Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.
Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде сплавов широко используются медь, алюминий, свинец, олово, магний, цинк, титан.
Сплавы на основе меди
Медь – металл красного, в изломе розоватого цвета, характеризуется высокой плотностью 8,94 г/см3, высокой тепло- и электропроводностью, температура плавления 1083°С. Медь имеет высокую коррозионную стойкость и пластичность, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием и имеет невысокие литейные свойства. В зависимости от чистоты медь различают следующих марок: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu) и М4 (99,0% Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.
Медь является основой важнейших промышленных сплавов: латуней, бронз, мельхиора и некоторых других.
Латуни ‑ это сплавы на основе меди, где основным легирующим элементом является цинк. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 42% Zn. Помимо цинка, латуни часто легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Обозначаются латуни буквой Л, после чего следуют первые буквы названий основных легирующих элементов, входящих в сплав. Например, А – алюминий, О ‑ олово, Мц ‑ марганец, Ж ‑ железо, Ф ‑ фосфор, Н – никель, С ‑ свинец и т.д. Далее следуют цифры, показывающие содержание меди и легирующих элементов по порядку, остальное цинк. Например, Л80, ЛС59-1, ЛАЖ60-1-1 т.д.
Состав и свойства деформируемых латуней регламентированы ГОСТ 15527-2004, из них изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку. В этот стандарт входят латуни двойные (Л96, Л90, Л85, Л68 и др.) и латуни многокомпонентные: алюминиевые, кремнистые, оловянные и др.
Чем больше меди в латуни, тем она пластичней, тем выше ее коррозионная стойкость и тепло- и электропроводность. При повышении содержания цинка эти свойства уменьшаются, но повышается прочность, улучшается обрабатываемость резанием и снижается стоимость.
Алюминиевые латуни – ЛА 85-0,6, ЛА 77-2, ЛАМш 77-2-0,05 обладают повышенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью, имеют хорошую жидкотекучесть. Кремнистые латуни – ЛК 80-3, ЛКС 65-1,5-3 и другие отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в морской воде, а также высокими механическими свойствами. Оловянистые латуни – ЛО 90-1, ЛО 70-1, ЛО 62-1 отличаются повышенными антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются. Марганцевые латуни – ЛМц 58-2, ЛМцА 57-3-1, деформируемые в горячем и холодном состоянии, обладают высокими механическими свойствами, стойкие к коррозии в морской воде и перегретом паре. Никелевые латуни – ЛН 65-5 и другие имеют высокие механические свойства, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Свинцовые латуни – ЛС 63-3, ЛС 74-3, ЛС 60-1 характеризуются повышенными антифрикционными свойствами и хорошо обрабатываются резанием.
Кроме деформированных латуней существуют и литейные латуни ГОСТ 17711-93 (ЛЦ40С, ЛЦ40Мц3А и др.), которые применяются для фасонного литья. От них не требуется высокой пластичности, но необходимы хорошие литейные свойства, что достигается введением большого количества специальных присадок. Такие латуни отличаются высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью.
Бронзы ‑ сплавы меди с оловом, алюминием, кремнем и другими элементами. Маркируются бронзы буквами Бр, далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов в процентах, остальное - медь. Так, ГОСТ 5017-2006 и ГОСТ 18175-78 регламентирует бронзы для обработки давлением. Например, БрОФ 6,5-0,4 содержит олова в пределах 6,5%, фосфора - 0,4%, остальное - медь. БрБ2 содержит бериллия 2%, остальное медь.
Оловянные бронзы более тверды и менее пластичны, чем латуни. Обрабатывать давлением можно бронзы, содержащие не более 5-6% олова, остальные могут служить только литейным материалом. Оловянные деформируемые бронзы регламентированы ГОСТ 5017-2006, например, БрОФ 6,5-0,15, БрОЦ 4-3 и др. ГОСТ 613-79 регламентирует оловянные литейные бронзы, например, БрО10С10, БрО8Ц4. Оловянные бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, малую линейную усадку, высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, в пресной и морской воде, высокие антифрикционные свойства и упругость.
Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением, регламентированы ГОСТ 18175-78, например, БрАЖМц 10-3-1,5, БрБ2. ГОСТ 493-79 регламентирует литейные безоловянные бронзы, например, БрА9Ж3Л, БрС30. Алюминиевые бронзы имеют высокие механические и антифрикционные свойства, хорошую обрабатываемость и коррозионную стойкость. Бериллиевые и кремнистые бронзы обладают высокими механическими свойствами, в т.ч. большим пределом упругости, сопротивлением коррозии, хорошо свариваются и обрабатываются давлением. Свинцовистые бронзы имеют невысокие механические свойства, но высокую стойкость против ударных нагрузок, высокую теплопроводность, хорошие антифрикционные свойства.
Мельхиор ‑ сплав меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. Мельхиор отличается высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.
В зависимости от состава, мельхиор может быть электронегативным относительно морской воды, из-за чего применяется в производстве высококачественных деталей морских лодок. Из мельхиора изготовляют также ювелирные изделия, посуду, термогенераторы, точные резисторы и т.д. Большинство современных монет серебристого цвета состоят из мельхиора (обычно 75% Cu и 25% Ni с незначительными добавками марганца).
Обычно в состав мельхиора входит 5-30% Ni, ≤0,8% Fe и ≤1% Mn, хотя в отдельных случаях он отличается от начертанных рамок. Например, при изготовлении резисторов используется сплав, содержащий 55% Cu и 45% Ni.
Помимо мельхиора, существуют и другие сплавы меди с никелем: монель, содержание никеля в котором достигает 67 %, а также нейзильбер, в котором дополнительно присутствует цинк. Сплавы на основе меди с никелем и цинком относятся к реостатным сплавам (т.е. сплавам повышенного электросопротивления): манганин МНМц-3-12, константан МНМц-40-1,5, копель МНМц-43-0,5.