Цветные сплавы.

Медь (Cu) используется очень давно.

Свойства: температура плавления 1083°С; температура кипения 2360°С; предел прочности s_вр= 220 МПа (холодным деформированием можно сделать s_вр= 450 МПа, d= 3%); удельный вес g=8,94 г/см³; НВ35; удельное электросопротивление r_э= 0,0175 Ом*мм²/м ; легко пластически деформируется как в холодном, так и в горячем состоянии.

Кристаллической решеткой меди является гранецентрированный куб; а= 0,316нм.

Товарная медь по ГОСТ 854- 66 может иметь 10 марок: М00, М0, М0б; М1; М1р; М2; М2р; М3; М3р; М4. (Буква Р означает переплавку отходов).

Для нужд промышленности часто поставляется после проката. Поэтому при использовании в некоторых конструкциях, например как уплотняющий элемент, требует для повышения пластичности рекристаллизационного отжига.

Свыше 50% чистой меди потребляет в качестве проводников электрического тока электротехническая промышленность и энергетика.

В технической меди могут присутствовать различные примеси.

Висмут (Bi), свинец (Pb) осложняют горячую прокатку меди, т.к. образуют легкоплавкую эвтектику. Содержание этих элементов лимитируется тысячными долями процента.

При содержании кислорода 0,1- 0,2% качество горячей прокатки меди снижается.

Сплавы меди.

Латуни- это группа сплавов меди и цинка (Cu+ Zn). Они имеют разное название: Л96- томпак (Cu> 96%, остальное- Zn); Л80- полутомпак.

Две цифры здесь соответствуют процентному содержанию меди.

Наиболее широко применяются латуни содержащие до 40%Zn.

Рис. 2.31

Диаграмма состояния Cu-Zn и

механические свойства латуни.

На рис. 2.31 приведена диаграмма состояния латуни. Она показывает, что при содержании цинка до 39% в сплаве образуется a- фаза, являющаяся твердым раствором замещения меди цинком. Раствор имеет решетку, аналогичную решетке меди.

Такие латуни пластичны, хорошо обрабатываются в горячем состоянии давлением, коррозионно-стойки. Из-за близкого расположения линий ликвидуса и солидуса латуни имеют хорошие литейные свойства, но при заливке в формы необходима хорошая вентиляция, т.к. пары, выделяющиеся из жидких латуней, вредно влияют на организм.

При высокой пластичности, повышенной теплопроводности, отсутствию склонности к коррозионному растрескиванию применяют a- латуни с высоким содержанием меди (Л96, Л90). a+b¢- латуни (Л62, Л59) с большим содержанием цинка обладают более высокими обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, но хуже сопротивляются коррозии. Наибольшей пластичностью обладает a- латунь Л68, которую чаще всего используют для изготовления деталей штамповкой.

Л062-1, Л070-1 (олова 1%, меди 70%)- это морские латуни, легированные оловом. Они стойки к морской воде.

Бронзы.

Бронзы делятся на деформируемые и литейные. Они не упрочняются термообработкой.

Оловянные бронзы- это сплавы меди(Cu) с оловом (Sn) в качестве легирующего компонента.

Диаграмма состояния приведена на рис. 2.32.

Рис. 2.32.

Диаграмма состояния

оловянных бронз.

Фаза a представляет собою твердый раствор олова в меди с кристаллической решеткой типа ГЦК. Фазы b, d, e- являются электронными соединениями; g- твердый раствор на базе химического соединения. При температуре 588°С кристаллы b- фазы распадаются с образованием эвтектоидного раствора a+b.

На практике применяют только бронзы с содержанием олова 10- 12%.

При температуре ниже 350°С d- фаза распадается на a и e - фазы. Однако эти превращения происходят только при очень медленном охлаждения. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из a и d- фаз.

Оловянные бронзы, например Бр ОЦСР 3-7-5-1, обладают хорошими литейными свойствами и применяются для литья деталей сложной формы. Их недостаток- большая микропористость.

2-х фазные бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Для облегчения обработки давлением бронзы подвергают гомогенизации при Т=700- 750°С с последующим быстрым охлаждением. В таблице 2.7 приведены некоторые свойства бронз.

Таблица 2.7.

Примечание: Цифры в скобках соответствуют холодной прокатке.

Алюминиевые бронзы. (Cu+ Al; Al£ 10%).

Основной легирующий компонент- алюминий.

Эти бронзы добавочно легируют Ni, Mn, Fe и др.

a- фаза пластична, прочность ее невелика. 2-х фазные сплавы более прочные, но у них низка пластичность.

Пример: БрАЖН10-4-4. Имеет s_вр,= 650 МПа; d= 35%; НВ150. Содержит: Al-10%; Fe- 4%; Ni- 4%. Используется для изготовления прутков, труб, листов.

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере.

Кремниевые бронзы (Cu+ Si).

Содержание легирующего компонента кремния не должно превышать 3,5%.

Пример: БрКМц3-1. Имеет s_вр= 380 МПа; d= 35%; НВ80. Содержит: Si- 3%; Mn- 1%. Используется для изготовления прутков, ленты, проволоки для пружин.

Хорошо обрабатывается, сваривается. Применяют в агрессивных средах- морской воде.

БрС30- хороший антифрикционный материал.

Для изготовления судовых теплообменных аппаратов используются сплавы Cu+ Ni (Cu- 80%, Ni- 20%)- мельхиор; сплав МНЖ5-1; МНАЖМц3- 1,5-1-1 (Куниаль БС). Из них изготавливают трубы, доски трубные.

С целью уменьшения твердости перед обработкой давлением (деформация, вальцовка и т.п.) медь, латуни и отмеченные сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу до Т=600- 700°С. Для получения мелкого зерна перед глубокой вытяжкой полосы и ленты отжигают при Т= 450- 550°С.

Алюминий и его сплавы.

Плотность r= 2,7 г/см³; Т_{плавлен}=600°С; Т_кипен=2500°С. Кристаллическая решетка - ГЦК, а= 0,4 нм. Удельное электро-сопротивление r_э=0,028 Ом мм²/м.

Используется алюминий особой чистоты А995 (содержит 99,995%Al), А99 - 99,99%Al и технически чистый А85, А8....А0 (99%Al).

Механические свойства алюминия

- особой чистоты: s_вр= 50МПа, s_0,2= 15МПа; y= 50%;

- технически чистого: s_вр= 80МПа, s_0,2= 30МПа; y= 30%.

Холодная пластическая деформация повышает предел прочности до 150 МПа, но снижает относительное удлинение до 6%.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, может свариваться, но резание затруднено. Технически чистый Al (АД и АД1) не применяют для элементов, несущих нагрузку.

В таблице 2.8 приведены некоторые сплавы алюминия

Табл. 2.8

Все сплавы алюминия от способа получения и технологических свойств делятся на деформируемые и литейные.

Дуралюмины- это сплавы системы Al- Cu- Mg с добавкой Mn. Они являются деформируемыми, упрчняемыми термообработкой. Превосходят чистый алюминий по прочности.

Некоторые деформируемые сплавы (дюраль, авиаль, АК4-1, Д16…) упрочняются термообработкой, другие (АМг2, АМц)- не упрочняются. Из таких сплавов изготавливают полуфабрикаты: листы, трубы, плиты….

Термообработка алюминиевых сплавов включает: закалку 475- 525°С и быстрое охлаждение (обычно в воде); старение в течение 10-24 час. при Т=150- 200 °С.

Литейные сплавы (силумин – сплав Аl и Si) используют для изготовления фасонных деталей, например корпусов насосов.

Существуют жаропрочные сплавы, АК4-1 (Al-Cu-Mg-Fe-Ni), способные работать при достаточно высокой температуре.

Сплавы магния.

Плотность - r= 1,74 г/см³, Т_плавл= 650°С.

Сплавы имеют малую плотность, сравнительно высокую удельную прочность s_вр/g, хорошо поглощают вибрацию. Поэтому широко применяются в авиации, ракетостроении.

Сплавы магния плохо сопротивляются коррозии. Магний не взаимодействует с ураном и обладает низкой способностью поглощать тепловые нейтроны. Из-за этого его используют для изготовления трубчатых тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах.

Магниевые сплавы плохо отливаются и обрабатываются давлением. Однако удовлетворительно свариваются дуговой сваркой и хорошо обрабатываются резанием.

Чаще применяют Mg + Al (до 10%); Mg+ Zn (до 5-6%); Mg+ Mn (до 2,5%).

Титан и его сплавы.

Титан может быть в виде a и b модификаций.

Ti_a имеет плотность r= 4,505 г/см³; гексагональную кристаллическую решетку при Т£882°С, у которой а= 0,295 нм, с= 0,4684 нм.

Ti_b имеет при Т> 900°С плотность 4,32 г/см³; объемно- центрированную кубическую кристаллическую решетку, у которой а=0,328нм.

Технический титан изготавливают в виде марок ВТ1-00 (99,53%Ti), ВТ1-0 (99,46% Ti). Он имеет следующие механические характеристики:

предел прочности- 300- 550 МПа; относительное удлинение 20- 25%; относительное сужение 60- 80%; предел усталости 160- 225 МПа; модуль продольной упругости 14*10⁴МПа; ударная вязкость не более 1- 1,2 МДж/мг.

Технический титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в атмосфере защитных газов, но плохо обрабатывается резанием.

Сплавы на основе титана используются гораздо шире. Его легирование Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость (KCU). Al, Zr, Mo повышают жаропрочность; Mo, Zr, Nb повышают коррозионную стойкость.

Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность s_вр/g.

В соответствии со структурой различают:

a- сплавы (твердый раствор легирующих элементов в a- титане). Здесь основной элемент- Al;

a+b- сплавы, имеющие менее крупные зерна по сравнению с a- сплавами.

В таблице 2.9 характеристики некоторых титановых сплавов

Табл. 2.9

Сплавы титана с алюминием в качестве основного легирующего элемента ВТ-5-1, ВТ-6 являются деформируемыми.

Сплав ВТ-5 сваривается; обрабатывается давлением, склонен к водородному охрупчиванию. Сплав ВТ-6 имеет хорошие механические и технологические свойства. Сплав ВТ-8 применяется после изотермического отжига.

Титановые сплавы применяются для обшивки самолетов, атомных подводных лодок и др.

Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на оловяной,

свинцовой, цинковой и алюминиевой основах.

Антифрикционные сплавы применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения. К ним предъявляются следующие требования:

1) малый коэффициент трения; хорошая износостойкость;

2) достаточная твердость, но не очень высокая, чтобы не было износа вала;

3) легкая деформируемость под местными нагрузками;

4) должен удерживать смазочный материал;

5) невысокая температура плавления, хорошая теплопроводность, коррозионная устойчивость.

Оловянные и свинцовые баббиты Б-83, Б-88, Б- 93 - многокомпонентные сплавы, но основой у них является олово (Sn) и сурьма (Sb). Мягкой основой сплава является a- твердый раствор сурьмы в олове, а твердые кристаллы это b¢- фаза, представляющая собой твердый раствор на основе химического соединения SnSb.

Баббиты (НВ20- 30, s_вр= 60- 120 МПа) из-за невысокой прочности могут применяться только в подшипниках с прочным стальным (чугунным) или бронзовым корпусом.

Повышенные антифрикционные свойства и высокое сопротивление усталостным разрушениям имеет место у триметаллических подшипников, включающих: стальную основу; промежуточный пористый медно- никелевый или металлокерамический слой и свинцовый сплав. Они используются в автомашинах ГАЗ-53, ЗИЛ-130.

Цинковые антифрикционные сплавы ЦАМ 10- 5; ЦАМ 9,5- 1,5 содержат Al, Cu и 0,03- 0,06% Mg. При Т£ 120°C они могут заменять бронзы для узлов трения.

Алюминиевые антифрикционные сплавы.

Имеют основные компоненты Sn, Cu, Ni, Si, образующие с алюминием гетерогенные структуры. Чем больше олова, но не свыше 10- 12%, тем выше антифрикционные свойства.