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.