Цветные металлы и сплавы: титан, алюминий, магний, медь — свойства, классификация и применение

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется благодаря уникальному комплексу физико-механических и химических свойств. К основным цветным металлам, используемым в промышленности, относятся титан, алюминий, магний и медь, а также многочисленные сплавы на их основе. Переход промышленности на сплавы из легких металлов значительно расширяет сырьевую базу, поскольку титан, алюминий и магний можно получать из бедных и сложных по составу руд, а также из отходов производства.

Титан и его сплавы. Титан — серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³ и температурой плавления 1660–1680°С, зависящей от степени чистоты материала. Чистый иодидный титан, содержащий 0,05–0,1% примесей, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа и относительное удлинение 65%, однако наличие примесей существенно влияет на свойства. Для технического титана марки ВТ1 с суммарным содержанием примесей 0,8% предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение снижается до 20%.

При температуре 882°С титан претерпевает полиморфное превращение: α-титан с гексагональной плотноупакованной решеткой переходит в β-титан с объемно-центрированной кубической решеткой, что создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки. Теплопроводность титана невысока, однако при нормальной температуре он обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, воде, органических и неорганических кислотах (за исключением плавиковой, концентрированных серной и азотной кислот) благодаря быстрому образованию на воздухе защитной пленки плотных оксидов. При нагреве выше 500°С титан становится чрезвычайно активным и либо растворяет большинство контактирующих веществ, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы обладают рядом неоспоримых преимуществ: сочетание высокой прочности (σв = 800–1500 МПа) с хорошей пластичностью (δ = 8–25%), малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность, хорошая жаропрочность до 600–700°С и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах. Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, успешно применяются в криогенных установках вплоть до гелиевых температур. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения.

Рис.21.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана

На диаграмме показано разделение легирующих элементов на α-стабилизаторы (алюминий, кислород, азот, углерод), повышающие температуру превращения и способствующие стабилизации α-твердого раствора, и β-стабилизаторы (молибден, ванадий, хром, железо), понижающие температуру превращения и стабилизирующие β-твердый раствор. Нейтральными упрочнителями являются олово, цирконий и гафний.

В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру α или β. Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Наиболее часто титановые сплавы легируют алюминием, который увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода и повышает термическую стабильность. Для увеличения износостойкости применяют цементацию или азотирование. Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом. По способу производства деталей различают деформируемые (ВТ9, ВТ18) и литейные (ВТ21Л, ВТ31Л) сплавы.

Области применения титановых сплавов охватывают авиацию и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа), химическую промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей), оборудование для обработки ядерного топлива, морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка судов и подводных лодок), а также криогенную технику, где высокая ударная вязкость сохраняется до –253°С.

Алюминий и его сплавы. Алюминий — легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660°С, имеющий гранецентрированную кубическую решетку. Он обладает высокой тепло- и электропроводностью, химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃ надежно предохраняет его от дальнейшей коррозии. Механические свойства алюминия: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50%, модуль упругости 7000 МПа. Алюминий высокой чистоты маркируется от А99 (99,999% Al) до А0 (99% Al). Технический алюминий хорошо сваривается, обладает высокой пластичностью и применяется для строительных конструкций, малонагруженных деталей машин, а также в качестве электротехнического материала для кабелей и проводов.

Алюминиевые сплавы классифицируются по технологическим свойствам на три группы: деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой; литейные сплавы. Методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые сплавы (САС) и спеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, содержат марганец или магний, атомы которых существенно повышают прочность алюминия, снижая пластичность. Сплавы обозначаются: с марганцем — АМц, с магнием — АМг с указанием содержания элемента (например, АМг3). Марганец не только упрочняет, но и повышает коррозионную стойкость. Прочность повышается только в результате холодной деформации, при этом различают нагартованные и полунагартованные состояния (АМг3П). Эти сплавы применяются для изготовления сварных емкостей для горючего, кислот, а также мало- и средненагруженных конструкций.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, включают дюралюмины — сложные сплавы систем Al-Cu-Mg или Al-Cu-Mg-Zn. Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец. Дюралюмины подвергаются закалке с 500°С и естественному старению с инкубационным периодом 2–3 часа, максимальная прочность достигается через 4–5 суток. Высокопрочные стареющие сплавы (В95, В96) содержат цинк и имеют предел прочности около 650 МПа. Ковочные сплавы (АК8) применяются для поковок, изготавливаемых при 380–450°С с последующей закалкой и старением. Введение никеля, железа и титана повышает жаропрочность до 300°С для изготовления поршней, лопаток и дисков компрессоров.

Литейные алюминиевые сплавы представлены силуминами системы Al-Si с 10–13% кремния. Присадка магния и меди усиливает эффект упрочнения при старении, титан и цирконий измельчают зерно, марганец повышает антикоррозионные свойства, а никель и железо увеличивают жаропрочность. Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20 и широко применяются для изготовления литых деталей приборов, средне- и малонагруженных деталей, включая тонкостенные отливки сложной формы.

Магний и его сплавы. Магний — исключительно легкий металл с плотностью всего 1,74 г/см³ и температурой плавления 650°С. Он имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку и чрезвычайно химически активен, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности 190 МПа, относительное удлинение 18%, модуль упругости 4500 МПа. Основными магниевыми сплавами являются композиции с алюминием, цинком, марганцем и цирконием, которые подразделяются на деформируемые и литейные. Упрочнение достигается после закалки от 380–420°С и искусственного старения при 260–300°С в течение 10–24 часов, причем особенностью является длительная выдержка под закалку (4–24 часа).

Деформируемые магниевые сплавы (МА1, МА8, МА9, *ВМ5-1*) плохо деформируются при нормальной температуре, но их пластичность значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360–520°С). Из этих сплавов изготавливают детали автомобилей, самолетов, прядильных и ткацких станков, причем в большинстве случаев они обладают удовлетворительной свариваемостью.

Литейные магниевые сплавы (МЛ3, МЛ5, *ВМЛ-1*, причем последний является жаропрочным до 300°С) используются для изготовления отливок в землю, в кокиль и под давлением. При плавке и литье необходимы специальные меры для предотвращения возгорания сплава. Из литейных сплавов производят детали двигателей, приборов, телевизоров и швейных машин. Благодаря высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяются в самолето- и ракетостроении.

Медь и ее сплавы. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку, плотность 8,94 г/см³ и температуру плавления 1083°С. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, что определяет широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется от М00 (99,99% Cu) до М4 (99% Cu). Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности 150–200 МПа, относительное удлинение 15–25%, поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием сплавов, которые подразделяются на две группы: латуни (сплавы меди с цинком) и бронзы (сплавы меди с другими элементами, кроме цинка).

Латуни. Латуни могут содержать до 45% цинка, причем повышение содержания цинка до 45% увеличивает предел прочности до 450 МПа, а максимальная пластичность наблюдается при содержании цинка около 37%. При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых растворов, и в зависимости от состава формируются однофазные α-латуни (твердый раствор цинка в меди) и двухфазные (α+β)-латуни.

Рис.21.2. Диаграмма состояния медь – цинк

Диаграмма состояния медь-цинк иллюстрирует фазовый состав латуней в зависимости от содержания цинка. Область α-твердого раствора простирается до примерно 39% Zn, при большем содержании появляется β-фаза на основе электронного соединения CuZn, что существенно влияет на технологические и механические свойства сплавов.

По способу изготовления различают деформируемые и литейные латуни. Деформируемые латуни маркируются буквой Л и числом, показывающим содержание меди (например, Л62 содержит 62% Cu и 38% Zn). При наличии дополнительных элементов указываются их буквенные обозначения: О (олово), С (свинец), Ж (железо), Ф (фосфор), Мц (марганец), А (алюминий), например *ЛАЖ60-1-1*. Однофазные α-латуни используются для холодного деформирования при изготовлении лент, гильз, радиаторных трубок и проволоки. Двухфазные (α+β)-латуни деформируются при температурах выше 500°С и идут на производство листов, прутков с последующей механической обработкой, которая улучшается присадкой свинца (автоматная латунь *ЛС59-1*). Латуни обладают хорошей коррозионной стойкостью, которую повышают присадкой олова (морская латунь *ЛО70-1* стойка в морской воде). Добавка никеля и железа повышает прочность до 550 МПа. Литейные латуни маркируются с указанием содержания всех компонентов (например, ЛЦ23А6Ж3Мц2) и характеризуются высокой плотностью отливок, отсутствием ликвации и хорошей жидкотекучестью (особенно ЛЦ16К4).

Бронзы. Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные. При маркировке деформируемых бронз указываются буквы Бр и содержание компонентов (например, *БрОФ10-1* — 10% Sn, 1% P, остальное Cu). Литейные бронзы маркируются с указанием усредненного содержания элементов (например, БрО3Ц12С5 — 3% Sn, 12% Zn, 5% Pb).

Оловянные бронзы при содержании олова выше 5% имеют в структуре эвтектоидную составляющую, состоящую из мягкой и твердой фаз, что делает их отличными антифрикционными материалами для подшипников скольжения. Низкая объемная усадка (около 0,8%) позволяет использовать их в художественном литье. Деформируемые оловянные бронзы (например, *БрОФ6,5-0,15*) содержат не более 6% Sn для обеспечения пластичности и применяются для изготовления прутков, труб, ленты и проволоки. Литейные оловянные бронзы (БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17) используются для пароводяной арматуры и антифрикционных деталей (втулки, венцы червячных колес, вкладыши подшипников).

Алюминиевые бронзы (*БрАЖ9-4*, *БрАЖН10-4-4*) обладают оптимальными свойствами при содержании 5–8% Al. Они имеют меньшую склонность к ликвации, большую плотность отливок, более высокую прочность и жаропрочность по сравнению с оловянными бронзами. Недостатками являются значительная усадка, склонность к росту зерна и газопоглощению. Из алюминиевых бронз изготавливают ответственные детали: шестерни, втулки, фланцы.

Кремнистые бронзы (*БрКМц3-1*, БрК4) служат заменителями оловянных, они немагнитны, морозостойки, превосходят оловянные по коррозионной стойкости и механическим свойствам, хорошо свариваются и используются для сточных труб, газо- и дымопроводов. Свинцовые бронзы (БрС30) применяются как высококачественный антифрикционный материал. Бериллиевые бронзы (БрБ2) являются лучшим пружинным материалом: после закалки от 800°С и искусственного старения при 300–350°С за счет дисперсионного твердения предел прочности достигает 1100–1200 МПа.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.