-фазы, которая, наконец, исчезает при достижении 46% Zn (линия OF). Свыше этого содержания в сплаве будет одна фаза:
Р -твердый раствор, который представляет аллотропическую модификацию твердого раствора р, существующего при высоких температурах (выше 453°) и получающегося из жидкости (при первичной кристаллизации).
Между областями одних твердых растворов аир (р'), как видно из диаграммы, имеется ряд превращений: перитектическое по линии BCD, увеличение предела насыщения (Вт) и аллотропическое - по линиям тпо и npoq: Эти превращения обусловливают возможность получения -неравновесных состояний в сплавах соответствующих составов.
Следует только иметь в виду, что эта граница соответствует лишь сплавам, находящимся в полном равновесии; при неполном же равновесии вторая фаза (р') может наблюдаться и при несколько меньшем содержании цинка, чем 39%.
Согласно новейшим исследованиям, в условиях чрезвычайно длительной выдержки (тысячи часов) можно обнаружить выделения по линии ху (фиг. 207, пунктир). Однако, практически эти выделения обычно не наблюдаются.
2 Фаза - представляет пример электронного соединения, указанного в § 29.
3 Вторая часть диаграммы с фазами "J, е и "Ц не рассматривается ввиду ее малой практической важности.
Структура латуней. Однофазные латуни имеют структуру твердого раствора, т. е. дендритную (если имеет место внутрикристалли-ческая ликвация и концентрация твердого раствора в зернах не выравнена) или зернистую - полиэдрическую (при выравненном составе).
Дендритная структура а-латуни, приведенная на фиг. 208, наблюдается в необработанных отливках, охлажденных в условиях неполного равновесия. После отжига и выравнивания концентрации в зернах дендритная структура исчезает и получается обычная зернистая структура
Если же латунь подвергалась механической обработке давлением и рекристаллизации, то в зернах структуры наблюдаются характерные полоски двойников.
Поскольку в области а-фазы нет линий превращений и фазовых изменений, постольку в а-латуни нельзя получать неравновесные состояния и, следовательно, нельзя производить закалку. Структурные изменения в них проявляются лишь в размерах (величине) зерен в связи с процессом рекристаллизации при отжиге после наклепа или при горячей механической обработке.
Существующие для а-латуней рекристаллизационные диаграммы, аналогичные таковым для меди, указывают на рост зерна и позволяют получать зерно любой величины. Структуры в связи с температурой при рекристаллизации этой латуни были приведены.
В двухфазных латунях в структуре, кроме а, наблюдаются также и р' участки, как это показано на фиг. 212, а, 6 для латуни с 40% Zn литой и прокатанной.
Свойства латуней. На фиг. 213 показаны графики изменения механических свойств латуней (при нормальной температуре) в связи с составом (% Zn) и соответственно диаграмме состояний (фиг. 207). Из них следует, что в области, однофазных а-латуней наблюдается
Зернистая структура прокапластичности (8%), сначала даже возрастающей по мере повышения процента Zn в сплаве и достигающей максимума (~65%) при содержании 30-32% Zn.
Таким образом а-латунь представляет материал относительно невысокой твердости и прочности, обладающий чрезвычайной пластичностью (при нормальной температуре). Далее, при переходе за предел насыщения (39% Zn) с появлением второй фазы (р') наблюдается более резкое повышение твердости и прочности при убывании пластичности.
Фиг. 212. Латунь мунцевая: а - литая (х 100); б - прокатанная (х 100).
Это находит объяснение в том, что р'-фаза является твердой и хрупкой, и по мере увеличения ее количества в сплаве наблюдается непрерывное повышение твердости и хрупкости сплаве-- . Прочность же при этом сперва повышается, но до некоторого предела (около 42% Zn), за которым также непрерывно снижаются в связи с увеличением количества хрупкой р'-фазы.
Здесь имеем такую же закономерность в изменении механических свойств по мере увеличения твердой и хрупкой фаз, какая была указана выше для сталей по мере увеличения цементита в пластичной фазе--феррите.
21. Литейные сплавы меди(бронзы):оловянистые, алюминевые, кремневые и т д
Бро́нза — сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим элементом, но применяются и сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка и никеля.
В зависимости от легирования бронзы называют оловянными, алюминиевыми, кремниевыми, бериллиевыми и т. д. Все бронзы принято делить на оловянные и безоловянные. Плотность бронзы в зависимости от марки составляет 7,5-8,8; температура плавления 930—1140 °C;
Оловянные бронзы
Олово на механические свойства меди влияет аналогично цинку: повышает прочность и пластичность. Сплавы меди с оловом обладают высокой антикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Этим обусловливается применение бронз в химической промышленности для изготовления литой арматуры, а также в качестве антифрикционного материала в других отраслях.
Оловянная бронза хорошо обрабатывается давлением и резанием. Она имеет очень малую усадку при литье: менее 1 %, тогда как усадка латуней и чугуна составляет около 1,5 %, а стали — более 2 %. Поэтому, несмотря на склонность к ликвации и сравнительно невысокую текучесть, бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Оловянные бронзы знали и широко использовали ещё в древности. Большинство античных изделий из бронзы содержат 75—90 % меди и 25—10 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Они не утратили своего значения и в настоящее время. Оловянная бронза — непревзойдённый литейный сплав.
Оловянные бронзы легируют цинком, никелем и фосфором. Цинка добавляют до 10 %, в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле. Оловянная бронза с добавлением цинка называется «адмиралтейской бронзой» и обладает повышенной короззионной стойкостью в морской воде. Из нее делались, например, астролябии и другие штурманские инструменты для мореплавания. Свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства бронзы и её обрабатываемость резанием.
Безоловянные бронзы
В силу высокой стоимости олова были найдены заменители оловянной бронзы. Они содержат олово в меньшем количестве по сравнению с ранее применявшимися бронзами или не содержат его совсем.
В древности иногда использовался сплав меди с мышьяком — мышьяковистая бронза, в некоторых культурах использование мышьяковистой бронзы даже предшествовало выплавке оловянной. Использовались и сплавы, в которых мышьяком замещалась лишь часть олова.
В настоящее время существует ряд марок бронз, не содержащих олова. Это двойные или чаще многокомпонентные сплавы меди с алюминием, марганцем, железом, свинцом, никелем, бериллием и кремнием. Величина усадки при кристаллизации у всех этих бронз более высокая, чем у оловянных.
По некоторым свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянные. Алюминиевые, кремниевые и особенно бериллиевые бронзы — по механическим свойствам, алюминиевые — по коррозионной стойкости, кремнецинковые — по текучести. Алюминиевая бронза благодаря красивому золотисто-жёлтому цвету и высокой коррозионной стойкости иногда также применяется как заменитель золота для изготовления бижутерии и монет[2].
Прочность алюминиевой и бериллиевой бронзы может быть увеличена при помощи термической обработки.
Также необходимо упомянуть сплавы меди и фосфора. Они не могут служить машиностроительным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они являются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатуры при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскисления сплавов на медной основе.