Общие свойства цветных металлов и сплавов

Наиболее применяемыми в строительстве и машиностроении из цветных металлов являются медь, алюминий, олово и титан, а также такие тугоплавкие металлы, как молибден и вольфрам (табл.3.5). По механическим характеристикам цветные металлы, как правило, уступают сталям. Кроме того, они более редки и дороги. Поэтому применяются они там, где нужны особые характеристики. Например, снижение веса конструкций, повышение коррозийной стойкости, электропроводности и пластичности.

Цветные металлы и сплавы широко применяются в электротехнике (провода, контакты), в приборостроении (пайка), в машиностроении (алюминиевые блоки и головки, цилиндры двигателей, алюминиевые корпуса судов), в строительстве (оконные блоки, металлопластиковые трубы), в быту (посуда, бытовая техника).

Таблица 3.5.

Свойства цветных металлов

№	Металл	Плотность γ, кг/ м^3	Температура плавления, Tпл, °С	Твердость, НВ	Прочность на растяжение, σ в, МПа	Коэффициент электропроводности  ρ, мкОм / м
1 2 3 4 5 6 7	Алюминий Медь Титан Цинк Серебро Свинец Олово	2699 8960 4500 7130 10500 11340 7298	660 1083 1665 419 961 327 232	НВ20 НВ35   НВ30 НВ25 НВ4 НВ5	75…180 250…480 600…1000   150…300 10…16 -	0,029 0,018     0,016 0,220 0,120

При относительно невысокой прочностью по сравнению со сталями медные и алюминиевые сплавы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, хорошими литейными свойствами (алюминий), легкостью пайки (медь). Но эти материалы и изделия из них значительно дороже стальных.

Алюминиевые сплавы

Алюминий самый распространенный металл в природе; в поверхностном слое земли его даже больше, чем железа. Но промышленно использоваться он стал относительно недавно (с 1845 года).

Алюминий мягкий и пластичный материал, хорошо прокатывается. На воздухе он очень  быстро покрывается окисной пленкой, которая надежно защищает поверхность деталей от дальнейшей коррозии, поэтому не требуется каких то дополнительных антикоррозийных мер защиты строительных конструкций. Но эта же пленка существенно мешает при сварке алюминиевых деталей.

Получают алюминий электролизом раствора глинозема Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆, поэтому он требует для своего производства огромных затрат энергии (прил.6.).

Алюминиевые сплавы обладают высокими литейными свойствами и пластичностью. Поэтому 50% деталей из алюминиевых сплавов изготовляются литьем (головки и блоки цилиндров двигателей, крышки), а 50% - прокаткой (прессованием изготовляют весьма сложные по сечению профили, используемые в изготовлении различных строительных конструкций: двери, окна,...).

Сплавы алюминия из-за своей высокой технологичности, малой плотности, высокой коррозийной стойкости широко используется в авиации, судостроении и автомобилестроении, в строительстве, в быту и других отраслях.

По способу производства сплавы делятся (рис.3.14) на деформируемые (прокаткой, прессованием, штамповкой) и литейные. Первые могут быть неупрочненными термической обработкой и упрочненными. Деформируемые сплавы используются для изготовления листов, профилей и т. п.

Силумины – это сплавы алюминия с кремнием, а иногда и более сложного состава. Силумины (т.е. литейные сплавы)  пригодны только для литья, т. к. они достаточно текучи, обладают малой усадкой и не образуют горячих трещин.

По своей прочности они не уступают многим сталям, но значительно легче их и обладают исключительно высокими литейными качествами, широко применяют в машиностроении, для отливки многих деталей, а в автотракторной промышленности – для отливки блоков цилиндров двигателей, поршней, корпусов коробок перемены скоростей и многих других деталей.

Алюминий также широко используется (фольгоизол, фольгорубероид и др.) как теплоизолятор: алюминиевая фольга покрывается защитным битумно-резиновым составом.

В металлопластиковых трубах внутренний слой изготовляется из алюминиевой фольги, которая препятствует диффузии кислорода и снижает коэффициент линейного расширения трубы.

Дуралюмины – сплавы, содержащие, кроме алюминия, медь, магний, кремний и марганец. Они используются для изготовления обшивки самолетов и  автобусов.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, механическая обработка резанием затруднена из-за налипания материала на инструмент, сваривается относительно хорошо при использовании некоторых специальных приемов сварки.

Алюминиевые сплавы, как и стальные, подвергаются термообработке: отжиг, закалка, старение.

Для алюминия и сплавов используются сложные виды маркировок: буквенная, буквенно-цифровая (старая) и цифровая (новая). Кроме того, имеется буквенно-цифровая маркировка видов технологической обработки полуфабрикатов и изделий.

При буквенной маркировке последовательно указываются компоненты сплава – АМг, АМц.

При буквенно-цифровой маркировке указываются легирующие элементы и их содержание, а для деформируемых сплавов указывается: А – технический алюминий, Д – дуралюмин, К – ковочный сплав, В – высокопрочный сплав, а цифрами указывается условный номер сплава.

 

Медные сплавы

Медь – металл очень мягкий (твердость его в два раза ниже, чем у железа), красного цвета, ковкий, обладает высоким коэффициентом линейного расширения (1,62´10 К ) и высокой удельной теплопроводностью (394 Вт / (м×К), а плавится при температуре 1083ºС. Само название «cuprum» медь получила от острова Кипр, где ее добывали древние греки и римляне.

По показателям электропроводности медь принята за эталон (100%) для сравнения с другими техническими металлами.

Медь химически малоактивна. В атмосфере, содержащей H O и CO , на поверхностях медных, бронзовых и латунных изделии образуется патина – пленка зеленоватых оттенков. Патина предохраняет изделие от последующей коррозии и имеет декоративное значение.

Медь хорошо обрабатывается давлением и паяется. Но медь плохо сваривается и затруднена обработка ее резанием.

Медные сплавы делятся по химическому составу (рис. 3.15) на группы:

- латуни, главной добавкой которых является цинк, содержание его может быть до половины состава;

- бронзы, имеющие добавки олова, алюминия, кремния, бериллия и др. химических элементов,  (наименование бронзы: свинцовистая, оловяннистая, бериллевая и др. определяется основным легирующим элементом);

- медно - никелевые сплавы.

Медь получают главным образом из обогащенных сульфидных руд. Около 50% меди используется в электротехнике и более 30 % в виде медных сплавов. До 70% меди используется в виде листов, прутков, трубок и проволоки.

Главное применение меди – производство электрических проводов, т.к. примеси существенно снижают электропроводность, то применяют сплавы меди с количеством примесей менее 0,1% (М00; М0; М1).

В последнее время по СНИПу скрытая осветительная электропроводка, закладываемая под штукатурку или гипсокартон, должна применяться только медная, причем трехжильная (три провода: ноль, фаза и заземление). Медная электропроводка значительно дороже алюминиевой, но из-за более высокой электропроводности снижается требуемое сечение, обеспечивается более надежный контакт в электросоединениях и не плавится провод при плохом электроконтакте.

 Медь широко используется в теплотехнике (радиаторы, трубки, теплообменники, холодильники) и в вакуумной технике.

Основные сплавы меди - это латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком (меди от 60 до 90% и цинка от 40 до 10%), они прочнее и менее подвержены окислению, чем технически чистая медь. Латунь легко поддается пластической деформации, обработке давлением и резанием.

При присадке к латуни кремния и свинца повышаются антифрикционные качества сплава.

Обычно для деформируемых латуней в марке, после буквы Л следует цифра, означающая процент меди. Например, латунь Л63 содержит 63% меди. Если еще есть буквы и цифры – это означает наличие и содержание легирующих элементов. Из деформируемых латуней делают листы, ленты, трубы, проволоку.

Бронза – сплав на основе меди, главными компонентами которого являются олово, цинк, никель, свинец, фосфор и марганец. Эти сплавы коррозионностойки, прочны, имеют высокие технологические характеристики. Ряд бронз обладает высокой упругостью и используется для изготовления пружин. Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и используются в подшипниках скольжения машин.

Бронза широко применяется в художественном литье, изготовлении сувениров, юбилейных значков и медалей.

Раньше бронзами называли сплавы меди (80…94%) и олова (20…6%). В настоящее время производят и безоловянистые  бронзы.

Медно - никелевые сплавы (константан, копель, манганин и др.) используют для изготовления термопар, мельхиор – для изготовления монет, деталей точной механики и химической аппаратуры.

По способу изготовления деталей сплавы делятся на деформируемые (листы, ленты, трубы, полуфабрикаты для дальнейшей обработки) и литейные (фасонные детали и художественные изделия).

Твердость и прочность медных сплавов в 1,5…3 раза может быть повышена наклепом, который при необходимости может быть снят частично или полностью отжигом (600…700 ºС).

Сплавы обозначаются буквами: Л – латунь; Бр – бронза.

После чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав, например: О – олово; Ц – цинк; Мц – марганец; Ж – железо; Ф – фосфор; Б – бериллий; Х – хром и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующих элементов. Например, бронза БрОЦ 4-3 имеет следующий состав: олова (О) –4 %; цинка (Ц) – 3%, а меди в ней содержится: 100 – 4 - 3=93%.