Литейные латуни 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 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, марганцовые, алюминиевые. Для фасонного литья простые латуни используют редко.

Базовая диаграмма состояния системы Cu – Zn приведена на рис. 36.

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

Фаза ? 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 °С. При более высокой температуре растворимость снижается до 32,5 % (902 °С), а при комнатной температуре составляет около 35,2 %. Эта фаза является мягкой, пластичной и не слишком прочной структурной составляющей.

Фаза ? также является твердым растворм, но его основой 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, проис

ходит распад ?фазы с выделением ?или ?кристаллов. Фаза ? наиболее прочная структурная составляющая, но обладает малой пластичностью. Причиной падения пластичности является образование упорядоченного твердого раствора, который обозначается ? '. При температурах ниже 454468 °С атомы меди в решетке ?фазы располагаются в вершинах куба, а атомы цинка занимают место в центре.

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

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

Наиболее часто в двойных латунях встречаются такие примеси, как железо, висмут, свинец, сурьма, мышьяк и фосфор. Железо в не

больших 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. Экспериментально установлено, что любая добавка третьего компонента сдвигает границы структурных областей латуни.

Судить о структуре многокомпонентных сплавов необходимо по диаграммам состояния тройных, четверных и более сложных систем, которые сложно представить в доступной форме. На практике используют диаграмму состояния системы Cu – Zn, а влияние добавок учитывают при помощи коэффициентов эквивалентности, показывающих, какое количество цинка заменяет введенная добавка.

Каждый новый компонент влияет на структуру, также как и цинк, но эффект от добавки 1 % этого компонента иной. Численные значения коэффициентов эквивалентности были установлены французским металлургом Гийе (Guillet): 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 (уменьшению содержания цинка). В общем случае для любой многокомпонентной латуни можно определить кажущееся содержание цинка (Zn') по формуле

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

где Zn, Cu и Э – действительные содержания Zn, Cu и добавляемого элемента в процентах; К – коэффициент эквивалентности добавляемого элемента.

Таким образом, зная коэффициенты эквивалентности Гийе 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 много

компонентной латуни будут существенно отличаться от свойств двойной латуни, содержащей 42,4 % Zn.

Химический состав литейных латуней приведен в табл. 26, а механические свойства этих сплавов – в табл. 27.

Таблица 26

Химический состав литейных латуней по ГОСТ 17711–93

 

Основные элементы, % (остальное – Zn)

Допусти

мая сум

ма при

месей

Марка латуни

Cu

Al

Fe

Mn

Si

Рb

ЛЦ40С

57,0–61,0

0,8–2,0

2,0

ЛЦ40Сд

58,0–61,0

0,8–2,0

1,5

Лц40Мц1,5

57,0–60,0

1,0–2,0

2,0

ЛЦ40Мц3Ж

53,0–58,0

0,5–1,5

3,0–4,0

1,7

ЛЦ40Мц3А

55,0–58,5

0,5–1,5

2,5–3,5

1,5

ЛЦ38Мц2С2

57,0–60,0

1,5–2,5

1,5–2,5

2,2

ЛЦ30А3

66,0–68,0

2,0–3,0

2,6

Лц25С2

70,0–75,0

0,5–1,5 Sn

1,0–3,0

1,5

ЛЦ23А6Ж3Мц2

64,0–68,0

4,0–7,0

2,0–4,0

1,5–3,0

1,8

ЛЦ16К4

78,0–81,0

3,0–4,5

2,5

ЛЦ14К3С3

77,0–81,0

2,5–4,5

2,0–4,0

2,3

Таблица 27

Механические свойства литейных латуней

 

Марка латуни

Способ литья

Механические свойства, не ниже

?в, МПа

?, %

HB

ЛЦ40С

П К,Ц

215 215

12 20

70 80

ЛЦ40Сд

Д К

196 264

6 18

70 100

ЛЦ40Мц1,5

П К,Ц

372 392

20 20

100 110

ЛЦ40Мц3Ж

П К Д

441 490 392

18 10 10

90 100 90

Окончание табл. 27

 

Марка латуни

Способ литья

Механические свойства, не ниже

?в, МПа           ?, %              HB

ЛЦ40Мц3А ЛЦ38Мц2С2

К,Ц П К

441 245 343

15 15 10

115 80 85

ЛЦ30А3

П К

294 392

12 15

80 90

ЛЦ25С

ЛЦ23А6Ж3Мц2

П П К

146 686 705

8 7 7

60 160 165

ЛЦ16К4

П К

294 343

15 15

100 110

ЛЦ16К3С3

П К

245 294

7 15

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 и, 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 антифрикционные свойства латуни.

Из этой латуни отливают различную арматуру, в том числе бытовые кранысмесители, втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников и другие детали.

Марганцовые латуни ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ37Мц2С2К имеют двухфазную структуру. Марганец хорошо растворяется в меди. Он повышает механические свой

ства 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 латуней. Добавки свинца, выделяющегося в виде мелких включений, улучшают антифрикционные свойства. Микроструктура некоторых марганцовых латуней показана на рис. 38.

Литейные латуни

в

Рис. 38. Микроструктура марганцовых латуней: а ЛЦ38Мц2С2 ×120; б   ЛЦ 40Мц3Ж (55 % Cu) ×250; в    ЛЦ 40Мц3Ж (52 % Cu) ×250

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

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

Алюминиевожелезомарганцовая латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 является наиболее прочной из всех латуней. Упрочнение 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 ?структуры (рис. 39, а) с вкраплениями железосодержащей фазы.

К недостаткам латуни можно отнести следующую особенность. При содержании алюминия на верхнем пределе (свыше 6,8 %), а меди – на нижнем в структуре возможно появление хрупкой ?фазы (рис. 39, б). В этом случае пластичность отливок будет ниже 7 %, допустимых ГОСТом (см. разд. 2.2). Высокое содержание алюминия

приводит к повышенной окисляемости латуни и загрязнению сплава окисными пленами. Для их устранения необходимо рафинирование расплава при плавке.

Из латуни данной марки 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, другие 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 табл. 28.

Таблица 28

Физические и технологические свойства латуней

 

Марка латуни

Плотность,

Температура

Линейная

Объемная

Жидкотеку

г/см3

плавления, °С

усадка, %

усадка, %

честь, мм

ЛЦ40С, ЛЦ40Сд

8,5

885

2,2

5–6

580

ЛЦ40Мц1,5

8,2

880

1,6

5–6

560

ЛЦ40Мц3Ж

8,5

880

1,6

5–6

570

ЛЦ40Мц3А

8,4

920

1,8

5–6

550

ЛЦ38Мц2С2

8,5

880

1,8

5–6

400

Лц30А3

8,5

995

1,55

5–6

570

ЛЦ23А6Ж3Мц2

8,5

900

1,7

5–6

470

ЛЦ16К4

8,3

900

1,7

5–6

600

При производстве отливок из литейных латуней необходимо учитывать такое явление, как провал пластичности. При нагреве и охлаждении в интервале температур от 200 до 700 °С (для каждой марки латуни этот интервал имеет свои температурные границы)

резко снижаются такие характеристики, как относительное удлинение ?, относительное сужение ? и ударная вязкость KC. Если на отливку в этом хрупком интервале будут воздействовать динамические нагрузки, например при выбивке из форм, то на ней могут появиться холодные трещины.

  • Читать все новости