Цветные металлы и их сплавы.

Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.

Технически чистая медь – металл красноватого цвета, обладающий высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. Прочность невысокая: s_в = 180...240 Н/мм² при высокой пластичности d > 50%. По чистоте медь подразделяют на марки по ГОСТ 859-78 и маркируют буквой М и числом. Например, М00 (99,99% Cu), М01 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu), М4 (99,0% Cu). В состав медных сплавов могут входить цинк – Ц, алюминий – А, марганец – Мц, кремний – К, железо – Ж, фосфор – Ф, никель – Н, свинец – С, олово – О, бериллий – Б.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни.

Латунь – сплав меди с цинком (10...40 %), хорошо поддается холодной прокатке, штамповке, вытягиванию, σ_в = 250...400 Н/мм², δ = 35...15%. При маркировке латуней (Л96, Л90,..., Л62) цифры указывают на содержание меди в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т.е. с другими элементами (Мn, Sn, Pb, Al).

Бронза – сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и другими элементами. Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры). При маркировке бронзы Бр.ОЦС 3-12-5 отдельные индексы обозначают: Бр – бронза, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, цифры 3, 12, 5 – содержание в процентах олова цинка, свинца. Свойства бронзы зависят от химсостава: σ_в=150...200 Н/мм², δ=4...8%, НВ60 (в среднем).

Алюминий – легкий серебристый металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, низкой прочностью при растяжении – σ_в = 80...100 Н/мм², твердостью – НВ20, малой плотностью – 2700 кг/м³, стоек к атмосферной коррозии. В зависимости от степени чистоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой чистоты (А999) (99,99% Al), высокой (А995, А99, А97, А95) и технической чистоты (А85, А8, А7, А6, А5, А0). Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква " Е " обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния. В чистом виде алюминий в строительстве применяют редко (краски (алюминиевая пудра), газообразователи (газобетон), фольга). Для повышения прочности в него вводят легирующие добавки (Мn, Сu, Mg, Si, Fe) и используют некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины), идущие для изготовления профилей или прокатки листов и т.п.

Силумины – сплавы алюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими литейными качествами, малой усадкой, прочностью – σ_в = 200 Н/мм², твердостью – НВ 50...70, при достаточно высокой пластичности – δ = 5...10%. Механические свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность и пластичность силуминов.

Дюралюмины – сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием (менее 0,8 %), марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500...520°С с последующим старением). Старение осуществляют на воздухе в течение 4...5 суток при нагреве на 170°С в течение 4...5 ч.

Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Временное сопротивление дюралюминов после закалки и старения составляет 400...480 Н/мм² и может быть повышено до 550...600 Н/мм² в результате наклепа при обработке давлением.

В последнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в строительстве для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в сборно-разборных конструкциях, при строительстве в сейсмических районах, в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Начато изготовление трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100...300 кг/м³.

Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, но из-за образования тугоплавких оксидов Аl₂О₃ она осуществляется в более сложных условиях, чем сварка стали.

Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах); повышенный (примерно в 2 раза) по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения; пониженная свариваемость.

Титан за последнее время начал применяться в разных отраслях техники благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м³) по сравнению со сталью, высоким прочностным свойствам, повышенной теплостойкости. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. На основе титана создаются легкие и прочные конструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при повышенных температурах. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготавливать сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом.

Алюминий и его свойства.

Алюминий (Aluminium, от лат. Alumen – квасцы) Аl – элемент III группы 3-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер – 13, атомная масса 26,9815, имеет один стабильный изотоп 27Аl. Металлический алюминий был получен в 1827 г. Ф. Велером и в менее чистом виде в 1825 г. Х. Эрстедом. По содержанию в земной коре (8,8%) алюминий занимает третье место. В свободном виде не встречается. Основное сырье для производства алюминия – бокситы.

Алюминий – серебристо-белый металл, легкий, крепкий, пластичный, ковкий, имеет высокую электро- и теплопроводность, высокую химическую активность, легко соединяется с кислородом воздуха, покрываясь плотной, крепкой пленкой окиси А1₂O₃. Это обусловливает высокую коррозийную стойкость алюминия. Алюминий за свои уникальные строительные качества называют конструкционным материалом XXI века.

Алюминий один из легчайших металлов: он в 3,1 раза легче меди и в 2,9 раза более легок железа. В сравнении со сталью алюминий является мягким пластичным материалом. Высокая пластичность алюминия позволяет прокатывать его в фольгу толщиной до 3 микрон, вытягивать в самый тонкий, как паутина, провод: при длине 1000 м он весит всего 27 г и умещается в спичечной коробке. Плотность его составляет ρ = 2700 кг/м3, а модуль упругости Е=71000 Па, что почти втрое меньше, чем плотность и модуль упругости стали. Алюминий очень пластичен удлинение при разрыве достигает 40...50%, но прочность его достаточно низкая (предел прочности составляет приблизительно 60...70 МПа). Алюминий имеет очень высокую, даже в сравнении с другими металлами, теплопроводность и электропроводность и уступает в этом отношении только серебру, золоту и меди. Его коэффициент теплопроводности составляет λ=237 Вт/м°С, что почти в четыре раза превышает коэффициент теплопроводности стали. Чистый алюминий быстро покрывается очень крепкой пленкой оксида, которая препятствует последующему развитию коррозии.

Однако, в результате низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется крайне редко. Зато, алюминиевые многокомпонентные сплавы имеют в 2...5 раз более высокую прочность в сравнении с чистым алюминием, однако их относительное удлинение при этом в 2...3 раза ниже.

Основные физико-химические свойства алюминия таковы:

название (русское, латинское, английское) Алюминий, Aluminium, Aluminum;

порядковый номер 13;

класс, подгруппа класс металлы, подгруппа платины;

атомная масса 6,98154 грамм/моль;

валентности, которые отвечают степени окисления +3 (+2, +1);

точка кипения 2740 К (2467 °С);

точка плавления 933,5 К (660,5 °С);

удельная плотность 2,70 г/см³;

электронная конфигурация [Ne] 3s2, pi;

кислотно-щелочные свойства Амфотерный;

кристаллическая структура Кубическая сингония, 4;

электроотрицательность 1,61;

теплота парообразования 290,8 кДж/моль;

теплота плавления 10,7 кДж/моль;

электропроводность 37,7 106 ом см;

теплопроводность 237 Вт/(м К) (при 300 К);

удельная теплоемкость 0,90 Дж г 1 К 1 (при 300 К);

первый потенциал ионизации 5,986 эВ;

атомный объем 10,0 см³/моль;

атомный радиус 0,143 нм;

ковалентный радиус 0,118 нм.

 

Основным преимуществом алюминиевых конструкций является их малый вес при высокой несущей способности, иначе говоря, высокая удельная прочность или перекрывающая способность, выражаемая отношением расчётного сопротивления (в т/м²) к объемному весу (в т/м³). Эта величина измеряется в метрах и показывает длину стержня, в котором под растягивающим действием собственного веса возникнут напряжения, равные расчетным сопротивлениям. Сравнение этой величины для конструкций из алюминиевых сплавов и других современных строительных материалов показывает, что по своей удельной прочности конструкции из алюминиевых сплавов значительно превосходят сталь.

Благодаря малому весу несущих конструкций представляется возможным уменьшить вес и размеры поддерживающих конструкций (колонны) или механизмов движения (мостовые краны, разводные мосты, ворота ангаров, передвижные радио- и телемачты и др.). Улучшаются условия компоновки сооружений путем увеличения пролета несущих конструкций (увеличение шага колонн, применение напольных кранов); сокращаются транспортные расходы, и, наконец, можно шире применять новые виды подъемно-транспортных средств (например, вертолеты в качестве воздушных кранов и т. п.).

Весьма ценной особенностью конструкций из алюминиевых сплавов является их высокая стойкость против коррозии, в 10—20 раз превышающая стойкость обычной строительной стали. Это позволяет применять алюминиевые сплавы для широкого перечня ограждающих конструкций, в том числе и для конструкций, сочетающих в себе одновременно ограждающие и несущие свойства, а также назначать минимальные толщины элементов-конструкций в соответствии с требованиями прочности или устойчивости, тогда как минимальную толщину элементов стальных конструкций определяют по требованиям защиты их от коррозии.

Высокая стойкость алюминиевых конструкций против коррозии позволяет применять их в ряде случаев без окраски; при этом сохраняется хороший внешний вид сооружения. В случае необходимости стойкость конструкций против коррозии можно повысить путем окраски или анодирования, что позволяет успешно решать архитектурно-декоративные задачи, так как анодирование с цветным наполнителем обеспечивает стойкое окрашивание поверхности алюминиевых конструкций или деталей в различные цвета – зеленый, голубой, золотистый, малиновый или фиолетовый.

Существенное преимущество алюминиевых конструкций – отсутствие искр при ударе по ним стальными или каменными предметами. Это важное свойство может быть использовано при подземном строительстве. Так, в Венгрии в шахтах, имеющих взрывоопасную атмосферу, применяется сборно-разборная крепь из алюминиевого сплава.

Конструкции из алюминиевых сплавов при низких температурах становятся более пластичными (менее хрупкими). Это важное свойство выгодно отличает алюминиевые конструкции от стальных.

Повышенная сейсмостойкость алюминиевых конструкций обусловливается их меньшим весом, что уменьшает сейсмические нагрузки (инерционные силы при толчке). Это обстоятельство обеспечивает не только увеличение долговечности сооружений, возводимых в сейсмических районах, но и снижение их стоимости.

Основными недостатками алюминиевых сплавов являются, низкий модуль упругости, равный 710000 кг/см², из-за чего уменьшается устойчивость элементов алюминиевых конструкций и увеличиваются их деформации под нагрузкой, и более высокий, чем у стали, коэффициент линейного расширения (α_т=0,000023 на 1°). Вследствие этого при изменении температуры увеличиваются деформации конструкций из алюминиевых сплавов по сравнению с аналогичными стальными конструкциями.

Однако не во всех конструкциях указанные свойства алюминиевых сплавов дают отрицательный эффект; так, низкий модуль упругости (в сочетании с малым весом конструкции) обеспечивает сейсмостойкость зданий. Например, при землетрясении в 1957 г. в г. Мехико, здания, выполненные из различных материалов, получили значительные разрушения; исключением явились фасады зданий (в том числе высотных), выполненные с широким применением алюминиевых сплавов.

Высокий коэффициент линейного расширения (в сочетании с низким модулем упругости) вызывает в статически неопределимых конструкциях из алюминиевых сплавов дополнительные напряжения от температуры, составляющие лишь две трети от подобных напряжений в аналогичных стальных конструкциях.

Недостатками алюминиевых сплавов являются также относительная сложность осуществления соединений, пониженные выносливость и жаропрочность.

Однако указанные недостатки алюминиевых сплавов не могут препятствовать широкому применению в строительстве алюминиевых конструкций. Умелое использование перечисленных выше преимуществ алюминиевых сплавов в конкретных местных условиях строительства позволяет добиться значительного технико-экономического эффекта даже при существующей, пока еще высокой, стоимости алюминиевых сплавов.

Расширению области применения алюминиевых конструкций способствуют также некоторые их особенности, выгодно отличающие алюминий от стали в металлических конструкциях: хладостойкость, имеющая большое значение для конструкций, строящихся в северных и сибирских условиях; высокая сейсмостойкость, антимагнитность, что важно при строительстве радиомачт и телебашен, отсутствие искр при ударе (при подземном строительстве), высокая отражательная способность (при строительстве в южных районах), малая шероховатость поверхности (при строительстве трубопроводов), высокая огнестойкость ограждающих конструкций, хорошее поглощение алюминием нейтронного излучения. Наконец, в особых случаях используется высокая стойкость алюминия против ряда химически агрессивных веществ (при строительстве предприятий химической и пищевой промышленности) и его бактерицидность (способность отражать ультрафиолетовое излучение, убивающее микробов в помещениях).

Сплавы на основе алюминия.

Сплавы на основе системы Al-Si. Сплавы на основе системы "алюминий-кремний" разделяются на две группы: сплавы, которые содержат больше 6% кремния, но без меди (за исключением сплавов АЛ4М И В2616), и сплавы, которые содержат менее 6% кремния и в качестве легирующей упрочняющей добавки медь. Сплавы первой группы (АЛ2, АЛ4, АЛ9, ВАЛ5) имеют хорошие литейные свойства, что позволяет получать из них сложные по конфигурации тонкостенные отливки всеми видами литья. Особенность сплавов этой группы – повышенная склонность к выделению водорода, растворенного в расплаве в процессе кристаллизации, которая приводит к образованию газовой пористости в отливках. Поэтому одной из важнейших операций технологического процесса плавки этих сплавов является тщательное рафинирование. Кроме того, сплавы этой группы содержат большое количество эвтектики α+Si, в которой кремний при литье с небольшой скоростью охлаждения (в песчаные, оболочковые, гипсовые формы), кристаллизуется в грубой игольчатой форме. При этом снижаются механические свойства сплавов, особенно пластичность. Поэтому сплавы рекомендуется применять в модифицированном состоянии.

При расчете шихты для сплавов этой группы (за исключением сплава АЛ2) стоит учитывать требования, которые выдвигаются к отливкам относительно прочности и пластичности: наибольший предел прочности (но снижена пластичность) обеспечивается при максимальном содержании магния, повышенная пластичность (но снижен предел прочности) – при минимальном содержании магния.

В качестве материалов шихты при плавке применяют силумин в чушках марок СИЛ0, СИЛ 1, СИЛ2 или лигатуру Al-Si, алюминий технической чистоты, магний, лигатуры: А1-Мn (для сплава АЛ4), А1-Ве и Al-Ti (для сплава ВАЛ5).

Сплавы на основе системы "алюминий-кремний" являются лучшими литейными сплавами и широко применяются в промышленности для литья деталей разного назначения.

Сплавы на основе системы Al-Mg. Сплавы на основе системы Al-Mg называются магналием и разделяются на две группы: сплавы на основе двойной системы "алюминий-магний" (АЛ8, АЛ27, АЛ27-1, АЛ23, АЛ23-1, АЛ28) и сплавы на основе системы "алюминий-магний-кремний" (АЛ13, АЛ22, АЛ29).

Технологию изготовления сплавов обеих групп разрабатывают с учетом особенности всего магналия их повышенной склонности к окислению в жидком состоянии. Поэтому большое внимание стоит уделять защите расплава от контакта с атмосферой. Для этого проводят защитное легирование сплавов бериллием, который способствует образованию на поверхности расплава плотной пленки оксида BeO-MgO, которая защищает расплав от окисления, а также роста зернистости, которая компенсируется введением титана. Комплексное легирование сплавов системы "алюминий-магний" малыми добавками бериллия, титана и циркония способствует улучшению не только механических, но и литейных свойств сплавов за счет уменьшения эффективного интервала их кристаллизации.

Плавку магналия рекомендуется проводить в электропечах с графитовым тиглем, используя графитовый или титановый плавильный инструмент во избежание загрязнения сплавов железом, которое ухудшает механические свойства сплавов и снижает их коррозийную стойкость.

Сплавы типа магналий являются наиболее легкими и коррозионностойкими алюминиевыми литейными сплавами. Их широко применяют для литья деталей конструкций, которые работают в морской воде, а также в условиях влажной атмосферы.

Сплавы на основе системы Al-Zn. В промышленности применяют сплавы систем Al Zn Si (АЛ 11) и Al Zn Mg (AJI24). Эти сплавы склонны к газопоглощению и окислению, потому их плавку рекомендуется проводить в печах с электроподогревом.

Для изготовления сплава АЛ11 используют: алюминий технической чистоты, силумин или лигатуру Al-Si, чушки магния и цинка. В шихте можно использовать до 100% возврата в виде отходов.

Для изготовления сплава АЛ24 используют алюминий технической чистоты, цинк, магний и лигатуры А1-Мп и Al-Ti. Количество используемого возврата не должно превышать 60% от массы всей шихты.

Сплавы алюминия с цинком являются самозакалочными. Детали из них могут упрочняться путем естественного старения непосредственно после литья, что дает возможность не подвергать их термообработке.

Сплавы на основе системы Al-Cu. Двойные сплавы системы "алюминий-медь" с небольшим содержанием меди имеют низкие литейные, но достаточно высокие механические свойства. Увеличение содержания меди способствует повышению литейных свойств за счет увеличения содержания в сплавах эвтектики α+СuА12, однако механические свойства сплавов ухудшаются из-за наличия в их структуре фазы СuА12. Легирование двойных сплавов системы Al-Cu разными элементами позволило разработать высокопрочный сплав АЛ 19, широко применяемый в промышленности, а также ряд жаропрочных сплавов: АЛ1, АЛ20, АЛ21, ВАЛ1.

Высокопрочный сплав АЛ 19 рекомендуется плавить в электропечах сопротивления и индукционных печах. Для получения отливок с мелкозернистой структурой, с высокими механическими свойствами, а также во избежание образования возможных ликвационных дефектов в массивных узлах отливок целесообразно применять предварительный сплав или чушечный сплав АЛ19, который поставляется централизовано. Для выплавки предварительного сплава необходимо применять алюминий марки не ниже А9 и четверную лигатуру (Сu – 28...32%; Мп - 4...6%; Ti - 1,8...2,5%; остальное - алюминий), изготовленную на основе чистых металлов.

Жаропрочные сплавы имеют сложный химический состав, потому для получения сплавов с мелкозернистой структурой и хорошими свойствами рекомендуется готовить предварительные сплавы. Во избежание возможной ликвации компонентов по плотности не следует допускать длительной выдержки сплавов перед разливанием в формы. В процессе плавки сплавы необходимо тщательным образом перемешивать.

Наиболее жаропрочный из литейных алюминиевых сплавов – ВАЛ1, который имеет также удовлетворительные литейные свойства. Плавку ВАШ стоит проводить в электрических печах. В качестве компонентов шихты используют алюминий высокой чистоты, а также лигатуры Al-Cu, Al-Mn, Al-Ni, Al-Ce и Al-Zr, изготовленные на основе чистых металлов. Допускается использование в шихте до 50% возврата.

Особенностью сплава АЛ20 является наличие в нем как легирующего компонента железа. Поэтому при плавке используют низкие сорта исходных металлов, большое количество отходов и до 50% вторичных сплавов. Технология плавки сплава АЛ20 аналогична технологии получения сплавов АЛ1 и АЛ21.

Единственный двойной сплав системы "алюминий-медь", который применяется промышленностью, АЛ7. Для его изготовления используют алюминий технической чистоты и лигатуру Al-Cu.