3.1.4. Литейные латуни

Из всех тяжелых цветных сплавов наибольшее распространение в машиностроении получили латуни. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют достаточно высокие механические свойства.

Латунями называют сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Различают простые (двойные) латуни

Таблица 2

Химический состав меди (% по массе) по ГОСТ 859 – 78

Марка меди

Cu + Ag, не менее

Примеси, не более

Sb

As

Fe

Ni

Pb

Sn

O2

Zn

Bi

P

S

∑

М00б М0б М1б М0 М1 М1р М2 М2р

99,99 99,97

0,001

0,001

0,001

0,001

0,001

0,001

0,001

0,001

0,0005

Примечание. Б – бескислородная медь; р – медь, раскисленная фосфором

Гуляев Синтез сплавов стр.

Рис.2.

Таблица 3

Параметры начальных участков двойных диаграмм состояния меди с некоторыми элементами

Элемент	Тип превращения	Температура превращения, оС	Ср, % (ат)	Сэ, % (ат)	Кр
Н Li Ве В Na Mg Al Si P S Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge Sr Ag Cd Sn Sb	М Э Пн Э М Э Э Пн Э Э Э Э Пн Пв Э Рк Рв Пв Рн Рн Пн Пн Пн Э Э Пн Пн Э	1083 179 866 1060 400 722 1037 852 714 1067 917 860 895 1120 1075 870 1094 1112 1454 1083 902 915 823 845 779 549 798 645	0,0086 20,0 16,4 0,53 0,10 8,2 16,0 11,25 34,0 0,014 0,5 1,4 7,3 0,8 0,8 38,5 4,5 5,5 100,0 100,0 31,9 16,3 11,8 0,03 4,9 2,1 7,7 6,0	0,031 99,99 21,4 10,7 0,32 21,9 18,0 17,0 15,7 1,48 9,5 12,0 23,0 0,4 1,56 38,5 3,2 4,5 100,0 100,0 36,8 21,5 17,0 17,0 60,1 44,0 15,5 19,0	0,28 0,20 0,77 0,05 0,31 0,37 0,90 0,66 0,22 0,01 0,053 0,117 0,32 2,00 0,52 1,00 1,40 1,22 1,00 1,00 0,87 0,76 0,69 0,0018 0,081 0,045 0,50 0,314
Примечание: Э – эвтектика, Пв – верхняя перитектика, Пн – нижняя перитектикаМ – монотектика, Рв – раствор восходящий, Рн – раствор нисходящий, Рк – раствор катотектический

и специальные, которые содержат одну или несколько других добавок. Чаще всего в латуни добавляют Pb, Al, Si, Mn, Fe и Ni. Специальные латуни обычно называют по преобладающей добавке: свинцовые, кремнистые, марганцовистые, алюминиевые. Для фасонного литья простые латуни используют редко.

Базовая диаграмма состояния системы Cu – Zn приведена на рис.3.

Мальцев стр. 142

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Cu – Zn.

На диаграмме выделяются пять перитектических площадок. По отдельным ветвям ликвидуса между ними из жидкости кристаллизуется шесть различных фаз: α, β, γ, δ, ε, и η. Рассмотрим только три первые фазы, имеющие практическое значение.

Фаза α является типичным твердым раствором замещения, где в ГЦК решетке чистой меди часть мест атомов меди занимают атомы цинка. Предельная растворимость цинка в меди достигается при температуре 454 ^оС. При более высокой температуре растворимость снижается до 32,5 % (902 ^оС), а при комнатной температуре составляет около 35,2 %. Эта фаза является мягкой, пластичной и не слишком прочной структурной составляющей.

Фаза β также является твердым растворм, но его сновой является не медь, а химическое соединение CuZn с ОЦК решеткой. Область существования этой фазы сужается при понижении температуры. При этом в сплавах, лежащих по обе стороны от этой области происходит распад β- фазы с выделением α- или γ-кристаллов. Фаза β наиболее прочная структурная составляющая, но обладающая малой пластичностью. Причиной падения пластичности является образование упорядоченного твердого раствора, который обозначается β'.При температурах ниже 454 – 468 ^оС атомы меди в решетке β- фазы располагаются в вершинах куба, а атомы цинка в занимают место в центре.

Фаза γ является твердым раствором на основе химического соединения Cu₅Zn₈, имеющего сложную кубическую решетку. Это очень хрупкая и малопрочная составляющая.

Таким образом, структура двойных латуней, а, следовательно, и их свойства зависят от содержания цинка. Зависимость механических свойств двойных латуней от состава приведена на рис. 4.

Рис. 74 на стр 146 Мальцев

Рис.4. Зависимость механических свойств двойных латуней от содержания Zn.

Отсюда следует, что практическое значение могут иметь только однофазные (α или β) и двухфазные α +β сплавы, содержащие не более 50 % Zn. Появление γ-фазы в рабочих сплавах недопустимо.

Наиболее часто в латунях встречаются такие примеси, как: железо, висмут, свинец, сурьма, мышьяк и фосфор. Железо в небольших количествах от 0,1 до 0,2 % не оказывает заметного влияния на механические свойства двойных латуней, остальные примеси охрупчивают сплавы.

Введение третьего компонента в двойные латуни может существенно изменить их структуру и свойства. Судить о структуре многокомпонентных сплавов необходимо по диаграммам состояния тройных, четверных и более сложных систем, которые сложно представить в доступной форме. На практике используют двойную диаграмму состояния системы Cu – Zn, а влияние добавок учитывают при помощи коэффициентов эквивалентности (коэффициентов Гийе), показывающих какое количество цинка заменяет введенная добавка. Экспериментально установлено, что любая добавка третьего компонента сдвигает границы структурных областей латуни.

Каждый новый компонент влияет на структуру также как и цинк, но эффект от добавки 1 % этого компонента иной. Численные значения коэффициентов эквивалентности были установлены Гийе (отсюда и их второе название): Si 10-12, Al 4-6, Sn 2, Pb 1, Fe 0,9, Mn 0,5, Ni -1,3. Коэффициент эквивалентности никеля имеет знак минус, т.е. его добавка аналогична увеличению содержания меди (уменьшения содержания цинка). В общем случае для многокомпонентной латуни можно определить кажущееся содержание цинка (Zn') по формуле:

Zn' = (Zn + Σ ЭК/ Zn + Cu + Σ ЭК) ∙ 100 %,

где Zn, Cu и Э – действительные содержания Zn, Cu и добавляемого элемента в процентахоС;

К – коэффициент эквивалентности добавляемого элемента.

Таким образом, зная коэффициенты эквивалентности и состав латуни, можно прогнозировать структуру латуни по диаграмме состояния Cu – Zn. Например, легко подсчитать, что структура латуни, содержащей 25 % Zn, 5 % Al, 1 % Fe и 69 % Cu будет аналогична структуре двойного сплава с 42,4 % Zn (коэффициент эквивалентности Al принят равным 5). Необходимо иметь в виду, что речь идет только о структуре. Механические свойства многокомпонентной латуни будут существенно отличаться от свойств двойной латуни, содержащей 42,4 % Zn.

Химический состав литейных латуней приведен в таблице 4, а механические свойства этих сплавов в таблице 5.

Таблица 4

Химический состав литейных латуней по ГОСТ 17711 – 93

Марка латуни	Основные элементы , % (остальное цинк						Допусти-мая сум-ма при-месей
	Cu	Al	Fe	Mn	Si	Рb
ЛЦ40С ЛЦ40Сд Лц40Мц1,5 ЛЦ40Мц3Ж Лц40Мц3А Лц38Мц2С2 Лц30А3 Лц25С ЛЦ23А6Ж3Мц2 ЛЦ16К4 ЛЦ14К3С3	57,0 -61,0 58,0-61,0 57-60 53,0-58,0 55,0-58,5 57,0-60,0 66,0-68,0 70,0-75,0 64,0-68,0 78,0-81,0 77,0-81,0	0,5-1,5 2,0-3,0 4,0-7,0	0,5-1,5 2,0-4,0	1,0-2,0 3,0-4,0 2,5-3,5 1,5-2,5 1,5-3,0	0,5-1,5 % Sn 3,0-4,5 2,5-;.5	0,8-0,2 0,8-0,2 1,5-2,5 1,0-3,0 2,0-4,0	2,0 1,5 2,0 1,7 1,5 2,2 2,6 1,5 1,8 2,5 2,3

Таблица 5

Механические свойства литейных латуней

Марка латуни	Способ литья	Механические свойства, не ниже
		σв, МПа	δ, %	HB
ЛЦ40С ЛЦ40Сд ЛЦ40Мц1,5 ЛЦ40Мц3Ж ЛЦ40Мц3А ЛЦ38Мц2С2 ЛЦ30А3 ЛЦ25С ЛЦ23А6Ж3Мц2 ЛЦ16К4 ЛЦ16К3С3	ПФ К,Ц Д К П К,Ц П К Д К,Ц П К П К П П К П К П К	215 215 196 264 372 392 441 390 392 441 245 343 294 392 146 686 705 294 343 245 294	12 20 6 18 20 20 18 10 10 15 15 10 12 15 8 7 7 15 15 7 15	70 80 70 100 100 110 90 100 90 115 80 85 80 90 60 160 165 100 110 90 100

Комплексное легирование специальных латуней позволяет улучшить их механические и технологические свойства. Алюминий повышает прочность, жидкотекучесть и коррозионную стойкость латуни. Марганец увеличивая прочность и коррозионную стойкость, несколько снижает жидкотекучесть. Железо измельчает структуру, а следовательно улучшает механические свойства. Кремний повышает прочность латуни, сохраняя ее пластичность, и улучшает литейные свойства. Свинец придает сплавам антифрикционные свойства и способствует лучшей обрабатываемости резанием.

Свинцовые латуни ЛЦ40С и ЛЦ40Сд нашли наиболее широкое применение в промышленности. Свинец нерастворим в твердой меди и в латуни присутствует по границам зерен в виде самостоятельной мягкой фазы. Это улучшает ее антифрикционные свойства. Из этой латуни отливают различную арматуру, втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников. Большое количество этого сплава идет на литье арматуры водоснабжения (краны-смесители и др.) Благодаря включениям свинца латунь хорошо обрабатывается резанием.

Марганцовые латуни ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ37Мц2С2К имеют двухфазную структуру. Марганец хорошо растворяется в меди. Он повышает механические свойства и коррозионную стойкость в морской воде. Добавки железа способствуют измельчению зерна, что приводит к повышению прочности и вязкости. Алюминий в еще большей степени, чем железо повышает прочность и твердость марганцовых бронз. Добавки свинца, выделяющегося в виде мелких включений, улучшают антифрикционные свойства. Микроструктура некоторых марганцовых латуней показана на рис. 5.

Эти латуни применяются, в основном, в судостроении для различных деталей от крупных судовых винтов до мелкой арматуры. Латунь со свинцом ЛЦ38Мц2С2 применяется и для арматуры вагонных подшипников.

Рис.5. Микроструктура марганцовых латуней: а – ЛЦ38Мц2С2 ×120; б – ЛЦ40Мц3Ж (55 % Cu)×250; в – ЛЦ40Мц3Ж (52 % Cu)×250

Алюминиевая латунь ЛЦ30А3 имеет хорошую жидкотекучесть, малую линейную усадку и является хорошим материалом для коррозионностойких деталей в морском и общем машиностроении.

Алюминиево-железо-марганцовая латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 является наиболее прочной из всех латуней. Это достигнуто за счет введения трех легирующих добавок, которые удачно дополняют друг друга. Предел прочности этого сплава может превышать 1000 МПа. Высокое суммарное содержание легирующих элементов обеспечивает получение однофазной β –структуры (рис. 6, а) с вкраплениями железосодержащей фазы.

К недостаткам латуни можно отнести то обстоятельство, что при содержании алюминия на верхнем пределе (свыше 6,8 %) в структуре возможно появление хрупкой γ –фазы (рис. 6, б) и пластичность отливок не укладывается в допустимые 7 % (см. раздел 1.3.2). Высокое содержание алюминия приводит к повышенной окисляемости латуни и загрязнению сплава окисными пленами. Для их устранения необходимо рафинирование расплава при плавке.

Рис. 6. Микроструктура латуни ЛЦ23А6Ж3Мц2: а – однофазная β –латунь; б – двухфазная β + γ – латунь

Из данной марки латуни изготовляют детали ответственного назначения, работающие на изгиб при высоких знакопеременных нагрузках: нажимные винты и гайки нажимных винтов прокатных станов, массивные червячные винты и венцы червячных колес и др. детали.

Кремнистые латуни ЛЦ16К4 и ЛЦ16К3С3 отличаются лучшей жидкотекучестью из всех латуней. ЛЦ16К4 является коррозионностойким сплавом и применяется для получения сложных по конфигурации деталей приборов и арматуры. Добавка свинца в латуни ЛЦ16К3С3 повышает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Эта латунь успешно заменяет оловянные антифрикционные бронзы.

Некоторые физические и технологические свойства литейных латуней приведены в таблице 6.

При производстве отливок из литейных латуней необходимо учитывать такое явление, как провал пластичности. При нагреве и охлаждении в интервале температур от 200 до 700 ^оС (для каждой марки латуни этот интервал имеет свои температурные границы) резко снижаются такие характеристики, как: относительное удлинение δ, относительное сужение φ и ударная вязкость КС. Если на отливку в этом хрупком интервале будут воздействовать динамические нагрузки, например при выбивке из форм, то на ней могут появиться холодные трещины.

Таблица 6

Физические и технологические свойства латуней

Марка латуни	Плотность, г/см3	Тем-ра плавления, оС	Линей-ная усадка, %	Объемная усадка, %	Жидкотеку-честь, мм
ЛЦ40С и ЛЦ40Сд ЛЦ40Мц1,5 ЛЦ40Мц3Ж ЛЦ40Мц3А ЛЦ38Мц2С2 Лц30А3 ЛЦ23А6Ж3Мц2 ЛЦ16К4	8,5 8,2 8,5 8,4 8,5 8,5 8,5 8,3	885 880 880 920 880 995 900 900	2,2 1,6 1,6 1,8 1,8 1,55 1,7 1,7	5 – 6 5 – 6 5 – 6 5 – 6 5 – 6 5 – 6 5 – 6 5 – 6	580 560 570 550 400 570 470 600