ГЛАВА VI ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Прежде всего, это относится к меди, алюминию и титану.

Медь - пластичный металл, имеющий ГЦК-решетку. Плотность ее γ = 8,9 г/см³, Т_пл=1083° С, σ_в=200-250 Н/м², НВ=850÷1150Н/м², 50%, φ≈75%. Медь обладает очень высокой теплопроводностью (λ=340 ккал/(м×град×ч) и электропроводностью.

По электропроводности медь лишь немногим уступает серебру и является важнейшим из проводниковых материалов. Однако ее электропроводность существенно снижается при наличия даже незначительного количества примесей. Поэтому в качестве проводников используют чистую электролитическую медь марок М1 (чистота 99,9%, МО (99,95%) и особо чистую медь МОО (99,99%).

Вредными для прочностных и технологических свойств меди являются примеси висмута и свинца, а также серы и кислорода, которые снижают пластичность меди. У меди низкая прочность. Поэтому в качестве конструкционного материала используют сплавы меди. Сплавы меди с цинком называют латунями. Сплавы меди с любыми другими компонентами называют бронзами.

Цинк образует с медью твердый раствор а; предельная растворимость цинка при комнатной температуре 39%. До этой концентрации цинка латунь однофазна, от 39 до 46% - двухфазна ( α+β^’ ). Однако из-за хрупкости (β^’ -фазы содержание цинка ограничивается 42-43%.

Для повышения уровня механических свойств и коррозионной стойкости латунйлегируют (вне больших количествах) оловом, марганцем, алюминием (повышается σ_в и коррозионная стойкость) - это так называемые «морские латуни», стойкие в морской воде. Легирование кремнием улучшает литейные свойства.

Легированные таким образом латуни называются многокомпонентными в отличие от простых (двойных) латуней Сu-Zn. В маркировке латуней в соответствии с ГОСТ 15527-70 содержание цинка и его обозначение не указывается. Простые латуни маркируются как Л80, Л70 (Л-латунь, 80 и 70 - содержание меди).

Легированные латуни обозначаются как ЛМС 58-2-2 (58% меди, 2% марганца, 2% свинца), ЛАН 59-3-2 (59% меди, 3% алюминия, 2% никеля).

Бронзы - это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием, свинцом, марганцем.

Как правило, бронзы обладают хорошими литейными свойствами, удовлетворительной пластичностью, хорошо обрабатываются давлением и резанием (латуни плохо поддаются обработке резанием). Бронзы характеризуются высокой коррозионной стойкостью; некоторые виды бронз могут использоваться как антифрикционные материалы.

Оловянные бронзы системы Сu -Sn являются, по-видимому, самым древним металлическим материалом в истории человечества («бронзовый» век связан с использованием в качестве оружия и предметов обихода именно этого материала). При содержании Sn≤5% такие бронзы однофазны (α-фаза обладает высокой пластичностью, однако прочность ее низка). Обычно содержание олова в бронзе составляет 8-10% и тогда она обладает хорошими литейными свойствами.

Такие бронзы устойчивы в атмосфере, в морской воде, в растворах солей и щелочей, в азотной и соляной кислотах. Однако олово дорогой и редкий металл, поэтому применение оловянных бронз строго регламентируется.

Пример маркировки оловянных бронз: Бр.ОЦС8-4-3 (Бр - бронза, 8% олова, 4% цинка, 3% свинца, остальное медь, она в маркировке не указывается).

Алюминиевые бронзы - своего рода заменители бронз оловянных. Они технологичны, прочны, не содержат дефицитных материалов. При содержании алюминия до 9% такие бронзы однофазны, при более высокой концентрации — двухфазны. При Аl>10% алюминиевую бронзу можно закаливать: получаемая в результате структура является аналогом мартенсита в стали. Пример маркировки по ГОСТ 1048-70: Бр.АЖ9-4 (8-10% АI, 2-4% Fе). Следует от метить, что алюминиевые бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами.

Кремнистые бронзы (ГОСТ 1048 - 70) можно отнести к жаропрочным: рабочие температуры их использования достигают 500°С. Кремнистые бронзы, как и алюминиевые, могут подвергаться закалке и отпуску.

Бериллиевые бронзы (ГОСТ 1789 - 70) содержат до 2-2,5% бериллия (Бр.Б2).Это самые высокопрочные бронзы: после закалки от 780°С в воде и старения при 300°С в течение 3ч, необходимого для дисперсионного упрочнения, предел прочности может достигать 1500 Н/м², правда, пластичность составляет всего 2%. Эти бронзы обладают великолепной упругостью (из них делают мембраны, плоские пружины и другие разнообразные упругие элементы). Ударный инструмент из бериллиевой бронзы обладает абсолютной искробезопасностью, что важно во взрывоопасных рабочих средах. Свинцовые бронзы содержат до 25-30% свинца, обладают хорошим сочетанием антифрикционных свойств с высокой теплопроводностью. Эти бронзы применяют в качестве рабочих элементов подшипников скольжения.

Марганцевые бронзы, представляющие твердый γ-раствор, обладают высокой коррозионной стойкостью в сочетании с жаропрочностью до 400°С. Из бронзы Бр.Мц5 делают, например, фасонные отливки для арматуры паровых котлов.

Сплавы меди с никелем (мельхиоры, нейзильберы) нашли широкое применение в криогенной технике, а также для изготовления предметов домашнего обихода.

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий - металл серебристо-светлого цвета, имеет ГЦК-решетку, очень мягкий (плотность γ =2,7 г/см³), температура плавления Т_пл = 660°С, весьма пластичен (δ около 40%), однако малопрочен.

Алюминий коррозионностоек во влаге, в растворах азотной и других кислот. Коррозионная стойкость алюминия тем выше, чем он чище (не содержит примесей); то же самое относится к электропроводимости алюминия. Этот металл все больше вытесняет медь из электротехнической промышленности, хотя его электропроводность составляет не более 60% от электропроводности меди, но провода из алюминия при той же пропускной способности в 2 раза легче.

Электротехнический алюминий имеет маркировку АОО (чистота 99,7%), АО (99,6%), Аl (99,5%). В приборостроении используется высокочистый алюминий А 999 (содержание примесей не превышает 0,001%). Чистый алюминий хорошо деформируется и сваривается.

В качестве конструкционных материалов применяются, как и в случае меди, только сплавы алюминия. Они обладают более высокой прочностью и хорошими технологическими свойствами. Кроме того, легирование алюминиевых сплавов медью и марганцем еще более повышает их коррозионную стойкость.

Алюминиевые сплавы по технологическому признаку подразделяются на три группы:

I - деформируемые сплавы, термически не упрочняемые (они не претерпевают фазовых превращений в твердом состоянии и находятся в состоянии твердого раствора α .),

II - деформируемые сплавы, термически упрочняемые (α -фаза+ выделения вторичных фаз в результате превращения в твердом состоянии);

III - литейные сплавы (α -фаза+выделения вторичных фаз+эвтектика).

К I группе сплавов относятся сплавы систем А1 - Мn и А1 - Мg, причем содержание второго компонента берется таким, чтобы он полностью растворялся в алюминии.

Сплавы алюминия с марганцем являются наиболее коррозионно-устойчивыми; они содержат до 1,8% Мn и их обозначают буквами АМц. Такие сплавы могут быть упрочнены только хоч лодной пластической деформацией (нагартовкой); различают сплавы отожженные АМцМ (σ_в=160 Н/м²); полунагартованные АМцЦ (σ_в =200 Н/м²), нагартованные АМцН (σ_в = 240 Н/м²).

Сплавы системы А1-Мg, содержащие до 6-7% Мg, обозначают АМг2...АМг6 (цифра показывает среднее содержание Мg, %). Магний существенно упрочняет твердый раствор. Так сплав Амг6 в три раза прочнее чистого А1 ((Тв«300 Н/м^). Для повышения коррозионной? стойкости сплавы серии АМг дополнительно легируют марганцем (до 0,8%).

Сплавы I группы применяют для изготовления сварных емкостей для хранения горючего, азотной и других кислот, трубопроводов, а также для различных слабонагруженных деталей в самолетостроении, космической технике.

Во II группе сплавов содержание второго компонента превышает предел его растворимости алюминии при комнатной температуре. Это сила' вы системы. А1-Сu, получившие название дюралюминиевых сплавов (называют их также дюралюминами, дюралями). В системе А1-Сu при высокой концентрации Сu (<5,4%) образуете твердый раствор на базе устойчивого химического соединения СuАl₂. Его называют θ-фазой. Так как растворимость меди в алюминии падает по мере понижения температуры (5,7% при 548°С и всего 0,5% при комнатной), то при охлаждении сплавов, лежащих в пределах указанны» концентраций, твердого α -раствора А1 (Сu) 6удут выделяться при охлаждении вторичные кристаллы θ -фазы (СuА1₂)_II. Эти очень твердые кристаллики используют для упрочнения дюралюминиевых сплавов.

Режим упрочняющей термической обработки заключается в следующем. Сплав вначале нагревают до температуры полного растворения меди в α-фазе. От этой температуры сплав закаливают в воде. Из-за резкого охлаждения кристалл (СuА1₂)_II не успевают выделиться, поскольку хватает времени для диффузии атомов меди, зарождения центров вторичных кристаллов и ихроста. В результате лишние атомы меди остаются в решетке твердого α - раствора и он становится перенасыщенным. Такое состояние твердого раствора является неустойчивым, и он будет стремиться перейти в состояние с меньшей внутренней энергией - более устойчивое.

Даже если сплав выдерживать при комнатной температуре, то через некоторое время (примерно через сутки) прочность его начинает возрастать и через неделю становится порядка 400 Н/м² вместо 250 Н/м².

Такое «самопроизвольное» повышение прочности закаленного сплава в результате его выдержки при комнатной температуре называется естественным старением.

Однако такое старение - длительный процесс. Чтобы сократить его продолжительность, закаленный сплав подвергают нагреву до температур 150-250°С. Процессы диффузии при этом убыстряются. Такое старение называется искусственным. Прочность здесь повышается существенно быстрее (за несколько часов), но ее максимальное значение тем ниже, чем выше температура старения.

Для повышения прочности дюралюминов их дополнительно легируют магнием и цинком; марганец и хром повышают коррозионную стойкость сплава. В некоторых случаях для защиты дюралюминов от коррозии применяют плакирование (нанесение на поверхность слоя другого металла термомеханическим способом) чистым алюминием с целью образования на поверхности плотной пленки А1₂Оз.

Состав некоторых дюралюминиевых сплавов и их прочность приведены в ГОСТ 4784-65. Данные сплавы нашли самое широкое распространение в авиационной технике, химическом и транспортном машиностроении, в строительстве.

К литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы системы А1-S₁. При содержании кремния 11,6% в таких сплавах образуется легкоплавкая эвтектика (Т_пл=564°С). Эти сплавы, получившие название силумины, обладают невысоким уровнем механических свойств, но имеют хорошие литейные свойства.

Чтобы уменьшить хрупкость таких сплавов (крупные пластины кремния в эвтектике снижают пластичность), их подвергают при выплавке модифицированию с помощью NаСI, NаF. По ГОСТ 2685-63 литейные сплавы алюминия маркируют как АЛ2, АЛ3,..., АЛ13. Применяют их для изготовления литейных корпусов насосов, в том числе для перекачки агрессивных жидкостей, в художественном литье, при изготовлении предметов домашнего обихода и т. п.

МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Магний, занимающий среди металлов шестое место по распределению, входит в состав очень многих минералов. Наиболее распространенный способ получения магния - электролитический. Он состоит из двух процессов: получения хлористого магния МgС1₂ из исходного сырья (карналлита, магнезита либо доломита) и получения магния из МgС1₂ путем электролиза.

Магнии применяется в производстве титана и высокопрочного чугуна, входит в состав многих алюминиевых сплавов; сплавы на основе магния используются как конструкционные материалы с высокой удельной прочностью, жесткостью.

Магний является самым легким конструкционным материалом, его плотность составляет всего 1,7 г/см³, температура плавления 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная, плотноупакованная. Предел прочности чистого магния в деформированном состоянии равен 180 Н/м², а относительное удлинение составляет лишь 5%. Ввиду низких механических характеристик чистого магния для изготовления деталей применяют сплавы магния. Они хорошо обрабатываются резанием; детали из этих сплавов можно получать обработкой давлением либо литьем. В соответствии с этим магниевые сплавы подразделяют на деформируемые (марки обозначаются буквами МА) и литейные (МЛ).

Обработку давлением деформируемых сплавов обычно проводят при нагреве до 300-400°С, когда они имеют наиболее высокую пластичность.

Существенным недостатком Мg-сплавов является их малая коррозионная стойкость.

Из деформируемых сплавов изготовляют сварные бензо- и маслопроводы, различные штампованные и кованые детали для работы при температурах до 200-250°С. Из литых сплавов магния делают арматуру и детали корпусов насосов повышенной герметичности. Наиболее широко применяют магниевые сплавы в тех отраслях техники, где большое значение имеет масса изделий. Благодаря своей высокой прочности магниевые сплавы применяются, прежде всего в самолетостроении и космической технике.

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

По распространению в природе титан занимает четвертое место среди металлов и входит в состав более чем 70 минералов (рутил, ильменит и многие другие). Производство титана - сложный процесс, осуществляемый по следующей схеме: титановая руда - обогащение - плавка на титановый шлак - получение четыреххлористого титана ТiCl₄ - восстановление титана магнием Плотность технически чистого титана составляет 4,5 г/см³, а прочность достигает 600 Н/м², поэтому он по удельной прочности является рекордсменом среди металлов. Температура плавления зависит от степени чистоты титана и колеблется в пределах 1660-1680°С. Титан является полиморфным металлом: при нагреве до 882°С α-Тi, имеющий ГПУ кристаллическую решетку, переходит в β-Тi с ОЦК-решеткой. Наличие полиморфизма создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки. Даже изменение скорости охлаждения при кристаллизации титана приводит к получению различного характера структуры: при медленном охлаждении получается обычная полиэдрическая структура, а при быстром - игольчатая структура вследствие мартен-ситного превращения α-фазы в α^’-фазу (метастабильную). При нормальной температуре титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих сильных химических средах; во многих случаях его стойкость превышает стойкость нержавеющих Сr-Мi сталей. Однако при нагреве выше 500°С титан становится очень активным элементом. При высоких температурах он либо растворяет почти все соприкасающиеся с ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Такие примеси, как Н₂, O₂, N₂ и С, повышают прочность титана, но пластичность при этом надает (у чистого титана δ составляет не менее 20%), снижается коррозионная стойкость и ухудшается свариваемость.

Сплавы титана с другими компонентами обладают, как правило, более высокой прочностью, хорошим уровнем жаропрочности и жаростойкости, высокой коррозионной стойкостью. Они делятся на сплавы деформируемые (неупрочняемые термической обработкой), литейные и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

По своему кристаллическому строению титановые сплавы делятся на однофазные с α-структурой, двухфазные с α+β-структурой и однофазные β -сплавы.

Титановые сплавы с α-структурой - это сплавы марок ВТ5, ВТ5-1 (содержат до 2,5% Sn) имеют средний уровень прочности при комнатной температуре, но весьма прочны при криогенных температурах и обладают очень высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивные средах, например в НNОз всех концентраций при комнатной и повышенных температурах, в 10%-ном растворе NаОН до температуры кипения и т. д. Не рекомендуется применять α-сплавы в средах НС1 и НF. Данные сплавы не подвергаются термической обработке.

Титановые сплавы с β -структурой используют редко: они дороги, а из-за присутствия большого количества тяжелых легирующих элементов (стабилизаторов) теряется главное достоинство - высокая удельная прочность.

Двухфазные титановые сплавы с α+β -структурой содержат в определенной пропорции α и β- стабилизаторы. Легирующие элементы, вводимые в наибольшем количестве, - это V, Мо, Сr (сплавы типа ВТ14, ВТ16). Такие сплавы эффективно упрочняют закалкой с последующим старением, прочность повышается с 1000 до 1600-1800 Н/м².

Наиболее часто титановые сплавы легируют алюминием, что эффективно повышает их прочность и особенно жаропрочность (до 500-600°С), стабилизирует структуру и уменьшает вредное влияние водорода. Для повышения износостойкости титановых сплавов их можно подвергать химико-термической обработке - цементации либо азотированию.

Из сплавов титана изготовляют штампованные конструкции, емкости, аппаратуру химической промышленности, высоконагруженные сварные конструкции и т. п. Недостатком этих сплавов является их плохая обрабатываемость резанием. Наибольшее распространение сплавы титана нашли в авиа- и судостроении. С

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

Детали и установки, работающие при температурах свыше 700°С, изготовляют не из стали, а из сплавов на основе никеля, кобальта и тугоплавких металлов.

Сплавы на основе никеля (N_i < 55%) по жаропрочности превосходят лучшие жаропрочные стали (рабочие температуры у сплавов составляют 800-1000°С). Их используют как в деформируемом, так и литом состояниях. По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники). Общее требование к ним - минимальное содержание углерода (0,06-0,12% С).

Основой нихромов является никель, а основным легирующим элементом - хром (ХН60Ю, ХН78Т). Жаропрочность нихромов сравнительно невелика, однако у них очень высокая жаростойкость. Их применяют главным образом для изготовления ненагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

В состав нимоников кроме хрома вводят Тi, А1, Мо, W, Со. При термической обработке они образуют с никелем (кобальтом, хромом) дисперсные интерметаллидные фазы типов Ni, Со, Сr)₃ Тi, (Ni, Со, Сr)₃ А1, которые существенно упрочняют сплав. Нимоники - это типичные дисперсионно-упрочняемые сплавы (ГОСТ 5632 - 72); их термическая обработка заключается в закалке с 1050-1100°С на воздухе и последующем старении при 600-800°С в течение 12-16 ч.

Кобальтовые сплавы по жаростойкости несколько превосходят никелевые сплавы, но применяют их реже ввиду большой дефицитности кобальта. Деформируемый сплав ЭИ416 содержит 0,35-0,45% С; 18-21% Сr; 3,5-5,8% Мо; 3,8-5,8% W. Чаще применяют литейные кобальтовые сплавы. Сплав ЛК4 (виталлиум) содержит до 0,35% С; 25-30% Сr; 1,5-3,5% Ni; 4,5-6,5% Мо. Кобальтовые сплавыимеют высокую коррозионную стойкость и хорошо сопротивляются износу трением.