Алюминиевая латунь

Фазовый состав и общие свойства

Алюминиевая латунь — это сплав меди с цинком , в котором алюминий введен как легирующий элемент. Они характеризуются высокими прочностными свойствами, что обусловлено сильным упрочняющим действием алюминия. Легирование алюминием уменьшают пластичность латуней, но показатель пластичности достаточный для обработки таких латуней давлением. На поверхности алюминиевой латуни образуется плотная защитная пленка оксида, которая обеспечивает высокую коррозионную стойкость. Алюминий резко уменьшает растворимость цинка в меди: область существования β-твердого раствора сужается и смещает границу насыщения цинком в твердого растворе меди сторону медного угла.

При высоком содержании алюминия в структуре медно-цинковых сплавов появляются твердые и хрупкие кристаллы γ (Cu₅Zn₈)-фазы которые повышают твердость, снижают пластичность и резко понижают деформационные возможности латуней, поэтому содержание алюминия в латунях регламентируется. В латунях, обрабатываемых давлением, содержание его не должно превышать 4 %, в литейных высокопрочных латунях — 7 %.

Фаза γ (Cu₅Zn₈) — это электронное соединение с кубической решеткой. Она изоморфна промежуточной фазе γ₂ (Cu₉Al₄) из систем Cu-Al. В тройной системе Cu-Zn-Al фазы γ (Cu₅Zn₈) и γ₂ (Cu₉Al₄) образуют непрерывные ряды твердых растворов.

Трехкомпонентные сплавы

Алюминиевые латуни классифицируются как многокомпонентные сплавы. Кроме меди, цинка и алюминия в алюминиевые латуни могут входить и другие элементы для придания специальных свойств: никель, железо, мышьяк, но трехкомпонентные сплавы системы Cu-Zn-Al с высокой концентрацией меди ЛА85-0,5 и ЛА77-2 наиболле востребованы промышленностью. Эти β-однофазные сплавы обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Латунь ЛА85-0,5 имеет оттенок близкий к цвету золота, высокую коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Химический состав этого сплава определяют ТУ 48-08-495 и ТУ 48-21-28. ЛА85-0,5 имеет высокую технологическую пластичность. Технологические свойства этой латуни позволяют изготовлять прокат с малым сечением и диаметром: листы, полосы, ленту и проволоку, что важно для производства ювелирных украшений и произведений искусства. Сплав ЛА85-0,5 имитирует золото на знаках отличия, фурнитуре и художественных изделиях.

Более высокими механические свойства у латуни ЛА77-2. Она хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Из латуни ЛА77-2 изготовливают конденсаторные трубы на морских судах. Она коррозионностойка в атмосферных условиях, но имеет склонность к обесцинкованию и коррозионному растрескиванию в нагартованном состоянии. Низкотемпературный отжиг снимает внутренние напряжения для уменьшения коррозии. Добавка небольшоого количества мышьяка ( латунь ЛАМш77-2-0,05 содержит 0,02 — 0,06% As) увеличивает коррозионную стойкость в однофазных алюминиевых латуней. Устойчивость к коррозионному растрескиванию в морской воде и обесцинкованию достигается легированием малым процентом мышьяка (∼0,04 %).

Алюминием с железом и никелем легируют двухфазные α + β-латуни (ЛАЖ60-1-1 и ЛАН59-3-2). Железо не растворяется в медно-цинковом твердом растворе и выделяется в сплаве в виде γ_Fe-фазы. Железо придает латуни пластичность при горячей обработке давлением, так как дисперсные частицы γ_Fe-фазы тормозят рост зерен при горячей деформации и отжиге и способствуют получению в полуфабрикатах мелкозернистой структуры. Никель повышает коррозионную стойкость алюминиевых латуней, но понижает их пластичность. Добавки алюминия и никеля в латуни ЛАН59-3-2 растворяются в α- и β-фазах и образуют твердую и хрупкую интерметаллидную фазу NiAl. Снижение пластичности латуни ЛАН59-3-2 связано с присутствием в структуре дисперсных частиц этой интерметаллидной фазы.

Термоупрочняемый сплав ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5

Специальные многокомпонентные латуни не упрочняются термической обработкой, кроме дисперсионно твердеющего сплава ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5.

Кажущееся содержание цинка (∼30 %), определенное с помощью коэффициента Гийе, показывает, что матричной фазой этой латуни является β-твердый раствор. Закаленная с 850°С латунь имеет однофазную структуру α-твердого раствора. Добавки алюминия, никеля и кремния образуют фазы (NiAl, Ni₂Si), которые имеют переменную растворимость в медно-цинковом твердом растворе.

Распад пересыщенного твердого раствора в латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 зависит от температуры изотермической выдержки. Он носит сложный характер, обусловленный выделением нескольких фаз. Об этом свидетельствуют изотермическая и термокинетическая диаграммы распада твердого раствора. На диаграммах четко выявляются два минимума устойчивости переохлажденного α-твердого раствора. Первый минимум соответствует температурам 600—700°С; второй — 350—400° С. Состав выделяющихся фаз и их дисперсность зависят от температуры распада. При высокотемпературном распаде (∼600°С) формируются крупные стержневидные частицы фазы Ni₁₆Mn₆Si₇ с ГЦК решеткой и периодом а = 1,115 нм. Выделение таких частиц нежелательно. При низкотемпературном распаде (400°С) в объеме зерен образуется большое количество дисперсных частиц дискообразной формы диаметром 10 нм и толщиной 2—3 нм. Низкотемпературный распад совпадает с температурой старения этой латуни. Он характеризуется многостадийными фазовыми переходами, связанными с образованием различных метастабильных фаз, в состав которых входит Ni, AI, Мn и Si. Максимум упрочнения латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 достигается на стадии низкотемпературного старения с выделением дисперсных частиц метастабильных фаз, когерентных матрице.

Способы получения высокопрочной латуни:
- закалки и старения ;
- механическая деформация и отжиг при низких температурах (НТМО).

В закаленном состоянии сплав ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 отличается высокой пластичностью (σ_в =540 МПа; σ_0,2 = 220 МПа; δ = 48 %; ψ = 60 %), а после старения (500 °С в течение 2 ч) приобретает высокую прочность (σ_в = 700 МПа; σ_0,2 = 470 МПа; δ = 25 %; ψ = 40 %). Еще более высокие прочностные и упругие свойства достигаются после деформации в закаленном состоянии с последующим старением (НТМО): σ_в = 1030 МПа; σ_0,2= 1010 МПа; δ = 3,5 %; ψ = 11 %.