Сплави на основі алюмінію (AL).

Магній (Мg) і його сплави.

Сплави на основі міді (Сu).

Титан і його сплави.

Антифрикційні сплави.

Кольорові метали і сплави застосовують рідше, ніж сталі і чавуни, що пояснюється їхньою дефіцитністю, високою вартістю і складністю виробництва. Однак у багатьох випадках вони незамінні завдяки малій густині, високим електро - і теплопровідності, питомій міцності й іншим цінним властивостям. Найважливішими з кольорових металів і сплавів є А1, Сu, Мg, Ті, і їхні сплави, а також антифрикційні (підшипникові сплави).

1. Вміст алюмінію (А1) у земній корі складає 8,8%. Найбільш характерні властивості чистого А1 - невелика густина (g-2,7 г/см³) і низька температура плавлення - 660°С. В А1 ГЦК ґратка і він не має алотропних модифікацій. Параметр при 20°С дорівнює 4,04 , атомний радіус 1,43 . По величині електропровідності, теплопровідності А1 уступає тільки Аg і Сu. А1 стійкий проти атмосферної корозії завдяки пасивації, тобто утворенню на поверхні захисної плівки Аl₂О₃. Чим чистіше А1 тим вище його корозійна стійкість. Прокатаний і відпалений А1 високої чистоти (99,995 % A) має s_в=6 кгс/мм², s=2 кгс/мм², НВ=25 кгс/мм², d=40%, y=85%. А1 особливої чистоти містить - 99,999 % Al. У технічному А1 домішок ~1%. Застосовувати А1 як конструкційний матеріал через низьку міцність недоцільно, однак високі пластичність, електропровідність і корозійна стійкість забезпечують йому застосування як метала для:

а) глибокого штампування, прокатки до тонкої товщини (Аl-фольга);

б) електротехнічних цілей (провідниковий метал) - 65% електропровідності
Сu;

в) у побуті - посуд, стійкий в органічних середовищах.

Велика частина виплавленого А1 використовується у вигляді сплавів, які за способом одержання з них виробів підрозділяють на деформовані і ливарні.

Деформовані сплави А1, не зміцнені термічною обробкою, характеризуються невисокою міцністю, високою пластичністю і корозійною стійкістю, їх застосовують, коли потрібна висока пластичність - для виробів, одержуваних глибоким штампуванням. Це сплави систем А1-Мn (АМц) і А1-Мg (АМг2. АMг3). Мn трохи поліпшує корозійну стійкість А1 сплаву. Тому сплави АІ-Мn перевершують чистий А1 більш високою міцністю і корозійною стійкістю. Мg підвищує опір корозії, зменшує густину алюмінієвого сплаву, підвищує міцність, не знижуючи пластичності.

З термічно зміцнених сплавів А1 найбільше поширення одержали дюралюміній і високоміцні сплави. У маркуванні буква Д позначає дюралюміній, а цифра - умовний номер сплаву (Д1, Д16). У маркуванні сплавів В95, В96 - буква В означає високоміцний, а цифра - умовний номер сплаву. Дюралюміній - сплави системи А1-Сu-Мg, в які входять в якості постійних домішок Fе і Sі, а також Мn. Наприклад Д1 містить Сu- 3,8-4,8; Мg- 0,4-0,8; Мn - 0,4-0,8; Sі<0,7; і Fе<0,7.

Основний елемент у дюралюмінії - А1. Сплави А1 і Си мають обмежену розчинність компонентів у твердому стані, що зменшується зі зниженням температури. Термічна обробка деталей з дюралюмінію складається з гартування (Т=495°С і охолодження у воді, для одержання пересиченого твердого розчину Сu в А1) і природного старіння. Після 4-7 діб вилежування s_в=40 кгс/мм², НВ=100 кгс/мм². Нагартовка термічно обробленого сплаву Д16 підвищує його міцність до s_в=46-50 кгс/мм². Термічна обробка сплаву В95 (А1-Zn-Мg-Сu) складається з гартування із нагріванням до 475°С з охолодженням у воді і штучному східчастому старінні при 120°С-3 год. і при 160°С-3 год, s_в=60 кгс/мм², s_т =55 кгс/мм², НВ=150 кгс/мм², d=12%.

З ливарних сплавів найбільш поширені силуміни - сплави А1 з Sі (Sі - 5-14%). Сплави А1 з Sі при Т=557°С і вмісті Sі=11,6% утворюють евтектику, що є механічною сумішшю двох твердих розчинів - a і b. Структура силумінів після виливки має крупнокристалічну будову і тому невисокі механічні властивості (s_в =12-16 кгс/мм², d 1%). Механічні властивості силумінів підвищують модифікуванням (Nа - 0,1%, суміш 2/3 NаF + 1/3 NаСІ) чи введенням у розплав легуючих елементів (ЛЕ) (Сu, Мg, Мn і інші) - спеціальні силуміни. Після модифікування s_в= 17-22 кгс/мм². d=3-12%. Введення ЛЕ дозволяє застосувати до силумінів зміцнюючу термічну обробку - гартування і старіння. Спеціальні силуміни АЛ3, АЛ5, АЛ6. Силуміни мають добрі ливарні властивості обробку різанням, зварюваність і корозостійкість.

 

2. Магній (Мg), як і А1, був відкритий Деві, у 1808 році. У 1907 його виготовили 20т, у 1943-250000 тонн. З промислових металів Мg має найменшу густину (1,7 г/см³), що обумовило застосування Мg і його сплавів головним чином в авіації. Зміст Мg у земній корі дорівнює 2,1%. Він має гексагональну щільно сформовану гратку (а=3, 2Å, с=5,2Å), алотропічних перетворень немає. Т_пл=650°С. Мg і його сплави не стійки проти корозії (крім сухої атмосфери). При підвищенні температури він інтенсивно окисляється і навіть самозаймається (труднощі розливання). Мg маломіцний і мало-пластичний метал (s_в прокатного і відпаленого Мg дорівнює 13 кгс/мм²; s_0,2=2 кгс/мм²; d=15%; НВ=30 кгс/мм²). У литому стані s_в=3 кгс/мм²; d=2%. Мала пластичність пояснюється гексагональною кристалічною граткою, що має одну площину ковзання. В основному Мg використовують для одержання сплавів, що підрозділяють на деформовані і ливарні. У якості легуючих елементів у магнієвих сплавах використовують А1, Zn і Мn (підвищують корозійну стійкість), що розчиняються в Мg з змінною розчинністю. Термічна обробка: гартування з температурою 415-435°С, охолодженням у воді і штучне старіння (175°С- 16 год.). Максимально міцні сплави Мg з 8-10% А1 (у ливарних сплавів s_в=25, у деформованих - 35-40 кгс/ мм²). Деформовані Мg сплави зміцнюють легуванням (Zn, Со), а ливарні - модифікуванням (Zn). Деформовані сплави маркують буквами МА (деформований) 1,2,... 10 (порядковий номер сплаву); ливарні МЛ (ливарний) 1, 2,..., 12.

 

Сплав	Магнію (МА10)	Алюмінію (В95)	Титана (ВТ-6)	Заліза(Н18KО9МА)
s в g

3. Мідь (Сu), як Аu й Аg, зустрічається в чистому вигляді і тому застосовувалась в давнині, коли людина ще не знала металургії. Вміст Сu в земній корі невеликий (0,01%), але він не розсіяний метал і концентрується в кількості приблизно 5% у мідних рудах, g=8,94 г/см, Т_пл=1083°С. Сu має ГЦК градку, стійку проти атмосферної корозії. Електропровідність Сu уступає лише Аg (57 м/(Ом·мм²) ). У залежності від чистоти Сu виготовляють наступних марок МОО (99,99% Сu), МО (99,95% Сu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М (99,5% Сu). Міцність Сu у відпаленому стані невелика (s_в=22кгс/мм²), але пластичність висока - d=50%. Міцність міді може бути підвищена шляхом пластичного деформування чи шляхом легування кадмієм у кількості 0,9% Сd, завдяки чому s_в зростає у 3 рази, а електропровідність знижується лише на 20%.

Сu добре обробляється тиском як у гарячому, так і в холодному станах, а також різанням. Основні домішки Сu: Рb, Ві, Fе, Р, Sn, Zn, Аs.

Електропровідність Сu зменшується зі збільшенням кількості домішок, особливо Аs, Р, Аl, Sn. Порівняно обмежене, застосування Сu в техніці пояснюється її дефіцитністю і високою вартістю. Найбільше поширення Сu одержала в електропромисловості або виготовленні проводів, кабелів, шин і інших виробів. Сu застосовується також у хімічному машинобудуванні (котли, холодильники), де потрібна висока корозійна стійкість. Сu широко використовують у вигляді сплавів. Розрізняють дві основні групи сплавів: 1 – латуні: сплави Сu і Zn; 2 – бронзи: сплави Сu з іншими елементами - у числі яких, але тільки поряд з іншими, може бути і Zn. Мідні сплави мають високі механічні і технологічні властивості, великий опір зносу і корозії. Сплави позначають початковою буквою (Л - латунь, Бр - бронза), після чого йдуть перші букви основних елементів утворюючих сплав: O-Su; Ц-Zn; Мц-Мn; Б-Ве; X-Cr. Цифри, що йдуть за буквами, указують кількість легуючого елемента. Перша цифра в латуні вказує на вміст міді. ЛЖМц 59-1-1; БрОЦС 5-5-5 (залишок Сu).

В техніці застосовують латуні із вмістом цинку не вище 45%, тому що при більшій його кількості міцність і особливо пластичність різко знижуються. Сплави із вмістом цинку до 45 % утворять або a - твердий розчин, або суміш двох твердих розчинів a + b. Міцність латуні у відпаленому стані невелика s_в =3 кгс/мм². Латуні підрозділяють на деформовані (марки Л96, Л90, Л85, Л80, Л63) і ливарні (Л62 і інші).

Найбільшою пластичністю володіють a - латуні (вміст цинку до 30%), які піддають холодній і гарячій обробці тиском. Вони добре обробляються різанням. Ливарні латуні мають гарні ливарні властивості, малу схильність до ліквації, гарну рідко-текучість. Латуні із вмістом Zn < 38% мають гарні механічні, технологічні і корозійні властивості. Латуні з вмістом Zn > 32%, у який із зниженням температури розпадається пересичений твердий розчин, піддають гартуванню і відпуску, а з меншим вмістом Zn - тільки рекристалізаційному відпалу. Для поліпшення властивостей у латуні вводять легуючі елементи (ЛЕ) (А1, Sі, Nі, Мn, Sn, Fе, РЬ) і латуні називають спеціальними. Добавка в латунь Sn (1-1,5%) підвищує корозостійкість у морській воді. Такі латуні називають морськими (Л070-1). Легування латуні свинцем підвищує її антифрикційні властивості і поліпшує обробку різанням. Ці латуні називають автоматними (ЛС 59-1). Бронзи - це сплави Сu з Sn, А1, Sі, РЬ, Ве, Мn, Cd і іншими елементами. Вироби з бронзи одержують як шляхом виливки, так і обробкою тиском у гарячому і холодному станах. Один з найбільш давно відомих людству сплавів – олов’яниста бронза (Сu+Sn).

Діаграма стану сплавів Сu з Zn подібно до діаграми стану сплавів Сu з Sn, складається з декількох перитектичних діаграм. Олов’янисті бронзи мають гарні ливарні властивості, малу усадку (<1%) і їх часто використовують для художнього лиття. Бронзи з 10% Sn мають високу зносостійкість і є одним із кращих антифрикційних матеріалів. Однак через дефіцитність Sn і його високу вартість його намагаються замінити іншими елементами. Алюмінієві бронзи (5 - 10% Аl) більш дешеві, а по механічним і антифрикційним властивостям перевершують олов’янисті. Для БрA-7 s_в=60 кг/мм², а НВ=40-60 кгс/мм², однак усадка її більше. Їх піддають термічній обробці - гартуванню (з Т=800°С) у воді і відпуску. Мікроструктура подібна з голчастим М гартованої сталі. Інший замінник олов’янистих бронз - кремнієві бронзи Sі до 3% (БрКНІ-3). Механічні властивості і корозійна стійкість їх вище, ніж олов’янистих, але й усадка вище. Гарними антифрикційними сплавами є свинцеві бронзи (25-30% Рb). Вони добре обробляються різанням. Берилові бронзи БрБ-2 і БрБ-2,5 після гартування у воді (Т =800°С) і штучного старіння (Т=350°С, 2год.) мають s_в =130 кг/мм², НВ=^:350-400 кгс/мм², високу пружність і витривалість. Вони корозійностійкі, добре оброблюються різанням, зварюються. Для поліпшення властивостей у спеціальні бронзи вводять ЛЕ, наприклад в олов’янисті бронзи - Р, Рb (Бр, ОФ 5-1; Бр. ОЦС 5-5-5).

4. Титан (Ti), його вміст у земній корі дорівнює 0,6%. Т_пл = 1665°С. Метал сріблясто-білого кольору. Титан має, дві алотропічні модифікації; до 882°С існує a- титан із ГПУ- граткою (а=2,95, с=4,68), а при більш високих температурах - титан, що має ОЦК-гратку (а=3,282, при 900°С), g _aті = 4,5г/см, g_bті =4,32 г/см при 900°С. Технічний титан виготовляють марок: ВТ 1-00 (99,53% Ті) і ВТ 1-0 (99,48% Ті). Їх s_в =30-55 кгс/ мм² і d=20-30%. Чим більше домішок (N, С, О), тим вище міцність і менша пластичність опору корозії, титан добре опирається корозії (плівка окислів), обробляється тиском, але погано різанням. Чистий Ті має обмежене застосування внаслідок недостатньої міцності. Найбільше зміцнення досягається легуванням сплавів Ті алюмінієм (4,5%), Сr, Fе, найменше - V, Мо. Титанові сплави розділяють на двофазні - a+b і однофазні - a і b. b - сплави не мають промислового застосування. Двофазні сплави титана мають високу міцність і пластичність, особливо після термічної обробки (ВТ-22 - s_в=115(145), d =15(6)%, a_н >3). Термічна обробка – гартування з температури 700-950°С в воді + штучне старіння при температурі 480-550°С. a- сплави не зміцнюють термічною обробкою, а піддають рекристалізаційному відпалу (Т=650-700°С) після холодної обробки тиском (s_в =105-115, d=9-15%). Для підвищення зносостійкості Ті сплавів, їх азотують при 850-950°С протягом 30-60 год. Титанові сплави застосовуються там, де вимагаються високі питома міцність і опір корозії.

5. Антифрикційні сплави застосовують для заливання вкладишів підшипників. Вони повинні мати достатню твердість, легко деформуватися (бути пластичними), утримувати змазку на поверхні, мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником. Найбільш широко застосовуються сплави на олов’яній і свинцевій основі (бабіти), сплави на цинковій і алюмінієвій основі, а також мідно-свинцеві сплави. Олов’янисті бабіти - це сплави системи Sn-Sb, у які для усунення ліквації по густині вводять мідь. Це бабіти Б89 і Б83 (83% Sb, 11% Sn, 6% Сu) мають структуру: тверді розчини Сu і Sb в олові + тверді частки хімічних сполук Sn-Sb і Cu₆Sn₅.

Їх застосовують для особливо відповідальних вузлів, тому що вони мають високу вартість. Замінники олов’янистих бабітів - свинцево-олов’янисті (Б16, БС6-Sb-6%, Sn-6%, Сu 0,1-0,3%, решта - Рb), що застосовують для менш навантажених деталей (підшипники рухомого складу на залізницях).

Алюмінієві антифрикційні сплави АСС-6, АСМ (Sb-5-6%; Рb-4-5%; Мg-0,5-0,6%; решта Аl – м’яка основа). Цинкові антифрикційні сплави ЦАМ 10-5 і ЦАМ 9,5-0,5 містять крім алюмінію міді ще магній у кількості 0,03-0,06%. Унаслідок високих антифрикційних властивостей і достатньої міцності (d_в = 25-40) при 120°С вони можуть замінити бронзи для вузлів тертя при Т<100°С. При більш високих температурах розм’якають і налипають на вал.