Цветные металлы и сплавы

Медь - металл красноватого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Плот­ность Сu равна 8890 кг/м³. При 1083°С медь плавится. Она обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионностойка в сухой атмосфере (Сu при­мыкает к группе благородных металлов). Механические свойства меди характе­ризуются высокой пластичностью и невысокими прочностью и твердостью.

В технике наряду с чистой медью широко используются ее сплавы. Наи­большее распространение получили сплавы меди с цинком, называемые латунями, и сплавы с другими элементами (Sn, Si, Al, Be и т. д.), получившие название бронзы.

Цинк растворяется в меди до концентрации 39%, образуя твердый раствор а (соответствующие ему сплавы называют a-латунями). Чем больше в a-латуни цинка, тем выше прочность и пластичность сплава. Увеличение концентрации Zn сверх 39 % приводит к появлению в структуре сплава фазы b-твердого раствора на базе химического соединения CuZn с электронным типом связи. Прочность сплавов a + b по мере возрастания содержания цинка увеличивается, а пластич­ность убывает. При концентрации Zn более 45 % сплав становится однофазным твердым раствором р. Такие сплавы хрупки и практического применения не имеют.

Кроме основных компонентов (Си и Zn) латунь может содержать легирую­щие элементы (Al, Fe, Pb, Sn и т.д.).

Деформируемые латуни маркируют буквой Л и следующими за ней обозна­чениями легирующих элементов, если таковые имеются. Затем следуют группы чисел, первое из которых указывает на концентрацию меди, а каждое из после­дующих - на содержание соответствующего легирующего элемента. Концентра­ция цинка определяется по разности. Например, сплав Л62 содержит 62% Сu и 38 % Zn; ЛАН59-3-2 содержит 59 % Сu, 3 % А1, 2 % Ni и 36 % Zn.

В марках литейных латуней в явной форме указывается содержание цинка (содержание меди определяют по разности). Числа, соответствующие процентной концентрации цинка и легирующих элементов, следуют непосредственно за бук­венными символами. Например, сплав ЛЦ40МцЗА содержит 40 % Zn, 3% Мn, 1 % А1, и 56 % Сu.

Принципы маркировки бронз в общем близки с маркировкой латуней. Раз­личия состоят в том, что на первом месте в марке пишут не Л, а Бр, кроме того, ни в деформируемых, ни в литейных сплавах не указывают в явной форме кон­центрацию меди, имея в виду, что она всегда является основой сплава. Например, сплав БрОЦС 4-4-17 - деформируемая бронза, содержащая 4% Sn, 4% Zn, 17% Pb, основа сплава - медь; сплав БрОЗЦ12С5 - литейная бронза, содержащая 3 % Sn, 12 % Zn, 5 % Pb, основа сплава Сu.

Сплавы меди широко применяют для изделий, обладающих высокой тепло­проводностью (различная теплообменная аппаратура, например, сплавы Л62, Л68), электрической проводимостью (контакты, детали реле, токопроводящая арматура и др.), коррозионной стойкостью (паровая и водяная арматура, напри­мер, морская латунь ЛО70-2, бронзы БрО5Ц5С5, БрОЗЦ7С5Н). Оловянистые, оловянисто-цинково-свинцовистые, алюминиевые, свинцовистые бронзы, крем­нистые и марганцовистые латуни, например, БрО10Ф1, БрСЗО, ЛЦ16К4 приме­няют для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Бериллиевые брон­зы, например БрБ2, применяют для изготовления ответственных пружин, мем­бран, пружинящих контактов.

Алюминий - легкий металл (плотность 2700 кг/м³) белого цвета с ГЦК кри­сталлической решеткой. Температура плавления Аl 660°С. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью и одновремен­но исключительной коррозионной стойкостью, объясняемой образованием на поверхности тонкой прочной беспористой оксидной пленки А1₂О₃, надежно за­щищающей металл от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия характеризуются низкими прочностью и твердостью и высокой пластичностью Сплавы на основе алюминия обладают малой плотностью, высокими удель­ными механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, сваривае­мостью и т.д.

Алюминиевые сплавы классифицируют на деформируемые (в их структуре отсутствует эвтектика), литейные (сплавы с эвтектикой), неупрочняемые терми­ческой обработкой (нагрев таких сплавов не сопровождается твердофазными превращениями), упрочняемые термической обработкой (сплавы с твердофаз­ными превращениями). Кроме того, сплавы подразделяют на жаропрочные, вы­сокопрочные, ковочные, сплавы для заклепок и т.д.

Деформируемыми сплавами, неупрочняемыми термообработкой, являются сплавы на основе системы Al-Mg (магналии), например, АМг2, АМгЗ, АМг6; сплавы системы А1-Мn, например, АМц.

Важнейшими деформируемыми сплавами, упрочняемыми термической об­работкой, являются:

- сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Мg (дюралюмины), на­
пример, Д1, Д16, ВД17, Д18, Д19, В65 (сплав ВД17 жаропрочный, Д18 и В65 -
сплавы для заклепок);

- сплавы на основе системы Al-Mg-Si (авиали), например, АВ, АД31, АД35;

- ковочные сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu, например, АК6, АК8,
на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni, например, АК4-1 (сплав жаропрочный);

- высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, например, В93,
В95, В96Ц. К высокопрочным сплавам относится сплав, на основе системы
Al-Cu-Li, - ВАД23.

Литейными сплавами являются сплавы, на основе систем Al-Si (силумины), например, АК12 (АЛ2), АК7ч (АЛ9); Al-Cu, например, АЛ 19, АЛЗЗ; Al-Mg, на­пример, АЛ8, АМг10 (АЛ27).

В соответствии с новой цифровой системой маркировки А1 сплавов едини­ца, стоящая в начале марки, характеризует основу сплава - алюминий. Вторая цифра обозначает основной легирующий элемент или группу элементов. Третья или третья и вторая цифры те же, что и в старой маркировке. Нечетное число или ноль, стоящие на четвертом месте, обозначают деформируемый сплав. У литей­ных сплавов четвертая цифра четная. При такой маркировке сплав Д16, напри­мер, обозначается 1160.

Чистота сплавов по контролируемым примесям (Fe, Si и др.) обозначается буквами: пч (практически чистый), ч (чистый), оч (очень чистый), стоящими по­сле марки сплава, например, АМг5оч.

Состояние деформируемых сплавов, отражающее термическое и термоме­ханическое воздействие, имеет обозначения: М - мягкий, отожженный; Т - зака­ленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно состарен­ный на максимальную прочность; Н - нагартованный (деформация 1... 7 %); HI или НН - усиленно нагартованный; ТН - закаленный, естественно состаренный и нагартованный. Например, АК6Т1 - обозначение закаленного и искусственно состаренного деформируемого (ковочного) алюминиевого сплава АК6, АМг2Н1обозначение усиленно нагартованного деформируемого неупрочняемого терми­ческой обработкой сплава АМг2.

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов достигается закалкой и по­следующим старением. Обосновать режимы термообработки таких сплавов как дюралюмины можно, в первом приближении, рассматривая их как сплавы систе­мы Al-Cu (в дюралюминах медь главный легирующий элемент). Свежезакален­ные сплавы имеют довольно низкую твердость и прочность, высокую пластич­ность. При длительном пребывании закаленного сплава при нормальной темпера­туре (естественное старение) или при сравнительно непродолжительном нагреве (искусственное старение) атомы легирующих элементов (в сплавах системы Al-Cu - атомы меди), расположенные в свежезакаленном сплаве случайно, собира­ются в определенных местах кристаллической решетки, образуя участки повы­шенной концентрации - зоны Гинье-Престона. В результате естественного старе­ния образуются зоны толщиной 0, 5... 1 и протяженностью 3... 6 нм (их называ­ют зоны ГП-1), вызывая упрочнение сплава.

Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагре­ву до 250... 270°С, то зоны ГП растворяются и сплав возвращается в свежезака­ленное состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.

При искусственном старении зоны Гинье-Престона укрупняются, достигая 1... 4 по толщине и 20... 30 нм по протяженности (зоны ГП-2). Концентрация меди в них приближается к стехиометрическому соотношению в соединении СиА! ₂. Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к об­разованию метастабильных когерентно связанных с твердым раствором, а затем стабильных обособленных от раствора фаз. Скорость искусственного старения зависит от температуры. Повышение температуры ускоряет процесс. Однако в сплавах системы Al-Cu с 3... 5 % меди получаемая при этом максимальная проч­ность тем ниже, чем выше температура старения. Наибольшее упрочнение полу­чают при естественном старении в результате образования зон ГП-1. Не всегда максимум прочности достигается естественным старением, более того, во многих высокопрочных сплавах (В93, В95 и др.) естественное старение не протекает во­обще (упрочнения при длительной выдержке при нормальной температуре не происходит).

Титан существует в двух аллотропических модификациях. Ниже 882°С су­ществует a-титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При более вы­соких температурах вплоть до температуры плавления (1665°С) Ti существует в модификации b с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким (плотность Ti - 4500 кг/м³). По химической стойкости он не уступает корозионно-стойким не­ржавеющим) сталям, а в ряде случаев превосходит их.

Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной тех­нике для изготовления деталей, работающих при температурах 250... 550°С когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.

Для повышения прочности титановые сплавы легируют марганцем, желе­зом, алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и другими элементами. Элементы, расширяющие область существования a-модификации титана и по­вышающие температуру a®b перехода, называют a-стабилизаторами. Важней­шим элементом этой группы является А1. Элементы, расширяющие область су­ществования b-модификации титана и снижающие температуру полиморфного превращения, называют b-стабилизаторами. Важнейшими из них являются Мо, V, Cr, Mn, Fe, Ni и др. Способность b-фазы к переохлаждению лежит в основе термической обработки титановых сплавов. Элементы, практически не влияющие на температуру полиморфного превращения, называют нейтральными. Наиболь­шее практическое значение из них имеют Sn и Zr.

По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на пять групп: a-сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.); псевдо a-сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18 и др.); a + b-сплавы (ВТ6, ВТЗ-1, ВТ22 и др.); псевдо b-сплавы (ВТ15, ТС6 и др.); b-сплавы(4201 и др.).

Альфа-сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочня­ются термической обработкой. Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией.

Псевдо a-сплавы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита a', представляющего собой твердый раствор легирующих в a-титане. Мартенсит в псевдо a-сплавах имеет малую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

Альфа + бета-сплавы подвергают упрочняющей термической обработке, со­стоящей из закалки и старения. Закалка состоит в нагреве до температур, не­сколько ниже полного превращения a+b®b (в b-состоянии происходит ин­тенсивный рост зерна), выдержке и последующем быстром охлаждении. В зави­симости от содержания b-стабилизаторов в закаленном сплаве возможно образо­вание мартенситных фаз a' и a", а также метастабильной фазы b'. При высоком содержании b-стабилизаторов и при малых и средних скоростях охлаждения мо­жет образоваться фаза w, сильно охрупчивающая сплав. Появления этой фазы стремятся не допускать. При старении (искусственном) происходит распад зака­лочных структур (a', a", b')- Конечные продукты - дисперсные a и b-фазы, близ­кие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.

При закалке псевдо b-сплавов фиксируется метастабильная b'-фаза. При старении из b' выделяется тонкодисперсная a-фаза, повышающая прочность и твердость сплава.

Бета-сплавы при всех температурах имеют структуру b-фазы. Термической обработкой не упрочняются.

В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким явля­ется магний. Его плотность - около 1740 кг/м³, температура плавления 651°С. Он обладает ГПУ кристаллической решеткой. Mg - активный металл, энергично взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при тем­пературе ниже 450°С предохраняет поверхность от дальнейшего окисления, од­нако, при более высоких температурах защитные свойства оксида нарушаются, и при 623°С магний сгорает ослепительно ярким пламенем. Магний обладает весьма низким, особенно в литом состоянии, комплексом механических свойств (s_в = 100... 120 МПа; s ₀₂ = 20... 30 МПа; d = 6... 8 %; НВ = 300 МПа; Е = 45 ГПа). Прочностные свойства в значительной мере зависят от зернистости и дефектно­сти литой структуры. Низкая пластичность Mg объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической структурой при температуре, близкой к нор­мальной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.

К достоинствам магниевых сплавов относятся высокие удельные механиче­ские свойства, хорошая обрабатываемость резанием, отличные демпфирующие свойства, высокая коррозионная стойкость в щелочах, керосине, бензине, мине­ральных маслах (для предотвращения воздушной коррозии магниевые сплавы оксидируют или покрывают лакокрасочными пленками, эпоксидной смолой).

Сплавы магния легируют марганцем, алюминием, цинком, ¹ цирконием, ли­тием, бериллием, редкоземельными элементами. Мn повышает коррозионную стойкость сплава и одновременно увеличивает его прочность. А1 и Zn увеличи­вают прочность и модифицируют (измельчают) структуру литых сплавов. Наибо­лее интенсивно измельчает зерно Zr, кроме того, он увеличивает пластичность. Значительно увеличивает пластичность Li, к тому же он снижает плотность спла­ва. Введение малых количеств Be (0, 005... 0, 02 %) почти полностью исключает воспламенение магния при нагреве. РЗЭ увеличивают сопротивление ползучести сплава при высоких температурах (до 250°С).

Для упрочнения магниевых сплавов широко используется эффект диспер­сионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg₄Al₃, MgZn₂ и др., протекающего при искусственном старении закаленных сплавов. Диффузионные процессы в магниевых сплавах протекают чрезвычайно медленно, поэтому опе­рации термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки при температуре закалки доходит до 24 ч). Охлаждение при закалке ведут в горячей воде или на воздухе.

Основные виды термической обработки имеют определенные условные обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку - Т4, закалку и старение для получе­ния максимальной твердости - Т6, закалку и стабилизирующий отпуск - Т7 и т.д. Например, МА11Т4 означает деформируемый магниевый сплав МАП, подверг­нутый закалке.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые - МА). По применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство спла­вов) и сплавы со специальными свойствами (например, МА17 применяют для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). По плотности сплавы подразделяют на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относятся сплавы, легированные литием (МА18, МА21), остальные - легкие.

Сплавы, легированные значительным количеством иттрия (ИМВ5, ИМВ7) отличает высокая прочность и пластичность при температурах выше 250°С.

Бериллий относится к группе легких металлов (плотность 1800 кг/м³). Он имеет две аллотропические модификации. Ве_a обладает ГПУ кристаллической решеткой и существует до 1250°С. От 1250°С до температуры плавления (1284°С) бериллий существует в модификации b с ОЦК решеткой.

У бериллия очень высокие удельные прочность и жесткость. По этим харак­теристикам, особенно по удельной жесткости, Be значительно превосходит высо­копрочные стали и сплавы на основе алюминия, магния, титана. Бериллий обла­дает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой испарения. Высокие тепловые и механические свойства позволяют использовать бериллий в качестве теплозащитных и конструкционных материалов космиче­ских летательных аппаратов (головные части ракет, тормозные устройства кос­мических челноков, оболочки кабин космонавтов, камеры сгорания ракетных двигателей и т.д.). Высокая удельная жесткость в сочетании со стабильностью размеров, высокой теплопроводностью и др. свойствами дают возможность ис­пользовать бериллий при создании высокоточных приборов (детали инерциальных систем навигации - гироскопов и др.).

Широкое применение бериллия сдерживается высокой стоимостью, связан­ной с малой распространенностью в природе, сложностью технологии переработ­ки руд и изготовления деталей, токсичностью металла.

Сплавы цветных металлов широко применяются в качестве антифрикцион­ных (подшипниковых) материалов. Они обладают гетерогенной структурой, со­стоящей из мягкой основы с равномерно распределенными включениями твердых частиц (баббиты, ряд сплавов на основе меди, цинковые антифрикционные спла­вы) или из твердой основы и мягких включений (свинцовистая бронза, оловяни-стый алюминий).

Баббиты, например, Б83, Б16, БКА - сплавы на основе олова (Б83) или свинца (Б 16 - с добавкой Sn, БКА - безоловянистый). Применяют баббиты для изготовления вкладышей подшипников скольжения быстроходных тяжелонагруженных машин (Б83, Б88), автомобильных моторов (Б16), подшипников вагонов (БКА, БК2).

Алюминиевые подшипниковые сплавы, например АО9-2, АО20-1, работают в условиях высокой энергонапряженности (при высоких давлениях и скоростях скольжения).

Несколько уступает по антифрикционным свойствам алюминиевым сплавам свинцовистая бронза БрСЗО. Бронзу БрО5Ц5С5, латунь ЛЦ16К4 и др. применяют в качестве антифрикционных материалов при невысоких скоростях скольжения (1... 3 м/с).