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.