Коррозия электрохимическая и химическая.

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды. При этом часто, но не всегда металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют).

Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.

Различают:

– электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей, солей. К электрохимической коррозии относится также атмосферная и почвенная;

– химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные). Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги. Продуктом коррозии являются оксиды металла. Образуется пленка на поверхности металла толщиной в 1…2 периода кристаллической решетки. Этот слой изолирует металл от кислорода и препятствует дальнейшему окислению, защищает от электрохимической коррозии в воде.

Механизм электрохимической коррозии:

Если в электролит (влажный воздух, водные растворы солей и щелочей и т.д.) поместить два соприкасающихся различных металла, образуется гальванический элемент. При этом металл, который легче отдает электроны, служит анодом, а другой катодом. В процессе работы гальванического элемента анод разрушается.

Микрогальванические элементы возникают также между различными фазами сплавов и даже чистых металлов, где роль анодов играют границы зерен и другие дефектные участки, а роль катодов – тело зерна.

В зависимости от структуры коррозия имеет разное проявление: при однородном металле – коррозия происходит равномерно по всей поверхности. Наиболее часто коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Эту коррозию в свою очередь подразделяют на:

– точечную,

– пятнистую,

– с язвами.

Наиболее опасна интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен вглубь, резко снижая при этом механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен.

Коррозионное растрескивание – образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна, при воздействии коррозионной среды и напряжений одновременно.

 

Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550°С) называют окалиностойкой (жаростойкой).

Стали, устойчивые к электрохимической (атмосферной, почвенной, кислотной, солевой), межкристаллитной и другим видам коррозии называют коррозионно-стойкими (нержавеющими).

Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, а также повышающих электрохимический потенциал в агрессивных средах.

Металлы, стандартный потенциал которых отрицательный – корродируют в воде, в которой растворен кислород тем активнее, чем отрицательней значение электрохимического потенциала.

Метод обработки внешней среды состоит в удалении из раствора растворенного кислорода или в добавлении к этому раствору веществ, замедляющих коррозию – ингибиторов. Применяется, когда объем жидкости ограничен.

9.2. Коррозионно-стойкие стали.

Можно разделить на два основных класса:

– хромистые,

– хромоникелевые.

Хромистые

после охлаждения на воздухе могут иметь ферритную, мартенситную или мартенситно-ферритную структуру.

Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%). При введении в сталь 12-14% хрома, ее электрохимический потенциал становится положительным, и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, ряде слабых растворов солей, кислот и щелочей. Стали обладают лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае образуется защитная пленка (Cr, Fe)₂O₃.

Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Стали с повышенным содержанием хрома не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не могут быть подвергнуты закалке. Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллитной коррозии (по границам зерен) из-за обеднения хромом границ зерен. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13% и сталь приобретает отрицательный потенциал. Для избежания этого вводят небольшое количество титана. Титан связывает углерод и исключает возможность образования карбидов хрома.

Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500^oС

Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).

Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной и полированной поверхности. Термическую обработку для ферритных сталей проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что и увеличивает коррозионную стойкость.

Стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250^oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450^o, предметов домашнего обихода.

Хромоникелевые

Стали аустенитного класса.

Никель – аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки превращения. После охлаждения на воздухе до комнатной температуры имеет структуру аустенита. Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и не теряют пластичности при низких температурах.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с температуры 1050…1100^oC в воде. При нагреве происходит растворение карбидов хрома в аустените. Выделение их из аустенита при закалке исключено, так как скорость охлаждения велика. Получают предел прочности s_В= 500…600 МПа, и высокие характеристики пластичности, относительное удлинение d= 35…45%.

Упрочняют аустенитные стали холодной пластической деформацией, что вызывает эффект наклепа. Предел текучести при этом может достигнуть значений 1000…1200 МПа, а предел прочности – 1200…1400 МПа.

Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11).

Аустенитно-ферритные стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.

Свойства сталей зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз (оптимальные свойства получают при соотношении – Ф:А=1:1). Термическая обработка сталей включает закалку от температуры 1100…1150^oC и отпуск-старение при температуре 500…750^oC.

Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникать только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие. При комнатных температурах аустенитно-ферритные стали имеют твердость и прочность выше, а пластичность и ударную вязкость ниже, чем стали аустенитного класса.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе

Коррозионно-стойкие стали не обеспечивают высокой коррозионной стойкости в кислотах. Используют сплавы. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами.

08ХН40МДТЮ – предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для работы при повышенной температуре во влажном хлоре, соляно-кислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и др. агрессивных средах наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ.

Сплавы типа хастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами. Недостатком является склонность к межкристаллической коррозии, поэтому содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным.

9.3. Жаростойкость, жаростойкие стали.

Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.

Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550^oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

Сплавы на основе железа при температурах выше 570^oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.

Повышение окалиностойкости достигается главным образом введением в сталь хрома (5 – 25%), а также алюминия или кремния, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃; (Al, Fe)₂O₃.

Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150^oC).

Наиболее распространенные жаростойкие стали, содержащие:

– хром и кремний (сильхромы),

– хром и алюминий (хромали),

– хром, кремний и алюминий (сильхромали).

Типичные представители: 40Х9С2, 10Х13СЮ, Х8СМ, Х8С2М.

 

9.4. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает предел упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцепления), предел текучести и предел прочности. Причем в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях.

Если при высокой температуре нагружать металл постоянно действующим напряжением даже ниже s_т, то он будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление называется ползучестью. Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре. Развитие ползучести может привести к разрушению. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном воздействии нагрузки, называют жаропрочностью.

При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию индикаторами.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (кривая ползучести):

1. ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

2. АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;

3. ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400^oС.

Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести ( – предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 часов при температуре 700°С. Необходимо указать по суммарной или остаточной деформации определяется предел ползучести). Или жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности ( =200МПа, т.е. при 700°С в течении 1000 часов максимальная приложенная нагрузка составляет 20 кг/мм², после 1000 часов произойдет разрушение).

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют
(0,4–0,8)Т_пл. Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов изменяются от 1–2 часов (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).

Деформация и разрушение при высоких температурах часто происходит по границам зерен, где легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжение отсутствует диффузия не имеет направленного характера. При наличии даже небольших напряжений, эти перемещения атомов, особенно по границам зерен, приобретают направленный характер, что способствует ползучести металла. В процессе ползучести происходит перемещение одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела – проскальзывание.

Такой механизм называют диффузионной пластичностью, в отличие от сдвигового (дислокационного) механизма.

Таким образом, если при низких температурах границы зерен упрочняют сплав, то при высоких температурах наоборот, способствуют разупрочнению. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается.

Жаропрочность зависит от величины межатомной связи. Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящее к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных, и особенно, интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах создают на основе железа, никеля, кобальта; а для работы при очень высоких температурах
(1200–1500°С) на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.

При температурах до 300^oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.

Для работы в интервале температур 350…500^oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные и низколегированные стали, содержащие хром, ванадий, молибден и ниобий. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы. Рабочая температура менее 600°С.

Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).

Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000^oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.

Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.

Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000^oС и отпуску при температуре 720…780^oС.

При рабочих температурах 500…700^oC применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин, сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.

Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600^oС, из-за выделения по границам различных фаз.

По структуре стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100^oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750^oС.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р. Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100^oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750^oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.

Жаропрочные сплавы

Детали, работающие при температурах 700…900^oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).

Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.

По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).

Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150^oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800^oС.

Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900^oC (до 2500^oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молибден – 2640^oС, ниобий – 2415^oС, хром – 1900^oС.

Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации.

Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi₂ толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700^oС силицированные детали могут работать 30 часов.

Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах).

В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196^oС и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800^oС.

Для сплавов на основе вольфрама характерна низкая жаростойкость, пленки образующихся оксидов превышают объем металла более, чем в три раза, поэтому они растрескиваются и отслаиваются. Изготавливают изделия, работающие в вакууме.

ТЕМА 10

Цветные металлы и сплавы

10.1. Алюминий. Деформируемые и литейные сплавы алюминия.

10.2. Медь и ее сплавы.

10.3. Титан и сплавы титана.

10.4. Магний и магниевые сплавы.

 

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Это связано с тем, что данные материалы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

 

10.1. Алюминий. Деформируемые и литейные сплавы алюминия.

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 600^oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.

Свойства алюминия определяют его применение:

– высокая пластичность – позволяет производить глубокую штамповку и прокатку до малой толщины (пищевая алюминиевая фольга)

– высокая электропроводность (65% от меди) – для электротехнических целей (провода)

– высокая коррозионная стойкость. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.

Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия. В зависимости от постоянных примесей различают:

· алюминий особой чистоты, марки А999 (0,001% примесей)

· алюминий высокой чистоты маркируется А935, А99, А97, А95 (0,005–0,5% примесей). Пример А99 (99,99%Al), A97 (99,97%Al).

· Технический алюминий А85, А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85% до 99,0%).

Технический алюминий маркируют АД0, АД1.

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

Механические свойства алюминия невысоки, поэтому как конструкционный материала он применяется ограниченно. Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Mn, Mg, Cu, Si, Zn).

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; 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

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

· деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

· деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

· литейные сплавы.

Деформируемые предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, труб и т.п.), а также поковок и штамповых заготовок. Литейные предназначены для фасонного литья.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Сплавы:

· алюминия с магнием, марки АМг

· алюминия с марганцем, марки АМц

После обозначения элемента указывается его содержание (АМг3 – 3% магния).

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 нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Сплавы пластичны, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

 

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

· Дуралюмины

Сплавы Al-Cu-Mg и дополнительно вводят марганец. Медь и магний – для повышения прочности, марганец – для повышения коррозионной стойкости.

Д1 (Cu~4%, Mg~0,4–0,6%, Mn~0,4–0,8%)

Д16 (Cu~4%, Mg~1,2–1,8%, Mn~0,3–0,9%)

С целью упрочнения дуралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток. После закалки структура – a-твердый раствор и нерастворимые соединения железа.

Широкое применение дуралюмины находят в авиастроении (обшивки самолетов), автомобилестроении (кузова грузовых автомобилей), строительстве.

· Высокопрочные сплавы

Сплавы Al-Cu-Mg-Zn. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость.

В95 (1,4–2 %Cu, 1,8–2,8%Mg, 0,2–0,6%Mn, 5–7%Zn, 0,2–0,25%Cr)

В93

В96

Подвергают закалке и старению.

По прочностным показателям высокопрочные алюминиевые сплавы превосходят дуралюмины, однако, они менее пластичны и чувствительны к концентраторам напряжений.

Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

· Сплавы для ковки и штамповки

Сплавы Al-Cu-Mg с добавками кремния.

АК2

АК6 (1,8–2,6%Cu, 0,4–0,8%Mg, 0,4–0,8%Mn, 0,7–1,2%Si)

АК8 (3,9–4,8%Cu, 0,4–0,8%Mg, 0,4–1%Mn, 0,6–1,2%Si)

Подвергают закалке и старению. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплавы применяют для высоконагруженных штампованных деталей – поршней, лопастей винтов и др.

· Жаропрочные сплавы

Имеют сложный химический состав, дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей. Они могут эксплуатироваться при температурах до 300°С.

АК4-1, Д20.

 

Литейные сплавы

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

По составу близки к эвтектике и поэтому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Маркировка АЛ: А–означает, что сплав алюминиевый; Л – литейный; цифра – порядковый номер в ГОСТе.

Чем выше порядковый номер, тем меньше кремния, дальше от эвтектики

Применение:

АЛ2 (содержит 10–13% кремния) – тонкостенные детали сложной формы – корпуса двигателей и приборов;

АЛ4 (содержит 8–10% кремния) – высоконагруженные детали – корпуса компрессоров, поршни цилиндров и т.д.;

АЛ9 (содержит 6–8% кремния) – детали средней нагруженности, но сложной конфигурации.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

 

10.2. Медь и ее сплавы.

Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,92г/см³, температура плавления 1083^oС. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность (уступает только серебру), поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Медь пластична, коррозионно-стойкая, легко поддается пайке, легко обрабатывается давлением даже в холодном состоянии. К недостаткам относят низкие литейные свойства и плохую обрабатываемость резанием.

Медь в чистом виде имеет красный цвет, чем больше в ней примесей, тем грубее и темнее излом. Примеси оказывают существенное влияние на физико-механические характеристики меди. Вредными примесями являются: свинец, висмут, сера и кислород. Свинец и висмут образуют на границах зерен легкоплавкую эвтектику, вызывающую горячеломкость. Сера и фосфор образует с медью хрупкие химические соединения.

Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2 (99,97 % Cu), М3 (99,7 % Cu), и М4 (99 % Cu).

Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

Химические элементы в марках медных сплавов обозначают следующими индексами:

А – алюминий Внм – вольфрам Ви – висмут В – ванадий Км – кадмий Гл – галлий Г – германий Б – бериллий

Мг – магний Мц – марганец Мш – мышьяк Н – никель О – олово Ж – железо С – свинец

Сн – селен Ср – серебро Су – сурьма Ти – титан Ф – фосфор Ц – цинк Х – хром

Медные сплавы классифицируют:

1. по хим. составу:

– латуни – сплавы меди с цинком,

– бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами,

– медноникелевые сплавы;

2. по технологическому назначению:

– деформируемые,

– литейные;

3. по изменению прочности после термической обработки:

– упрочняемые,

– неупрочняемые.

Латуни

Латуни могут иметь в своем составе от 4%до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых растворов.

Из диаграммы состояния медь – цинк видно, что в зависимости от состава имеются однофазные латуни, состоящие из – твердого раствора, и двухфазные (a+b) – латуни.

Латуни различают на деформируемые и литейные.

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). Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 меди, 1% алюминия, 1% железа и 38% цинка.

Однофазные a–латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку.

Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500^oС используют (a+b) – латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали. Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, латунь марки ЛС59-1, которую называют “ автоматной латунью ”.

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

Добавка никеля и железа повышает механическую прочность до 550 МПа.

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. 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.

Бронзы

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка назаваются бронзами.

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, 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 цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Структура литых оловянистых бронз имеет ярко выраженный дендритный характер, что обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Оси дендритов обогащены медью, междендритные пространства – оловом. Эвтектоид, если он есть, располагается в междендритном пространстве. При работе на трение междендритные пространства служат износостойкой опорой, а мягкие – оси дендритов, вырабатываясь, способствуют образованию на поверхности мельчайших каналов, в которых удерживается и циркулирует смазка.

Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4–3, БрОЦ4–4–2,5.

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.

Литейные оловянные бронзы, БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Оловянные бронзы не дают концентрированной усадочной раковины, и отливка получается пористой по всему объему. Эти м объясняется малая усадка при литье, наименьшая из всех известных сплавов; отливки могут иметь сложную форму, поэтому используются в художественном литье.

Алюминиевые бронзы, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение – твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь – алюминий двухфаз