Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

Для виготовлення деталей, що працюють в умовах абразивного зносу, використовуються білі чавуни, леговані хромом, хромом і марганцем, хромом і нікелем. Відливання з такого чавуну відрізняються високою твердістю і зносостійкістю.

Для деталей, що працюють в умовах зносу за високих температур, використовують високохромисті і хромонікелеві чавуни. Жаростійкість досягається легуванням чавунів кремнієм (5–6 %) і алюмінієм (1–2 %). Корозійна стійкість збільшується легуванням хромом, нікелем, кремнієм.

Розділ 9. Кольорові метали і сплави на їх основі

Кольорові метали є дорожчими і дефіцитнішими, в порівнянні з чорними металами, проте галузь їх застосування в техніці безперервно розширюється. Це сплави на основі титану, алюмінію, магнію, міді.

Перехід промисловості на сплави з легких металів значно розширює сировинну базу. Титан, алюміній, магній можна отримувати з бідних і складних за складом руд, відходів виробництва.

9.1. Титан і його сплави

Титан – сріблясто-білий легкий метал зі щільністю 4,5 г/см³. Температура плавлення титану залежить від ступеня чистоти і знаходиться в межах 1660–1680 ^oС.

Чистий титан, в якому сума домішок складає 0,05–0,1 %, має модуль пружності 112000 МПа, межа міцності – близько 300 МПа, відносне видовження – 65 %. Наявність домішок значно впливає на властивості. Для технічного титана Вт1 із сумарним вмістом домішок 0,8 % межа міцності складає 650 МПа, а відносне видовження – 20 %.

За температури 882 ^oС титан зазнає поліморфного перетворення – титан із гексагональними ґратами переходить у титан з об'ємно-центрованими кубічними ґратами. Наявність поліморфізму у титану створює передумови для поліпшення властивостей титанових сплавів за допомогою термічної обробки.

Титан має низьку теплопровідність. За нормальної температури має високу корозійну стійкістю в атмосфері, у воді, в органічних і неорганічних кислотах (не стійкий у плавиковій, міцних сірчаній і азотній кислотах) завдяки тому, що на повітрі швидко покривається захисною плівкою щільних оксидів. За нагрівання вище 500 ^oС стає дуже активним елементом. Він або розчиняє майже всі контактуючі з ним речовини, або утворює з ними хімічні сполуки.

Титанові сплави мають переваги, в порівнянні з іншими:

• поєднання високої міцності (σ_В = 800–1000 МПа) з хорошою пластичністю (δ = 12–25 %);

• мала щільність, що забезпечує високу питому міцність;

• хороша жароміцність, до 600–700 ^oС;

• висока корозійна стійкість в агресивних середовищах.

Однорідні титанові сплави, не схильні до старіння, використовують у криогенних установках до гелієвих температур.

У результаті легування титанових сплавів можна отримати потрібний комплекс властивостей. Легуючі елементи, що входять до складу промислових титанових сплавів, утворюють із титаном тверді розчини заміщення і змінюють температуру алотропічного перетворення. Вплив легуючих елементів на поліморфізм титану показаний на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Вплив легуючих елементів на поліморфізм титану

Елементи, що підвищують температуру перетворення, сприяють стабілізації α-твердого розчину і називаються α-стабілізаторами, це алюміній, кисень, азот, вуглець.

Елементи, що знижують температуру перетворення, сприяють стабілізації β-твердого розчину і називаються β-стабілізаторами, це молібден, ванадій, хром, залізо.

Окрім стабілізаторів розрізняють нейтральні зміцнювачі: олово, цирконій, гафній.

Відповідно до впливу легуючих елементів, титанові сплави за нормальної температури можуть мати структуру або α+β.

Сплави на основі титану можна піддавати всім видам термічної обробки, хіміко-термічній і термомеханічній обробці. Зміцнення титанових сплавів досягається легуванням, наклепуванням, термічною обробкою.

Часто титанові сплави легують алюмінієм – він збільшує міцність і жароміцність, зменшує шкідливий вплив водню, збільшує термічну стабільність. Для підвищення зносостійкості титанових сплавів їх піддають цементації або азотуванню.

Основним недоліком титанових сплавів є погана оброблюваність ріжучим інструментом.

За способом виробництва деталей розрізняються сплави, що деформуються (ВТ 9, ВТ 18), і ливарні (ВТ 21Л, ВТ 31Л).

Області застосування титанових сплавів:

• авіація і ракетобудування (корпуси двигунів, балони для газів, сопла, диски, деталі кріплення);

• хімічна промисловість (компресори, клапани, вентилі для агресивних рідин);

• устаткування для обробки ядерного палива;

• морське і річкове суднобудування (ґвинти, обшивка морських судів, підводних човнів);

• криогенна техніка (висока ударна в'язкість зберігається до
  - 253 ^oС).

9.2. Алюміній і його сплави

Алюміній – легкий метал із щільністю 2,7 г/см³ і температурою плавлення 660 ^oС. Має гранецентровані кубічні ґрати. Має високу тепло- і електропровідність. Хімічно активний, але щільна плівка оксиду алюмінію Al₂O₃ запобігає корозії.

Механічні властивості: межа міцності – 150 МПа, відносне видовження – 50 %, модуль пружності – 7000 МПа.

Алюміній високої чистоти маркується А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (вміст алюмінію – від 99,85 % до 99 %).

Технічний алюміній добре зварюється, має високу пластичність. Із нього виготовляють будівельні конструкції, малонавантажені деталі машин, використовують як електротехнічний матеріал для кабелів, проводів.

Принцип маркування алюмінієвих сплавів

На початку вказується тип сплаву: Д – сплави типу дюралюміній; А – технічний алюміній; АК – ковкі алюмінієві сплави; У – високоміцні сплави.

Далі вказується умовний номер сплаву. За умовним номером слідує позначення, що характеризує стан сплаву: М – м'який; Т – термічно оброблений (гартування плюс старіння); Н – нагартований; П – напівнагартований.

За технологічними властивостями сплави поділяються на три групи:

• сплави деформаційні, що не зміцнюються термічною обробкою;

• сплави деформаційні, що зміцнюються термічною обробкою;

• ливарні сплави.

Методами порошкової металургії виготовляють спечені алюмінієві сплави (САС), випечені алюмінієві порошкові сплави (САП).

Сплави деформаційні, що не зміцнюються термічною обробкою

Міцність алюмінію можна підвищити легуванням. У сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, вводять марганець або магній. Атоми цих елементів істотно підвищують його міцність, знижуючи пластичність. Позначаються сплави: з марганцем – АМц, з магнієм – АМг. Після позначення елементу вказується його вміст (АМг3, марганцю – 3 %).

Магній діє тільки як зміцнювач, марганець зміцнює і підвищує корозійну стійкість.

Міцність сплавів підвищується тільки в результаті деформації в холодному стані. Чим більший ступінь деформації, тим відчутніше росте міцність і знижується пластичність. Залежно від ступеня зміцнення розрізняють сплави нагартовані і напівнагартовані (АМг3п).

Ці сплави застосовують для виготовлення різних зварних ємкостей для пального, азотної й інших кислот, мало- і середньо навантажених конструкцій.

Сплави деформаційні, що зміцнюються термічною обробкою

До таких сплавів належать дюралюміній (складні сплави систем алюміній – мідь – магній або алюміній – мідь – магній – цинк). Вони мають знижену корозійну стійкість, для підвищення якої вводиться марганець.

Дюралюміній зазвичай піддають гартуванню за температури 500 ^oС і природному старінню, з попереднім двох-, тригодинним інкубаційним періодом. Максимальна міцність досягається через 4–5 діб.

Широке застосування дюралюміній знаходить в авіабудуванні, автомобілебудуванні, будівництві.

Високоміцними старіючими сплавами є сплави, які окрім міді й магнію містять цинк. Сплави В95, В96 мають межу міцності близько 650 МПа. Основний споживач – авіабудування (обшивка, стрингери, лонжерони).

Кувальні алюмінієві сплави Ак, Ак8 застосовуються для виготовлення поковок. Поковки виготовляються за температури 380–450 ^oС, піддаються гартуванню за температури 500–560 ^oС і старінню за температури 150–165 ^oС протягом 6–15 годин.

До складу алюмінієвих сплавів додатково вводять нікель, залізо, титан, які підвищують температуру рекристалізації і жароміцність до 300 ^oС.

Виготовляють поршні, лопатки і диски осьових компресорів, турбореактивних двигунів.

Ливарні алюмінієві сплави

До ливарних сплавів належать сплави системи «алюміній – кремній» (силуміни), що містять 10–13 % кремнію.

Присадка до силумінів магнію і міді сприяє ефекту зміцнення ливарних сплавів у процесі старіння. Титан і цирконій подрібнюють зерно. Марганець підвищує антикорозійні властивості. Нікель і залізо підвищують жароміцність.

Ливарні сплави маркуються від Ал2 до Ал20. Силуміни широко застосовують для виготовлення литих деталей приладів й інших середньо- і малонавантажених деталей, зокрема тонкостінних відливків складної форми.

9.3. Магній і його сплави

Магній – дуже легкий метал, його щільність – 1,74 г/см³. Температура плавлення – 650 ^oС. Магній має гексагональну щільноупаковану кристалічну решітку. Дуже активний хімічно, аж до самозагорання на повітрі. Механічні властивості технічно чистого магнію (Мг1): межа міцності – 190 МПа, відносне видовження – 18 %, модуль пружності – 4500 МПа.

Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм. Сплави діляться на деформаційні і ливарні.

Сплави зміцнюються після гартування і штучного старіння. Гартування проводять за температури 380–420 ^oС, старіння – за температури 260–300 ^oС протягом 10–24-х годин. Особливістю є тривала витримка під час гартування – 4–24 години.

Магнієві сплави деформаційні

Магній погано деформується за нормальної температури. Пластичність сплавів значно збільшується за гарячої обробки тиском (360–520 ^oС). Сплави деформаційні, маркують Ма1, Ма8, Ма9, ВМ 5-1.

Із магнієвих деформаційних сплавів виготовляють деталі автомашин, літаків, прядильних і ткацьких верстатів. У більшості випадків ці сплави мають задовільну зварюваність.

Ливарні магнієві сплави

Ливарні сплави маркуються Мл3, Мл5, ВМЛ-1. Останній сплав є жароміцним, може працювати за температур до 300 ^oС.

Відливки виготовляють литтям у землю, у кокіль, під тиском. Необхідно проводити заходи, що запобігають загорянню сплаву під час плавлення, в процесі лиття.

Із ливарних сплавів виготовляють деталі двигунів, приладів, телевізорів, швейних машин.

Завдяки високій питомій міцності магнієві сплави широко використовуються в літако- і ракетобудуванні.

9.4. Мідь і її сплави

Мідь має гранецентровані кубічні ґрати. Щільність міді –
8,94 г/см³, температура плавлення – 1083 ^oС.

Характерною властивістю міді є її висока електропровідність, тому вона знаходить широке застосування в електротехніці. Технічно чиста мідь маркується: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 і М4 (99 % Cu).

Механічні властивості міді відносно низькі: межа міцності складає 150–200 МПа, відносне видовження – 15–25 %. Тому у якості конструкційного матеріалу мідь застосовується рідко. Підвищення механічних властивостей досягається створенням різних сплавів на основі міді.

Розрізняють дві групи мідних сплавів: латунь – сплави міді з цинком, бронза – сплави міді з іншими (окрім цинку) елементами.