Цветные сплавы (алюминиевые и медные)

Цветные сплавы (алюминиевые и медные)

Преимущества цветных сплавов и их роль в технике

 

Цветные металлы и сплавы, хотя и имеют высокую стоимость по сравнению с черными, обладают рядом ценных свойств:

- высокой удельной прочностью (приходящейся на единицу веса);

- коррозионной стойкостью;

- упругостью;

- высокими антифрикционными свойствами и т.д.

Наряду с высокими эксплуатационными свойствами цветные металлы имеют и хорошие технологические свойства – жидкотекучесть, деформируемость, свариваемость.

Поэтому они широко используются в различных областях техники.

Наибольшее применение имеют сплавы на основе меди, алюминия, титана.

 

Общая классификация цветных сплавов (по технологическим свойствам)

 

В соответствии с диаграммами состоянии цветные сплавы подразделяются на литейные и деформируемые.

К литейным относятся сплавы, которые содержат легирующие элементы в количестве больше максимальной предельной растворимости (лежат за точкой Р). Они содержат в структуре эвтектику, наличие которой улучшает литейные свойства сплавов (жидкотекучесть).

К деформируемым относят сплавы, содержащие примеси в количестве, меньшем максимальной предельной растворимости. Первичная кристаллизация этих сплавов заканчивается образованием однофазного твердого раствора.

Кроме того, цветные сплавы делятся на термически упрочняемые (ТУ) и неупрочняемые (ТНУ).

       Термически неупрочняемые – сплавы, имеющие при всех температурах структуру однофазного твердого раствора.

       Термически упрочняемые – сплавы, имеющие меняющуюся с температурой растворимость химических соединений в твердом растворе либо полиморфные превращения.

 

Основные цветные сплавы

Алюминиевые сплавы

Взаимодействие Al с примесями. Структура сплавов

Для получения сплавов с различными свойствами Al легируют различными элементами, из которых наиболее широко применяются: Si, Cu, Zn, Mg, Mn, Ti.

Типовая диаграмма алюминиевых сплавов имеет вид, приведенный на рис.1.

 

 Все элементы, используемые в качестве легирующих, образуют области ограниченного твердого раствора с переменной растворимостью. В системе имеется эвтектическое превращение. Максимальные предельные растворимости и температуры эвтектического превращения в системах Al-Si, Al-Cu, Al-Mg приведены на рис.2.

 

 

В равновесном состоянии важнейшие двойные сплавы состоят из следующих фаз: низколегированного твердого раствора и интерметаллидов (химических соединений металла с металлом типа: CuAl₂, AlMg₂, Al₁₂Mn₂Cu и т.п.).

Кроме легирующих элементов, в любом сплаве алюминия в небольшом количестве присутствуют постоянные примеси: Fe, Mn, Si, которые образуют нерастворимые соединения (темные включения в микроструктуре). Железо является вредной примесью для большинства сплавов (за исключением жаропрочных), снижая пластичность – особенно при расположении на границах зерен.

Силумины (сплавы Al-Si)

Технические сплавы алюми­ния с кремнием получили названия силуминов. Эти сплавы, диаграмма которых при­ведена на рис. 3, обладают высокими литейными качествами, имеют повышенную прочность s_в = 20...30 кгс/мм² и твердость 50 – 70 НВ при пластичности d = 5...... 10%. 

Рис.3 – Диаграмма состояний системы Al-Si

 

По составу тех­нические сплавы близки к эвтектике (1,1 —14% Si), т.е. используются в основном доэвтектические сплавы и близкие к эвтектическим, имеющие в структуре (α_I + эвк(α+Si)+Si₂). Это связано с тем, что в заэвтектических сплавах (структура - эвк(α+Si)+Si₁) эвтектика относится к разделенным (вырожденным) и имеет игольчатое строение, снижающее весь комплекс механических свойств.

Для получения высоких свойств сплавы подвергаются модифицированию, которое заключается в добавке при разливке сплава специальных модифи­каторов – галогенидов натрия NaF и NaCl (в количестве 0,03 -0,1%). После их разложения в расплаве остается около 0,01% Na (ПАВ). Натрий осаждается на поверхности кристаллов кремния, при этом их скорость роста уменьшается, а скорость образования центров кристаллизации увеличивается. В результате достигается измельчение и сфероидизация кремния, получается дисперсная эвтектика – возрастает весь комплекс механических свойств. Кроме того, модифицирование способствует увеличению переохлаждения жидкой фазы в заэвтектическом сплаве (точка С смещается). В результате заэвтектический сплав кристаллизуется как доэвтектический.

Силумины типичные   литейные сплавы, конкури­рующие с литейными чугунами, преимущественно по массе

 

Сплавы Al-Cu

Рис.4 – Диаграмма состояний системы Al-Cu

Из диаграммы (рис. 4)видно, что пре­дельная растворимость меди в алюминии составляет 5,7% при 548° С. При этой концентрации образуется α-твердый раствор.

При содержании меди больше 5,7% образуется эвтектика α + СиА\ ₂. Таким образом, алюминиевые сплавы можно разделить на два класса (подобно тому, как разделя­ются сплавы Fe - С на стали и чугуны):

1) деформируемые – сплавы, не содержащие эвтектики, имеющие до 5,7% Сu.

В этих сплавах образуется один твердый раствор а, а затем с понижением температуры из него выпадают вторич­ные выделения СuА1₂ (θ-фаза) вследствие того, что при ох­лаждении предел насыщения α-твердого раствора уменьша­ется от 5,7 до 0,5% Сu;

2) литейные – сплавы с эвтектикой, содержащие выше 5,7% Сu.

Свойства сплавов А1-Сu зависят от фазового состава. Фаза CuAI₂ – это твердое и хрупкое соединение.

 

Медные сплавы

По химическому составу медные сплавы делятся на:

1. Латуни

2. Бронзы

3. Cu-Ni-сплавы

Латуни – сплавы на основе меди и цинка (без цинка латуней не бывает).

Бронзы – сплавы, в которых цинк не является основным компонентом, но может существовать как легирующая добавка.

Бронзы делятся на оловянные и безоловянные, деформируемые и литейные.

Маркировка медных сплавов

Латуни

Бронзы

Сплавы Cu- Zn (латуни)

Латуни делятся на двойные (простые) и многокомпонентные, которые, кроме меди и цинка, содержат легирующие элементы (Si, Pb, Al, Ni, Mn и др.).

Структура латуней

Структура двойных латуней описывается диаграммой состояния Cu-Zn. Температурная зависимость растворимости Zn в α- фазе имеет необычный характер: с понижением температуры она не уменьшается, а растет. При 900⁰ в α- фазе растворяется 32,5%, а при 451⁰ – 39%, при снижении температуры до комнатной, растворимость Zn уменьшается до 38% С.

По фазовому составу латуни делятся на однофазные (α) и двухфазные (α+β) – латуни.

Однофазные латуни имеют структуру твердого раствора α (тв. р-р замещения Zn в Cu с ГЦК решеткой). Она может быть дендритной, если имеет место внутрикристаллическая ликвация, или полиэдрической при равновес­ном составе. Если латунь подвергалась механической обра­ботке давлением, то в зернах наблюда­ются характерные полоски двойников.

В двухфазных латунях структура состоит из α-твердого раствора, окруженного β¹ – упорядоченным твердым раствором Zn в CuZn (β фаза – неупорядоченный твердый раствор на основе химического соединения CuZn c ОЦК решеткой (высокотемпературная фаза)). Переход от неупорядоченного к упорядоченному состоянию сопровождается повышением хрупкости.

В двойных сплавах границей между однофазными α и двухфазными (α+β) – латунями является 39% Zn – предельная растворимость при 453⁰; 38% - при комнатной температуре.

Деформируемые латуни

Латуни, содержащие Zn ≤ 39% являются деформируемыми, термически не упрочняемыми.

Единственным способом упрочнения является наклеп (нагартовка), т.е. ХПД с обжатиями ε до 50…60%, в результате прочность можно увеличить в 2 раза.

Литейные латуни

Литейные латуни отличаются от деформируемых более высоким комплексом механических свойств. В них, практически отсутствует ликвация. Многие из них обладают хорошими антифрикционными свойствами. Хорошими литейными свойствами (жидко текучестью) обладает латунь ЛЦ 17К3.

(α + β) – фазные используют для изготовления гаек, червячных винтов, подшипников и других ответственных деталей.

Недостатком литейных латуней является образование крупных усадочных раковин при кристаллизации – велики отходы.

 

Бронзы, и их особенности

Оловянистые бронзы

Практический интерес представляет начальная часть диаграммы Сu-Sn (до 10-12% Sn): область однородного твердого раствора олова в меди, так называемого α-твердого раствора и двухфазная область с эвтектоидным превращением:

         эвтектоид

В представленной части диаграммы Сu-Sn имеются четыре фазы:

- жидкая;

- α-фаза — твердый раствор олова в цинке;

- b-фаза — твердый раствор на базе b-электронного соединения Cu₅Sn;

- d-фаза — твердый раствор на базе электронного соединения Cu₃₁Sn₈.

.

Наличие хрупкой d-фазы исключает возможность прокат­ки, поэтому двухфазные бронзы применяются исключительно и литом виде.

Свойства оловянистых бронз определяются свойствами составляющих фаз: в области α-фазы имеет место небольшое увеличение прочности, пластичность растет до 5% Sn, далее быстро падает. Прочность начинает падать при содержании около 20% Sn, когда в структуре слишком много хрупкой d-фазы.

Оловянные бронзы делятся на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах Sn ≤ 6%, что обеспечивает достаточную пластичность. Из этих сплавов изготавливают прутки, проволоку, трубы, ленту. Упрочняются наклепом.

В литейных бронзах, олова содержится не более 12%. Отличаются небольшой жидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой причине не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная пористость. Литейная усадка у них очень невелика (0,8%) – это облегчает получение отливок сложной формы с резкими переходами от больших сечений к тонким.

       В качестве основного легирующего элемента часто используют фосфор:

- раскисляет Cu;

- повышает прочность, предел упругости;

- улучшает жидкотекучесть;

- повышает антифрикционные свойства из-за появления в структуре твердых частичек фосфида меди (Cu₃P)

Но также способствует ухудшению технологической пластичности бронз.

Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы содержат не более 11%Al,  до 9% Al бронзы - однофазные (деформируемые), при большем содержании двухфазные.

Фазы:

α – тв. р-р, обладает хорошей пластичностью и низкой твердостью;

β – тв. р-р на базе электронного соединения Cu₃Al с ОЦК решеткой;

 - электронное соединение (очень высокая твердость, малая пластичность).

Свойства алюминиевых бронз изменяются аналогично латуням. Прочность и пластичность быстро растут (см. рис.). Пластичность d достигает максимума при 5% Аl. Прочность с увеличением содержания алюминия растет и достигает максимума около 10% Al.

Алюминиевые бронзы имеют хорошие коррозионные свойства, высокие механические свойства, хорошую обрабатываемость.

Для улучшения механических и антифрикционных свойств алюминиевые бронзы легируют железом и никелем.

Бериллиевые бронзы

Бериллиевые бронзы обладают уникальным сочетанием физико-химических и коррозийных свойств, отличный пружинный материал. Оптимальным содержанием является 2% Be. При превышении этой концентрации прочность растет мало, а пластичность резко снижается.

 

ТЕРМООБРАБОТКА. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

       Вследствие значительной разницы между атомными радиусами углерода и железапри закалке стали образуется пересыщенный твердый раствор внедрения (пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe – Мартенсит), что обусловливает повышение внутренних напряжений и, как следствие, значительное повышение прочности и твердости стали.

       Атомные радиусы цветных металлов имеют меньшее различие, поэтому в цветных сплавах в основном образуются твердые растворы замещения. Эффект от закалки цветных сплавов будет зависеть от ряда факторов: соотношения атомных радиусов элементов, типа кристаллической решетки (одинаковый тип или разный), могут ли элементы образовывать химическое соединение. Поэтому после закалки цветных сплавов по сравнению с отжигом могут наблюдаться следующие эффекты:

- упрочнение (например, в дуралюминах);

- разупрочнение (например, в бериллиевых бронзах);

- отсутствие эффекта (например, в магналиях).

Вопросы для самопроверки

 

1. Что такое латунь, как она маркируется?

2. Что такое бронза, как она маркируется?

    3. Выбрать двухкомпонентные латуни из перечисленных: Л90, Л80, ЛС59-1, ЛС59-3, ЛО60-1, ЛАНКМц 75-2-2,5-0,5-0,5.

    4. Выбрать деформируемые латуни из перечисленных: ЛЦ40С, Л80, ЛС59-1, ЛЦ23А6Ж3Мц2.

    5. Какой эффект будет наблюдаться после закалки бронзы БрБ2 по сравнению с отжигом: упрочнение, разупрочнение, эффект отсутствует.

    6. Возможен ли «возврат к свежезакаленному состоянию» дуралюмина после искусственного старения и почему?

7. Что представляют собой силумины, какова роль их модифицирования и как они маркируются?

8. Что такое дуралюмины, как они маркируются и где применяются?

 9. Какие деформируемые алюминиевые сплавы относятся к термически      упрочняемым и к термически неупрочняемым?

10. Какая микроструктура у дуралюмина по диаграмме Al-Cu после отжига?

11. Какая упрочняющая термическая обработка дуралюминов?

12. Какая структура образуется у дуралюмина после закалки?

13. Что такое старение?

14. Что представляют собой зоны ГП1, ГП2, θ'-, θ''- и θ - фазы?

15. Как влияет температура старения на твердость дуралюмина?

Цветные сплавы (алюминиевые и медные)