Сплавы в металлургии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Чистая медь

Медь в незначительном объеме формируется самородно, однако, в основном производстве применяется сульфидированная руда, в которую также входят железо, свинец, сурьма, мышьяк или никель. Самый важный медный минерал - это медный колчедан (CuFeS2) с ?34% Cu. Другие минералы - это медный блеск (халькозин) (Cu₂S), бурнонит (CuPbSbS₃) и малахит [CuCO₃ * Cu(OH)₂]. Так как медные руды относительно бедны (в большинстве случаев <10%), они обогащаются перед плавкой посредством особенных процессов на 20-25% медных концентратов.

Сульфидированная руда сначала частично обжигается и затем в рудной пламенной печи формируется медный штейн с ?30 - 40% Cu, 25 - 35% Fe и 25-35% S. Затем происходит продувка медного штейна в конвертере. Посредством продувания штейна воздухом происходит окисление медного и железного сульфидов в соответствующие оксиды. Образованный оксид меди реагирует с сульфидом медным с образованием металлической меди:

2Cu₂O + Cu₂S > Cu + SO₂.

Оксид железа соединится с кремневой кислотой. Таким образом, полученная черновая медь содержит от 97 до 99,5% Cu, остаток Pb, Sb, Fe, S, Ni, О. Рафинирование происходит в пламенной печи окислительной очисткой (рафинадная медь) и электролизом (электролитическая медь).

При переплавке катализатора в зависимости от выбранного метода переплавки получают кислородосодержащую (E-Cu) или свободную от кислорода (SE-Cu) медь. Отдельные медные сорта содержат от 99,0 до 99,97% Cu в зависимости от степени чистоты. При грубой классификации влияний добавлений нужно учитывать, что сера, свинец, висмут, сурьма, селен и теллур влияют на горячую и холодную обработку меди неблагоприятно, и поэтому они нежелательны. В особых производственных ситуациях можно улучшать технологические и механические качества меди незначительными добавками, например, мышьяка, фосфора, никеля или серебра. Однако, электрическая проводимость снижается разными примесями. Особенно отрицательно действуют такие из них, как фосфор, кремний, мышьяк, железо и сурьма. Для оценки проводниковой (электротехнической) меди служит ее электрическая проводимость.

Высокая электрическая и тепловая проводимость меди, проводимость которой уступает только серебру, открывает ей широкое применение в электротехнике и машиностроении. Промышленный спрос настолько большой, что медь является одним из немногих применяемых металлов, который используется в основном нелегированным.

Чистая закаленная медь имеет 0,2 предела текучести ?50 MPA, предел прочности при растяжении от 200 до 250 MПa, твердость по Бринеллю от 40 до 50 HB, относительное удлинение при разрыве от 40 до 50% и относительно сужение от > 50%.

Структура кубической гранецентрированной меди состоит из многогранных кристаллитов, которые являются сильно сдвойникованными. Вследствие высокой температуры плавления (1083°C) спекание меди с другими металлами очень хорошее. Основными элементами сплавов меди являются цинк, олово, никель, алюминий, бериллий, кремний, марганец и серебро.

2. Медь-сера

Сера образует с медью соединение медный сульфид (Cu2S). Между медью и медным сульфидом существует очевидное ограничение растворимости. Температура плавления меди понижается с 1083 до 1067°C 0,77% S. В эвтектическую матрицу вкраплены включения, которые состоят из Cu₂S Кислотами с разбавленной фтористоводородной кислотой можно отличать Cu₂S - от Cu₂O-кристаллов: Cu₂O окрашивается в темный цвет, Cu₂S, напротив, не реагирует.

3. Медь - кислород

В не восстановленной первичной медь всегда находится еще кислород. Он образует связь с медью Cu2O (окись меди). Cu₂O постоянен от высоких температур до 375°C и соединяется затем с медью в CuO, оксид меди. Эта реакция проходит очень медленно и не имеет никакого практического значения. Между Cu и Cu₂O пространный разрыв растворимости существует в жидком состоянии. При 0,39% О соответственно 3,5% Cu₂O температура плавления меди понижается с 1083 до 1065°C. Эвтектический сплав с 0,39% О состоит из медной массы, в которую равномерно вкраплены в каплеобразные Cu₂O-кристаллы. Если медь содержит меньшее количество кислорода, то структура состоит из первоначальных медных кристаллов, которые включены в (Cu + Cu₂O) - эвтектику.

Однако, эта макроструктура отливки изменяет вид, если производится горячая или холодная обработка давлением. При менее значительной степени деформации сеть из эвтектики начнет вытягиваться параллельно основному направлению деформации. При дальнейшем росте степени деформации происходит разрушение сети, до тех пор, пока на тонких металлических листах или в проволоках включения Cu2O не распределится относительно равномерно в основной медной массе. Заэвтектические сплавы медь-кислород согласно диаграмме состояния выделяют первоначальные дендриты из Cu₂O, которые включены в эвтектическую основную массу.

Содержание кислорода в отлитой меди, не содержащей мышьяк, можно определить с большой точностью. При 3,5% массы Cu₂O=0,39% массы O₂, что соответствует 100% эвтектики (Cu + Cu₂O). Если кривая эвтектики ограничивает Х процентов площади, то содержание меди будет равно

 O₂.

Величину Х можно установить современными методами количественного графического анализа при помощи парапланиметрии или анализа фотографической съемки. При помощи парапланиметрии найден Х=23,4% площади эвтектики. Ему соответствует

O₂.

Кристаллы окиси меди при нормальном освещении под микроскопом имеют голубой цвет. А собственный гранатовый цвет кристаллы имеют при поляризованном свете или при рассмотрении в темноте.

На электрическую проводимость, прочность и твердость меди Cu₂O практически не влияет. Но существенно ухудшает значения относительного удлинения, относительно сужения, число циклов изгиба и скручивания, одновременно, повышается пористость. Поэтому содержание Cu₂O должно находиться в пределах от 0,9 до 1,0%. Медь, предназначенная для сварки, не должна содержать Cu₂O. Для этой цели медь раскисляют.

Если богатая Cu₂O медь нагревается в богатой водородом атмосфере, водород диффундирует в медь и реагирует с Cu₂O согласно уравнению

Cu₂O + H₂ > Cu + H₂O

с образованием воды. Вследствие высокой температуры вода переходит в состояние пара и находится под высоким давлением, так как молекулы воды не могут диффундировать с медью. Как следствие, на границе зерен могут образовываться поры или при высокой интенсивности негативных воздействий происходит хорошо выраженное образование межкристаллических трещин. При данных условиях процесса газоводородной пайки ошибочное применение кислородосодержащей меди привело к сильному порообразованию на границе зерен и к изменению структуры верхнего слоя (рис. 8 и 9). Это явление называется водородным охрупчиванием (водородной болезнью).

4. Медь-цинк (латунь)

Среди медных сплавов самое большое техническое значение имеет сплав медь-цинк (латунь). Ее высокая коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость и относительно высокая прочность обеспечивают ей широкое применение. Примененные в технике сплавы медь-цинк содержат >54% меди и делятся соответствующим образом по диаграмме состояния наличием фазового пространства на 3 группы, б-, б+? (б/?) - и ?-латунь. б - раствор указывает на кубическую гранецентрированную структуру, а ?-раствор - на кубическую объёмно-центрированную. ?-фаза, которая характеризуется статистически беспорядочным распределением атомов меди и цинка, при температуре 454 - 468°C преобразуется в ?'-фазу с упорядоченным атомным распределением, в котором атом цинка всегда расположен в центре объемного положения атомов.

б-раствор очень хорошо поддается холодной обработке давлением, но с другой стороны, не обеспечивает хорошей горячей обработки давлением, присущей ?-раствору, который, в свою очередь, меньше подходит для обработки давлением при комнатной температуре. Разность потенциалов ?-раствора с медью больше, чем у б-раствора, который поэтому владеет большей коррозионной стойкостью.

?-частицы в б/?-структуре во взаимодействии с стружколомкими мелкими свинцовыми исключениями обеспечивают очень хорошую характеристику обработки резанием.

При целенаправленном формировании определенных качеств материала преобразованием фаз и температурным режимом во время кристаллизации отливки, и при ее дальнейшей обработки для получения заготовки и термической обработки, на ряду с химическим составом, нужно обратить внимание на то, что с понижением температуры происходящие процессы обуславливают изменения в характере границ фаз. Как показывает диаграмма состояния, растворимость цинка в меди при перитектической температуре 902°C составляет 32,5%. Она увеличивается до 39% в диапазоне температур 400 - 450°C и снова понижается при дальнейшем охлаждении. Чтобы устанавливать равновесие в б-сплавах с высокими содержанием цинка при низких температурах, требуется значительная холодная обработка давлением и продолжительный высокий отжиг. При содержании меди >62,5% в б-латуне, лежащей в гомогенной фазовой области, т.е. в таких известных сплавах в последовательности CuZn37, CuZn30, CuZn28, CuZn20 и CuZnlS, повышается коррозионная стойкость, особенно, к коррозионному растрескиванию. Способность к холодной обработки давлением возрастает с увеличением содержания цинка и достигает максимума примерно между 30 и 35%, так что в отношении сплавов CuZn30 и CuZn28 предъявляются особенно высокие требования.

Обрабатываемый глубокой вытяжкой, обтяжкой сплав CuZn37, основан на структуре, которая лежит в пограничной области между б- и б/?-областями, и поэтому требует обратить внимание на образование структуры и на желаемые качества при установлении температуры в процессах изготовления и обработки. При быстром охлаждении после кристаллизации или при превышении температуры от ?650°C при отжиге и последующем быстром охлаждении б/?-преобразование проходит не полностью и является причиной выделения в структуре переохлажденных ?-кристаллов, которые в большинстве случаев в этом сплаве нежелательны. Соответственно диаграмме состояния для б-растворов с 63% Cu<300°C ожидаемые исключения ?'-фазы не наблюдается при практических условиях термообработки.

Расположенная в двухфазной области б-латунь отличается, вследствие ее ?-частиц, высокой степень горячей обработки давлением и, в сочетании с включениями свинца до 3%, хорошим характеристиками обработки резанием. Старое наименование для сплава CuZn40 «кузнечная латунь» символизирует ее особое применение, например, для штампованных заготовок, горячих прессформ, обмотки конденсатора и в строительстве емкостей. Добавлением свинца можно модифицировать этот сплав (CuZn38Pbl), а также применять для обработки резанием. Сплавы CuZn40Pb2 и CuZn40Pb3 считаются основными сплавами для этого вида обработки. Они лежат в пределах содержания меди между 56 и 60%, т.е. на границе фаз между (б+?) - и ?-областями. Их качество, как и у сплава CuZn37, зависит от термической обработки. Чистая ?-латунь не имеет такого технического значения, как б-латунь и б/?-латунь. Техническим применением сплава CuZn44Pb2 могут являться тонкостенные пресс-формы, которые больше не изготавливаются холодным пластическим деформированием.

Литейные сплавы медь-цинк применяются как б-сплавы так и как б/?-сплавы, например, CuZn33Pb для фасонного литья и CuZn40Pb для литья в кокиль и литья под давлением. Из производимых литьем изделий широкое применение получили такие, как арматура, корпуса и конденсаторы.

Красный цвет меди при добавлении цинка становиться красноватом, затем желто-красным, переходя в зеленовато-желтый. Но, как только, красноватые ?-кристаллы присоединятся, шкала цветовых тонов пройдет в обратном порядке. Сплавы с 54% Cu и 46% Zn снова становятся красноватыми. При этом берется отношение, в котором можно отличать б- и б/?-латунь по характеру излома.

Далее образование структуры сплава медь-цинк будет разъясняться в зависимости от состава сплава, условий охлаждения и термической обработки посредством диаграммы состояния примерами. При этом взаимосвязи между структурообразованием и механическими качествами будет упомянуто вскользь.

При кристаллизации сплава с 72% Cu + 28% Zn выделяется при 970°C первоначальный б-раствор с 24% Zn с дендритной формой. Вследствие этого, возрастает концентрация остаточной жидкой фазы цинка. Во время дальнейшего охлаждения б-раствор обогащается цинком. Количество остаточной жидкой фазы уменьшается, однако, концентрация цинка в ней увеличивается. При солидусной температуре от 930°C весь сплав кристаллизуется. В гонце кристаллизации остаточная жидкая фаза содержит 33% Zn. После охлаждения до комнатной температуре устанавливается структура из б-раствора.

медь руда конвертер отливка

Размещено на Allbest.ru