5.3. Сплавы на медной основе

Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью (выше эти характеристики только у серебра), коррозионно устойчива во многих средах (спиртах, органических кислотах и др.), но плохо сопротивляется воздействию аммиака и щелочных растворов, а также хлоридов.

В продовольственном машиностроении технически чистую медь марки МЗ (99,5) используют для изготовления ёмкостей варочной аппаратуры, различных испарителей и трубчатых термообменников. Медь непригодна для оборудования по переработке молочных продуктов и жиров (прогоркание). В этих случаях требуется лужение медных изделий.

Медь является основой важнейших конструкционных материалов – латуней и бронз.

Латуни

Латунями называют сплавы меди, главным легирующим элементом в которых является цинк. В бинарных латунях содержание цинка меняется от 4-х до 45 %. При содержаниях ≤ 39 % латуни – однофазны, при больших – двухфазны (соответственно менее пластичны). При увеличении содержания Zn в однофазных латунях прочность растет (s_в от 200 до 400 МПа). При этом, с увеличением концентрации Zn до 30 %, пластичность d не только не падает, а наоборот, - растёт (d увеличивается от 30 до 60 %). При ещё больших концентрациях цинка, d начинает снижается.

Тепло- и электропроводность латуней снижается с ростом концентрации в них цинка (при 39 % Zn эти характеристики составляют только 20 % от их значений в чистой меди).

Помимо бинарных латуней, выпускаются промышленностью и легированные латуни. Легирующими элементами являются Al, Si, Sn, Ni и др. Все эти элементы повышают стойкость латуней. Легирование алюминием, кроме того, повышает прочность латуней (s_в до 700 Мпа). Легирование латуней никелем улучшает их штампуемость, легирование кремнием повышает пластичность не только при комнатной температуре, но и при низких (до –183⁰С). Все латуни делятся на деформируемые и литейные.

Существует специальная система маркировки латуней. У бинарных деформируемых латуней маркировка начинается с буквы – Л (латунь), и затем идёт двузначная цифра, указывающая содержание меди в %. У легированных латуней после цифры, указывающей содержание меди, идут буквы, указывающие название легирующего элемента, и далее цифры (через чёрточку), отражающие концентрацию каждого из легирующих элементов. Al обозначают буквой – A, Ni – H, Sn – O, Pb – C, Si – K, Mn - Мц, Be – Б. Напр., Л63 означает бинарную латунь с сод. 63 % меди (цинк определяется по разнице от 100 %). Л070 – 1 – морская латунь, содержанием 70 % Cu, 1 % Sn, а ЛАЖМц66-3-2-1 – латунь, содержащая 66 % Cu, 3 % Al, 2 % Fe, 1 % Mn.

При маркировке литейных латуней двузначной цифрой указывают не содержание меди, а содержание цинка. Содержание легирующих указывается буквами, за которыми сразу же следует цифра, указывающая на их количество. Напр., ЛЦ40Мц3А2 означает, что это литейная латунь содержащая 40 % Zn, 3 % Mn, 2 % Al.

В пищевой промышленности латуни Л63, Л68, Л070-1 используют для изготовления труб теплообменных аппаратов. Для труб, контактирующих с агрессивными пищевыми средами, используют латуни Л80, Л090-1, ЛК80-3, а для труб общего назначения – Л62, ЛС59-1 и др. При этом, в случае непосредственного контакта с пищевыми продуктами использование латуни ЛС59-1 не допускается из-за вредного воздействия свинца. Наиболее широко в промышленности используют алюминиевые латуни (для различных валов, зубчатых колёс, втулок, мешалок) и др. изделий, непосредственно контактирующих с пищевыми продуктами, а также кремнистые латуни, для изготовления различных пружин.

Бронзы

Бронзами называют сплавы со всеми элементами, кроме цинка, хотя в легированных бронзах цинк может использоваться в качестве легирующего элемента. Называются бронзы по основному легирующему элементу (алюминиевые, кремнистые, оловянистые, фосфористые и др.). Бронзы, как и латуни, делятся на деформируемые и литейные.

Для каждой из этих групп существует своя система маркировки. В деформируемых бронзах после букв Бр (бронза) следуют все буквы, обозначающие название легирующих элементов, а затем через черточки цифры, указывающие концентрации этих элементов. Напр., БрОФ-4-0,25 означает, что это – деформируемая бронза, с содержанием 4 %Sn и 0,25 %P. При маркировке литейных бронз, содержание каждого легирующего элемента ставится непосредственно после буквы, указывающей его название. Например, БрА10Ж4Н4 означает, что это литейная бронза, содержащая 10 % Al, 4 % Fe, 4 % Ni.

Наиболее широко в промышленности используются оловянистые и алюминиевые бронзы. Содержание легирующих элементов в них не превышает 10 – 12 %, так как при более высоких концентрациях бронзы становятся хрупкими. Прочность деформируемых бронз (s_в) в зависимости от их состава может меняться от 340 до 400 Мпа, при d = 40 – 65 %. Для литейных бронз s_в меняется от 150 до 250 Мпа, а d от 10 до 3 %.

Оловянистые бронзы достаточно дороги и для удешевления их легируют Zn, Ni, P, Pb. Эти элементы несколько повышают прочностные характеристики, но главное, улучшают обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Фосфор повышает обрабатываемость резанием и жидкотекучесть в литейных бронзах, а также циклическую выносливость. Кремнистые бронзы с 3 % Si обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Алюминиевые бронзы сочетают высокие механические свойства с хорошей коррозионной стойкостью и антифрикционными характеристиками.

В продовольственном машиностроении 1-е место занимают оловянистые бронзы, потому что многие узлы оборудования изготавливают пайкой, а алюминиевые бронзы паяются плохо. Кроме того, при пайке припоями Sn-Pb имеется опасность попадания свинца в пищевые продукты. Требуется проводить лужение изделия, а это делает его более дорогим, чем при изготовлении из оловянистых бронз.

Для деталей теплообменных аппаратов, работающих под давлением при температурах до 500⁰С, в ответственных узлах применяются литейные бронзы БрА10Ж4Н4 (втулки, клапаны и др.). В качестве заменителей оловянистых бронз при изготовлении паропроводной аппаратуры, для различных валов, зубчатых колёс, мешалок, используют деформируемую бронзу БрАЖС-10-3-1,5. Оловянистые и алюминиевые бронзы используют также в качестве различных деталей смесителей при производстве пива.

В качестве пружинных материалов и при изготовлении различных мембран, используются кремнистые бронзы БрКН-1-3 и БрКМц-3-1,5. Эти же бронзы используются и в качестве антифрикционных материалов, для изготовления трущихся деталей.

Как уже отмечалось ранее, применение бериллиевых бронз, обладающих наиболее высокими упругими свойствами, высокой циклической выносливостью в пищевом машиностроении не рекомендуется инструкциями Минздрава России из-за опасности отравления сырья и полуфабрикатов соединениями бериллия, характеризующимися высокой токсичностью.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. На какие группы делят алюминиевые сплавы по способам производства и упрочнения?

2. Какие сплавы на титановой основе используют в пищевой промышленности? Какой комплекс свойств обуславливает их применение?

3. Какие материалы относят к латуням, а какие – к бронзам?

4. Как различается маркировка для деформируемых и литейных латуней и бронз?

5. Какие марки бронзы, используемой для изготовления пружин, контактирующих с пищевыми средами?

Тесты по теме 5

Тест 1. На какие классы делят алюминиевые сплавы по способам упрочнения?

1.1. на упрочняемые пластической деформацией;

1.2. на деформируемые и линейные;

1.3. упрочняемые деформацией + старение.

Тест 2. Что такое естественное старение, и в каких сплавах оно протекает?

2.1. изменение прочности любых сплавов на основе цветных металлов при нагреве;

2.2. снижение прочности сплавов с течением времени;

2.3. повышение прочности закаленных алюминиевых сплавов в процессе вылеживания при комнатной температуре.

Тест 3. Возможно ли использование в пищевой промышленности титановых сплавов ВТ5, ВТ6, ОТ4?

3.1. ОТ4 возможно, а два другие – нет;

3.2. невозможно;

3.3. возможно использовать все перечисленные сплавы.

Тест 4. На какие классы делят сплавы на медной основе по химсоставу?

4.1. линейные и деформируемые;

4.2. легированные и нелегированные;

4.3. латуни и бронзы.

Тест 5. Какие из указанных бронз могут контактировать с пищевыми продуктами?

5.1. БрОЦ4 и БрО10Ф1;

5.2. БрОЦС-4-4-2,5;

5.3. БрАЖН-10-5-5.