Лекція №41

Навчальні питання:

1. Мідь і її сплави.

2. Алюміній і його сплави.

3. Магній і його сплави.

4. Титан і його сплави.

5. Сплави на основі олова і свинцю.

Навчальне питання 1. Мідь і її сплави.

Мідь—це метал червоного кольору з густиною 8,9 г/см³ І температурою плавлення 1083° С. У відпаленому стані вона має міцність σ_в=250 Мн/м² (25 кГ/мм²), твердість НВ 45, велику пластичність (δ=45%), високу електро- і теплопровідність, задо­вільну корозійну стійкість.

Сплави на мідній основі поділяють на латуні і бронзи.

Латунями називають сплави міді з цинком. Цинк у кіль­кості до 39% утворює з міддю твердий розчин (рис. 29), тобто так звану а-латунь. При більшому вмісті цинку в сплавах утво­рюється друга фаза — β-твердий розчин. Двофазні латуні нази­вають α + β-латунями. Наявність у структурі міцнішої і тверді­шої β-фази сприяє підвищенню міцності латуні, проте різко зни­жує її пластичність (рис. 30). Тому однофазні латуні використо­вують для обробки тиском, а двофазні — для обробки різанням. Сплави з вмістом цинку понад 45% дуже крихкі і в практиці не застосовуються.

Для підвищення міцності і корозійної стійкості, поліпшення деяких технічних властивостей до складу латуней вводять Ni, Рb, Sn, Sі та інші елементи. Такі латуні називають складними.

Латуні маркують буквою Л і цифрами, які показують вміст міді в сплаві. Наприклад, марка Л80 означає латунь з 80% Сu; решта — Zn. У марках складних латуней елементи позначають початковими буквами їх назв (А — алюміній, К — кремній, Мn — марганець, О — олово тощо). Перші дві цифри за буквеними по­значеннями показують середній вміст міді, а наступні — вміст інших елементів (решта — їп), наприклад: марка ЛКС 80-3-3 означає латунь із вмістом 80% Сu, 3% Sі і 3% Рb.

Для виготовлення виробів обробкою тиском застосовують, наприклад, латуні Л96, Л80, ЛО 70-1 та ін. Латуні ЛА 67-2,5; ЛКС 80-3-3 тощо використовують як ливарні матеріали. З латуні ЛС 59-1 виготовляють вироби різанням.

Зміцнювальній термічній обробці латуні не піддають.

Бронзами називають сплави,міді з оловом, алюмінієм, берилієм і деякими іншими елементами. На відміну від цинку, ці елементи або мають змінну розчинність у міді залежно від темпе­ратури, або утворюють тверді розчини, які зазнають у процесі охолодження евтектоїдного перетворення, подібного до перетво­рення аустеніту на перліт у сталях. Наприклад, у сплавах Сu —

Аl (рис. 31) із вмістом алюмінію понад 9,8% таке перетворення відбувається при температурі 565° С, коли твердий розчин β розпадається з утворенням евтектоїду α + γ. Наявність евтектоїдного перетво­рення або змінної розчинності дає змогу піддавати двофазні бронзи зміцнюваль­ній термообробці.

Бронзи, як і латуні, бувають простими і складними. У складних бронзах, крім основних, є легуючі елементи (Ni, Fе, Мn та ін.).

Марка бронзи починається буквами Бр.; за ними йдуть букви, що позначають легуючі елементи, і цифри, які показують

їх вміст; решта — мідь. Наприклад, у бронзу марки Бр. ОЦС 6-6-3 входять 6% Sn і 3% Рb, решта — Сu.

В олов’яних бронзах, які містять до 5—7% Sn, утворюється твердий розчин, а при більшому вмісті Sn поряд з твердим розчи­ном —евтектоїд з крихкою хімічною сполукою Сu₃₁Sn₈. Однофаз­ні олов’яні бронзи, як і латунні, використовують для виготовлення виробів обробкою тиском, двофазні—литтям. Складні олов’яні бронзи, які можна деформувати {Бр. ОФ 6,5-1,5; Бр. ОЦ 4-3 та ін.), постачають у вигляді стрічок^ прутків, дроту, труб; ливарні (Бр. ОФ 10-1; Бр ОЦС 6-6-3 та ін.) застосовують для виготов­лення підшипників ковзання, армфгури і т. п.

З безолов’яних широко використовують прості і складні алю­мінієві бронзи. їх також поділяють на такі, що деформуються (Бр. А5; Бр. АМц 9-2), І ливарні (Бр. АЖН 10-4-4; Бр. АЖМц 10-3-1,5; Бр. АЖ 9-4 та Ін.).

З інших бронз найбільше значення мають берилієві, які міс­тять близько 2% Ве, до 0,5% Ni 0,25% Тi. Після гартування у воді при температурі 780° С і старіння при 300° С вони мають міцність σ_В=1300 Мн/м² (130 кГ/мм²), твердість НВ 370, високу пружність і добру корозійну стійкість. Це дає змогу застосову­вати їх для виготовлення таких виробів, як пружини, мембрани і т. п.

Сплави з високим електроопором становлять окрему групу сплавів на мідній основі. Це манганін, константан, нікелін та ін.

Ці сплави, крім міді, містять такі елементи (в середньому): манганін— 12% Mn і 3% Ni; константан — 1,5% Мn і 40% Ni; нікелін — 2,5% Мn і 33% Ni. Основне їх призначення — виготов­лення дроту і стрічок для резисторів і реостатів з робочою тем­пературою 300—500° С. Константан, крім того, у парі з міддю і залізом утворює велику терморушійну силу, а це дає змогу використовувати його як один з термоелектродів для виготов­лення термопар.

Навчальне питання 2. Алюміній і його сплави.

Алюміній — це сріблясто-білий метал з густиною 2,7 г/см² і температурою плавлення 660° С. У відпаленому стані він має σ_в=80 ÷100 Мн/м² {8—10 кГ/мм²), велику пластичність (δ= 35÷40%), високу корозійну стійкість, електро- і теплопро­відність, НВ 25—30.

Для легування алюмінію застосовують Сu, Sі, Мg, Мn, Zn, рідше—Ni, Ті, Сr ідеякі інші елементи. Залізо в більшості алюмінієвих сплавів є шкідливою домішкою.

Сплави алюмінію затвердівають відповідно до розглянутої раніше діаграми стану для випадку обмеженої розчинності ком­понентів (див. рис. 9). Розчинність легуючих елементів в алю­мінію з підвищенням температури збільшується від часток про­цента до 5,65% Сu (548ºС); 1.65% Sі (574°С); 17,4% Мg (449° С) і т. д. При вмісті 33,8% Сu у сцлаві утворюється крих­ка евтектика а + СuА1₂, при 11,6% Sі — евтектика α+Sі, яка має добрі ливарні властивості.

За технологічними властивостями алюмінієві сплави поді­ляють на такі, що деформуються, і ливарні. До перших нале­жать сплави, які після затвердівання мають структуру твердого розчину, до других — які мають евтектику. На рис. 9 перші міс­тяться ліворуч, а другі — праворуч від точки D.

Алюмінієві сплави, що деформуються, поділяють на зміц­нювані і незміцнювані термічною обробкою. В основу цього розподілу покладено границю: розчинності при кімнатній тем­пературі (рис. 9, точка 0). Практично сплави з вмістом легую­чих елементів, дещо більшим за цю границю, термічній обробці не піддають.

До незміцнюваних термообробкою належать сплави типу АМг і .АМц. У сплавах АМц міститься до 1,5% Мn, а в сплавах АМг—7% Mg і 0,8% Мn. Для підвищення міцності в них додатково вводять до 2% V (АМг 5В) або. до 0,1% Ті і 0,05% Ве (АМг 6). Ці сплави характеризуються високою плас­тичністю, добре зварюються, корозійно стійкі, мають міцність о_в =200-5-300 Мн/м² (20—30 кГ/мм^г. З них виготовляють штам­повані і зварні вироби (труби, банки і т. п.).

До сплавів, які зміцнюються термообробкою, належать дуралюміни. Звичайно вони містять 2—5% Сu і до 1,8% Мg; 1% Мn; 0,7% Sі; 1% Fe. Позначають дуралюміни буквою Д і умовним номером сплаву, наприклад: Д1, Діб і т. д.

Термічна обробка дуралюміну полягає в гартуванні його від температури, близької до 500° С (виїйої за лінію граничної роз­чинності міді), і наступному природному старінні при кімнатній температурі протягом 5—7 діб або штучному при температурі 100—150^º С.

При гартуванні в дуралющні фіксується структура пересиче­ного твердого розчину. Тому безпосередньо після гартування дуралюмін має малу міцність і невелику твердість (σ_в=240 ÷260 Мн/м², або 24—26 кГ/мм², НВ 60—80), але високу плас­тичність (δ=20÷22%), яка допускає значне деформування при обробці тиском. У процесі старіння'дуралюмін зміцнюється і на­буває таких властивостей σ_в=420-5-470 Мн/м² (42—47 кГ/мм²), НВ 90—100, δ = 18%.

Останнім часом розроблено дуралюміни, які мають границю міцності до 580—680 Мн/м² (58—68 кГ/мм²).

До сплавів типу дуралюмінів належать також сплави, при­значені для обробки їх куванням і штампуванням: АК2, АК4, АК6 та ін., додатково леговані нікелем або титаном.

Ливарні алюмінієві сплавимістять підвищену кількість кремнію, міді, магнію або цинку. Найширше з цих сплавів за­стосовують силуміни — сплави алюмінію з 8—14% Sі і невели­кою кількістю (менше 1%) інших елементів. При вмісті 11,6% Sі у силуміні утворюється грубодисперсна евтектика α + Sі з вели­кими включеннями кремнію (рис. 32, а). Сплав з такою евтекти­кою має низькі механічні властивості (σ_в= 120÷160 Мн/м², або 12—16 кГ/мм²; δ = 1%).

Щоб дістати дисперснішу евтектику і підвищені меха­нічні властивості силумін модифікують — вводять у нього перед розливанням до 2% солей натрію. Після модифікування структура силуміну складається з твер- о ^

дога розчину і евтектики α + Si тонкої будови (рис. Рис. 32. Схеми мікроструктур немоди- 32,6), внаслідок чого міцність сплаву підвищується

до 180—220 Мн/м² (18—22 кГ/мм²), а відносне здовження — до 3—5%.

Як ливарні використовують також алюмінієвомідні сплави з .4—11% Сu, алюмінієвомагніеві з 8—11% Mg, алюмінієвоцинкові з 10—14% Zn і 6—8% Sі.

Алюмінієві ливарні сплави позначають буквами АЛ і умов­ним номером, наприклад: АЛ4, АЛ9 і т. д.

Навчальне питання 3. Магній та його сплави.

Магній — це світло-сірий метал з температурою плавлення 651° С і мінімальною серед конструкційних металів густиною — 1,74 гісм³. У зв’язку з малою міцністю (в литому стані σ_в= =30 Мн/м², або 3 кГ/мм²) і малою корозійною стійкістю тех­нічно чистий магній як конструкційний матеріал не використо­вують.

Магнієві сплави містять до 10% А1; 2,5% Мn і 3% Zn. Іноді в сплави вводять добавки Се, Сd, Ве, а останнім часом — Zr, Nd, Тh. Алюміній і цинк поліпшують механічні властивості, мар­ганець підвищує корозійну стійкість, інші добавки подрібнюють зерно, підвищують пластичність і теплостійкість сплаву.

Магнієві сплави, що деформуються, застосовують для виго­товлення поковок і штамповок. До цієї групи сплавів (їх позна­чають буквами МА і умовним номером, наприклад МА1, МА8) належать сплави магнію з вмістом до 9% А1; 1,5% Zn і 2,5% Мn. Після гартування і штучного старіння вони мають границю міц­ності σ_в=250 ÷350 Мн/м² (25—35 кГ/мм²) і δ=9÷18%. Добавка в ці сплави до 2% Тh і 3% Nd дає змогу підвищити їх теплостійкість протягом тривалої експлуатації до 350° С.

Ливарні магнієві сплави (їх позначають буквами МЛ і умовним номером, наприклад МЛ4, МЛ15) звичайно містять до 10% А1, 5% Zn, 2% Мn, а деякі додатково —до 1% Zr, 3% Nd, 4% Тh, 1% La. Вони мають міцність σ_в= 150÷250 Мн/м² (15— 25 кГ/мм²), δ = 1÷8%, добру рідкотекучість і широко засто­совуються для виготовлення виливків, які працюють при невеликих навантаженнях (кронштейни, корпусі приладів і т. п.). Сплави, додатково леговані цирконієм і твріек, можна тривалий час експлуатувати при температурі до 350ºC і короткрчасно — до 450° С.

Навчальне питання 4. Титан і його сплави.

У чистому вигляді титан має міцність σ_в=250÷300 Мн/м² (25—30 кГ/мм²), відносне здовження — до 50%, твердість НВ 80—90 і високу корозійну стійкість; температура його плавлення 1665° С, густина— 4,5 г/см³.

Титан буває двох поліморфних модифікацій: до 882, 5° С — це α-титан з г. щ. у. решіткою, а понад цю температуру — β-титан з о. ц. к. решіткою.

Поліпшення механічних властивостей титану досягають легу­ванням його деякими елементами — А1, Сr, Мо, Nb, V, Zn, Snта ін. Шкідливими домішками в титані і його сплавах є гази (О₂, N₂, Н₂) і вуглець. Легуючі елементи змішують температуру поліморфного перетворення, у зв’язку з чим у титанових сплава* можуть стабілізуватися структури α-, α + β- або β-твердих роз­чинів. Найширше застосовують сплави з α- і α+β-структурою.

Титанові сплави піддають зміцнювальній термічній оброб­ці— гартуванню і старінню. Наприклад, сплав ВТ15 (до 4% А1, 8% Мо, 11,5% Сr, решта — Ті) після гартування від температури 800° С і старіння за режимом 450° С -(25 год) + 560° (15 хе) має границю міцності близько 1500 Мн/м² (150 кГ/мм²) при відносно­му здовженні 6%.

Завдяки малій густині, високій міцності і корозійній стій­кості титан і його сплави широко застосовуються в авіаційній техніці, суднобудуванні, хімічній і харчовій промисловості для виготовлення деталей різанням і обробкою тиском. Титанові сплави зварюють, проте при високих температурах вони актив­но взаємодіють з газами O2, N2, Н₂, тому зварювання виконують в інертному середовищі (звичайно в аргоні). Слід також зазна­чити, що титанові сплави, незважаючи на відносно високу тем­пературу плавлення, тривалий час можуть експлуатуватися при нагріванні лише до 550° С.

Навчальне питання 5. Сплави на основі олова і свинцю.

Олово і свинець мають низькі температури плавлення (232 і 327° С відповідно) і малу міцність (σ_в—20 і 18 Мн/м², або 2 і 1,8 кГ/мм²), але високу пластичність (δ=40 ÷ 59%) І велику густину (7,3 і 11,4г/л³).

Технічне олово застосовують для лудіння металів і виготов­лення фольги, свинець—для футерування електролітних ванн і сірчанокислих камер, виготовлення фольги і кабельних обо­лонок.

Сплави олова і свинцю з іншими елемен­тами використовують як легкоплавкі при­пої і антифрикційні матеріали. Останні за­стосовують для виготовлення вкладишів підшипників ковзання, тому їх ще назива­ють підшипниковими сплавами або бабітами.

У марці бабіту цифри, що йдуть за бук­вою Б, показують середній вміст олова в сплаві в процентах, а букви Н, Т, К, С означають наявність у ньому добавок Ni, Те, Са структури відповідно.

До складу олов’яних бабітів Б89 і Б83 в середньому входить відповідно 89 і 83% Sn, 8 і 11% Sb, 3 і 6% Сu. Структура цих бабітів складається з м’якої і в’язкої основи, що являє собою твердий розчин сурми в олові, і твердих включень SnSb і Сu₆Sn₅. Під час роботи вал спрацьовує м’яку основу і починає спиратися на тверді включення, які виступають, а за­падини, що утворилися між включеннями, утримують мастило. Бабіти Б89 і Б83 застосовують у вузлах тертя двигунів внутріш­нього згоряння, турбокомпресорів і потужних електродвигунів, які працюють при великих швидкостях ковзання деталей і робо­чій температурі до 120° С.

Найбільш доступними підшипниковими матеріалами є мало- олов’яні бабіти на Свинцевій основі — Біб, Б6, БН і БТ. Вони Містять 5—17% Sn , 13—17% Sd і до 3% Сu. У бабіті Б6, крім того, міститься в середньому 2% Сd, в БН—1,5% Сd, 1% Ni до 1% Аб, а БТ — до 0,2% Те. Основою цих бабітів є сви­нець, а твердими включеннями — сполуки БпБЬ, БпАз₂, Сu₆Sn₅.

До свинцевих належать бабіти марок БС і БК. Крім свинцю, бабіт БС містить до 18% Sb і 1,5% Сu, а бабіт БК—до 1,2% Са і 0,9% Na. Твердими включеннями в них є Рb₃Сd, Рb₃Nа і Sb.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.