Свойства и применение цветных металлов

 

Таблица – Атомно-кристаллическая структура и физико-механические свойства цветных металлов

Таблица – Механические свойства алюминия, меди и титана

Металл Тип решетки при 20 ^оС Тпл, ^оС Плотность при 20 ^оС, г/см^3 Модуль Юнга при 20 ^оС, ГПа Удельное электро- сопротивление, мкОм·см Теплопро- водность, Вт/м·К Al ГЦК   2,70   2,67   Be ГП   1,85   3,3   W ОЦК   19,2   5,4   Au ГЦК   19,3   2,20   Mg ГП   1,74   4,2   Cu ОЦК   8,96   1,69   Mo ОЦК   10,2   5,7   Ni ГЦК   8,9   6,9   Sn ОЦТ   7,3   12,6   Pb ГЦК   11,7   20,6   Ag ГЦК   10,5   1,63   Ti ГП   4,5     21,6 Cr ОЦК   7,1   13,2   Zn ГП   7,14   5,96 119,5

Металл Марка Содержание примесей, % Состояние σВ, МПа δ, % Al А995 0,005 Литое     А0   Литое     Деформиро- ванное     Отожженное     Cu М1 0,1 Литое     Деформиро- ванное     Отожженное     Ti ВТ1-00 0,9 Отожженное 300–450   ВТ1-0 1,7 Отожженное 400–550

 

Наибольший объем производства среди цветных металлов и сплавов имеют три металла – алюминий, медь, титан – и сплавы на их основе.

Достоинствами алюминия является низкая стоимость, высокая электро- и теплопроводность, низкая плотность, высокая удельная прочность (σ_В/ρ), хорошая коррозионная стойкость во многих средах и высокая технологичность (возможность плавки и обработки давлением при невысоких температурах в воздушной атмосфере). К недостаткам относятся плохая обрабатываемость резанием и низкая жаропрочность.

Медь характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Недостатки меди: высокая плотность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.

К достоинствам титана относится высокая прочность и удельная прочность не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода, а также высокая коррозионная стойкость. Недостатком титана является низкая теплопроводность. Из-за этого титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается.

Классификация сплавов цветных металлов

Для описания цветных сплавов применяют несколько классификаций:

· по химическому составу, или, другими словами, по вводимым в состав легирующим элементам;

· по фазовому состоянию в отожженном состоянии (например, различают однофазные α-и двухфазные (α+β)-латуни, а для титановых сплавов используют названия α-, псевдо α-, (α+β)-сплавы);

· по областям преимущественного применения (например, патронная латунь);

· по основной характеристике, определяющей особенности применения (так, сплавы на основе алюминия относят к группе материалов с малой плотностью, титановые сплавы – к материалам с высокой удельной прочностью, медные сплавы – к материалам с особыми технологическими свойствами);

· по технологическим способам, используемым для получения изделий из рассматриваемого сплава (деформируемые, литейные, спекаемые сплавы);

· по возможности упрочнить сплав с помощью термической обработки (термически упрочняемые и термически неупрочняемые).

Сплавы на основе меди

Медь маркируется буквой М (к которой в случае высшей чистоты добавляются буквы ВЧ) и цифрами (условным номером), отражающими содержание меди. Например, в меди марки МВЧк суммарное содержание меди и серебра (частого спутника меди в месторождениях) не менее 99,993 %, М00к – 99,99, М0б – 99,97, М0к – 99,95, М1к и М1р – 99,9, М2 и М2р – 99,7, М3 и М3р – 99,5 %. В конце марки ставится буква, характеризующая способ рафинирования (очистки) – конечной стадии получения меди:

к – катодная (электролитическое рафинирование); б – бескислородная (медь, полученная плавкой в вакууме); р – раскисленная (с уменьшенным содержанием кислорода за счет введения в расплав раскислителя, чаще всего фосфора, – элемента, связывающего кислород в оксид, который всплывает на поверхность расплава и легко удаляется).

Если такой буквы нет (марки М2 и М3), то это указывает на медь огневого рафинирования.

Следует обратить внимание на то, что техническая медь, полученная с помощью разных способов рафинирования, при одинаковом содержании меди имеет разное содержание кислорода и, следовательно, разные свойства. Например, в меди марки М2р содержится не более 0,01 %О, а в меди М2 кислорода больше – до 0,07 %.

Медные сплавы по химическому составу делят на бронзы, латуни и медноникелевые сплавы.

Латуни – это сплавы меди, в которых главной добавкой является цинк.

Бронзы – это сплавы меди, в которых основной добавкой является любой элемент, кроме цинка и никеля. Различают оловянные и безоловянные бронзы. Безоловянные бронзы подразделяют по основному легирующему элементу на алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, хромовые и др.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если, кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, Ц – цинк). Содержание этих элементов обозначается соответствующими числами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.

Литейные латуни также маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. Буквенные обозначения легирующих элементов приводят в порядке убывания их концентрации. В конце марки в той же последовательности указывают числа, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов, и ставится число, равное их среднему содержанию в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Оловянные бронзы

При добавке к меди олова образуется твердый раствор замещения α на основе меди (см. рис.1). При содержании олова в сплаве больше 9,1 % (ат.), что составляет 15,8 % по массе, при 520 ^оС по эвтектоидной реакции γ → α + δ образуется промежуточная фаза δ, по составу примерно отвечающая стехиометрической формуле Cu₃₁Sn₈. Отраженное на диаграмме состояния при 350 ^оС эвтектоидное превращение δ → α + ε реализуется только при громадных выдержках (до 10000 ч) сильно деформированных образцов. Объясняется это чрезвычайно медленной диффузией олова в меди.

В промышленных условиях скорость охлаждения оказывается слишком большой для того, чтобы реализовывались условия равновесия. Склонность оловянных бронз к отклонению от равновесия проявляется в следующих чертах:

1. При кристаллизации формируется дендритная, или внутризеренная, ликвация (содержание олова в центре зерен α-фазы меньше, чем вблизи их границ; другими словами, центральные части зерен, формирующиеся при кристаллизации раньше и при более высокой температуре, обогащены более тугоплавким компонентом – медью).

2. При высоких температурах растворимость олова в α-фазе понижена по сравнению с равновесным значением; линия неравновесного солидуса, характеризующая химический состав α-фазы в процессе кристаллизации, идет левее равновесного солидуса, изображенного на диаграмме фазового равновесия.

3. Отсутствует температурная зависимость олова в α-фазе, т.к. диффузия олова практически не идет и состав α-фазы «заморожен», т.е. остается примерно таким же, каким он сформировался в процессе неравновесной кристаллизации. В условиях равновесия уменьшение температуры должно было бы сопровождаться сначала (до 520 ^оС) увеличением содержания олова, а затем его снижением.

4. Не происходит низкотемпературное (при 350 ^оС) эвтектоидное превращение δ → α + ε.

5. При низких температурах вместо равновесной фазы ε присутствует неравновесная фаза δ.

Литейные бронзы с низким содержанием олова, например, БрО3Ц7С5Н1 и БрО4Ц4С17, используют в качестве заменителя дефицитного олова цинк и применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 % для обеспечения необходимой пластичности. Деформируемые оловянные бронзы или полностью однофазные, или содержат в виде включений небольшое количество второй фазы (Cu₃₁Sn₈, Cu₃P). Примером оловянной бронзы, обрабатываемой давлением, является сплав марки БрОФ6,5-0,15, который применяют для изготовления различных упругих элементов, в частности, силовых токоведущих пружинных контактов.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

 

Рис. 1 Диаграмма состояния Cu-Sn	Рис. 2 Диаграмма состояния Cu-Al

 

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы – наиболее многочисленная группа безоловянных бронз (см. рис.2). При добавке к меди алюминия образуется твердый раствор замещения α, предельная растворимость алюминия в котором при понижении температуры с 1032 до 565 ^оС увеличивается от 7,4 до 9,4 % (по массе). Столь крутой наклон линии предельной растворимости приводит к исчезновению эвтектики, образовавшейся при 1032 ^оС.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение α-твердого раствора. При содержании алюминия 9,4–15,6 % сплавы системы медь–алюминий двухфазные и состоят из α и γ₂-фаз (γ₂ – промежуточная фаза переменного состава со сложной кубической решеткой). В двухфазных бронзах при охлаждении происходит эвтектоидное превращение (при 565 ^оС) β → α + γ₂. Перитектоидная реакция при 363 ^оС в промышленных условиях не реализуется.

При реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре сплава при 6–8 % Al. Наличие эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности. С увеличением содержания алюминия до 10–11 % прочность продолжает расти.

На практике используют однофазные алюминиевые бронзы, содержащие 5–8 % алюминия (БрА5, БрА7), и двухфазные доэвтектоидные бронзы с большим содержанием алюминия (БрА10, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5).

Однофазные бронзы (БрА5, БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (σ_В = 400–450 МПа) и пластичности (δ = 60 %).

Двухфазные бронзы используют в качестве литейных или деформируемых в горячем состоянии. Особенностью двухфазных бронз является то, что их можно подвергать упрочняющей термической обработке. При быстром охлаждении (закалке в воде) от температуры однофазного состояния (950 ^оС) β-фаза испытывает не эвтектоидное, а мартенситное превращение β → β . Особенность мартенсита β  в двухфазных алюминиевых бронзах – его невысокая прочность. Упрочнения достигают не в результате закалки, а в результате отпуска при 250–300 ^оС. При отпуске образуются упрочняющие сплав очень мелкие частицы γ₂-фазы.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

Латуни

Медь с цинком образует твердый раствор (α) с ГЦК решеткой и предельной концентрацией цинка 39 %. При большем содержании цинка образуется промежуточная фаза β состава CuZn, имеющая ОЦК решетку.

При температуре 454–468 ^оС происходит упорядочение (в упорядоченной фазе β  атомы меди окружены преимущественно атомами цинка, и наоборот, атомы цинка в качестве ближайших соседей имеют атомы меди). Упорядочение β-фазы сопровождается значительным повышением ее твердости и хрупкости, поэтому сплавы, состоящие из одной β -фазы, не используют. По способу изготовления изделий различают латуни деформируемые и литейные. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45 % Zn. По виду легирования латуни подразделяют на двойные (простые) и многокомпонентные (специальные, или легированные). По фазовому составу латуни делятся на однофазные и двухфазные: различают α-латуни и (α+β)-латуни. В двухфазных латунях при комнатной температуре нет β-фазы, а есть упорядоченная фаза β , но в названии «(α+β)-латунь» это не принято указывать, хотя именно из-за упорядочения β -фаза и содержащая ее латунь имеет пониженную пластичность. Однофазные α-латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Из них изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку. Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 ^oС используют (α+β)-латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали.

Рис. 3 Диаграмма состояния Cu-Zn

Наиболее широко применяют двойные латуни марок Л90, Л68 и Л63. Однофазная латунь Л90, называемая томпаком, обладает хорошей коррозионной стойкостью и имеет красивый золотистый цвет. Ее используют для изготовления радиаторных трубок, знаков отличия и фурнитуры.

Так называемая патронная латунь Л68 из-за более высокой концентрации цинка прочнее, чем Л90, и обладает наибольшей среди всех двойных латуней пластичностью (δ = 55 %). Патронную латунь широко используют для изготовления изделий холодной штамповкой и глубокой вытяжкой.

Латунь Л63, называемая торговой, среди всех латуней занимает первое место по объему производства. Она самая прочная из рассмотренных латуней.

Легирование позволяет улучшить некоторые свойства латуней.

Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, как в латуни марки ЛС59-1, которую называют автоматной латунью. Название связано с применением ЛС59-1 в массовом производстве для быстрой обработки резанием на станках-автоматах, в частности, в часовой промышленности. Свинцовая (α+β)-латунь ЛС59-1 по объему производства находится на втором месте, уступая в этом лишь латуни Л63.

Следует подчеркнуть, что свинцом можно легировать только двухфазную латунь. Свинец практически нерастворим в α и β-фазах и находится в латуни в виде мелких округлых включений. В однофазной α-латуни свинец является вредной примесью, вызывающей горячеломкость, и его концентрация не должна превышать 0,03 %. В двухфазных же латунях вследствие α↔β-превращения легкоплавкий свинец, при температуре горячей деформации превращающийся в жидкую фазу, находится не по границам, а внутри зерен твердого раствора. Из-за этого свинец не вызывает горячеломкости даже при концентрациях до 3 %.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Оловянная α-латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется морской латунью.

Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

 

Сплавы на основе алюминия

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Mn, Si, Zn. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы переменной ограниченной растворимости и промежуточные фазы: CuAl₂, Mg₂Si и др.

Наличие уменьшающейся при охлаждении ограниченной растворимости в твердом состоянии дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спечённые), способности к термической обработке и свойствам. На рис. 4 дана схема по которой можно понять примерный состав алюминиевых сплавов по технологии изготовления.

Алюмини й маркируют буквой А, за которой следуют цифры, указывающие десятые, сотые или тысячные доли процента содержания алюминия. Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995 % Al, А99 – 99,99 % Al, А7 – 99,7 % Al и А0 – 99,0 % Al. Отечественной промышленностью выпускается алюминий особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995, А99, А97, А95) и технической чистоты (А85, А8, А7, А6, А5 и А0).

Деформируемый алюминий обозначают буквами АД и цифрами, которые условно характеризуют чистоту металла. Деформируемый алюминий марки АД00 содержит не менее 99,7, АД0 – 99,5, АД1 – 99,3 и АД – 98,8 % Al.

В марках алюминиевых сплавов первые буквы характеризуют тип сплава: Д – сплавы типа дуралюминов; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный.

Рис. 4. Диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент (схема): ДС – деформируемые сплавы; ЛС – литейные сплавы; НС и УС – сплавы, неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой соответственно.

 

§ Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, получаются при введении в алюминий марганца или магния. Эти элементы существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (например, АМг6).

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы, находящиеся в нагартованном (АМгН – 80 % наклепа) и полунагартованном (АМгП – 40 % наклепа) состояниях. Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы, находящиеся в нагартованном (АМгН – 80 % наклепа) и полунагартованном (АМгП – 40 % наклепа) состояниях.

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.