铜基合金冶金学爱游戏中心下载安装

作者:小威廉·d·尼尔森
西部储备制造有限公司

铜合金的基本性能在很大程度上受铜本身性能的影响。爱游戏中心下载安装爱游戏中心下载安装众所周知,铜具有某些独特的特性,使其成为轴承应用的最佳工程材料。爱游戏火箭联盟这些都是:

  • 高导热系数
  • 良好的延性韧性温度范围很广
  • 优良的耐腐蚀性能在许多不同的环境中

爱游戏中心下载安装铜原子结构

以上三种性质都与铜在原子尺度上的结构和行为直接相关。爱游戏中心下载安装

铜朝向立方晶体结构的模型爱游戏中心下载安装 图1所示。铜型圆形立方晶体结构的模型显示一个单位细胞。爱游戏中心下载安装角原子之间的距离为3.6埃(参考文献1)。
铜原子与爱游戏中心下载安装金或银的原子非常相似,与铜组成在元素的周期表中的一个组。每个人都知道铜的出色导电性,这是由铜的原子结构产生的。爱游戏中心下载安装在铜原子内晶格,自由电爱游戏中心下载安装子云是唯一可用于电流的转移。相同的电子云也增强了热能的有效转移。

可将实心铜描爱游戏中心下载安装述为铜原子在面中心立方(FCC)配置中的布置。在每爱游戏中心下载安装个角落中找到铜原子,并且在立方体的每张面上的中心图1.这是在三维空间中重复的单元胞,构成金属的晶体结构。

原子通过它们之间的原子景点的能量保持在结构中。这是占据其高延展性和韧性的原子的特殊面对的立方体布置。爱游戏中心下载安装所有金属通过称为滑动的机制变形。当滑动发生时,金属上的力导致原子以群体彼此滑动。在铜FCC结构爱游戏中心下载安装中,该运动优先发生在沿晶格内的特定几何平面的任何或全部三个方向,如图所示图2

去除角原子的铜的单位fc爱游戏中心下载安装c,以显示变形优先发生的滑移面。 图2。去除角原子的铜的单位fc爱游戏中心下载安装c,以显示变形优先发生的滑移面。这个地方体现了几何上可能的原子包装(参考1)。
铜电池有爱游戏中心下载安装四个这样的平面。如果在所有四个飞机上三个方向发生运动,则存在21个可能性的滑动。事实证明,这是在任何金属结构中发现的滑动的最大可能性。金属可以体验大量滑动的可能性越有可能是变形而不是骨折和失败。因此,铜具有优爱游戏中心下载安装异的延展性和韧性,并且耐疲劳和蠕变是抗性的。额外的好处是铜,因为它是朝向中心的结构,不会遭受低爱游戏中心下载安装(亚零)温度的脆化;其他晶体结构共同的现象。

爱游戏中心下载安装铜的电子结构和晶体结构的结合赋予了它优异的耐腐蚀性能。自由电子云很容易在金属表面形成相干膜,保护晶格免受进一步腐蚀。

产生滑移面的催化裂化结构赋予这些滑移面另一种特征。在任何金属系统中,滑移面上的原子都尽可能紧密地排列在一起(图2).原子的这种有效排列将大部分物质包裹在一个给定的空间中(就像蜜蜂在建造蜂巢时知道的那样)。除了在最恶劣的环境中,氢离子很难通过原子间的小空间而引起应力腐蚀开裂。

我们已经看到铜,铸造青铜的铜,当在爱游戏中心下载安装原子秤上观察时,赋予良好轴承材料的重要特性。但轴承不是由纯铜制成的,而是来自现在可用的铜的各种合金。爱游戏中心下载安装这些合金中的每一个都改善了纯铜的性能,并进一步将新材料与特定环境相适应。爱游戏中心下载安装让我们在材料的冶金和轴承设计中检查一些更常见的合金系统及其目的。

铸造青铜合金

铸造青铜的轴承等级可以将冶金分为三类:

  • 单相固溶体合金
  • 多相合金
  • 复合材料

为了了解不同合金的性能,我们必须首先了解当加入少量合金金属时,基本的铜结构会发生什么变化。爱游戏中心下载安装反应发生在合金从熔融状态凝固和冷却的过程中。

简单地,合金金属相对于正常FCC铜晶格的最终布​​置决定了合金材料的性质。爱游戏中心下载安装

合金金属以三种基本方式在铜格子中找到它们的位置:爱游戏中心下载安装

  1. 它们替代FCC晶格中的铜原子。爱游戏中心下载安装
  2. 它们与铜结合,形成局部区域(相),其晶体结构爱游戏中心下载安装形式与fcc铜晶体不同。
  3. 它们被凝固的铜晶格所排斥,但在凝固和生长的过程中被困在合金的晶体中。爱游戏中心下载安装

研究已经产生了简单二元合金系统反应的图形表示。这种表示称为相图。与青铜相关的一些二元系统的相图显示了合金元素的行为,通常导致前面提到的三种情况之一。铜锡平衡爱游戏中心下载安装相图(图3)说明了案例(1)和(2)。

爱游戏中心下载安装铜锡均衡相图(参考2)。 图3。爱游戏中心下载安装铜锡均衡相图(参考2)。

情形(1)-替换

单相(α)铜锡合金(88cu-8sn-4zn)的微观结构。爱游戏中心下载安装结构显示滑线。 图4。单相(α)铜锡合金(88cu-8sn-4zn)的微观结构。爱游戏中心下载安装结构显示滑线。附注还有三角阶段(较暗的岛屿)(参考2)的痕迹。
参考图3,当锡含量低于11%(例如,锡含量为8%)时,合金冷却后会在一定温度范围内凝固,当温度降至850°C以下时,合金会完全凝固。在缓慢冷却的平衡条件下,形成的固相是面心立方晶体(α相)。锡原子直接取代铜原子进入晶格。爱游戏中心下载安装锡原子实际上有增强纯铜的作用,因为它们使晶格变形,也就是说,它们改变了铜原子之间的通常距离。爱游戏中心下载安装在相当缓慢凝固的商业条件下,几乎所有的金属都将以α相(图4).这种取代现象导致锡在铜中的单相固溶体。爱游戏中心下载安装由于晶格应变,其晶体结构虽然比纯铜强,但仍然是fcc。爱游戏中心下载安装因此,滑移特性仍然很好。因此,单相固溶铜合金在强度显著提高的情况下,仍保持较高的延展性。爱游戏中心下载安装这种材料在材料可能受到相当大的应力,但断裂将是灾难性的情况下得到广泛应用(如核反应堆海水系统中的配件)。

这种单相商业合金的一个例子是C90300合金,其性能与铜的比较如下表所示。爱游戏中心下载安装

C90300
99.9 88.0
Sn - 8.0
Zn. - 4.0
t, ksi 28. 45
Y.S.,KSI. 8 23.
Elong,%在2英寸中。 45 25.
硬度,Bhn. 40 77
(值为小于3英寸的连续铸造材料。直径)。

案例(2) - 多相

如果锡的含量增加到11%或更多,当金属冷却到400°C以下时,一些α相将发生转变。出现了一个新相,分散在正常的fcc α晶体中。这种相称为δ,可以通过相当快的冷却保存在材料中(图5).

连铸锡铜合金C90500的微观结构。 图5.连铸锡铜合金C90500的微观结构。指示δ相位(参考文献3)。

Delta相(尽管仍然基本上FCC)与铜中的比例相比,比在α中的比例比在α中的比例更加艰难而强烈但缺乏太大的延展性。爱游戏中心下载安装它在整个材料微观结构的精细分散的岛屿下出现最好的条件。该第二相对滑移机构的影响是显着的,具有在小运动程度之后钉扎滑架的效果。但达达阶段也大大提高了材料的耐磨性,如同突显的硬度显着增加所示。流行的铝青铜合金(C95400和C95500)和锰支架(C86300和C86400)以类似的方式获得其高强度和硬度,尽管演员不同。尽管如此,该性质是在碱性FCC晶格中分散在碱性FCC晶格中的另一种相位(或相)的结果,在几乎所有情况下,分散的相比比周围基质材料的大部分更难更强烈。这些材料中的这些“工程不连续性”用于锚定滑坡并限制其运动。

这些材料被称为多相合金,其特点是比α合金具有更高的强度、硬度和耐磨性;但它们的延展性要差得多,如下表所示。因此,它们最适合尺寸完整性最重要的控制表面部件,以及低速下的重载和冲击载荷,例如飞机起落架轴承。

与单相材料相比,它们的性质可以随温度变化,其性质可以随温度变化至显着的程度。这种合金通常是热处理的。通过操纵合金的微观结构,如平衡相位图所示,“短路”平衡,可以获得某些性质,其在铸造条件下不存在。

单相 多相
C90300 C90700. C92500 C95400.
88 89 87 85
Sn 8 11. 11.
PB. 1
Zn. 4
艾尔 11.
1
4
t, ksi 49 52 50 85
Y.S.,KSI. 23. 29. 25. 35
Elong,%在2英寸中。 25. 18. 20. 18.
硬度,Bhn. 77 95. 83 170
(值用于少于3英寸的连续铸造材料。直径除外,除了用于铸造的C95400。)

在任何情况下,不含大量铅的多相材料只能用于本身经过热处理硬化的钢配合表面的轴承。在铝青铜或锰青铜应用的情况下,通常建议轴镀铬或由类似于钢厂轧辊使用的双金属材料制成。爱游戏火箭联盟

案例(3)-混合混合物

爱游戏中心下载安装铜线平衡/ IUM相图(参考2)。 图6。爱游戏中心下载安装铜铅平衡相图(参考文献2)。
应用最广泛的轴承材料是真正的复合材料。从根本上说,它们可以是单相结构,也可以是多相结构,在自由铅粒子或球状体周围充当基质。铜铅平衡相图(爱游戏中心下载安装图6)表明铅在冻结时几乎完全被铜晶格排斥。爱游戏中心下载安装尽管如此,冶金工程师和铸造厂工人都在努力捕捉铜基材料的晶体之间的铅,因为这些晶体在凝固和生长的过程中产生了非常好的合金轴承。爱游戏中心下载安装图中显示了典型的分散铅的微观结构图7

现在可以生产含铅量超过30%的铜基材料,其中铅颗粒的尺寸是微观的爱游戏中心下载安装。另一方面,如果轴承应用表明较大的铅颗粒更可取,也可以生产这种形式的合金。

连续铸造锡铜合金C94100(20%Pb)的微观结构。 图7。连续铸造锡铜合金C94100(20%Pb)的微观结构。表示铅颗粒(参考文献3)。

铅执行三个重要的轴承功能,所有这些功能都是为了保护轴和提高机械的性能。最重要的是铅颗粒降低轴承和轴之间摩擦系数的能力。实现这一目标的机制相当有趣。铅颗粒可通过轴表面的微小粗糙边缘自由地从轴承表面脱落。钢轴被铅覆盖,铅逐渐重新分布,以填补轴上的低点。一旦已经完成,摩擦系数仅略有上升,显示在下面的列表中(参考4)。这同样的现象有进一步开发的优势在这个温度点轴承之间的联系和交配的部分受到铅的熔化温度327 C)。显然,含铅合金的这种特性在没有润滑(计划或意外)或机器本身的操作环境受广泛的极端温度影响时非常有价值,例如在飞机或北极油田设备上。

系数
摩擦(滑)
钢铁对铜爱游戏中心下载安装 0.9
C94300上的钢(23%PB) 0.18
钢在C94300上经过延长使用 0.30
钢铁对钢铁 1.00

铅的第二个重要功能是吸收进入界面的污垢,尽管这个问题可以通过适当密封轴承的设计来避免。

第三,具有比非铅铜锡合金的强度略低,具有比铜 - 铝或铜 - 锌合金的强度低得多,表现出高度的符合性。爱游戏中心下载安装也就是说,轴承将调节其形状以允许较差的对准或振动。与先前描述的那些相结合的这种特性允许人们说出铅合金将“磨损”非常好,是蜗轮的特别理想的特征,以命名一个示例。含铅的隆朗也是可易于加工的。

工程师必须提醒自己,这些合金与非格兰材料不那么强大,也不表现出抗侵袭和随后的疲劳导致失败的抵抗力。然而,一个舒适考虑因素是由于这些合金的“柔软性”,轴承的总失效不太可能破坏轴或抓住机器。

通过选择铅颗粒将铸造的适当矩阵,工程师可以选择与中等至光负载和高速相容的相互宽的材料强度,如下表所示。值对于小于3英寸的连续铸件。直径。

C83600 C93200 C93700 C93800. C94300.
85 83 80 78 70
Sn 5 7 10. 7 5
PB. 5 7 10. 15. 25.
Zn. 5 3.
t, ksi 45 45 41 34. 27.
Y.S.,KSI. 21. 24. 24. 23. 13.
Elong,%在2英寸中。 28. 16. 10. 12. 15.
硬度,Bhn. 72 72 80 62 48

铸造龙头的性质

现在让我们通过两个表来比较轴承青铜合金系列的一些更重要的工程性能。表1综述了其化学组成及应用性能。表2表示这些材料的使用更常见的用途及其在其最多使用的应用环境中的性能质量。

表1.铸造轴承青铜的组成与性能
成分百分比
合金的家庭 Sn PB. Zn. 艾尔
红黄铜
C84400. 81 3. 7 9
C83600 85 5 5 5
含铅锡青铜
C93200 83 7 7 3.
C93700 80 10. 10.
高铅锡青铜
C93800. 78 7 15.
C94300. 70 5 25.
锡青铜
C90300 88 8 4
C90500 88 10. 2
C90700. 89 11.
C92500 87 11. 1 1
C92700 88 10. 2
C92900. 84 10. 2.5 3.5
C94700-HT * * 88 5 2 5
铝龙头
C95400. 85 4 11.
C95400-HT 85 4 11.
C95500 81 4 4 11.
C95500-HT. 81 4 4 11.
锰铜
C86300 63 25. 3. 3. 6
C86400 59 1 40
* BTU / ft2 /英尺/人力资源/ F
**高温-热处理
表1.铸造轴承青铜器的成分和性能(续)
连续铸造性能(典型)
合金的家庭 t, ksi Y.S.,KSI. 艺龙,
布氏硬度 可加工性
指数
抗压
Y.S.,KSI.

电导率*
红黄铜
C84400. 37 16. 23. 55 90. 28. 41
C83600 45 21. 18. 72 100. 34. 41
含铅锡青铜
C93200 45 24. 16. 72 100. 30. 33.
C93700 41 24. 10. 80 100. 25. 27.
高铅锡青铜
C93800. 34. 23. 12. 62 100. 23. 30.
C94300. 27. 13. 15. 48 100. 20. 36
锡青铜
C90300 49 23. 25. 77 25. 36 43
C90500 51 29. 18. 92. 25. 29. 43
C90700. 51 29. 18. 95. 20. 38 41
C92500 49 26. 17. 80 30. 32. 42
C92700 48 20. 18. 80 80 28. 40
C92900. 53 31. 15. 100. 85 38 34.
C94700-HT * * 90. 66 9 180 20. 71 31.
as-铸造属性
铝龙头
C95400. 85 35 18. 170 60 50 34.
C95400-HT 105. 54 8 195 20. 75 34.
C95500 100. 44 12. 195 50 60 24.
C95500-HT. 120. 68 10. 230. 15. 80 24.
锰铜
C86300 115. 70 15. 225. 8 80 20.
C86400 65 25. 20. 90. 65 40 51
* BTU / ft2 /英尺/人力资源/ F
**高温-热处理
表2.各种环境下轴承合金性能的比较指南
定性轴承运行环境
合金号 速度 负载 环境 轴硬度 典型的应用爱游戏火箭联盟
C94300. (低)

(高的)
(低)


(更高)
(研磨)

(少磨料)
(低)


(高的)
飞机燃油泵
C93800. 矿井水泵,戴盘子
C93700 重载高速轴承
C93200 通用轴承
C83600 深层泵线轴轴承,轻型齿轮
C92700 活塞环
C90500 齿轮,阀门导轨,泵叶轮
C92900. 齿轮,阀导管,钢背代用品
C90300 阀门部件,蒸汽配件
C90700. 齿轮
C95400. 控制表面
C95500 控制表面
C86300 滚压螺母

表格中所示的所有合金都是讨论的基本材料的含量。在某些情况下,可能已加入铅以提高加工性(C92500对C90700)。也许增加了镍以增加强度或耐腐蚀性(C95500与95400)。可以改变锰和铁含量以稳定某些结构(C86300对C86400)。为了经济的缘故(C90500对C90700),锌可能已被取代锡。一块合金是由废料的主要可用性(C93200的C83600和C93700)产生,现在也许是最广泛使用的轴承合金。这是一个非常好的妥协。尽管如此,每种材料都有一套独特的属性,最能符合一些特殊的欣赏。

经济学

关于合金材料的相对经济学的几句话很重要。所有合金组成部分都受到世界市场的影响,其价格水平由供应,需求,政府控制和投机利益决定。这些组件的世界市场波动最终找到了它们进入合金的复合金属成本的方式,这也影响物料的废料值在从服务中取出时。表3显示铜和主要合金材料的大致相对值,在写入时。爱游戏中心下载安装

表3.近似金属成本关系
近似
相对成本
近似
相对成本
主要金属 二次废料
爱游戏中心下载安装 1.0 牵引锡青铜 0.9
7.8 锡青铜 1.0
带领 0.2 铝青铜 0.3
0.5 锰铜 0.3
4.0
0.9 预合金铸锭
C93200 1.2
C90700. 2.0
C98400 1.2

制造方法

铜的轴承级合金以各种制造方法生产的许多形式提供。爱游戏中心下载安装展示生产方法总结在表4

砂和冷却模具产品

表4.轴承合金系列的生产方法
生产方法
合金的家庭 沙子 寒冷
模具
离心 连续 造成
红黄铜 X X X X N/A
含铅锡青铜 X X X X X *
高铅锡四铜S = PB分离可能是一个问题 年代 年代 年代 X N/A
锡青铜 X X X X X**
铝龙头 X X X X X
锰铜 X X X X X
*限制为约4%的Pb
**锻造合金C51000, C52100, C52400。

在砂型或冷铸模中铸造是理想的生产方法,对于非常小的运行或非常小的部件是理想的,有时对于非常大的部件,如船舶螺旋桨是必需的。

所讨论的所有合金可用于这些形式,尽管可能发生严重铅偏析的问题,因为铅含量接近16%。可以施放各种尺​​寸和复杂的形状。作为管道硬件材料非常受欢迎的红色黄铜由这些方法产生,主要以阀体和配件的形式产生。

离心铸造产品

同样,所有受试者合金都是通过离心铸造方法容易地产生的,除了高引线锡支气沟之外,其中铅含量接近20%。铅隔离问题对铸件的大小敏感。通过这种方法制造非常大的衬套。大多数套管可能超过14英寸.O.D.和最多约100英寸.O.D.是离心铸件。这种铸件可以在超过100英寸的长度上进行。然而,小型离心铸件也是大容量的。许多较大的法兰轴承或齿轮坯料通过该方法制造。虽然对生产数量敏感,但小润可能非常经济。股票经销商维持半成品离心铸件的库存,主要是标准尺寸,特别是在合金C95400和C93200中。

连续铸造产品

所有合金都可以作为连续铸造Barstock;铅隔离通常不是问题。如果合金是C95400,C95500或C86300,则可能需要用非常薄的壁释放具有非常薄的壁的某些铸件,以防止在制造和使用中损失间隙或耐受性。提供宽尺寸的固体,管状和准备的横截面Barstock。直径范围从小于0.500英寸。在O.D。,长度为约14英尺,高达约13英尺。可以产生非常薄的围墙,在少于1/4。,取决于O.D。这些产品非常适合使用自动机床进一步制造。

大量的连铸产品是相当经济的,但再次库存分销商吸收了大量的负担,特别是对C95400, C93200和C90300合金。

锻造产品

锻磷青铜合金(C51000,C52100,C52400,C54400)有时用于轴承应用。爱游戏火箭联盟这些合金也可作为退火淬火的连续铸件。锻化磷青铜通常限于约3英寸O.D.和下面。C54400具有最高可用的铅含量,约4%。不可能用更高的铅含量挤出或滚动合金。

铝和锰青铜合金也有变形的等价物。经过严格的挤压、拉伸、轧制或锻造加工,变形合金具有非常强的力学性能,广泛应用于航空航天领域。爱游戏火箭联盟其中一些合金用作焊件材料。这些合金也可在不同的挤压形状,尽管品种是相当依赖数量。铸造合金热处理产生的力学性能与锻造材料相似,铝青铜的连续铸造也是如此。一般来说,需要大量生产才能使锻造产品更经济,尽管库存分销商已经为小批量的最终用户承担了这一负担。

完成轴承

一些生产者以及许多库存分销商和轴承厂携带标准成品衬套的库存,特别是在合金C93200中。这些部件是大规模生产和容易获得的。

专业轴承

许多机器商店专注于轴承生产,特别是非标准设计和关键的令人待命的合金。这些商店经营着精致的加工中心。使用最优质的设备,它们能够在部分生产中获得最高精度,并保持高标准的材料质量控制。此类机构为那些选择不制造自己的轴承的大公司的机构和维护部门提供服务。它们提供经济的服务,并且非常了解轴承级合金的技术和来源,这将最适合生产给定轴承的生产。

概括

冶金工程,虽然非常熟悉科学,也是非常艺术的。研究,广泛的经验和BR / OAD对合金元素可以赋予铜基金属的性质对良好的材料设计至关重要。爱游戏中心下载安装同样重要的是了解与材料,部件生产和最终用途机器的操作相关的经济学。铜,黄铜和青铜的显着性质通过其可靠的性能,一般可用性和经济爱游戏中心下载安装质量在各地都受益。

参考

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