Файл: 1 Цветные металлы и сплавы на их основе.pdf

1 Цветные металлы и сплавы на их основе
Цветные металлы и сплавы на их основе достаточно широко распространены в различных областях промышленности. Так, сплавы на основе легких металлов (алюминий, магний, титан) широко применяются в авиационной и космической промышленности, строительстве, транспортном машиностроении, приборо- и судостроении.
10.1 Медь Медь широко применяется в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении, а также используется как основа для многих важных промышленных сплавов.По объему производства цветных металлов медь стоит на втором месте после алюминия.
Температура плавления меди составляет С, плотность – 8,94 г/см
3
Медь не обладает полиморфизмом, имеет ГЦК-решетку, является диамагнетиком. Медь обладает ценными технологическими свойствами высокими тепло- и электропроводностью (по удельной электрической проводимости медь уступает лишь серебру, достаточной коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением, сваривается всеми видами сварки, легко поддается пайке. Механические свойства чистой меди временное сопротивление в = 200…270 МПа, условный предел текучести σ
0.2
= 50…100 МПа, относительное удлинение до разрыва δ = 40…60%. Маркируют медь буквой М, после которой ставят цифру, показывающую степень чистоты меди, например М – медь с суммарным содержанием примесей не более 0,01%; М – медь с суммарным содержанием примесей не более 0,05%; М – медь с суммарным содержанием примесей не более 0,1%;

2 М – медь с суммарным содержанием примесей не более 0,3%; М – медь с суммарным содержанием примесей не более 0,5% и т.д. Медь марки М применяется в электронике, ММ и М – в электротехнике и металлургии. Медь, дополнительно очищенную от кислорода (вредная примесь, маркируют дополнительно буквой б, что означает «безкислородная», например М00б, М0б. Все примеси и легирующие элементы, которые могут содержаться в меди, разделяют натри группы
1. Элементы, образующие с медью твердые растворы (Ag, Al, As, Au,
Cd, Fe, Ni, Pt, P, Sb, Sn, Zn). Они повышают прочность меди, но при этом существенно уменьшаются значения тепло- и электропроводности особенно при содержании сурьмы и мышьяка.
2. Элементы, практически нерастворимые в меди и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Bi и Pb). Выделение этих эвтектик по границам зерен приводит к явлению красноломкости (хрупкое разрушение при горячей прокатке, что существенно затрудняет обработку меди давлением. Содержание Bi в количестве более 0,005% вызывает также хладноломкость меди.
3. Элементы, образующие с медью химические соединения. Такие элементы, как Se, S, O, Te и др. образуют с медью химические соединения типа Cu
2
O, Cu
2
S. Сера, с одной стороны, повышает обрабатываемость меди резанием, ас другой – вызывает ее хладноломкость. Кислород в меди является причиной водородной болезни, которая заключается в образовании микротрещин и разрушении при отжиге (T > Св водородосодержащей среде.

3
10.2 Сплавы на основе меди Латуни Латунями называются сплавы меди с цинком. Цинк хорошо растворяется в меди (до 39%), поэтому при содержании цинка в латуни до 39% её структура состоит из твердого раствора цинка в меди. Количество цинка свыше 39% приводит к выделению из твердого раствора химического соединения CuZn (фаза, в результате чего структура латуни становится двухфазной. Увеличение содержания цинка до значений выше 45% приводит к резкому снижению прочности и повышению хрупкости латуни, поэтому в технике латуни с содержанием цинка свыше 45% не применяются. Латуни бывают литейные (получены литьем) и деформируемые получены обработкой давлением. Деформируемые латуни (ГОСТ 15527-70). Маркируют буквой Ли цифрой, которая указывает массовое содержание меди в сплаве в процентах, например Л – латунь с содержанием меди 96%, остальные 4% - цинк. Примеры других марок латуней Л, Л. Латуни Ли Л – однофазные (структура состоит только из зёрен α- твердого раствора цинка в меди, а латунь Л – двухфазная (содержание цинка более 39%). В латунь могут добавлять легирующие элементы, которые повышают её механические свойства и коррозионную стойкость. Если в латунь, наряду с цинком, добавлены другие элементы, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов в соответствии с таблицей. Таблица – Обозначения элементов в марках сплавов на основе меди Элемент
Pb
Sn
Fe
Al
Si
Mg
Mn
Ni
Be
P
Zr Обозначение СО ЖАК Мг
Мц Н Б Ф Цр

4 Содержание легирующих элементов указывается числами, в процентах. При этом сначала указывают все элементы, содержащиеся в латуни, затем указывается содержание меди, а затем – каждого элемента в порядке появления его обозначения в марке. Например
ЛАН 59-3-2 – деформируемая латунь с содержанием меди 59%, алюминия –
3% и никеля – 2%; ЛАЖ 60-1-1 – деформируемая латунь с содержанием меди 60%, алюминия –
1% и железа – 1%;
ЛЖМц59-1-1 – деформируемая латунь с содержанием меди 59%, железа – 1% и марганца – 1%;
ЛК80-3 – деформируемая латунь с содержанием меди 80% и кремния – 3%. Литейные латуни (ГОСТ 17711-93). Используют для изготовления литых изделий. Они имеют высокую жидкотекучесть и низкую усадку при кристаллизации. В основном, литейные латуни – сложнолегированные. Легирующие элементы по-разному влияют на литейные свойства сплавов. Так железо и марганец снижают жидкотекучесть, а олово (до 2,5%) повышает ее. Алюминий и кремний по отдельности повышают жидкотекучесть двойных латуней. Маркировка литейных латуней отличается от маркировки деформируемых латуней. Начинается марка также с буквы Л, после чего указываются легирующие элементы и их содержание по принципу элемент
– его содержание, элемент – его содержание и т.д. Например ЛЦ23А6Ж3Мц2 – латунь с содержанием цинка (Ц) 23%, алюминия – 6%, железа – 3%, марганца – 2%, остальное – медь.

5 Бронзы Бронзами называют сплавы меди с другими элементами, среди которых цинк не является основным. Бронзы также, как и латуни, бывают литейными и деформируемыми. Маркируются бронзы потому же принципу, что и латуни, например
БрОФ 6,5-0,4 – деформируемая бронза с содержанием олова 6,5%, фосфора –
0,4%, остальное – медь
БрО3Ц12С5 – литейная бронза с содержанием олова 3%, цинка – 12%, свинца – 5%, остальное – медь. В зависимости от основного легирующего элемента бронзы делятся на несколько видов. Оловянные бронзы. По микроструктуре оловянные бронзы бывают однофазными (твердый раствор олова в меди) и двухфазными (твердый раствор + фаза (химическое соединение Cu
31
Sn
8
)). фаза выделяется при содержании олова более 7…9%, она повышает твердость и снижает пластичность бронз.
Деформируемые оловянные бронзы (БрОФ 6,5-0,4; БрОЦ 4-3,
БРОЦС 4-4-2,5) имеют однофазную структуру. По сравнению с литейными оловянными бронзами характеризуются более высокими прочностью и пластичностью, сопротивлением усталости. Литейные оловянные бронзы (БрО3Ц12С5; БрО3Ц7С5Н1, БрО5Ц5С5,
БрО5С25, БрО10Ф1) имеют двухфазную структуру (α и δ). По сравнению с деформируемыми бронзами содержат больше легирующих элементов (цинка, свинца, фосфора. Литейные оловянные бронзы имеют малую линейную усадку, однако склонны при этом к образованию усадочной пористости и имеют невысокую жидкотекучесть. Оловянные бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью и высокими антифрикционными свойствами.

6 Алюминиевые бронзы (БрА5, БрА7, БрАЖН10-4-4). Обладают высокими механическими свойствами, коррозионно-стойкие. Деформируемые алюминиевые бронзы упрочняются закалкой (С) с последующим старением (выдержке при температуре ≈ С. Кремнистые бронзы (БрКМц3-1). Обладают высокой прочностью и пластичностью.
Немагнитны, хладостойки, хорошо свариваются, подвергаются пайке. Бериллиевые бронзы (БрБ2, БрБ2,5, БрБ4). Обладают высокими механическими (особенно упругими) свойствами за счет наличия в структуре упрочняющей фазы (химическое соединение CuBe), коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Упрочняются закалкой (760…800ºC) со старением (С. Хромистые бронзы (БрХ0,5, БрХ1Цр). Обладают высокими механическими свойствами, хорошей тепло- и электропроводностью, повышенной температурой рекристаллизации. Для повышения температуры рекристаллизации и механических свойств хромистые бронзы легируют серебром в количестве 0,2%. Эти бронзы упрочняют закалкой (Св воде и старением (С) Циркониевые бронзы (БрЦр0,2, БрЦр0,7) сочетают в себе высокую тепло- и электропроводность, близкую к меди, и жаропрочность способность сохранять механические свойства при высоких температурах. Упрочняются комплексной обработкой закалкой (С) с последующей холодной пластической деформацией (75%) и старением (С. При старении из твердого раствора выделяется упрочняющая фаза (Cu
3
Zr).
Свинцовистые бронзы (БрС30) являются хорошими подшипниковыми материалами, т.к. обладают высокими антифрикционными свойствами.
Свинцовистые бронзы могут работать при очень больших удельных давлениях и скоростях, имеют высокий предел усталости, лучше других антифрикционных материалов противостоят ударным нагрузкам.

7
10.3 Алюминий Алюминий по распространённости в земной коре занимает первое место среди металлов и третье место среди всех химических элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, поданным различных исследователей, составляет 7,45…8,14 %. Современный способ производства алюминия электролиз расплавленных солей) был предложен только в 1886 г. Дог. во всем мире было изготовлено около 200 т алюминия (и по цене он мало уступал золоту. В последующие 10 лет производство алюминия возросло враз так г. ежегодное производство алюминия достигло 27 000 т. Алюминий относится к легким металлам (плотность γ = 2,7 г/см
3
), температура плавления составляет С. Алюминий обладает высокими тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленкой Al
2
O
3
. Алюминий не испытывает полиморфных превращений, и имеет ГЦК-решетку при любой температуре в твердом состоянии. Алюминий имеет низкие прочностные свойства временное сопротивление составляет В = 60…80 МПа, условный предел текучести σ
0.2
≈ 20 МПа. Относительное конечное удлинение составляет δ ≈ 35%. Из-за низких прочностных свойств чистый алюминий в качестве конструкционного материала не используется. Все примеси в алюминии (чаще всего это Fe, Si) являются вредными и снижают пластические свойства алюминия, а также его электрические и теплофизические свойства. Маркируют чистый алюминий буквой А, после которой ставят цифру, показывающую содержание чистого алюминия сверх 99%, например алюминий особой чистоты - А (содержит 99,999% Al); алюминий высокой чистоты – А (содержит 99,995% Al), А, А, А

8 алюминий технической чистоты – А, А, А, А, А, А. Применение чистого алюминия
1. Алюминий имеет высокую электропроводность (уступает меди примерно на 30…35%), поэтому часто применяется в качестве проводников тока.
2. Алюминий обладает высокой пластичностью и хорошо обрабатывается давлением, в связи с чем используется для изготовления фольги малых толщин.
3. Высокая коррозионная стойкость алюминия позволяет использовать его как коррозионно-стойкий в органических кислотах материал.
10.4 Сплавы на основе алюминия Классификация алюминиевых сплавов представлена на рисунке 10.1. Сплавы на основе алюминия Литейные Деформируемые Не упрочняемые термической обработкой Упрочняемые термической обработкой Рисунок 10.1 – Классификация алюминиевых сплавов На рисунке 10.2 изображена часть условной диаграммы состояния алюминий
– легирующий элемент, на которой обозначены концентрационные интервалы для каждой группы сплавов. Как известно, литейная усадка и объем пор в металле при кристаллизации сильно зависят от ширины температурного интервала кристаллизации – при узком интервале кристаллизации усадка и объем пор минимальны. Поэтому наилучшими литейными свойствами обладают

9 эвтектические сплавы, кристаллизующиеся при постоянной температуре интервал I на рисунке 10.2). Однако, следует отметить, что наличие эвтектики в структуре сплава резко уменьшает пластичность, способность прессоваться, прокатываться, коваться – даже при небольшом содержании эвтектики в сплаве такая обработка становиться неосуществимой. Рисунок 10.2 – Классификация алюминиевых сплавов с использованием схематизированной диаграммы состояния I – литейные сплавы II – деформируемые не упрочняемые термической обработкой сплавы III – деформируемые упрочняемые термической обработкой сплавы В структуре деформируемых сплавов должна отсутствовать эвтектика и присутствовать структура одного или нескольких твердых растворов, которые обладают наибольшей пластичностью. Деформируемые сплавы условно делятся на неупрочняемые, в которых содержание легирующих элементов не превышает предел растворимости (II), и упрочняемые, в которых содержание легирующих элементов превышает предел растворимости (III). В упрочняемых сплавах за счет протекания структурно- фазовых превращений в процессе термической обработки возможно получение высоких прочностных характеристик.

10 Литейные сплавы алюминия Основные требования к литейным сплавам – это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава системы Al-Si - силумины. Содержание кремния для большинства силуминов составляет 3…15%. Кремний малорастворим в алюминии образует твердый раствор кремния в алюминии, и при содержании около
12% образует эвтектику (α+Si), которая придает этим сплавам хорошие литейные свойства. Однако из-за образования грубой игольчатой эвтектики эти сплавы обладают низкой пластичностью. Для измельчения эвтектики и повышения пластичности при выплавке эти сплавы модифицируют натрием
(Na) или литием (Li). Маркируют силумины буквами АЛ – алюминиевый литейный сплав, после которых ставится номер сплава по ГОСТ, например АЛ2, АЛ4, АЛ9,
АЛ34, АЛ32. Деформируемые не упрочняемые термической обработкойсплавы алюминия К этой группе сплавов относят сплавы алюминия с марганцем обозначаются АМц) и алюминия с магнием (обозначаются АМг). Эти сплавы характеризуются высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Марганец, в отличие от остальных легирующих элементов, не только не ухудшает, но и улучшает коррозионную стойкость. Добавление магния в количестве до 3% также повышает коррозионную стойкость и снижает плотность сплава (по отношению к чистому алюминию.