Стандарты и свойства: металлургия меди

Уильям Д. Нильсен-младший. Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

На основные свойства медных сплавов во многом влияют свойства самой меди. Известно, что медь обладает определенными уникальными качествами, которые делают ее лучшим конструкционным материалом для подшипников. Это:

Все три вышеперечисленных качества напрямую связаны со строением и поведением структуры меди в атомном масштабе.

Твердую медь можно описать как расположение атомов меди в гранецентрированно-кубической (ГЦК) конфигурации. Атом меди находится в каждом углу и в центре каждой грани куба, как показано на рисунке.Рисунок 1 . Это элементарная ячейка, которая повторяется в трехмерном пространстве, образуя кристаллическую структуру металла.

Атомы удерживаются на месте в структуре за счет энергии атомного притяжения между ними. Именно такое гранецентрированное кубическое расположение атомов придает меди высокую пластичность и прочность. Все металлы деформируются посредством механизма, называемого скольжением. Когда происходит скольжение, сила, действующая на металл, заставляет атомы скользить друг мимо друга группами. В ГЦК-структуре меди это движение происходит преимущественно в любом или во всех трех направлениях вдоль определенной геометрической плоскости атомов внутри решетки, как показано на рис.фигура 2.

Сочетание электронной и кристаллографической структуры меди придает ей превосходную устойчивость к коррозии. Облако свободных электронов легко доступно для формирования когерентных пленок на поверхности металла, защищающих решетку от дальнейшей коррозии.

ГЦК-структура, порождающая плоскости скольжения, придает этим самым плоскостям еще одну характеристику. Атомы на плоскостях скольжения упакованы настолько плотно, насколько это возможно в любой металлической системе (фигура 2 ). Такое эффективное расположение атомов упаковывает большую часть материи в заданное пространство (по-видимому, это знают пчелы, когда строят соты). Ионам водорода очень трудно проникнуть через небольшие промежутки между атомами и вызвать коррозионное растрескивание под напряжением, за исключением самых агрессивных сред.

Мы видели, как медь, основной металл литой бронзы, в атомном масштабе придает важные характеристики хорошим подшипниковым материалам. Но подшипники изготавливаются не из чистой меди, а из широкого спектра доступных сейчас медных сплавов. Каждый из этих сплавов улучшает характеристики чистой меди и дополнительно адаптирует новый материал к конкретным условиям окружающей среды. Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных систем сплавов с точки зрения металлургии материала и его назначения в конструкции подшипников.

Подшипники из литой бронзы можно разделить с металлургической точки зрения на три категории:

Чтобы понять характеристики различных сплавов, мы должны сначала понять, что происходит с основной структурой меди при добавлении небольших количеств легирующих металлов. Реакции происходят при затвердевании и охлаждении сплавов из расплавленного состояния.

Проще говоря, окончательное расположение легирующих металлов относительно нормальной ГЦК-решетки меди определяет свойства материала сплава.

Легирующие металлы находят свое место в решетке меди тремя основными способами:

Исследования привели к графическому представлению реакции простых бинарных систем сплавов. Это представление называется фазовой диаграммой. Фазовые диаграммы некоторых бинарных систем, имеющих отношение к бронзе, показывают поведение легирующих элементов, которое обычно приводит к одному из трех случаев, упомянутых ранее. Фазовая диаграмма равновесия медь-олово (Рисунок 3) иллюстрирует случаи (1) и (2).

Примером такого однофазного коммерческого сплава является сплав C90300, свойства которого сравниваются с медью в таблице ниже.

Если содержание олова увеличить до 11% и более, часть альфа-фазы преобразуется при охлаждении металла ниже 400°C. Появляется новая фаза, разбросанная по нормальным альфа-кристаллам ГЦК. Эта фаза, называемая дельта, может сохраняться в материале при достаточно быстром охлаждении (