Ковочные сплавы системы Al—Cu—Mg—Si (дюралюмины)

 

К этой системе принадлежат сплавы АК6 и АК8, которые обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их применяют для изготовления штамповок и поковок. Эти сплавы термически упрочняемые.

Дополнительное легирование сплавов медью повышает эффект упрочнения по сравнению с авиалями при некотором снижении относительного удлинения, вязкости разрушения и сопротивления коррозионному растрескиванию.

Небольшие добавки титана (0,10–0,15 %) и хрома (≈ 0,01 %) позволяют устранить столбчатую структуру слитков и повысить пластичность в горячем состоянии. После термообработки сплавы с этими добавками имеют сильно измельченную структуру и повышенные механические свойства.

Сплавы АК6 и АК8 применяются в закаленном и, как правило, в искусственно состаренном состоянии.

Для получения высоких механических свойств полуфабрикатов и деталей из этих сплавов охлаждение при закалке проводят в воде с температурой не выше 40 ^оС. Для снижения закалочных напряжений и коробления при закалке массивных, сложных по конфигурации деталей и полуфабрикатов из сплавов АК6 с толщиной стенки до 30 мм допускается охлаждение в воде, нагретой до 80–90 ^оС, а с толщиной до 150 мм — до 70–80 ^оС. Закалка в горячей воде вызывает снижение прочностных характеристик на ≈ 5 %, но не ухудшает другие свойства. При этом наблюдается некоторое повышение сопротивления коррозионному растрескиванию.

Старение при 20 ^оС (естественное) сплавов АК6 и АК8 обеспечивает высокую пластичность и сопротивление коррозионному растрескиванию при пониженных прочностных свойствах по сравнению с искусственным старением.

Сплавы АК6 и АК8 имеют высокие технологические свойства при непрерывном литье, горячей обработке давлением (свободной ковке, штамповке, прессовании). Сплавы хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Температурный интервал горячей деформации составляет 420–470 ^оС.

Все сплавы удовлетворительно свариваются точечной и роликовой сваркой, а сплав АК8 — аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой СвАК5. Прочность сварных соединений составляет 0,6–0,7 от прочности основного металла.

Сплавы хорошо обрабатываются резанием.

Технологические и эксплуатационные нагревы не приводят к ухудшению коррозионной стойкости сплавов. Защита от коррозии в зависимости от назначения деталей осуществляется анодно-оксидными химическими и лакокрасочными покрытиями.

Сплав АК8 вошел в международные стандарты под маркой 2014. Он особенно широко применяется за рубежом, причем не только в виде кованых, но и катаных, и прессованных полуфабрикатов.

Сплав АК6 — высокотехнологичный оригинальный российский ковочный сплав средней прочности с хорошими характеристиками вязкости и пластичности. Из него изготовляют стыкующие детали планера пассажирских самолетов длительного ресурса. Отечественные авиастроители на основании продолжительного опыта отдают предпочтение этому сплаву для применения в сложных штампованных деталях, требующих повышенной выносливости.

Сплавы АК6 и АК8 используются для ответственных силовых деталей авиационной техники, в частности в крыльях пассажирских самолетов.

Сплав АК6 применяют для изготовления сложных штамповок: крыльчаток компрессора, крыльчаток вентилятора для компрессоров реактивных двигателей, корпусных деталей агрегатов.

Кроме того, эти сплавы широко используют в строительстве, транспорте, электротехнике и других отраслях промышленности.

 

Сплавы системы Al-Si (силумины)

 

Данные сплавы относятся к литейным алюминиевым сплавам. К их достоинствам можно отнести хорошую жидкотекучесть и низкую усадку при затвердевании. Из силуминов изготавливают корпуса двигателей внутреннего сгорания, массивные детали некоторых станков и т.д.

 

Медь и ее сплавы

 

Медь - металл с удельной плотностью 8,94 Мг/м3. Кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная. Температура плавления 1083 °С. Характерными свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность (ρ = 0,0178 Ом.мм2/м), поэтому медь находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется М00 (99,99 % Сu), М0 (99,95 % Сu), M1 (99,95 % Сu) и т.д.

Механические свойства меди относительно низки. Так, в литом состоянии σb = 150-200 МПа, δ = 15-25 %. Поэтому применять медь в качестве конструкционного материала нецелесообразно. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе.

Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы.

 

Латуни

 

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45 %.

Медь с цинком образует α-твердый раствор цинка в меди с максимальной растворимостью цинка 39 %, а также фазы β, γ, ε, которые являются твердыми растворами на базе электронных соединений: β - CuZn, γ – Cu5Zn; ε - CuZn3.

В зависимости от содержания цинка различают однофазные α - латуни и двухфазные α + β - латуни.

Однофазные латуни (до 39 % Zn) находят применение для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии, так как они имеют хорошую пластичность. Из них изготавливаются ленты, радиаторные трубки, проволока, гильзы патронов.

Двухфазные α + β - латуни, содержащие цинк от 39 до 45 %, используются для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 °С, так как эти латуни имеют низкую пластичность в холодном состоянии.

Из двухфазных α + β - латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой получают детали. При содержании цинка более 45 % в латуни присутствует β - твердый раствор. β - латуни обладают максимальной прочностью (σb = 420 МПа), но практического применения не находят ввиду очень низкой пластичности (δ = 7 %).

Увеличение содержания цинка повышает прочность (до 45 % Zn ) и пластичность (до 37 %Zn), удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем, уменьшается теплопроводность и электропроводность, которые составляют 20-50 % от характеристики меди.

Латуни маркируются буквой Л и последующим числом, показывающим содержание меди в процентах, например, в сплаве Л62 имеется 62 % Сu и 38 % Zп. При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой элементов (О - олово, А - алюминий, К - кремний, С - свинец, Н - никель, Мц - марганец, Ж - железо). Количество этих элементов в процентах обозначается цифрами.

Присутствующие в латуни элементы повышают твердость и снижают пластичность латуней, особенно однофазных. Двухфазные латуни нередко легируют Аl, Fe, Ni, Si, Мn, Рb и другими элементами. Такие латуни называют специальными или многокомпонентными.

Так, свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства (ЛC 59-1). Алюминий повышает прочность, твердость и коррозионную стойкость латуни (ЛA 77-2). Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность к деформации (ЛК 80-3).

Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства (ЛН 65-5). Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде (ЛО 70-1 – морская латунь).

 

Бронзы

 

Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Название бронзам дают по основным элементам. Так, их подразделяют на оловянные, свинцовые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и др.

Бронзы маркируются буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов.

Например, Бр О4Ц2С2,5 содержит 4 %Sn, 2 %Zn, 2,5 % Рb. Сплавы меди с никелем имеют названия: мельхиоры; куниали; нейзильберы.

 

Оловянистые бронзы

При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы и электронные соединения аналогично тому, как это имело место в сплавах Cu-Zn. В твердом состоянии в бронзах имеются фазы: α- твердый раствор олова в меди; β-твердый раствор на базе электронного соединения CuSn, δ-электронное соединение Сu31Sn8, γ-твердый раствор на базе химического соединения Си₃Sп (ε -соединение).

Оловянистые бронзы обычно легируют Zn, Fe, Р, Рb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные качества, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства. Свинец снижает механические свойства, но повышает плотность отливок, улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.

Различают деформируемые (Бр О6,5Ф0,15; Бр О4Ц3) и литейные бронзы (Бр О3Ц7С5Н1, Бр О3Ц12С5). Из деформируемых бронз изготавливают прутки, трубки, ленту, проволоку. Литейные бронзы применяют, главным образом, для изготовления пароводяной аппаратуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов, червячных колес, вкладышей подшипников скольжения.

 

Свинцовые бронзы

 

Свинец не растворяется в меди, поэтому сплавы после кристаллизации состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение свинцовистых бронз для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянистыми бронзами теплопроводность бронзы Бр С30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Из-за невысоких механических свойств (σb = 60 МПа, δ = 4 %) бронзу Бр C30 наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Вследствие большой разницы в удельной плотности меди (8,94 Мг/м3) и свинца (11,34 Мг/м3) и широкого интервала кристаллизации бронза Бр С30 склонна к ликвации (неоднородности химического состава) по плотности. Уменьшить ликвацию можно высокой скоростью охлаждения отливок.

Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые растворяясь в меди, повышают механические свойства (σb = 150-200 МПа, δ = 3-8 %). Например, Бр О10С10, Бр О10С2Н3.

 

Титан и его сплавы

 

Титан - серебристо-белый легкий металл с удельной плотностью 4,5 Мг/м³ и температурой плавления 1668 °С. При температуре 882 °С титан претерпевает полиморфное превращение Tiα (ГПУ) →Тiβ (ОЦК). Чистый титан имеет σb = 270 МПа, δ = 55 %. Е = 112000 МПа. С уменьшением чистоты титана (марки ВТ1-00, BT1-0, BT1-1) прочностные свойства повышаются (σb = 300-550 МПа); пластичность падает (δ = 15-25 %).

Титан является химически активным металлом, но на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных окислов, благодаря чему имеет высокую стойкость в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах.

Чистый титан находит применение в авиации и ракетостроении, а также в химической промышленности. Металлургической промышленностью изготавливается в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов. Повышение прочностных характеристик титана может быть достигнуто за счет легирования его Al,Мо, V, Мn, Сг, Sn, Zr, Nb. Упрочнение титана при легировании сопровождается снижением его пластичности.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуру полиморфного превращения. Такие элементы, как Al, O, N повышают температуру полиморфного превращения и расширяют область α, их называют α-стабилизаторами. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают сплавы.

Такие элементы, как Мо, V, Мп, Cr, Fe понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования β-фазы; их называют β -стабилизаторами. При легировании титана Мn, Fe, Сг, Si в сплавах протекает эвтектоидное превращение. Образование эвтектоида охрупчивает сплав.

Современные промышленные α -сплавы сравнительно малопластичны, но охрупчиваются при термической обработке. β-сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны: при нагреве не испытывают фазовых превращений. Сплавы α+β более прочны, чем однофазные, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке. К этому классу принадлежит большинство промышленных сплавов.

Наличие у сплавов титана высокотемпературной модификации β-твердого раствора, способной к значительному переохлаждению, обусловливает получение разнообразных структур в зависимости от peжимов термической обработки. Полиморфное β→α превращение может иметь два различных механизма. При высоких температурах, т.е. при небольшом переохлаждении относительно равновесной температуры β→α перехода, превращение происходят обычным диффузионным путем, а при значительном переохлаждении, и, следовательно, при низкой температуре, когда подвижность атомов мала, - по бездиффузионному мартенситному механизму. В первом случае образуется полиэдрическая структура α-твердого раствора, во втором - игольчатая (пластинчатая) мартенситная структура, обозначаемая как α. Легирующие элементы, снижающие температуру β→α превращения, способствуют получению мартенсита. При низком легировании для этого требуется интенсивное охлаждение. При очень высоком содержании β-стабилизаторов температура β→α превращения снижается до нуля и β- твердый раствор охлаждается до комнатной температуры без превращения.

Образование мартенсита в титановых сплавах по сравнению с закалкой углеродистой стали сопровождается сравнительно невысоким ростом прочностных свойств.

Важнейшими областями использования титановых сплавов являются следующие:

1) авиация и ракетостроение, где из титановых сплавов изготавливаются корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, лопатки ковшрессоров, детали крепежа, фюзеляжа и т.д.;

2) химическая промышленность (компрессоры, клапана, вентили для агрессивных жидкостей);

3) оборудование для обработки ядерного топлива;

4) морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок, торпед);

5) криогенная техника (при отрицательных температурах до -250 °С).

Расширение области применения титана и его сплавов сдерживает высокая стоимость. В земной коре содержится много (~ 0,6 %) титана, т.е. среди конструкционных металлов по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Основной сдерживающий фактор по широкому практическому использованию титана - сложность процесса производства титана из руд, что бесспорно будет устранено в будущем.

 

Магний

 

Магний - серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. Почти в 5 раз легче меди, в 4,5 раза легче железа; в 1,5 раза легче алюминия. Плавится магний при температуре 651 ^оС, но в обычных усло­виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 ^оС он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. По­лоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой, а в атмос­фере хлора магний самовозгорается даже при комнатной температуре. При горении магния выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла - чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь все­го 4 г магния. На воздухе магний окисляется, но образующаяся при этом окисная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления

Магний применяют в виде металлических пластин при защите от коррозии морских судов и трубопроводов. Защитное действие магниевого «протектора» связано с тем, что из стальной конструкции и магниевого протектора (магний стоит в электрохимическом ряду напряжений левее, чем железо) создаётся электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же стальная часть конструкции при этом сохраняется. В металлургии магний используют как «раскислитель» – вещество, связывающее вредные примеси в расплаве железа. Добавка 0,5% магния в чугун сильно повышает ковкость чугуна и его сопротивление на разрыв. Используют магний и при изготовлении некоторых гальванических элементов.

Сплавы магния играют в технике очень важную роль. Существует целое семейство магниевых сплавов с общим названием «электрон». Основу их составляет магний в сочетании с алюминием (10%), цинком (до 5%), марганцем (1-2%). Малые добавки других металлов придают «электрону» различные ценные свойства. Но главным свойством всех видов «электронов» является их лёгкость (1,8 г/см³) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится лёгкость: в самолёто- и ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литиевые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см³). Их использование в технике очень перспективно. Магниевые сплавы ценны не только из-за своей лёгкости. Их теплоёмкость в 2-2,5 раза выше, чем у стали. Используют и сплав алюминия с большим содержанием магния (5-30%). Этот сплав «магналит» твёрже и прочнее алюминия, легче обрабатывается и полируется. Число металлов, с которыми магний образует сплавы, велико. Интересная особенность магния не смешиваться в расплаве со своим близким по положению в таблице Менделеева бериллием. Из-за сильного различия межатомных расстояний не образует магний сплавов и с железом.

Среди кислородных соединений Mg нужно отметить оксид магния MgO, называемый также жжёной магнезией. Он применяется в изготовлении огнеупорных кирпичей, т.к. температура его плавления 2800^оС. Жжёная магнезия используется и в медицинской практике.

Интересны силикаты магния – тальк 3MgO*4SiO₂*H₂O и асбест CaO*MgO*4SiO₂, обладающие высокой огнестойкостью. Асбест имеет волокнистое строение, поэтому его можно прясть и изготавливать из него спецодежду для работы при высоких температурах. Карбонаты и силикаты магния в воде нерастворимы.

Интерес к магнию и сплавам на его основе обусловлен, с одной стороны, сочетанием важных для практического использования свойств, а с другой стороны, большими сырьевыми ресурсами магния. Велика сфера использования магния и магниевых сплавов со специальными химическими свойствами, например в источниках тока и для протекторов при защите стальных сооружений от коррозии.

В СНГ, как и за рубежом, имеются большие запасы минерального сырья магния, удобные для его извлечения. Это месторождения твёрдых солей, содержащих магний, а также рассолы ряда соляных озёр. Кроме того, магний может извлекаться из морской воды. Таким образом, для магния не стоит проблема истощения сырьевых ресурсов, которая приобретает всё большее значение для многих других, промышленно важных металлов. Хотя магний является одним из основных промышленных металлов, но объём его производства продолжает заметно уступать объёму производства алюминия и стали.

Определённую ориентировку в потребностях промышленности в магнии даёт рассмотрение его производства и потребления в развитых капиталистических и развивающихся странах. После второй мировой войны и вплоть до начала 70-х годов XX столетия в них наблюдался непрерывный рост производства и потребления магния, затем произошла его стабилизация. Крупнейшим производителем магния в капиталистических странах являются США, доля которых в общем производстве несколько больше 50%.

Конструкционные магниевые сплавы – это лишь одна, причём не самая большая по объёму область применения магния. Магний широко используется как химический реагент во многих металлургических процессах. В частности, он применяется в чёрной металлургии для обработки чугуна с целью десульфурации. В общем, в последние годы имеется тенденция к расширению применения магния в качестве химического реагента. Значительное количество магния используется для получения титана, и надо искать пути повышения эффективности применения его в этих целях. Проявляется также значительный интерес к магнию и сплавам на его основе как аккумуляторам водорода.

Имеется определённая предубеждённость против магниевых сплавов со стороны потребителей в отношении их пожароопасности, низкой коррозионной стойкости, повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Эту предубеждённость следует преодолевать. В то же время следует продолжить работы, направленные на улучшение служебных характеристик магниевых сплавов, в частности на повышение их коррозийной стойкости.

 

Бериллий

 

Бериллий - металл серого цвета, обла­дающий полиморфизмом. Низкотемпе­ратурная модификация бериллия, существую­щая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периода­ми а = 0,2286 нм; с — 0,3584 нм; высоко­температурная Ве_в (1250-1284 °С) - ре­шетку объемно-центрированного куба.

Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости бериллий имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопровод­ностью и электропроводимостью, демп­фирующей способностью и другими ценными свойствами.

Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двой­ной силикат бериллия и алюминия (ЗВеО • А1₂О_э • 6SiО₂). Содержание в зем­ной коре бериллия небольшое - 0,0005%. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология извлече­ния из руд, получения из него полуфа­брикатов и изделий определяют высо­кую стоимость бериллия.

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки, по­лученные вакуумной переплавкой, либо обрабатывают давлением для получе­ния полуфабрикатов, либо перерабаты­вают в порошок, из которого полуфа­брикаты и изделия изготовляют мето­дом порошковой металлургии. Об­работке давлением подвергают лишь малые слитки (диаметр < 200 мм), так как в слитках большого размера из-за высо­кого поверхностного натяжения обра­зуются две усадочные раковины, соеди­ненные трещиной.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Для улучшения пластичности прокатку ведут при нагреве. Однако при температурах выше 700 °С бериллий «схватывается» с инструментом. Поэтому его прокатывают в стальной оболоч­ке, которую затем стравливают.

Механические свойства бериллия за­висят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. Горячекатаный полуфабри­кат, полученный из слитка, обладает низкими свойствами. По относи­тельному удлинению вдоль прокатки он близок к литому состоянию, в попереч­ном направлении имеет близкую к нулю пластичность.

Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твёрдость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изготовленных из этих сплавов изделий. В технике довольно широко распространены бериллиевые бронзы типа BeB (пружинные контакты). Добавка 0,5 % бериллия в сталь позволяет изготовить пружины, которые пружинят при красном калении.

Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу).

В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. Оксид бериллия является наиболее теплопроводным из всех оксидов и служит высокотеплопроводным высокотемпературным изолятором, и огнеупорным материалом (тигли), а кроме того наряду с металлическим бериллием служит в атомной технике как более эффективный замедлитель и отражатель нейтронов чем чистый бериллий, кроме того оксид бериллия в смеси с окисью урана применяется в качестве очень эффективного ядерного топлива. Фторид бериллия в сплаве с фторидом лития применяется в качестве теплоносителя и растворителя солей урана, плутония, тория в высокотемпературных жидкосолевых атомных реакторах. Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла, применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Самый технологичный и качественный состав такого стекла -(BeF₂-60 %,PuF₄-4 %,AlF₃-10 %, MgF₂-10 %, CaF₂-16 %). Этот состав наглядно показывает один из примеров применения соединений плутония в качестве конструкционного материала (частичное).

В лазерной технике находит применение алюминат бериллия для изготовления твердотельных излучателей (стержней, пластин).

В производстве деталей для аэрокосмической техники, тепловых экранов и систем наведения с бериллием не может конкурировать практически ни один конструкционный материал. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и лёгкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Будучи в 1,5 раза легче алюминия, эти сплавы в то же время прочнее многих специальных сталей. Налажено производство бериллидов, применяемых как конструкционные материалы для двигателей и обшивки ракет и самолетов, а так же в атомной технике.

 

Тесты для самоконтроля

 

1. Все металлы могут быть разделены на две большие группы:

 

А) белые и цветные

Б) черные и цветные

В) черные и белые