Алюминий и алюминиевые сплавы

• Деформируемые алюминиевые сплавы
• Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавы

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопровод­ностью; плотность его 2700 кг/м³, температура плавления в зависимости от чистоты колеблется в пределах 660—667°С. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σ_в = 80—100 МПа), низкую твердость (НВ 20—40), но обладает высокой пластичностью (δ = 35—40%). Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой плотной пленкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от кор­розии.

В качестве конструкционных материалов алю­миний широко применяют в виде сплавов с дру­гими металлами и неметаллами (медь, марга­нец, магний, кремний, железо, никель, титан, бериллий и др.). Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повы­шенные прочностные характеристики легирую­щих добавок. Так, железо, никель, титан повы­шают жаропрочность алюминиевых сплавов. Медь, марганец, магний обеспечивают упрочняю­щую термообработку алюминиевых сплавов. В результате легирования и термической обработки удается в несколько раз - повысить прочность (σ_в с 100 до 500 МПа) и твердость (НВ с 20 до 150) алюминия. Все сплавы алюминия подразде­ляют на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы. Де­формируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профи­лей, проволоки и различных деталей штампов­кой, прессованием, ковкой. В зависимости от хи­мического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на 7 групп; содержат 2—3 и более легирующих компонента в количестве 0,2—4% каждого. Например, сплавы алюминия с магни­ем и марганцем; алюминия с медью, магнием, марганцем и др.

Деформируемые сплавы разделяют на спла­вы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, подвергае­мые механической и термической обработке, име­ют буквенные обозначения, указывающие на ха­рактер обработки.

Термически неупрочняемые спла­вы — это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием и марганцем (АМг). Они обладают умеренной прочностью, высокой кор­розионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью.

Термически упрочняемые сплавы приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Наи­более распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дуралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).

Дуралюмины маркируют буквой Д, после ко­торой стоит цифра, обозначающая условный но­мер сплава. Термическая обработка дуралюминов состоит в закалке, естественном или искусст­венном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500°С и охлаждают в воде. Естественное ста­рение производят при комнатной температуре в течение 5—7 сут. Искусственное старение проводят при 150 —180°С в течение 2—4 ч.

Деформируемые алюминиевые сплавы

 

 

Марка	Толщина листов, мм	Предел прочности при растяжении, σв МПа	Относительное удлинение, δ %	Назначение
Термически неупрочняемые
АМцМ АМг2М АМг2Н АМг3М	0,5-10 0,5-10 0,5-10 0,8-10	190-200	18-22 16-18 3-4	Малонагруженные де тали, сварные и клепаные конструкции, детали, полу­чаемые глубокой вытяжкой
АМг5М	0,8-10			Средненагруженные детали сварных и клепаных конструкций, конструкций с высокой корро­зионной стойко­стью
Термически упрочняемые
Д1А	5-10,5			Детали и конструк­ции средней проч­ности
Д16А Д16АТ	5-10,5 5-10,5			Детали и конструк­ции повышенной прочности, работа­ющие при перемен­ных нагрузках
В95А	5-10,5			Детали нагружаемых конструкций, рабо­тающие при темпе­ратуре до 100°С.

 

Примечания: I) В зависимости от состояния поставки в обо­значение марки добавляют следующие буквы: М- отожженные, Н- нагартованные, Т - закаленные и естественно состаренные. 2) Листы из сплавов Д1, Д16, В95 с нормальной плакировкой дополнительно марки­руют буквой А.

 

При одинаковой прочности дуралюмины, подвергнутые естест­венному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному ста­рению. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержа­ние температуры (±5°), чтобы не допустить пе­режога и достичь наибольшего эффекта термиче­ской обработки.

Дуралюмины не обладают необходимой кор­розионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию. Дюралюмины выпу­скают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко при­меняют дюралюмины в авиационной.промыш­ленности и строительстве.

 

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные сплавы содержат почти те же легирующие ком­поненты, что и деформируемые сплавы, но в зна­чительно большем количестве (до 9—13% по от­дельным компонентам). Литейные сплавы пред­назначены для изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химическому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюми­ний с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, неболь­шой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удель­ную прочность, хорошо обрабатываются резани­ем и имеют высокую коррозионную стойкость. Свойства алюминиевых литейных сплавов су­щественно зависят от способа литья и вида тер­мической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей от­ливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода теп­ла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные фор­мы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (см. табл.). Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем де­формируемые. Это определяет режимы их терми­ческой обработки. Для закалки силумины нагре­вают до температуры 520—540°С и дают дли­тельную выдержку (5—10 ч), для того чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150—180°С в течение 10—20 ч.Для улучшения механических свойств силу­мины, содержащие более 5% кремния, модифи­цируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1—3% от массы сплава соли натрия (2/3 NaF + 1/3 NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его струк­тура.

 

Алюминиевые литейные сплавы

 

Марка	Способы литья	Вид тер­мической обработки	Предел прочности при растяжении, σв МПа	Твердость, HB	Назначение
АЛ2	зм, вм, км, к, д зм, вм, км, к, д	—   Отжиг	150-160   140-150		Малонагружен­ные детали (корпуса при­боров, крон­штейны и т. и.)
АЛ4	з, в, к, д к, д зм, вм, к	— Старение Закалка и полное старение			Крупные на­груженные де­тали (корпуса компрессоров, картеров, блоков)
АЛ9	з, в, к, д з, в, к, д з, в зм, вм	— Отжиг Закалка Закалка и полное старение			Детали средней нагруженности сложной кон­фигурации (го­ловки цилинд­ров, поршни, картеры сцеп­ления и т. п.)
АЛ10В	к, з	Старение	150-170	80-90	Детали, рабо­тающие при повышенных температурах
АЛ8	з, в, к	Закалка			Детали высоко-нагруженные, воспринимаю­щие вибрацион­ные нагрузки

 

Примечание:. В графе.Способы литья" введены следующие обозначения: 3 - в песчано-глинистые формы, В — по выплавляемым моделям, К — кокиль, Д — под давлением; буква М, следующая за первой, обозначает, что сплав при литье подвергают модифицированию

 

Медь и медные сплавы

• Бронзы
• Латуни
• Сплавы меди с никелем

Получение меди и ее сплавов. В настоящее время медь получают из сульфидных руд, содер­жащих медный колчедан (CuFeS₂). Обогащен­ный концентрат медных руд (содержащий 11 — 35% Cu), сначала обжигают для снижения со­держания серы, а затем плавят на медный штейн. Цель плавки на штейн — отделение сер­нистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16—60% Cu. Медные штейны переплавляют в медеплавиль­ном конвертере с продувкой воздухом и получа­ют черновую медь, содержащую 1—2% приме­сей железа, цинка, никеля, мышьяка и др. Черно­вую медь рафинируют для удаления примесей. Содержание меди после рафинирования возраста­ет до 99,5—99,99% (медь первичная—технически чистая). Чистая медь имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2 и МЗ). Суммарное количество примесей в лучшей марке М00б —0,01%. а в марке МЗ — 0.5%.

Механические свойства чистой отожженной меди: σ_в = 220—240 МПа, НВ 40—50, δ = 45-50%. Чистую медь применяют для электротехни­ческих целей и поставляют в виде полуфабрика­тов — проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чи­стую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оло­вом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатацион­ных свойств. Различают три группы медных спла­вов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем.

 

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием назы­вают бронзами. В зависимости от введенного эле­мента бронзы называют оловянными, алюми­ниевыми и т. д.

Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими анти­фрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для повышения механических характе­ристик и придания особых свойств, бронзы леги­руют железом, никелем, титаном, цинком, фосфором. Введение марганца способствует повыше­нию коррозионной стойкости, никеля — пластич­ности, железа — прочности, цинка — улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обраба­тываемости (см. табл.).

Бронзы маркируют буквами Бр, правее ста­вят элементы, входящие в бронзу: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Мц — марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содержание элемен­тов в процентах (цифру, обозначающую содер­жание меди в бронзе, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное — медь (85%).

 

 

Механические свойства бронз

Марка	Предел прочности при растяжении, σв МПа	Относительное удлинение, δ %	Твердость, HB	Назначение
БрОЦСН3-7-5-1				Детали арматуры (клапаны, задвиж­ки, краны), рабо­тающие на воз­духе, в пресной воде, масле, топ­ливе, паре и при температуре 250° С
БрОЦС5-5-5				Антифрикционные детали и арматура
БрАЖ9-4 БрАЖ9-4Л	500-700 350-450	4-6 8-12	90—100	Арматура трубо­проводов для раз­личных сред (кро­ме морской воды) при температуре до 250°С)
БрАМц9-2Л				Детали, работаю­щие в морской воде (винты, ло­пасти)
БрБ2	900-1000	2-4	70-90	Пружины, пружи­нящие контакты приборов и т. п.
БрАМц10-2 БрОФ10-1		1-2		Подшипники скольжения

 

Примечание: Механические свойства литейных бронз даны применительно к литью в кокиль.

 

Оловянные бронзы содержат в сред­нем 4—6% олова, имеют высокие механические (σ_в =150—350 МПа; δ = 3—5%; твердость НВ 60—90), антифрикционные и антикоррозион­ные свойства; хорошо отливаются и обрабатыва­ются резанием. Для улучшения качества в оло­вянные бронзы вводят свинец, повышающий ан­тифрикционные свойства и обрабатываемость; цинк, улучшающий литейные свойства; фосфор, повышающий литейные, механические и анти­фрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оло­вянные бронзы. Деформируемые бронзы (ГОСТ 5017—74) поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволоки, ленты, полосы) в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы применяют для вкладышей подшипников, втулок деталей приборов и т. п. Литейные оловянные бронзы содержат большее количество олова (до 15%), цинка (4— 10%), свинца (3—6%), фосфора (0,4—1,0%). Литейные бронзы (ГОСТ 614—73) применяют для получения различных фасонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова — основной недостаток оловянных бронз.

Безоловянные бронзы содержат алюминий, железо, марганец, бериллий, кремний, свинец или различное сочетание этих элементов. Алюминиевые бронзы содержат 4—11% алюминия. Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Эти бронзы хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, а при содержании алюминия до 8% — и в хо­лодном состоянии. Бронзы, содержащие 9—11% алюминия, а также железо, никель, марганец, упрочняются термической обработкой (закалка и отпуск). Наиболее поддающаяся закалке БрАЖН10-4-4 после закалки (980°С) и отпуска (400°) повышает твердость с НВ 170—200 до НВ 400.

Марганцовистые бронзы (БрМЦ5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают хорошей сопротивляе­мостью коррозии и высокой пластичностью, а также сохраняют механические свойства при по­вышенных температурах.

Свинцовистые бронзы (БрС3О) отли­чаются высокими антикоррозионными свойства­ми и теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у оловянных бронз), применяют для высоконагруженных подшипников с большими удель­ными давлениями.

Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие механические свойства, например у БрБ2 σ_в = 1250 МПа, НВ 350, высокий предел упругости, хорошая кор­розионная стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответст­венного назначения.

Кремнистые бронзы (БрКН1-3, БрКМцЗ-1) применяют как заменители дорого­стоящих бериллиевых бронз.

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в ко­торых основным легирующим элементом являет­ся цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальны­ми по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т. п.

В сравнении с медью латуни обладают боль­шей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением). Латуни содержат до 40—45% цин­ка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специаль­ных латунях не превышает 7—9%.

Сплав обозначают начальной буквой Л — ла­тунь. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц — цинк, О — олово, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фос­фор, Б — бериллий и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 алюминевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных металлов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные ла­туни (ГОСТ 17711—72) предназначены для изго­товления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек (см. табл.).

Деформируемые латуни выпускают (ГОСТ 15527—70) в виде простых латуней, на­пример Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. Латуни поставляют в виде полуфабрика­тов — проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Латуни широко применяют в общем, и химическом машиностроении.

 

Механические свойства латуней

 

Марка	Предел прочности при растяжении, σв МПа	Относительное удлинение, δ %	Твердость, HB	Назначение
Деформируемые латуни
Л90 Л80				Детали трубопрово­дов, фланцы, бо­бышки
Л68				Теплообменные аппа­раты, работающие при температуре до 250° С
Литейные латуни
ЛС59-1Л				Втулки, арматура, фа­сонное литьё
ЛМцС58-2-2				Антифрикционные де­тали — подшипни­ки, втулки
ЛМцЖ.55-3-1				Гребные винты, ло­пасти, их обтекате­ли, арматура, рабо­тающая до 300° С
ЛА67-2,5				Коррозионностойкие детали
ЛАЖМц-66-6-3-2				Червячные винты, работающие в тя­желых условиях

Примечание: Механические свойства литейных латуней даны применительно к литью в кокиль.

Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы — это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на кон­струкционные и электротехнические сплавы.

Куниали (медь — никель — алюминий) содержат 6—13% никеля, 1,5—3% алюминия, остальное — медь. Куниали подвергают термиче­ской обработке (закалка — старение). Куниали служат для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и ряда электротехнических изделий.

Нейзильберы (медь — никель — цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное медь. Нейзильберы имеют белый приятный цвет, близкий к цвету серебра. Они хорошо сопротив­ляются атмосферной коррозии; применяют в при­боростроении, и производстве часов.

Мельхиоры (медь — никель и небольшие добавки железа и марганца до 1%) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и че­канных изделий.

Копель (медь — никель 43% — марганец 0,5%) — специальный термоэлектродный сплав для изготовления термопар.

Манганин (медь—никель 3% — марганец 12%) — специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электро­технике для изготовления электронагреватель­ных элементов.

Константан (медь — никель 40% — марганец 1,5%) имеет такое же назначение, как и манганин.

 

Титан, магний и их сплавы

• Титан
• Магний

Получение титана. Титан — серебристо-бе­лый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стой­костью. Для производства титана используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содер­жащие 10—40% двуокиси титана ТiO₂. После обогащения концентрат титановых руд содер­жит до 65% ТiO₂. ТiO₂ и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой. В процессе плавки окислы железа и титана вос­станавливаются, в результате чего получают чу­гун и титановый шлак, в котором содержится до 80—90% ТiO₂. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан соединяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl₄. Затем четыреххлористый титан нагревают в замкнутой реторте при температуре 950—1000°С в среде инертного газа (аргон) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий МgСl₂, а твердые частицы восстановленного ти­тана спекаются в пористую массу, образуя тита­новую губку. Путем сложных процессов рафини­рования и переплава из титановой губки полу­чают чистый титан. Технически чистый титан (ГОСТ 19807—74) содержит 99.2—99.65% ти­тана.

Свойства и применение титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стой­кости титан превосходит даже высоколегирован­ные нержавеющие стали.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюми­нием, молибденом, хромом и другими элемента­ми. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств (σ_в = 1500 МПа; δ = 10—15%) и корро­зионной стойкости с малой плотностью.

Алюминий повышает жаропрочность и меха­ническую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность ти­тановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются го­рячей и холодной обработке давлением, обра­ботке резанием, имеют удовлетворительные ли­тейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно ра­ботают при температурах до 350—500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности — на три группы: низкой (σ_в = 300—700 МПа), средней (σ_в = 700—1000 МПа) и высокой (σ_в более 1000 МПа) прочности. К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй — ВТ3, ВТ4, ВТ5 и др., к третьей — ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литейные сплавы имеют более низкие механи­ческие свойства, чем соответствующие деформи­руемые. Титан и его сплавы, обработанные дав­лением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые сплавы (см. табл.) применя­ют в авиационной и химической промышленно­сти.

 

Механические свойства титановых сплавов

 

Марка	Термическая обработка	Предел прочности при растяжении, σв МПа	Относительное удлинение, δ %	Твердость, HB
ВТ5	Отжиг при 750° С	750-900	10-15	240-300
ВТ8	Закалка 900 — 950° С + старение при 500° С	1000-1150	3-6	310-350
ВТ14	Закалка 870° С+ старение при 500° С	1150-1400	6-10	340-370

 

 

Получение магния. Магний — самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1,740 кг/м³, температура плавления 650°С. Тех­нически чистый магний непрочный, малопла­стичный металл с низкой тепло- и электропро­водностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марга­нец, торий, церий, цинк, цирконий и подвергают термообработке.

Для производства магния используют преи­мущественно карналлит (МgСl₂·КСl·6Н₂O), магнезит (МgС0₃), доломит (СаС0₃·МgС0₃) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обогащению, в процессе которого отделяют КСl и нерастворимые приме­си путем перевода в водный раствор МgСl₂ и КСl. После получения в вакуум-кристаллизато­рах искусственного карналлита, его обезвожива­ют и электролитическим путем получают из не­го магний, который затем подвергают рафини­рованию. Технически чистый магний (первич­ный) содержит 99,8—99,9% магния (ГОСТ 804—72)..Маркировка и химический состав маг­ниевых сплавов для фасонного литья и слитков, предназначенных для обработки давлением, при­ведены в ГОСТ 2581—78.

Свойства и применение магния. В зависимо­сти от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные магниевые сплавы (ГОСТ 2856—68) применяют для изготовления деталей литьем. Их маркируют буквами МЛ и: цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МЛ5. Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последую­щим старением. Некоторые сплавы МЛ приме­няют для изготовления высоконагруженных де­талей в авиационной промышленности: картеры, корпуса приборов, фермы шасси и т. п.

Деформируемые магниевые спла­вы (ГОСТ 14957—76) предназначены для изго­товления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Их маркируют буквами МА и цифрами, обозначающими по­рядковый номер сплава, например МА5. Сплавы МА применяют для изготовления различных де­талей в авиационной промышленности. Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых спла­вов изделия и детали из них подвергают окси­дированию с последующим нанесением лакокра­сочных покрытий.