Конструкционные медные сплавы

Для изготовления деталей различного назначения, требующих повышенной коррозионной стойкости, специальных физических свойств и высокой технологичности, применяются медь, простые и специальные латуни, оловянистые и безоловянистые бронзы, а также медные сплавы, содержащие значительное количество никеля. Все эти материалы обладают высокой технологичностью: они легко обрабатываются резанием, хорошо свариваются и паяются.

Медь хорошо паяется, легко смачиваясь припоями; тонкая пленка окислов удаляется чистой канифолью. Латуни паяются несколько хуже. Для удаления окислов цинка требуются более активные флюсы, чем для удаления окислов меди. Способы пайки латуней те же, что и для меди.

При пайке латуни погружением в расплавленный припой содержащийся в основном металле цинк загрязняет ванну. Кроме того, при контакте с жидким легкоплавким припоем, богатым оловом, латуни склонны к хрупкому разрушению. Поэтому пайку латуней рекомендуется производить только в отожженном состоянии без приложения внешних растягивающих напряжений.

Пайка латуни в печи рекомендуется только в том случае, если она предварительно покрыта гальваническим способом медью (слой толщиной 15—20 мкм), замедляющей испарение цинка.

Алюминиевые бронзы удовлетворительно паяются серебряными припоями в смеси флюсов: 50% 209 + 50% 34А при нагреве ацетиленокислородным пламенем, в печи, при нагреве ТВЧ и др.

Медь сваривается всеми способами сварки плавлением с применением преимущественно стыковых соединений. Сварка деталей средних и больших толщин выполняется с подогревом.

Электронно-лучевая сварка обеспечивает вакуумноплотные и пластичные соединения с прочностью 0,9 прочности основного отожженного металла.

Газоэлектрическую сварку производят неплавящимся или плавящимся электродом с использованием защитных газов — аргона, гелия, азота, водорода или их смеси. Наиболее качественные соединения получают при сварке в среде гелия.

Дуговую сварку под флюсом выполняют угольным или металлическим плавящимся электродом. Применяют стандартные плавленые флюсы (марок АН-5, АН-10, АН-348А и др.), разработанные для сварки углеродистых и легированных сталей. Присадочным металлом служит медь с добавками фосфора, олова или кремния (ОФ9—0,3). Ручную дуговую сварку плавящимся электродом выполняют медными электродами с покрытиями Зт, «Комсомолец- 100», ММЗ-1, ММЗ-2.

При газовой сварке применяют флюсы, содержащие буру или борную кислоту. Для присадки используют медную проволоку с содержанием фосфора и кремния.

Точечная и роликовая сварка меди затруднительна вследствие ее высокой тепло- и электропроводности. Медь сваривается контактной стыковой сваркой методом сопротивления.

Механические свойства сварных соединений меди приведены в табл. 1.

 

1. Механические свойства соединений меди
Вид
сварки
Температура
испытания
σв δ ан Угол
изгиба α
°С кгс/мм2 % кгс·м/см2 град
Дуговая с электродами «Комсомолец-100» 20 20-22 18-20 6-8 180
Газовая с присадкой электролитической меди 20 18,5 - - 150
Дуговая под слоем флюса с присадкой M1 20 17,5-18 35-41 - -
-70 21-21,5 44-46
-183 26,5-27,5 50-52

Латуни свариваются аргоно-дуговой, дуговой, газовой и контактной сваркой. При больших толщинах применяют местный или общий подогрев. Перед заваркой латунного литья обязателен предварительный подогрев.

Аргоно-дуговую сварку неплавящимся электродом применяют для соединения листовых заготовок толщиной 3—4 мм, используя присадочную проволоку того же состава, что и основной металл. При дуговой сварке угольный электродом применяют присадочные прутки, легированные кремнием, прутки из бронз марок БрКМцЗ-1, ЛК80-3 и флюсы (бура, борный шлак и др.).

Дуговую сварку плавящимся электродом выполняют с применением проволоки из латуней ЛК80-3, ЛМц59-02 с покрытием марки Зт. Дуговую сварку латуни Л63 под слоем флюса производят с использованием медных проволок M1, М2 с флюсами МАТИ-53, АНФ-5, а латуней ЛО62-1, ЛС59-1, ЛЖМц59-1-1 — проволоки БрОЦ4-3 с флюсом АН-20.

Газовую сварку латуней Л63, ЛО62-1 и Л68 выполняют прутками из латуней ЛОК59-1-0,3, ЛОК62-0,6-0,4, ЛК80-3 и ЛК62-0,5 с применением флюсов (плавленая бура, смесь буры с борной кислотой и хлористым натрием, четырехкомпонентный флюс).

Механические свойства сварных соединений латуни Л68 приведены в табл. 2.

2. Механические свойства сварных соединений латуней Л68
Вид
сварки
Присадочный
материал
Флюс
(покрытие)
σв
кгс/мм2
Угол
изгиба α
град
Дуговая угольным электродом ЛК80-3 Четырехкомпонентный (32-34)/33 180
Дуговая плавящимся электродом ЛК80-3 (29-33)/31 180
Газовая ЛОК59-1-0,3 Плавленая бура (36-38)/37 180
Дуговая под слоем флюса М1 МАТИ-53 (28-30)/29 180

Кремнистые бронзы хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Прочность наплавленного металла при дуговой сварке кремнистых бронз в среднем составляет 35—40 кгс/мм2.

При сварке алюминиевых бронз лучшие результаты обеспечиваются при дуговой сварке угольным электродом. Качественные соединения могут быть получены аргоно-дуговой сваркой неплавящимся электродом и электродуговой сваркой металлическим электродом.

Сварка алюминиевых бронз электродными стержнями состава: 11,3% Аl; 5,7% Ni; 0,4% Мn; 0,1% Fe, Сu — остальное, обеспечивает следующие свойства наплавленного металла: σв = 67,5—69 кгс/мм2; σ0,2 = 49,5—52 кгс/мм2; δ = 7,5—8,5%; ψ = 6,5—7,0%.

Свинцовистые бронзы обладают плохой свариваемостью. При сварке этих бронз, как правило, используют присадочный металл (электродные стержни) того же состава, что и основной металл. При сварке оловянистых бронз применяют присадочную проволоку состава 95—96% Сu, 3—4% Sn, 0,25% Р, близкую по составу к марке БрОФ6,5-0,4; при сварке литых бронз пользуются универсальной проволокой марки БрКМцЗ-1.

Газовую сварку оловянистых и кремниевых бронз выполняют с флюсами, применяемыми для сварки меди, а сварку алюминиевых бронз — с флюсами, используемыми для сварки алюминиевых сплавов.

Медь

Полуфабрикаты из чистой меди различных марок имеют широкое распространение благодаря высокой пластичности, электропроводности и коррозионной стойкости. Примеси, даже в небольшом количестве, резко снижают тепло- и электропроводность меди. Для изготовления проводов обычно применяют медь марки M1, содержащую не менее 99% Сu. В изделиях неответственного назначения электрические контакты изготовляют также из меди марок М2 и М3.

В отожженном состоянии медь обладает высокими пластическими свойствами, но относительно низкой прочностью. Холодная деформация несколько снижает электропроводность меди, заметно повышает - прочностные свойства и резко ухудшает пластичность.

Наклеп твердой меди можно снять отжигом. Температура рекристаллизации меди ~200°С. Для полного восстановления пластичности материала его следует отжигать при более высоких температурах (500—700°С). Чтобы избежать так называемой «водородной хрупкости», не следует проводить нагрев в восстановительной среде.

Медь можно обрабатывать сверлением, фрезерованием, строганием и другими методами холодной обработки. В мягком состоянии она вследствие малой твердости налипает на режущий инструмент и не дает скалывающейся стружки. Обработка резанием меди в нагартованном состояний облегчается благодаря более высокой твердости материала. Предназначаемая для полирования медь должна быть нагартована.

Для штамповки деталей применяют отожженную медь. Медные листы и ленту изгибают в холодном состоянии. Допускается отбортовка края медных тянутых трубок после отжига.

При низких температурах (до –250°С) прочность меди повышается как в нагартованном, так и в отожженном состоянии.

Медь и ее сплавы обладают высоким электрохимическим потенциалом, поэтому их следует покрывать кадмием, чтобы избежать усиления коррозии при контактировании с деталями из других металлов.

Латуни

Латуни представляют собой сплавы с цинком, являющимся основной легирующей добавкой. Введение цинка позволяет повысить механические свойства меди: пределы пропорциональности, текучести и прочности, твердость и удлинение. Латуни отличаются технологичностью, обладают высокими литейными свойствами и деформируемостью, легко обрабатываются резанием.

К группе конструкционных сплавов относятся латуни марок Л96, Л68, Л63, ЛС59-1, ЛС59-1Л, ЛО70-1, ЛО62-1, ЛАЖ60-1-1, ЛАЖ60-1-1Л, ЛЖМц59-1-1, ЛА67-2,5, ЛК80-3 и ЛК80-ЗЛ.

Латунные полуфабрикаты поставляются в твердом, полутвердом и мягком состояниях в зависимости от способов изготовления, степени деформации и термической обработки готовых изделий.

Особенностью латуни Л96 является ее высокая коррозионная стойкость и отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию; она хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Латунь этой марки применяется для изготовления трубок радиаторных, конденсаторных и иного назначения.

Латунь Л68 наиболее пластична. Она выпускается в виде труб, листов, ленты и проволоки диаметром от 0,1 мм и особенно широко применяется для деталей, изготовляемых из полуфабрикатов путем холодной глубокой вытяжки.

Латуни Л63 и ЛС59-1 также выпускаются в виде проволоки, листов, ленты, прутков и труб.

Латунь, как и медь, упрочняется при холодной деформации (прокатке или протяжке). Для полного снятия наклепа достаточно применить отжиг при 450—700°С в течение 1 часа.

К недостаткам наклепанной латуни относится склонность к образованию трещин вследствие коррозионного воздействия среды. Низкий отжиг (при 250—300°С в течение 1 час) способствует или уменьшению, или полному снятию внутренних напряжений и устраняет склонность латуни к сезонному растрескиванию.

Проволока из латуней Л63 и ЛС59-1 служит для изготовления заклепок, стопорных винтов, шпилек, штифтов. Шайбы, кольца и прокладки изготовляются штамповкой из листов или ленты.

Трубы из латуней Л68 и Л63 предназначаются для получения трубопроводов, втулок и патрубков различных видов. Из латуней этих марок изготовляются также тонкостенные тянутые трубки; из прутков латуни ЛС59-1 получают детали на автоматных станках.

Всевозможные фасонные детали (кронштейны, корпусы приборов, тройники, фланцы, подшипники, втулки, щеткодержатели, гайки, пробки, штуцеры и др.) изготовляются из латуней марок Л68, ЛС59-1 и др. методом точного литья.

Латуни паяются и свариваются, обрабатываются всеми видами механической обработки, но для латуней Л68 и Л63 использование высоких скоростей затруднительно. Латунь ЛС59-1, содержащая свинец, прекрасно обрабатывается с образованием легко отделяющейся сыпучей стружки.

Латуни специальные, легированные оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием и другими элементами, обладают повышенной прочностью и применяются для изготовления деталей арматуры и приборов, а также деталей, работающих на трение при относительно небольших удельных давлениях и скоростях скольжения, а также при хорошей смазке. При сухом трении или недостаточной смазке все латуни быстро изнашиваются.

Для получения отливок методом точного литья рекомендуются специальные латуни следующих марок: алюминиевая ЛА67-2,5 и кремнистая ЛК80-ЗЛ, обладающие хорошими литейными свойствами, а также латунь ЛАЖ60-1-1, имеющая мелкую структуру и высокую прочность при отливке в горячие формы.

Бронзы

Бронзы представляют собой сплавы меди, содержащие в качестве основной легирующей добавки какой-либо металл, кроме цинка.

К группе конструкционных бронз относятся бронзы оловяннофосфористые, оловянносвинцовоцинковые, алюминиевожелезные, алюминиевомарганцовистые и алюминиевожелезоникелевые.

Для изготовления силовых коррозионностойких деталей и арматуры, а также деталей, работающий на трение, применяются деформируемые оловянистые и алюминиевые бронзы.

Оловяннофосфористая бронза БрОФ6,5-0,15 обладает после деформации высокой прочностью и упругостью и применяется для изготовления пружинящих деталей приборов.

Бронза БрОФ7-0,2 имеет высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах. Выпускается только в виде прессованных прутков, так как повышенное содержание олова затрудняет обработку давлением. Износостойкость бронзы можно повысить путем холодной протяжки.

Оловянносвинцовоцинковая бронза марки БрОЦС4-4-2,5 обладает пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами и выпускается в виде холоднокатаных полос для изготовления свертных втулок подшипников.

Бронзы всех указанных марок хорошо обрабатываются резанием, особенно в нагартованном состоянии, удовлетворительно паяются и свариваются.

Алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5 и БрАЖН10-4-4 применяются для изготовления конструкционных деталей (кронштейнов, шестерен, коромысел, направляющих различного рода, гаек и др.), работающих в атмосферных условиях и других средах, где требуются высокая прочность и хорошая коррозионная стойкость. Эти сплавы отличаются высокими механическими свойствами при низких и высоких температурах и мало окисляются при высоких температурах.

Алюминиевые бронзы применяются как в виде деформированных полуфабрикатов, так и в литом состоянии.

Твердость алюминиевых бронз, содержащих 10—11% Al, можно изменять путем закалки и отпуска. При меньшем содержании алюминия старение бронз незначительно. При повышении температуры закалки и снижении температуры отпуска значительно уменьшается относительное удлинение (при небольшом возрастании предела прочности).

При медленном охлаждении бронз БрАЖ9-4 и БрАЖМц10-3-1,5 до температур ниже 600°С (при литье крупных деталей) может возникнуть повышенная хрупкость металла. Однако ее можно предупредить, охлаждая отливки на воздухе с температуры ~700°С.

Горячую ковку или штамповку алюминиевых бронз производят при 700—900°С. Алюминиевые бронзы поставляются в виде горячепрессованных полуфабрикатов, так как при холодной деформации в результате быстрого упрочнения сплавы теряют пластичность.

Бронзу БрАЖ9-4 можно чеканить, расклепывать и подвергать другим видам холодной деформации в пределах 10—12%.

Алюминиевые бронзы хорошо поддаются механической обработке.

Алюминиевые бронзы применяют для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах.