Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

Лента Листы холодно- и горячекатаные

Полосы и профили Плиты

Тонкая проволока (0 < 1 мм)

Проволока (0 > 1 мм) и прямо­ угольного сечения

Прутки тянутые и прессованные Трубы Поковки

Электроды для сварки

Губки для роликовых сварочных машин

Кристаллизаторы и другие теп­ лообменники

Токоподводящие пружины и кон­ такты

Электрические провода и кабели Коллекторные пластины

У с л о в н ы е о б о з н а ч е н и я

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+ - имеется опыт изготовления и применения.

Хромовые бронзы в зарубежных странах

Термически упрочняемые хромовые бронзы широко применяются в США, странах западной Европы и Японии. Химический со­ став некоторых стандартных сплавов приведен в табл. 6.50, из них изготовляют различные полуфабрикаты. Свойства сплавов С18200 и РД135 даны в табл. 6.51.

По жаропрочности сплавы системы Си-Сг превосходят почти все известные (стандарт­ ные) двухкомпонентные сплавы высокой элек­ тропроводности на основе меди [103]. Механи­ ческие свойства сплава С и-0,6% С г после упрочняющей термической обработки (закалка

Применение бескислородной меди в качестве основы сплава позволяет повысить уровень жаропрочности и рабочие температуры. Так, например, хромовая бронза Си - 1,2 % Сг, вы­ плавленная на бескислородной меди, имеет температуру разупрочнения 580 °С [103]. Од­ нако при температурах выше 500 °С в сплавах системы Си-Сг наблюдается резкое снижение пластичности, являющееся следствием распада твердого раствора. Хрупкое разрушение связа­ но с высокой концентрацией напряжений на границах зерен вследствие торможения дисло­ каций дисперсными частицами на линиях скольжения, а также является результатом уменьшения прочности границ с повышением температуры. Заметное влияние окисляющей

атмосферы начинается при температурах около 700 °С.

При производстве из хромовых бронз крупных слитков возникают технологические сложности из-за трудности растворения хрома

врасплавленной меди и потери его при плавке

врезультате окисления.

Технологичность хромовых бронз улуч­ шается, если применяют бескислородную медь и используют активные раскислители. В США при изготовлении сплава С18400 (0,4...

1,2 %Сг) применяют комплексный раскислитель: 0,05 % кальция, 0,05 % лития и 0,05 % фосфора. Избыток фосфора вводится для по­ вышения жидкотекучести сплава.

Применение бескислородной меди, а также меди, переплавленной в вакууме, не­ сколько удорожает сплавы, однако обеспечива­ ет получение однородных по химическому составу качественных слитков. Это широко практикуются за рубежом, особенно в США [103].

Виды полуфабрикатов некоторых марок двойных хромовых бронз, выпускаемых за рубежом, приведены в табл. 6.52.

Для улучшения свойств хромовые бронзы дополнительно легируют Zr, Cd, Ag, Si, Co, Hf

инекоторыми другими элементами.

Вкачестве легирующего элемента наибо­ лее часто используют цирконий. Такие сплавы применяются в США, Японии и других стра­ нах. Сплавы системы Cu-Cr-Zr условно делят на две группы: сплавы с низким (до 0,1 %) и

высоким (0,3...0,6 %) содержанием циркония.

Сплавы, содержащие до 1,5 % хрома и 0,01...0,1% циркония, разработаны фирмой «ПР Меллори Энд Корпорейшн» [103]. Добав­ ки небольших количеств циркония в двойные сплавы Cu-Cr повышают их жаропрочность и температуру разупрочнения. Выдержка в тече­ ние 12 ч при 600 °С термически упрочненного (закалка с 1000 °С, старение при 450 °С в тече­ ние 4 ч) сплава Си - 0,5 % Сг - 0,08 % Zr при­ водит к снижению твердости от 85 до 65 HRB,

Предел длительной прочности при испытаниях в течение 250 ч при 550 °С у сплава Си - 1,35 % Сг - 0,01 % Zr составляет 120 МПа, а у двойного сплава Си - 1,35 % Сг при испы­ таниях в течение 172 ч при той же температуре он составляет 80 МПа.

Фирма «Нейшил дистиллере» (США) разработала технологию производства хромо­ циркониевой бронзы с высоким содержанием циркония: 0,6...0,9 % Сг; 0,4...0,6 % Zr; ос­ тальное Си [103]. Сплав хорошо обрабатывает­ ся давлением в горячем состоянии (прокатка,

прессование, ковка). Температура нагрева слит­ ков перед горячим деформированием составля­ ет 930...950 °С. Режим термической обработки следующий: закалка с 900... 1000 °С (нагрев в защитной среде), старение при 450...600°С. Суммарное обжатие при холодной деформации (прокатка, волочение) между закалкой и старе­ нием составляет 50...60%. Структура после закалки - a-твердый раствор; после старения a-твердый раствор упрочняется дисперсными частицами хрома и фазы Cu5Zr.

Свойства сплава Си - 0,6 % Сг - 0,45 % Zr после различных режимов термической обра­ ботки приведены в табл. 6.53.

Из сплавов системы Cu-Cr-Zr изготов­ ляют полуфабрикаты в виде плоского и сорто­ вого проката, которые используются для полу­ чения силовых проводов и сегментов коллек­ торов высокоскоростных электродвигателей, работающих при повышенных температурах (до 400 °С), троллейных проводов, систем электрорегулирования и т.д.

Американский сплав С18500, химический состав которого приведен в табл. 6.50, отно­ сится к системе Cu-Cr-Ag. Серебро повышает

Рис. 6.60. Проекции поверхностей кристаллизации и изотермы ликвидуса системы Cu-Cr-Hf

i .

i

->

к Hf2Cu7

эксплуатационные характеристики и жаро­ прочность хромовых бронз. Свойства сплава С18500 близки к свойствам двойного сплава системы Cu-Cr С18200 (см. табл. 6.51).

Сплав РД135 (США) относится к сплавам системы Cu-Cr-Cd. Его химический состав и свойства приведены в табл. 6.50 и 6.51.

Оптимальное сочетание прочностных свойств и электропроводности достигается после закалки с 940°С, холодной пластической деформации со степенями обжатия 50...98 % и старения при 400...500 °С. Сплав обладает высокой пластичностью после термической обработки и предназначен для изготовления полуфабрикатов сложной конфигурации: про­ фили, трубы, проволока, винты и др.

Сплав РД135 после пайки сохраняет прочность, если температура пайки не превы­ шает 650 °С.

Промышленная технология производства термически упрочняемых полуфабрикатов из сплава РД135 разработана и внедрена фирмой «Филипс додж коппер продакс», (США) [103].

Сплавы системы Cu-Cr-Hf, содержащие - 0,6 % Сг и 0,14...0,90 % Hf, по прочностным свойствам и электропроводности превосходят двойные хромовые бронзы и эквивалентны хромоциркониевым бронзам [166, 167]. Сплав Си - 0,6 % Сг - 0,4 % Hf после закалки с 950 °С имеет ов = 560 МПа и электропроводность 80 % от электропроводности меди.

Упрочнение сплавов Cu-Cr-Hf при ста­ рении связано с выделением дисперсных час­ тиц фазы, богатой хромом, и интерметаллида меди с гафнием. В соответствии с диаграммой состояния системы Cu-Cr-Hf (рис. 6.60, 6.61) это фаза HfjCuy [22].

Хромовые бронзы нашли широкое при­ менение в различных отраслях промышленно­ сти зарубежных стран. Из них изготовляют

Рис. 6.61. Изотермический разрез диаграммы состояния системы Cu-Cr-Hf

при 900°С [22]

электроды для контактной сварки (точечной и шовной) титана, углеродистых и низколегиро­ ванных сталей. Также их применяют для изго­ товления коллекторов электрических машин, деталей тормозов, различных теплообменников и др.

6.2.5. Жаропрочные медные сплавы средней электропроводности

Жаропрочные проводниковые медные сплавы нашли широкое применение в различ­ ных областях машиностроения, электротехни­ ки и электроники. Их используют в качестве проводников тока электросети железнодорож­ ного транспорта, коллекторных пластин элек­ трических машин, обмоток мощных турбоге­ нераторов и трансформаторов, токоведущих контактов электродуговых печей, электродов

для контактной сварки, конструкционного ма­ териала для различного типа теплообменников ит.д.

Всвязи с большим разнообразием приме­ нений к этим материалам предъявляются раз­ ные требования по сочетанию уровня жаро­ прочности и тепло- и электропроводности.

Водну группу объединяют дисперсионно твердеющие медные сплавы с высокой жаро­ прочностью и со средним для проводниковых материалов уровнем электро- и теплопровод­ ности. Эти сплавы имеют после упрочняющей термической обработки электропроводность

порядка 40...60% от электропроводности ме­ ди. Их применяют в машиностроительной и других отраслях промышленности для изго­ товления всех видов рабочего инструмента электросварочных машин. В частности, в каче­ стве электродов для контактной точечной, шовной и рельефной сварки легких (магниевых и алюминиевых) сплавов, различных сталей и жаропрочных сплавов.

Химический состав и основное назначе­ ние жаропрочных медных сплавов средней электро- и теплопроводности приведен в табл. 6.54. Особенность химического состава этой группы сплавов - более высокое (по срав­ нению со сплавами высокой электро- и тепло­ проводности) содержание таких легирующих элементов, как никель и кобальт (до 2,5.. .2,8 %),

а также хрома, кремния и бериллия. По элек­ тропроводности они значительно уступают циркониевым и хромовым бронзам, и тем бо­ лее термически не упрочняемым проводнико­ вым медным сплавам.

Главное их достоинство - высокая проч­ ность при нормальной и высоких температурах (до 600...700 °С) (табл. 6.55, 6.56), высокая жаропрочность и высокая температура разу­ прочнения при нагревах.

Как следует из рис. 6.19, жаропрочные медные сплавы средней электропроводности БрНБТ, БрНКХ2,5-0,7-0,6, БрКоБ по прочности и по температуре разупрочнения после отжига значительно превосходят медь и все остальные группы проводниковых медных сплавов. Сплав БрНБТ, уступая циркониевой бронзе БрЦр0,3 и хромовой БрХ по электропроводности, превос­ ходит эти бронзы по длительной 100-часовой прочности при температурах 300 и 500 °С (табл. 6.57).

При создании этих сплавов в полной мере использованы принципы легирования жаро­ прочных проводниковых медных сплавов, ко­ торые изложены в п. 6.2.1.

Все эти бронзы разработаны на основе диаграмм состояния тройных систем Cu-Ni-Be, Си— о—Be, Си—Ni—Si и Си— о—Si, в которых имеются политермические разрезы, относя­ щиеся к квазибинарным (Cu-Ni-Be, Cu-Co-Be,

Основное

назначение

Для деталей машин стыковой сварки, элек­ тродов для сварки корро­ зионно-стойкой стали и жаропрочных сплавов

Cu-Co-Si) или не являющиеся таковыми с кон­ груэнтно плавящимися жаропрочными интерметаллидами NiBe, СоВе, Ni2Si, Co2Si, не со­ держащими меди. Выбор основных компози­ ций осуществлен таким образом, что составы сплавов расположены на лучевых разрезах Cu-NiBe, Cu-CoBe, Cu-Ni2Si и Cu-Co2Si соот­ ветствующих тройных систем. Для сплава БрНБТ это отношение Ni:Be = 6:1, для сплава БрКоБ отношение Со:Ве~ 6,5:1 и т.д. Как по­ казано в работах М.В. Захарова, сплавы, распо­ ложенные на таких лучевых разрезах тройных систем, имеют наиболее хорошое сочетание жаропрочности и электро- и теплопроводности по сравнению с другими тройными сплавами, не лежащими на этих разрезах [26].

Высокие прочностные свойства и жаро­ прочность сплавов обеспечивают не содержа­ щие меди интерметаллиды NiBe, СоВе, Ni2Si, Co2Si, которые находятся в равновесии с a-твердым раствором. Выбор этих интерметаллидов в качестве упрочняющих фаз связан с

тем, что они обладают высокой термической стабильностью, медленно коагулируют и, сле­ довательно, обеспечивают высокую жаропроч­ ность при нагреве медных сплавов. Важной особенностью тройных диаграмм состояния, которые определяют фазовый состав и струк­ туру дисперсионно-твердеющих жаропрочных сплавов средней электропроводности, является наличие переменной, резко уменьшающейся с понижением температуры растворимостью компонентов в меди. Это является необходи­ мым условием получения в процессе закалки пересыщенного легирующими компонентами твердого раствора. Упрочнение сплавов связа­ но с распадом твердого раствора при старении с выделением дисперсных интерметаллических фаз.

Как и в термически упрочняемых медных сплавах с высокой электропроводностью, эти сплавы для усиления эффекта упрочнения можно подвергать холодной пластической де­ формации между закалкой и старением.

a loo, МПа, при температурах

В тройных системах Cu-Ni-Be, Cu-Co-Be, Cu-Ni-Si и Cu-Co-Si, которые являются осно­ вой фазового состава проводниковых медных сплавов при соотношении легирующих компо­ нентов, отвечающем стехиометрическому со­ ставу упрочняющей фазы (NiBe, СоВе и т.д.), резко возрастает не только прочность и жаро­ прочность, но и электро- и теплопроводность. Об этом свидетельствуют диаграммы состав - свойство разрезов тройных систем Cu-Ni-Si (см. рис. 6.15), Cu-Co-Si (см. рис. 6.14) и четы­ рехкомпонентной системы Cu-Ni-Be-Ti (см. рис. 6.16).

Экстремальные значения прочностных и физических свойств после упрочняющей обра­ ботки имеют сплавы, соотношение легирую­ щих компонентов в которых отвечает стехио­ метрическому составу упрочняющей интерметаллидной фазы, не содержащей меди. Высокая электро- и теплопроводность таких сплавов обусловлена тем, что растворимость интерметаллидных фаз типа NiBe, СоВе, Co2Si в меди в рассматриваемых системах значительно Мень­ ше, чем чистых компонентов (Со, Si, Be), обра­ зующих эти фазы в двойных системах Си-Ве, Cu-Si и Си-Со. Об этом свидетельствуют изо­ термические разрезы тройных систем Cu-Co-Si (см. рис. 6.12) и Cu-Ni-Be (см. рис. 6.10). Ход границы растворимости (ход линии сольвуса) практически соответствует ходу зависимости свойств от состава: минимальным значениям растворимости на разрезах отвечают макси­ мальные значения прочности и электропровод­ ности (минимальные значения удельного элек­ тросопротивления).

Концентрация легирующих элементов в медном твердом растворе - основной, прово­ дящей ток и передающей тепло фазе - в этих сплавах будет ниже, чем в соседних с ними

сплавах. Отсюда и более высокая проводи­ мость тепла и электричества.

Максимальные значения прочностных свойств и жаропрочности в этих сплавах обу­ словлены двумя факторами:

-во-первых, различной природой фазупрочнителей в этих сплавах и в сплавах по обе стороны от них на диаграммах состав - свойство;

-во-вторых, из-за резко уменьшающейся растворимости компонентов с понижением

температуры в этих сплавах имеется макси­ мальное количество упрочняющей фазы по сравнению с соседними сплавами на соответ­ ствующих разрезах.

Поскольку сплавы лучевых разрезов типа Cu-NiBe, Cu-CoBe, Cu-Ni2Si Cu-Co2Si обла­ дают повышенной жаропрочностью и электро- и теплопроводностью, именно они являются основой для разработки многокомпонентных жаропрочных медных сплавов средней элек­ тропроводности.

По такому принципу разработан отечест­ венный сплав БрНБТ (см. табл. 6.54). Он соз­ дан на основе сплавов квазибинарного разреза, Cu-NiBe дополнительным легированием не­ большой добавкой титана [26]. Как следует из рис. 6.10, состав этого сплава (без учета добав­ ки 0,15 % Ti) находится на разрезе Cu-NiBe тройной системы Cu-Ni-Be, соотношение Ni:Be подчиняется образованию химического соединения NiBe. Как следует из диаграммы состав - свойство (см. рис. 6.16) именно этому составу отвечают максимальные значения твердости и электропроводности.

Титан (0,15 %), как следует из изотерми­ ческих (рис. 6.62) и политермических (рис. 6.63) разрезов системы Cu-Ni-Be-Ti, находятся в медном твердом растворе и самостоятельных

Рис. 6.63. Политермическнй разрез диаграммы состояния Си - 1,5 % Ni - 0,15 % Ti - Be при переменном содержании бериллия (37)

фаз не образует. Сплав БрНБТ находится в области поверхности переменной растворимо­ сти фазы NiBe в меди в твердом состоянии (в области поверхности сольвуса фазы NiBe). Поэтому единственной избыточной фазой яв­ ляется фаза NiBe, которая и выполняет роль упрочнителя при термической обработке. Как следует из рис. 6.10, фигуративная точка спла­ ва БрБНТ располагается на квазибинарном разрезе Cu-NiBe. Соединение NiBe имеет куби­ ческую решетку В2 (типа CsCl) с а = 0,261 нм [21] и характеризуется переменной раствори­ мостью в меди в твердом состоянии.

Температура закалки сплава БрНБТ в со­ ответствии с политермическими разрезами системы Cu-Ni-Be-Ti составляет 960...980 °С (табл. 6.58). Перегрев выше температуры 980 °С нежелателен, так как приводит к росту зерен и снижению пластичности сплава. При старении из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы фазы NiBe, что и обусловливает эффект дисперсионного