Медь и сплавы на основе меди

Все хромистые стали подвергают закалке с 1000— 1100° С с последующим отпуском (для сталей ферритного класса —при 700—750° С, мартенситного класса 200—250° С).

Стали ферритного класса при нагреве не испытывают превращений, поэтому термическую обработку проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.

ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Никель относится к числу металлов, легко приобретающих пассивность, хотя его пассивирующая способность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8  моля скачкообразно улучшает коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля 2/8  моля коррозионная стойкость повышается еще больше.

Никель — аустенитообразующий   элемент, сильно понижающий критические точки γ-να-превращения. Это влияние никель оказывает и при его введении в хромистые стали. Поэтому сталь, содержащая 18% Сr и 9%Ni, при комнатных температурах имеет структуру аустенита (см. рис. 2).

Рис. 2. Структурная диаграмма нержавеющих сталей

Нержавеющие стали, имеющие аустенитную структуру, обладают более высокой коррозионной стойкостью,лучшими технологическими свойствами по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, в частности лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и в то же время аустенитные стали не теряют пластичности при низких температурах. Как и хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом, повышающим потенциал железа, также является хром, поэтому его содержание должно быть >13%. Никель только дополнительно повышает коррозионную стойкость сталей.

Состав и свойства хромоникелевых нержавеющих сталей приведены в ГОСТ 5632—72. На рис. 2 приведена структурная диаграмма, позволяющая определять структуру стали в зависимости от ее состава.

Хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры подразделяются на стали аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов.

Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионные свойства нержавеющих сталей. Углерод, содержащийся в хромоникелевых сталях, может находиться в твердом растворе, а также в карбидах или карбонитридах различной степени дисперсности. Преимущественно образуются карбиды Сr23С6, причем они образуются уже при содержании углерода немногим больше 0,04% (0,04% С — предел растворимости углерода в аустените, легированном никелем). Если в сталях содержится азот (например, сталь Х17АГ14), то могут образовываться   карбонитриды типа Me23(C,N)6и Me(C,N).

Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей относится  к  аустенитному  классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т, 09Х14Н16Б, 08Х10Н20Т2 и др. Эти стали пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропрочностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Сталь 12Х18Н10Т — наиболее дешевая и поэтому чаще употребляемая.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с 1050—1100° С в воде. При этом получают σΒ=50—60 кгс/мм2 и δ=35- 45%. Эти стали упрочняют холодной пластической деформацией.

Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стойкость и кислотостойкость (03Х16Н15МЗ, 03Х17Н14М2). Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интерметаллиды типа Ni3(Ti,Al), упрочняют аустенит (08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15МЗТ).

Сталь 06ХН28МДТ (0,06% С; 22-25% Сr; 26— 29% Ni; 2,5-3% Мо; 2,5-3,5% Сu и 0,5-0,3% Ti) обладает высокой коррозионной стойкостью, ее используют в средах высокой агрессивности (разбавленная серная кислота и др.). Эта сталь после закалки с 1100"С в воде имеет структуру аустенита с небольшим количеством карбонитридов. После кратковременных нагревов до 500—900° С не обнаруживает склонности к МКК.

Никель —достаточно дорогой и дефицитный металл, поэтому создают нержавеющие стали с меньшим содержанием никеля. Для этого вводят в состав нержавеющих сталей другие аустенитообразующие элементы, например марганец и даже азот (стали 10Х14Г14Н4Т, 15Х17АГ14, 10Х14АГ15 и др.).

Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного класса) имеют меньшую коррозионную стойкость по сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их по прочности (σΒ = 120—130 кгс/мм2). К сталям переходного класса относятся стали 09X15Н8Ю, 09X17Н7Ю, 08Х17Н5МЗ, 20Х13Н4Г9 и др.

Режим термической обработки этих сталей характеризуется большой сложностью: закалка, обработка холодом, отпуск —старение. На рис. 3 приведено влияние различных видов термической обработки на прочность нержавеющих сталей различных классов. Наибольшее упрочнение получают стали переходного класса. Такие стали используют для создания легких конструкций, обладающих высоким сопротивлением коррозионному разрушению.

Рис.  3. Влияние термической обработки    на   прочность    нержавеющих сталей:

1 — закалка; 2 —  закалка и обработка холодом; 3- закалка, обработка холодом, отпуск (старение)

Аустенитно-ферритные стали  предложены как заменители хромоникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии никеля. К этому классу относятся стали 12Х21Н5Т и 08Х22Н6Т. Аустенитно-ферритные стали при комнатных температурах имеют прочность и твердость выше, чем у стали типа 18-8, но пластичность и ударная вязкость у них ниже. Эти стали не обладают стабильностью свойств: их свойства зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз, которое в свою очередь зависит от суммарного влияния ферритообразующих (Сr, Ti, Mo, Si) и аустенитообразующих (Ni, N2, С) элементов. С увеличением количества феррита жаропрочность сталей уменьшается, прочность увеличивается, пластичность уменьшается, но не ниже 30%. Хорошие технологические свойства получаются при соотношении Φ :А=1: 1.

К этому классу сталей относится и сталь 15Х28АН, обладающая    хорошими    механическими   свойствами

(σΒ= 65—70 кгс/мм2, δ= 11—23%), в том числе и в сварном шве.

Типовая термическая обработка аустенитно-ферритных  сталей: закалка с 1000—1150° С и отпуск — старение при 500—750° С.

Аустенитно-ферритные стали  не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникнуть только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Медь и сплавы на основе меди.

Медь (лат.Cuprum) - химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до н.э.. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе,чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном состаянии на поверхности земли, а с другой - сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum),откуда и название ее Cuprum.

Медь особенно важна для электротехники. По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из аллюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в XIX в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.

Медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата медного купороса. В значительных количествах он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь совершенно необходима всему живому.

Медь и ее сплавы

Медь – металл характерного красного цвета, который обладает след. св-ми:

Плотность 8940 кг/м3

Температура плавления 1083 ◦С

Температура кипения 2595 ◦С

Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева;

атомный номер 29

атомная масса 63,546

Кристаллическая решетка меди – гранецентрированный куб с параметром a=3,61 Å. Механические свойства чистой меди в в отожженом состоянии после деформации σв=220-240 Мпа, δ=50%, ψ=75%, KCU=1,6-1,8 МДж/м2 и твердость HB=45. Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, устойчива против атмосферной коррозии и коррозии в пресной и морской воде благодаря образованию на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей из CuSO4 * 3Cu(OH)2. Медь хорошо обрабатывается в холодном и горячем состояниях.

Техническую медь в зависимости от чистоты разделяют на десять марок:

М00 (99,99% Cu);

М0 (99,95% Cu);

М0б (99,97% Cu, бескислородная медь);

М1 (99,9% Cu);

М1p (99,9% Cu, раскисленная медь);

М2 (99,7% Cu);

М2p (99,7% Cu);

М3 (99,5% Cu);

М3p (99,5% Cu);

М4 (99% Cu).

Примеси меди Bi, Pb, H2, Sb затрудняют обработку давлением в горячем состоянии, а O2 и S придают ей хладноломкость. Все примеси, особенно P, As, Sb снижают электропроводность.

Технически чистую медь широко применяют в электротехничекой промышленности для проводов кабелей, шин, других токопроводящих частей, в машиностроении, судостроении, котлостроении для теплообменников. В большом колличестве медь используют для изготовления важнейших конструкционных сплавов – латуней и бронз.

В материаловедении было установлено, что многие сплавы на основе меди, серебра, и золота, легированные цинком, оловом и т.д. образуют похожие фазы с похожими свойствами. При этом тип образующейся фазы и соответственно свойства определяются электронной концентрацией сплавов e/n.

e – среднее число электронов  на элементарную ячейку

n – число атомов в  элементарной ячейке

Следовательно, e/n – это средняя электронная концентрация на атом сплава

Такие фазы называют электронными соединениями или фазами Юм-Розери.

В таблице приведены условия образования этих фаз и примеры таких сплавов:

Фаза	β-фаза	g-фаза	ε-фаза
тип решетки	ОЦК	кубическая	ГПУ
e/N	3/2 около 1,50	21/13 около 1,61	7/4 около 1,75
основной представитель	CuZn	Cu5Zn8	CuZn3
Аналоги	Cu-Bo, Cu-Al, Ag-Cd, Au-Al	Cu-Al, Cu-Si, Au-In	Ag-Zn Au-Cd

Сплавы латуней

Латунями называют сплавы меди с цинком. Кроме двухкомпонентных (простых) латуней, имеются многокомпонентные, которые содержат один или несколько лигирующих компонентов (Al, Ni, Fe, Mn и т.д.). практическое значение имеют медно-цинковые сплавы, с содержанием цинка до 45%, левая часть диаграммы которых представлена на рис. 1 а)

Рис 1. Диаграмма состояния системы медь – цинк (а) и механические свойства литой латуни в зависимости от содержания цинка (б)

В твердом состоянии медноцинковые сплавы образуют:

твердый α-раствор цинка меди (типовой твердый раствор замещения) при содержании до 39% Zn. Такой сплав обладает высокой пластичностью и достаточно высокой прочностью;

твердый β-раствор на базе соединения электронного типа CuZn при содержании 45-49% Zn;

смесь α+β твердых растворов.

Латуни, имеющие в структуре однофазный твердый α-раствор, хорошо поддаются обработке давлением в горячем и холодном состоянии, сварке, пайке и лужению.

Однофазный β-раствор при температуре примерно 453 ◦С имеет упорядоченное расположение атомов меди и цинка и обозначается β'. Эта фаза, в отличие от β-фазы, является твердой и хрупкой. Обработке давлением она подвергается только в горячем состоянии.

Латуни, имеющие двухфазную структуру α+β также обладают низкой пластичностью и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Все латуни имеют хорошие антикоррозийные свойства; в атмосферных условиях скорость коррозии составляет 0,0001-0,00075 мм/год.

Механические свойства латуней в зависимости от содержания цинка представлены на рис 1 б) Увеличение содержания цинка до 39% приводит к образованию при комнатной температуре α-фазы и сопровождается повышением прочности и пластичности. При дальнейшем увеличении содержания цинка образуются две фазы α+β', что приводит к интенсивному уменьшению пластичности с одновременным увеличением прочности. При переходе в однофазную область β' латунь становится весьма хрупкой, вследствие чего резко снижаются прочность и пластичность. Поэтому на практике используют латуни, содержащие не боее 42% Zn, т.е. одно- и двухфазные латуни.

Марку латуни обозначают буквой «Л», за которой следует цифра, указывающая среднее содержание (в процентах) меди в сплаве, например Л62, Л68, Л70 и т.д. Для улучшения механических и технологических свойств латуней в них вводят легирующие элементы. Для обозначения легированных или специальных латуней после буквы «Л» ставят начальную букву легирующего элемента, его процентное содержание указывают цифрой, например, ЛС59-1 (1% Pb), ЛАН59-3-2 (3% Al и 2% Ni), ЛМцОС58-2-2-2 (Mn, Sn, Pb, по 2%) и т.д. Обозначение легирующих элементов следующее:

А – алюминий;

Ж – железо;

Мц – марганец;

Н – никель;

О – олово;

К – кремний;

С – свинец.

По технологическому признаку латуни разделяют на деформируемые и линейные.