Латуни, обрабатываемые давлением

Двойные или простые латуни относятся к системе Сu—Zn (рис. 18.5), в которой α- фаза - это твердый раствор цинка в меди с ГЦК решеткой, а β-фаза - электронное соединение переменного состава (фаза Юм-Розери) с ОЦК решеткой. Во время ох­лаждения β-фаза при температуре около 450 °С упорядочивается (см. пунктир на рис. 18.5) и превращается в β'-фазу, из-за которой пластичность двухфазной латуни < 450 °С снижена.

Промышленные латуни — это однофазные и двухфазные сплавы α-латуни и (α+β)- латуни. У двухфазной (α+β)-латуни в названии не указывают, что при комнатной тем­пературе присутствует упо­рядоченная β'-фаза. При температурах выше 450 °С β-фаза пластичнее и обладает значительно меньшим со­противлением деформации, чем α-фаза. Поэтому двух­фазные латуни нагревают под горячую обработку дав­лением в β-область или до таких температур в (α+β)-области, при которых доля β- фазы превышает 50 %.

Для микроструктуры α-латуни в литом состоянии ти­пична ярко выраженная денд­ритная ликвация (рис. 18.6, а),которая обычно исчезает во время нагре­ва под горячую обработку давлением. После горячей деформации или после отжига, следующего за холодной дефор­мацией, структура α-латуни рекристаллизованная, о чем свидетельствуют про­слойки двойников отжига (рис. 18.6, б). В структуре литой двухфазной латуни после травления в растворе 3 % СuС1₂ в аммиаке α-фаза светлая, (β-фаза темная (рис. 18.7). В рекристаллизованном со­стоянии (травление 8%-м раствором FeCl₃ в НС1) α-частицы (светлые) от β- матрицы отличаются присутствием двойников отжига.

Обрабатываемые давлением двойные латуни в соответствии с ГОСТ 15527-2004 маркируют буквой «Л», за которой следует число, указывающее содержание меди. Концентрация цинка считается как остальное. У многокомпонентных деформируе­мых латуней после буквы «Л» в марке перед количеством меди указывают буквенные обозначения других легирующих элементов, а их содержание указывается цифрами после меди с разделением знаком тире (табл. 18.3). Приняты обозначения компонен­тов для сплавов на основе меди: Pb-C; Sn-O; А1-А; As-Мш; Zn-Ц; Si-K; Fe-Ж; Мn-Мц; Со-Ко; Cd-Кд; Zr-Цр; Cr-Х; Р-Ф ; Ве-Б; Ni-H; Ti-T. У литейных латуней маркировка (ГОСТ 17711—93) подобна принятой для сталей: за буквой «Л» следует бук­ва «Ц» и содержание цинка, затем буквы, обозначающие компоненты, принятые для сплавов на основе меди (см. выше) и их содержание в процентах (см. табл. 18.3).

Медно-цинковые сплавы, содержащие до 10 % Zn, известны под названием том­пак за их красивый золотистый цвет, а при содержании цинка от 10 до 20 % - полутомпак. Легирование меди цинком до 38 % (см. табл. 18.3) повышает ее прочность в ото­жженном состоянии больше, чем на 100 МПа, при сохранении пластичности на вы­соком уровне, а наклепом прочность этих сплавов можно повысить в 1,7-2 раза. Из двухкомпонентных сплавов наиболее широко применяют латуни Л90, Л68 и Л63.

Латунь Л90 обладает хорошей стойкостью против коррозии, имеет насыщенный желтый цвет, поэтому применяется для изготовления знаков отличия, фурнитуры, конденсаторных трубок. Латунь Л80 выпускается в виде листов, лент, проволоки, тру­бок разнообразных сечений; ее используют для производства сильфонов (гофриро­ванных трубок), трубок манометров, художественных изделий и музыкальных инст­рументов. Латуни с 28-30 % Zn, Л68, Л70 - лучший материал для холодной листовой штамповки - глубокой вытяжки, их называют патронными латунями.

Все латуни, содержащие более 20 % Zn,

склонны к коррозионному растрескива­нию. Это растрескивание проявляется при хранении и эксплуатации изделий, в кото­рых имеются остаточные растягивающие напряжения, во влажной атмосфере с небольшим количеством аммиака или сероводорода. Установлена определенная связь между числом случаев, коррозионного растрескивания и временем года, что объясня­ется закономерными изменениями состава атмосферы. В связи с этим рассматривае­мое явление было названо сезонным растрескиванием латуни. Для предотвращения се­зонного растрескивания применяют отжиг при ~ 270 °С, уменьшающий остаточные напряжения. Рекристаллизация при таком отжиге не происходит, и упрочнение от хо­лодной деформации сохраняется.

Таблица 18.3.Состав и свойства латуней

*Неболыяое количество Р-фазы может присутствовать на верхнем пределе содержания цинка

Латунь Л63, называемая торговой, занимает первое место по объему производст­ва. Эта латунь на диаграмме состояния Сu— Zn (см. рис. 18.5) находится вблизи гра­ницы α/(α+β), и поэтому в зависимости от содержания цинка в пределах допусков ГОСТа и температуры может быть однофазной (α), двухфазной (α+β) и даже перехо­дить при высокой температуре в β-состояние. Латунь Л63 прекрасно деформируется и в горячем, и в холодном состоянии. Она самая прочная из рассмотренных двойных латуней.

Многокомпонентные латуни (специальные или легированные) содержат такие ле­гирующие компоненты, как свинец, алюминий, олово, кремний, железо, марганец, никель, мышьяк и др.

Легирующие элементы растворяются в α- и β-фазах и могут образовывать допол­нительные фазы. При введении добавок изменяется концентрация цинка, соответст­вующая границе α/(α+β). Тип микроструктуры легированной латуни (α, α+β или β) можно оценить с помощью коэффициентов замены цинка (коэффициентов эквива­лентности Гийе). Значения этих коэффициентов следующие: Si - 11; А1 - 5; Sn - 2; Pb - 1; Fe - 0,9; Mn - 0,5 и только у Ni минус 1,3. Коэффициент Гийе показывает, скольким процентам цинка эквивалентен 1% добавки по своему действию на фазо­вый состав. Кажущееся содержание цинка в латуни определяют по формуле:

Х = (18.1)

где C_Zn и С_Сu — действительные концентрации Zn и Сu; С₁ С₂... — концентрации до­бавок с коэффициентами замены к₁ к₂... .

При увеличении содержания всех добавок, за исключением никеля, который дейст­вует в противоположную сторону, происходит переход от α-структуры к (α+β)- и β- структурам, т. е. качественно эти добавки действуют на микроструктуру так же, как цинк, а количественная разница учитывается при использовании коэффициентов эк­вивалентности.

Свинцовая (α+β)-латунь ЛC59-1 по объему производства находится на втором ме­сте, уступая в этом лишь латуни Л63. Свинец практически нерастворим в α- и β-фазах и находится в латуни в виде мелких округлых включений по границам зерен. Следует заметить, что в α-латуни свинец является вредной примесью, вызывающей горячеломкость, и его концентрация не должна превышать 0,03 %. У (α+β)-латуни с боль­шим количеством β-фазы при температуре горячей деформации свинец, находящий­ся в жидком состоянии, не вызывает горячеломкости даже при концентрациях до 3%. Это связано с тем, что во время нагрева из-за α→β превращения включения свинца, выделившиеся при кристаллизации по границам зерен, оказываются внутри β-зерен. Поэтому латунь ЛC59-1 подвергают горячей обработке давлением.

При обработке резанием включения свинца в латуни делают стружку ломкой, лег­ко отделяющейся. Поэтому латунь ЛC59-1 применяют в массовом производстве для быстрой обработки резанием на станках-автоматах, в частности в часовой промыш­ленности. Кроме того, включения свинца улучшают антифрикционные свойства ла­туни, которую поэтому используют в трущихся парах.

Оловянная α-латунь Л070-1 (см. табл. 18.3) имеет повышенную коррозионную стой­кость в пресной и морской воде и называется морской латунью. Аналогично алюминие­вая α-латунь ЛАМш77-2-0,05 имеет высокие механические свойства и благодаря малой добавке мышьяка хорошо сопротивляется обесцинкованию в морской воде. Ее использу­ют главным образом для изготовления конденсаторных трубок в морском судостроении.

Легированная железом и марганцем (α+β)-латунь ЛЖМц59-1-1 имеет повышен­ную прочность и в отожженном состоянии, поэтому используется в виде листов, прут­ков, поковок, подшипников скольжения и других ответственных деталей в авиа- и су­достроении.

Все рассмотренные латуни не подвергаются упрочняющей термической обработ­ке. Для них способ упрочнения — холодная деформация, способ термообработки — отжиг. Единственная отечественная термически упрочняемая латунь ЛАНКМц75-2- 2,5-0,5-0,5 (см. табл. 18.3) имеет структуру α-латуни (кажущееся содержание цинка составляет ~ 30 %), в которой переменно с повышением температуры растворяются фазы NiAl и Ni₂Si. В закаленном и состаренном состоянии или после НТМО (см. табл. 18.3) эта латунь обеспечивает высокие механические свойства, в том числе и характе­ристики упругости, благодаря чему ее используют для производства пружин и мано­метрических трубок, не содержащих дорогого и токсичного бериллия. Закалку латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5~0,5 проводят с температуры 850 °С. Во время охлаждения с тем­пературы закалки твердый раствор неустойчив в интервалах температур 600—700 °С и 300—400 °С. При распаде раствора вблизи 650 °С выделяются крупные неупрочняющие стержнеобразные частицы сложной никель-марганцево-кремниевой фазы. Эти выделения нежелательны. Низкотемпературный распад при 300—400 °С приводит к выделению промежуточных когерентных частиц в форме дисков с диаметром 10 нм и толщиной 2—3 нм, которые в равновесном состоянии соответствуют фазам NiAl и Ni₂Si. Старение при 500 °С в течении 2 ч проводят для выделения этих промежуточ­ных фаз-упрочнителей.

Литейные латуни

Все литейные латуни являются легированными (см. табл. 18.3). Латуни имеют уз­кий интервал кристаллизации. Они характеризуются высокой жидкотекучестью, ма­лой склонностью к образованию рассеянных усадочных пор и высокой склонностью к транскристаллизации — формированию столбчатой макроструктуры.

Свинцовая латунь ДЦ40С является литейной модификацией деформируемой лату­ни ЛС59-1 и отличается от последней более широким допуском на содержание при­месей (в сумме до 2 % по сравнению с 0,75 % в латуни ЛС59-1). Следует отметить, что в деформируемых сплавах допускаемое содержание примесей, как правило, меньше, чем в аналогичных по составу литейных, так как примеси могут сильно ухудшить де­формируемость. Латунь ЛЦ40С используют для отливки втулок и вкладышей под­шипников.

Кремнистая латунь ЛЦ16К4 обладает повышенной жидкотекучестью и использу­ется для отливки гидравлически плотной арматуры.

Латунь ЛЦ40МцЗЖ отличается от деформируемой латуни ЛЖМц59-1 -1 повышен­ным содержанием марганца, это высокопрочная (α+β)-латунь даже после литья в землю (см. табл. 18.3), поэтому из нее отливают ответственные детали судовой арма­туры, работающей до 300 °С, и гребные винты судов с металлическим корпусом.

В высоколегированной пятикомпонентной латуни ЛЦ23А6ЖЗМц2, несмотря на содержание всего лишь 23 % Zn, основной структурной составляющей является β-фаза, что согласуется с расчетом по формуле (18.1) «кажущейся» концентрации цинка (46,5 %). Добавка железа, первично кристаллизующегося в виде частиц твердого рас­твора на основе железа, измельчает зерно β-фазы. Эта литейная латунь является наи­более прочной среди литейных латуней и используется для отливки высоконагруженных массивных червячных винтов и гаек нажимных винтов.

Бронзы

Бронзы - это сплавы меди, в которых основной добавкой является любой эле­мент, кроме цинка и никеля.

Бронзы подразделяют на оловянные и безоловянные, и в каждой из этих групп — на обрабатываемые давлением и литейные (табл. 18.4). В марке обрабатываемых давлением оловянных (ГОСТ 5017—2006) и безоловянных бронз (ГОСТ 18175—78) после букв «Бр» стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности через тире указываются средние концентрации соответствующих элементов (например, БрАЖМцЮ-3-1,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613-79) и безоловянных бронз (ГОСТ 493—79) после каждого обозначения названия легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронз перекрыва­ются, то в конце марки литейной бронзы ставят букву «Л» (например, БрА9ЖЗЛ).

Таблица 18.4.Составы и свойства некоторых бронз

Оловянные бронзы

Олово входит в α-раствор замещения на основе меди (рис. 18.8), обусловливая сильное упрочнение. При содержании в сплаве > 15,8 % Sn по эвтектоидной реакции γ α + δ образуется промежуточная фаза δ— электронное соединение с концен­трацией 21/13, отвечающей соста­ву Cu₃₁Sn₈. Отраженное на диаграмме состояния эвтектоидное превращение δ α+ε (Cu₃Sn) и поворот α-сольвуса в сторону ор­динаты меди ниже 5520 °С (см. рис. 18.8) реализуются только при очень больших выдержках (до 10000 ч) сильно наклепанных об­разцов. В промышленных услови­ях отожженные двухфазные брон­зы состоят при комнатной темпера­туре из α- и δ-фаз, причем α-фаза содержит 15,8 % Sn. В литом состо­янии из-за дендритной ликвации эвтектоид α + δ появляется при содержании ~ 6 % Sn в сплаве. В рекристаллизованном состоянии микроструктура α- раствора олова в меди аналогична микроструктуре α-латуней (см. рис. 18.6, б).

В нераскисленных оловянных бронзах образуются твердые и хрупкие частицы так называемой оловянной кислоты Sn0₂, ухудшающие антифрикционные свойства бронз, поскольку частицы оловянной кислоты в подшипнике скольжения царапают шейку ва­ла. Для удаления кислорода перед введением олова расплав раскисляют фосфором (при­меняют фосфористую лигатуру марки МФ9 из расчета введения 0,1—0,15 % Р).