Ziel der Metallographie ist es

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Министерство сельского хозяйства и продовольствия РБ

Белорусский государственный аграрный технический университет

Кафедра «Иностранного языка»

Реферат

по теме: “Металлография: медь и ее сплавы”

Аспирант:

Иванов Е.В.

Руководитель: к.ф.н., доцент

Петров Л.И.

Минск

2007

Einleitung

Ziel der Metallographie ist es, bei festgelegter chemischer Zusammensetzung aus dem Gesamtbild der makro- und mikroskopisch sichtbaren Gefьgestruktur heraus die Eigenschaften und das Verhalten einer Legierung unter vorgegebenen Beanspruchungsverhдltnissen nach Mцglichkeit im voraus zu bestimmen und das gьnstigste Gefьge fьr einen bestimmten Verarbeitungsprozess oder Verwendungszweck anzugeben.

Daneben hat sich die Metallographie zu einem der wichtigsten Kontrollverfahren fьr die laufende Produktion und zu dem erfolgreichsten Untersuchungsverfahren fьr die Ermittlung von Verarbeitungsfehlern und Schadensursachen bei metallischen Werkstoffen entwickelt.

Allerdings darf man die Grenzen der Metallographie nicht verkennen und nicht mehr von der makro- und mikroskopischen Gefьgeuntersuchung verlangen, als dieselbe zu geben vermag.

Diese Begrenztheit der Metallographie beruht einerseits darauf, dass wir die speziellen Einzelgesetze des Zusammenhangs zwischen Gefьgeaufbau und Eigenschaften noch nicht alle kennen und dass wir oftmals die Gesamtheit aller bei einem konkreten Fall mitwirkenden GesetzmдЯigkeiten und ihre gegenseitige Beeinflussung nicht ьberblicken kцnnen.

Andererseits sind einer weitergehenden Gefьgeinterpretation gewisse Grenzen gesetzt durch das Unvermцgen, bestimmte Substanzen im Gefьge mikroskopisch zu erkennen oder zu identifizieren, teils weil ihre absolute Menge oder GrцЯe zu gering ist, teils weil sie als Mischkristall in Lцsung gehen. Auch durch Einfьhrung spezieller optischer Kontrastierungsverfahren in neuerer Zeit konnte diese Grenze nur geringfьgig verschoben werden. Neue Mцglichkeiten bietet der Einsatz moderner Elektronenmikroskope und Elektronenstrahlmikrosonden.

Eine weitere Erschwernis fьr die eindeutige Zuordnung von Gefьgeaufbau und Eigenschaft liegt in der bisher subjektiven und in den meisten Fдllen rein qualitativen Beurteilung desselben. Dies bedeutet: Anstelle von zahlenmдЯigen Angaben, zwischen denen mathematische GesetzmдЯigkeiten hergestellt werden kцnnten, treten in der Metallographie meist relative Begriffe auf wie: »kleiner oder grцЯer«, »mehr oder weniger« usw. Es ist zu erwarten, dass hier durch das Femsehmikroskop und durch die hierdurch ermцglichte digitale Bildverarbeitung ein grundsдtzlicher Wandel erfolgt.

Aus den angefьhrten Grьnden steht der Metallographie z. B. allen mцglichen Versprцdungserscheinungen bis heute noch machtlos gegenьber. Auch Fragen, welche SchlakkengrцЯen, -mengen und -Verteilungen beispielsweise in Wдlzlager-oder Turbinenschaufelstдhlen noch zulдssig sind oder wann Karbidzeilen in Schnellarbeitsstдhlen von schдdlichem Einfluss auf die Hдrtbarkeit oder auf die Standzeit des daraus gefertigten Werkzeugs sind, kцnnen bis heute nicht eindeutig beantwortet werden und bilden deshalb stets Reibungspunkte zwischen Erzeugern und Verbrauchern.

1. Reinkupfer

Kupfer kommt im geringen Umfang gediegen, in der Hauptsache aber als sulfidisches Erz, das mit Eisen, Blei, Antimon, Arsen oder Nickel verschwistert ist, vor. Das wichtigste Kupfermineral ist der Kupferkies (CuFeS2) mit ?34% Cu. Andere Minerale sind der Kupferglanz (Cu2S), der Bournonit (CuPbSbS3) und der Malachit [CuCO3*Cu(OH)2]. Da die Kupfererze relativ arm sind (meist < 10%), werden sie vor der Verhьttung durch besondere Verfahren auf 20- bis 25 %ige Kupferkonzentrate aufbereitet.

Das sulfidische Erz wird zuerst teilweise gerцstet und dann im Erzflammofen zu Kupferstein mit ?30 bis 40% Cu, 25 bis 35% Fe und 25 bis 35% S verschmolzen. AnschlieЯend erfolgt das Verblasen des Kupfersteins in einem Konverter. Die durch den Stein geblasene Luft oxidiert das Kupfer- und Eisensulfid zu den entsprechenden Oxiden. Das gebildete Kupferoxidul setzt sich mit dem Kupfersulfid unter Ausbildung von metallischem Kupfer um:

2Cu2O + Cu2S > Cu + SO2.

Das Eisenoxidul wird mit Kieselsдure verschlackt. Das auf diese Weise erhaltene Konverterkupfer enthдlt 97 bis 99,5 % Cu, Rest Pb, Sb, Fe, S, Ni, O. Die Raffination erfolgt im Flammofen durch oxidierende Behandlung (Raffinadekupfer) und durch Elektrolyse (Elektrolytkupfer).

Beim Umschmelzen der Katoden erhдlt man entsprechend dem angewandten Umschmelzverfahren sauerstoffhaltiges (E-Cu) oder sauerstofffreies Kupfer (SE-Cu). Die einzelnen Kupfersorten enthalten je nach Reinheitsgrad 99,0 bis 99,97 % Cu. Bei einer Grobeinordnung der Einflьsse von Beimengungen ist festzustellen, dass Schwefel, Blei, Wismut, Antimon, Selen und Tellur die Warm- und Kaltverarbeitung von Kupfer ungьnstig beeinflussen und daher unerwьnscht sind. Bezogen auf besondere Anwendungsfдlle lassen sich die technologischen und mechanischen Eigenschaften von Kupfer durch geringe Beimengungen, z. B. Arsen, Phosphor, Nickel oder Silber, verbessern. Die elektrische Leitfдhigkeit wird aber durch alle Verunreinigungen herabgesetzt. Besonders negativ wirken sich Phosphor, Silizium, Arsen, Eisen und Antimon aus. Fьr die Beurteilung des E-Kupfers ist die elektrische Leitfдhigkeit maЯgebend.

Die hohe elektrische und thermische Leitfдhigkeit des Kupfers, die nur von der des Silbers ьbertroffen wird, erschlieЯt ihm eine breite Anwendung in der Elektrotechnik und im Anlagenbau. Der industrielle Bedarf ist so groЯ, dass Kupfer eines der wenigen Gebrauchsmetalle ist, das zum ьberwiegenden Teil unlegiert verwendet wird.

Reines geglьhtes Kupfer hat eine 0,2-Dehngrenze von ?50 MPA, eine Zugfestigkeit von 200 bis 250 MPa, eine Brinell-Hдrte von 40 bis 50 HB, eine Bruchdehnung von 40 bis 50% und eine Einschnьrung von >50%.

Das Gefьge des kfz. Kupfers besteht aus polyedrischen Kristalliten, die stark verzwillingt sind. Infolge des hohen Schmelzpunkts (l083 °C) ist die Legierbarkeit des Kupfers mit anderen Metallen sehr gut. Die Hauptlegierungselemente des Kupfers sind Zink, Zinn, Nickel, Aluminium, Beryllium, Silizium, Mangan und Silber.

2. Kupfer-Schwefel

Schwefel bildet mit Kupfer die Verbindung Kupfersulfid (Cu2S). Zwischen Kupfer und Kupfersulfid besteht eine ausgesprochene Mischungslьcke (Bild 1). Durch 0,77 % S wird der Schmelzpunkt des Kupfers von 1083 auf 1067 °C erniedrigt. Bild 2 zeigt das ungeдtzte Gefьge von Kupfer mit 5 % S. In die eutektische Grundmasse sind rundliche Ein-schlьsse eingelagert, die aus Cu2S bestehen. Durch Дtzen mit verdьnnter Flusssдure lassen sich die Cu2S- von den Cu2O-Kristallen unterscheiden: Cu2O wird dunkel angefдrbt, Cu2S dagegen nicht angegriffen.



Bild 1 - Zustandsschaubild Kupfer-Schwefel	Bild 2 - Kupfer mit 5% S. Rundliche Einschlьsse von Cu2S in der Kupferundmasse. Ungeдtzt

3. Kupfer-Sauerstoff

Im nicht desoxidierten Hьttenkupfer befindet sich stets noch Sauerstoff. Dieser bildet mit Kupfer die Verbindung Cu2O (Kupferoxidul). Cu2O ist von hohen Temperaturen bis hinab zu 375 °C bestдndig und verbindet sich dann mit Kupfer zu CuO, Kupferoxid (Bild 3). Diese Reaktion verlдuft sehr langsam und hat keine praktische Bedeutung. Zwischen Cu und Cu2O besteht im flьssigen Zustand eine ausgedehnte Mischungslьcke. Durch 0,39% O bzw. 3,5%Cu2O wird der Schmelzpunkt des Kupfers von 1083 auf 1065 °C erniedrigt. Eine eutektische Legierung mit 0,39 % O besteht aus einer Kupfergrundmasse, in die Cu2O-Kristalle in Trцpfchenform gleichmдЯig eingelagert sind. Enthдlt das Kupfer weniger Sauerstoff, so besteht das Gefьge aus primдren Kupferkristallen, die in das (Cu + Cu2O)-Eutektikum eingelagert sind (Bild 4).

Dieses Gussgefьge verдndert aber sein Aussehen, wenn nachtrдglich eine Warm- oder Kaltumformung stattfindet. Bei geringeren Umformgraden wird das Netz aus dem Eutektikum zunдchst parallel zur Hauptumformrichtung langgestreckt (Bild 5). Mit weiter steigendem Umformgrad findet eine Aufteilung des Netzwerks statt, bis schlieЯlich in dьnnen Blechen oder Drдhten die Cu2O-Einschlьsse ziemlich gleichmдЯig in der Kupfergrundmasse verteilt vorliegen (Bild 6). Ьbereutektische Kupfer-Sauerstoff-Legierungen scheiden zufolge des Zustandsdiagramms primдre Dendriten aus Cu2O aus, die in die eutektische Grundmasse eingelagert sind (Bild 7).

Bild 3 - Zustandsschaubild Kupfer-Sauerstoff		Bild 4 - Kupfer mit 0,8% Cu2O = 0,09% O2. Primдre Kupfer-kristalle mit dem (Cu+Cu2O)-Eutektikum. Ungeдtzt		Bild 5 - Untereutektische Kupfer-Sauerstoff-Legierung, 5fache umform. Langstreckung des Eutektikums. Ungeдtzt

Bild 6 - Untereutektische Kupfer-Sauerstoff-Legierung, Umformgrab 100%. Zerteilung des eutektischen Gefьgebestandteils		Bild 7 - Kupfer mit 6% Cu2O. Primдre Kupfer-oxiduldendriten mit dem (Cu+Cu2O)-Eutektikum. Ungeдtzt

Der Sauerstoffgehalt von arsenfreiem, gegossenem Kupfer lдsst sich metallographisch mit groЯer Genauigkeit bestimmen. Bei 3,5 Masse-% Cu2O=0,39 Masse-% O2 besteht das Gefьge zu 100 % aus dem Eutektikum (Cu + Cu2O). Nimmt das Eutektikum im Schliffbild X Flдchenprozent ein, so sind

im Kupfer vorhanden. Die GrцЯe von X lдsst sich mit Hilfe moderner Verfahren der quantitativen Bildanalyse bzw. durch Ausplanimetrieren oder Auswiegen aus der photographischen Aufnahme ermitteln. Im Bild 4 wurden beispielsweise durch Ausplanimetrieren X = 23,4 Flдchenprozent Eutektikum (Cu + Cu2O) gefunden. Dem entsprechen also

.

kupfer schwefel zink zinn

Die Kupferoxidulkristalle erscheinen bei der normalen Hellfeldbeleuchtung in blauer Farbe. Die granatrote Eigenfarbe kommt aber bei der Betrachtung im polarisierten Licht oder bei der Dunkelfeldbeleuchtung zum Vorschein.

Die elektrische Leitfдhigkeit, Festigkeit und Hдrte von Kupfer werden durch Cu20 praktisch nicht beeinflusst. Erheblich werden aber Dehnung, Einschnьrung, Biege- und Verwindezahl verschlechtert, Gleichfalls nimmt die Porositдt zu. Der obere Gehalt an Cu20 soll deshalb bei 0,9 bis 1,0% liegen. Kupfer, das geschweiЯt werden soll, darf kein Cu2O enthalten. Fьr derartige Zwecke ist desoxidiertes Kupfer zu verwenden.

Wird Cu2O-haltiges Kupfer in einer wasserstoffhaltigen Atmosphдre geglьht, so diffundiert Wasserstoff in das Kupfer ein und reagiert mit dem Cu2O gemдЯ der Gleichung

Cu2O + H2 > Cu + H2O

unter der Bildung von Wasser. Infolge der hohen Temperatur ist das Wasser dampffцrmig und steht unter hohem Druck, weil die Wassermolekьle im Kupfer nicht diffundieren kцnnen. Als Folge kцnnen bevorzugt an den Korngrenzen Porenbildungen auftreten bzw. bei hцherer Intensitдt des Schдdigungsvorgangs feine bis sehr ausgeprдgte interkristalline Rissbildungen. Bei gegebenen Verarbeitungsbedingungen des Lцtens mit einer Wasserstoffflamme fьhrte z. B. der falsche Einsatz von sauerstoffhaltigem Kupfer an einem untersuchten Schadstьck zu starker Porenbildung an den Korngrenzen und stellenweise zum Herausplatzen oberflдchennaher Gefьgebezirke (Bilder 8 und 9). Diese Erscheinung wird als Wasserstoffversprцdung (Wasserstoffkrankheit) bezeichnet.

Bild 8 - Wasserstoffversprцdung an sauerstoffhaltigem Kupfer (Wasserstoffkrankheit). Schдdigung der Korngrenzen durch Porenbildung		Bild 9 - Wie Bild 8. Durch Heraussprengen ganzer Gefьgebezirke besonders stark geschдdigter Bereich

4. Kupfer-Zink (Messing)

Unter den Kupferlegierungen kommt den Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) die grцЯte technische Bedeutung zu. Ihre hohe Korrosionsbestдndigkeit, gute Verarbeitbarkeit und relativ hohe Festigkeit sichern ihnen breite Anwendungsmцglichkeiten. Die technisch an-gewendeten Kupfer-Zink-Legierungen liegen im Kupfergehalt >54% und werden entsprechend den im Zustandsschaubild (Bild 10) vorhandenen Phasenrдumen in drei Gruppen, б-, б+Я (б/Я)- und Я-Messinge, eingeteilt. Der б -Mischkristall weist ein kfz. Gitter auf, der Я-Mischkristall ein krz. Die Я-Phase, die eine statistisch regellose Verteilung der Kupfer- und Zinkatome aufweist, erfдhrt bei Temperaturen zwischen 454 und 468 °C eine Umwandlung in die Я'-Phase mit geordneter atomarer Verteilung, in der das Zinkatom stets in der raumzentrierenden Atomlage angeordnet ist.

Der б-Mischkristall lдsst sich sehr gut kaltumformen, erreicht aber andererseits nicht die gute Warmumformbarkeit des Я-Mischkristalls, der seinerseits fьr eine Umformung bei Raumtemperatur weniger geeignet ist. Die Potentialdifferenz des Я-Mischkristalls zum Kupfer ist grцЯer als die des б-Mischkristalls, der deshalb die grцЯere Korrosionsbestдndigkeit besitzt.

Bild 10 - Zustandsschaubild Kupfer-Zink

SchlieЯlich fuhren die Я-Anteile im б/Я-Gefьge im Zusammenwirken mit spanbrechenden feinen Bleiausscheidungen zu sehr guten Zerspanungseigenschaften.

Die mit sinkender Temperatur auftretenden Дnderungen im Verlauf der Phasengrenzen bedingen, dass bei der gezielten Einstellung bestimmter Werkstoffeigenschaften den Phasenumwandlungen und damit der Temperaturfьhrung bei der Erstarrung des Gusses, bei seiner Weiterverarbeitung zu Halbzeug und bei der Durchfьhrung von Wдrmebehandlun-gen neben der chemischen Zusammensetzung die Hauptaufmerksamkeit zu widmen ist. Wie das Zustandsschaubild zeigt, betrдgt bei der peritektischen Temperatur von 902 °C die Lцslichkeit von Zink in Kupfer 32,5 %. Sie nimmt bis zu Temperaturen von 400 bis 450 °C auf 39% zu und geht bei weiterer Abkьhlung wieder zurьck. Um das Gleichgewicht von б-Legierungen mit hohen Zinkgehalten bei niederen Temperaturen einzustellen, sind erhebliche Kaltumformungen und lange Glьhzeiten erforderlich. Bei den im homogenen Phasengebiet liegenden б-Messingen mit Gehalten >62,5%Cu nimmt mit steigendem Kupfergehalt, d. h. bei den bekanntesten Legierungen in der Reihenfolge CuZn37, CuZn30, CuZn28, CuZn20 und CuZnlS, die Korrosionsbestдndigkeit, besonders gegenьber SpannungsriЯkorrosion, zu. Die Kaltformдnderungsfдhigkeit nimmt mit steigendem Zinkgehalt zu und erreicht etwa zwischen 30 und 35 % ein Maximum, so dass diesbezьglich an die Legierungen CuZn30 und CuZn28 besonders hohe Anforderungen gestellt werden kцnnen.

Die fьr die Verarbeitung durch Tiefziehen, Streckziehen recht bedeutende Legierung CuZn37 liegt aufgrund ihrer Zusammensetzung im Grenzbereich zwischen dem б- und dem б/Я-Gebiet und verlangt deshalb im Hinblick auf die Gefьgeausbildung und damit auf die gewьnschten Eigenschaften besondere Aufmerksamkeit bei der Temperaturfьhrung in den Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen. Bei schneller Abkьhlung nach der Erstarrung oder bei Ьberschreitung der Temperatur von ?650°C beim Glьhen und anschlieЯender schneller Abkьhlung verlдuft die б/Я-Umwandlung nicht vollstдndig und ist Ursache fьr das Auftreten von unterkьhlten Я-Kristallen im Gefьge, die bei dieser Legierung in den meisten Fдllen unerwьnscht sind. Die entsprechend dem Zustandsschaubild fьr einen б-Mischkristall mit 63 % Cu < 300 °C zu erwartende Ausscheidung von Я'-Phase wird unter den Glьhbedingungen der Praxis nicht beobachtet.

Die im Zweiphasengebiet liegenden б/Я-Messinge zeichnen sich infolge ihres Я-Anteils durch hohe Warmumformbarkeit und in Verbindung mit Bleizusдtzen bis 3 % durch gute Zerspanungseigenschaften aus. Die alte Bezeichnung Schmiedemessing fьr die Legierung CuZn40 symbolisiert bereits ihre besonderen Anwendungen, z. B. fьr Gesenkschmiedestьcke, WarmpreЯteile, Kondensatorbцden und im Behдlterbau. Durch Bleizusдtze lдsst sich diese Legierung modifizieren (CuZn38Pbl) und auch fьr spangebende Bearbeitungen einsetzen. Als Hauptlegierungen fьr diese Verarbeitungsansprьche gelten die Legierungen CuZn40Pb2 und CuZn40Pb3. Sie liegen im Kupfergehalt zwischen 56 und 60%, demzufolge im Bereich der Phasengrenze zwischen dem (б + Я)- und dem Я-Gebiet. Sie sind, wie auf der anderen Seite der Legierung CuZn37, in ihren Eigenschaften von der Wдrmebehandlung abhдngig. Das reine Я-Messing erreicht nicht die technische Bedeutung wie das б-Messing und das б/Я-Messing. Zu nennen ist die technische Anwendung der Legierung CuZn44Pb2 fьr dьnnwandige Pressprofile, die nicht mehr kalt umgeformt werden.

Als Kupfer-Zink-GuЯlegierungen werden sowohl б- als auch б/Я-Legierungen eingesetzt, z.B. solche vom Typ CuZn33Pb fьr FormguЯteile und vom Typ CuZn40Pb fьr Kokillen- und Druckguss. Unter den hergestellten Gusserzeugnissen nehmen Armaturen, Gehдuse und Beschlagteile einen breiten Raum ein.

Die rote Farbe des Kupfers geht durch Zusatz von Zink ins Rцtliche ьber, wird dann gelbrцtlich bis grьnlichgelb. Sobald aber die rцtlichen Я-Kristalle hinzukommen, wird die Farbskala in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen. Legierungen mit 54%Cu und 46 % Zn sind wieder rцtlich. Darauf Bezug nehmend, lassen sich am Bruchaussehen б- und б/Я-Messing unterscheiden.

Nachfolgend soll die Gefьgeausbildung der Kupfer-Zink-Legierungen in Abhдngigkeit von der Legierungszusammensetzung, den Abkьhlungs- und Wдrmebehandlungsbedingungen anhand des Zustandsschaubilds durch Beispiele erlдutert werden. Die Wechselbeziehungen zwischen Gefьgeausbildung und mechanischen Eigenschaften werden dabei kurz angedeutet.

Bei der Erstarrung einer Legierung mit 72 % Cu + 28 % Zn scheiden sich bei 970 °C primдre б-Mischkristalle mit 24 % Zn in dendritischer Form aus. Die Konzentration der Restschmelze an Zink nimmt dadurch zu. Im Verlauf der weiteren Abkьhlung reichern sich die б-Mischkristalle an Zink an. Die Menge der Restschmelze nimmt ab, ihr Zinkgehalt wird aber grцЯer. Bei der Solidustemperatur von 930 °C ist die gesamte Legierung erstarrt. Die Restschmelze enthдlt am Ende der Kristallisation 33 % Zn. Nach Abkьhlung auf Raumtemperatur besteht das Gefьge aus б-Mischkristallen.

Das Gussgefьge dieser Legierung zeigt nach einer unter technischen Bedingungen schnell verlaufenden Erstarrung die fьr Mischkristalle typische dendritische Ausbildung (Bild 11). Durch eine sehr langsame Abkьhlung oder eine nachtrдgliche Wдrmebehandlung ist es mцglich, ein polyedrisches Gefьge einzustellen, in dem meistens auch Zwillingslamellen auftreten (Bild 12).

Eine Legierung mit 65 % Cu + 35 % Zn enthдlt nach langsamer Abkьhlung bei Raumtemperatur ebenfalls nur die б-Phase, aber der Abkьhlungsverlauf ist wesentlich verschieden von dem des beschriebenen CuZn30. Zunдchst scheiden sich wдhrend der Abkьhlung bei 930°C primдre б-Mischkristalle aus, die sich dann aber z.T. bei 902 °C peritektisch mit der Restschmelze zu krz. zinkreicheren Я-Kristallen umsetzen: б-Mischkristalle (67,5 % Cu) + Restschmelze (61,5 % Cu) > Я-Mischkristalle (63,0 % Cu).

Bild 11 - Messing mit 72% Cu+28% Zn, gegossen. Inhomogene б- Mischkristalldendriten. Geдtzt mit Kupferammonchlorid		Bild 12 - Messing mit 72%Cu+28% Zn, GuЯ. 5 h bei 800 °C geglьht. Polygonkristalle mit Zwillingen. Geдtzt mit Kupferammonchlorid

5. Kupfer-Zinn (Bronze)

Legierungen des Kupfers mit Zinn bezeichnet man als Zinnbronze oder kurz als Bronze. Im Bild 13 ist die technisch wichtige Kupferseite der Kupfer-Zinn-Legierungen dargestellt. Infolge der geringen Diffusionsgeschwindigkeit des Zinns im Kupfer und der verhдltnismдЯig tiefen Temperatur, bei der sich einige Reaktionen abspielen, stellen sich in den Legierungen bei technischen Wдrmebehandlungen die Gleichgewichte zufolge des Zustandsdiagramms nicht oder nur unvollstдndig ein. So wird die angefьhrte Lцslichkeit der б-Mischkristalle fьr Zinn <520 °C nur nach sehr langen Glьhzeiten bei stark kalt umgeformten Proben erhalten. Bei den technisch ьblichen kьrzeren Glьhzeiten ergibt sich <520°C eine Lцslichkeit der б-Mischkristalle fьr Zinn, die etwa im Bereich von 14 bis 16 % liegt. Auch der eutektoide Zerfall der Verbindung Cu31Sn8 = д-Phase bei ?350 °C in б-Mischkristalle und die е-Phase erfolgt auЯerordentlich trдge. Fьr technische Belange kann die д-Phase als stabil bis Raumtemperatur betrachtet werden.

Bild 13 - Zustandsdiagramm Kupfer-Zink

Kupfer bildet mit Zinn Substitutionsmischkristalle. Der kfz. в-Mischkristall lцst bei Temperaturen zwischen 586 und 520 °C max. 15,8 % Sn. Zu tieferen Temperaturen hin nimmt die Lцslichkeit im Gleichgewichtsfall stark ab und betrдgt bei Raumtemperatur wahrscheinlich 0 %. Eine Bronze mit beispielsweise 10 % Sn erstarrt zwischen 1000 und 850 °C. Danach sollten homogene б-Mischkristalle vorhanden sein. Infolge des betrдchtlichen Erstarrungsbereichs von 150 °C und der geringen Diffusionsgeschwindigkeit des Zinns treten in Gussbronzen aber stets erhebliche Kristallseigerungen auf (Bild 14). Zinnдrmere und infolgedessen weichere Dendriten liegen in einer zinnreicheren und hдrteren Grundmasse eingebettet. Durch lдngeres Glьhen bei Temperaturen >550 °C wird aber auch hier ein homogenes, polyedrisches, mit Zwillingen durchsetztes Gefьge erzielt (Bild 15). Die nach dem Zustandsdiagramm zu erwartende Segregatbildung von е-Kristallen unterhalb = 345 °C wird auch bei sehr langsamen Abkьhlungen nicht erhalten.

Der nur >586 °C bestдndige в-Mischkristall hat дhnlich wie das в-Messing ein kfz. Gitter. Beim Abkьhlen wandelt sich die в-Phase eutektoidisch in die ebenfalls kfz. г-Phase um. Es wird angenommen, dass в und г kristallographisch sehr дhnlich sind. Bei der weiteren Abkьhlung zerfallen die г-Mischkristalle eutektoidisch bei 520 °C in б-Mischkristalle und in die д-Phase. Der д-Phase kommt die chemische Zusammensetzung Cu31Sn8 zu. Sie kristallisiert in einer komplizierten kfz. Riesenelementarzelle mit einer Gitterkonstanten von 17,9 - 10-10 m, wobei sich 8 Ч 52 = 416 Atome in der Elementarzelle befinden. Die д-Phase ist auЯerordentlich hart und der eigentliche hдrtende Gefьgebestandteil der hцher zinnhaltigen Bronzen. Wie bereits angefьhrt, zerfallt д im Gleichgewicht bei ?350°C wiederum eutektoidisch in б-Mischkristalle und in die е-Phase. е enthдlt ?38,4 % Sn und entspricht in etwa der Verbindung Cu3Sn. е besitzt eine orthorhombische Elementarzelle, wobei sich 64 Atome in der Elementarzelle befinden. Dieser Zerfall tritt bei den technischen Wдrmebehandlungen aber nicht ein, so dass im Gefьge die д-Phase sowie das (б+д)-Eutektoid vorhanden sind. Die Erstarrungsverhдltnisse der Kupfer-Zinn-Legierungen mit 15 bis 40 % Sn sind also auЯerordentlich kompliziert und noch nicht restlos geklдrt.



Bild 14 - Bronze mit 90% Cu und 10% Sn gegossen. Inhomogene б-Mischkristalle (Dendriten)		Bild 15 - Bronze mit 90% Cu und 10% Sn geglьht. Homogene б-Mischkristalle (Polyeder)

Eine Kupfer-Zinn-Legierung mit 17 % Sn besteht nach der Erstarrung aus stark geseigerten Dendriten (Bild 16). Nach dem Glьhen, z. T. auch schon im Gussgefьge, tritt das sehr harte (б+д)-Eutektoid auf (Bild 17). Die Gleichgewichtsstцrungen sind bei den Zinnbronzen so stark, dass schon bei Gusslegierungen mit =10 % Sn dieses (б+д)-Eutek-toid auftreten kann, wodurch die Legierungen relativ sprцde werden. Ausgesprochene Kupfer-Zinn-Knetlegierungen enthalten deshalb nur bis zu max. 9 % Sn. Eine geglьhte Gusslegierung mit 20 % Sn besteht bereits zum ьberwiegenden Teil aus dem Eutektoid (Bild 18). Die Struktur einer Bronze mit der eutektoiden Zusammensetzung ist im Bild 19 gezeigt. Deutlich ist zu erkennen, wie die д-Phase die Grundmasse bildet, in die die б-Mischkristalle in rundlicher oder langgestreckter Form eingelagert sind. Eine ьbereutektoide Legierung mit 30 % Sn besteht aus rundlichen primдren д-Mischkristallen, die in das (б+д)-Eutektoid eingelagert sind (Bild 20).



Bild 16 - Bronze mit 83% Cu und 17% Sn, gegossen. Inhomogene б-Mischkristalle		Bild 17 - Bronze mit 83% Cu und 17% Sn, gegossen. Homogene б-Mischkristalle mit (б+д)-Eutektoid

Bild 18 - Bronze mit 80% Cu und 20% Sn, geglьht. б-Mischkristalle mit (б+д)-Eutektoid		Bild 19 - Bronze mit 72,3% Cu und 26,8% Sn, geglьht. б-Mischkristalle mit (б+д)-Eutektoid

Weder die в- noch die г-Phase kцnnen durch Abschrecken bei Raumtemperatur erhalten werden. Es bilden sich metastabile Ьbergangszustдnde, die manchmal martensitische Gefugestrukturen aufweisen. So ergibt eine Bronze mit 20% Sn, von 550 °C also aus dem (б+г)-Gebiet, in Wasser abgeschreckt, ein Gefьge nach Bild 21. Der eutektoide Zerfall der г-Mischkristalle in das (б+г)-Eutektoid wird unterdrьckt, und es treten neben voreutektoiden б-Mischkristallen Kristalle mit der Ьbergangsstruktur auf. Diese eigentьmlich gezackte, den Martensitnadeln des gehдrteten Stahls дhnliche Zeichnung scheint fьr derartige abgeschreckte Phasen charakteristisch zu sein, und man bezeichnet sie deshalb ganz allgemein als „Martensitstruktur".

Bild 20 - Bronze mit 70% Cu und 30% Sn, geglьht. д-Mischkristalle mit (б+д)-Eutektoid		Bild 21 - Bronze mit 80% Cu und 20% Sn, von 550°C in Wasser abgeschreckt. Helle б-Mischkristalle in einer martensitischen Grundmasse

Eine Bronze mit 30 % Sn besteht bei 700 °C aus homogenen y-Mischkristallen. Nach dem Abschrecken in Wasser ergeben sich groЯe, zwillingsfreie Polyeder der Ьbergangsstruktur. Durch nachtrдgliches Anlassen >520°C mit anschlieЯender langsamer Abkьhlung werden diese Kristalle wieder umgewandelt, und es entsteht neben ьbereutektoiden д-Mischkristallen das (б+д)-Eutektoid.

Am Beispiel einer Kupfer-Zinn-Legierung mit 17 % Sn soll der Erstarrungsverlauf noch einmal ausfьhrlich dargestellt werden. Die Legierung scheidet wдhrend der Abkьhlung ab 900 °C primдre б-Mischkristalle in Dendritenform aus. Bei 798 °C setzen sich diese teilweise mit der Restschmelze peritektisch zu в-Mischkristallen um. Nach der Erstarrung besteht die Legierung also aus einem Gemenge aus б- und в-Kristallen.

Bei weiterer Abkьhlung werden beide Phasen zinnreicher, wдhrend gleichzeitig die Menge an в abnimmt. Bei 586 °C wandern sich die в-Kristalle in die im Gitteraufbau дhnlichen г-Mischkristalle um, und diese zerfallen bei 520 °C in das eutektoide Gemenge aus weichen б-Mischkristallen und der harten д-Verbindung. Da nur sehr geringe Mengen an г-Mischkristallen vorhanden sind, wie sich durch Anwendung des Hebelgesetzes ergibt, ist auch der Gehalt an Eutektoid б+г klein.

Im Schliffbild findet man im allgemeinen nur zinnдrmere Dendriten in einer zinnreicheren Grundmasse eingebettet Bei hцheren VergrцЯerungen ist das Eutektoid jedoch sichtbar. Дhnlich wie bei den Systemen Fe - Mn und Fe - Ni gibt das Zustandsdiagramm CuSn die bei technisch ьblichen Abkьhlungsgeschwindigkeiten auftretenden Gefьgestrukturen nur unvollstдndig wieder. Dies gilt auch fьr das Auftreten des Eutektoids.

Die б- und в-Mischkristalle sind relativ weich und plastisch formbar, wдhrend die д-Kristalle und das (б+д)-Eutektoid sehr hart und sprцde sind und bei plastischen Umformungen zerbrechen. Je nach der Wдrmevorbehandlung kann also eine Bronze weich oder hart sein.

Дhnlich wie die б/в-Messinge zeigen die abgeschreckten б/в- und auch die abgeschreckten в-Bronzen beim Anlassen Hдrtesteigerungen, die den Ausscheidungsvorgдngen zuzuschreiben sind. Schreckt man z. B. eine Bronze mit 78 % Cu und 22 % Sn von 650 °C in Wasser ab, so erhдlt man im Gefьge ein Gemenge aus б- und в-Mischkristallen. Die Brinell-Hдrte betrдgt ?160 HB. Lдsst man diese Legierung auf 200 bis 300 °C an, so tritt eine Hдrtesteigerung auf ?280 HB ein. Hцhere Anlasstemperaturen bewirken eine Vergrцberung der ausgeschiedenen Kristallite und damit eine Wiedererweichung. So betrдgt die Hдrte nach dem Anlassen auf 500 °C nur noch 220 HB. Durch Zinn werden Hдrte und Festigkeit des Kupfers gesteigert, wдhrend die Dehnung zuerst wenig, ab 5 % Sn aber stдrker abfдllt (Bild 22). Die Festigkeit erreicht bei 15 % Sn einen Hцhepunkt, um nach Auftreten der sprцden д-Kristallart wieder abzufallen. Dagegen nimmt die Hдrte kontinuierlich zu.



Bild 22 - Hдrte, Zugfestigkeit und Dehnung der Kupfer-Zink-Legierungen

Bleche und Bдnder fьr die allgemeine Verwendung aus der Legierung CuSn6 erreichen im kaltgewalzten Zustand Mindestzugfestigkeiten bis zu 650 MPa bei einer Mindestbruchdehnung von 5 % (Festigkeitszustand »federhart«).

Zinnbronzen werden wegen ihrer ausgezeichneten Korrosionsbestдndigkeit, hohen Hдrte und Festigkeit sowie wegen ihrer groЯen Bestдndigkeit gegenьber mechanischem VerschleiЯ im allgemeinen Maschinenbau vielseitig verwendet. Die hohe Hдrte des (б+д)-Eutektoids macht die hцher legierten Zinnbronzen im gegossenen Zustand fьr Lagerzwecke geeignet.

Literaturverzeichnis

1. SCHUMANN H. u. a. Metallographie. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie, 1991.

2. BEYER. B. Werkstoffkunde NE-Metalle. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie, 1971.

3. BRUNHUBER E. Legierungshandbuch NE-Metalle. - Berlin: Fachverlag Schiele und Schцn GmbH, 1960.

4. HAASEN F. Physikalische Metallkunde. - Berlin: Akademie-Verlag, 1985.

5. MEYER, K.: Physikalisch-chemische Kristallographie. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie, 1968.

6. RHINES F. N.: Mikrostruktologie: Gefьge und Werkstoffverhalten. - Stuttgart: Dr. Riederer-Verlag, 1986.

7. SALTYKOW S. A. Stereometrische Metallographie. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie, 1974.

8. SCHATT W. Einfьhrung in die Werkstoffwissenschaft. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie, 1987.

9. SCHMIDT K. u.a. Gefьgeanalyse metallischer Werkstoffe - Interferenzschichtenmetallographie und automatische Bildanalyse. - Wien: Carl-Hanser-Verlag, 1985.

10. WASCHULL H. Prдparative Metallographie. - Leipzig: VEB Deutscher Verlag f. Grundstoffindustrie, 1984.

Wortschatz zum Thema

abhдngig	зависимый
Anschliff m	аншлиф; полированный срез
Ausbildung f	образование; формирование
Bedeutung f	значение
Biegezahl f	число циклов изгиба
Bleiausscheidungen n	выделение свинца
Dehnung f	относительное удлинение
Dendrit m	дентрит
desoxidierten	невосстановленный
eigelagen	включенный, вкрапленный
Einschnьrung n	относительное сужение
einsetzen	применять; внедрять
Einstellung f	установка; настройка
Erstarrung f	затвердевание; кристаллизация
eutektisch	эвтектический
Festigkeit f	прочность
Gehalt m	содержание; емкость; вместимость
Gemenge n	смесь
Glьhbedingung n	условия термообработки
Glьzeit f	отжиг
Guss m	отливка
GuЯgefьge m	макроструктура отливки
Halbzeug f	заготовка
Hardemit m	гардемит
Hдrte f	твердость
Hauptumformriehtung f	основное направление деформации
Hьttenkupfer n	первичная медь
Kaltumformung m	холодная обработка давлением
kfz. (kubisch-flдchenzentrieret)	кубическо-гранецентрированный
krz. (kubisch-raumzentrirt)	кубическо-объемноцентрированный
Legierbarkeit f	способность подвергаться сплавлению
Messing m	латунь
Metallkunde f	металловедение
Mischkristall n	[кристаллический] твердый раствор
Mischunglьche f	ограниченная растворимость
Monge f	количество; расход
Netzwerk n	контур
Peritektikale f	линия перитектического превращения
peritektisch	перитектический
Phasenraum n	фазовое пространство
polydrischen	многогранный
Potenzialdifferenz f	разность потенциалов
relativ	относительный
Restsehmelze f	остаточный расплав
scheiden	разделять; отделять
Schiefbild n	кривая [графика]
Schmelzpunkt n	точка плавления
Segregatbildung f	ликвидация
Solidustemperatur f	солидусная температура
spanbrechenden	стружколомкий
spangebend	режущий
SpannungsriЯkorrosion f	коррозионное растрескивание
Streckziehen n	обтяжка; обтяжная вытяжка
Substitutionsmischkristall m	твердый раствор замещения
Temperaturfьhrung f	температурный режим
Tiefziehen n	глубокая вытяжка
ьbereutektisch	заэвтектический
Umformgrad n	степень деформации
Umwandlung f	преобразование
Verlauf m	протекание; ход
Verwindenzahl f	число циклов скручивания
verzwillingt	сдвойникованный
WarmpreЯteile	горячая прессформа
Zerspanungseigenschaften m	характеристика обработки резанием
Zusammenwirken m	взаимодействие

Примерный перевод

Введение

Целью металлографии является при устойчивом химическом составе из общей картины макро- и микроструктуры определить свойства и поведение сплава при заданных условиях и установить наилучшую структуру для определенного процесса переработки или цель применения.

На ряду с этим, металлография обладает важными методами контроля для действующего производства и методами исследования для определения огрехов обработки или причины дефектов металлических изделий.

Нельзя недооценивать область применения металлографии, но и нельзя требовать больше от макро- и микроисследований структуры, чем она может дать.

Это ограничение металлографии основано, с одной стороны на том, что мы знаем еще не все законы взаимодействия между структурой и свойствами и, что мы часто не можем заметить общность всех в одном конкретном случае действующей закономерности и ее обратное влияние.

С другой стороны дальнейшая интерпретация структуры ограничена невозможностью распознать или идентифицировать под микроскопом определенные субстанции, от части по тому, что их абсолютная масса или размер очень малы, отчасти по тому, что они входят в состав раствора, как смешанные кристаллы. Даже при введении специального оптического метода контраста в последние время смогли немного расширить эти границы.

Новые возможности открывают применение электронных микроскопов и электронно-лучевых микрозондов.

Дальнейшее затруднение в определении соотношении структуры и свойства находятся в их ранее субъективных и, в большинстве случаев узко-качественных оценок. Это значит: включая многочисленные данные, среди которых могут быть представлены математические закономерности, в металлографии встречаются такие обозначения, как «меньше или больше», «ниже или выше» и т.д. Можно надеяться, что посредством телемикроскопа и всевозможной цифровой обработки снимков, произойдет принципиальный переворот.

По приведенным причинам, металлография до сих пор бессильна перед явлениями охрупчивания. Нельзя так же однозначно ответить на такие вопросы, как какие размеры, количество и виды зашлакованности допустимы, например, в подшипниках или стальных лопастях турбины или как карбидный слой в быстрорежущей стали влияет на прочность или на время использования сделанных из нее изделий, и, поэтому возникают трения между производителями и потребителями.



1. Чистая медь

Медь в незначительном объеме формируется самородно, однако, в основном производстве применяется сульфидированная руда, в которую также входят железо, свинец, сурьма, мышьяк или никель. Самый важный медный минерал - это медный колчедан (CuFeS2) с ?34% Cu. Другие минералы - это медный блеск (халькозин) (Cu2S), бурнонит (CuPbSbS3) и малахит [CuCO3 * Cu(OH)2]. Так как медные руды относительно бедны (в большинстве случаев <10%), они обогащаются перед плавкой посредством особенных процессов на 20-25 % медных концентратов.

Сульфидированная руда сначала частично обжигается и затем в рудной пламенной печи формируется медный штейн с ?30 - 40% Cu, 25 - 35% Fe и 25 - 35% S. Затем происходит продувка медного штейна в конвертере. Посредством продувания штейна воздухом происходит окисление медного и железного сульфидов в соответствующие оксиды. Образованный оксид меди реагирует с сульфидом медным с образованием металлической меди:

2Cu2O + Cu2S > Cu + SO2.

Оксид железа соединится с кремневой кислотой. Таким образом, полученная черновая медь содержит от 97 до 99,5% Cu, остаток Pb, Sb, Fe, S, Ni, О. Рафинирование происходит в пламенной печи окислительной очисткой (рафинадная медь) и электролизом (электролитическая медь).

При переплавке катализатора в зависимости от выбранного метода переплавки получают кислородосодержащую (E-Cu) или свободную от кислорода (SE-Cu) медь. Отдельные медные сорта содержат от 99,0 до 99,97% Cu в зависимости от степени чистоты. При грубой классификации влияний добавлений нужно учитывать, что сера, свинец, висмут, сурьма, селен и теллур влияют на горячую и холодную обработку меди неблагоприятно, и поэтому они нежелательны. В особых производственных ситуациях можно улучшать технологические и механические качества меди незначительными добавками, например, мышьяка, фосфора, никеля или серебра. Однако, электрическая проводимость снижается разными примесями. Особенно отрицательно действуют такие из них, как фосфор, кремний, мышьяк, железо и сурьма. Для оценки проводниковой (электротехнической) меди служит ее электрическая проводимость.

Высокая электрическая и тепловая проводимость меди, проводимость которой уступает только серебру, открывает ей широкое применение в электротехнике и машиностроении. Промышленный спрос настолько большой, что медь является одним из немногих применяемых металлов, который используется в основном нелегированным.

Чистая закаленная медь имеет 0,2 предела текучести ?50 MPA, предел прочности при растяжении от 200 до 250 MПa, твердость по Бринеллю от 40 до 50 HB, относительное удлинение при разрыве от 40 до 50% и относительно сужение от > 50%.

Структура кубической гранеценрированной меди состоит из многогранных кристаллитов, которые являются сильно сдвойникованными. Вследствие высокой температуры плавления (1083 °C) спекание меди с другими металлами очень хорошее. Основными элементами сплавов меди являются цинк, олово, никель, алюминий, бериллий, кремний, марганец и серебро.

2. Медь-сера

Сера образует с медью соединение медный сульфид (Cu2S). Между медью и медным сульфидом существует очевидное ограничение растворимости (Рис. 1). Температура плавления меди понижается с 1083 до 1067 °C 0,77% S. Рис. 2 показывает невытравливаемую структуру меди с 5% S. В эвтектическую матрицу вкраплены включения, которые состоят из Cu2S Кислотами с разбавленной фтористоводородной кислотой можно отличать Cu2S- от Cu2O-кристаллов: Cu2O окрашивается в темный цвет, Cu2S, напротив, не реагирует.

3. Медь - кислород

В не восстановленной первичной медь всегда находится еще кислород. Он образует связь с медью Cu2O (окись меди). Cu2O постоянен от высоких температур до 375 °C и соединяется затем с медью в CuO, оксид меди (Рис. 3). Эта реакция проходит очень медленно и не имеет никакого практического значения. Между Cu и Cu2O пространный разрыв растворимости существует в жидком состоянии. При 0,39% О соответственно 3,5% Cu2O температура плавления меди понижается с 1083 до 1065 °C. Эвтектический сплав с 0,39% О состоит из медной массы, в которую равномерно вкраплены в каплеобразные Cu2O-кристаллы. Если медь содержит меньшее количество кислорода, то структура состоит из первоначальных медных кристаллов, которые включены в (Cu + Cu2O)-эвтектику (Рис. 4).

Однако, эта макроструктура отливки изменяет вид, если производится горячая или холодная обработка давлением. При менее значительной степени деформации сеть из эвтектики начнет вытягиваться параллельно основному направлению деформации (Рис. 5). При дальнейшем росте степени деформации происходит разрушение сети, до тех пор, пока на тонких металлических листах или в проволоках включения Cu2O не распределится относительно равномерно в основной медной массе (Рис. 6). Заэвтектические сплавы медь-кислород согласно диаграмме состояния выделяют первоначальные дендриты из Cu2O, которые включены в эвтектическую основную массу (Рис. 7).

Содержание кислорода в отлитой меди, не содержащей мышьяк, можно определить с большой точностью. При 3,5 % массы Cu2O=0,39 % массы O2, что соответствует 100 % эвтектики (Cu + Cu2O). Если кривая эвтектики ограничивает Х процентов площади, то содержание меди будет равно

O2.

Величину Х можно установить современными методами количественного графического анализа при помощи парапланиметрии или анализа фотографической съемки. На рис. 4 при помощи парапланиметрии найден Х=23,4 % площади эвтектики. Ему соответствует

O2.

Кристаллы окиси меди при нормальном освещении под микроскопом имеют голубой цвет. А собственный гранатовый цвет кристаллы имеют при поляризованном свете или при рассмотрении в темноте.

На электрическую проводимость, прочность и твердость меди Cu2O практически не влияет. Но существенно ухудшает значения относительного удлинения, относительно сужения, число циклов изгиба и скручивания, одновременно, повышается пористость. Поэтому содержание Cu2O должно находиться в пределах от 0,9 до 1,0 %. Медь, предназначенная для сварки, не должна содержать Cu2O. Для этой цели медь раскисляют.

Если богатая Cu2O медь нагревается в богатой водородом атмосфере, водорот диффундирует в медь и реагирует с Cu2O согласно уравнению

Cu2O + H2 > Cu + H2O

с образованием воды. Вследствие высокой температуры вода переходит в состояние пара и находится под высоким давлением, так как молекулы воды не могут диффундировать с медью. Как следствие, на границе зерен могут образовываться поры или при высокой интенсивности негативных воздействий происходит хорошо выраженное образование межкристаллических трещин. При данных условиях процесса газоводородной пайки ошибочное применение кислородосодержащей меди привело к сильному порообразованию на границе зерен и к изменению структуры верхнего слоя (рис. 8 и 9). Это явление называется водородным охрупчиванием (водородной болезнью).

4. Медь-цинк (латунь)

Среди медных сплавов самое большое техническое значение имеет сплав медь-цинк (латунь). Ее высокая коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость и относительно высокая прочность обеспечивают ей широкое применение. Примененные в технике сплавы медь-цинк содержат >54% меди и делятся соответствующим образом по диаграмме состояния (рис. 10) наличием фазового пространства на 3 группы, б-, б+Я (б/Я)- и Я-латунь. б- раствор указывает на кубическую гранецентрированную структуру, а Я-раствор - на кубическую объемноцентрированную. Я-фаза, которая характеризуется статистически беспорядочным распределением атомов меди и цинка, при температуре 454 - 468 °C преобразуется в Я'-фазу с упорядоченным атомным распределением, в котором атом цинка всегда расположен в центре объемного положения атомов.

б-раствор очень хорошо поддается холодной обработке давлением, но с другой стороны, не обеспечивает хорошей горячей обработки давлением, присущей Я-раствору, который, в свою очередь, меньше подходит для обработки давлением при комнатной температуре. Разность потенциалов Я-раствора с медью больше, чем у б-раствора, который поэтому владеет большей коррозионной стойкостью.

Я-частицы в б/Я-структуре во взаимодействии с стружколомкими мелкими свинцовыми исключениями обеспечивают очень хорошую характеристику обработки резанием.

При целенаправленном формировании определенных качеств материала преобразованием фаз и температурным режимом во время кристаллизации отливки, и при ее дальнейшей обработки для получения заготовки и термической обработки, на ряду с химическим составом, нужно обратить внимание на то, что с понижением температуры происходящие процессы обуславливают изменения в характере границ фаз. Как показывает диаграмма состояния, растворимость цинка в меди при перитектической температуре 902 °C составляет 32,5%. Она увеличивается до 39% в диапазоне температур 400 - 450 °C и снова понижается при дальнейшем охлаждении. Чтобы устанавливать равновесие в б-сплавах с высокими содержанием цинка при низких температурах, требуется значительная холодная обработка давлением и продолжительный высокий отжиг. При содержании меди >62,5% в б-латуне, лежащей в гомогенной фазовой области, т.е. в таких известных сплавах в последовательности CuZn37, CuZn30, CuZn28, CuZn20 и CuZnlS, повышается коррозионная стойкость, особенно, к коррозионному растрескиванию. Способность к холодной обработки давлением возрастает с увеличением содержания цинка и достигает максимума примерно между 30 и 35%, так что в отношении сплавов CuZn30 и CuZn28 предъявляются особенно высокие требования.

Обрабатываемый глубокой вытяжкой, обтяжкой сплав CuZn37, основан на структуре, которая лежит в пограничной области между б- и б/Я-областями, и поэтому требует обратить внимание на образование структуры и на желаемые качества при установлении температуры в процессах изготовления и обработки. При быстром охлаждении после кристаллизации или при превышении температуры от ?650°C при отжиге и последующем быстром охлаждении б/Я-преобразование проходит не полностью и является причиной выделения в структуре переохлажденных Я-кристаллов, которые в большинстве случаев в этом сплаве нежелательны. Соответственно диаграмме состояния для б-растворов с 63% Cu <300 °C ожидаемые исключения Я'-фазы не наблюдается при практических условиях термообработки.

Расположенная в двухфазной области б-латунь отличается, вследствие ее Я-частиц, высокой степень горячей обработки давлением и, в сочетании с включениями свинца до 3%, хорошим характеристиками обработки резанием. Старое наименование для сплава CuZn40 «кузнечная латунь» символизирует ее особое применение, например, для штампованных заготовок, горячих прессформ, обмотки конденсатора и в строительстве емкостей. Добавлением свинца можно модифицировать этот сплав (CuZn38Pbl), а также применять для обработки резанием. Сплавы CuZn40Pb2 и CuZn40Pb3 считаются основными сплавами для этого вида обработки. Они лежат в пределах содержания меди между 56 и 60%, т.е. на границе фаз между (б+Я)- и Я-областями. Их качество, как и у сплава CuZn37, зависит от термической обработки. Чистая Я-латунь не имеет такого технического значения, как б-латунь и б/Я-латунь. Техническим применением сплава CuZn44Pb2 могут являться тонкостенные прессформы, которые больше не изготавливаются холодным пластическим деформированием.

Литейные сплавы медь-цинк применяются как б-сплавы так и как б/Я-сплавы, например, CuZn33Pb для фасонного литья и CuZn40Pb для литья в кокиль и литья под давлением. Из производимых литьем изделий широкое применение получили такие, как арматура, корпуса и конденсаторы.

Красный цвет меди при добавлении цинка становиться красноватом, затем желто-красным, переходя в зеленовато-желтый. Но, как только, красноватые Я-кристаллы присоединятся, шкала цветовых тонов пройдет в обратном порядке. Сплавы с 54%Cu и 46% Zn снова становятся красноватыми. При этом берется отношение, в котором можно отличать б- и б/Я-латунь по характеру излома.

Далее образование структуры сплава медь-цинк будет разъясняться в зависимости от состава сплава, условий охлаждения и термической обработки посредством диаграммы состояния примерами. При этом взаимосвязи между структурообразованием и механическими качествами будет упомянуто вскользь.

При кристаллизации сплава с 72% Cu + 28% Zn выделяется при 970 °C первоначальный б-раствор с 24% Zn с дендритной формой. Вследствие этого, возрастает концентрация остаточной жидкой фазы цинка. Во время дальнейшего охлаждения б-раствор обогащается цинком. Количество остаточной жидкой фазы уменьшается, однако, концентрация цинка в ней увеличивается. При солидусной температуре от 930 °C весь сплав кристаллизуется. В гонце кристаллизации остаточная жидкая фаза содержит 33% Zn. После охлаждения до комнатной температуре устанавливается структура из б-раствора.

Структура отливки этого сплава после кристаллизации, проходящей по техническим условиям, имеет типичное для твердых сплавов дендритное формирование (рис. 11). По средством, очень медленным охлаждением или дополнительной термической обработкой возможно устанавливать многогранную структуру, в которой встречаются, большей частью, сдвоенные пластины( рис. 12).

Сплав с 65% Cu + 35% Zn после медленного охлаждения до комнатной температуры содержит также только б-фазу, но процесс охлаждения существенно отличается от процесса охлаждения описанного CuZn30. Сначала выделяется во время охлаждения при 930 °C первоначальный б-раствор, который, однако, затем трансформируется при 902 °C в перитектические кубические гранецентрированные Я-кристаллы с остаточной жидкой фазой с, богатой цинком: б-раствор (67,5% Cu) + остаточная жидкая фаза (61,5% Cu) > Я-раствор (63,0% Cu).

Следовательно, ниже линии перитектического превращения от 902 °C сплав состоит из гетерогенной смеси: б- и Я-растворы. В течение последующего медленного охлаждения Я-кристаллы превращаются в б-кристаллы, до тех пор пока, наконец, при ?785 °C весь сплав не будет состоять только лишь из б-раствора. По профилограмме структуры не отличаются, если оба сплава достаточно медленно охлаждаются. И, напротив, если охлаждают CuZn35 очень быстро от ?900°C, то переохлаждается б/Я-преобразование, и структура после закалки состоит б- и Я-растворов.

Сплав с 62% Cu + 38% Zn выделяет при 920 °C первоначальные б-кристаллы, которые при 902 °C полностью перитектически превращаются в Я-кристаллы. Остаточная жидкая фаза совсем не расходуется при этой реакции, а при дальнейшем охлаждении первоначального Я-раствора. При 895 °C весь сплав кристаллизуется и формируется из гомогенных Я-кристаллы. Если температура продолжает понижаться, то при 840 °C начинается выделение б-кристаллов. Последние все больше множатся, до тех пор, пока при 540 °C при достаточно медленном охлаждении весь сплав не перейдет в б-сплав. Я-кристаллы исчезают полностью. Из сплава с 58% Cu + 42% Zn, начиная с 895 °C, выделяются первоначальны Я-кристаллы. Как только сплав при 885 °C кристаллизуется полностью, он состоит из гомогенного Я-раствора. С 680 °C происходит избавление от б. При комнатной температуре сплав состоит из гетерогенной смеси из б- и Я-растворов (рис. 13). На этом снимки более светлые б-кристаллы вкраплены в более темной основной массе из Я-кристаллов.

Сплавы с содержанием меди между 54 и 50% выделяют первоначальные Я-кристаллы, которые больше не изменяются gefьgemдig при охлаждении до комнатной температуры. Картина{изображение} 5.14 показывает сплав с 52,5% Cu + 47,5% Zn, который наливался и обнаруживает структуру кристаллизации рыбьего жира кристаллов ss.

При зарплате цинка между 50 и 59% устройство из Я-и смешанным кристаллам существует{состоит}.

Картина{Изображение} 5.15 показывает устройство сплава с 48% Cu + 52% Zn и картина{изображение} 5.16 устройство сплава с 45% Cu + 55% Zn. В обоих случаях образуется темно протравленная масса большого шлема смешанных кристаллов ss, в которые положены на хранение светлый г - смешанные кристаллы.

Решетчатое сооружение г фазу очень осложнено. В кубической гигантской клетке 52 атома занесены, а именно 20 атомов Cu и 32 атома Zn. Это соответствует, например, интерметаллической связи Cu5Zn8. Когда промежуточная фаза с осложненным решетчатым сооружением очень неприступна г фазу, и если она встречается{выступает} в большем участии{доле}, versprцdet весь{целый} сплав, нельзя больше преобразовывать и станет хрупким. Сплавы, которые содержат г кристаллы, иногда используются для вкладышей подшипника. Как уже намекнувшееся, образование устройства сортов латуни с медной зарплатой зависит технически при рассмотрении между мощностью 67,5 и 54% от предшествовавшей термической обработки. Это должно показываться на примере сплава CuZn40Pb2 в дальнейшем.