Лекція № 30: Сплави кольорових металів

План

1. Мідь та її сплави

2. Тітан та його сплави

3. Алюміній та його сплави

4. Магній та його сплави

5. Антифрикційні сплави

Мідь та її сплави

За обсягами виробництва мідь посідає третє місце після заліза та алюмінію. Мідь має ГЦ К- кристалічну гратку, температура плавлення становить 1038 °С,

Одержують мідь із збагаченого концентрату (11...35 % Си), який спочатку обпалюють при 600...850 °С для часткового зниження вмісту сірки, а потім для відділення від рудних домішок плавлять при 1300... 1500 °С на штейн (сплав сульфідів Cu₂S і Fe). Мідний штейн містить 16...60 % Си, а також Fe і S. Штейн переплавляють у спеціальному конверторі з продувкою розплаву повітрям при 950... 1050 °С і одержують чорнову мідь, що містить до 1...2 % домішок (Fe, Zn, Ni, As та інші). Очищують чорнову мідь шляхом вогневого або електролітичного рафінування. Первинна технічно чиста мідь після рафінування містить 99,5...99,99 % Си. Чиста мідь має 11 марок- М006, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2, МЗ. Сумарна кількість домішок у марці найвищої чистоти М006 — 0,01 %, а в марці МЗ — 0,5 %.

Цінними властивостями міді є її висока електро- та теплопровідність, пластичність, низька окислюваність. Електропровідність міді знижується за наявності домішок. Половина цієї міді використовується в електротехніці. Для електротехнічних потреб чисту мідь постачають у вигляді дроту, прутка, стрічки, листа, смуги і труб. У зв'язку з низькою міцністю як конструкційний матеріал використовують не чисту мідь, а лише сплави міді з оловом, цинком, алюмінієм, кремнієм, марганцем тощо. Легування міді підвищує її механічні, технологічні та експлуатаційні властивості. Залежно від хімічного складу розрізняють три основні групи сплавів міді: бронзи, латуні і сплави міді з нікелем.

Бронзи — це сплави міді з оловом, алюмінієм, марганцем, кремнієм, берилієм, свинцем. Залежно від основного легуючого еле­мента бронзи називають олов'янистими, алюмінієвими, берилієвими та ін. Для підвищення механічних і особливих властивостей бронзи додатково легують Fe, Ni, Ті, Zn, P, для підвищення корозійної стійкості — Мn, пластичності — Ni, міцності — Fe, оброблюваності різанням — Рb.

Однофазні бронзи пластичні і добре піддаються деформуванню, з них виготовляють фольгу, сітки, дріт, прутки, стрічки тощо у нагар­тованому (твердому) і відпаленому (м'якому) станах.

Двофазні олов'янисті бронзи з більшим вмістом олова (до 15...20 %) використовують як ливарні матеріали для виготовлення різних фасонних виливків. їх також додатково легують цинком (4... 10 %), свинцем (3...6 %), фосфором (0,4...1,0 %). Олов’янисті бронзи корозійно стійкі у морській воді, NaOH, Na₂CO₃, не стійкі у розчинах HNO₃ і НСl, мають досить високі механічні властивості: _в= 150...350 МПа, = 3...5 %, твердість 60...90 НВ, добре обробля­ються різанням.

Латуні — це подвійні або багатокомпонентні сплави міді, у яких основним легуючим елементом є цинк (до 45 %). При більшому вмісті цинку в латуні знижується міцність і зростає крихкість. Вміст інших легуючих елементів у спеціальних латунях не перевищує 7...9 %.

Маркують латуні літерою Л, після якої цифрою вказують вміст міді у процентах (наприклад, сплав Л62 містить 62 % Си і 38 % Zn). Якщо у складі латуні окрім міді і цинку є ще інші елементи, то для їхнього позначення після літери Л пишуть початкові літери назв цих елементів (О — олово, С — свинець, Ж — залізо, Ф — фосфор). Процент вмісту кожного з цих елементів показують відповідні цифри, які стоять після кількісного показника міді в латуні. Наприклад, сплав ЛАЖ60-1-1 містить 60 % Си, 1 % АІ, 1 % Fe і 38 % Zn.

Залежно від вмісту Zn і структури при кімнатній температурі латуні поділяють на однофазні -латуні (до 39 % Zn) і двофазні + -латуні (більше 39 % Zn). Якщо цинку в сплаві більше 39 %, утворюється крихка -фаза — твердий розчин на основі елек­тронної сполуки типу CuZn з ОЦК-граткою.

Однофазні латуні (Л62, Л68, Л80) пластичні, легко деформуються. Постачають їх у вигляді напівфабрикатів — прутки, дріт, смуга, стрічки тощо. З латуней типу Л62, Л68 виготовляють стрічки, гільзи патронів, радіаторні трубки, дріт, фольгу. Латунь марки Л80 (томпак) має колір золота. Використовують її при виго­товленні ювелірних і декоративних виробів, а також для відповідальних деталей. Механічні властивості однофазних латуней (Л68, Л80, Л90) такі: _в = 260...320 МПа, = 45...55 %, твердість 53...55 НВ.

Двофазні + -латуні малопластичні, і вироби з них виготовляють в основному методом лиття. З ливарних латуней ви­робляють арматуру, фасонне лиття, втулки (ЛС59-1Л); антифрик­ційні деталі (ЛМц58-2-2); корозійностійкі деталі (ЛА67-2,5); гребні і винти, лопасті, арматуру, що експлуатується до 300 °С (ЛМцЖ55-3-1); черв'ячні гвинти для важких умов праці (ЛАЖМц66-6-3-2).

Механічні властивості таких латуней залежать не лише від їхнього складу, але від умов тверднення у ливарних формах. Так, при литті в кокіль латунь марки ЛС59-1Л має _в = 200 МПа, = 20 %, твердість 80 НВ; латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 — відповідно _в = 650 МПа, = 7 %, 160 НВ.

Додаткове легування латуней різними елементами підвищує їхні експлуатаційні властивості. Так, легування 1...2 % свинцю поліпшує оброблюваність сплаву різанням (ЛС59 — автоматна латунь); олово підвищує корозійну стійкість у морській воді; алюміній і нікель підвищують механічні властивості (ЛАН59-3-2) тощо.

Алюміній та його сплави

Алюміній — легкий метал третьої групи періодичної системи

елементів, сріблясто-білого кольору, з густиною 2,7 г/см , високою електро-, теплопровідністю та корозійною стійкістю (утворює щільну поверхневу плівку оксиду Аl₂О₃). Температура плавлення алюмінію, залежно від чистоти металу, становить 660...667 °С. Прокатний і відпалений алюміній високої чистоти має міцність _в = 60 МПа, модуль пружності Е=7*10³ МПа, пластичність = 50 %, = 85 %, твердість 25 НВ. Алюміній високопластичний, маломіцний матеріал, добре обробляється тиском, зварюється, але погано піддається обробці різанням. Як конструкційний матеріал його не застосовують.

Постійні домішки (Fe, Si, Ті, Mn, Cu, Zn, Cr) знижують фізико-хімічні характеристики і пластичність алюмінію. Залежно від вмісту домішок розрізняють марки алюмінію: А999 (0,001 % домішок), А995 (0,005 % домішок), А99 (0,010 % домішок), а також А97, А95.

Введення легуючих елементів дозволило створити низку алю­мінієвих сплавів з різними фізико-механічними та технологічними властивостями. Сплави алюмінію поєднують у собі кращі властивості чистого алюмінію і підвищені характеристики легуючих елементів. Так, залізо, титан, нікель підвищують жароміцність сплавів: мідь, марганець, магній забезпечують зростання характеристик міцності. Легуванням і відповідною термічною обробкою досягають підви­щення міцності алюмінію ( _в) від 100 до 500 МПа, твердості — від 20 до 150 НВ.

За технологією виготовлення заготовок і виробів усі промислові сплави алюмінію поділяють на три групи:

• деформовані;

• ливарні;

• спечені.

Сплави, що піддають деформуванню, повинні забезпечувати високу технологічну пластичність для здійснення операцій прокатування, кування, пресування тощо. Тому вони повинні мати однорідну структуру твердого розчину на основі алюмінію. Для підвищення міцності допускають у структурі сплаву невелику кількість кристалів евтектики. Деформовані сплави алю­мінію поділяють на такі, що зміцнюють термічною обробкою, і такі, що не зміцнюють.

До термічно незміцнюваних сплавів належать технічний алюміній (АД, АД1, АД0), сплави алюмінію з марганцем (позначають АМц) і сплави з магнієм та марганцем (позначають АМг). Вони володіють помірною міцністю, пластичністю, добре зварюються, корозійно стійкі. Залежно від стану поставки листу (0,5.. 10 мм) у позначенні марки сплаву додають літери. В разі поставки сплаву у відпаленому стані пишуть літеру М — м'які (АМгМ), при незначному наклепу­ванні — літеру П (АМгП), при значному — літеру Н (АМгН). Із зростанням ступеня деформації (наклепування) підвищується міцність сплавів. Так, міцність і пластичність сплаву АМцН складає = 220 МПа, = 5 %, а сплаву АМцМ — _в = 130 МПа, = 20 %.

Малонавантажені деталі зварювальних і клепаних конструкцій, деталі глибокої витяжки виготовляють зі сплавів типу АМцН, а також АМг2М, АМгЗМ ( _в= 170...200 МПа, = 4... 18 %). Деталі конструк­цій середнього навантаження та високої корозійної стійкості виготовляють зі сплавів типу АМг5М, АМгбМ ( _в = 280 МПа, = 15 %). Зі сплавів АМц і АМг виготовляють лист, прутки, дріт.

Термічно зміцнювані сплави алюмінію за хімічним складом і властивостями більш різноманітні. їх поділяють на:

• сплави підвищеної пластичності АВ, АД31, АДЗЗ (на основі
системи Аl — Mg — Si);

• конструкційні сплави (Аl — Си — Mg) — дюралюміни марок
Д1, Д16,Д18, В65;

• ковочні (Аl — Mg — Si — Си) марок АК6, АК8;

• високоміцні (Аl — Zn — Mg — Си) марок В95, В96;

• жароміцні сплави систем (Al — Си — Mg) марок АК4-1 та
(Аl - Си - Мn) Д20.

Сплави підвищеної пластичності — авіалі (АВ, АД31, АДЗЗ) — містять у своєму складі, крім алюмінію, 0,4...1,2 % Mg, 0,3... 1,2 % Si, 0,15...0,35 % Мn, добре зварюються, корозійно стійкі. Термічна обробка їх складається з гартування від 515...525 °С і старіння (природного або штучного). Штучне старіння проходить значно швидше і здійснюється при 160... 170 °С протягом 12... 15 год одразу ж після гартування. При цьому виділяється зміцнююча фаза Mg₂Si. Після гартування і штучного старіння властивості сплаву АВ дорів­нюють: _в = 380 МПа, _т = 250 МПа, =14 %, а після природногостаріння _в = 260 МПа, _т = 200 МПа, = 20 %. Зі сплавів АВ, АДЗ виготовляють листи, труби, пресовані профілі, заготовки, ковані деталі двигунів, лопасті гвинтів вертольотів тощо.

Конструкційні сплави (дюралюміни) широко застосовуються у різних галузях техніки. їх маркують літерою Д, після якої стоїть цифра, що відповідає умовному номеру сплаву. Термічна обробка дюралюмінів складається з гартування від 500...510 °С (охолодженням у киплячій воді) і старіння. Природне старіння здійснюють за кімнатної температури протягом 5...7 діб, штучне — за температур 150... 190 °С протягом 4... 12 год або при 250 °С протягом 2...4 год. Особливістю гартування дюралюмінів є необхідність додержуватися температурного режиму, наприклад, 505 5 °С (для Д1) і 500 5 °С (для Д16, Д18). Структура дюралюмінів складається з -твердого розчину і зміцнюючих фаз. Так, у сплаві Д1 основною зміцнюючою фазою є (СиА1₂), у сплаві Д16 з підвищеною кількістю магнію — (CuAl₂) і S(Al₂CuMg). Дюралюмін Д16 має найбільшу міцність піс­ля гартування та природного старіння: _в = 480 МПа, _т = 320 МПа, =14 % (лонжерони, шпангоути, обшивки літаків). Деталі і конструкції середньої міцності виготовляють зі сплавів Д1, Д1А ( _в =360 МПа, =12 %).

Дюралюміни виробляють у вигляді листа, пресованих і катаних профілів, прутків, труб. Для підвищення корозійної стійкості їх піддають плакуванню. Відповідно при маркуванні таких сплавів до­дають літеру А, наприклад Д16А, Д1А. Сплави Д18 і В65 є основ­ними алюмінієвими заклепочними сплавами. Найбільш широко дюралюміни застосовуються в авіаційній промисловості та бу­дівництві.

Алюмінієві сплави, придатні для кування (ковочні), позначають літерами АК і відносять до системи Аl - Cu — Mg — Si. Вони пластичні, стійкі до утворення тріщин під час гарячої пластичної деформації. Ці сплави (АК6, АК8) за хімічним складом близькі до дюралюмінів і відрізняються високим вмістом кремнію (0,7... 1,2 %). Сплави АК6 і АК8 застосовують після гартування від 520 ± 5 °С (АК6) і 505 ±5 °С (АК8) та штучного старіння при 160... 170 °С протягом 12...15 год. Після термічної обробки механічні властивості цих спла­вів такі: _в = 400 МПа, = 12 % (АК6); _в = 480 МПа, = 9 % (АК8).

Проте обидва сплави мають низьку крозійну стійкість і потребують додаткових заходів щодо захисту від корозії. З них виготовляють штамповані та куті деталі складної форми і середньої міцності (АК6) — підмоторні рами, крепіж, а також такі високонавантажені штамповані деталі (АК8), як пояси лонжеронів, лопасті гвинтів вертольотів, бандажі вагонів.

Високоміцні алюмінієві сплави (В95, В96) окрім міді і магнію містять у своєму складі значну кількість цинку (5...8,6 %). Підвищену міцність цих сплавів зумовлює наявність в їхній структурі після гартування від 460...470 °С у воді і штучного старіння при 120... 140 °С протягом 24... 16 год інтерметалічних зміцнюючих фаз відповідно (MgZn₂), T(Al₂Mg₂Zn₃), S(Fl₂CuMg). Після термічної обробки меха­нічні властивості для сплаву В95 такі: _в = 550...600 МПа, _т = 530...550 МПа, = 8 %; для сплаву В96 _в = 700 МПа, _т = 650 МПа, = 7%. Сплави В95 і В96 застосовують у літакобудуванні для конструкцій високого навантаження і тривалої експлуатації за тем­ператур до 100 °С. До недоліків цих матеріалів відносять невисокі пластичність, в'язкість руйнування і низьку корозійну стійкість під напруженням. Підвищенню цих характеристик сприяє двоступін­часте пом'якшуюче старіння.

Жароміцні сплави використовують для експлуатації при темпера­турах до 300 °С (поршні, головки циліндрів, диски і лопатки компресорів реактивних двигунів, обшивка надзвукових літаків). Найбільш поширені сплави типу АК4-1 системи Аl — Си — Mg — Si з добавками заліза та нікелю; Д20 системи Аl - Си — Мn з добавками титану та цирконію. У сплаві АК4-1 Fe і Ni утворюють нерозчинну фазу Al₉FeNi, яка під час термічної обробки не зміню­ється. Основною ж зміцнюючою фазою у сплаві є S(Al₂CuMg). Після гартування від 530 ±5 °С і штучного старіння сплав АК4-1 має такі механічні характеристики: _в = 300...180 МПа, _т= 190...120 МПа, = 18...12 %.

Сплав Д20 має такі характеристики механічних властивостей: _в = 420 МПа, _т = 330 МПа, = 11 %.

Перспективними жароміцними сплавами алюмінію є сплави системи АІ — Mg -- Li, що поєднують високу міцність, низьку питому вагу і достатню жароміцність.

Ливарні сплави алюмінію використовують для виготовлення фа­сонних виливків різної форми та призначення. До їх складу входять ті самі легуючі компоненти, що й до деформованих сплавів, але у більшій кількості (до 9... 13 % для кожного компонента). Промисло­вість виробляє ливарні алюмінієві сплави (АЛ) марок від АЛ1 до АЛЗЗ. При маркуванні цих сплавів літера А означає, що сплав алюмінієвий, літера Л -що сплав ливарний, а цифра — порядковий номер сплаву.

За хімічним складом ливарні алюмінієві сплави можна поділити на кілька груп. Наприклад, алюміній з кремнієм (АЛ2, АЛ4, АЛ9) або алюміній з магнієм (АЛ8, АЛ13, АЛ22 та інші).

Типовими є сплави системи АІ — Si (10...ІЗ % Si) — силуміни. Розчинність Si в АІ мала (0,8 % при 500 °С; 0,05 % при 20 °С). Тому сплави, які складаються лише з Аl і Si, практично не зміцнюються термічною обробкою і в системі Аl — Si можуть бути сплави, що частково або повністю складаються з евтектики. Введення в силуміни Cu, Mg сприяє зміцненню сплаву при старінні; Ті, Zr подрібнюють зерно; Мn покращує корозійну стійкість; Ni і Fe підвищують жаростійкість.

Для поліпшення механічних властивостей силуміни з вмістом кремнію більше 5 % модифікують натрієм: 1...3 % від маси розплаву додають солі натрію (2/3 NaF + 1/3 NaCl). Структура немодифі-кованих сплавів складається з голчастих кристалів Si і евтектики ( + Si), a після модифікування — з -розчину і евтектики ( + Si) тонкої будови.

Властивості алюмінієвих ливарних сплавів залежать від способу лиття та виду термічної обробки, швидкості охолодження при тверд­ненні виливка і під час гартування. Для ливарних сплавів алюмінію характерна більш груба крупнозерниста структура. Це зумовлює режими їх термічної обробки. Тому для гартування силуміни нагрівають до 520...540 °С і витримують 5...10 год для більш повного розчинення включень. Штучне старіння здійснюють при 150...180 °С протягом 10...20 год. З силумінів виготовляють деталі, які працюють при невеликих (АЛ2), середніх (АЛ4) і вібраційних (АЛ8) наванта­женнях, а також при підвищенні до 150... 170 °С температурах (АЛ1, O В) тощо.

Спечені алюмінієві порошкові (САП) сплави на основі Аl і Аl₂О₃ одержують шляхом брикетування порошку алюмінію, вакуумної де­газації брикетів з подальшим їх спіканням під тиском. Вміст Аl₂О₃ у спечених сплавах алюмінію знаходиться у межах від 6...9 % (САП1) до 18...22 % (САП4). Дрібні частинки Аl₂О₃ гальмують рух дислокацій у сплаві і підвищують його міцність. Жаростійкість САП матеріалів при тривалому нагріванні зберігається до 500 °С, а при короткочас­ному — до 1000 °С.

Антифрикційні чавуни мають перлітну або перлітно-феритну металеву основу, без вільного цементиту, з невеликими включеннями фосфідної евтектики. При підвищених швидкостях ковзання та висо­ких тисках використовують чавуни марок АЧВ-1 та АЧВ-2 з щільною перлітною структурою та незначними виділеннями вільного графіту кулястої форми. В особливо навантажених вузлах тертя у парі з термообробленим сталевим валом застосовують чавун АЧС-5 з пластинчастими включеннями графіту, але аустенітною структурою, стабільною завдяки легуванню цього сплаву марганцем і алюмінієм.

З антифрикційних чавунів виготовляють не лише підшипники ковзання, а й інші деталі машин, які працюють в умовах тертя та зношування: втулки паливних насосів, напрямні клапанів, поршневі кільця. В останньому випадку використовується чавун АЧС-6 з підвищеним вмістом фосфору (0,5... 1 %), чим забезпечується наявність у структурі цього сплаву ділянок фосфідної евтектики -твердих включень, за правилом Шарпі.