Вопросы для самопроверки

1. Укажите характерные физические и механические свойства алюминия и где он применяется в устройствах РЭС?

2. На какие группы делятся алюминиевые сплавы в зависимости от технологии обработки?

3. Опишите структуру и фазовый состав сплавов Al - Cu?

4. Какие структурные и фазовые превращения протекают в сплавах Al-Cu с содержанием Си до 5,7 % при закалке и старении?

5. Проведите основные марки деформированных упрочняемых алюминиевых сплавов, применяемых в конструкциях РЭС.

6. Приведите основные марки деформируемых алюминиевых сплавов, неупрочняемых термической обработкой, используемых в конструкциях РЭС?

7. Какие марки сплавов применяются при изготовлении деталей РЭС методом литья? Их состав и основные механические и технологические характеристики?

5. Конструкционные сплавы на основе меди

5.1. Медь

Медь - химический элемент I группы периодической системы элементов; порядковый номер 29, атомная масса 63,5. Это - металл красного, а в изломе розового цвета, кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке с периодом а = 3,607 А, плотность чистой меди 8,9 т/м³, температура плавления 1083 °С.

Медь обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. Удельное сопротивление чистой меди при 20 °С составляющей 1,7 10^-8 Ом м. Удельная проводимость меди чувствительна к примесям. Так при добавлении 0,5 % примесей Zn, Ca, Ag удельное сопротивление меди повышается на 5 %. А при том же содержании Al, Ni, Sn удельное сопротивление увеличивается на 25-40 %. Примесь серы образует с медью хрупкое соединение CuS, входящее в состав эвтектики. На электропроводность эта примесь мало влияет, но улучшает обрабатываемость резанием.

Кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди Cu₂O и вызывает "водородную болезнь". При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит диффузия его в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Cu₂O, то они реагируют о Н, в результате чего образуются пары воды по реакции Cu₂O + Н₂  2Cu + H₂O, протекающей с увеличением объема. Это создает в отдельных участках металла высокое давление и вызывает появление микротрещин и разрывов, нарушающих вакуумную плотность материала и придающих ему хрупкость и ломкость.

Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, при этом прочность оцепления окисной пленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь непригодна для слаботочных контактов.

Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначаемую для электротехнических целей, обязательно подвергают электролитической очистке. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают или протягивают в изделия.

Методом холодной протяжки получают твердую (твердотянутую) медь (маркируется МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокую прочность (_в до 450 МПа) и малую пластичность ( до 3 %). Если после прокатки медь подвергнуть отжигу (без доступа воздуха во избежание окисления), то получается мягкая (отожженная) медь (маркируется ММ), обладающая меньшей прочностью (_в = 250-270 МПа) и высокой пластичностью ( = 40-50 %).

В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: МЗ (99,50 % Cu), М2 (99,7 % Cu), М1 (99,9 % Cu), МО (99,5 % Cu). Для изготовления проводов (монтажных, обмоточных) применяют мягкую медь марки М1, в которой общее количество примесей не превышает 0,1 %, а кислорода - не более 0,08 %. Для изготовления очень тонкой проволоки применяется медь марки МО, в составе которой содержится не более 0,05 % примесей, а кислорода не более 0,02 %. В электровакуумной технике применяют бескислородные сорта меди марок М0в (0,001 % О₂) и М1в (0,01 % О₂). Их получают из электролитической меди, переплавленной в защитной среде газа СО. Выделяющийся при нагревании меди кислород вступает в реакцию с закисью углерода и удаляется в виде углекислого газа.

Кроме монтажных и обмоточных проводов медь используют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

Для изготовления фольгированных диэлектриков применяют медную фольгу ФМЭ (не оксидированную), ФМЭО (оксидированная нормальной шероховатости), ФМЭОШ (оксидированная повышенной шероховатости). Химический состав фольги соответствует меди марки М1 по ГОСТ 859-78.

Из электровакуумных сортов меди изготавливают детали клистронов, магнетронов, аноды мощных генераторных машин, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и резонаторов.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко паяется.

Медь выпускают в виде листов (ГОСТ 495-92), лент нормальной и повышенной точности (ГОСТ 1173-93), проволоки от 0,03 до 10 мм и прутков различного сечения (ГОСТ 1535-91).

5.2. Латунь

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.

Диаграмма состояния сплава Cu - Zn состоит из пяти простых перитектических диаграмм. Так как практическое применение в РЭС имеет только сплавы с содержанием цинка примерно до 50 %, то мы будем рассматривать только часть диаграммы (рис.5). Существуют следующие фазы в сплавах Cu-Zn:

-твердый раствор цинка в меди с кристаллической решеткой ГЦК; растворимость цинка в меди при комнатной температуре равна 39 %, она не изменяется практически до 454 °С и убывает до 32 %, при 902 °С.

 - твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи, имеет простую кубическую объемноцентрированную решетку. Упорядоченное расположение атомов сохраняется лишь при температурах не выше 454-469 °С. При более высокой температуре атомы меди и цинка в объемноцентрированной решетке (ОЦК) располагаются статистически. Упорядоченный  - твердый раствор обозначается через . Латуни, имеющие ' - структуру, обладают высокой прочностью (_в до 420 МПа), но и высокой хрупкостью ( =7 %). При температуре выше 454-469 °С, когда  - фаза переходит в  -фазу, латунь становится более пластичной, так как  - фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности. Практическое применение нашли латуни, состоящие или из одних  - кристаллов, либо из механической смеси  и ' - кристаллов.

Рис.5.1. Диаграмма состояния Cu-Zn

Рис.5.2 Механические свойства сплавов Cu-Zn

Прочность и пластичность сплавов зависят от количества цинка, находящегося в них, что иллюстрируется рис.5.2.

Как видно из рисунка, наилучшей пластичностью обладают латуни с содержанием Zn около 3 %, а высокой механической прочностью обладают латуни с содержанием 42-45 % Zn, но пластичность при этом резко снижается. Переход через границу однофазной области (39 % Zn) резко снижает пластичность латуни.

В зависимости от состава латуни подразделяются на двойные и многокомпонентные. Двойные латуни в зависимости от структуры подразделяются на , ( + ) и  латуни.

В многокомпонентных латунях легирующие добавки могут повышать прочность, твердость, упругость, коррозионную стойкость, антифрикционные свойства и технологические характеристики. Так, алюминий, никель, олово, кремний повышают прочность, коррозионную стойкость и улучшают антифрикционные характеристики. Железо, повышает температуру рекристаллизации и твердость латуни. Марганец повышает ее жаростойкость. Добавки свинца в латуни улучшают ее обработку резанием.

Двойные латуни маркируют буквой Л и числом, характеризующим среднее содержание меди в %. В многокомпонентных латунях после буквы Л, указывающей содержание меди, ставятся цифры, определяющие содержание легирующих элементов в %.

По технологическому признаку все латуни разделяют на деформируемые, из которых изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку, прутки различного сечения и другие полуфабрикаты, и литейные латуни - для фасонного литья. Механические свойства двойных и много­компонентных латуней, обрабатываемых давлением, приведены в табл.5.1.

Латуни являются незаменимым материалом для изготовления деталей РЭС - наконечников, монтажных лепестков, контактов, экранов, осей, втулок, крепежных деталей, зубчатых колес и других деталей, изготавливаемых штамповкой, высадкой и со снятием стружки.

Все двойные латуни обладают достаточной прочностью и отлично обрабатываются давлением как в холодном, так и в горячем состоянии (за исключением латуни Л60, которая хорошо обрабатывается в горячем состоянии). Латунь Л90 хорошо сваривается со сталью при совместной прокатке, в связи с чем успешно применяется для плакировки и изготовления биметаллов.

Латунь Л68 применяется для изготовления деталей холодной штамповкой и глубокой вытяжкой. Латунь Л63 используется для изготовления крепежных деталей.

Высокой коррозионной стойкостью в пресной или морской воде обладают латуни, легированные оловом, Л070-1, Л062-1, получившие название морских латуней.

Для улучшения обрабатываемости резанием латуни легируются свинцом. Латуни ЛС59-1 применяются для изготовления деталей резанием на станках-автоматах (автоматная латунь). Она выпускается в виде проката круглого, квадратного и шестигранного сечения (ГОСТ 2060-70), проволоки и реже ленты (ГОСТ 2208-70). Латуни ЛС60-1, ЛС59-1 применяют для изготовления крепежных изделий, зубчатых колес, втулок.

Примечание. Обрабатываемость резанием сравнивается с обрабатываемостью латуни Л063-3, принятому за 100 %, _т – предел текучести физический.

Латуни ЛМЦ58-2 и ЛЖМЦ59 - 1 -1 ввиду повышенной стойкости к электрическим. разрядам идут на изготовление разнообразных деталей авиационного электрооборудования: разъемы, пружинящие контакты и др.

Таблица 5.1

Механические свойства латуней, обрабатываемых давлением (ГОСТ 15327-70)

Латуни	бВ, МПа	, %	бТ, МПа	НВ, МПа	Обрабатываемость резанием, %
1	2	3	4	5	6
Л96 мягкая твердая	216-255 392-470	45-55 1-3	62 380	490-590 1270-1420	20 -

Продолжение табл.5.1

.

1	2	3	4	5	6
Л90 мягкая твердая	235-275 430-590	44-52 2-4	125 295	490-590 1270-1420	- 20
Л85 мягкая твердая	235-295 510-570	43-55 2-5	98 495	490-610 1180-1420	30 30
Л80 мягкая твердая	290-340 550-670	45-55 2-10	120 355	520-640 1370-1470	30 30
Л70 мягкая твердая	290-340 615-690	50-60 3-6	130 440	540-640 1420-1520	- -
Л68 мягкая твердая	290-340 510-725	50-60 3-12	98 412	540-640 1420-1520	30 -
Л63 мягкая твердая	350-440 665-735	40-50 2-4	108 412	1370-1560 1370-1500	40 -
Л60 мягкая твердая	360-410 635-735	40-50 2-4	147 570	390-490 1520-1620	45 -
ЛМЦ58-2 мягкая твердая	370-440 590-735	36-45 5-10	153 -	785-880 180-1730	22 -
ЛЖМЦ58-1-1 мягкая твердая	412-470 590-735	45-55 5-10	165 -	736-930 1520-1620	22 -
Л70-1 мягкая твердая	314-370 568-735	55-65 3-10	159 -	470-640 1370-1520	- -
ЛО62-1 мягкая твердая	370-420 668-735	55-65 3-5	147 372	735-830 1370-1470	30 40
ЛС63-3 мягкая твердая	295-390 540-640	40-50 3-6	89 440	390-490 1270-1370	100 -
ЛС60-1 мягкая твердая	340-390 570-640	45-55 3-6	120 550	590-680 1470-1570	- 70

Продолжение табл.5.1

1	2	3	4	5	6
ЛС59-1 мягкая твердая	290-412 590-690	36-50 4-6	140 412	680-785 1470-1570	- 80

Примечание. Обрабатываемость резанием сравнивается с обрабатываемостью латуни ЛО:№-3, принятому за 100 %. _т – предел текучести физический.

Литейные латуни содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные отличаются большим легированием цинком и другими металлами. Вследствие малого интервала кристаллизации литейные латуни обладают хорошими литейными характеристиками. Свойства некоторых литейных латуней приведены в табл.5.2.

Таблица 5.2

Механические свойства литейных латуней (ГОСТ 1711 – 80)

Латунь	бВ, МПа	. %	бТ, МПа	НВ, МПа	Литейная усадка, %
ЛЦ40С	345-390	20	145	780	2,2
ЛЦ90А3	345-440	15	145-175	880	1,25
ЛЦ40МЦ1,5	345	20	155	980	1,45
ЛЦ40МЦ3Ж	540-635	10	-	980	1,6
ЛЦ23А6Ж3МЦ2	585-685	7	295	1570	1,8

Литейные латуни применяют для изготовления втулок, подшипников, гаек и других несущих деталей. Литейные латуни имеют лучшую коррозионную стойкость.

5.3. Бронзы

В недалеком прошлом бронзами называли сплавы Cu - Sn. В настоящее время к бронзам относят также сплавы меди с алюминием, кадмием, железом, бериллием, кремнием и другими элементами. Эти бронзы, не имея в своем составе дорогостоящего олова, по некоторым свойствам не уступают оловянистым, а иногда и превосходят их.

Диаграмма состояния Cu - Sn имеет сложный вид, поэтому на рис.5.3 приводится только часть диаграммы, представляющей практический интерес.

Система Cu - Sn в твердом состоянии может иметь несколько фаз: при малом содержании олова (примерно до 14 %) структура однофазная и состоит из кристаллов  - твердого раствора олова в меди, имеющей ГЦК решетку;  - твердый раствор на базе  - электронного соединения Cu₅Sn;  - фаза на базе электронного соединения Cu₃₁Sn₈;  - фаза - твердый раствор на базе химического соединения и др. Система Cu-Sn имеет ряд перитектических превращений и два превращения эвтектоидного типа.

При 588 °С кристаллы  - фазы претерпевают эвтектоидный распад с образованием  и  - фаз, а при 520 °С кристаллы твердого раствора у распадаются на фазы  и .

Рис. 5.3. Диаграмма состояния Cu – Sn

Структура литых медно-оловянных сплавов значительно отклоняется от равновесного состояния, поэтому уже в сплавах, содержащих 5-6 % Sn и более, в литом состоянии обнаруживается -фаэа в виде эвтектоидной составляющей, что придает ей большую хрупкость. Отожженная бронза с содержанием до 14 % Sn должна состоять по структуре из однородного  - раствора.

Линии ликвидус и солидус находятся на значительном расстоянии, т.е. между ними большой интервал температур, поэтому оловяниотые бронзы не обладают большой жидкотекучестью. Но высокие литейные свойства определяются исключительно малой усадкой - меньше 1 % (для сравнения усадка чугуна около 1,5%, латуни около 1,5 %, стали более 2 %), что позволяет получать из этих сплавов фасонные отливки.

Зависимость механических свойств сплавов Cu - Sn от содержания олова показана на рис.5.4.

Влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цинка, но проявляется более резко. При содержании Sn до 5-6 % бронза обладает хорошей пластичностью, но затем под влиянием  - фазы пластичность резко падает. Понижение прочности начинается при содержании олова свыше 20 %. Оловянистые бронзы слабо чувствительны к перегреву и газам, свариваются и паяются, не дают искры при ударах, немагнитны, морозостойки и обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Для получения определенных свойств оловянистые бронзы легируются Zn, P, Fe, Ni, Pe и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает их механические, антифрикционные и литейные характеристики. Оптимальное содержание фосфора около 0,5 %. Железо повышает механические свойства, но ухудшает технологические характеристики и антикоррозионные свойства. Ni при содержании до 1 % повышает механические свойства и коррозионную стойкость. Свинец значительно повышает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием, но снижает ме­ханические свойства.

Рис. 5.4. Влияние Sn на механические свойства Cu – Sn

Бронзы маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержат бронзы, а потом цифрами указывают содержание этих элементов в процентах. Оловянистые бронзы разделяют на обрабатываемые давлением - до 6 % Sn и литейные - свыше 6 % Sn. В таблице 5.3 приведены механические свойства некоторых оловянистых и безоловянистых бронз, обрабатываемых давлением.

Оловянистые бронзы БрОЦ4-3, БрОФ6,5-0,15 обладают хорошими стабильными механическими и высокими антикоррозионными свойствами. В морской атмосфере они более стойки, чем медь и латунь. Сильное воздействие на оловянистые бронзы оказывают соляная и азотная кислота; менее активной является серная кислота. Бронзы этих марок обладают неплохими технологическими свойствами: они хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии, резанием, хорошо паяются. Они поставляются в виде полос, лент толщиной 0,1-2 мм (ГОСТ 176-1-79), прутков (ГОСТ 10025-78) и проволоки (ГОСТ 5221-77).

Эти бронзы применяют для изготовления различных деталей радиоаппаратуры: плоских и круглых пружин, контактов, разъемов. Бронзы марок БрОФ7-0,2 идет на изготовление шестерен, червячных колес.

Безоловянистые бронзы по сравнению с оловянистыми обладают лучшими механическими свойствами, а некоторые из них и специальными свойствами. Они представляют собой сплавы меди с Al, Si, Fe, Ni, Be и другими элементами.

Алюминиевые бронзы по структуре являются твердыми растворами замещения с пределом растворимости Al 9,4 %. Двойные алюминиевые однофазные бронзы БрА5, БрА7 отличаются высокой прочностью и пластичностью. Они хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях и предназначены для изготовления упругих элементов, мембран, работающих в морской среде. Алюминиевые бронзы морозостойки, не магнитны, не дают искры при ударах. По коррозионной стойкости они превосходят латуни и оловянистые бронзы. Вместе с тем эти сплавы трудно поддаются пайке и неустойчивы в условиях перегретого пара. При добавлении железа улучшаются механические свойства алюминиевых бронз. Бронза БрАЖ9-4 применяется для изготовления шестерен, червяков, втулок, гаек нажимных винтов в устройствах ответственного назначения. Для улучшения прочностных характеристик бронзу подвергают старению при 250-300 °С в течение 2-3 ч после закалки при 950 °С.

Бериллиевые бронзы являясь дисперсионно-твердеющими сплавами, обладают высокими механическими, упругими, физическими и хорошими технологическими свойствами. Отличаются высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью, циклической прочностью; они устойчивы при низких температурах, не магнитны, не дают искры при ударах. Закалку бериллиевых бронз осуществляется при температуре 750 – 790 С. Бериллиевые бронзы БрБ2, БрБ2, 5 применяют для изготовления пружин, пружинящих деталей ответственного назначения

Таблица 5.3

Механические характеристики оловянистых (ГОСТ 5017-74)

и безоловянистых (ГОСТ18175-78) деформируемых бронз

Марка бронзы	бВ, МПа	бТ, МПа	, %	НВ, МПа	, Омм	Е, МПа
1	2	3	4	5	6	7
БрОЦ4-3 мягкая твердая	295-320 490-590	- -	35-45 3-6	590-685 1570-1670	0,087 -	121600 -
БрОФ6,5-0,15 мягкая твердая	295-440 685-785	195-245 580-640	60-70 7-12	685-820 1570-2160	0,176 -	109800 -

Продолжение табл.5.3.

1	2	3	4	5	6	7
БрОФ7,0-0,20 мягкая твердая	370-440 830-1080	- 540	55-65 1-2	835-935 1720-2250	0,170 -	112700 -
БрОЦС4-4-2,5 мягкая твердая	295-345 540-640	130 275	35-45 2-4	480-685 1470-1760	0,087 -	73500 -
БрБ2 мягкая закаленная и состаренная	390-590 1370	245-349 1250	30-50 1-2	1270-1470 3430-3920	0,1 0,068	114700 128400
БрБ2,5 состаренная	1220	1080	2	3900	-	-
БрА5 мягкая твердая	370 785	155 490	65 4	590 1960	- 0,099	102900 -
БрА7 мягкая твердая	410-490 970	- -	65-70 2-10	690 1570-2100	0,11 -	117600 -
БрКМд3-1 мягкая твердая	340-390 685	155 410	55-60 6-13	785 1900	0,15 -	112700 -

Бериллиевые бронзы обычно содержат никель и марганец. Кремниевые бронзы превосходят оловянистые бронзы по коррозионной стойкости, механическим, антифрикционным и упругим свойствам. Бронза БрКМцЗ-1 применяется для изготовления витых и плоских пружин, контактных пружин, лепестков и прочих деталей. Эти бронзы хорошо паяются при низких и высоких температурах.

Механические свойства некоторых безоловянистых бронз приведены в табл.5.3.