Cвойства цветных металлов для деталей трубопроводной арматуры

Сплавы меди с цинком (до 45 % Zn) называют латунями. Строение и свойства латуней зависят от содержания цинка (рис. 1.13). По структуре латуни делятся на α-латуни (до 39 % Zn) - структура однородного твердого раствора цинка и меди, α+β-латуни, β-латуни и другие, по мере увеличения содержания цинка. С увеличением содержания цинка от 0 до 35 % (рисунок 1.13, а) прочность латуни σв возрастает от 200 до 300 МПа при повышении пластичности до максимального значения (до 58%). а+β-латунь с содержанием цинка до 45 % состоит из механической смеси зерен α и β — твердого раствора; β-фаза является более прочной и хрупкой структурной составляющей, поэтому при повышении содержания цинка до 45 % прочность становится максимальной, а пластичность резко падает до 7 %. При содержании цинка свыше 45 % резко падает и прочность латуни, что объясняется появлением в структуре хрупких и малопрочных β- и γ-фаз. В связи с этим латуни с содержанием цинка более 45 % не применяют.

Рис. 1.13. Механические свойства латуни (а) и бронзы (б) в зависимости от химического состава и структуры.

Латуни маркируют буквой Л и последующей двузначной цифрой, обозначающей содержание меди в процентах (например, Л63 — 63 %Сu и 37 % Zn). Применяемые латуни имеют при комнатной температуре а — структуру (Л63) или α+β — структуру (Л59).

Латуни обладают хорошими литейными качествами (малой склонностью к ликвации, хорошей жидкотекучестью и др.), способностью к пластической деформации, поэтому их выпускают преимущественно в катаном состоянии (листы, ленты, профили и т.д.) — деформируемые сплавы. Причем α-латуни подвергают холодной пластической деформации при комнатной температуре, так как в интервале температур 300 — 700 °С они становятся менее пластичными. Способность α-латуней к горячей пластической деформации уменьшается из-за примесей висмута и свинца, образующих легкоплавкие эвтектики по границам зерен. α+β-латуни, наоборот, подвергают горячей пластической деформации, так как при нагреве выше температуры 500 °С они становятся более пластичными. На α+β-латуни примесь свинца не оказывает влияния при горячей обработке давлением, так как свинец, располагающийся по границам зерен, при нагреве в результате перекристаллизации α→β оказывается внутри зерен. Поэтому в α+β-латуни вводят до 1—2 % свинца для улучшения обрабатываемости резанием. Например, выпускают автоматную латунь ЛС59.

Наличие 1 — 1,5 % олова в латуни повышает ее коррозионную стойкость в морской воде. В латуни можно вводить также алюминий и никель для повышения механических свойств и коррозионной стойкости (ЛАН5 9-3-2, где буква А и цифра 3 обозначают наличие алюминия в количестве 3 %, а буква Н и цифра 2 — наличие никеля 2 %). Наличие марганца в латуни указывают буквы Мц в обозначении ее марки, кремния — буква К, железа — буква Ж и т.д. с указанием процентного содержания их соответственно расположению букв в марке. Например, в прутке латуни марки ЛЖМц59-1-1 содержится (в %) меди в среднем 59, железа 1 и марганца 1. При использовании латуни как литейного сплава в обозначение марки вводят дополнительно букву Л после цифр, указывающих количественное содержание элементов (ЛС59-1Л).

Содержание случайных примесей в латунях составляет 0,4 — 0,9 %. Латуни применяют при температуре 225 — 250 °С. Они являются пластичным материалом, имеют хорошую коррозионную стойкость (особенно после отжига). С понижением температуры механические свойства (таблица Д.11) латуней повышаются, поэтому их можно применять при низких температурах.

Таблица Д. 11. Химический состав и механические свойства латуней

Марка латуни	Характеристика	Среднее содержание основных элементов, %		σт, МПа	σв, МПа	δ,%, не менее
		Сu	Zn
Л63	Прутки тянутые и катаные Поковки и штамповки Термически обработанная, мягкая	63 - -	37 - -	- 440 110	380 520 360	15 10 49
ЛС59-1Л	Отливки	59	41	150	200	20
ЛС59-1	Прутки тянутые и катаные	59	41	-	400	12
ЛС59-1ЛД	Отливки под давлением	59	41	-	200	6
ЛК80-3Л	Отливки в землю Отливки в кокиль	80 -	20 -	240 150	300 300	15 15
ЛМцС58-2-1Л	Отливки в кокиль Отливки в землю	58 -	42 -	130 160	350 250	8 10
ЛЖМц59-1-1	Прутки тянутые и катаные	59	41	180	500	18

Кремнистую и свинцовистую латуни марок ЛК80-ЗЛ и ЛС59-1Л используют для неответственных литых деталей арматуры, работающих при низких давлениях. Из латуни марки ЛЖМц59-1-1 изготавливают поковки шпинделей, ходовых гаек и др. Ходовые гайки также выпускают из латуней марок ЛМцС58-2-2 и ЛС59-1, уплотнительные кольца задвижек и вентилей - из латуней марок Л63 (прокат), ЛМц58-2-2Л и ЛК80-ЗЛ (отливки). Латунь марок Л63, ЛЖМц59-1-1 можно использовать для деталей арматуры, работающей в условиях низких температур до минус 263 °С.

Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием или свинцом. Бронзы дополнительно легируют железом, марганцем, иногда титаном. В зависимости от основного легирующего элемента бронзы подразделяют соответственно на оловянистые, алюминиевые, бериллиевые и т. д. Бронза имеет более высокую прочность и более низкую пластичность, чем латунь. Применяют бронзу для изготовления деталей арматуры: шпинделей, ходовых гаек, подшипников, втулок, венцов червячных колец, а также пружин, работающих в коррозионной среде.

Оловянистые бронзы представляют собой сплавы меди с оловом при содержании олова до 14 %. Строение и свойства бронзы зависят от содержания олова. Бронзы с содержанием олова (рисунок 1.9, б) до 14% по структуре должны представлять собой однородный α — твердый раствор олова и меди. Но так как оловянистые бронзы обладают большой склонностью к ликвации, то уже в бронзах с содержанием олова 5 % наблюдается значительное отклонение структуры от равновесной. В литых бронзах с содержанием олова более 5 % по границам зерен обнаруживают эвтектоид (механическую смесь) из α- и δ- кристаллов. Так как δ- фаза очень хрупка, то пластичность бронз с увеличением содержания олова сильно снижается (например, при увеличении олова от 8 до 20 % пластичность снижается с 35 до 2 %). Отжиг улучшает структуру бронз с содержанием олова 5 — 6 %. Поэтому для изготовления деталей обработкой давлением (ковкой, прокаткой и т. д.) с последующим отжигом применяют оловянистые бронзы с содержанием не более 6 — 7 % олова. С большим содержанием олова детали из оловянистой бронзы изготавливают литьем.

Для улучшения обрабатываемости бронз резанием в них добавляют свинец, для удешевления — цинк, а для устранения хрупких включений SnO и повышения твердости — фосфор. Бронзу маркируют буквами Бр, затем буквами, обозначающими наличие легирующих элементов (О — олово, А — алюминий, Б — бериллий, К — кремний, Ц — цинк, Мц — марганец, Т — титан, Ф — фосфор, С — свинец, Ж — железо, Н — никель), и цифрами после перечисленных букв, обозначающими процентное содержание легирующих элементов, например, БрОФ6,5-0,15, в которой олова содержится в среднем 6,5 %, фосфора — 0,15%. Деформируемые оловянистые бронзы, легированные фосфором или цинком (БрОФ6,5-0,15; БрОФ4-0,25; БрОЦ4-3 и БрОЦ4-2,5), выпускают в виде лент, полос, прутков, пружинной проволоки, трубок. Литейные оловянистые бронзы, легированные свинцом, цинком и фосфором, применяют для арматуры (БрОЦСЗ-12-5). Они обладают малой усадкой (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Затвор поворотный.

Наиболее распространены безоловянистые бронзы, обладающие за счет легирования высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами.

Алюминиевые бронзы содержат 5—11 % Аl. Их легируют дополнительно Мn 1-2,5 %, Fe 2-6,5 %, Ni 3,5-6,5 %, Pb 1-1,5 %. Деформируемыми алюминиевыми бронзами являются БрАМц9-2; БрАЖН 10-4-4 (прутки, полосы); деформируемыми и литейными БрАЖН10-4Л и БрАЖМц 10-3-1,5 (поковки, фасонное литье) и литейными-БрАМц9-2Л; БрАЖС7-1,5-1,5Л; БрАЖН 11-6-6Л (фасонное литье) (таблица Д.12).

Бериллиевые бронзы с содержанием бериллия до 2 % обладают высокими упругими свойствами, хорошей коррозионной стойкостью, хорошо свариваются, обрабатываются резанием и подвергаются закалке. Их применяют для изготовления мембран, ответственных пружин и других изделий обычно после легирования никелем 0,2 — 0,5 %. Например, бронза марки БрН2 предназначена для работы при температурах от минус 269 до 250 °С.

Кремнистые бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью и механическими свойствами, но большей усадкой, чем оловянистые (БрКМцЗ-1; БрКЦ4-4; БрКН1-3 и др.).

Таблица Д. 12. Механические свойства бронз

Марка бронзы	Характеристика	σт, МПа	σв, Мпа, не менее	δ,%, не менее
БрОЦСЗ-12-5 БрАМЦ9-2 БрАМц9-2Л БрКМц3-1 БрКМц3-1Л БрАЖМц10-3-1,5 БрОЦ4-3 БрОЦ4-3Л БрАЖН 10-4-4 БрАЖН10-4-4Л БрБ БрОФ6,5-0,15	Фасонное литьё:    в землю    в кокиль Прутки тянутые диаметром 30 мм Прутки прессованные диаметром 15-120 мм Отливки в землю и кокиль Прутки тянутые диаметром 14-30 мм Прутки катаные диаметром 30-100 мм Отливки в кокиль Прутки прессованные Прутки тянутые Отливки Прутки прессованные Отливки Прутки и полосы мягкие Полосы твердые толщиной до 6 мм Термоообработанная (закалка с температуры 800°С в воде, отжиг при температуре 300°С в течение 2 ч) Прутки тянутые Прутки прессованные	- - - 300 250 370 - 190 - 150 - 270 250 - 1280 - -	180 210 550 480 500 480 400 350 600 350 300 650 650 400 660 1300 420 350	8 5 12 20 32 15 15 25 12 15 56 5 10 30 2 1,5 15 55