ГЛАВА 5. Сплавы на основе цветных металлов

К цветным металлам относят все металлы, кроме железа, хрома, марганца и сплавов на основе железа. Важнейшие из цветных металлов: медь, алюминий, магний, цинк, никель, свинец, олово и титан. В машиностроении цветные металлы применяются, главным образом, в виде сплавов, т.к. чистые металлы обладают малой прочностью.

Медные сплавы

Для изготовления деталей машин медь как конструкционный материал не используется из-за ее невысокой прочности. Механические свойства меди возрастают при введении в нее цинка, олова, алюминия, кремния, бериллия. Эти сплавы широко применяют в машиностроении, особенно латуни и бронзы.

Все сплавы меди по технологическому назначению разделяют на литейные и деформируемые. При маркировке медных сплавов приняты следующие обозначения: А – алюминий, Б – бериллий, Бр – бронза, Ж – железо, К – кремний, Л – латунь, Мц – марганец, Н – никель, О- олово, С – свинец, Т – титан, Ф – фосфор, Ц – цинк.

Латунь – сплав меди с цинком и неизбежно присутствующими примесями (Pb, Fe, Sb, Bi, P) характеризуется очень высокой пластичностью, хоошей коррозионной стойкостью и достаточной прочностью. Латунь разделяют на простую (двойную) медно-цинковую и специальную, содержащую кроме меди и цинка также алюминий, никель, марганец, свинец, железо и другие элементы.

Простые латуни маркируют буквой Л, а после буквы ставят цифру, указывающую на процентное содержание меди, например Л63 – медно-цинковая латунь содержит 63% меди, остальное цинк (около 37 %) и незначительное количество примесей. Выпускают простые латуни марок Л60 (с минимальным содержанием меди), Л63, Л68, Л96 (с максимальным содержанием меди) и др. Латуни, содержащие 90 % меди и более называют томпаками, от 79 % до 86 % - полутомпаками. Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо обрабатываются резанием и давлением в горячем состоянии, имеют хорошие литейные свойства (большую жидкотекучесть, малую усадку), коррозионно-стойки.

В специальные латуни для придания им тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы: свинец – для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств; марганец и олово – для повышения прочности и коррозионной стойкости, особенно в морской воде; алюминий – для увеличения жидкотекучести, повышения коррозионной стойкости и прочности; никель – для повышения механических свойств и т.д.

В маркировке специальных латуней буквы, следующие за буквой «Л», обозначают дополнительные легирующие элементы, а цифры, поставленные после них, указывают на процентное содержание меди (первые две) и других элементов. Например, ЛАН59-3-2 – латунь алюминиевоникелевая, содержащая 59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni, остальное (36 %) – цинк и примеси.

Бронза – сплав меди с оловом и другими элементами. Для повышения механических свойств бронзы могут быть легированы фосфором, свинцом, никелем, цинком. Эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь, имеют хорошие литейные свойства (усадка у оловянных бронз составляет лишь 0,8 %, тогда как у латуней и чугуна – около 1,5 %, а у сталей - более 2 %). Наиболее сложные по конфигурации отливки, в том числе изготовленные художественным литьем, обычно получают из бронзы. Малый коэффициент и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников скольжения, червяков и червячных колес редукторов, шестерен, деталей точных приборов. Бронзы более тверды и менее пластичны, чем латуни. Бронзы, содержащие не более 5-6 % олова, можно подвергать обработке давлением (прокатке, ковке). При более высоком содержании олова бронзы могут служить только литейным материалом.

В оловянных бронзах основным легирующим элементом является олово, которое существенно влияет на механические свойства бронзы. Так пластичность начинает ухудшаться при 5 % Sn, прочность – при 18-20 % Sn. Особенно ценные свойства оловянных бронз – малая усадка при литье, т.е. отливки можно получать по размерам, близким к заданным. Эти бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в паре, в атмосферных условиях. Кроме того, оловянные бронзы являются одним из лучших антифрикционных материалов, так как имеют достаточно высокие упругие свойства. Из оловянных бронз изготовляют водяную и паровую арматуру (например, вентили, краны, задвижки), пружины и детали, работающие на трение.

Маркируют бронзы буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза: О – олово, Ф – фосфор, Ц – цинк, А – алюминий, Ж – железо и т.д. После букв следуют цифры, показывающие среднее процентное содержание этих элементов. Содержание меди в бронзах можно определить вычитанием из 100 % суммарного количества легирующих элементов (в %). Например, Бр ОЦС 6-6-2 содержит 6 % Sn, 6 % Zn, 2 % Pb, остальное - медь (около 85 %) и незначительное количество примесей (не более 1 %).

Олово дороже и дефицитнее меди, поэтому широко применяют безоловянные бронзы, т.е. сплавы меди с алюминием, бериллием, кремнием, свинцом и другими элементами без содержания в них олова. В отличие от оловянных они называются алюминиевыми, бериллиевыми, кремниевыми, свинцовыми. Эти бронзы превосходят оловянные по химической стойкости (алюминиевая бронза), механическим свойствам (кремниевая и алюминиевая бронзы), по литейным свойствам (кремнецинковая бронза). Бериллиевая бронза отличается от остальных высокой твердостью, упругостью и коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Алюминиевые бронзы – сплавы меди с 5-10 % алюминия, в которые дополнительно вводят железо, никель и марганец. При содержании 10 % алюминия достигает максимума прочность алюминиевой бронзы, а при содержании 5%Al – пластичность. Эти бронзы имеют высокую твердость, коррозионную стойкость и жаропрочность, хорошо деформируются как в горячем, так и в холодном состояниях, так как они образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Используются для изготовления химической аппаратуры, а БрА5 – для изготовления монет.

Кремниевая бронза БрКН1-3 содержит в среднем 1%Si, 3%Ni, остальное – медь и незначительное количество примесей; БрКЦ4-4 - 4%Si, 4%Zn, остальное – медь. Эти бронзы являются заменителями оловянных бронз. Уступая оловянной бронзе по величине усадки, кремниевая бронза превосходит ее по механическим свойствам, коррозионной стойкости и плотности отливки.

Бериллиевая бронза (БрБ2) содержит в среднем 2%Ве, 0,2-0,5%Ni, более 97% меди и незначительное количество примесей. После закалки при 800°С в воде и искусственного старения при 300-350°С имеет очень высокие механические свойства ( =1300 МН/м², =350 МН/м², НВ350-400), а также большой предел упругости, величина которого практически не меняется до 350-400°С. Кроме того, бериллиевая бронза медленно окисляется на воздухе. Эти свойства делают ее незаменимым материалом при изготовлении деталей для точного приборостроения, пружинящих элементов (контактов) электронных приборов и устройств, мембран, пружин.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы – сплавы на основе алюминия с добавками меди, магния, цинка, кремния и других элементов. В зависимости от технологических методов обработки и условий применения сплавы алюминия делят на следующие группы.

Деформируемые сплавы для глубокой штамповки в холодном состоянии характеризуются невысокой прочностью, но хорошей пластичностью (d до 40 %). К ним относят сплавы алюминия с марганцем и магнием, содержащие до 6 % Mg. Из этих сплавов широко применяют сплавы АМц, содержащие 1,0-1,6 % Mn, и сплавы АМг2, АМг5, содержащие соответственно 1,8-2,8 % Mg, 0,2-0,6 % Mn и 4,8-5,8 % Mg, 0,3-0,8 % Mn, а также сплав “авиаль”. Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и используются для изготовляемых холодной штамповкой малонагруженных деталей и для сварных конструкций. Упрочнение этих сплавов, кроме “авиаля”, возможно только холодной деформацией (нагартовкой).

Из деформируемых алюминиевых сплавов наиболее широко распространены сплавы на основе системы Аl-Cu-Mg, упрочняемые термической обработкой (дюралюминий). В них дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости. Основным элементом, повышающим прочность сплава, является медь, содержание которой не должно превышать 5,0 %, так как при больших количествах растет хрупкость дюралюминия. Неизбежной примесью является кремний. Дюралюмин – сплав серебристо-белого цвета, плотностью 2,8 г/см³. Температура плавления 650°С. Наиболее известны Д16, содержащий 3,8-4,6 % Сu, 1,2-1,8 % Mg, 0,3-0,9 % Mn, основа алюминий, и Д18, содержащий 2,2-3 % Cu, 0,2-0,5 % Mg, основа алюминий. Цифры в марках означают номер сплава. Дюралюмины хорошо деформируются в холодном и горячем состояниях. Для их упрочнения применяют закалку и старение. С помощью закалки получают однородный твердый раствор алюминия, пересыщенный медью, который способен упрочняться в процессе старения. Закалка состоит из нагрева до 500-510 °С, выдержки и последующего быстрого охлаждения, преимущественно в холодной воде. Свежезакаленный дюралюмин, в отличие от стали, после закалки имеет высокую пластичность (d=20 %) среднюю прочность (( =300 МН/м²⁾ и твердость НВ85. Пластичность при 20°С сохраняется в течение некоторого времени (например, 1час 30 мин для сплава Д16) с момента закалки, что позволяет производить холодную обработку давлением.

Прочность и твердость дюралюмина повышаются в результате проведения последующего старения при обычных (комнатных) температурах и выдержке 5-7 суток (естественное старение) либо при нагреве дюралюмина до 100-200°С и последующей выдержке при этих температурах в течение 15-24 часов (искусственное старение). При температуре ниже 20°С старение замедляется, а при - 50°С вообще прекращается.

Отжиг дюралюмина производят для снятия напряжений, полученных в результате наклепа, а также для разупрочнения дюралюмина после закалки и старения. Отжиг состоит из нагрева до 350-370°С, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения в воде или на воздухе. Нагрев при отжиге ведут в электропечах. После отжига дюралюмин имеет максимальную пластичность и хорошо поддается холодной обработке давлением, так как старение сплава не происходит.

Дюралюмин в виде листов, труб, профилей, заклепок широко применяют в самолето- и вертолетостроении, бытовых приборах и др. Промышленность выпускает дюралюмин в виде прутков, проволоки. Сплавы для ковки и штамповки в горячем состоянии АК4, АК6, АК8, АК4-1 используют для изготовления деталей, работающих при обычных температурах, а также при температурах от 100 до 450°С. В маркировке буквы АК означают алюминий ковочный, а цифры – условный номер сплава. В состав сплавов входят, кроме алюминия, Cu, Mg, Mn, Si и Fe. Термическая обработка сплавов АК включает закалку при 500-525°С и искусственное старение при 150-160°С в течение 12-15 часов.

Литейные алюминиевые сплавы – сплавы алюминия с кремнием (4-13% Si) и небольшими количествами других элементов: Mg, Mn, Cu, Тi. У них достаточно высокие механические свойства, повышенная коррозионная стойкость и малая плотность. Чтобы повысить механические свойства, некоторые марки сплавов подвергают модифицированию, для чего перед разливкой сплавов в литейные формы вводят небольшие количества фтористых и хлористых солей натрия. Модифицирование приводит к образованию мелкозернистой структуры и повышению механических свойств. Предел прочности увеличивается на 30-40%, а относительное удлинение возрастает в 2-3 раза.

Алюминиевые сплавы для литья (АЛ2, АЛ4, АЛ6, АЛ9, АЛ11, АЛ19, АЛ22, АЛ32 и др.) маркируют буквами и цифрами, где А – означает алюминий, Л – литейный сплав, цифры – номер сплава. Силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9) подвергают термической обработке, которая включает закалку при 535°С с охлаждением в воде и старение при 175°С в течение 15 часов.

Литейные алюминиевые сплавы, применяемые для фасонного литья, обладают малой усадкой и хорошей жидкотекучестью. Высокие литейные свойства обеспечивает кремний. Из сплавов отливают картеры редукторов и компрессоров, корпуса бензонасосов и карбюраторов, корпуса и крышки масляных насосов, головки цилиндров. Силумин АЛ2 применяют также в качестве припоя для пайки алюминиевых изделий.