Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

Монель-металл применяется для изготов­ ления деталей, работающих в различных агрес­ сивных средах (пар, растворы солей, щелочей и кислот): рабочие колеса насосов, корпуса, кла­ паны, тройники, втулки, краны и т.п. Монельметалл обладает хорошей стойкостью к окис­ лению при температурах до 750 °С.

5.2.4. Сплавы системы Cu-Ni-Zn-(Pb) (нейзильберы)

Нейзильберы - это сплавы тройной сис­ темы Cu-Ni-Zn, содержащие 8...30%Ni и 12...

45 % Zn. По структуре и свойствам сплавы системы Cu-Ni-Zn занимают промежуточное место между медно-никелевыми сплавами и латунями. Это, в частности, проявляется в том, что нейзильберы, как и латуни, могут быть однофазными а-сплавами и двухфазными - со

Рис. 5.12. Проекция поверхности ликвидуса (а) и изотермические разрезы диаграммы состояния системы Cu-Ni-Zn при температурах

775°С (б) и 20°С(в)

структурой а + р. Как следует из рассмотрения изотермических разрезов при 20 и 775 °С трой­ ной диаграммы состояния системы Cu-Ni-Zn (рис. 5.12), двухфазные а + р нейзильберы - это высоколегированные сплавы с очень боль­ шим содержанием цинка.

Характерная особенность химического состава сплавов тройной системы Cu-Ni-Zn (рис. 5 .1 2 , б, в) заключается в том, что появле­ ние второй фазы р (или Р') не зависит от со­ держания никеля или суммарного количества никеля и цинка, а определяется в основном только содержанием цинка в сплавах. Это свя­ зано с тем, что линия сольвуса Р- и р'- фаз на изотермических сечениях диаграммы состоя­ ния системы Cu-Ni-Zn проходит почти парал­ лельно стороне Cu-Ni концентрационного тре­ угольника. Нейзильберы становятся двухфаз­ ными сплавами со структурой а + Р только при содержании цинка более 30...35 %.

В системе Cu-Ni-Zn имеется обширная область твердых растворов. Все отечественные нейзильберы (см. табл. 5.5), в том числе и ши­ роко применяющийся в промышленности сплав МНЦ15-20, находятся в области а-раствора тройной системы Cu-Ni-Zn (рис. 5.12, б, в) и имеют однофазную структуру. Нейзильберы с двухфазной а + Р структурой пока не нашли применения в России.

Большинство трехкомпонентных нейзильберов, имеющихся в стандартах США, Германии, Франции, Японии, Великобритании и других стран (см. табл. 5.4, 5.19) являются также однофазными сплавами со структурой a-твердого раствора. Имеются лишь отдельные марки нейзильберов в стандартах США, Фран­ ции и Канады, которые являются двухфазными а + р-сплавами: С77000, С77400 (США), IN838 (Канада), VZ45N9, VZ45N15 (Франция).

Свойства сплавов системы Cu-Ni-Zn на­ ходятся в прямой зависимости от химического состава. Нейзильберы обладают сравнительно высокой устойчивостью к коррозии, хорошо полируются, на них хорошо наносятся гальва­ нические покрытия. Цинк упрочняет медно­ никелевые сплавы и снижает их стоимость. Определяющее влияние на цвет, стойкость к потускнению и коррозии оказывает содержа­ ние никеля: с его увеличением коррозионная стойкость повышается.

Сплавы, содержащие 10...18%Ni и бо­ лее, обладают хорошей стойкостью против коррозии в атмосферных условиях и в морском климате, стойки в пресной и морской воде, в

СПЛАВЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

1

С7521

С7541

С7701 CuNil2Zn24 (2.0730) CuNil8Zn27 (2.0742) CuNil8Zn20 (2.0740)

IN836

VN22Z18

VN26Z18

VZ22N15

VZ22N18

VZ25N15

VZ27N10

VZ27N18

VZ28N9

VZ45N9

VZ45N15

С79200

6

0 , 1 0

0 , 1 0

0 , 1 0

0,03

0,03

0,03

-

0,05

0,05

0,05

0,05

0 , 1 0

0 , 1 0

0 , 1 0

0 , 1 0

0 , 1 0

0 , 1 0

СПЛАВЫ НИКЕЛЕВЫЕ-МЕДНО

СПЛАВЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

растворах щелочей (КОН, NaOH), однако под­ вержены заметной коррозии в среде гидрооки­ си аммония и других аммиачных соединений, а также быстро разрушаются в окисляющих не­ органических кислотах. Нейзильберы, содер­ жащие 10... 12 % Ni, имеют желтоватый отте­ нок, при содержании никеля > 1 2 % они при­ обретают красивый серебристый цвет [47, 92, 104].

Однофазные а- и двухфазные а + р-сплавы существенно различаются по свойствам, меха­ низмам упрочнения и режимам термомехани­ ческой обработки с целью получения высоких прочностных свойств и характеристик упруго­ сти.

Для однофазных сплавов единственным способом упрочнения является холодная пла­ стическая деформация, которая обычно прово­ дится в сочетании с низкотемпературным от­ жигом при 150...300 °С.

Типичным представителем однофазных сплавов является отечественный сплав МНЦ15-20. Нейзильбер со структурой а-раство-

а в,

Рис. 5.13. Механические свойства нейзильбера МНМц15-20 при высоких температурах (92|

ра легко обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях. Главная проблема при горячей деформации связана с тем, что слитки однофазных сплавов обычно имеют столбча­ тую структуру с крупным макрозерном (транс­ кристаллизация) и, как следствие, узкий интер­ вал пластичности (800...900°С). Наиболее резкое снижение пластичности нейзильберов наблюдается при температурах 500...600 °С. Поэтому при горячей обработке давлением этих сплавов необходимо строго соблюдать температурные режимы деформирования, а также применять металлургические методы для измельчения зерен: легирование микродобав­ ками - модификаторами, выбор оптимальных размеров слитка, режимов нагрева, схемы пла­ стической деформации и т.д.

Нейзильберы легко поддаются прокатке, волочению, глубокой штамповке, чеканке, что позволяет их деформировать в холодном со­ стоянии с суммарным обжатием выше 90 %.

Из нейзильбера МНЦ15-20 изготовляют различные полуфабрикаты (листы, ленту, по­ лосы, тянутые и катаные прутки и др.), меха­ нические свойства которых представлены в табл. 5.9.

Нейзильберы типа МНЦ15-20 отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе и обладают достаточно высокими механическими свойствами и высокой корро­ зионной стойкостью, не охрупчиваются при отрицательных температурах (табл. 5.20), дос­ таточно резко разупрочняются при нагреве до высоких температур (рис. 5.13).

Эти сплавы применяются для изготовле­ ния деталей приборов, пружин и арматуры, работающей во влажной и коррозионно-актив­ ной среде. Материал хорошо соединяется пай­ кой и сваркой.

Возможность изготовления из нейзильбе­ ра МНЦ15-20 наиболее ответственных деталей приборов - пружин обусловлена тем, что этот сплав достаточно резко упрочняется при хо-

лодной пластической деформации (рис. 5.14). Причем особенно важно отметить, что сущест­ венно повышается не только твердость (HV) и прочность (ав), но и специфические характери­ стики, необходимые для пружин: предел упру­ гости (а00 0 5 ), релаксационная стойкость, проч­ ность при испытаниях на усталость.

Для получения максимально упрочненно­ го состояния (особо твердое), необходимого для пружин, отожженные полуфабрикаты под­ вергают холодной деформации с обжатием 60...80% и последующим низкотемператур­ ным дорекристаллизационным отжигом После такой обработки нейзильбер МНЦ15-20 имеет

5 = 0,5... 1,5 %; Е = 100... 125 ГПа; 230...270 HV Однако, как показывают линии равных значений предела упругости (рис. 5.15), эти значения механических свойств не являются предельными даже для нейзильберов с одно­ фазной структурой а-раствора: при увеличении концентрации легирующих компонентов предел

упругости может быть существенно повышен. В табл. 5.6...5.9 приведены физические,

механические, технологические свойства и режимы обработки отечественных нейзильбе­ ров и их зарубежных аналогов.

Нейзильберы с двухфазной а + р-структу- рой - это, как уже отмечалось, сплавы системы Cu-Ni-Zn с очень высоким содержанием цинка (более 30...35 %). Представителем этой группы сплавов является нейзильбер IN836 (Канада) с номинальным содержанием 15 %Ni и 37,5 %Zn (табл. 5.19). Как следует из изотермических разрезов тройной системы Cu-Ni-Zn (см. рис. 5.12) сплав с таким количеством цинка является двухфазным а + р, где а - это твердый раствор цинка и никеля в меди с ГЦК решеткой, а р-фаза - это твердый раствор никеля в фазе р из двойной системы Cu-Zn с ОЦК решеткой (типа CsCI). Изменение температуры нагрева приводит к изменению соотношения объемных долей а- и p-фаз в сплаве. Такую особенность термического воздействия на структуру двух­ фазных нейзильберов используют для получе­ ния оптимального соотношения а- и Р-фаз.

Двухфазные сплавы лучше обрабатыва­ ются давлением в горячем состоянии, одно­ фазные - в холодном. При содержании в спла­ ве от 30 до 70 % a-фазы они пластичны как в холодном, так и в горячем состоянии. Считает­ ся, что оптимальным условием пластичности является равное количества а- и P-фаз в струк­ туре сплава.

HV

200

180

мкбм-м

160 -|0.30

140 -0,28

120 0,26

100 -0,24

80 0,22

60 - 0,20

Рис. 5.14. Зависимость механических свойств и удельного электросопротивления нейзильбера МНЦ15-20 от степени деформации. Исходный материал - отожженные при 790 °С

в течение 2 ч мягкие полосы [92]

Ni. %

Рис. 5.15. Линии равных значений предела упругости Оо,ног сплавов системы Cu-Ni-Zn |72]

Высокие степени деформации (более 80 %) в сочетании с низкотемпературным от­ жигом (150...350 °С) обеспечивают получение высоких прочностных свойств однофазных нейзильберов. Для получения высоких механи­ ческих свойств нейзильберов с двухфазной а + p-структурой (типа IN836) их подвергают сложной термомеханической обработке, назы­ ваемой микродуплекс (microduplex). Двойная обработка обеспечивает получение сверхмел­ кого зерна после закалки и холодной пластиче­ ской деформации с заданным обжатием для развития рекристаллизации при температуре старения [72].

Во время старения одновременно проис­ ходит перекристаллизация р Д а и развиваются процессы рекристаллизации. Частицы р-фазы, с одной стороны, облегчают зарождение рекристаплизованных зерен a-фазы, с другой, - тормозят их рост при собирательной рекри­ сталлизации из-за наличия межфазной границы p/а. В итоге структура сплава характеризуется сверхмелким зерном с мельчайшими выделе­ ниями частиц второй фазы, что обеспечивает улучшение механических свойств, особенно сопротивления усталости.

Режимы термомеханической обработки двухфазных нейзильберов с а + p-структурой

для получения ультрамелкого зерна (микроду­ плекс) зависят от химического состава сплавов и являются предметом специальных исследо­ ваний для каждой марки сплава.

В табл. 5.21 приведено сопоставление свойств четырех марок нейзильберов. Сплавы С74500, С75200, С73500, содержащие соответ­ ственно 10 % Ni; 25 % Zn, 18 %Ni; 17%Zn и 17% Ni; 11 %Zn, являются типичными пред­ ставителями нейзильберов с однофазной структурой а-раствора. Сплав IN836, содержа­ щий 15% Ni, 35%Zn, является двухфазным нейзильбером с а + p-структурой.

Из табл. 5.21 следует, что двухфазный нейзильбер IN836 после обработки с получени­ ем ультрамелкозернистой структуры (microdu­ plex) (холодная деформация со степенью 90% и отжиг (старение) при температуре 500°С) по механическим свойствам (ав = 690 МПа; а0 2 = = 560 МПа; 6 = 24 %) существенно превосхо­ дит нейзильберы С74500, С75100 и С73500 с однофазной структурой.

Сплавы системы Cu-Ni-Zn-Mn (марганцевые нейзильберы). В промышленности зарубежных стран нашли применение нейзиль­ беры, дополнительно легированные марганцем. Марганец повышает пластичность сплавов Cu-Ni-Zn при горячей обработке давлением и одновременно увеличивает их сопротивление пластической деформации. Марганец умень­ шает растворимость цинка в меди, поэтому при

ный марганцевый нейзильбер QjNiWZn33Mn4 (нейзильбер 10) применяется в Болгарии. В России сплавы системы Cu-Ni-Zfl-Mn не при­

меняются.

В двухфазных марганцевых нейзильберах высокие механические свойства П0ЛУчают по­

сле такой же термомеханической обработки, как и в трехкомпонентных сплавах системы Cu-Ni-Zn с двухфазной а + P-структурой, с применением холодной деформации с высоки­ ми степенями обжатия (более 85 %) и после­ дующим отжигом при температуре 460...520 °С для получения структуры с ультрамелким зер­ ном (microduplex).

Сплав IN629 (CuNil5Zn28Mnl3) применя­ ется для изготовления пружин. После термоме­ ханической обработки он обладает высокими механическими свойствами: ав= 1070 МПа; а0 , 2 = 970 МПа; 8 = 2 %; а., = 420 МПа при 107 циклах, Е = 107 ГПа. Этот сплав обладает наи­ более высоким по сравнению другими медными сплавами, используемыми для изготовления пружин, отношением предела текучести к мо­ дулю нормальной упругости (а02/£ = 9,М0“3)

[ Ю 4 ] .

Производимый в Болгарии двухфазный а + Р-сплав CuNilOZn33Mn4 (нейзильбер 10) после обработки на максимальную прочность имеет: ав = 1070 МПа; 8 = 0,4 %; 280 НВ. Температура горячей деформации составляет 650...750°С. Сплав удовлетворительно обра­ батывается в горячем и хорошо в холодном состоянии, выдерживает при холодной дефор­ мации суммарное обжатие более 80 %.

Свинцовые нейзильберы системы Cu-Ni-Zn-Pb. Свинец в нейзильберы вводят главным образом для улучшения обрабатывае­ мости резанием. Свинец практически не рас­ творяется в основных фазах нейзильберов - в а- и p-растворах - и располагается в виде дис­ персных частиц в объеме зерен и по их грани­ цам. Свинцовые нейзильберы из-за присутст­ вия в структуре изолированных включений свинца отлично обрабатываются резанием с образованием сыпучей стружки, детали из них можно изготовлять на станках-автоматах при высоких скоростях резания.

Свинец также улучшает антифрикцион­ ные свойства, поэтому свинцовые нейзильберы применяются для деталей, работающих на тре­ ние. Включения нерастворимого свинца в од­ нофазных нейзильберах с a-структурой не по­ зволяют проводить их горячую прокатку. Двухфазные а + Р-нейзильберы, наоборот, хо­ рошо деформируются в горячем состоянии. За счет перекристаллизации а —>Р при нагреве под горячую деформацию включения свинца находятся внутри P-зерен, а не на границах, как в нейзильберах с a-структурой, и их оплавле­ ние уже не так опасно. По влиянию свинца на технологические свойства наблюдается полная аналогия со свинцовыми латунями.

В стандарте России (ГОСТ 492-73) име­ ется только одна марка свинцового нейзильбе­ ра - сплав МНЦС16-29-1,8. По структуре он относится к а-сплавам с включениями свинца (а + РЬ), обрабатывается давлением лишь в холодном состоянии, так как свинец вызывает горячеломкость. При холодной прокатке (50...60 °С) обжатие за проход составляет 10 % и более.

Сплав МНЦС 16-29-1,8 отличается хоро­ шей обрабатываемостью резанием, обладает высокой коррозионной стойкостью, красивым серебристым цветом, хорошими механически­ ми свойствами. Применяется для изготовления деталей часовых механизмов. Свойства и ре­ жимы обработки свинцового нейзильбера МНЦС 16-29-1,8 приведены в табл. 5.6...5.9.

В стандартах зарубежных стран номенк­ латура свинцовых нейзильберов более разно­ образна. Такие сплавы применяются в США, Германии, Японии, Франции, Великобритании, Швейцарии, Канаде и ряде других стран. Хи­ мический состав некоторых марок свинцовых нейзильберов приведен в табл. 5.19. Наиболь­ шее число марок свинцовых нейзильберов производят в США. По фазовому составу они

могут быть как однофазными а-растворами с включениями свинца (а + Pb): С76300, С79200, С79000 (США); VZ26N9Pbl и VZ20N15Pbl (Франция); С7941 (Япония); CuNil8Znl9Pbl (Германия), так и двухфазными (а + Р) с вклю­ чениями свинца: С79900 и С79830 (США), CuNilOZn42Pb (Германия), NS101 (Великобри­ тания).

Из этих сплавов изготовляют различные деформированные полуфабрикаты: полосы, ленты, прутки, профили, проволоку и др. Они обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в пресной и морской воде, щелочах, но ускоренно корродируют в окисляющих неорганических кислотах, во влажном аммиаке и его растворах. Детали из них соединяют мягкими и твердыми припоями и сваркой.

Свойства и режимы обработки некоторых марок свинцовых нейзильберов, применяемых за рубежом, приведены в табл. 5.22.

Свинцовые нейзильберы системы Cu-Ni- Zn-Mn-Pb. Легирование двухфазных с а + Р- структурой свинцовых нейзильберов системы Cu-Ni-Zn-Pb марганцем повышает их способ­ ность к горячей обработке давлением.

Стандартные сплавы системы Cu-Ni-Zn- Mn-Pb применяются в Германии и Швейцарии (CuNi6Zn35Mn8Pb) и (CuNi7Zn39Mn5Pb3 (2.0771)), США (С79600) и Канаде (IN648). Подобные нейзильберы в России не произво­ дят.

Из этих сплавов производят прутки, про­ фили, полосы, проволоку и другие дефор­ мированные полуфабрикаты. Сплавы системы Cu-Ni-Zn-Mn-Pb применяют для изготовления приборов электроники, деталей часов, оправ для очков, хирургических и музыкальных ин­ струментов и других деталей, обрабатываемых резанием. Для соединения деталей применяет­ ся пайка мягкими припоями и сварка. Сплавы системы Cu-Ni-Zn-Mn-Pb хорошо полируют­ ся, обладают хорошей способностью к нанесе­ нию гальванических покрытий и плакировоч­ ного слоя. Коррозионная стойкость аналогична другим свинцовым нейзильберам.

В табл. 5.23 приведены свойства и режи­ мы обработки двух сплавов CuNi6Zn35Mn8Pb (Германия, Швейцария) и IN648 (Канада) с номинальным содержанием компонентов: со­ ответственно 6 % Ni; 35 % Zn; 8 % Mn; 1 % Pb; Си - основа и 14 % Ni; 40%Zn; 4%Mn; 1,5 % Pb; Си - основа.