Литейные сплавы на основе тяжелых цветных металлов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Р. К. Мысик, А. В. Сулицин, С. В. Брусницын

Литейные сплавы 
на основе тяжелых цветных 
металлов

Учебное пособие

Рекомендовано 
методическим советом УрФУ для студентов, 
обучающихся по направлению подготовки — Металлургия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.74: 669.2/.8
ББК 34.61+34.33
          М95
Рецензенты: 
кафедра «Металлургия и литейное производство» Южно-Уральского государственного университета (завкафедрой, д-р техн. наук, проф. Б. А. Кулаков); 
главный технолог ОАО «Центральный научно-исследовательский институт металлургии и материалов», канд. техн. наук Д. А. Котов

 
Мысик, Р. К.
М95    Литейные сплавы на основе тяжелых цветных металлов: учебное пособие / Р. К. Мысик, А. В. Сулицин, С. В. Брусницын. — Екатеринбург : 
Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 140 с.

ISBN 978-5-7996-1819-3

В учебном пособии рассмотрены литейные сплавы на основе меди, никеля, 
кобальта, цинка. Приведен их химический состав, структура, литейные, механические и эксплуатационные свойства, область применения. Рассмотрены особенности плавки и получения фасонных отливок из литейных сплавов на основе тяжелых цветных металлов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки — 
Металлургия. Может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам.
Библиогр.: 12 назв. Табл. 27. Рис. 54.

УДК 621.74: 669.2/.8
ББК 34.61+34.33

Учебное издание

Мысик Раиса Константиновна
Сулицин Андрей Владимирович
Брусницын Сергей Викторович

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Редактор О. С. Смирнова
Верстка О. П. Игнатьевой
Компьютерный набор А. В. Сулицина

Подписано в печать 02.09.2016. Формат 70×100/16. Бумага писчая. Печать цифровая. Гарнитура Newton.
Уч.-изд. л. 6,3. Усл. печ. л. 11,3. Тираж 250 экз. Заказ 303

Издательство Уральского университета 
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: 8(343)375-48-25, 375-46-85, 374-19-41. E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620075, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: 8(343) 350-56-64, 350-90-13. Факс: 8(343) 358-93-06. 
E-mail: press-urfu@mail.ru

ISBN 978-5-7996-1819-3 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Содержание

Введение ............................................................................................................4

1. Литейные бронзы...........................................................................................6
1.1. Оловянные бронзы ................................................................................6
1.2. Алюминиевые бронзы ......................................................................... 20
1.3. Свинцовые и сурьмяные бронзы ........................................................ 26

2. Литейные латуни ......................................................................................... 30

3. Никелевые литейные сплавы ....................................................................... 48
3.1. Конструкционные никелевые сплавы ................................................ 48
3.2. Специальные жаропрочные сплавы на основе никеля ..................... 55
3.3. Влияние легирующих элементов на жаропрочность никелевых 
        сплавов и определение оптимальных диапазонов 
        их концентрации ................................................................................. 65
3.4. Литейные свойства никелевых жаропрочных сплавов ...................... 88
3.5. Кратковременная и длительная прочность никелевых 
        жаропрочных сплавов для изготовления рабочих лопаток ГТД ....... 91
3.6. Макро- и микроструктура никелевых жаропрочных сплавов, 
        предназначенных для монокристального литья лопаток .................. 95

4. Литейные кобальтовые сплавы ................................................................. 103

5. Цинк и его сплавы ..................................................................................... 112
5.1. Общие сведения о цинке ................................................................... 112
5.2. Сплавы на цинковой основе ............................................................. 117
5.3. Плавка и литье цинка и цинковых сплавов ..................................... 129

Библиографический список ........................................................................... 132

Приложения справочные ............................................................................... 133

Введение

Ч

истая медь имеет невысокую прочность и поэтому ограничено применяется как конструкционный материал. Медь — тяжелый цветной металл, имеет плотность — 8,94 г/см 3, температуру плавления — 1083 °С, температуру кипения — 2500 °С, не имеет 
полиморфных превращений. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) с параметром 0,3608 нм. Механические свойства меди в литом состоянии зависят от ее чистоты и способа литья 
и изменяются в пределах σв = 160…260 МПа, δ = 40…45 %, НВ = 42…50. 
В зависимости от чистоты медь маркируется буквой М и порядковыми номерами. Медь марки М00 содержит 0,01 % примесей (в сумме); 
в меди марок М1, М2, М3 содержится 0,1; 0,3 и 0,5 % примесей соответственно. Хорошо растворимые в твердом состоянии примеси (Al, 
Ni, Fe, Zn, Cd, Sb) не ухудшают механические свойства меди. В то время как примеси с малой растворимостью следует отнести к вредным, 
так как они выделяются в виде самостоятельных фаз либо образуют 
хрупкие эвтектические соединения по границам зерен и тем самым 
придают меди хладноломкость или горячеломкость. К таким элементам относятся Bi, S, Se, Te, O, N. Все примеси сильно снижают электро- и теплопроводность меди.
Для повышения прочности и придания специальных свойств (антифрикционных свойств, коррозионной стойкости, жаропрочности 
и др.) медь легируют. Для изготовления фасонных отливок используются три группы сплавов: оловянные бронзы, безоловянные бронзы 
и латуни. Отливки из медных сплавов изготовляют всеми известными в настоящее время способами литья. Маркировка литейных медных сплавов производится с помощью букв, обозначающих элемент, 



и цифр, которые указывают среднее содержание элемента в процентах (мас. %). Цифры ставят сразу после буквы, обозначающей название элемента. Приняты следующие обозначения элементов: О — олово, А — алюминий, Ц — цинк, Ф — фосфор, С — свинец, Ж — железо, 
Н — никель, К — кремний, Мц — марганец, Мш — мышьяк, Кд — кадмий. Маркировка бронз начинается с букв «Бр» — бронза; латуней — 
с буквы «Л». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % цинка, 
3 % алюминия, остальное — медь. Если одна и та же бронза используется в деформируемом и литейном варианте, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л». Например, БрА10Ж4Н4Л.

1. Литейные бронзы

1.1. Оловянные бронзы
Л

егирующий элемент олово — дефицитный и дорогой элемент, поэтому оловянные бронзы применяют для изготовления очень ответственных деталей. В связи с этим целесообразно проводить дополнительное легирование другими элементами, 
например цинком, алюминием, никелем и др. Кроме того, проводят 
модифицирование Ti, Zr, P, чтобы обеспечить достаточно высокие 
свойства при низком содержании олова (до 5 %).
Марки литейных оловянных бронз в России и их зарубежные аналоги приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Марки литейных оловянных бронз по национальным стандартам

Россия
ГОСТ 613–79

США
ASTM
B30; B427; B505; B584

Германия
DIN 17656

Япония
JIS
H5111; H5113; H5115
Двойные бронзы системы Cu–Sn
–
C91000
SnBz14 (2.1057)
–
Оловянно-никелевые бронзы
–
С96000
–
–
–
С91700
–
–
–
С96800
–
–
Оловянно-фосфористые бронзы
БрО10Ф1
–
–
–
–
С90700
–
H5113/class 2
–
C90800
–
H5113/class 2B
–
C91100
–
–
–
C91300
–
–

1.1.Оловянныебронзы

Россия
ГОСТ 613–79

США
ASTM
B30; B427; B505; B584

Германия
DIN 17656

Япония
JIS
H5111; H5113; H5115
Оловянно-цинковые бронзы
БрО8Ц4
С90300
–
–
БрО10Ц2
С90500
–
–
–
–
Rg10 (2.1087)
–
Оловянно-цинк-никелевые бронзы
–
С94700
–
–
Оловянно-свинцово-никелевые бронзы
–
С92500
–
–
Оловянно-свинцовые бронзы 
–
С92700
–
–
–
С92800
–
–
–
С93400
–
–
–
С93600
–
–
БрО10С10
С93700
–
Н5115/class 3, 3C
–
–
SnPbBz10 (2.1177)
–
–
C93800
SnPbBz (2.1183)
H5115/class 4, 4C
–
C93900
–
–
–
C94000
–
–
–
C94100
SnPbBz (2.1189)
–
БрО5С25
С94300
–
–
–
С94500
–
H5115/class 5
Оловянно-свинцово-цинковые бронзы
БрО6Ц6С3
–
–
–
БрО5Ц5С5
С83800
–
H5111/class 6, 6C
–
–
Rg5 (2.1097)
–
БрО4Ц7С5
С83800
–
–
–
С84200
–
–
БрО3Ц12С5
С84800
–
Н5111/class 1, 1C
БрО4Ц4С17
–
–
–
–
С92200
–
H5111/class 7, 7C
–
C92300
–
H5111/class 2, 2C
–
C92600
–
H5111/class 3, 3C
–
C93200
Rg7 (2.1091)
–
–
C93500
–
–

Продолжение табл. 1.1

1.Литейныебронзы

Россия
ГОСТ 613–79

США
ASTM
B30; B427; B505; B584

Германия
DIN 17656

Япония
JIS
H5111; H5113; H5115
Оловянно-цинково-свинцово-никелевые бронзы
БрО3Ц7С5Н1
–
–
–
–
С83450
–
–
–
С94800
–
–
–
С94900
–
–
–
С97300
–
–
–
С97600
–
–
–
С92900
–
–

Основой для понимания структурообразования литейных оловянных бронз является диаграмма состояния системы медь-олово 
(рис. 1.1).

 
 

Т, ºС

Содержание Sn, мас. %

α+Ж

β+Ж

α+β

α

α+γ

β

γ

ζ
γ+ζ

ζ+ε
δ

δ+ε

ε

α+δ

α+ε

Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы медь–олово

Основной структурной составляющей промышленных сплавов является a-твердый раствор олова и других легирующих элементов в меди 
с решеткой ГЦК. При понижении температуры растворимость олова 

Окончание табл. 1.1

1.1.Оловянныебронзы

в меди сначала увеличивается с 13,5 % до 15,5 Sn (мас. %), затем падает 
до 11 % при температуре 350 °C и далее — более резко до 1 % при 200 °C.
В равновесии с a-твердым раствором в зависимости от температуры находятся промежуточные интерметаллидные фазы — b, γ, d и e. 
Фаза b — это твердый раствор на основе химического соединения 
Cu5Sn с объемноцентрированной решеткой (ОЦК). Фаза γ-твердый 
раствор переменного состава (широкая область) на основе соединения 
Cu4Sn. Обе эти фазы являются высокотемпературными и при охлаждении претерпевают эвтектоидный распад. Превращение b ® a + γ осуществляется при температуре 586 °C, а γ-фазы: γ ® a + d — при температуре 520 °C. Поэтому в структуре сплава при температуре 20 °C 
эти фазы отсутствуют. Фаза d имеет почти постоянный состав Cu31Sn8 
(20,5 ат. % Sn). Фаза d при температуре 350 °C (согласно равновесию) 
распадается, выделяя фазу e, основой которой является химическое 
соединение Cu3Sn. Состав e-фазы несколько меняется (ширина области гомогенности e » 1,5 % Sn), решетка e-фазы — ромбическая. Однако эта реакция при реальных скоростях охлаждения (20…500 °C/мин), 
с которыми охлаждаются фасонные отливки в промышленных условиях, подавляется и d-фаза сохраняется до комнатной температуры. 
А сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была 
постоянной (» 8 %) и не изменялась с температурой.
Широкая область твердых растворов a, отмеченная на диаграмме 
состояния (см. рис. 1.1), характерна для равновесных условий. При литье в песчаные и металлические формы равновесие не устанавливается 
и твердая фаза оказывается обогащенной медью (по сравнению с равновесной диаграммой), а жидкость — оловом. В результате при содержании в сплаве около 6…7 % Sn могут происходить процессы, характерные для сплавов с содержанием олова более 10…15 %, т. е. может 
происходить перитектическое превращение — выделение b, а затем d. 
С этой целью проводят пунктирную линию, чтобы показать неравновесный солидус и смещение границы растворимости олова в a-твердом 
растворе к медному углу, тем самым исключив возможность прохождения эвтектоидной реакции при температуре 350 °C. Таким образом, структура бронз, содержащих менее 8 % Sn, представляет собой 
a-твердый раствор с дендритным строением кристаллов и неравномерным распределением компонентов вследствие дендритной ликвации 
(рис. 1.2). При содержании олова более 8 % структура сплава состоит 
из a-твердого раствора и эвтектоида (a+d) (рис. 1.3).

1.Литейныебронзы

Появление эвтектоида (a+d), содержащего твердую интерметаллидную фазу d (Cu31Sn8), вызывает повышение твердости и прочности 
сплавов. Механические свойства этих бронз сильно зависят от содержания олова. С повышением содержания олова резко увеличивается 
предел прочности при растяжении sв. Максимум sв достигается при 
20…25 % Sn, а далее он резко начинает падать из-за значительного содержания эвтектоида (рис. 1.4).

0

70

140

210

280

350

420

0
10
20
30
40

α
α + δ
δ

σв 

δ

Временное сопротивление разрушению 

при растяжении, σв, МПа 

0

10

20

30

40

50

60

Относительное удлинение, δ, %

Содержание олова, мас. %

Рис. 1. 4. Влияние содержания олова на механические свойства оловянных бронз 
в литом состоянии

Рис. 1.2. Микроструктура литой оловянной бронзы с 5 % Sn. Видны темные 
оси дендритных зерен бедного оловом 
твердого раствора. Промежутки между 
осями — твердый раствор, обогащенный оловом

Рис. 1.3. Микроструктура литой оловянной бронзы с 10 % Sn. Структурные составляющие: α-твердый раствор 
(темный) и эвтектоид α + δ (светлый)

1.1.Оловянныебронзы

Пластичность сплавов с увеличением содержания олова сначала 
возрастает до максимальных значений при 5…7 % Sn, а затем быстро 
снижается до минимума при 12…14 % Sn. Это обстоятельство определяет содержание олова в литейных бронзах. В стандартных сплавах 
общего назначения верхний предел равен 8…10 % Sn (ГОСТ 613–79), 
а в высокопрочных бронзах, которые не включены в Государственный 
стандарт, — до 16…19 % Sn (ТУ и ОСТ). Нижний предел легирования 
(2…3 % Sn) определяется необходимостью получения максимального растворного упрочнения. В табл. 1.2 представлен состав литейных 
оловянных бронз.
Кроме химического состава на свойства литейных оловянных 
бронз, существенное значение оказывают размеры и форма зерен 
a-твердого раствора, расположение и дисперсность эвтектоида 
(a+d) в отливке. Размер и количество выделений эвтектоида зависит не только от содержания олова, но и от условий кристаллизации 
расплава. Установлено, что чем быстрее затвердевание, тем больше 
количество эвтектоида (a+d), тем дисперснее частицы этой структурной составляющей. Однако с увеличением количества эвтектоида sв бронзы возрастает до определенного предела, а пластичность 
снижается. Следует отметить, что включения твердого эвтектоида 
обеспечивают высокую стойкость против истирания и высокие антифрикционные свойства.
Оловянные бронзы применяют для изготовления пароводяной арматуры, работающей под давлением, для литья антифрикционных деталей подшипников шестерен и зубчатых колес, работающих в условиях истирания.
Литейные свойства оловянных бронз находятся в полном соответствии с диаграммой состояния. Характерной особенностью оловянных 
бронз является большой интервал кристаллизации (DТкр = 150…200 °C), 
что обуславливает образование в отливках рассеянной усадочной пористости и невысокой жидкотекучести. Минимальную жидкотекучесть 
имеют бронзы, содержащие 10…12 % олова, что соответствует максимальному расстоянию между температурой ликвидуса и солидуса при 
неравновесной кристаллизации этих сплавов. Литейная усадка оловянных бронз равна 1 % при литье в песчаные формы. Это позволяет 
получать сложные по конфигурации фасонные отливки с четким воспроизведением рельефа формы при художественном литье, а также отливки с резкими переходами от толстых сечений к тонким.