Цветные металлы и сплавы (стр. 15 )

Таблица 19.2

Марки меди по национальным стандартам

Россия	США	Германия	Япония
ГОСТ 859–2001	ASTM: 58А–77, В133, В152, В359	DIN 1787–73	JIS H3510–86, H3100–86, H3300
М00к	–	–	–
М0к	–	–	–
М1к	–	–	–
М00б	С10100	–	–
М0б	С10300	–	–
М00	С10200	–	С1020
М0	–	–	–
М1	С11000	Е Cu57, E Cu58	С1100
М1р	С12000, С12900	SW–Cu	С1201
М1ф	С12200	SF–Cu	С1220
М2р	С12900	–	–
М3р	–	–	–
М2	С12500	–	–
М3	–	–	С1221

ЛАТУНИ

Латуни — это двойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующий компонент — цинк (содержание не превышает 45 %). Среди медных сплавов латуни получили наибольшее распространение в промышленности благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Латуни — наиболее дешевые медные сплавы.

Двойные (простые) латуни относятся к системе Cu—Zn (рис. 19.3). Медь с цинком образует кроме a -твердого раствора на основе меди ряд промежуточных фаз b , g и т. д.

Фаза b — это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn (фаза Юм—Розери) с решеткой ОЦК. При охлаждении при температуре около 450 ° С b - фаза переходит в упорядоченное состояние (b ® b ¢ ), причем b ¢ - фаза в отличие от
b -фазы является более твердой и хрупкой.

Фаза g — твердый раствор на основе электрон-ного соединения Cu5Zn8 отличается очень высокой хрупкостью и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавах исключается.

Механические свойства латуни определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка в латунях их прочность возрастает (рис. 19.4). Максимум прочности достигается в двухфазной области (a  + b ) при содержании цинка около 45 %. При большем содержании цинка прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости b ¢ - фазы. Поэтому в промышленности применяют преимущественно a - и (a  + b )-латуни. Представляют интерес как основа сплавов с эффектом памяти формы b -латуни.

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 сернистого газа. Установлена определенная связь между данным явлением и временем года, что объясняется закономерными изменениями состава атмосферы. В связи с этим это явление было названо «сезонным растрескиванием» («сезонная болезнь»). Другой формой коррозии латуни является обесцинкование, которое характерно для латуней с повышенным содержанием цинка (Л68, ЛС59-1 и др.). Высокомедистые латуни практически не подвергаются обесцинкованию. Для уменьшения обесцинкования в латуни вводят небольшое количество мышьяка (0,02–0,06 %).

Рис. 19.3. Диаграмма состояния системы Cu—Zn	Рис. 19.4. Влияние цинка на механические свойства латуни

В России принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозначают основные компоненты сплава, числа — их примерное содержание в процентах. Марка латуни начинается с буквы «Л». В двойных (простых) латунях число после буквы «Л» определяет среднее содержание меди. В марках многокомпонентных латуней после буквы «Л» указаны легирующие элементы, которым даны следующие обозначения: О — олово; А — алюминий; Н — никель; К — кремний; Ж — железо и т. д. Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. В деформируемой латуни первое число после букв указывает среднее содержание меди, последующие числа, отделенные через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Например, латунь ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % Cu, 2 % Al, остальное Zn. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава указывается сразу после буквы, обозначающей его название; цинк обозначается буквой «Ц». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % Zn, 3 % AL, Cu — основа.

БРОНЗЫ

Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. В особую группу выделяют медноникелевые сплавы.

По химическому составу бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные, и в каждой из этих групп по технологии производства бронзы делятся на обрабатываемые давлением и литейные.

В марке обрабатываемых давлением оловянных (ГОСТ 5017–74) и безоловянных бронз (18175–78) после букв «Бр» стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соотвествующих элементов (например, БрОЦС4-4-2,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613–79) и безоловянных бронз (ГОСТ 493–79) после каждого обозначения легирующего элемента указано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронз перекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л» (например, БрА9Ж3Л).

Свойства бронз определяются содержанием в них легирующих элементов. Для бронз, в которых легирующие элементы входят в основном в твердый раствор, характерно твердорастворное упрочнение. Дополнительно они могут быть упрочнены путем пластической деформации. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной растворимостью в твердом растворе, упрочняются путем закалки и последующего дисперсионного твердения. К классу термически упрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4, в которой упрочнение при термообработке связано с мартенситным превращением.

Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионностойки в морской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

НИКЕЛЬ И НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ

Никель

Никель — металл серебристо-белого цвета, кристаллизующийся в решетку ГЦК с параметром а = 0,352 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не имеет. При температуре ниже 358 ° С (точка Кюри) никель является слабым ферромагнетиком. Никель — прочный, высокопластичный металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью, повышенной температурой плавления и высокой каталитической способностью. Это обусловило его широкое применение в металлургии, машиностроении, электронике, медицине и других отраслях техники.

Основные физико-механические свойства никеля приведены ниже.

Характеристики основных физико-механических свойств никеля

Плотность r, кг/м3	8900
Температура плавления Тпл, ° С	1455
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г	310
Теплопроводность l, Вт/ (м × град), при 20–100 ° С	4–92
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г × град), при 20–100 ° С	0,44–0,47
Коэффициент линейного расширения a × 10–6, 1/ град–1, при 0–100 ° С	13,3
Удельное электросопротивление r × 108, Ом× м, при 20–100 ° С	8,7
Температурный коэффициент электросопро- тивления, град–1, при 20–100 ° С	4,7 × 10–3
Предел прочности s в, МПа	450
Относительное удлинение d, %	35–40
Твердость по Бринеллю НВ, МПа (в отожженном состоянии)	800–900
Модуль сдвига G × 10–3, МПа	73
Модуль упругости Е × 10–3, МПа	180–227
Температура рекристаллизации, ° С	640
Температура горячей деформации, ° С	1250–800
Температура литья, ° С	1500–1575
Температура отжига, ° С	750–900

Никель — остродефицитный металл. Его в больших количествах (около 80 %) используют для легирования сталей и медных сплавов, производства жаропрочных сплавов, материалов электровакуумной техники, никелирования, производства катализаторов. Металлургическая промышленность поставляет в виде катодов, слитков и гранул никель шести марок (ГОСТ 849–97), химический состав и назначение которых приведены в табл. 19.28.

Технически чистый никель производят в виде листов, полос, проволоки, труб, ленты и прутков для использования в приборо - и машиностроении. Такой никель называют полуфабрикатным и выпускают семи марок (ГОСТ 492–73) (табл. 19.29).

Анодный никель (используется для электроли-тических покрытий) изготавливают двух типов: непассивирующийся — марки НПАН и обыч-ный — марок НПА–1 и НПА–2. Аноды из НПАН растворяются при электролизе равномерно, без об-разования шлама и являются предпочтительными.

Механические и технологические свойства никеля зависят от содержания примесей, наиболее вредными из которых являются сера (особенно), висмут, сурьма, цинк и свинец. Сера практически не растворима в твердом никеле и образует сульфидную эвтектику, которая плавится при 645 ° С и вызывает горячеломкость. В никеле, подвергаемом горячей прокатке, допускается не более 0,015 % серы, 0,002 % свинца и 0,002 % висмута.

Никель хорошо поддается любым видам сварки, легко паяется мягкими и твердыми припоями.

Коррозионные свойства никеля высокие благодаря образованию на его поверхности тонкой и плотной защитной пленки. Никель весьма стоек в атмосфере, пресной и морской воде, растворах многих солей, щелочах. Сухие газы — галогены, оксиды азота, сернистый газ и аммиак — при комнатной температуре не вызывают коррозию никеля.

Никелевые сплавы

Стандартные никелевые сплавы можно условно разделить на четыре группы: низколегированные для электротехнических целей, термоэлектродные (хромель, копель), коррозионностойкие (монель–металл) и жаростойкие (нихром и ферронихром). Легирующими элементами в этих сплавах являются алюминий, кремний, марганец, хром, медь и железо. В данном случае будут рассмотрены только первые две группы (монель-металл будет рассмотрен ниже). Жаропрочные никелевые сплавы рассматривались в гл. 12.

Марки, химический состав и назначение никелевых сплавов приведены в табл. 19.30.

Никелевые сплавы при высоких температурах не стойки в серосодержащей атмосфере. При нагреве во время горячей и термической обработок нельзя пользоваться мазутом и другим топливом, содержащем более 0,5 % серы.

Никелевые сплавы хорошо свариваются и паяются. Горячую обработку давлением проводят при температурах 1100–850 ° С (НК0,2), 1200–900 ° С (НМц2,5, НМц5), 1250–1000 ° С (НМцАК2-2-1, НХ9,5). Применяется термическая обработка — отжиг, который проводят при температурах 800–900 ° С.

В машиностроении применяют стандартные полуфабрикаты в виде плоского и круглого проката.

Таблица 19.28

Марки, химический состав (%) и назначение никеля (ГОСТ 849–97)

Марка	Ni + Co	Co	Примеси, не более											Примерное назначение
C	Mg	Al	Si	P	S	Mn	Fe	Cu	Zn	Другие
Н-0	99,99	0,005	0,005	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,002	0,001	0,00005	0,0005 As; 0,0003 Cd; 0,0003 Sn; 0,0003 Sb; 0,0003 Pb; 0,0003 Bi	Для анодов, полуфабрикатов и никелевых сплавов высокой чистоты
Н-1у	99,95	0,10	0,01	0,001	–	0,002	0,001	0,001	–	0,01	0,015	0,001	0,001 As; 0,0005 Cd; 0,0005 Sn; 0,0005 Sb; 0,0005 Pb; 0,0005 Bi	Для высокопластичных высоколегированных никелевых сплавов и сталей
Н-1	99,93	0,10	0,01	0,001	–	0,002	0,001	0,001		0,02	0,02	0,001	0,001 As; 0,001 Cd; 0,001 Sn; 0,001 Sb; 0,001 Pb; 0,0006 Bi	Для анодов, никелевых сплавов и полуфабрикатов
Н-2	99,8	0,15	0,02	–	–	0,002	–	0,003	–	0,04	0,04	0,005	0,01 Pb	Для высокопластичных высоколегированных никелевых сплавов и сталей
Н-3	98,6	0,7	0,01	–	–	–	–	0,03	–	–	0,6	–	–	Для легирования сталей и твердых сплавов
Н-4	97,6	0,7	0,15	–	–	–	–	0,04	–	–	1,0	–	–

Примечание. Знак «–» в графах химического состава обозначает, что примесь не регламентирована.

Таблица 19.29

Марки, химический состав (%) и назначение полуфабрикатного и анодного никеля

Марка	Ni + Co, не менее	Примеси, не более													Все изделия	Примерное назначение
Fe	Si	Mg	Mn	Cu	Pb	S	С	P	Bi	As	Другие	Всего
Никель полуфабрикатный (ГОСТ 849–97)
НП1	99,9	0,04	0,03	0,01	0,002	0,015	0,001	0,001	0,01	0,001	0,001	0,001	0,001 Sb; 0,005 Zn; 0,001 Cd; 0,001 Sn	0,1	Проволока, прутки, ленты, листы, полосы	Для деталей специального назначения
НП2	99,5	0,10	0,15	0,10	0,05	0,10	0,002	0,005	0,10	0,002	0,002	0,002	0,002 Sb; 0,007 Zn; 0,002 Cd; 0,002 Sn	0,5	Для приборостроения и машиностроения
НП3	99,3	0,15	0,15	0,10	0,20	0,15	–	0,015	0,15	–	–	–	–	0,7
НП4	99,0	0,30	0,15	0,10	0,20	0,15	–	0,015	0,10	–	–	–	–	1,0
Никель анодный (ГОСТ 849–97)
НПАН	99,4	0,10	0,03	–	0,05	0,01–0,10	–	0,002–0,01	–	–	–	–	0,03–0,3 О2	0,6	Полосы, овальные стержни	Для электролитического покрытия
НПА1	99,7	0,10	0,03	0,10	0,10	0,1	–	0,005	0,02	–	–	–	–	0,3	Полосы, овальные стержни
НПА2	99,0	0,25	0,15	0,10	0,15	0,15	–	0,005	0,10	–	–	–	–	1,0

Примечание: Знак «–» в графах химического состава обозначает, что примесь не регламентирована.