Классификация и маркировка медных сплавов
По техническим свойствам медные сплавы делятся на деформируемые(ГОСТ18175-78) и литейные (ГОСТ613-83); по способности к закалке – термоупрочняемые и нетермоупрочняемые; по химическому составу на бронзы (Cu +другие элементы, кроме Zn) и латуни (Сu+Zn и другие элементы).
В медных сплавах легирующие элементы обозначаются следующим образом: О-олово, С-свинец, А-алюминий, Ж-железо, Мц-марганец, Н-никель, К-кремний, Ф-фосфор, Б-бериллий, Мн-марганец.
Бронзы маркируются буквами «Бр» (бронза) и буквами и цифрами: буквы означают название элемента, а цифры – его количество в сплаве в процентах. Например, Бр05Ц5С5 содержит 5 % олова, 5 % цинка, 5 %свинца, остальное – медь.
Латуни маркируются буквой «Л» (латунь) и цифрой, показывающей содержание легирующего элемента в процентах. В марках легированных латуней кроме цифры, указывающей содержание цинка, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Например, ЛЦ35А3Ж2Мц1 содержит: 35%Zn, 3 %Al, 2 %Fe, 1%Mn, остальные 59 % составляет Cu.
Бронзы имеют более высокие по сравнению с латунями прочностные, антифрикционные, коррозионостойкие свойства, но являются более дорогими.
Латуни.
Медь с цинком образует твердый раствор высокой концентрации. Латуни(ГОСТ17711-74) бывают двойные (Сu+Zn) и многокомпонентные (Cu+Zn+Pb,Ni,Si и т.д.). Двойные латуни делятся на две группы:
1. Однофазные (Zn < 39 %), имеющие структуру –ά твердого раствора (Л62, Л68 и др.).
2.Двухфазные (Zn >39 %), имеющие структуру (α+β) твёрдого раствора (Л60 и др.)
Однофазные латуни пластичны, хорошо поддаются пластической деформации в холодном, и хуже в горячем состоянии, поэтому латунь применяется для изготовления листов, проволоки, ленты путем холодной прокатки. Для прокатки в горячем состоянии применяется двухфазная латунь.
Латуни имеют хорошие литейные свойства, хорошо обрабатываются резанием, хорошо прирабатываются, полируются и противостоят износу. Электро и теплопроводность составляет 20-50 % от меди, коррозионная стойкость хуже, чем у меди из-за наличия примесей.
Механические свойства латуней невысоки:
для α–латуней: σb =260-300 МПа, δ %=40-50 %;
для α+β латуней: σb=350-400 МПа, δ %=20-30 %.
Многокомпонентные латуни относятся к специальным, имеющим дополнительно те или иные свойства. Обычно латуни легируются Pb, Sn, Si, Ni, Al и др.
Алюминий повышает прочность, твердость и коррозионную стойкость. Алюминиевая латунь ЛЦ21А2 обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде.
Олово повышает коррозионную стойкость в морской воде, поэтому оловянные латуни называются «морскими» и применяются в судостроении (ЛЦ8701, ЛЦ2901 и др.)
Кремний улучшает коррозионную стойкость, жидкотекучесть, свариваемость, способность к деформации как в холодном, так и горячем состоянии, поэтому кремнистые латуни.(например,ЛЦ17К3) применяются в виде сложных фасонных отливок, поковок, прутков, штамповок и т.д.
Свинец улучшает обрабатываемость резанием, поэтому свинцовую латунь (например, ЛЦ40С) называют «автоматной»,то есть предназначенной для обработки на станках-автоматах.
Никель улучшает механические свойства и повышает коррозионную стойкость, поэтому никелевые латуни типа ЛЦ30Н5 применяются в морском судостроении и в химическом машиностроении.
Бронзы.
Бронзы - двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди. В качестве легирующих элементов применяется олово (О), свинец (С), алюминий (А), железо (Ж), марганец (Мц), никель (Н), кремний (К), фосфор (Ф), бериллий (Б) и другие элементы. Sn, Al, Ni, Si увеличивают прочность, упругость и коррозионную стойкость; Pb, P, Zn придают бронзе антифрикционные свойства; Mn и Si – жаростойкость, Fe и Ni – измельчают зерно и повышают твёрдость и прочность; Be повышает упругость и прочность.
По химическому составу бронзы делятся на оловянные (до 10 % Sn по ГОСТ 613-79) и безоловянные(ГОСТ18175-78), а по технологическим признакам - на литейные и обрабатываемые давлением.
Оловянные бронзы хорошо обрабатываются резанием, хорошо паяются, хуже свариваются, имеют очень малую усадку (<1 %),но образуют рассеянную пористость, что препятствует получению из них герметичных деталей. Они имеют низкий коэффициент трения, хорошую притираемость и износостойкость при работе в паре со сталью, что в сочетании с высокой теплопроводностью и хорошими механическими свойствами позволяет использовать их для подшипников скольжения ответственного назначения, работающих при высоких давлениях и скоростях. Широкое распространение получили литейные оловянные бронзы Бр010Ф1, Бр03Ц12С5 и некоторые другие. Бронза Бр010Ф1, идущая на изготовление подшипников скольжения, имеет следующие свойства: σb=300 МПа, δ=3 %.
Бронзы, обрабатываемые давлением, хорошо куются, штампуются, прокатываются. Оловянные бронзы БР04Ц3, Бр04С4Ц4 применяются для изготовления полуфабрикатов (лент, полос, прутков) и деталей из них. Бр04С4Ц4 имеет следующие механические свойства: σb =350 МПа, δ=40 %, НВ=60. Деформируемые бронзы, наряду с хорошей электропроводностью, коррозионной стойкостью, антифрикционностью, обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Их используют для изготовления пружинящих деталей во многих отраслях промышленности.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антифрикционными и антикоррозионными свойствами. Они обладают высокой жидкотекучестью, хорошей герметичностью, образуют концентрированную усадочную раковину. Алюминиевые бронзы делятся на однофазные (БрА5, БрА7 имеющие σb=450 МПа, δ=60 %) и двухфазные (БрА10 имеющие σb=600 МПа, δ=15 %). Двухфазные можно подвергать упрочняющей термообработке: закалке и последующему старению. Легирование алюминиевых бронз улучшает их свойства: механические, технологические, эксплуатационные и др. Так БрА10Ж4Н4 в отожженом
состоянии имеет σb=650 МПа, δ=35 %, НВ=160, после закалки имеет σb=800 МПа, δ=3 %. Алюминиевые бронзы применяются как в виде проката и поковок (прутки, ленты), так и в виде фасонных отливок для деталей ответственного назначения. Из них изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500°С): седла клапанов, детали насосов, турбины, шестерни, венцы колёс и т.д.
Свинцовистые бронзы сочетают хорошие антифрикционные свойства с высокой теплопроводностью. Они хорошо воспринимают ударные нагрузки и имеют высокий предел выносливости, поэтому применяются для ответственных высоконагруженных подшипников скольжения, работающих при больших скоростях. Наибольшее распространение получила бронза БрС30 (σb=160 МПа, δ=8 %), применяемая для подшипников скольжения коленчатого вала КАМАЗА, тракторов и других машин.
Кремнистые бронзы имеют хорошие механические свойства, в том числе пружинящие и антифрикционные свойства, а также высокую коррозионную стойкость. Бронзы пластичны, хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются, паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Литейные свойства ниже, чем у оловянных. Легированные кремнистые бронзы могут подвергаться закалке и старению. БрК1Н3 после закалки и старения имеет σb=740 МПа, δ=8 %. Из кремнистых бронз изготавливают ленты, полосы, прутки, проволоку, идущие на производство пружин, мембран и тому подобных деталей.
Бериллиевые бронзы отличаются чрезвычайно высоким пределом упругости и прочности, твердостью, коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением усталости, хорошо обрабатываются резанием и свариваются точечной сваркой, не дают искр при ударе, сохраняют свойства до 500°С. Бериллиевые бронзы выпускаются в виде полос, лент, проволоки, а также в виде фасонных отливок и могут подвергаться упрочняющей термообработке закалке и старению. Бронза БрБ2 после закалки и старения имеет σb=1250 МПа, δ=2,5 %, НВ=370. Из бериллиевых бронз изготавливают детали особо ответственного назначения: упругие элементы точных приборов, подшипники, инструменты (зубила, молотки и т.д.) не дающие искр.
Марганцевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. Бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, хорошо обрабатываются давлением. Наиболее широко применяется бронза БрМц5, (σb=300 МПа, δ=40 %), которая сохраняет свойства до температуры 400°С. Бронза выпускается в виде поковок, листов, лент, идущих на изготовление деталей, работающих при повышенных температурах (например арматура паровых котлов и т.д.).
.
Таблица 7.1.
Применение сплавов на основе меди.
| № п./п | Марка | Назначение |
| Л62, Л68 | Изготовление листов, лент, полос, труб, прутков, проволоки, фольги. | |
| ЛЦЛ ЛЦ23А6Ж3Мц2 | Массивные червячные колеса, чашки нажимных винтов, подшипники, втулки, арматура. | |
| ЛЦ17 К3 | Шестерни, литая арматура, работающая при Т<250°С и подвергаемая гидроиспытаниям, детали, работающие в морской воде. | |
| ЛЦ40С | Арматура, втулки, сепараторы шариковых и роликовых подшипников. | |
| ЛЦ30А2 | Коррозионостойкие детали в морском и общем машиностроении. | |
| ЛЦ3701 | Штуцера гидросистем, судовая арматура |
ЛАТУНИ
БРОНЗЫ
| № п./п | Марка | Назначение |
1. 
| Бр05Ц5С5 | Ползуны, ходовые гайки, малонагруженные венцы, втулки, вкладыши, детали водяной арматуры (пробки, корпусы, буксы и т.д.) |
| 2. | БРС30 | Подшипники коленчатых валов, втулки в ДВС и других узлах трения. |
| 3. | Бр010 Ф1 | Подшипники, шестерни, венцы, втулки для высоких удельных давлений. |
| 4. | БрМц5 | Арматура паровых котлов, работающая при Т<250°C |
| 5. | БрК1Н3 | Пружинящие детали, работающие в агрессивной среде, ленты, полосы, проволока, резервуары. |
| 6. | БрБ2 | Пружины, работающие до Т=500°С, упругие элементы точных приборов, контакты, шестерни, кулачки, зубила, подшипники, работающие при высоких скоростях. |
| 7. | БрА10Ж4Н4 | Седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, детали турбин, шестерни. |
Титановые сплавы
Титан.
Титан – металл серого цвета. Температура плавления титана 1668°С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882°С существует α-титан (плотноссть 4,50 г/см3), который кристаллизуется в гексагональной решетке с периодом а=0,295нм , а при более высоких температурах β-титан (при 900°С плотность 4,32г/см3), имеющий решетку, период которой а=0,3282нм. Технический титан изготовливается трех марок: ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1.
Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, не растворяется во многих органических и минеральных кислотах, в царской водке и других агрессивных средах. Титан хорошо обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температуре; поэтому из него изготавливают листы, трубы, проволоку, поковки и другие детали. Титан хорошо сваривается аргонно-дуговой сваркой. Титан плохо обрабатывается резанием (налипает на инструмент), обладает низкими антифрикционными свойствами, не обладает жаропрочностью. Применяется в химической промышленности для изделий, работающих в сильно агрессивной среде, в судостроении для обшивки морских судов, подводных лодок и др.
Сплавы титана.
Сплавы титана (ГОСТ19807-91) получили значительно большее применение, чем чистый титан, так как обладают лучшим сочетанием свойств: более высокой прочностью, жаростойкостью, жаропрочностью при хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности. Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической, медицинской и других отраслях промышленности.
По технологии изготовления титановые сплавы делятся на деформируемые и литейные, а по свойствам – на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные и повышенной пластичности.
Титановые однофазные сплавы с α - структурой (ВТ5, ВТ5-1) характеризуются средней прочностью, высокими механическими свойствами при криогенной температуре, хорошей жаропрочностью и жаростойкостью, отличной свариваемостью и коррозионной стойкостью. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Эти сплавы хорошо куются, прокатываются, штампуются, поэтому применяются в виде прутков, труб, сортового проката и др. Сплавы применяются для изготовления деталей, работающих при температуре до 400-500° С. Эти сплавы не упрочняются термообработкой, поэтому имеют σb=950МПа, δ=15 %, НВ =300.
Двухфазные (α+β) сплавы (ВТ6, ВТ8, ВТ14) имеют более высокие свойства, как механические, так и технологические. Они упрочняются термообработкой, имеют высокую прочность при комнатной и повышенной до 500°С температуре (ВТ16 имеет σb=1450 МПа, δ =6 %). Эти сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются, хорошо куются, штампуются и паяются. Поставляются в виде поковок, полос, листов, прутков.
Литейные титановые сплавы (ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ21Л) имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть, плотность, малую склонность к образованию горячих трещин, малую усадку (<1 %). Однако плавку и разливку нужно вести в вакууме или в среде нейтральных газов из-за высокой склонности к поглощению газов. Литейные сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем деформируемые (ВТ5Л σb =900 МПа, δ =12 %), но литьем можно получать сложные фасонные отливки весом до 500 кг в том числе и трубные заготовки. Наиболее прочный литейный сплав ВТ21Л имеет σb =1100 МПа, δ=7 % при достаточно высокой вязкости.
Таблица8.1 Применение титановых сплавов
| № п/п | Марка | Назначение |
| 1. | ВТ5, ВТ5-1 | Детали средней прочности: детали воздухозаборников, диски автомобильных колес, корпуса и арматура химических агрегатов. |
| 2. | ВТ6, ВТ8 | Для деталей крепежа, деталей конструкций реактивных авиационных двигателей, диски и лопатки компрессоров, корпуса ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов сжатых газов, искусственные суставы в медицине и др. |
| 3. | ВТ16 | Обшивка подводных лодок, морских судов, катеров, диски и лопатки ракетных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов, детали ответственных теплообменников и др. |
| 4. | ВТ5Л | Пищевая промышленность (посуда), медицина (искусственные суставы), художественное литьё, сельскохозяйственное машиностроение и др. |
9. ПОДШИПНИКОВЫЕ СПЛАВЫ.
Антифрикционные сплавы на основе свинца и олова называются баббитами. Они применяются для заливки подшипников скольжения. К баббитам предъявляется несколько разнообразных требований: низкий коэффициент трения при работе в паре с железоуглеродистыми сплавами; высокая коррозионная стойкость в среде масел, высокая теплопроводность, высокий предел выносливости, хорошие технологические свойства: низкая температура плавления, хорошая адгезия, высокая прирабатыаемость при достаточной твердости, высокая удельная вязкость (для работы в условиях ударных нагрузок), невысокий модуль упругости. Этим условиям удовлетворяют баббиты оловянные (Б88, Б83 и др.), свинцовые (БК2 и др.), оловянно-свинцовые (Б16, БН и др.)
Оловянные баббиты обладают наилучшим сочетанием антифрикционных и физико-механических свойств, а так же высокой коррозионной стойкостью. Состав типичного оловянного баббита Б83: Sb=11 % , Cu =6 %, остальное Sn. Ввиду большого содержания дорогостоящего олова оловянные баббиты применяются для подшипников ответственного назначения, работающих при больших скоростях и высоких нагрузках (паровые турбины, дизели, турбокомпрессоры и т. д.)
Свинцовые баббиты являются самыми дешевыми, так как легированы кальцием и натрием и содержат мало дефицитного олова. Состав БК2: Sn =2 %, Ca = 0.5 %, Sb = 0.3 % , Mg =0.1 %, Pb – остальное. Эти баббиты применяются для подшипников горнорудных машин, городского транспорта, железнодорожного транспорта, дизельных двигателей и др.
Оловянно-свинцовые баббиты также имеют пониженное содержание олова. Баббит Б16 имеет состав:Sn = 10 %, Sb= 14 %, остальное –свинец. Применяются для подшипников электровозов, паровозов, паровых машин, гидротурбин и других машин тяжелого машиностроения.
Прочность баббитов невелика σb=60 – 120 МПа, что обеспечивает хорошую передачу нагрузки на более прочную, стальную основу при биметаллической структуре подшипников.
МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ.
Магний.
Магний – металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1,74 г/см3). Температура плавления магния 650°С, кристаллическая решетка гексагональная. Технический магний выпускается трех марок МГ90, МГ95 и МГ96. Механические свойства литого магния: σb =115МПа , σ0,2=25 МПа, δ =8 %, 30НВ. На воздухе магний легко воспламеняется. Используется магний в пиротехнике и химической промышленности.
Сплавы на основе магния.
Сплавы магния обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, что определило их широкое использование в ракетной технике. Однако сплавы магния имеют низкий модуль нормальной упругости 43000 Мпа и плохо сопротивляются коррозии.
Литейные сплавы (ГОСТ2856-79) широко применяются в рпомышленности. Наибольшее распространение получил сплав МЛ5 в котором сочетаются высокие механические и литейные свойства. Он используется для литья нагруженных крупногабаритных отливок.
Сплав МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами, чем МЛ5, и предназначается для изготовления тяжело нагруженных деталей.
Сплав МЛ5 имеет σb =226 МПа, σ0,2 =85 МПа, δ= 5 %.
Деформируемые сплавы (ГОСТ4784-83). Эти сплавы изготовляют в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, а так же поковок и штамповых заготовок.
Сплав МА1 обладает сравнительно высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.
Сплав МА2-1 обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей свариваемостью, однако, склонен к коррозии под напряжением, поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается.
Сплав МА1имеет σb =190-220 МПа, σ0,2 =120-140 МПа, δ =5-10 %.
. Таблица 10.1.
Применение сплавов на основе магния
.
| № п/п | Марка | Назначение |
| 1. | МА1 | Малонагруженные детали: бензобаки, маслобаки, арматура топливных масляных систем. |
| 2. | МА2 | Средненагруженные детали: обшивка элеронов, закрылок рулей, жалюзи капота, крыльчатки вентиляторов. |
| 3. | МА3 | Сильнонагруженные, не свариваемые детали: обшивка самолетов, деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и др. |
| 4. | МА11 МА13 | Детали, длительно работающие при температуре до 350°С: корпуса ракет, обтекатели, корпуса насосов, стабилизаторы и т.д. |
| 5. | Мл3 | Средненагруженные детали повышенной герметичности: детали насосов, бензопил, арматура. |
| 6. 7. | Мл5 Мл12 | Высоконагруженные детали самолетов: корпуса компрессоров, приборов, картеры, фермы шасси, колонки управления. |
Общие положения термической обработки металлов и сплавов.
Термической обработкой называется совокупность технологических процессов, состоящая из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств
Основными видами термической обработки являются: отжиг, закалка и отпуск. Каждый из видов имеет несколько разновидностей.
Отжиг
Отжиг- вид термической обработки, заключающийся в нагреве изделий с контролируемой скоростью( 1000С/час) до температуры АС3+30-500С (выше линии G S диаграммы железо- углерод-линии окончания фазовых переходов), выдержке при этой температуре для выравнивания температуры по сечению и осуществления фазовых переходов Fe3C+ Feα-Feγ и медленном охлаждении с печью со скоростью 10С/ мин.
В результате отжига металлы и сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной, то есть происходит их разупрочнение с повышением пластичности, снятием внутренних напряжений, понижением твёрдости, снижением прочности.
Отжиг бывает полный,неполный,диффузионый,рекристаллизационный, и нормализация.
Закалка
Закалка-вид термической обработки, заключающийся в нагреве изделий с контролируемой скоростью(1000С/час) до температуры АС3+30-500С выше линии окончания фазовых переходов GS диаграммы железо- углерод), выдержке при этойтемпературе для выравнивания температуры по сечению и осуществления фазовых переходов Fe3C+ Feα -Feγ и быстром охлаждении в воде или масле.
В результате закалки в сплавах образуется неравновесная структура. Цель закалки -получить высокую прочность, твёрдость, упругость и износостойкость изделий, но при этом понижается пластичность и ударная вязкость .После закалки обязательно делается отпуск.
Закалка бывает обычная (в одном охладителе), закалка в двух средах, ступенчатая, изотермическая, закалка с самоотпуском, закалкаТВЧ и др.
Отпуск
Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной детали до температуры ниже линии PSK диаграммы железо--углерод, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение в печи или на воздухе. В результате отпуска в закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие закалённую структуру к равновесной.
В результате отпуска снижаются внутренние напряжения, понижается прочность и твёрдость, повышается вязкость и пластичность сплавов.
Отпуск бывает низкий, средний и высокий.
При низком отпуске (нагрев до 2000С) мартенсит закалки превращается в отпущенный мартенсит. В результате отпуска незначительно повышается вязкость при небольшом понижении твёрдости и сохранении высокой износостойкости. Низкому отпуску подвергается режущий и мерительный инструмент.
При среднем отпуске (нагрев до 4000С) мартенсит превращается в троостит, обеспечивая высокую упругость деталям типа пружин, рессор и др.
При высоком отпуске (нагрев до 6000С) мартенсит превращается в сорбит. Достигается хорошее сочетание сравнительно большой прочности и твёрдости с высокой вязкостью и пластичностью. Закалка с высоким отпуском (так называемое улучшение) придаёт деталям машин, испытывающих динамические нагрузки, необходимые эксплуатационные свойства.
Приложение 1