Изучение особенностей цветных сплавов

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить особенности химического состава, структуры, свойств, получения и применения алюминиевых, медных сплавов и баббитов.

 

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ.

Сплавы на основе алюминия

2.1.1 Алюминий

Алюминий относится к легким металлам, т.к. его плотность менее 3г/см³ (2,7г/см³). Характерными свойствами алюминия являются низкая температура плавления (660°С), высокая пластичность, сравнительно малая прочность, высокие теплопроводность, электропроводность, стойкость против окисления.

Маркируется алюминий по степени чистоты, например, А99, где А – алюминий, 99 – степень чистоты 99,99%.

Алюминий обладает высокой химической активностью и одновременно исключительной коррозионной стойкостью. На воздухе он покрывается тонкой, но очень прочной беспористой оксидной пленкой Al₂O₃, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления.

Чем алюминий чище, тем выше его коррозийная стойкость, пластичность, электро- и теплопроводность и тем ниже прочность и твердость. Так, литой алюминий высокой чистоты марки А955 (суммарное количество примесей 0,005 %) имеет предел прочности при растяжении 50 МПа, относительное удлинение 45 %, твердость по Бринеллю 15 HB. У алюминия марки А0 (сумма примесей 1%) те же характеристики соответственно равны 90 МПа, 30 % и 25 НВ.

Из-за низких прочностных свойств алюминий применяют лишь для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, коррозионная стойкость, пластичность, свариваемость.

Алюминиевые сплавы

К числу достоинств сплавов на основе алюминия относятся: малая плотность, высокие удельные механические свойства, высокая коррозионная стойкость, широкий температурный диапазон работы, начиная с температуры жидкого водорода, высокая вязкость разрушения, свариваемость, легкость обработки режущим инструментом.

В настоящее время алюминиевые сплавы являются важнейшим конструкционным материалом летательных аппаратов.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, порошковые), способности к упрочнению термической обработкой (упрочняемые и неупрочняемые) и свойствам (жаропрочные, ковочные, высокопрочные, сплавы для заклепок и др.). Основой для разделения сплавов по технологии изготовления и способности к термической обработке являются диаграммы состояния. На рисунке 1 представлена схема подобного разделения для двойных и тройных сплавов.

 

Рисунок 1 – Фрагмент диаграммы состояния алюминий – легирующий элемент

А – деформируемые сплавы; В – литейные сплавы;

I – сплавы неупрочняемые;

II –упрочняемые термической обработкой

 

Алюминиевые сплавы подразделяют на несколько групп:

1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Это сплавы систем Al-Mn и Al-Mg. Их маркируют соответственно АМц или АМг с цифрой в конце марки, означающей среднее содержание растворенного элемента, например, АМг2 (около 2%Mg).

Сплавы этой группы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Применяют их для изготовления сварных и клепаных конструкций в судостроении, строительстве, для трубопроводов, емкостей для жидкостей и т.д. Для средненагруженных деталей и конструкций применяют сплавы АМг5 и АМг6 (в вагоностроении, судостроении и т.д.).

2. Дюралюминий (дуралюмин) и другие деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Дюралюминием называют сплав Al-Cu-Mg-Mn. Маркируют его буквой Д и номером (например, Д1, Д16).Термическая обработка дюралюминия состоит из закалки и старения. Старение может быть как естественным (несколько суток), так и искусственным (10-20 часов при 150-200°С). Микроструктура сплава Д16 после закалки и старения приведена на рисунке 2,а.

После закалки в воде дуралюмины имеют невысокую твердость и прочность, но повышенную пластичность, лишь несколько сниженную по сравнению с отожженным состоянием. Пересыщенный по отношению к равновесному (отожженному) состоянию сплав является метастабильным и при длительном пребывании в области нормальных температур (естественном старении) или при сравнительно непродолжительном нагреве (искусственном старении) изменяет свое состояние, приближаясь к равновесному. Превращения при старении приводят к значительным изменениям свойств сплава: возрастают прочность и твердость при заметном понижении пластичности. Это происходит за счёт образования зон с резко повышенной концентрацией растворенного компонента (меди). Эти зоны носят название Гинье – Престона.

Дуралюмины получили широкое применение в авиационной промышленности. Например, Д1 – лопасти воздушных винтов, заклёпки, конструктивные элементы остова планеров; Д16 – обшивки клёпаных конструкций, длительно работающих при 80°С, ограниченное время при 150°С.

Рисунок 2 – Микроструктуры сплавов, x300:

а – дюралюмин Д16 после закалки и старения;

б – силумин АК12 до модифицирования;

в – силумин АК12 после модифицирования

 

3. Алюминиевые ковочные сплавы, применяемые для изготовления поковок и штамповок (иногда эти сплавы применяют и для изготовления отливок). Это сплавы многокомпонентной системы Al-Cu-Si-Mn-Mg. Маркируют их буквами АК и цифровым номером (например, АК6, АК8). Обычно эти сплавы подвергают закалке и естественному старению.

4. Литейные алюминиевые сплавы. В основном это сплавы систем Al-Si (силумины), Al-Cu, Al-Mg, иногда с дополнительными элементами. Алюминиевые литейные сплавы обозначаются буквой А в начале марки, затем приводятся обозначения основных элементов следующими буквами: К – кремний, Мг – магний, М – медь, Мц – марганец, Ц – цинк, Кд – кадмий, Н – никель. Цифры после букв указывают среднее содержание элемента в процентах. Буквы в конце марки обозначают: ч – чистый, пч – повышенной чистоты, оч – особой чистоты, л – литейные сплавы, с – селективный (например, АК12, АК7ч, АК9пч, АМг6л, АЦ4Мг и др.)

Силумины чаще всего являются эвтектическими и доэвтектическими сплавами (рисунок 3). Для измельчения микроструктуры и соответствующего повышения свойств силумины модифицируют (добавками титана, бора, солей натрия и др.). Модифицирование влияет на положение линий диаграммы (см. рисунок 3), и на характер микроструктуры (например, переводя эвтектический или даже заэвтектический силумин в доэвтектический) (рисунок 2, б, в).

 

Рисунок 3 – Часть диаграммы состояния сплавов Al–Si

Сплавы на основе меди

2.2.1 Медь

Медь – металл, имеющий температуру плавления 1083°С, плотность 8,94 г/см³, ГЦК кристаллическую решетку. Медь имеет ряд ценных технических свойств: высокую пластичность, высокие электро- и теплопроводность, малую окисляемость. В зависимости от химического состава устанавливаются следующие марки меди: М00 (99,99%Сu), М0 (99,95%Сu), М1 (99,90%Сu), М2 (99,70%Сu), М3 (99,50%Сu), М4 (99,0%Cu), остальное – примеси (висмут, свинец и др.).

Вредными примесями являются Bi, O, S, Рb и др. Примеси и наклёп резко снижают электропроводность меди.

Примеси в меди свинца и висмута образуют легкоплавкие эвтектики, затрудняют горячую обработку, вызывают красноломкость. Содержание в сплаве Pb и Bi должно быть меньше 0,2 % (температура плавления эвтектики 270 °С).

Сера и кислород с медью также образуют химические соединения в виде: Cu₂O, Cu₂S (температура плавления эвтектики Cu₂O - 1065 °С, Cu₂S – 1067 °С). Содержание O и S в соединениях менее 1 % не вызывает красноломкости.

Нагрев меди в среде, содержащей кислород и водород, приводит к разрывам и трещинам ("водородная болезнь"): Cu₂O + H₂ → Cu + H₂O.

Вредные примеси снижают механические свойства меди, но в большей степени они зависят от ее состояния. В отожженном виде медь весьма пластична: δ = 50 %, ψ = 75 %, σ_В = 220 МПа. В деформированном состоянии пластичность меди понижается, твердость и прочность повышаются: δ = 1 – 3 %, φ = 35 %, 120 НВ, σ_В = 450 МПа.

 

2.2.2 Медные сплавы

Важнейшими медными сплавами являются латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком, цинка в латунях содержится до 45%. Различают двойные и многокомпонентные (специальные) латуни, содержащие дополнительные (легирующие) элементы.

Диаграмма состояния Cu-Zn и влияние содержания цинка на механические свойства латуни приведены на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Диаграмма состояния Cu-Zn (а) и влияние содержания цинка на механические свойства латуни (б)

 

В зависимости от содержания цинка латуни подразделяются на две группы:

1. Однофазные a-латуни (до39%Zn);

2. Двухфазные a+b¢-латуни (от 39 до 45%Zn),

здесь a-фаза – твердый раствор замещения цинка в меди, имеет ГЦК решетку, высокую пластичность, низкие значения прочности и твердости;

b¢-фаза – упорядоченный твердый раствор на базе химического соединения CuZn с кристаллической решеткой ОЦК. Эта фаза характеризуется более высокой твердостью, чем a-фаза, и хрупкостью.

Микроструктуры однофазной и двухфазной латуней приведены на рисунке 5.

Однофазные латуни хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Двухфазные латуни подвергаются пластической деформации при высоких температурах, т.к. присутствие в них хрупкой b¢-фазы затрудняет ее деформацию в холодном состоянии.

 

Рисунок 5 – Микроструктуры медно-цинковых сплавов (слева)

и схемы их зарисовки (справа), х 200:

а – однофазная латунь Л80;

б – двухфазная латунь ЛС59-1

 

Двойные латуни применяют чаще как деформируемые (а не литейные) сплавы для изготовления труб, фольги, листов, лент и изделий из них. Специальные латуни используют как деформируемые и литейные сплавы в машиностроении (гайки нажимных винтов, подшипники, антифрикционные детали, арматура) и других отраслях промышленности.

Двойные латуни маркируют буквой Л, следующая за ней цифра обозначает содержание меди в целых процентах, например, Л96 (Л – латунь, 96%Cu, остальное – Zn).

Для повышения механических и технологических характеристик и придания латуням специальных свойств их легируют. Легирующие элементы обозначают буквами: А-Al, Ж-Fe, Мц-Mn, К-Si, Н-Ni, О-Sn, С-Pb, Т-Тi, Ф-Р, Ц-Zn и т.д. В марке многокомпонентной деформируемой латуни после букв следуют цифры через дефис. Первая цифра указывает среднее содержание меди, остальные – содержания соответствующих легирующих элементов. Содержание цинка определяется по разности до 100%. Например, латунь ЛМцЖ55-3-1 содержит (в среднем): 55% Сu, 3% Mn, 1% Fe, остальное – Zn.

В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40МцЗА содержит 40 % цинка, 3 % марганца, около 1 % алюминия, остальное - медь.

Бронзы – сплавы меди с оловом, свинцом, алюминием и другими элементами, вместе с которыми может присутствовать и цинк. По основному легирующему элементу их подразделяют на оловянные (оловянистые), алюминиевые, бериллиевые и т. д.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянистые бронзы (обычно с содержанием до 10-12%Sn). Бронзы, содержащие до 4-5%Sn – однофазные (a – твердый раствор олова в меди), при большем содержании олова – двухфазные со структурой a+эвтектоид (a+e) (e– соединение CuSn).

Обработке давлением подвергаются только однофазные бронзы. Их используют для сеток целлюлозно-бумажной промышленности, лент, полос, пружинной проволоки. Оловянистые литейные бронзы применяются для сложного фасонного литья, шестерен, втулок, гаек, ходовых винтов, корпусов кранов, червячных колес, арматуры для водяных и паровых систем. Оловянистые бронзы склонны к ликвации; при ускоренном охлаждении они получают резко выраженное дендритное строение (рисунок 6).

Рисунок 6 – Микроструктура бронзы БрОЦ4-3 (слева)

и схема зарисовки (справа), х 200:

а – после литья (дендриты твердого раствора),

б – после ковки и диффузионного отжига (однородные зерна твердого раствора)

Деформируемые бронзы маркируют буквами Бр, а затем, как и в латунях, указывают основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. Например, бронза БрАЖН10-4-4 содержит; 10% Al, 4% Fe, 4% Ni, остальное – Cu.

В марках литейных бронз содержание каждого легирующего элемента ставится сразу же после буквы, обозначающей его название. Например, бронза БрО10Ц2 содержит 10 % олова, 2 % цинка, остальное - медь.

 

Подшипниковые сплавы

Наиболее распространенными подшипниковыми материалами являются антифрикционные сплавы на оловянистой и свинцовистой основах. Эти сплавы называютсябаббитами.

Баббиты на основе олова являются сплавами тройной системы Sn-Sb-Cu. Маркируют их буквой Б, за которой следует цифра, показывающая содержание основного компонента – олова (остальное – сурьма и медь). Например, Б83 – баббит, содержащий 83%Sn (остальное – 10-12%Sb и 5-7%Cu). Структура оловянистого баббита Б83 (рисунок 7) состоит из первичных кристаллов – дендритов промежуточной фазы Cu₃Sn, многогранных (полиэдрических) кристаллов фазы SnSb и a - твердого раствора сурьмы и меди в олове.

 

Рисунок 7 – Микроструктуры баббитов, х 200:

а – оловянистого Б83,

б – свинцовооловянистого Б16

 

 

Баббит Б83 применяется для заливки подшипников тяжело нагруженных машин (турбин). Дешевым заменителем его является свинцовистый баббит Б16 (15-17%Sn, 15-17%Sb и 1,5-2%Cu, остальное – свинец). Он используется для изготовления подшипников скольжения высокоскоростных двигателей, хорошо воспринимает ударные и знакопеременные нагрузки.

 

3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

3.1 Микроскопы МИМ-7.

3.2 Микрошлифы алюминиевых, медных сплавов и баббитов.

 

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1 Привести классификацию и дать краткую характеристику каждой группы сплавов. Разобраться с маркировкой сплавов и привести ее в отчете.

4.2 Посмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуры дюралюмина, силуминов, латуней, бронз и баббитов.

4.3 На каждом рисунке стрелками указать структурные составляющие. Под микроструктурами указать марку сплава и увеличение микроскопа.

 

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1 Назовите основные цветные металлы.

5.2 Свойства алюминия.

5.3 Деформируемые алюминиевые сплавы. Их классификация, назначение и маркировка.

5.4 Почему сплавы систем Al-Mn и Al-Mg не упрочняются термической обработкой.

5.5 Расшифруйте марку сплава АМг2.

5.6 Расшифруйте марку сплава АК9пч.

5.7 Свойства технической меди.

5.8 Латуни и их применение, марки латуней, маркировка латуней.

5.9 Состав и структура латуней.

5.10 Назначение бронзы, маркировка бронзы.

5.11 Расшифруйте сплав Л90.

5.12 Расшифруйте сплав БрСЦ10-10.

5.13 Чем отличается бронза марки БрО5Ц5С5 от БрСЦ-5-5-5?

 

6. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

6.1 Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В. П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – С. 406-422.

6.2 Сильман, Г.И. Материаловедение: Учеб. пособ. для втузов. Часть 2. Металловедение и термическая обработка металлов. – Раздел 2. Металлические материалы / Г.И. Сильман. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2005.– 97 с.

 

Лабораторная работа № 8