ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МІДІ ТА СПЛАВІВ НА ЇЇ ОСНОВІ

Чиста мідь має високу пластичність, електричну та теплопровідність. З чистої міді виробляють електричні проводи, кабелі, дріт, фольгу, деталі приладів і електричних машин.

У машинобудуванні використовують сплави міді із цинком, оловом, алюмінієм, залізом, кремнієм, манганом, нікелем, свинцем. Легування міді підвищує її механічні, технологічні та антифрикційні властивості. Приблизно 75% міді витрачається на сплави. Сплави на мідній основі об'єднуються у дві основні групи: латуні та бронзи. Сплави міді із цинком називають латунями. Бронза це сплави міді з іншими елементами, до складу яких може входити у невеликій кількості і цинк.

Латуні за структурою поділяються на однофазні та двохфазні. Якщо вміст цинку не перебільшує 39%, то латунь має однофазну структуру, яка складається із кристалів твердого розчину цинку у міді, так звану a-латунь. При більшому вмісту цинку у сплавах утворюється двофазна структура, яка складається із зерен твердого розчину a і зерен твердого розчину на базі сполуки Cu Zn, так звана b-латунь. Появлення у структурі більш міцної й крихкої b-фази сприяє підвищенню міцності, але знижує пластичність латуні. Дальше підвищення вмісту цинку приводить до утворення інших крихких фаз, тому сплави з вмістом цинку понад 45% у практиці не застосовується.

Однофазні латуні гарно обробляються тиском у гарячому та холодному станах.

Двофазні мають більш високу міцність та зносостійкість, але мало пластичні у холодному стані, їх піддають гарячій обробці тиском.

Латуні погано обробляються різанням. Для покращення різанням у складі латуні додають свинець у невеликій кількості. Для підвищення механічних, технологічних властивостей, корозійної стійкості та інших до складу латуней додають легуючі елементи – нікель, олово, кремній та інші. Такі латуні називають спеціальними.

Маркують латуні літерою Л і цифрою, яка вказує вміст міді у сплаві, решта цинк. У марках спеціальних латунях є літери, які позначають легуючий елемент. Перші дві цифри, що стоять за літерами, вказують середній вміст міді, а наступні – вміст інших елементів. вміст цинку становить різниця до 100% Л80 – латунь; Cu – 80%; решта Zn.

За технологічними властивостями, латуні поділяють на ливарні, із яких виготовляють фасонні виливки і деформівні, із яких виготовляють вироби прокатуванням, волочінням, пресуванням. Наклепані (нагартовані) латуні у присутності вологи, кисню, водню – розтріскуються. Для того щоб цього не відбувалось, латуні підпалюють при температурі 500-700.

У таблиці 10 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування латуней.

Таблиця 10

Бронзи

Із бронзи у давні часи виготовляли зброю, інструменти, посуд, прикраси, тому що ці сплави міцніші і корозіонно-стійкі, ніж мідь.

Завдяки відмінним ливарним якостям у більш пізніші часи почали виливати гармати та колоколи. Малий коефіцієнт тертя і стійкість на зношення дозволяють використовувати їх при виготовленні вкладишів підшипників, черв'яків і черв'ячних коліс, шестерень і інших деталей відповідальних і точних приладів.

Маркують бронзи літерами Бр (бронза). За ними ставлять літери, що позначають легуючи елементи і цифри, які вказують вміст цих елементів. Цифри, які вказують вміст міді не ставляться, їх визначають по різниці до 100% (решта).

Бронзи розрізняють прості олов'янисті, та спеціальні, безолов'янисті бронзи.

Олов'яністі бронзи за структурою є одно та двофазні. Бронзи, які вміщують до 5% Sn, однофазні, при більшому вмісту олово, структура стає двофазною. Однофазні бронзи застосовують дуже рідко, у стандартних ливарних бронзах вміст олова не перевищує 6%, деформовані бронзи вміщують до 8% Sn. При більшому вмісту олова, сплав стає крихким. Тимчасовий опір розриву збільшується із збільшенням вмісту олова у бронзі до 20%. При ще більшій концентрації олова – тимчасовий опір різко зменшується.

Обробці тиском піддають тільки однофазні бронзи, із вмістом не більше 6% Sn. Ці бронзи піддають рекристалізаційний відпал при температурі 650 градусів Цельсія – як проміжна операція при холодній обробці тиском або заключна операція для надання готовим напівфабрикатом (стрічкам, листам, тощо) необхідних властивостей.

Олов'янисті бронзи мають гарні властивості, їх застосовують для фасонних виливок.

Бронзи, особливо двофазні, мають підвищені антифрикційні властивості. Тому їх використовують для виготовлення виробів з антифрикційними властивостями.

Бронзи з великим вмістом олова, який коштує дуже дорого, змінюють на більш дешеві бронзи, у які додають цинк або свинець. До того ж, свинець покращує обробляємость різанням.

У олов'янисті бронзи додають також фосфор, який є розкислювачем та покращує ливарні властивості.

У таблиці 11 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування олов'янистих бронз.

Таблиця 11

Алюмінієві бронзи, які вміщують до 9% Al, уявляють собою твердий розчин алюмінію у міді і є однофазні. Бронзи із більшим вмістом алюмінію є двофазними.

Якщо кількість алюмінію у бронзах не перевищує 5%, такі сплави мають велику пластичність, при підвищенні вмісту – різко зменшується. При вмісту алюмінію до 10%, підвищується міцність. Такі бронзи обробляються тільки тиском при високих температурах. Поряд із цим бронзи мають підвищені ливарні властивості і їх застосовують для фасонних виливок. Алюмінієві бронзи стійкі діям корозії.

У таблиці 12 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування алюмінієвих бронз.

Таблиця 12

Кремнисті бронзи мають кращі механічні властивості ніж олов'янисті і до того ж коштують менше. Крім того такі бронзи мають підвищену стійкість діям корозії у агресивних середовищах, особливо у лугах.

У промисловості використовують однофазні кремнисті бронзи, які мають підвищену пластичність.

У таблиці 13 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості та застосування кремнистих бронз.

Таблиця 13

Берилієві бронзи вміщують 2 – 2,55 Be, мають найкращий комплекс властивостей із усіх бронз. Крім того механічні властивості бронзи значно підвищуються після термічної обробки – загартування з температурою 760 – 820 у воді і старінні при температурі 300.

Берилієві бронзи використовують для виготовлення деталей, які повинні мати високу електропровідність, мембрани, пружини, деталі електроапаратури та електронної техніки, деталі та інструменти які не дають іскри.

У таблиці 14 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості берилієвих бронз.

Таблиця 14

Марганцевиста бронза БрМц 5 зберігає свої властивості при підвищених температурах t=450^оС, її застосовують для виготовлення напрямних втулок, сідел клапанів та інші.

Свинцевиста бронза вміщує до 30% Pв.

Свинець і мідь у твердому стані не розчинені один у одному, тому мікроструктура бронз складається із кристалів більш твердішою міді і м'якого свинцю. Це забезпечує підвищені антифрикційні властивості сплаву.

Механічні властивості свинцовистих бронз невисокі, і їх використовують для виготовлення вкладишів підшипників механізмів, які працюють з великими швидкостями і при підвищених тисків.

Недолік свинцовистих бронз – схильність до ліквації.

У таблиці 15 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості свинцовистих бронз.

Таблиця 15

Антифрикційні (підшипникові) сплави застосовують для заливки вкладенів підшипників. Ці сплави повинні мати достатню твердість, але невисоку, щоб не було великого зношення вала, порівнянно легко деформуватися під впливом місцевих напруг, тобто бути пластичним, утримувати мастило на поверхні, мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником. Крім того, температура плавлення цих сплавів не повинна бути високою і вони повинні мати високу теплопровідність і стійкість діям корозії.

Із метою забезпечення цих властивостей структура антифрикційних сплавів повинна складатися із м'якої пластичної основи та включень більш твердіших часток. При обертах вал спирається на тверді частки які забезпечують зносостійкість, а основна маса, яка зношується швидше, приробляється до валу і утворює сітку мікроскопічних каналів, по яким циклує мастило і виносяться відпрацьовані продукти.

Маркують бабити літерою Б з числом що вказує на середній вміст олова у сплаві.

Букви Н, Т. К. Є – вказують на наявність у бабіті нікелю, телуру, кальцію, свинцю.

Бабіти мають низьку міцність та твердість, тому застосовуються у підшипниках які мають мідний, стальний, чавунний або бронзовий корпус. Тонкостінні підшипникові вкладені виготовляють штампуванням із біметалевої стрічки, яку одержують на лінії безперервного заливання. Підшипники великого діаметру заливають індивідуально стаціонарним або безцентровим литтям, або литтям під тиском.

Найкращі антифрикційні властивості мають бабіти на олов'янистій або свинцевистій основі, які застосовують для заливання підшипників та їх вкладенів.

Олов'яністі бабити містять не менше 72% Sn, олов'янисто-свинцевісті вміщують до 17% Sn і до 72% Pв, свинцевисті (безолов'яністі) вміщують до 80% Pв.

Залежно від умов роботи машини, швидкісної характеристики та температурного режиму роботи застосовують антифрикційні сплави на алюмінієвій, мідній, цинковій та інших основах, антифрикційні чавуни, пористі металокерамічні сплави, пластмаси, пластифіковану деревину.

Олов'янисті бабіти використовують тільки у відповідальних вузлах тертя парових турбін, турбокомпресорів, потужних електродвигунів.

Свинцевисті бабіти для менш навантажених підшипників.

Алюмінієві антифрикційні сплави застосовують як змінники олов'янистих бабітів та бронз тому, що мають високу межу міцності. До недоліків алюмінієвих антифрикційних сплавів належить високий коефіцієнт лінійного розширення, тому їх не можна використовувати у роботі де потрібна точність.

Антифрикційні і механічні властивості бабітів підвищують завдяки введення у склад нікелю, кадмію, арсену, кальцію.

Міцність бабітів s_мц=60-120 Мпа, НВ=13-35, невисоку температуру плавлення t^o=220-320^оС.

У таблиці 16 приведені деякі марки, хімічний склад та застосування антифрикційних сплавів.

Таблиця 16

Цинкові антифрикційні сплави крім алюмінію та міді, вміщують
0.03-0.6% Mg. У виливках їх застосовують для монометалевих вкладень, втулок, ползунів – ЦАМ 10-5, ЦАМ 9.5-1.5.

Сплав ЦАМ 10-5 також для виливок біметалевих виробів із стальним
корпусом.

У деформованому вигляді сплав ЦАМ 9.5-1.5 використовують для одержання біметалевих колес із сталлю і алюмінієвими сплавами методом прокатування та подальшому штампуванню вкладенів.

Ці сплави мають високі антифрикційні властивості та достатню міцність, тому ці сплави заміняють бронзи для вузлів тертя, температура яких перевищує 100^оС.

Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підшипників ковзання, які працюють при великих навантаженнях, але малих швидкостях ковзання; підшипників, які працюють при підвищених тисках і швидкостях ковзання до 5-ти м/се.

Антифрикційні чавуни поділяються на сірі (АСЧ-1; АСЧ-2; АСЧ-3), ковкі (АКЧ-1; АКЧ-2) і високоміцні (АВЧ-1; АВЧ-2), твердість близько НВ 160-260 і характеризуються підвищеним вмістом графіту. Графіт є мастилом, а збираючи масло ще більш ніж зменшує коефіцієнт тертя і сприяє підвищенню зносостійкості тертьової пари деталей.

Задачі по вибору марки кольорового сплаву для конкретних деталей
в залежності від умов їх роботи, а також вибору методів виготовлення деталей.

1. Деталі арматури турбін і котлів гідронасосів працюють у вологій атмосфері і виготовляються масовими партіями методом лиття. Деталі мають складну форму і високу точність розмірів.

Підберіть кольоровий сплав для цієї деталі, метод виготовлення з обґрунтуванням, та яку сталь застосовують для виготовлення форм.

2. Трубки у паросиловому обладнанні, які повинні бути також корозійностійкі. Підберіть марку необхідного сплаву, із якого можна виготовляти труби які не вміщують дорогих елементів.

Виберіть та обґрунтуйте метод виготовлення трубок та порівняйте механічні властивості обраного кольорового сплаву із механічними властивостями сталі, яка має корозійностійкість у тих же умовах.

3. Необхідно виготовити зубчасті колеса із кольорового сплаву, який стійкий діям води та пари і який має невеликий коефіцієнт тертя. Межа міцності не нижче 340 МПа.

Обґрунтувати свій вибір і пояснити, чому не можна застосовувати нержавіючу сталь, яка стійка діям корозії в умовах води і пару. Вибрати та обґрунтувати метод виготовлення зубчастих коліс.

4. Деталі літаків: вижилі, стояки, педалі і тому подібні деталі виготовляють із сплаву який має гарні ливарні властивості і який крім цього, гарно обробляється різанням. Межа міцності повинна бути не нижче 220 МПа.

Обґрунтуйте свій вибір і поясніть чому не можна застосовувати сталь із такими властивостями.

Виберіть та обґрунтуйте метод виготовлення деталей.

5. Вкладені корінних і шатунних підшипників двигунів внутрішнього згорання, виготовляють із сплаву, який має високі антифрикційні властивості.

Виберіть сплав, обґрунтуйте свій вибір. Вкажіть чинники гарної їх роботи в умовах зносу, вкажіть сплави, які застосовують для заливання підшипників.

Виберіть та обґрунтуйте метод заливання підшипників.

6. Вкладені підшипники ковзання для залізничних вагонів виготовляють із сплаву, який має невисоку ціну і високі антифрикційні властивості.

Виберіть сплав, обґрунтуйте свій вибір. Вкажіть чинники за якими сплав підходить. Виберіть та обґрунтуйте метод заливання підшипників.

7. Вкладені важконавантажених підшипників ковзання для ескалаторів, екскаваторів, парових турбін і тому подібних виробів, виготовляють із сплаву, який має високі антифрикційні властивості.

Виберіть сплав, обґрунтуйте свій вибір. Вкажіть чинники за якими сплав підходить. Виберіть та обґрунтуйте метод заливання підшипників.

8. Деталі для годинників, які обробляють на верстатах із програмним керуванням.

Виберіть сплав який дозволяє одержати при обробці чисту поверхню і високу продуктивність. Порівняйте механічні властивості вибраного сплаву із аналогічними властивостями латуні високої в'язкості. Охарактеризуйте легуючі елементи, які надають сплавові необхідні властивості при обробці різанням. Особливості сплавів, які обробляються на верстатах с ПК.

9. Зносостійкі зубчасті колеса, вагонні підшипники, які працюють в умовах великих навантажень. Вибрати марку кольорового сплаву, який має межу міцності не нижче 350-370 МПа і має гарні антифрикційні властивості.

Виберіть метод виготовлення і обґрунтуйте його.

10. Високоміцні, корозійностійкі і струмоведучі пружини для відповідальних приладів.

Виберіть необхідний сплав, який би задовольняв приведеним вимогам і обґрунтуйте свій вибір.

Виберіть і обґрунтуйте метод виготовлення.

11. Клапани для обладнання, яке працює у стічній воді. Вибрати марку кольорового сплаву, яка має високу корозійностійкість, гарно обробляється тиском і має високу міцність.

12. Безшовні труби опріснювального обладнання, які подають морську воду підігріту до 80-120^оС, доцільно для підвищення їх довготривалості із сплаву, який має значно вищу стійкість діям корозії у цих умовах, ніж у нержавіючих сталях. Вибрати необхідну марку кольорового сплаву і порівняйте його із властивостями нержавіючої сталі 09Х18Н9Т.

Виберіть і обґрунтуйте метод виготовлення безшовних труб.

13. Шестерні потужних кранів, які працюють на тертя при нагріванні до 500^оС, в умовах високих швидкостей и навантаженнях. Вибрати необхідний сплав, який би задовольняв вимоги до деталі і який має межу міцності не нижче 600 МПа. Обґрунтувати свій вибір виготовлення шестерні.

14. Вкладені втулок і повзунів, які заміняють дорогоцінну бронзу, у вузлах тертя і які працюють до t=100^оС. Вибрати і обґрунтувати вибір кольорового сплаву, який допускає прокатування спільно із стальною і алюмінієвою основою і подальшим штампуванням вкладенів.

Вибрати і обґрунтувати метод виготовлення заготовок.

15. Зварні бензинові і мастильні баки, для авіаційної промисловості, виготовляють із сплаву, від якого не вимагають високих механічних властивостей, але вони повинні бути легкі, пластичні, гарно зварюватися та мати підвищену стійкість діям корозії.

Вибрати сплав і обґрунтувати свій вибір, який би задовольняв вимогам і для порівняння приведіть марку сталі, яка стійка проти корозії у відповідному середовищі.

Виберіть і обґрунтуйте метод зварювання баків.

16. Радіаторні трубки виготовляють способом глибокого витягування. Вибрати сплав, який має високу пластичність, та вказати режими термічної обробки, які застосовують між окремими операціями витягування для підвищення пластичності, і навести для порівняння сталь із такими ж властивостями.

17. Головки циліндрів, поршні та інші деталі полегшених двигунів внутрішнього згорання. Вибрати сплав, який би задовольняв вимогам і витримував нагрівання до t=275^оС, має підвищену герметичність, та високі ливарні властивості. Обґрунтувати свій вибір.

Вибрати та обґрунтувати метод виготовлення деталі.

18. Трубопроводи і деталі для обладнання літаків, які виготовляють методом глибокого витягування. Вибрати сплав, який має малу вагу, підвищену пластичність. Вказати режими термічної обробки, які застосовують між окремими операціями витягування для підвищення пластичності, і навести для порівняння латунь із такими ж властивостями.

19. Профілі для авіації, які виготовляють методом порошкової металургії. Вибрати сплав, який би витримував температуру до 500^оС, мав би високу міцність і корозійну стійкість. Вказати перевагу порошкової металургії у порівнянні із іншими методами виготовлення заготовок.

20. Крупні (до 500 кг) фасонні виливки для ракет. Вибрати необхідний кольоровий сплав, який би мав високу жароміцність і жаростійкість, гарні ливарні властивості.

Виберіть і обґрунтуйте метод виготовлення відливки.

21. Поковки для агрегатів хімічної промисловості. Вибрати сплав, який має підвищені пластичність, міцність та корозійностійкість.

Вибрати та обґрунтувати метод виготовлення заготовок.

22. Деталі кріогенної техніки. Вибрати сплав, який має підвищені пластичність, зварювальність, малу вагу і підвищену міцність при наднизьких температурах.

Вибрати та обґрунтувати метод та особливості зварювання вибраного сплаву.

23. Обшиття надзвукового літака. Вибрати необхідну марку кольорового сплаву, обґрунтувати свій вибір.

Вибрати та обґрунтувати метод виготовлення обшиття.

24. Навантажені елементи конструкцій літаків, на які діє підвищене змінне навантаження, повинні працювати тривалий час без зміни властивості. Вибрати кольоровий сплав, який би задовольняв цим вимогам, обґрунтуйте свій вибір.

Вибрати та обґрунтувати метод виготовлення елементів.

25. Деталі коліс літаків, які мають складну форму та не відчувають великих механічних навантажень. Вибрати кольоровий сплав, який використовують для середньо-навантажених деталей, які мають гарні ливарні властивості. Обґрунтувати свій вибір.

Вибрати та обґрунтувати метод виготовлення деталей коліс.