Рис.2 Влияние добавок на электропроводность меди.[1]

            Висмут (точнее богатая висмутом эвтектика) образует тончайшие прослойки между зернами меди, причем толщина таких прослоек, по некоторым данным, по некоторым данным может достигать нескольких атомных слоев. Поэтому обычно бывает достаточно уже тысячных долей процента висмута, чтобы подобные прослойки образовались на значительной части межзеренной поверхности.

            Свинец при малых его содержаниях, так же, как и висмут, образует по границам зерен меди тонкие легкоплавкие прослойки, которые хорошо видны на нетравленом шлифе в виде темной сетки. При больших содержаниях последний обнаруживается в виде темных точек по границам зерен меди.

            При микроскопическом анализе литой меди на свинец необходимо иметь в виду, что, подобно свинцу, могут выглядеть имеющиеся в отливках поры и мелкие раковины, которые тоже располагаются преимущественно по границам зерен. Микропоры легко отличить от включений свинца следующим простым приемом: поворотом микрометрического винта микроскопа микрошлиф слегка выводят из фокуса и снова наводят на фокус, при этом края микропор в отличие от включений свинца то сходятся, то расходятся.

            Примеси третьей группы – сера и кислород – образуют с медью химические соединения Cu2S и Cu2O, которые также располагаются по границам зерен меди в виде эвтектик Cu-Cu2O и a(Cu)-Cu2O.

            Ввиду того, что эвтектические точки на диаграммах состояния Cu-Cu2O и Cu-Cu2S сильно сдвинуты в сторону чистой меди, то основой эвтектик в этом случае является медь, в которой вкраплены включения сульфида или закиси меди. При малом содержании кислорода эвтектика образует тонкую оторочку вокруг зерен меди, намечая их контуры даже без травления. По мере увеличения содержания кислорода количество эвтектики увеличивается и при содержании 0,39 % O2 сплав имеет чисто эвтектическое строение.

            Эвтектика a(Cu)-Cu2O имеет точечное строение, где отдельные темные точки являются частичками закиси меди (Cu2O) ; основу эвтектики (светлое поле) составляет медь (точнее твердый раствор кислорода в меди). Растворимость кислорода в меди при эвтектической температуре (1065°С) составляет 0,0035 %, при 600°С 0,0007 %. При переходе за эвтектическую точку (0,39 % O2) выпадают первичные кристаллы закиси меди, имеющие форму дендритов. Под микроскопом закись меди на нетравленом шлифе выявляется в форме темно-голубых включений. В поляризованном свете частички закиси меди принимают рубиново-красную окраску, что является характерным ее признаком, так как другие включения – сульфиды, фосфиды – в этих условиях не дают цветной реакции.

            При травлении смесью 3 % -ого FeCl3  в 10 %-ной HCl закись меди принимает темную окраску в отличие от включений сульфидов, фосфидов, которые не меняют свое окраски.

            По количеству эвтектики в доэвтектическом сплаве можно определить приблизительно содержание кислорода в меди

    [1]

где Fэвт -площадь поля зрения микрошлифа, занимаемая эвтектикой, %

0,39 – содержание кислорода в эвтектике.

            При деформации нарушается литая структура металла и частицы закиси меди располагаются по границам сильно вытянутых зерен меди., образуя так называемую строчечную структуру. При отжиге происходит перестройка структуры основного металла и частиц закиси меди, несколько укрупняясь за счет их слияния, располагаются в виде цепочек внутри рекристаллизационных зерен.

            Структура меди с примесями серы во многом подобна сплавам меди с кислородом, что объясняется одинаковым характером взаимодействия этих примесей с медью. Однако в сплавах меди с серой в сильной степени сказывается явление коалесценции, в результате чего вместо раздробленных выделений сульфидов наблюдается образование крупных скоплений в форме капель и эвтектика часто не имеет характерного точечного строения.Рис.3.

Рис.3 Микроструктура литой меди с примесью серы. ´250. По границам зерен меди (светлые) располагаются включения сульфида меди (Cu2S) (темные).

            Сульфид меди на нетравленом шве по своей окраске ничем не отличается от закиси меди и только применение идикаторного травителя (смеси 3%ого FeCl3 в 10%-ой HCl) и поляризованного света позволяет эти соединения друг от друга.

            Примеси, образующие с медью легкоплавкие эвтектики и хрупкие химические соединения, ухудшают ее механические свойства и сильно снижают способность к пластической деформации. При небольших содержаниях кислород и сера не оказывают заметного отрицательного влияния на горячую обработку меди.

            Кислород является причиной так называемой «водородной болезни» меди. Сущность этого явления заключается в том, что при нагреве кислородосодержащей меди в восстановительной атмосфере ( в среде, содержащей H2, CO, CH4 и т.п. газы) водород и другие газы, проникая в твердую медь, взаимодействуют с содержащимся в ней кислородом и образуют водяные пары (или CO2), нерастворимые в меди и стремящиеся выделиться из нее под некоторым давлением. В результате этого в местах их выхода образуются микротрещины, которые служат причиной разрушения металла при последующей обработке давлением или в процессе работы деталей, изготовленных из такой меди. По этой причине в отношении содержания кислорода в стандартах на медь и медные изделия даются весьма жесткие нормы.

            Для раскисления меди обычно применяют небольшие добавки фосфора. Весьма эффективным раскислителем меди является также литий.

            Влияние серы и кислорода на механические свойства меди показано на Рис.4.

Рис.4 Влияние серы и кислорода на механические свойства меди.[1]

            Наиболее вредными примесями в меди и ее сплавах являются висмут и свинец. Эти примеси уже при ничтожных содержаниях (тысячные и сотые доли процента) резко снижают пластичность меди при повышенных температурах. Висмут вследствие его хрупкости способствует также понижению пластичности и в холодном состоянии. Влияние свинца на механические свойства меди показано на Рис.5.

Рис. 5 Влияние свинца на механические свойства меди.[1]

            Вредной примесью считают также сурьму, отождествляя ее действие с поведением висмута и меди. Однако это не вполне обосновано. Сурьма, согласно последним данным, до 2% входит в твердый раствор с медью (см. Рис.6) и поэтому не должна ухудшать ни горячей, ни холодной обработки меди. В сплавах на основе меди, где растворимость сурьмы уменьшается в десятки раз, влияние на ее свойства сказывается весьма существенно.

Рис. 6 Диаграмма состояния Cu-Sb [1]

1 – Марц и Матьюсон (1931г.);

2 – Шибота;

3 – по данным автора (1938 г.)

            Вредное влияние легкоплавких примесей можно устранить путем введения специальных присадок, связывающих эти примеси в тугоплавкие химические соединения. Наиболее эффективными являются такие добавки, которые образуют с примесью химические соединения, кристаллизующиеся при температуре либо выше, чем сама медь, либо, по крайней мере, при температуре выше горячей обработки сплава. Легкоплавкие соединения могут способствовать горячеломкости.  Зная формулы этих соединений, при известном содержании примеси можно приблизительно подсчитать необходимое количество нейтрализующей присадки.

            Однако при выборе присадок нельзя не учитывать и той среды, в которой происходит образование соответствующих соединений. Во многих случаях вводимые добавки могут химически взаимодействовать с другими компонентами сплава или образовывать с ними твердые растворы. При образовании химических соединений или твердых растворов действие таких добавок на примеси частично или полностью парализовываться.

            Для связывания свинца и висмута наиболее эффективными присадками оказались:

Для висмута- литий, кальций, церий, цирконий, магний;

Для свинца- кальций, церий и цирконий.

При введении указанных добавок образующиеся тугоплавкие соединения (см. Табл. 3) кристаллизуются не в виде легкоплавких интеркристаллических прослоек, а в форме компактных изолированных тугоплавких соединений.

Табл. 3 Химические соединения свинца и висмута и температуры их плавления.[1]

            При этом происходит заметное очищение границ зерен от примесей и значительная часть включений располагается внутри зерен меди.

            В результате такого изменения (модифицирования) структуры достигаются существенные улучшения механических свойств, особенно при высоких температурах. Одновременно с этим устраняются горячеломкость и хладноломкость сплавов, типичные для меди, содержащей легкоплавкие и хрупкие примеси.

            Указанные методы обезвреживания свинца и висмута в меди позволяют расширить возможности использования низкосортных и вторичных металлов для производства медных сплавов.

            Как уже отмечалось, чистая медь имеет невысокую прочность и поэтому ограниченно применяется как конструкционный материал.

            Для повышения прочности и придания меди особых свойств (жаропрочности, коррозионной стойкости и т.д.) ее легируют различными добавками.

            Сплавы на основе меди обладают высокими механическими и другими ценными свойствами и нашли широкое применение в технике.

Характеристика Меди и ее сплавов

            Благодаря высокой электропроводимости, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электропромышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры. Медь и многие другие ее сплавы применяют при изготовлении криогенной техники.

            Промышленность выпускает медь марок М0,М1 и др. М1(99,9% Cu , примеси не более 0,1%) Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячих состояниях, малочувствительна к изменениям низких температур.. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в довольно широких пределах.

            В машиностроении получили распространение сплавы на основе меди – латуни и бронзы, которые имеют лучшие прочностные и технологические характеристики.

            Медь и ее сплавы свариваются многими способами сварки плавлением. При оценке свариваемости необходимо учитывать, что медь и ее сплавы отличаются от большинства конструкционных материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа), коэффициентом линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали). Медь и ее сплавы склонны к пористости и возникновению кристаллизационных трещин, активно поглощают газы, особенно кислород и водород, которые оказывают вредное влияние на прочностные и технические характеристики.

            Кислород малорастворим в твердой меди. При повышении температуры медь активно окисляется, образуя оксид меди Cu2O, который при затвердевании образует с медью эвтектику Cu-Cu2O. Располагаясь по границам зерен, эвтектика снижает коррозионную стойкость и пластичность меди. При содержании в меди кислорода более 0,1% затрудняются процессы горячей деформации, сварки, пайки и других видов горячей обработки.

            Водород хорошо растворяется в жидкой меди. В затвердевшей меди растворимость водорода незначительна. С повышением температуры растворимость водорода возрастает, особенно при переходе в жидкое состояние.

            Медь и ее сплавы в жидком состоянии могут взаимодействовать также с оксидами углерода. Азот имеет весьма малое сродство к меди и нерастворим в ней.

Пористость

            Медь и ее сплавы проявляют повышенную склонность к образованию пор в металле шва и околошовной зоне. Причиной образования пор является водород, водяные пары или образующийся углекислый газ при взаимодействии окиси углерода с закисью меди.

Рис. 4 Растворимость водорода в меди (). [4]

            Высокие градиенты температуры способствуют развитию термической диффузии водорода в зоне термического влияния, что приводит к сегрегации водорода вблизи лини сплавления и увеличивает вероятность возникновения дефектов: пор, трещин. Растворимость водорода в меди зависит от содержания в ней кислорода и легирующих компонентов.

            При сварке латуней причиной пористости может стать испарение Zn, температура кипения которого ниже температуры плавления Cu  и составляет 907°С. Испарение Zn уменьшает введение Mn и Si.

            При сварке бронз выгорание легирующих примесей также может стать причиной появления пористости.

            Возникновение пор и микротрещин может быть также связано и с усадочными явлениями, протекающими в процессе кристаллизации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов против возникновения пор в сварных швах в основном обусловлена активным взаимодействием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов (образование водяных паров выделение водорода).

            Медь и ее сплавы при сварке подвержены образованию горячих трещин. Это обусловлено высоким значением коэффициента теплового расширения, большой величиной усадки при затвердевании и высокой теплопроводностью наряду наряду с наличием в меди и ее сплавах вредных примесей (кислорода, сурьмы, висмута, мышьяка, серы, свинца), которые образуют с медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектики сосредотачиваются по границам кристаллов, снижая межкристаллитную прочность. Для обеспечения высоких свойств металла концентрацию примесей в меди ограничивают. Так, например, в меди допускается не более 0,005 сурьмы, 0,005 висмута, 0,004% серы.

            При сварке меди и ее сплавов в швах формируется крупнокристаллическая структура. Это связано с тем, что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствует интенсивному распространению теплового потока от центра сварного шва в основной металл. При этом создаются благоприятные условия для направленной кристаллизации от зоны сплавления в глубь сварочной ванны. Поскольку в этих условиях не появляются новые центры кристаллизации, в сварном шве образуется зона с кристаллитами с избирательной ориентацией; кристаллиты вытягиваются в направлении теплового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структуру сварного шва.

            Интенсивное распространение теплоты в основной металл при сварке способствует росту зерна в зоне термического влияния.

Особенности технологии сварки

            В связи с высокой теплопроводностью меди и сплавов на ее основе для местного расплавления металла необходимо применять источники теплоты с высокой тепловой мощностью и концентрацией энергии в пятне нагрева. Из-за высокой теплопроводности и быстрого отвода теплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению в сварных швах дефектов (непроваров, подрезов, наплывов , трещин, пористости). В связи с этим сварку металла большой толщины (свыше 10-15 мм) обычно выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом. Предварительный подогрев обеспечивает более равномерное распределение теплоты в сварочной ванне, улучшает условия кристаллизации сварного шва, снижает внутренние напряжения и вероятность возникновения трещин. Изделия подогревают газовым пламенем, рассредоточенной дугой и другими способами. Изделия из меди подогревают до температуры 250-300°С.

            Тонколистовые конструкции с толщиной стенки 1,5-2 мм сваривают встык без разделки или с отбортовкой кромок. Высота отбортовки 1,5-2s (s- толщина свариваемых листов). Листы толщиной до 5 мм сваривают также без разделки кромок, но с зазором до 2мм. Листы толщиной свыше 10мм сваривают с разделкой кромок: под ручную дуговую сварку (РДС) с углом разделки 70° и притуплением кромок до 3мм.

            Стыковое соединение сваривают, как правило, на формирующих подкладках из меди, графита, керамики и флюсовой подушке. Тавровые соединения больших толщин для удержания жидкой ванны рекомендуется сваривать в «лодочку».

            Применяют прессованные прутки или проволоку диаметром 3-10мм. Химический состав присадочных стержней (проволоки) выбирают в зависимости от требований к сварным швам и метода сварки.

Страницы: 1, 2, 3