Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

За технологією виготовлення заготовок і виробів усі промислові сплави алюмінію поділяють на три групи: деформаційні, ливарні, спечені.

Сплави, що піддаються 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 мають помірну міцність, пластичність, 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), за незначного наклепу­вання – літеру П (АМгП), за значного – літеру Н (АМгН). Зі зростанням ступеня деформації (наклепування) підвищується міцність сплавів. Так, міцність і пластичність сплаву АМцН становить = 220 МПа,  = 5 %, а сплаву АМцМ – = 130 МПа, = 20 %.

Малонавантажені деталі зварювальних і клепаних конструкцій, деталі глибокої витяжки виготовляють зі сплавів типу АМцН, а також АМг2М, АМгЗМ (= 170–200 МПа, = 4–18 %). Деталі конструкцій середнього навантаження та високої корозійної стійкості виготовляють зі сплавів типу АМг5М, АМг6М (= 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, АД33 (на основі системи Al – Mg – Si);

• конструкційні сплави (Al – Cu – Mg) – дюралюміни марок Д1, Д16, Д18, В65;

• ковкі (Al – Mg – Si – Cu) марок АК6, АК8;

• високоміцні (Al – Zn – Mg – Cu) марок В95, В96;

• жароміцні сплави систем (Al – Cu – Mg) марок АК4-1 та
  (Al – Cu – Mn) Д20.

Сплави підвищеної пластичності – авіалі (АВ, АД31, АД33) – містять у своєму складі, крім алюмінію, 0,4–1,2 % Mg, 0,3–1,2 % Si, 0,15–0,35 % Mn, 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 за температури 160–170 °С протягом 12–15 годин одразу ж після гартування. У процесі цього виділяється зміцнююча фаза Mg₂Si. Після гартування і штучного старіння властивості сплаву АВ дорів­нюють:  = 380 МПа,  = 250 МПа,  = 14 %, а після природного старіння  = 260 МПа,  = 200 МПа,  = 20 %. Зі сплавів АВ, АД3 виготовляють листи, труби, пресовані профілі, заготовки, ковані деталі двигунів, лопасті ґвинтів 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 годин або за температури 250 °С протягом 2–4 годин. Особливістю гартування дюралюмінів є необхідність дотримуватися 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 (CuAl₂), у сплаві Д16 з підвищеною кількістю магнію – (CuА1₂) і S(А1₂CuMg). Дюралюмін Д16 має найбільшу міцність після гартування та природного старіння:  = 480 МПа,  = 320 МПа, = 14 % (лонжерони, шпангоути, обшивки літаків). Деталі і конструкції середньої міцності виготовляють зі сплавів Д1, Д1А (= 360 МПа, – 12 %).

Дюралюміни виробляють у вигляді листа, пресованих і катаних профілів, прутків, труб. Для підвищення корозійної стійкості їх піддають плакуванню. Відповідно у 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 Al – 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 за температури 160–170 °С протягом 12–15 годин. Після термічної обробки механічні властивості цих сплавів такі:  = 400 МПа,  = 12 % (АК6);  = 480 МПа,  = 9 % (АК8). Проте обидва сплави мають низьку корозійну стійкість і потребують додаткових заходів щодо захисту від корозії. З них виготовляють штамповані деталі та складної форми і середньої міцності (АК6) – підмоторні рами, кріпильні деталі, а також такі високонавантажені штамповані деталі (АК8), як пояси лонжеронів, лопасті ґвинтів 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 за температури 460–470 °С у воді і штучного старіння за температури 120–140 °С протягом 24–16 годин зміцнюючих фаз, відповідно, η(MgZn₂), Т(А1₂Mg₂Zn₃), S(Fl₂CuMg). Після термічної обробки механічні властивості для сплаву В95 наступні: = 550–600 МПа, = 530–550 МПа, = 8 %; для сплаву В96 = 700 МПа, = 50 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 за температур до 300 °С (поршні, головки циліндрів, диски і лопатки компресорів реактивних двигунів, обшивка надзвукових літаків). Найбільш поширені сплави типу АК4-1 системи Al – Cu – Mg – Si з доданням заліза та нікелю; Д20 системи Al – Cu – Mn з доданням титану та цирконію. У сплаві АК4-1 Fe і Ni утворюють нерозчинну фазу Al₉FeNi, що під час термічної обробки не змінюється.

Основною ж зміцнюючою фазою у сплаві є S(Al₂CuMg). Після гартування за температури від 530±5 °С і штучного старіння сплав АК4-1 має наступні механічні характеристики: = 300–180 МПа, = 190–120 МПа, =18–12 %.

Сплав Д20 має наступні характеристики механічних властивостей:= 420 МПа, = 330 МПа, = 11 %.

Перспективними жароміцними сплавами алюмінію є сплави системи Al – 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 АЛ33. У 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).

Типовими є сплави системи А1 – Sі (10–13 % Sі) – силуміни. Розчинність Sі в А1 мала (0,8 % за температури 500 °С; 0,05 % – 20 °С). Тому 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 у процесі старіння; Ti, Zr подрібнюють з
ерно; Mn 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 NaСІ). Структура немодифікованих сплавів (рис. 4.2) складається з голчастих кристалів Sі й евтектики ( + Si), а після модифікування – з -розчину і евтектики ( + Si) тонкої будови.

Спечені алюмінієві порошкові (САП) сплави на основі і одержують шляхом брикетування порошку алюмінію, вакуумної де­газації брикетів із подальшим їх спіканням під тиском. Вміст А1₂О₃ у спечених сплавах алюмінію знаходиться у межах від 6–9 % (САП1) до 18–22 % (САП4). Дрібні частинки А1₂О₃ гальмують рух дислокацій у сплаві і підвищують його міцність. Жаростійкість САП матеріалів за тривалого нагрівання зберігається до 500 °С, а за короткочас­ного – до 1000 °С.

Мідь та сплави на її основі. За обсягами виробництва мідь посідає третє місце після заліза та алюмінію. Запаси її у земній корі дорівнюють 0,01 %, у сульфідних рудах (CuFeS – мідний колчедан, CuS – халькозин, Cu₂S – халькопірит) – від 0,5 до 5 %. Мідь має ГЦК- кристалічну ґратку, температура плавлення становить 1038 °С, питома вага = 8,9 г/см³.

Одержують мідь зі збагаченого концентрату (11–35 % Cu), який спочатку обпалюють за температури 600–850 °С для часткового зниження вмісту сірки, а потім для відділення від рудних домішок плавлять за температури 1300–1500 °С на штейн (сплав сульфідів Cu₂S і Fe). Мідний штейн містить 16–60 % Cu, а також Fe і S. Штейн переплавляють у спеціальному конверторі з продувкою розплаву повітрям за температури 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 % Cu. Чиста мідь має 11 марок – М00б, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2, МЗ. Сумарна кількість домішок у марці найвищої чистоти М00б - 0,01 %, а в марці М3 – 0,5 %.

Залежно від механічних властивостей розрізняють також тверду (негартовану) мідь – МТ і м'яку (відпалену) – ММ. Механічні властивості чистої відпаленої міді наступні: = 220–240 МПа, 40–80 НВ, = 45–50 %, = 60–75 %. Цінними властивостями міді є її висока електропровідність та теплопровідність, пластичність, низька окислюваність. Електропровідність міді знижується за наявності домішок. Половина всієї 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 у якості конструкційного матеріалу 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, Ti, Zn, Р, для підвищення корозійної стійкості – Mn, пластичності – Nі, міцності – Fе, оброблюваності різанням – Pb.

Маркують бронзи літерами Бр, далі літерами позначають еле­менти, що входять до складу бронзи: О – олово, Ц – цинк, А – алюміній, С – свинець, Ж – залізо, Мц – марганець, Б – берилій та інші. Після цього цифрами вказують середній вміст елементів у відсотках (вміст міді цифрами не вказують). Наприклад, марка БрОЦ4-3 означає, що бронза містить 4 % олова і 3 % цинку, решта – мідь; БрОЦС5-5-5 – бронза містить олова, цинку і свинцю по 5 %, решта – мідь.

О
лов'янисті бронзи (БрО3, БрО6, БрОС25-8 та інші), залежно від вмісту олова і фазового стану, поділяють на однофазні (до 5 % Sn) із структурою - твердого розчину і двофазні (більше 5 % Sn) зі структу­рою (рис. Л.4.3), що складається з -твердого розчину та евтектоїда ( + Cu₃₁Sn₈).

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

Двофазні олов'янисті бронзи з більшим вмістом олова (до 15–20 %) використовують у якості ливарних матеріалів 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, NaОН, Na₂СО₃, не стійкі у розчинах HNО₃ і НС1, мають досить високі механічні властивості: = 150–350 МПа,  = 3–5 %, твердість 60–90 НВ, добре обробляються різанням.

Олов'янисті бронзи типу БрОЦН3-7-5 використовують для арма­тури, що експлуатується на повітрі, у прісній воді, маслі, парі і за температури до 250 °С; бронза типу БрОЦС5-5-5 – для антифрик­ційних деталей, арматури тощо.

До складу безолов'янистих бронз, окрім міді, входять АІ, Fе, Mn, Ве, Sі, Р або різні комбінації цих елементів.

Алюмінієві бронзи (4–11 % АІ) мають високу корозійну стійкість, високі механічні та технологічні властивості (БрАЖ9-4, БрАЖН 10-4- 4, БрКМц3-1, БрС30 та інші). Однофазні бронзи ( -твердий розчин) із вмістом алюмінію до 8–9 % добре обробляються тиском у гарячому і холодному стані (рис. 4.3, в). Двофазні бронзи ( -твердий розчин + Сu₂А1) із вмістом алюмінію 9–11 %, а також заліза, нікелю, марган­цю мають більшу міцність, піддаються обробці тиском у гарячому стані. Двофазні бронзи можна піддавати зміцнюючій обробці гартуванням за температури від 900–950 °С із відпуском за різних температур. Завдяки цьому утворюється орієнтована голчаста структура, зростає твердість та міцність, зменшується пластичність. Так, бронза БрАЖН10-4-4 після гартування і відпуску (400 °С) підвищує твердість від 170–200 до 400 НВ. З алюмінієвих бронз виготовляють арматуру трубо­проводів для різних середовищ (окрім морської води) і температур до 250 °С (БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л); деталі для експлуатації в середовищі морської води, ґвинти, лопасті (БрАМц9-2Л); втулки, підшипники ковзання (БрАМц10-2); фланці, шестерні та інші відповідальні деталі (БрАЖМц10-3-1,5).

Марганцеві бронзи (БрМц5 БрМцС20-5) мають порівняно неви­сокі механічні властивості, але високу пластичність, корозійну стій­кість, жароміцність. Із них виготовляють деталі для теплоелектро­станцій, котли, вентилі, засувки, арматуру тощо.

Берилієві бронзи містять у своєму складі 2–2,5 % Ве (БрБ2), мають дуже цінний комплекс властивостей: високу хімічну стійкість, тепло­стійкість, високий поріг пружності, добре обробляються різанням, мають високі механічні властивості ( = 1100–1300 МПа, твердість –370 НВ,  = 1 %). Берилієві бронзи гартують у воді за температур не вище 800 °С і піддають штучному старінню за температури 350 °С.

Використовують берилієву бронзу для виготовлення виробів від­повідального призначення: пружні контакти, пружини, мембрани, безіскровий інструмент для ведення вибухонебезпечних гірничих робіт.