Характеристика некоторых сплавов

1. Характеристика некоторых сплавов

Несмотря на дороговизну и дефицитность цветных металлов, последние имеют все большее применение вследствие своих высоких физических, химических и других свойств, каковыми черные металлы не обладают.

К группе широко применяемых цветных металлов относятся алюминий, титан, магний, медь, свинец, олово.

Цветные металлы обладают целым рядом весьма ценных свойств, например, высокой теплопроводностью (алюминий и медь), очень малой плотностью (алюминий и магний) очень низкой температурой плавления (свинец и олово), высокой коррозионной стойкостью (титан и алюминий).

Основные физические свойства некоторых цветных металлов приведены ниже:

Таблица 1

2. Алюминий и его сплавы

Алюминий -- металл серебристо-белого цвета; находится в III группе Периодической системы Д. И. Менделеева.

Алюминий легкий (плотность 2,7 г/см³) и легкоплавкий (температура плавления 660 °С) металл, он не имеет полиморфных превращений, кристаллизуется в гранецентри-рованной кубической решетке с параметром а = 0,404 нм и поэтому обладает высокой пластичностью. Алюминий имеет высокую теплопроводность, а электропроводность его составляет 65 % от электропроводности меди.

Алюминий -- коррозионностойкий металл. Образующаяся на его поверхности плотная пленка оксида А1₂О₃ обладает очень хорошим сцеплением с металлом, малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, уксусной и др.). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.

Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Mn, Cu Zn, Cr) понижают физико-химические характеристики и пластичность алюминия. В зависимости от содержания примесей различают марки первичного алюминия А999, А995, А99, А97, А95 (табл. 36).

Железо и кремний являются основными неизбежными примесями, попадающими в алюминий при его производстве Их присутствие отрицательно сказывается на свойствах алюминия. Железо практически нерастворимо в алюминии, поэтому даже при самом малом его содержании образуется хрупкое химическое соединение FeAl₃. Кристаллизуясь в виде игл (рис. 215, б; альбом, с. 18), служащих надрезами в металле, оно снижает пластические свойства алюминия. Железо уменьшает коррозионную стойкость алюминия вследствие большой разницы электрохимических потенциалов фаз А1 и FeAlg, возникновения микрогальванических пар на границе этих фаз и развития межкристаллит-ной коррозии.

Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Растворимость кремния в алюминии при комнатной температуре не превышает 0,05 %. Уже при незначительных количествах кремния в структуре алюминия образуются включения эвтектики Al -f Si. Кристаллики кремния по свойствам близки к химическим соединениям, обладают высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Основное отрицательное влияние примеси кремния выражается в ухудшении литейных свойств технического алюминия. Кремний резко снижает температуру солидуса, увеличивает интервал кристаллизации (At = t_n -- -- t₀), а значит, уменьшает жидкотекучесть и увеличивает склонность сплава к трещинообразованию.

В промышленном алюминии одновременно присутствуют железо и кремний, поэтому его можно рассматривать как тройной сплав системы Al--Fe--Si. При этом в алюминии могут образовываться два тройных химических соединения: а (А1--Fe--Si) и J (A1--Fe--Si), которые практически нерастворимы в А1. Появление в структуре технического алюминия скелетообразной, крабовидной фазы а (А1--Fe--Si) и грубой пластинчатой фазы (3 (А1-- Fe--Si) резко изменяет его свойства.

Из-за низкой прочности технический алюминий применять как конструкционный материал нецелесообразно. Его широко используют для изготовления ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда основную роль играют его малая плотность, высокая пластичность, коррозионная стойкость, хорошая свариваемость. Высокая электропроводность алюминия, сочетающаяся с малой плотностью, позволили широко использовать его в электротехнике в качестве проводникового материала. Благодаря высокой теплопроводности из технического алюминия изготавливают теплообменники в холодильных установках. Высокая отражательная способность позволяет делать из него рефлекторы, зеркала, экраны телевизоров. Коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий в химическом машиностроении, пищевой промышленности и строительстве.

* Наибольшее количество алюминия расходуется для производства сплавов на алюминиевой основе, которые благодаря их малой плотности позволяют значительно снижать массу конструкций.

3. Свойства алюминия

Алюминий обладает многими полезными свойствами--хорошей электропроводностью, антикоррозионностью (большая склонность к пассивированию), малой плотностью (2,7) пластичностью и широко применяется в электротехнике как токо-проводящий материал.

Классификация алюминиевых сплавов

Введение легирующих элементов позволило создать целую группу алюминиевых сплавов с различными физико-механическими и технологическими свойствами.

По технологии изготовления полуфабрикатов и изделий все применяемые в промышленности алюминиевые сплавы делят на три группы: деформируемые, литейные и спеченные.

Деформируемые сплавы должны иметь высокую технологическую пластичность, так как используются для изготовления деталей различными способами пластической деформации (прокаткой, ковкой, прессованием и т. д.). Поэтому деформируемые сплавы должны иметь однородную структуру твердого раствора на основе алюминия. Для повышения прочности при условии сохранения технологической пластичности в деформируемых сплавах допускается небольшое количество кристаллов эвтектика.

Деформируемые сплавы алюминия (дуралюмииий) применяются в технике не только как легкие (плотность около 3,0), но и как прочные сплавы. Способность их после термической обработки (закалка с температуры 500--600° С с последующим старением) повышать механические свойства весьма значительно расширяет область их применения.

Деформируемые сплавы алюминия выпускаются многих марок по ГОСТ 4784--65 в виде прутков, проволоки, листов, труб, штамповок. Алюминий в этих сплавах легирован медью, марганцем, магнием, кремнием, никелем и др. Так сплав Д1 содержит 3,8--4,8% Си; 0,4--0,8% Мп; 0,4--0,8% Mg; остальное алюминий. После закалки и старения Д1 имеет 0_В^412 Мн/м² (42 кГ/мм²) при 615%

Литейные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами фасонного литья (в земляные или металлические формы, под давлением и пр.) должны иметь хорошие литейные свойства -- высокую жидкотекучесть, малую склонность к образованию горячих трещин, которые зависят от интервала кристаллизации. Чем меньше интервал температур начала и конца затвердевания сплава, тем выше его жидкотекучесть и, следовательно, способность расплава к заполнению литейной формы сложной конфигурации. Поэтому наилучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы, так как они кристаллизуются практически при постоянной температуре. Литые сплавы применяются для изготовления отливок поршней, картеров и др. Изготовляются они по ГОСТ 2685--65 и содержат те же легирующие примеси, что и деформируемые сплавы. Марки этих сплавов обозначаются буквами АЛ. Например, АЛ 12 состоит из 10--13% Си, остальное А1.

Литые сплавы так же, как и деформируемые, подда-. ются термической обработке. Однако их механические свойства ниже, чем у деформируемых. -

Антифрикционные сплавы (подшипниковые). К этим сплавам предъявляются следующие требования: прочность, пластичность, износостойкость, высокая теплопроводность, коррозионностойкость, прочная связь с металлом, на который заливаются. Структура этих сплавов должна обеспечить прирабатываемость и канализацию смазки на поверхность шейки вала. Преимущественное имеют два типа подшипниковых сплавов -- баббиты и бронзы. Бронзы применяются при больших удельных давлениях, а баббиты -- при меньших.

Различаются два вида баббитов: на оловянной основе и их заменители--на свинцовой основе. Из оловянных применяется главным образом баббит марки Б83 (ГОСТ 1320--55), в состав которого входят 10--12% Sb; 5,5 -- 6,5% Си и остальное олово. Температура плавления такого баббита около 370° С. После заливки Б83 имеет в твердом состоянии структуру, состоящую из твердых зерен SnCu₃ и SbSn, залегающих в пластичной эвтектике. В работе эвтектика изнашивается первой, образуя между SnCu₃ и SbSn поры, по которым при вращении вала и засасывается смазка (рис.43).

Вследствие большой дороговизны и дефицитности олова (83% олова) баббиты этого типа заменяют свинцовыми баббитами (ГОСТ 1320--55), такими как БН или БТ. Баббит БН имеет следующий состав: 9--11% Sn-13--15%Sb; 1,5--2% Си; 0,5--0,9% As; 0,75--1,25% Ni; 1,25--1,75% Cd; остальное свинец. В состав баббита БТ входят: 9--11% Sn; 14--16% Sb; 0,7--1,1% Си; 0,05-- 0,2% Те, остальное свинец.

В последнее время широкое распространение получили алюминиевые подшипниковые сплавы, наплавленные на стальную ленту и прокатанные с ней, следующего состава: -6,5% Sn; -1% Си; -0,5% Ni; ~1,5% Si, остальное алюминий. Эти подшипники значительно технологичнее и экономичнее заливаемых на вкладыш.

Принадлежность алюминиевого сплава к той или иной группе определяется характером взаимодействия алюминия с легирующими элементами, т. е. типом диаграммы состояния.

4. Медь и ее сплавы

Главные свойства меди -- это ее электропроводность, теплопроводность, высокое сопротивление коррозии и пластичность. Чем чище медь от примесей, тем выше ее свойства.

Сплавы меди делятся на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Основные сплавы, меди: латунь и бронза. Латуни (ГОСТ 15527--70)--это медно-цинковые сплавы, применяются главным образом для антикоррозионных деталей.

Деформируемые латуни имеют марки от Л96 до Л63, в.которых две цифры обозначают процент меди, остальное-- цинк и незначительное количество примесей. Эти латуни хорошо поддаются деформированию в горячем и холодном состоянии и выпускаются в виде прутков, проволоки, труб, листов, ленты и других профилей. В состав специальных латунсй, кроме цинка, входят и другие элементы (алюминий -- Л, никель - Н, марганец--М, свинец--С, олово--О, железо--Ж). Специальные латуни обладают более высокими антикоррозионными и технологическими свойствами, чем простые, и иног-. да эти свойства даже выше, чем у меди. Литейные специальные латуни применяются и для вкладышей подшипников, например ЛМц58--2 (57--60% Си; 1--2% Мп; остальное -- цинк), заменяя дорогостоящую бронзу.

Бронзы--это медные сплавы, легированные оловом, алюминием, никелем, кремнием, марганцем и др. Они предназначаются преимущественно для подшипников и для антикоррозионных целей и маркируются буквами Бр. Литейные оловянные бронзы изготовляются по ГОСТ 613--65. Бронза Бр.ОЦС5-5-5 имеет состав: 4--6% Sn, 4--6% Zn, 4--6%РЬ остальное Си. Деформируемые бронзы изготовляют по ГОСТ 5017--49. Так, оловянная бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 содержит 6--7% Sn, 0,1--0,25% Р, остальное Си. Из безоловянных большое применение имеют бронзы, изготовляемые по ГОСТ 493--54, например Бр. АЖ9-4 с содержанием 8--10% А1, 2--4% Fe, остальное Си и идет на отливки и поддается обработке давлением.

Безоловянные бронзы являются не только заменителями более дефицитных оловянных бронз, но и превосходят их во многих случаях по своим свойствам. Многие из этих бронз поддаются термической обработке. В специальных латунях и бронзах термической обработкой получают механические свойства сталей.

5. Порошковые сплавы (металлокерамика)

Эти сплавы изготавливают из порошков металлов, получаемых из окислов, прессованием и спеканием. Широкое применение в технике они получили сравнительно недавно, однако область их применения весьма обширна.

Порошковые сплавы получают по следующей схеме. Сначала изготовляют порошки определенной фракции (сечения частиц), затем эти порошки смешивают. Смесь засыпают в форму и прессуют под давлением до 981 Мн/м² (100 кГ/мм²). Полученное таким образом изделие спекают в атмосфере водорода. При спекании в местах соприкосновения частиц (контактные поверхности) происходит диффузия, в результате которой частицы сцепляются друг с другом и изделие получается достаточной прочности. Порошковые сплавы широко применяются в инструментальном деле в виде твердых сплавов, изготовляемых из порошка карбида вольфрама WC, карбида титана TiC и Со (ГОСТ 3882--67).

Твердые сплавы имеют C = 86-92%, выпускаются они в форме пластинок, напаиваемых на державки резцов, фрез и других инструментов. Красностойкость этих сплавов значительно выше быстрорежущей стали, так как нагрев режущей кромки может доходить до 800° С и выше.

Вольфрамовые сплавы изготовляются от марок ВК2 химического состава 98% WC и 2% Со до ВК15, где 85% WC и 15% Со. Эти сплавы применяются преимущественно для обработки чугунов, а вольфрамотитановые-сплавы от Т5КЮ состава 85% WC; 5% TiC и 10% Со до Т60К6 состава 34% WC; 60% TiC и 6% Со -- для обра-ботки сталей."

Антифрикционными материалами для вкладышей, втулок и других деталей служат бронзографитовые сплавы состава: 87--90% Си, 9--10% Sn, 1--3% графита; железографитовые сплавы: 98--99% Fe, 1--2% графита и, наконец, железомедеграфитовые сплавы: 83--97% Fe, 3--15% Си, до 2% графита. Эти сплавы выпускаются с пористостью 20--30%. Подшипники из этих сплавов перед эксплуатацией выдерживаются в масле, при этом их поры пропитываются маслом. Такие подшипники называются самосмазывающимися.

Фрикционные сплавы, состоящие из 60--75% Си, 5--8% РЬ; 5--10% Sn; до 22% Ni, до 22% Fe; 0,52% SiO₂; 4--8% графита, до 0,3% асбеста, имеют широкое применение для изготовления тормозных колодок, дисков и лент в тракторах и автомобилях.

Широко применяется дисперсно-упрочненный композиционный материал на алюминиевой основе - САП (спеченная алюминиевая пудра). Для САП характерны высокая прочность, коррозионная стойкость и термическая стабильность свойств. САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, уменьшается пластичность и повышается прочность сплавов.

Получили распространение САП четырех марок с содержанием от 6 до 22%

Al₂O₃ САП-1 САП-2 САП-3 САП-4

Al₂O_3% 6-9 9-13 13-18 18-22

у_в, Мпа 300 350 400 450

у_0,2МПа 220 280 320 370

д% 7 5 3 1,5

По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при температуре до 500С, когда требуются высокие причность и коррозионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, резанием, удовлетворительно сваривается. Благодаря своим свойствам САП нашел широкое применение в самолето- судостроение, в атомных реакторах, в электротехнической и химической промышленности. Из САП изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки электродвигателей, теплообменники, вентили управляющей системы реактивных двигателей и др.