Розділ 9. Кольорові метали і сплави на їх основі
Кольорові метали є дорожчими і дефіцитнішими, в порівнянні з чорними металами, проте галузь їх застосування в техніці безперервно розширюється. Це сплави на основі титану, алюмінію, магнію, міді.
Перехід промисловості на сплави з легких металів значно розширює сировинну базу. Титан, алюміній, магній можна отримувати з бідних і складних за складом руд, відходів виробництва.
9.1. Титан і його сплави
Титан – сріблясто-білий легкий метал зі щільністю 4,5 г/см3. Температура плавлення титану залежить від ступеня чистоти і знаходиться в межах 1660–1680 oС.
Чистий титан, в якому сума домішок складає 0,05–0,1 %, має модуль пружності 112000 МПа, межа міцності – близько 300 МПа, відносне видовження – 65 %. Наявність домішок значно впливає на властивості. Для технічного титана Вт1 із сумарним вмістом домішок 0,8 % межа міцності складає 650 МПа, а відносне видовження – 20 %.
За температури 882 oС титан зазнає поліморфного перетворення – титан із гексагональними ґратами переходить у титан з об'ємно-центрованими кубічними ґратами. Наявність поліморфізму у титану створює передумови для поліпшення властивостей титанових сплавів за допомогою термічної обробки.
Титан має низьку теплопровідність. За нормальної температури має високу корозійну стійкістю в атмосфері, у воді, в органічних і неорганічних кислотах (не стійкий у плавиковій, міцних сірчаній і азотній кислотах) завдяки тому, що на повітрі швидко покривається захисною плівкою щільних оксидів. За нагрівання вище 500 oС стає дуже активним елементом. Він або розчиняє майже всі контактуючі з ним речовини, або утворює з ними хімічні сполуки.
Титанові сплави мають переваги, в порівнянні з іншими:
· поєднання високої міцності (σВ = 800–1000 МПа) з хорошою пластичністю (δ = 12–25 %);
· мала щільність, що забезпечує високу питому міцність;
· хороша жароміцність, до 600–700 oС;
· висока корозійна стійкість в агресивних середовищах.
Однорідні титанові сплави, не схильні до старіння, використовують у криогенних установках до гелієвих температур.
У результаті легування титанових сплавів можна отримати потрібний комплекс властивостей. Легуючі елементи, що входять до складу промислових титанових сплавів, утворюють із титаном тверді розчини заміщення і змінюють температуру алотропічного перетворення. Вплив легуючих елементів на поліморфізм титану показаний на рис. 9.1.
Рис. 9.1. Вплив легуючих елементів на поліморфізм титану
Елементи, що підвищують температуру перетворення, сприяють стабілізації α-твердого розчину і називаються α-стабілізаторами, це алюміній, кисень, азот, вуглець.
Елементи, що знижують температуру перетворення, сприяють стабілізації β-твердого розчину і називаються β-стабілізаторами, це молібден, ванадій, хром, залізо.
Окрім стабілізаторів розрізняють нейтральні зміцнювачі: олово, цирконій, гафній.
Відповідно до впливу легуючих елементів, титанові сплави за нормальної температури можуть мати структуру або α+β.
Сплави на основі титану можна піддавати всім видам термічної обробки, хіміко-термічній і термомеханічній обробці. Зміцнення титанових сплавів досягається легуванням, наклепуванням, термічною обробкою.
Часто титанові сплави легують алюмінієм – він збільшує міцність і жароміцність, зменшує шкідливий вплив водню, збільшує термічну стабільність. Для підвищення зносостійкості титанових сплавів їх піддають цементації або азотуванню.
Основним недоліком титанових сплавів є погана оброблюваність ріжучим інструментом.
За способом виробництва деталей розрізняються сплави, що деформуються (ВТ 9, ВТ 18), і ливарні (ВТ 21Л, ВТ 31Л).
Області застосування титанових сплавів:
· авіація і ракетобудування (корпуси двигунів, балони для газів, сопла, диски, деталі кріплення);
· хімічна промисловість (компресори, клапани, вентилі для агресивних рідин);
· устаткування для обробки ядерного палива;
· морське і річкове суднобудування (ґвинти, обшивка морських судів, підводних човнів);
· криогенна техніка (висока ударна в'язкість зберігається до
- 253 oС).
9.2. Алюміній і його сплави
Алюміній – легкий метал із щільністю 2,7 г/см3 і температурою плавлення 660 oС. Має гранецентровані кубічні ґрати. Має високу тепло- і електропровідність. Хімічно активний, але щільна плівка оксиду алюмінію Al2O3запобігає корозії.
Механічні властивості: межа міцності – 150 МПа, відносне видовження – 50 %, модуль пружності – 7000 МПа.
Алюміній високої чистоти маркується А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (вміст алюмінію – від 99,85 % до 99 %).
Технічний алюміній добре зварюється, має високу пластичність. Із нього виготовляють будівельні конструкції, малонавантажені деталі машин, використовують як електротехнічний матеріал для кабелів, проводів.
Принцип маркування алюмінієвих сплавів
На початку вказується тип сплаву: Д – сплави типу дюралюміній; А – технічний алюміній; АК – ковкі алюмінієві сплави; У – високоміцні сплави.
Далі вказується умовний номер сплаву. За умовним номером слідує позначення, що характеризує стан сплаву: М – м'який; Т – термічно оброблений (гартування плюс старіння); Н – нагартований; П – напівнагартований.
За технологічними властивостями сплави поділяються на три групи:
· сплави деформаційні, що не зміцнюються термічною обробкою;
· сплави деформаційні, що зміцнюються термічною обробкою;
· ливарні сплави.
Методами порошкової металургії виготовляють спечені алюмінієві сплави (САС), випечені алюмінієві порошкові сплави (САП).
Сплави деформаційні, що не зміцнюються термічною обробкою
Міцність алюмінію можна підвищити легуванням. У сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, вводять марганець або магній. Атоми цих елементів істотно підвищують його міцність, знижуючи пластичність. Позначаються сплави: з марганцем – АМц, з магнієм – АМг. Після позначення елементу вказується його вміст (АМг3, марганцю – 3 %).
Магній діє тільки як зміцнювач, марганець зміцнює і підвищує корозійну стійкість.
Міцність сплавів підвищується тільки в результаті деформації в холодному стані. Чим більший ступінь деформації, тим відчутніше росте міцність і знижується пластичність. Залежно від ступеня зміцнення розрізняють сплави нагартовані і напівнагартовані (АМг3п).
Ці сплави застосовують для виготовлення різних зварних ємкостей для пального, азотної й інших кислот, мало- і середньо навантажених конструкцій.
Сплави деформаційні, що зміцнюються термічною обробкою
До таких сплавів належать дюралюміній (складні сплави систем алюміній – мідь – магній або алюміній – мідь – магній – цинк). Вони мають знижену корозійну стійкість, для підвищення якої вводиться марганець.
Дюралюміній зазвичай піддають гартуванню за температури 500 oС і природному старінню, з попереднім двох-, тригодинним інкубаційним періодом. Максимальна міцність досягається через 4–5 діб.
Широке застосування дюралюміній знаходить в авіабудуванні, автомобілебудуванні, будівництві.
Високоміцними старіючими сплавами є сплави, які окрім міді й магнію містять цинк. Сплави В95, В96 мають межу міцності близько 650 МПа. Основний споживач – авіабудування (обшивка, стрингери, лонжерони).
Кувальні алюмінієві сплави Ак, Ак8 застосовуються для виготовлення поковок. Поковки виготовляються за температури 380–450 oС, піддаються гартуванню за температури 500–560 oС і старінню за температури 150–165 oС протягом 6–15 годин.
До складу алюмінієвих сплавів додатково вводять нікель, залізо, титан, які підвищують температуру рекристалізації і жароміцність до 300 oС.
Виготовляють поршні, лопатки і диски осьових компресорів, турбореактивних двигунів.
Ливарні алюмінієві сплави
До ливарних сплавів належать сплави системи «алюміній – кремній» (силуміни), що містять 10–13 % кремнію.
Присадка до силумінів магнію і міді сприяє ефекту зміцнення ливарних сплавів у процесі старіння. Титан і цирконій подрібнюють зерно. Марганець підвищує антикорозійні властивості. Нікель і залізо підвищують жароміцність.
Ливарні сплави маркуються від Ал2 до Ал20. Силуміни широко застосовують для виготовлення литих деталей приладів й інших середньо- і малонавантажених деталей, зокрема тонкостінних відливків складної форми.
9.3. Магній і його сплави
Магній – дуже легкий метал, його щільність – 1,74 г/см3. Температура плавлення – 650 oС. Магній має гексагональну щільноупаковану кристалічну решітку. Дуже активний хімічно, аж до самозагорання на повітрі. Механічні властивості технічно чистого магнію (Мг1): межа міцності – 190 МПа, відносне видовження – 18 %, модуль пружності – 4500 МПа.
Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм. Сплави діляться на деформаційні і ливарні.
Сплави зміцнюються після гартування і штучного старіння. Гартування проводять за температури 380–420 oС, старіння – за температури 260–300 oС протягом 10–24-х годин. Особливістю є тривала витримка під час гартування – 4–24 години.
Магнієві сплави деформаційні
Магній погано деформується за нормальної температури. Пластичність сплавів значно збільшується за гарячої обробки тиском (360–520 oС). Сплави деформаційні, маркують Ма1, Ма8, Ма9, ВМ 5-1.
Із магнієвих деформаційних сплавів виготовляють деталі автомашин, літаків, прядильних і ткацьких верстатів. У більшості випадків ці сплави мають задовільну зварюваність.
Ливарні магнієві сплави
Ливарні сплави маркуються Мл3, Мл5, ВМЛ-1. Останній сплав є жароміцним, може працювати за температур до 300 oС.
Відливки виготовляють литтям у землю, у кокіль, під тиском. Необхідно проводити заходи, що запобігають загорянню сплаву під час плавлення, в процесі лиття.
Із ливарних сплавів виготовляють деталі двигунів, приладів, телевізорів, швейних машин.
Завдяки високій питомій міцності магнієві сплави широко використовуються в літако- і ракетобудуванні.
9.4. Мідь і її сплави
Мідь має гранецентровані кубічні ґрати. Щільність міді –
8,94 г/см3, температура плавлення – 1083 oС.
Характерною властивістю міді є її висока електропровідність, тому вона знаходить широке застосування в електротехніці. Технічно чиста мідь маркується: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 і М4 (99 % Cu).
Механічні властивості міді відносно низькі: межа міцності складає 150–200 МПа, відносне видовження – 15–25 %. Тому у якості конструкційного матеріалу мідь застосовується рідко. Підвищення механічних властивостей досягається створенням різних сплавів на основі міді.
Розрізняють дві групи мідних сплавів: латунь – сплави міді з цинком, бронза – сплави міді з іншими (окрім цинку) елементами.
Латунь
Латунь може мати в своєму складі до 45 % цинку. Підвищення вмісту цинку до 45 % приводить до збільшення межі міцності до 450 МПа. Максимальна пластичність має місце за вмісту цинку близько 37 %.
За способом виготовлення виробів розрізняють латунь деформаційну і ливарну.
Деформаційна латунь маркується буквою Л, за якою слідує число, що показує вміст міді у відсотках, наприклад, у латуні Л62 міститься 62 % міді та 38 % цинку. Якщо окрім міді й цинку є інші елементи, то ставляться їх початкові букви (О – олово, С – свинець, Же – залізо,
Ф – фосфор, Мц – марганець, А – алюміній, Ц – цинк). Кількість цих елементів позначається відповідними цифрами після числа, що показує вміст міді, наприклад, сплав ЛАЖ60-1-1 містить 60 % міді, 1 % алюмінію, 1 % заліза і 38 % цинку.
Однофазна латунь використовується для виготовлення деталей шляхом деформації в холодному стані. Виготовляють стрічки, гільзи патронів, радіаторні трубки, теплообмінники.
Для виготовлення деталей шляхом деформації за температури вище 500 ºС використовують (α+β)-латунь. Із двофазної латуні виготовляють листи, прутки й інші заготовки, з яких подальшою механічною обробкою виготовляють деталі. Оброблюваність різанням поліпшується присадкою до складу латуні свинцю, наприклад, латунь марки ЛС59-1, яку називають «автоматною латунню».
Латунь має хорошу корозійну стійкість, яку можна підвищити додатково присадкою олова. Латунь ЛО70-1 стійка проти корозії в морській воді і називається «Морською латунню».
Додавання нікелю і заліза підвищує механічну міцність до 550 МПа.
Ливарна латунь також маркується буквою Л. Після літерного позначення основного легуючого елементу (цинк) і кожного подальшого ставиться цифра, що вказує його середній вміст у сплаві. Наприклад, латунь Лц23а6ж3мц2 містить 23 % цинку, 6 % алюмінію, 3 % заліза, 2 % марганцю. Найкращу рідкотекучість має латунь марки ЛЦ16К4. До ливарної латуні належать латуні типу ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, Лажмц. Ливарна латунь не схильна до ліквації, має зосереджену усадку, відливки отримуються з високою щільністю.
Латунь є хорошим матеріалом для конструкцій, що працюють за низьких температур.
Бронза
Сплави міді з іншими елементами, окрім цинку, називають бронзою. Бронза поділяється на деформаційну і ливарну.
У маркуванні деформаційної бронзи на першому місці ставлять букви Бр, потім літери, що вказують елементи, окрім міді, які входять до складу сплаву. Після літер йдуть цифри, що вказують вміст компонентів у сплаві. Наприклад, марка Броф10-1 означає, що в бронзу входить 10 % олова, 1 % фосфору, все інше – мідь.
Маркування ливарної бронзи також починається з букв Бр, потім вказуються літерні позначення легуючих елементів і ставиться цифра, що вказує його середній вміст у сплаві. Наприклад, бронза Бро3ц12с5 містить 3 % олова, 12 % цинку, 5 % свинцю, все інше – мідь.
Олов'яна бронза
Сплавом міді з оловом утворюють тверді розчини. Ці сплави дуже схильні до ліквації через великий температурний інтервал кристалізації. Завдяки ліквації сплави із вмістом олова вище 5 % мають у структурі евтектоїдну складову Е (α+β), що складається з м'якої і твердої фаз. Така будова є сприятливою для деталей типу підшипників ковзання (тверді частинки створюють зносостійкість). Тому олов'яна бронза є хорошими антифрикційними матеріалами.
Олов'яна бронза має низьку об'ємну усадку (близько 0,8 %), тому використовуються в художньому литві.
Наявність фосфору забезпечує хорошу рідкотекучість.
Олов'яна бронза поділяється на деформаційну і ливарну.
У деформаційні бронзі вміст олова не повинен перевищувати 6 %, для забезпечення необхідної пластичності (Броф6,5-0,15).
Залежно від складу, бронза відрізняється високими механічними, антикорозійними, антифрикційними і пружними властивостями, тому використовується в різних галузях промисловості. З цих сплавів виготовляють прутки, труби, стрічку.
Ливарна олов'яна бронза (Бро3ц7с5н1, Бро4ц4с17) застосовується для виготовлення пароводяної арматури і для відливків антифрикційних деталей типу втулок, вінців черв'ячних коліс, вкладишів підшипників.
Алюмінієва бронза (Браж9-4, Браж9-4л, Бражн10-4-4).
Бронза із вмістом алюмінію до 9,4 % має однофазну будову твердого розчину. За вмісту алюмінію 9,4–15,6 % сплави системи «мідь – алюміній» двофазні.
Оптимальні властивості має алюмінієва бронза, що містить 5–8 % алюмінію. Збільшення вмісту алюмінію до 10–11 % веде до різкого підвищення міцності і значного зниження пластичності. Додаткове підвищення міцності для сплавів із вмістом алюмінію 8–9,5 % можна досягти гартуванням.
Позитивні особливості алюмінієвої бронзи в порівнянні з олов'яними:
· менша схильність до внутрішньокристалічної ліквації;
· велика щільність відливків;
· вища міцність і жароміцність;
· менша схильність до холоднокрихкості.
Основні недоліки алюмінієвої бронзи:
· значна усадка;
· схильність до утворення стовпчастих кристалів (за кристалізації) і зростання зерна (за нагрівання), що робить його крихким;
· сильний газопоглинач рідкого розплаву;
· самовідпуск за повільного охолодження;
· недостатня корозійна стійкість у перегрітій водяній парі.
Для усунення цих недоліків сплави додатково легують марганцем, залізом, нікелем, свинцем.
З алюмінієвої бронзи виготовляють відносно дрібні, але високовідповідальні деталі типу шестерень, втулок, фланців литтям і обробкою тиском. Із бронзи Бра5 штампуванням виготовляють медалі і дрібну розмінну монету.
Крем'яниста бронза (Бркмц3-1, Брк4) застосовується як замінник олов'яної бронзи. Вони немагнітна і морозостійка, перевершує олов'яну бронзу за корозійною стійкістю і механічними властивостями, має високі пружні властивості. Сплави добре зварюються і піддаються паянню. Завдяки високій стійкості до лужних середовищ і сухих газів, їх використовують для виробництва стічних труб, газо- і димопроводів.
Свинцева бронза (Брс30) використовується як високоякісний антифрикційний матеріал. У порівнянні з олов'яною бронзою, вона має нижчі механічні і технологічні властивості.
Берилієва бронза (Брб2) є високоякісним пружинним матеріалом. Розчинність берилію в міді з пониженням температури значно зменшується. Це явище використовують для набуття високих пружних властивостей виробів методом дисперсійного твердіння. Готові вироби з берилієвої бронзи піддають гартуванню за температури понад 800 oС, завдяки чому фіксується за кімнатної температури пересичений твердий розчин берилію в міді. Потім проводять штучне старіння за температури 300–350 oС, у ході чого відбувається виділення дисперсних частинок, зростають міцність і пружність. Після старіння межа міцності досягає 1100–1200 МПа.