Сварщику цветник металлов

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Химический состав промышленных марок меди должен соответствовать ГОСТ 859—78. Медь обладает высокой электро - и теплопроводностью, коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах и хорошей пластичностью в горячем и хо­лодном состоянии.'С повышением температуры медь сохраняет высокую пластичность. При холодной деформации растет проч­ность и твердость меди, а пластичность снижается. С увеличе­нием температуры нагрева, снижается предел прочности меди, а в интервале температуры 200—800 °С падает пластичность

171.

Медь с кислородом начинает взаимодействовать при ком­натной температуре с образованием окиси меди СиО. Окисная пленка на поверхности#меди предохраняет ее от дальнейшего окисления. При'высоких температурах в обычной атмосфере скорость*окисления меди резко возрастает. В таких условиях упругость диссоциации окиси меди больше давления кисло­рода в воздухе, поэтому СиО диссоциирует на свободный кис­лород и закись^меди СиаО.

При плавлении закись меди растворяется в меди с обра­зованием эвтектики Сц - f - СигО, содержащей 3,4 % CuaO или 0,39 % кислорода (температура плавления Си20— 1065 °С).

Кислород в свободном состоянии в твердой меди прак­тически не растворяется. Эвтектика затвердевает позже меди и, располагаясь по границам кристаллов, понижает ее пластич­ность и коррозионную стойкость, а также затрудняет процессы горячей обработки давлением. Медь, подлежащая сварке, должна содержать кислорода не более 0,01 %. Сурьма и мышьяк уменьшают вредное действие кислорода, однако при этом снижается электропроводность меди.

Водород при сварке образуется в результате диссоци­ации водяных паров, влаги защитного газа, диссоциации кон­денсата на кромках свариваемого металла и т. д. Водород рас­творим как в твердой, так и в'жидкой меди. С повышением температуры растворимость водорода в меди увеличивается и при 1000 °С можег достигать 3,2 см3/100 г. При переходе меди из твёрдого состояния в жидкое растворимость водорода значительно возрастает и при температуре 1100 °С составля­ет 13 см3/Ю0 г. При дальнейшем повышении температуры рас­творимость достигает 28,1 см3/100 г при температуре 1600 °С. Содержащийся в сварочной ванне водород при ее кристалли­зации выделяется, образуя поры. Добавка олова понижает растворимость водорода в меди. В расплавленной меди рас­творимость водорода и кислорода связана равновесной зависи­мостью. Используя* этот закон для снижения содержания во­дорода, в' расплавленную медь при выплавке добавляют кис­лород в виде закиси меди с последующим тщательным и быст­рым раскисдением расплава.

Сера хорошо растворяется в расплавленной меди. При кристаллизации меди растворимость серы снижается до нуля. С медью сера образует гемисульфид меди Cu2S, который рас­полагается в меди в виде эвтектики Си + Cu2S, содержащей 3,82 % Cu2S при температуре 1067 °С. При повышенном содер­жании серы снижается пластичность и ухудшается коррози­онная стойкость меди.

Фосфор ограниченно растворим в твердой меди. При температуре 714 °С предел насыщения твердого раствора до­стигает 1,75 % фосфора. С понижением температуры меди до 300 °С растворимость фосфора в меди уменьшается до 0,6%. Фосфор положительно влияет на механические свойства меди, незначительно снижает ее электропроводность и заметно уменьшает теплопроводность. При сварке меди фосфор исполь­зуется как активный раскислитель.

Кремний в меди растворяется до 3 % с образованием однофазного a-твердого раствора. При содержании в меди до 1 % кремния сплавы обладают хорошей свариваемостью, не склонны к образованию в сварных швах пор и трещин. При сварке меди кремний применяется как активный раски­слитель.

Никель неограниченно растворим в меди. При содер­жании до 1 % он оказывает незначительное влияние на свари­ваемость меди и не снижает пористости сварных швов. Однако никель увеличивает стойкость сварных шЬов к трещинооб - разованию и уменьшает рост зерна в околошовной зоне.

Марганец при высоких температурах ограниченно растворим в меди. Граница насыщения области у-твердого раствора с уменьшением содержания марганца и понижением температуры резко сдвигается в сторону меди. Сплав меди, содержащий до 20 % марганца, в твердом состоянии является однофазным. Сплавы меди, содержащие до 1 % марганца, об­

ладают хорошей свариваемостью, пластичностью, повышенной прочностью и не склонны при сварке к образованию трещин, но при сварке такого металла швы склонны к пористости.

Алюминий обладает значительной растворимостью в меди. Область a-твердого раствора при температуре 570 °С распространяется до 9,4 % алюминия. При комнатной темпе­ратуре такие сплавы являются однофазными, отличаются вы­сокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Сплавы, содержащие более 10 % алюминия, являются двух­фазными и применяются как литейные. Введение алюминия заметно ухудшает свариваемость меди. Алюминий применяется как активный раскислитель меди.

Железо незначительно растворимо в меди. При темпе­ратуре 635 °С растворимость железа в меди составляет 0,16 % и снижается при дальнейшем уменьшении температуры. Сплавы меди, содержащие до 0,5 % железа, обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью и по сравнению с медью большей прочностью и лучшей стойкостью при повы­шенных температурах. При сварке меди такого состава швы 'не склонны к образованию горячих трещин, однако в зоне сплав­ления возможно образование пор. Если железо присутствует в виде самостоятельной фазы, медь приобретает магнитные свойства.

Олово в твердой меди не растворяется. При нагреве растворимость олова в меди увеличивается и уже при темпера­туре 200 "С достигает 1 %. Дальнейшее повышение темпера­туры приводит к увеличению растворимости олова в меди. Бронзы, содержащие до 4—5 % олова, являются однофазны­ми, и структура их состоит из а-твердого раствора. При боль­шем содержании олова образуются двухфазные сплавы.

Свинец и виснут не растворяются в меди и обра­зуют эвтектики, залегающие преимущественно по границам кристаллов. При сварке эвтектики приводят к охрупчиванию металла шва. На тепло - и электропроводность меди висмут и свинец существенного влияния не оказывают. Для снижения вредного действия свинца в медь добавляют примеси кальция, циркония или церия, а для нейтрализации отрицательного влияния висмута применяют добавки Кальция, лития, магния, циркония и др.

Ц инк в меди при комнатной температуре растворяется до 38—39 % с образованием a-твердого раствора. Такая структура сохраняется до температуры 454 °С. Сплавы этой области пластичны и хорошо поддаются обработке давлением в горячем и холодном состоянии. При содержании более 39% цинка сплавы имеют двухфазную структуру а + Р или однофазную Р. Они обладают низкой пластичностью и об­рабатываются давлением только в горячем состоянии.

Мышьяк в твердой меди растворим, если его содер­жится до 7,5%. При незначительном содержании мышьяк не оказывает заметного влияния на механические и техноло­гические свойства меди. Мышьяк нейтрализует вредное дей­ствие висмута, сурьмы и кислорода; одновременно снижая электро - и теплопроводность меди.

Сурьма (до 9,5 %) растворима в меди при температуре эвтектики 645 °С. При понижении температуры растворимость сурьмы в меди заметно снижается. Сурьма ухудшает механи­ческие свойства меди и снижает ее электро - и теплопроводность. Медь, содержащая небольшие добавки мышьяка, сурьмы и висмута, при нагреве в водороде приобретает склонность к охрупчиванию.

Таким образом, в зависимости от действия на медь примеси можно условно разделить на три группы: 1) растворимые в ме­ди в той или иной степени элементы: никель, кремний, мар­ганец, олово, алюминий, цинк, бериллий, железо, сурьма, серебро и др. 2) нерастворимые элементы, образующие с медью легкоплавкие эвтектики, например, свинец, висмут и др.;

3) кислород, кремний, фосфор и др., образующие с медью хрупкие химические соединения.

Элементы первой группы в меди присутствуют в весьма незначительных долях и в допустимых пределах на ее свой­ства существенного влияния не оказывают. При легировании меди в необходимом сочетании элементами первой группы об­разуются сплавы, называемые безоловянными и оловянными бронзами, в сочетании с цинком — латунями. Оловянные брон­зы содержат в качестве легирующего элемента олово, а без - оловянные — алюминий, кремний, железо, марганец и др.

С технологической стороны бронзы подразделяются на ли­тейные и обрабатываемые давлением (деформируемые). Состав оловянных литейных бронз определяет ГОСТ 613—79, а оло­вянных деформируемых бронз — ГОСТ 5017—74. Безоловян - ные литейные бронзы должны соответствовать ГОСТ 493—79, а безоловянные деформируемые — ГОСТ 18175—78.

К оловянным литейным бронзам относятся БрОЦС5-5-5, БрОЦСНЗ-7-5-1 и др., к оловянным деформируемым относятся бронзы Б'рОФ8,0-03; БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-4 и др. В связи с широким интервалом кристаллизации оловянных бронз необ­ходимо большее время для кристаллизации сварочной ванны. Это приводит к насыщению жидкого металла газами и обра­зованию пор в металле шва. Кроме того, металл приобретает склонность к появлению горячих трещин в большом интервале температур, особенно при жестком закреплении свариваемого изделия.

Свинец из-за низкой температуры плавления расширяет область хрупкости оловянных бронз и концентрируется на дне сварочной ванны, затрудняя процессы сварки.

К безоловянным литейным бронзам относятся БрАМц9-2; БрАД-9-4; БрАДС7-1,5-1,5; БрАЖНІ 1-6-6 и др., к без­оловянным деформируемым — бронзы БрА7, БрАМц-9-2, БрКМцЗ-1 и др.

Структура алюминиевых бронз в зависимости от состава может представлять однофазный a-твердый раствор или состо­ять из двух фаз се - f - р. Считают, что p-фаза стабильна толь­ко при температуре, превышающей 565 °С. При снижении температуры p-фаза под влиянием легирующих элементов и в зависимоси от скорости охлаждения превращается в у2- фазу, которая отрицательно влияет на технологическую проч­ность и коррозионную стойкость сплавов. Поэтому при сварке таких бронз требуется контроль скорости охлаждения, а для ликвидации у2-фазы (в случае ее образования) заваренные из­делия подвергают термообработке.

Склонность к образованию трещин проявляется главным образом у однофазных сплавов в интервале температур 400—600 С, содержащих меньше 9 % алюминия. Для сварки однофазных алюминиевых бронз применяют присадочный ме­талл из двухфазных сплавов с высоким содержанием алюминия и низким содержанием висмута и свинца. При кристаллизации сварочной ванны такого состава из металла выделяется (3 - фаза.

Считают, что P-фаза более пластична, чем a-фаза, и ней­трализует присущую последней хрупкость. При эксплуатации сварных изделий в коррозионной среде различный фазовый состав шва и основного металла может вызвать электрохими­ческую коррозию. Поэтому при многопроходной сварке пос­ледний шов целесообразно выполнять в таких случаях с при­менением однофазного присадочного металла.

Кремнистые броизыобладают хорошей свариваемостью, что позволяет вести сварку без предварительного подогрева. Кроме того, наличие кремния и марганца, выступающих в роли рас - кислителей, обеспечивает получение металла шва без пор и других дефектов. Основным недостатком таких сплавов яв­ляется их хрупкость при температуре 800—950 °С в условиях повышенной жесткости в процессе сварки.

Сплавы меди с цинком образуют латуни. При введении третьего, четвертого и более элементов получаются специаль­ные латуни, например, алюминиевые, железомарганцовистые и др.

и

По отношению к меди латуни обладают большей прочностью, упругостью, повышенной коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами, но хуже свариваются. Латуни, как и бронзы, разделяются на литейные и обрабатываемые дав­лением. Составы литейных латуней должны соответствовать ГОСТ 17711—80, а латуней, обрабатываемых давлением,— ГОСТ 15527—70.