Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

транспортных самолетов.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления, способности к упрочнению термической обработкой и свойствам.

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ

СВОЙСТВА МАГНИЯ

Магний — металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в ГП решетке с периодами а = = 0,3202 нм, с = 0,5199 нм (с/а = 1,6209).

Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дуралюминов, и в 20 раз, чем у легированных сталей. Теплопроводность магния в 1,5, а электрическая проводимость — в 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раза меньше, чем у алюминия, и его модуль нормальной упругости. Однако магний и алюминий близки по удельной жесткости.

Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие ме-

ханические свойства: σв = 110... 120 МПа; σ0,2 = 20... 30 МПа; δ= 6 ... 8 %;

твердость — 30 НВ. Модифицирование цирконием и пластическая деформация, приводящие к измельчению структуры, несколько улучшают его механические свойства: σв = 260 МПа; δ = 9 % (холоднокатаный лист). Отжиг для снятия наклепа проводят при 330350 ° С, в результате чего

магний имеет следующие свойства: σ в = 190 МПа; σ0,2 = 98 МПа; δ = 15 ... 17 %; твердость — 40 НВ. Наклеп для упрочнения магния применяют редко, так

как он вызывает возникновение развитой текстуры деформации и анизотропии свойств. Магний и его сплавы обрабатывают давлением при 350 - 450 ° С в состоянии наибольшей пластичности.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяют. Его используют в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Временное сопротивление отдельных сплавов достигает 250 - 400 МПа при плотности менее 2 • 10 3кг/м3 (табл. 13.5). В горячем состоянии магниевые сплавы хорошо куются, прокатываются и прессуются.

Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Мп. Для дополнительного легирования используют Zr, Cd, Се, Nd и другие элементы. Механические свойства сплавов магния при 20 — 25 ° С улучшаются при легировании Al, Zn, Zr (рис. 13.11), при повышенной тем-

пературе — добавкой Се, Nd (рис. 13.12).

Цирконий и церий оказывают модифицирующее действие на структуру сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий. Добавка 0,5 - 0,7 % Zr уменьшает размер зерна магния в 80 - 100 раз. Это объясняется структурным и размерным соответствием кристаллических решеток Mg и Zra (ГП с периодами а = 0,3223 нм, с = 0,5123 нм). Кроме того, цирконий и марганец способствуют устранению или значительному уменьшению влияния примесей железа и никеля на свойства сплавов. Они образуют с этими элементами промежуточные фазы большой плотности, которые при кристаллизации выпадают на дно тигля, очищая тем самым сплавы от вредных примесей.

Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры (рис. 13.13) дает возможность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются./ Высокие скорости резания и небольшой расход энергии способствуют снижению стоимости обработки резанием деталей из магниевых сплавов по сравнению с другими сплавами. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой. Дуговую сварку рекомендуется проводить в защитной среде из инертных газов. Прочность сварных швов деформируемых сплавов составляет 90 % от прочности основного металла.

К недостаткам магниевых сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью и малым модулем упругости следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении. Небольшие добавки бериллия (0,02 - 0,05 %) уменьшают склонность к окислению, а кальция (до 0,2 %) — к образованию пор в отливках. Плавку и разливку магниевых сплавов ведут под специальными флюсами.

Для защиты от коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий. Хорошие результаты получены при использовании эпоксидных пленок, перхлорвиниловых и силиконовых эмалей.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам — на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки — на упрочняемые и неупрочняемые. Для повышения пластичности магниевых сплавов в них понижают содержание вредных примесей Fe, Ni, Си (сплавы повышенной чистоты). В этом случае к марке сплава добавляют строчные буквы «пч», например, МЛ5пч или МА2пч.

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Химический состав (ГОСТ 14957-76) и типичные механические свойства некоторых деформируемых сплавов представлены в табл. 13.5. Среди

деформируемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы систем Mg - Al и Mg - Zn, легированные цирконием, кадмием, серебром, редкоземельными металлами.

Сплавы системы Mg - Al содержат 0,2 - 1,5 % Zn (МА5). Алюминий и цинк обладают высокой растворимостью в магнии. Повышение их содержания в сплаве приводит к увеличению прочности сначала в результате возрастания концентрации твердого раствора, а затем благодаря появлению вторичных фаз Mg4Al3 и Mg3Zn3Al2. Однако в промышленные сплавы не вводят более 10 % А1 и более 6 % Zn, так как большое количество промежуточных фаз вызывает снижение пластичности. Сравнительно небольшой (около 30 %) эффект упрочнения этих сплавов объясняется тем, что при распаде твердого раствора образуются сразу стабильные фазы с относительно большим расстоянием между частицами. Причем упрочняющие фазы в этих сплавах обладают большой склонностью к коагуляции, которая начинается до достижения полного распада пересыщенного твердого раствора.

Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготовлять из них кованые и штампованные детали сложной формы (например, крыльчатки и жалюзи капота самолета). Для устранения вредного влияния железа сплавы дополнительно легируют марганцем. Сплавы с низким содержанием алюминия и поэтому небольшим количеством вторичных фаз в структуре дают незначительное упрочнение при закалке и старении. Их применяют в горячепрессованном или отожженном состоянии. Сплавы с высоким содержанием алюминия, дополнительно легированные серебром и кадмием (МАЮ), обладают самыми высокими прочностью (σв = 430 МПа) и удельной прочностью (24 км) среди магниевых сплавов.

Кадмий неограниченно растворяется в магнии и не образует собственных фаз в сплавах системы Mg - Al. Легируя твердый раствор, кадмий повышает прочность и технологическую пластичность сплавов. Серебро обладает хотя и ограниченной, но значительной (15,5 %) растворимостью в магнии. Высокая прочность этих сплавов объясняется наличием высоколегированного алюминием, серебром и кадмием твердого раствора и большого количества упрочняющей фазы Mg3Al4.

Высокопрочные сплавы системы Mg - Zn дополнительно легируют цирконием (МА14), кадмием, редкоземельными металлами (МА15, МА19 и др.). Увеличение содержания цинка в сплавах приводит к резкому повышению прочности и некоторому улучшению пластичности в результате легирования твердого раствора. Появление в структуре сплавов интерметаллидной фазы MgZn2 ведет к дальнейшему упрочнению и снижению пластичности. Для того чтобы сохранить пластичность на допустимом уровне, содержание цинка в промышленных сплавах ограничивают 5 - 6 %.

Сплавы системы Mg - Zn, легированные литием с добавками кадмия (МА21) или церия (МА18), относятся к сверхлегким (плотность 1,350 -1,600 т/м3). Они обладают хорошей пластичностью, малой анизотропией свойств,

высокой прочностью при криогенных температурах, отсутствием чувствительности к надрезу.

Магниевые сплавы выпускаются в виде поковок, штамповок, листов, прутков, труб, профилей.

По химическому составу многие литейные сплавы магния близки к деформируемым. Преимуществом литейных сплавов перед деформируемыми является значительная экономия металла при производстве деталей, поскольку высокая точность размеров и хорошая чистота поверхности отливок почти исключают их обработку резанием. Однако из-за грубозернистой литой структуры они имеют более низкие механические свойства, особенно пластичность. Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается различными способами: перегревом, модифицированием, гомогенизацией отливок, а также применением особо чистых шихтовых материалов при приготовлении сплавов. Перегрев дает хорошие результаты в сплавах с алюминием, выплавленных в железных тиглях. В результате взаимодействия алюминия с железом образуются частицы соединения FeAl3, которые являются дополнительными центрами кристаллизации.

Для модифицирования используют цирконий, магнезит, мел. При гомогенизации происходит растворение грубых интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы.

Механические свойства литейных магниевых сплавов в основном находятся на уровне свойств литейных алюминиевых сплавов, но, обладая меньшей плотностью, магниевые сплавы превосходят их по удельной прочности.

Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg - Al - Zn, особенно сплавы с повышенным содержанием алюминия. Для сплавов этой системы характерен более широкий, чем у алюминиевых сплавов, интервал кристаллизации. В результате они обладают пониженной жидкотеку-честью, усадочной пористостью и низкой герметичностью, склонностью к образованию горячих трещин. С увеличением содержания алюминия литейные свойства сначала ухудшаются, поскольку увеличивается интервал кристаллизации, а затем при появлении неравновесной эвтектики — улучшаются; повышаются прочностные характеристики. Однако из-за большого количества интерметаллидных фаз, в том числе и эвтектических (рис. 13.14), сплавы с большим содержанием алюминия обладают пониженной пластичностью. Наилучшее сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы, содержащие 7,5 - 10 % Al (МЛ5, МЛ6). Небольшие добавки цинка способствуют улучшению технологических свойств. Гомогенизация при 420 ° С (12 - 24 ч) и закалка с этой температуры способствуют повышению прочности и пластичности. Вследствие малой скорости диффузии алюминия в магнии сплавы закаливаются при охлаждении на воздухе. Старение при 170 - 190 ° С дополнительно повышает временное сопротивление и особенно предел текучести сплавов.

Малая плотность магниевых сплавов, а в отдельных случаях высокая

удельная прочность способствуют их широкому применению в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т.д.), ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и др.), в приборостроении (корпуса и детали приборов). Вследствие малой способности к поглощению тепловых нейтронов магниевые сплавы используют в атомной технике, а благодаря высокой демпфирующей способности — при производстве кожухов для электронной аппаратуры.

Более высокими технологическими и механическими свойствами при 20 — 25 ° С и повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием (МЛ12), а также сплавы, дополнительно легированные кадмием (МЛ8), редкоземельными металлами (МЛ9, МЛ10). Последние улучшают литейные свойства магниевых сплавов, снижают склонность к образованию горячих трещин и пористости, увеличивают прочность при обычных и повышенных температурах. Цирконий значительно измельчает крупнозернистую структуру отливок, способствует очистке сплавов от вредных примесей, благоприятно влияет на свойства твердого раствора, повышает температуру рекристаллизации. Кадмий улучшает механическими технологические свойства.

Высокопрочные литейные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и авиадвигателей (корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ПЛАСТМАССЫ Общая характеристика

Пластическими массами, или пластмассами, называют материалы, изготовленные на основе полимеров. Состав композиций разнообразен: простые пластмассы — это полимеры без добавок, сложные пластмассы — это смеси полимеров с различными добавками (наполнители, стабилизаторы,

пластификаторы и т.д.).

Наполнители — это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, Si02, тальк, ТЮ2, графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные), листов (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон). Их добавляют в количестве 40 - 70 % для повышения механических свойств, снижения стоимости, изменения других параметров.

Стабилизаторы — различные органические вещества, которые вводят в

количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств. Под влиянием окружающей среды происходит как разрыв макромолекул на части, так и соединение макромолекул между собой поперечными связями. Изменения исходной структуры макромолекул составляют сущность старения пластмасс, которое необратимо снижает прочность и долговечность изделий. Добавки стабилизаторов замедляют старение.

Пластификаторы — вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Их добавляют в количестве 10 - 20 % для уменьшения хрупкости и улучшения формуе-мости. Часто пластификаторами служат эфиры, а иногда и полимеры с гибкими молекулами.

Специальные добавки — смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, для защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения и другие — служат для изменения или усиления какого-либо свойства.

Отвердители в количестве нескольких процентов добавляют к термореактивным пластмассам для отверждения. При этом между макромолекулами возникают поперечные связи, а молекулы отвердителя встраиваются в общую молекулярную сетку. В качестве отвердителей используют органические перекиси и другие вещества, серу (в резинах).

Основой классификации пластмасс служит химический состав полимера. В зависимости от полимера пластмассы разделяют на фенолоформальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиамидные, полиуретановые, стирольные и др.

Применение пластмасс как конструкционных материалов, экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемка, число операций в несколько раз меньше и отходов получается немного. Пластмассовые детали, как правило, не нуждаются в отделочных операциях.

Отличительными особенностями пластмасс являются малая плотность (1-2 г/см3, а у пенопластов от 0,015 до 0,8 г/см3); высокая химическая стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность (0,2 - 0,3 Вт/(м-° С)) и значительное тепловое расширение (в 10 - 30 раз больше, чем у обычных сталей). Преимущества пластмасс в сочетании с удобством переработки обеспечили им применение в машиностроении, несмотря на ограниченную теплостойкость, малую жесткость и небольшую