Цветные металлы и их сплавы

Содержание А1₂0₃ в САП колеблется от 6-9 % (САП1) до 18-22 % (САП4). С увеличением А1₂0₃ предел прочности повышается ос 300-320 для САП1 до 440- 460 МТа для САП4, а относительное удлинение соответственно снижается от 5-8 % до 1,5-2,< %.

По жаропрочности САПы превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. 100- часоваг длительная прочность САП при 500 °С равна 45- 55 МПа, тогда как жаропрочные сплавь' Д21, Д20, АК4-1 при температуре свыше 350 °С длительно не работают. САП хорошо деформируется в холодном и горячем состоянии, легко обрабатывается резанием и удов ютворительно сваривается контактной и аргонодуговой сваркой плавлением.

САПы используются для деталей, работающих при тем оературах 300-500 °С, от которых требуется высокая удельная прочность и коррозионная стойкость. Из них изготавливают поршнгвые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин в химической и нефтяной промышленности и др. Из спеченных алюмлниевых сплавов производят все виды г олуфабрикатов: листы, профили, штампованные заготовки, трубы, фольга.

2 1У ЕДЬ И СПЛАВЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ

Me ib (Си) - элемент I группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, порядювый номер 29, атомная масса 63,546.

Me щ - пластичный, розовато-красный металл с характерным металлическим блескем. Медь не имеет аллотропных превращений и кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба с периодом а = 3,615 А. Температура плавления меди - 1083,4 °С, плотность - 8920 кг/м³.

Me ib характеризуется высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Твердость по Бринеллю 370 420 МПа; а_ъ = 220 МПа; е = 60 %. Пос ле обработки давлением в связи с наклепом предел прочности возрастает до 400- 450 М' 1а, относительное удлинение снижается на 1-3 %.

По тепло- и электропроводности медь занимает второе место после серебра, но ввиду ее большого практического значения эти свойства меди принято считать эталоном (100 %), по отношению к которому оцениваются другие металлы.

5 

В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок: М00 (99,99 % Си), МО (99,95 % Си), Ml (99,9 % Си), М2 (99 7 % Си), МЗ (99,50% Си). Примеси снижают тепло и электропроводность, пластичность и коррозионную стойкость.

2.1 Классификация медных спл;вов

Медные сплавы классифицирую ся:

по химическому составу: латунь, бронзы, медно-никелевые сплавы (приложение /..

5);

технологическому назначению', обрабатываемые давлением и литейные;

изменению прочности посте термической обработки: упрочняемые и неупрочняемые.

2.1.1 Латунь

Латунь - сплав меди с цинком {приложение В.2). Обозначают начальной буквой Л, затем следуют буквы, указывающие основные элементы, образующие сплав: О - олоьо, Ц - цинк, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, X - хром, Ти - тит; я, Ср - серебро, Мш - мышьяк, Зл - зоюто, В - ванадий, С - свинец, Кр (К) - кремний, К - никель, Су - сурьма, К (Ко) - кобальт и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента в процентах: ЛЖМц59 —1 — 1. Латунь, содержания 59 % Си, 1 % Fe, I % Мп и остальнсе цинк. БрОФ6,5 - 0,15. Бронза, содержащая 6,5% Sn, 0,15% Р и остальное медь. Буква 1 в конце наименования марки указывает на то, что латунь литейная.

Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные сплавы на оснсяе меди, в которых цинк является основным легирующим компонентом. По сравнению с медью они обладают более высокой прочностью (в том числе при повышенных температурах), коррозионной ctoi-костью, упругостью, технологичностью (литье, обработка давлением, резание), тр тбологическими характеристиками. Это наиболее дешевые и распространенные в машиностроении медные сплавы. Двойные латуьи, содержащие до 20 % Zn, называю" томпаком (латуни, содержащие 14-20 % Zn, - полутомпаком).

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют РЬ и Bi. Образуя легкоплавкие эвтектики, Bi и РЬ вызывают в однофазных латунях, как и в частой меди, при 300-700 °С явление, подобное красноломкости стали. В двухфаных латунях вследствие а*-* /3 превращения легкоплавкие эвтектические фазы находятся не по границам, а внутри зерен твердою раствора и не влияют на их способн >сть к горячей пластической деформации. Иногд? к ним специально добавляют свинеь для улучшения обрабатываемости резанием и антифрикционных свойств.

Двойные латуни легируют Al, F е, Ni, Sn, Мп, РЬ и другими элементами. Так ie латуни называют специальными и ти многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию /У-фазы, поэтому специальны г латуни чаще двухфазные а+ /У.

Никель увеличивает растворимость шнка в меди. При добавлении его к (а + /7)- латуни количество /7-фазы уменьшается, 1 при достаточном его содержании латунь из двухфазной становится однофазной (ск-лат/нь). Никель улучшает механические свойства и повышает коррозионную стойкость лггуней. Никелевые латуни (ЛН65-5) хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях. Ввиду высокой коррозионной стойкости их применяют & морском судостроении (конденсаторные и манометрические трубки и др.).

Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Свинец вводят в (а+ /7)-латуни тли в а-латуни, испытывающие при нагреве и охлаждении а «-► /3 превращение. В результате этого превращения свинец располагается не по границам зерен, как в чистой меди или а-латуни, не имеющей превращений в твердом состоянии (что особенно затрудняет горячую обработку давлением, вызывая брак продукции), а внутри зерен, что не гешает обработке давлением, но способствует лучшему отделению стружки при резании.

Алюминий повышает прочность, твердость и коррозионную стойкость латуней. Практическое применение находят высокоиедистые латуни с добавлением алюминия до 4,0 % (ЛА77-2), которые благодаря одьофазной структуре хорошо обрабатываются давлением. Алюминиевая латунь ЛА77-2 обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде и идет в основном на изготовление конденсаторных трубок в морском судостроении.

Олово повышает коррозионную стсйкость латуней в морской воде, поэтому оловянные латуни (Л070-1, Л062-1) назы ваются морскими и применяются в основном в

судостроении.

Кремний повышает коррозионную стойкость и технологические свойства латуней. Улучшается жидкотекучесть, свариваемость и способность к горячей и холодной пластической деформации. Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью, пластичностью, вязкостью че только при комнатных, но и при низких температурах (до -183 °С). При легировании латуни для получения однофазной структуры используют небольшие добавки кремния (ЛКр80-3). Эта латунь применяется в виде холоднокатаных прутков, поковок, штамповок, а также для сложных фасонных отливок (арматура, детали приборов, в судо- и общем машиностроении).

Железо сильно измельчает структуру, тормозит рост зерна, увеличивает температуру рекристаллизации и повышает твердость. При содержании железа более 0,03 % латуни становятся магнитными.

Следует помнить, что не рекомендуеп ся применять латунь в контакте с железом, алюминием и цинком (образование гальван. ческой пары)! 

2.1.2 Бронзы

Бронзой называют сг лав меди с другими элементами, в числе которых, f о только наряду с другими, может быть и цинк. Сплавы обозначают начальными буквам;; Бр. Бронзы, в которых олово являет! я основным легирующим элементом, называются оловянными. Наибольшее практическое значение имеют сплавы, содержащие до 20 % Sn (рисунок 7). Эта часть диаграммы состояния Cu-Sn представляет собой «-твердый раствор олова в меди, имеющий гранецентрированную кристаллическую решету. Растворимость олова в меди изменяется от 15,8 % при 586 °С до 1 % при 200 °С. Причем в pea аьных условиях затвердевания и охлаждения (в песчаных и металлических формах) область отверлого раствора значительно с жается (примерно до 6 %). В сплавах этой сист. мы образуются электронные соединения: /З-фаза (Cu₅Sn с электронной концентрацией 3/2, объемноцентрированны;. куб); 6-фаза (Cu₃iSn₈ с электронной концентрацией 21/13); е-фаза (Cu₃Sn с электронной сонцентрацией 7/4), а также 7-фаза - твердый раствор на базе химического соединение, природа которого не установлена. При 588 °С к| исталлы /З-фазы претерпевают эвтектои;; ный распад с образованием а- и 7-фаз, а при 51,0 °С кристаллы твердого раствора у расп адаются на фазы а и 8. При ~ 350 °С о-фаза распадае хя на «-твердый раствор и е-фазу. Одгако это превращение протекает только при очень медленном охлаждении. В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз а и Cu₃ Sn₈ (о-фаза).

Легирование. Оловя 1ные бронзы легируют Zn, Pb, Ni, Р, Fe, и др.

Нинк. Для экономим более дорогостоящего олова в бронзы добавляют, от 2 до 15 % Zn. Цинк полностью р астворяется в о-твердом растворе, не образует самостоятельных фаз. Улучшает жидкотекучесть, плотность отливок, повышает механические свойства, способность к сварке и тайке.

Свинец не раствор: ется в меди, присутствует в структуре бронзы в виде округлых выделений в объеме зерна. Свинец снижает механические свойства бронза, но повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием.

Фосфор. Добавки фосфора к оловянным бронзам значительно улучшают их механические, антифрикционные и литейные (жидкотекучесть) характеристики. Для механических свойств оптимальным является содержание фосфора около 0,5 % (при содержании более 0,3 % образует фосфид Си₃Р). При больших концентрациях фосфора бронзы охрупчиваются особенно при горячей прокатке. В литейных ан ифрикционных бронзах возможно до 1,2 % Р.

Никель при содерх ании до 1 % повышает механические свойства, коррозионную стойкость, плотность отливок, уменьшает ликвацию и измельчает зерно.

Железо повышает механические свойства и температуру рекристалли тции, однако с увеличением его содержания ухудшаются технологические и коррозионные свойства бронз.

Небольшие добавки Zr, Ti, Nb улучшают механические свойства и обоабатываемость давлением в холодном о горячем состояниях.

2.1.3 Медно-никелевые спл шы

К медно-никелевым спл; вам (ГОСТ 492-73) относятся сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель. Легирование мед а никелем значительно повышает ее механические свойства, коррозионную :тойкость, термоэлектрические характеоистики. Промышленные медно-никелевые сплачы можно условно разделить на две группы: конструкционные и электротехнические. К конструкционным относятся коррозионно-стойкие и высокопрочные сплавы типа мельхиор, нейзильбер и купи ть. В качестве дополнительных легирующих элементов в них добавляют Mn, Zn, Fe, Со, Al, Pb, Сг, Се, Mg, Li.

Принцип маркировки таких сплавов такой же, как для латуней и бронз. (МНЖМцЗО- 1-1. Сплав содержит 29-33 Уо никеля и кобальта, 0,5-1 % железа, 0,5-1 % марганца, остальное медь. МНЦС16-29 )-1,8 (нейзильбер): 15-16,7 % никеля и кобальта, 1,6-2 % свинца, 51-55 % меди, остал) чое цинк).

Мельхиоры (МНЖМцЗ' -1-1, МН 19) имеют высокую коррозионную стойкость в различных средах: в пресной и морской воде, в органических кислотах, раствооах солей, атмосферных условиях. До( авки железа и марганца увеличивают стойкое ь медно- никелевых сплавов против ударной коррозии. Являясь твердыми растворами, ю.ельхиоры обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Мельхиор марки МН19 применяется для изготовления монеты, деталей точной механики, медицинского инст тумента, сеток, столовой посуды и др.

Нейзильберамм называются сплавы на основе меди, в которых о:новными легирующими элементами шляются никель и цинк (МНЦ15-20, МНЦС!6-29-1,8). Представляют собой твердые растворы никеля и цинка в меди. Легирование цинком приводит к повышению механических свойств медно-никелевых сплавов, приданию им красивого серебристого цвета и удешевлению. Нейзильберы отличаются высокой коррозионной стойкостью - не окисляются на воздухе, сравнительно устойчивы в органических кислотах и р створах солей. Нейзильберы обрабатывают да) лением в горячем (за исключением свинцового нейзильбера) и холодном состоя.ши. Для улучшения обработки резанием в них вводят небольшое количество свинца, временное сопротивление мягкой прово ;оки всех размеров из нейзильбера составляет не менее 350 МПа, проволоки полутвердо ! - не менее 450 МПа и проволоки твердой - не менее 550 МПа. Применяются для изго товления медицинского инструмента, технически й посуды, телефонной аппаратуры, перовой и водяной арматуры, изделий санитарное техники, точной механики, бытовой п >суды и художественных изделий.

Куниалями называются сплавы на основе тройной системы Си - Ni - Al (МНА13-3, МНА6-1,5). Эти сплавы отличаются высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной стойкостью, устойчивостью при низких температурах. Обрабатываются давлением в горячем состоян т.

К электротехническим медно-никелевым сплавам относятся сплавы типа ТП (MHO,6) и ТБ (М 116), термоэлектродный сплав с высоким содержанием никеля - копель, реостатный сплав константан и сплав манганин.

Сплав ТП применяется для изготовления компенсационных проводов к платина- платинорс диевой термопаре, а сплав ТБ применяется для изготовления компенсаг ионных проводов к платино-золотой и палладий-платинородиевой термопарам.

Копел-.. - сплав, применяемый в качестве отрицательного термоэлектрода термопар хромель - копель и железо - копель, а также в виде компенсационных проводов. Копель имеет максимальную термоэлектродвижущую силу го сравнению с другими меднонию левыми сплавами такого же назначения и практически нулевой температурный коэффициент электросопротивления. Гплав является хорошим материалом для реостатов и нагревательных устройств с рабочей температурой до 600 °С. Примеэ сплава - МНМц43-0,5.

Конст. 'нтан - сплав, отличающийся высокой термоэле тродвижущей силой, малым температурным коэффициентом, постоянством электросопротивления. Сплав применяе^-! ся для реостатов, термопар, нагревательных приборов с рабочей температурой до 500 °С Температурный коэффициент электросопротивления сплава в интервале 20- 100 °С сос гавляет 2Т0"⁶1/град. Пример сплава - МНМц40-1 5.

Мангачин - сплав широко применяют в качестве прецизионного материала с высоким омическим сопротивлением. В паре с медью гн обладает незначительной термоэлек тродвижущей силой, что позволяет почти полностью избавиться от термотокоз. При 20 °С электросопротивление сплава в виде лент, полос и проволоки составляв ■ 0,42-0,48 Ом-мм²/м.

Приме.) сплава - МНМцЗ-12.

3 ЦИКК, СВИНЕЦ, ОЛОВО

3.1 Цинк и его сплавы

Цинк ( in) - металл голубовато-белого цвета, блестящий в изломе. Название элемента происходит от латинского слова «цинк» - бельмо, белый на;;ет - характерная окраска его соединений. Кристаллическая решетка - гексагональная плотноупакованная, аллотропи. юских превращений не имеет. Цинк относительно мягкий металл - мягче олова, но тверже свинца. В холодном состоянии хрупок, но при нагревании до 100-150 °С делается пластичным и его можно прокатывать в тонкие листы или протягивать в проволоку При 200-250 °С цинк становится очень хрупким и может быть истолчен в порошок. Пластичность литого цинка после деформации значительно увеличивается. Цинк и е о сплавы имеют низкий предел ползучести и шачительно изменяют свои свойства ч размеры при естественном старении. Электропроводность цинка равна примерно 28 %, а теплопроводность - 24 % от соответствующих показателей серебра.