Федеральное агентство по образованию РФ Тульский государственный университетКафедра физики металлов и материаловеденияКонтрольно-курсовая работа по материаловедениюВариант № 10Выполнила: ст.гр. 632331 Комарова А. И.Принял: к. т. н., доц. Петрушин Г. Д.Тула - 20051. Латуни – сплавы меди с цинком. Их разделяют на литейные и деформируемые. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Химический состав литейных латуней. ЛЦ40Мц3Ж: Сu - 53,0...58,0 %, Fe - 0,5...1,5 %, Мn - 3,0...4,0 %, остальное Zn; примеси, не более 1,7 % (0,5 % Pb; 0,l % Sb; 0,2 % Si; 0,5 % Ni; 0,5 % Sn; 0,5 % Al; 0,05 %Р). ЛЦ40Мц3А: Сu - 55,0...58,5 %, Мn - 2,5...3,5 %, Al - 0,5...1,5 %, остальное Zn; примеси, не более 1,5 % (0,2 % Pb; 0,05 % Sb; 0,2 % Si; l,0 % Ni; 0,5 % Sn; 1,0 % Fе; 0,03 % P). ЛЦ38Мц2С2: Сu - 57,0...60,0 %, Рb - 1,5...2,5 %, Мn - 1,5...2,5 %, остальное Zn; примеси, не более 2,2 % (0,8 % Fe; 0,l % Sb; 0,4 % Si; l,0 % Ni; 0,5 % Sn; 0,8 % Al; 0,050,5 % P). ЛЦ40С: Сu - 57,0...61,0 %, Рb - 0,8...2,0 %, остальное Zn; примеси, не более 2,0 % (0,8 % Fe; 0,05% Sb; 0,3 % Si; l,0 % Ni; 0,5 % Sn; 0,5 % Mn). ЛЦ40Сд: Сu - 58,0...61,0 %, Рb - 0,8...2,0 %, остальное Zn; примеси, не более 1,5 % (0,5 % Fe; 0,05 % Sb; 0,2 % Si; l,0 % Ni; 0,3 % Sn; 0,2 % Al; 0,2 %Mn). ЛЦ40Мц1,5: Сu - 57,0...60,0 %, Мn - 1,0...2,0 %, остальное Zn; примеси, не более 2,0 % (l,5 % Fe; 0,1 % Sb; 0,1 % Si; l,0 % Ni; 0,5 % Sn; 0,7 % Pb; 0,03% P). ЛЦ30А3: Сu - 66,0...68,0 %, Al - 2,0...3,0 %, остальное Zn; примеси, не более 2,6 % (0,8 % Fe; 0,l % Sb; 0,3 % Si; 0,3 % Ni; 0,7 % Sn; 0,7 % Pb; 0,05 % P; 0,5%Mn).Структура литейных латуней. Базовой диаграммой состояния для латуней является система Cu-Zn (рис.1). В этой системе имеется необычная зависимость растворимости цинка в меди от температуры, при температуре 902°С она составляет 32,5 % и в отличие от многих других систем, с понижением температуры растворимость увеличивается, достигая максимальных значений 39 % при 454°С. При дальнейшем понижении температуры растворимость цинка в меди мало изменяется, поэтому для оценки фазового состава латуней используют значение предельной растворимости цинка в твердой меди (39 %). В соответствии с фазовым составом различают однофазную-латунь, двухфазную +-латунь и -латунь (рис.1). Механические свойства латуней определяются свойствами фаз. Фаза - мягкая, малопрочная, но высокопластичная. Высокотемпературная -фаза также достаточно пластична. При температурах ниже 454...468°С -фаза переходит в упорядоченное состояние: — '. Фаза ' в отличие от -фазы является более твердой и хрупкой; -фаза представляет собой твердый раствор на основе электронного соединения Cu5Zn8; она отличается очень высокой хрупкостью, и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавах исключено. В этом главная причина того, что медно-цинковые сплавы, содержащие более 50 % Zn, не нашли применения в промышленности. Рис. 1. Диаграмма состояния системы Cu-Zn и температурные интервалы: 1 - нагрева под обработку давлением; 2 - рекристаллизационного отжига; 3 - отжига для уменьшения остаточных напряженийВ соответствии со свойствами фаз в системе Cu-Zn -латуни - мягкие и высокопластичные сплавы; но прочностные свойства их невелики; -латуни - прочные и твердые сплавы, но отличаются высокой хрупкостью. В двухфазных + -латунях с увеличением содержания -фазы в структуре прочностные свойства повышаются, а пластичность понижается. По мере увеличения содержания цинка возрастает от 200 до 300 МПа в однофазной области и до 450 МПа в двухфазной - + . Пластичность увеличивается от 30 до 50 % и проходит через максимум в сплавах, содержащих ~ 30 % Zn, а затем (в двухфазной области) резко понижается из-за появления в структуре сплавов хрупкой '-фазы. Сплавы системы Cu-Zn кристаллизуются в узком температурном интервале (50...60 °С). Этот факт в значительной мере определяет их литейные свойства. Из-за малого интервала кристаллизации латуни обладают хорошей жидкотекучестью и дают плотные отливки с небольшой пористостью (главным образом в осевой части отливки). Узкий температурный интервал кристаллизации определяет также склонность к образованию столбчатой структуры и транскристаллизации. Они мало склонны к ликвационным явлениям; отливки из литейных латуней получаются более однородными по свойствам в различных сечениях по сравнению с отливками из оловянных бронз. Цинк, имея низкую температуру кипения и высокую упругость пара, частично испаряется в процессе плавки и оказывает раскисляющее воздействие на латуни. Благодаря самозащитному действию паров цинка латуни имеют небольшую склонность к газонасыщению, что способствует получению плотных отливок. Отливки из литейных латуней обладают высокой герметичностью и способны выдерживать давление до 30.. .40 МПа.^ Свойства литейных латуней. Литейные латуни – это, как правило, многокомпонентные сплавы. Комплексное легирование позволяет улучшить не только их механические свойства и коррозионную стойкость, но и специальные литейные свойства. Основные легирующие компоненты латуней — алюминий, кремний, марганец, свинец, железо. Кремний повышает механические и литейные свойства латуней. Алюминий повышает прочностные свойства, коррозионную стойкость и жидкотекучесть. Марганец аналогично алюминию влияет на прочность и коррозионную стойкость латуней, но несколько снижает ее жидкотекучесть. Добавка свинца улучшает главным образом антифрикционные свойства латуней и их обрабатываемость резанием. Специальные литейные латуни отличаются хорошими механическими, технологическими и коррозионными свойствами. Отливки из них могут быть получены литьем в земляные формы, в кокиль, центробежным литьем (детали, имеющие ось вращения), литьем под давлением. Многие литейные латуни обладают высокими антифрикционными свойствами. Механические свойства отливок сильно зависят от способа литья; лучший комплекс свойств получается при литье в кокиль. Из литейных латуней легче получать герметичные отливки, чем из оловянных бронз, которые могут выдерживать высокие давления. Основным недостатком большинства латуней по сравнению с бронзами является их пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах (морская вода и др.), связанная с обесцинкованием латуни и коррозионным разрушением изделий. Однако имеются марки литейных латуней (кремнистая ЛЦ16К4 и др.), которые не уступают по коррозионным свойствам бронзам и являются полноправными заменителями дефицитных оловянных бронз. Многокомпонентные литейные латуни с большим количеством -фазы склонны к сезонному растрескиванию при наличии остаточных напряжений. Для устранения этого недостатка отливки необходимо отжигать при низких температурах. ^ Маркировка литейных латуней. Литейные латуни маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца. Марки литейных латуней (ГОСТ 17711-93): ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, Л38Мц2С2; Свинцовая латунь - ЛЦ40С, ЛЦ40Сд; Марганцовистая латунь - ЛЦ40Мц1,5; Алюминиевая латунь - ЛЦ30А3; Кремнистая латунь - ЛЦ16К4; Оловянно-свинцовая латунь - ЛЦ25С2; Алюминиево-железо-марганцовая латунь - ЛЦ23А6ЖЗМц2; Кремнисто-свинцовая латунь - ЛЦ14К3С3; Марганцово-свинцово-кремнистая латунь - ЛЦ37Мц2С2К.^ Области применения литейных латуней. Широкое применение латуней в технике объясняется их хорошими литейными свойствами, высокими механическими и антикоррозионными свойствами, относительной дешевизной. Литейные латуни применяются для изготовления фасонных отливок. Латуни применяют для литья под давлением — латунь ЛЦ40Сд. Наилучшей жидкотекучестью среди латуней обладает латунь ЛЦ16К4, что позволяет получать методом литья тонкостенные детали сложной формы. Из латуней ЛЦ40С, ЛЦ16К4 и некоторых других получают фасонные детали сложной формы с хорошими поверхностями, которые не требуют обработки резанием. Многокомпонентные литейные латуни (типа ЛЦ23Л6Ж3Мц2 и др.) отличаются высокой стойкостью против износа при работе на трение и применяются для изготовления изделий (подшипников, втулок, вкладышей и т. п.), для которых характерны высокие удельные нагрузки и сравнительно большие скорости вращения. Из литейных латуней легче получать герметичные отливки, чем из оловянных бронз, которые могут выдерживать высокие давления. Марка Области применения ЛЦ40Мц3Ж Арматура в судостроении, работающая до 300° С; простые по конфигурации детали ответственного назначения; гребные винты и лопасти для судов с металлическим корпусом (кроме судов, предназначенных для службы в тропиках) ЛЦ40Мц3А Детали несложной конфигурации ЛЦ38Мц2С2 Конструкционные детали и арматура судов; антифрикционные детали несложной конфигурации (втулки, вкладыши, ползуны, арматура вагонных подшипников) ЛЦ40С Фасонные отливки арматуры, втулок и сепараторов шариковых и роликовых подшипников, детали приборов, электроаппаратов, корпуса кранов, тройники и др. ЛЦ40Сд (для литья под давлением) Для литья под давлением деталей арматуры (втулки, тройники, переходники, сепараторы подшипников), работающих в среде воздуха и пресной воде ЛЦ40Мц1,5 Детали простой формы, работающие при ударных нагрузках; детали узлов трения, работающие в условиях спокойной нагрузки при температурах не выше 60° С ЛЦ30А3 Коррозионно-стойкие детали, применяемые в судостроении и машиностроении ЛЦ16К4 Детали приборов и арматуры сложной конфигурации, работающие при температуре 250° С и подвергающиеся гидровоздушным испытаниям; детали, работающие в среде морской воды при условии обеспечения протекторной защиты (шестерни, детали узлов трения и др.) ЛЦ14К3С3 Детали подшипников, втулки ЛЦ25С2 Штуцеры гидросистем автомобилей ЛЦ23А6Ж3Мц2 Детали ответственного назначения, работающие при высоких удельных нагрузках. При изгибе, а также антифрикционные детали (нажимные винты, гайки нажимных винтов, венцы червячных колес, втулки и др.) ЛЦ37Мц2С2К Антифрикционные детали, арматура 2. Из стали марки 12Х18Н9Т (Х18Н9Т) можно изготавливать сварную аппаратуру, например трубы. Эта сталь одновременно и жаростойкая (до 800°С), и жаропрочная (до 600°С). Коррозионная стойкость высокая. Сталь устойчива по отношению к азотной, холодной фосфорной и органическим кислотам (за исключением уксусной, муравьиной, молочной, щавелевой), к растворам многих солей и щелочей, морской воде, влажному воздуху; неустойчива в соляной, серной, плавиковой, горячей фосфорной, кипящих органических кислотах. Превосходит по коррозионной стойкости коррозионно-стойкие высокохромистые стали. Эта сталь обладает удовлетворительной сопротивляемостью межкристаллитной коррозии. Коррозионная стойкость стали 12Х18Н9Т в азотной кислоте в очень сильной степени зависит от состава стали и режима ее термообработки. Сталь 12Х18Н9Т в горячетканном состоянии имеет очень низкую коррозионную стойкость, поэтому трубы, изготовленные из этой стали, необходимо подвергать закалке при 1050°С с охлаждением в воде или на воздухе. Закалка с 1050°С при одночасовом нагреве устраняет склонность к межкристаллитной коррозии и обеспечивает высокую коррозионную стойкость стали в азотной кислоте. Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства. Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию. Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях трубы. На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации. Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя. Литература1. Гелин Ф. Д. Металлические материалы: Сплав.- Мн.: Выс. шк., 1987.- 368 с. 2. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник.- 4-е изд ., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1992.- 480 с.: ил. 3. Осинцев О. Е., Федоров В. Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. М.: Машиностроение, 2004.- 336 с., ил. 4. Марочник сталей и сплавов/ М. М. Колосков, Е. Т. Долбенко, Ю.В.Ка- ширский и др.; Под общей ред. А. С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2001.- 627 с.: ил.МЛЕНИЕМ астической деформации, ботке и, в конечном сче-1ства. наблюдается необычная имость растворимости: С она составляет 32,5 % ; других систем с пони-эастворимость увеличи-мальных значений 39 % ее понижение темпера-!ьшению растворимости .35 % при комнатной 1ри режимах обработки, я в промышленности, щия цинка в твердом стигается. Поэтому для ва латуней используют растворимости цинка в (39 %). газует кроме а-твердого :и с ГЦК решеткой ряд у и другие. Ближайшая фаза Р - это твердый :ктронного соединения При высоких темпера-рокую концентрацион-юсти. Высокотемпера-но пластична, поэтому при горячей деформа-»азную область р. При .468 °С Р-фаза пере-остояние: Р -> р'. Фаза шляется более твердой гавляет собой твердый •стройного соединения ь высокой хрупкостью чышленных конструк-[ается.^ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 49 1084 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60Си Zn, % Рис. 2.1. Диаграмма состояния системы Cu-Zn и температурные интервалы: / - нагрева под обработку давлением; 2 - рекристаллизационного отжига; 3 - отжига для уменьшения остаточных напряжений Механические свойства латуней определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержания цинка в латунях их прочность возрастает (рис. 2.2). Максимум прочности достигается в двухфазной области а + Р при содержании цинка 45 .47 %, как только Р'-фаза полностью заменит а-фазу, прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости сплавов. Модуль нормальной упругости Е с увеличением содержания цинка уменьшается. Особенно резкое понижение модуля упругости наступает, когда превышен предел растворимости цинка в а-фазе и в структуре появляется Р'-фаза (рис. 2.3). Пластичность Р-латуней с Р'-структурой при комнатной температуре очень низка, и при содержании около 50 % Zn и более они не подвергаются холодной обработке давлением. Поэтому в промышленности применяются преимущественно а- и а + р-латуни. Представляют интерес как основа сплавов с эффек-* том запоминания формы р-латуни. Цинк довольно резко снижает теплопроводность X и электропроводность со меди, иа 10 20 30 40 Zn, % Рис. 2.2. Влияние содержания цинка на механические свойства латуней [92| Си Рис. 23. Изменение модуля нормальной упругости медно-цинковых сплавов в зависимости от содержания цинка (104] при содержании его в латунях более 20 % эти свойства не превышают 40 % от соответствующих характеристик меди. При увеличении содержания цинка коэффициент линейного расширения а монотонно увеличивается вплоть до 65 % Zn, а плотность у уменьшается (рис. 2.4). По технологии производства латуни делят на деформируемые и литейные. 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» - латунь. В двойных (простых) латунях число после буквы Л определяет среднее содержание меди. Многокомпонентные специальные латуни, кроме меди и цинка, содержат еще один или несколько легирующих элементов, которые имеют следующие обозначения: А - алюминий; О -олово; Н - никель; Ж - железо; К - кремний; С - свинец; Мц - марганец; Мш - мышьяк.^ Диаграмма состояния системы Cu-Zn и температурные интервалы: / - нагрева под обработку давлением; 2 - рекристаллизационного отжига; 3 - отжига для уменьшения остаточных напряженийЛитература1.Гелин Ф. Д. Металлические материалы: Сплав.- Мн.: Выс. шк., 1987.- 368 с. 2. Журавлев В. Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник.- 4-е изд ., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1992.- 480 с.: ил. 3. Осинцев О. Е., Федоров В. Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. М.: Машиностроение, 2004.- 336 с., ил. 4. Марочник сталей и сплавов/ М. М. Колосков, Е. Т. Долбенко, Ю.В.Ка- ширский и др.; Под общей ред. А. С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2001.- 627 с.: ил.