铜基合金的冶金爱游戏中心下载安装

由William D. Nielsen,Jr.
西方储备制造有限公司

铜合金的基本性质主要受铜本身性质的影响。爱游戏中心下载安装爱游戏中心下载安装已知铜具有某种独特的品质,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
  • 优异的延性韧性在各种温度范围内
  • 优异的耐腐蚀性在许多不同的环境中

爱游戏中心下载安装铜的原子结构

上述三种品质中的所有素质与铜结构对原子尺度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,构成了金属的晶体结构。

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.

铜的单元FCC与角原子移爱游戏中心下载安装除以显示在发生变形优先的滑动平面。 图2。铜的单元FCC与角原子移爱游戏中心下载安装除以显示在发生变形优先的滑动平面。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。自由电子云很容易在金属表面形成相干膜,保护晶格不受进一步腐蚀。

产生滑动平面的FCC结构赋予这些非常平面的另一个特征。滑架上的原子在任何金属系统中都可以如可以紧密包装在一起(图2.)。这种有效的原子排列将最具物质包装成给定的空间(随着蜜蜂似乎知道它们在构建蜂窝时)。氢离子非常困难,以通过原子与原子之间的小空间找到它们,并在最具侵略性环境中引起应力腐蚀裂缝。

我们已经看到,铜是铸造青铜的母材,爱游戏中心下载安装从原子尺度来看,它如何赋予良好轴承材料的重要特性。但是轴承不是由纯铜制成的,而是由现在可用的各种铜合金制成的。爱游戏中心下载安装这些合金中的每一种都提高了纯铜的性能,并进一步使新材料适应特定的环境。爱游戏中心下载安装让我们研究一些比较常见的合金系统,涉及到材料的冶金及其在轴承设计中的用途。

铸铜合金

铸造青铜的轴承等级可以将冶金分为三类:

  • 单相固体溶液合金
  • 多相合金
  • 复合材料

要了解不同合金的性能,我们必须首先了解当加入少量合金化金属时,必须了解基本铜结构发生的情况。爱游戏中心下载安装在其熔融状态的凝固和冷却合金期间发生反应。

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域区(相),其晶体结构与f爱游戏中心下载安装cc铜晶体不同。
  3. 它们被凝固铜格子拒绝,但在合金的晶体中被捕获,因为它们冷冻并生长。爱游戏中心下载安装

研究导致了简单的二元合金系统如何反应的图形表示。此表示称为相图。与青铜相关的一些二元系统的相图显示了通常导致先前提到的三种情况之一的合金元素的行为。铜锡均衡爱游戏中心下载安装相图(图3.)举例说明个案(1)及(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)。

案例(1) - 替换

单相(alpha)铜锡合金(88Cu-8Sn-4Zn)的显微组织。爱游戏中心下载安装结构显示滑线。 图4。单相(alpha)铜锡合金(88Cu-8Sn-4Zn)的显微组织。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。
参照图3,在小于11%锡(例如在8%锡)下,看到其冷却的合金在一定温度范围内固化,随着温度低于约850℃的温度变得完全固体。在缓慢冷却的平衡条件下,形式的固相是朝向的立方晶体(α相)。锡原子将直接替代到晶格代替铜原子。爱游戏中心下载安装锡原子具有实际强化纯铜的效果,因为它们会突出晶格,即它们改变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,几乎所有金属都将凝固为α相(图4.)。这种替代现象导致铜中的单相固体溶液。爱游戏中心下载安装晶体结构虽然比晶格菌株强于纯铜,但仍然是FCC。爱游戏中心下载安装因此,滑动特性仍然非常好。因此,铜的单相固溶合金,尽管强度非常显着,但保持高延展性。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的情况下,在这种情况下找到广泛的使用,但是裂缝将是灾难性的(例如核反应堆海水系统的配件)。

这种单相商业合金的一个例子是合金C90300,其性质与下面的标签中的铜进行比较。爱游戏中心下载安装

C90300.
99.9 88.0
- 8.0
Zn. - 4.0
T.S.,KSI. 28. 45.
Y.S.,KSI. 8 23.
Elong, % in 2 in。 45. 25.
硬度,Bhn. 40. 77.
(值用于小于3英寸的连续铸造材料。直径)。

案例(2) - 多相

如果锡含量增加到11%以上,则一些α相将变换为金属冷却在400℃以下。出现一个新的阶段,穿插着整个正常的FCCα晶体。该阶段称为Delta,可以在具有相当快速的冷却的材料中保存(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)。

δ相(虽然基本上仍然是fcc相)比α相中含有更多的锡与铜的比例,而且非常坚硬,但缺乏很大的延展性。爱游戏中心下载安装在最佳条件下,它会出现在材料的微观结构中。这第二阶段对滑移机制的影响是巨大的,在小幅度运动后会对滑移面产生钉住作用。但δ相也大大提高了材料的耐磨性,这从硬度的显著增加可以看出。流行的铝青铜合金(C95400和C95500)和锰青铜(C86300和C86400)以类似的方式获得高强度和硬度,尽管演员不同。尽管如此,这些特性是另一相(或多个相)在基本fcc晶格中分散的结果,在几乎所有情况下,分散相都比周围的基体材料更硬、更强。这些材料中的“工程不连续”锚定了滑移面并限制了它们的运动。

这些材料称为多相合金,其特征在于强度,硬度和耐磨性比α合金;但它们表现出的延展性远如下所示。结果,它们最适合控制表面部分,其中尺寸完整性是最重要的,并且在慢速速度下具有重载和冲击载荷,例如飞机着陆齿轮轴承。

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.
8 11. 11.
PB. 1
Zn. 4
艾尔 11.
1
4
T.S.,KSI. 49. 52. 50. 85.
Y.S.,KSI. 23. 29. 25. 35.
Elong, % in 2 in。 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,没有大量铅的多相材料应该只用作对具有通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,通常建议将轴镀铬或由类似于用于钢磨辊的双金属材料制成。爱游戏火箭联盟

案例(3)-复合混合物

爱游戏中心下载安装铜铅平衡/铟相图(参考文献2)。 图6。爱游戏中心下载安装铜铅平衡相图(参考文献2)。
最广泛使用的轴承材料实际上是复合材料。基本上,它们可以有单相或多相结构,作为粒子或自由铅球周围的基质。请看铜铅平衡相图(爱游戏中心下载安装图6.)表示铜格子冻结几乎完全拒绝。爱游戏中心下载安装尽管如此,冶金工程师和铸造厂相似地努力捕获铜基材料晶体之间的铅,因为这些晶体冷冻和生长,因为所得合金使得非常细的轴承。爱游戏中心下载安装示出了显示分散铅的典型微结构图7.

如今,可以生产超过30%的铅含量的铜基材料,其中铅颗粒的尺寸为微爱游戏中心下载安装尺度。另一方面,如果轴承应用表明更较大的铅颗粒更为期望,也可以在该形式中制造合金。

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,所有这些都是为了保护轴和提高机械性能。最重要的是铅粒子降低轴承和轴之间摩擦系数的能力。完成这一过程的机制非常有趣。铅粒子可以自由地被轴表面的微观粗糙边缘从轴承表面剪切下来。钢轴被铅覆盖,铅逐渐被重新分配,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缺乏润滑(计划或意外)或如果机器的操作环境本身受宽温度极端,例如飞机或北极油田设备,是非常宝贵的。

系数
摩擦(滑动)
铜上的钢爱游戏中心下载安装 0.9
C94300上的钢(23%PB) 0.18
延长使用后C94300上的钢 0.30
钢铁对钢铁 1.00

铅的第二个重要功能是吸收发现其进入界面的污垢,尽管可以在尽可能通过适当的密封轴承的设计来避免这种问题。

第三,铅合金具有较低的强度比无铅铜锡合金,并远远低于铜铝或铜锌合金,表现出高度的一致性。爱游戏中心下载安装也就是说,轴承将调整其形状以允许较差的对准或振动。这个特性,加上前面描述的那些,允许人们说,含铅合金将“磨损”非常好,这是一个特别可取的特点,蜗轮齿轮,举个例子。含铅青铜也易于加工。

工程师必须提醒自己,这些合金不像无铅材料那么强,也不表现出抵抗冲击和随后导致失效的疲劳的能力。然而,一个令人欣慰的考虑是,由于这些合金的“柔软”,轴承的完全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
5 7 10. 7 5
PB. 5 7 10. 15. 25.
Zn. 5 3.
T.S.,KSI. 45. 45. 41. 34. 27.
Y.S.,KSI. 21. 24. 24. 23. 13.
Elong, % in 2 in。 28. 16. 10. 12. 15.
硬度,Bhn. 72. 72. 80 62. 48.

铸造龙头的性质

让我们现在通过两张桌子审查轴承青铜合金家庭,这些桌子比较一些更重要的工程性质。表格1概述了其化学成分和应用性能。表2.指示这些材料的更常见用途及其在其使用最多的应用程序环境中的性能质量。

表格1.铸造轴承青铜的成分和性能
作品 %
合金家庭 PB. Zn. m 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.
罐青铜
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
铝青铜
C95400 85. 4 11.
C95400-HT. 85. 4 11.
C95500 81. 4 4 11.
C95500-HT 81. 4 4 11.
锰青铜器
C86300. 63. 25. 3. 3. 6
C86400. 59. 1 40.
* BTU / ft2 /英尺/人力资源/ F
** HT -热处理
表格1.铸造轴承青铜的成分和性能(续)
连续铸造性能(典型)
合金家庭 T.S.,KSI. Y.S.,KSI. 伸长。,
布氏硬度 可加工性
指数
压缩
Y.S.,KSI.
热的
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.
罐青铜
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
铝青铜
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.
锰青铜器
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
** HT - 热处理
表2..各种环境下轴承合金性能比较指南
定性轴承操作环境
合金号 速度 加载 环境 轴硬度 典型的应用爱游戏火箭联盟
C94300 (低的)

(高的)
(低)


(更高)
(更多磨料)

(少磨料)
(低的)


(高的)
飞机燃油泵
C93800. 矿井水泵,戴盘子
C93700. 大量装载的高速轴承
C93200 通用轴承
C83600 深层泵线轴轴承,轻型齿轮
C92700. 活塞环
C90500. 齿轮,阀门导向器,泵叶轮
C92900. 齿轮,阀门导轨,钢材替代品
C90300. 阀门部件,蒸汽配件
C90700. 齿轮
C95400 控制表面
C95500 控制表面
C86300. 轧机螺丝螺母

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 含铅锡青铜 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 Pre-Alloyed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.

沙子和寒冷模具产品

表4..轴承合金家庭的生产方​​法
生产方法
合金家庭 沙子 寒意
模子
离心 连续的
红色黄铜 X X X X N / A.
含铅锡青铜 X X X X X*
高铅锡青铜的S=Pb偏析可能是一个问题 年代 年代 年代 X N / A.
罐青铜 X X X X X * *
铝青铜 X X X X X
锰青铜器 X X X X X
*限制为约4%的Pb
**锻工C51000,C52100,C52400。

砂型或冷铸模是非常小的运行或非常小的零件理想的生产方法,有时是非常大的零件,如船舶螺旋桨。

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,除铅含量接近20%的高铅锡青铜外,所有的合金都可以用离心铸造法生产。铅偏析问题对铸件的尺寸很敏感。用这种方法制造非常大的衬套。很可能大多数轴套超过14英寸。用药过量,持续到100英寸。外径为离心铸件。这种铸件的长度可以超过100英寸。然而,小型离心铸件也是大批量产品。许多较大的法兰轴承或齿轮坯是用这种方法制造的。虽然对生产数量敏感,但小的运行可以非常经济。 Stocking distributors maintain inventories of semi-finished centrifugal castings, primarily in standard sizes and especially in alloys C95400 and C93200.

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。

大量的连续铸造产品具有相当经济的铸造产品,而且再次放养的分销商吸收大量负担,特别是在合金C95400,C93200和C90300所关注的情况下。

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锻造的等同物。锻造的合金具有非常强大的机械性能,通过挤出,拉伸,轧制或锻造而受到严重的工作,并且广泛用于航空航天应用。爱游戏火箭联盟其中一些合金用作焊接材料。这些合金也可以采用不同的挤压形状,尽管可用的各种依赖性相当依赖。铸造合金的热处理产生类似于锻造材料的机械性能,铝青铜的连续铸造也是如此。一般来说,虽然库存经销商对较少数量的最终用户带来这种负担,但虽然储存经销商,所需的生产量需要大量生产量。

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,虽然是一门科学,但也是一门艺术。研究、丰富的经验和对合金元素能赋予铜母材的性能的理解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理解与材料、零件生产和最终用途机械操作相关的经济学。铜、黄铜和青铜的卓越性能通过其可靠的性能、普遍的可用性和经爱游戏中心下载安装济的质量使世界各地的工业受益。

参考

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