Тема 1.4 Цветные металлы и их сплавы

«Сплавы на медной основе»

В технике используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, никелем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и антифрикционных свойств.

Сплавы меди с цинком называют латунями и томпаками, все другие ее сплавы, за исключением сплавов с никелем, называют бронзами.

Латуни по сравнению с медью прочнее и тверже, устойчивее к коррозии и обладают жидкотекучестью.

Существуют также сложные (специальные) латуни, содержащие железо, марганец, никель, олово, кремний. Массовое содержание легирующих компонентов в специальных латунях не превышает 7—9 %.

Таблица 1 Марки латуней

По ГОСТу латуни обозначают буквой Л и цифрой, указывающей массовое содержание меди в сплаве в процентах. Латуни, содержа­щие до 10 % цинка, называют томпаком, свыше 10 до 20 % —полу­томпаком. Обозначение легирующих элементов следующее: Ж — Железо, Мц—марганец, Н—никель, О—олово, К—кремний, С — свинец; массовое содержание легирующего элемента указывается цифрами. Например, марка ЛМцЖ55-3-1 обозначает марганцево-железную латунь, содержащую около 55 % Cu, 3 % Mn и 1 % Fe (остальное—цинк).

Легирующие элементы (кроме свинца) увеличивают прочность, но уменьшают пластичность сплавов. Свинец улучшает антифрик­ционные свойства и обрабатываемость резанием.

Латуни, как и все сплавы цветных металлов, делят на литейные (для фасонного литья) и деформируемые (обрабатываемые прокаткой, прессованием, волочением). Наклепанные (нагартованные) латуни в присутствии влаги (а также кислорода, аммиака) растрескиваются; для предотвращения этого их отжигают при 250—300 °С. В табл. 1 приведены некоторые марки латуней.

Важнейшими бронзами являются оловянные, алюминиевые, кремнистые, никелевые.

Оловянные бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и повышенными антифрикционными свойствами. Из них изготовляют главным образом отливки.

Простые оловянные бронзы применяют редко; в стандартных литейных бронзах массовое содержание олова не превышает 6 %, деформируемые бронзы содержат до 8 % Sn.

По ГОСТу оловянные бронзы маркируются буквами БрО и циф­рой, показывающей массовое содержание олова; последующие буквы и цифры показывают наличие и массовое содержание в бронзе дополнительных элементов, для обозначения которых применяют те же буквы, что и при маркировке специальных латуней. Кроме того, цинк обозначают буквой Ц, а фосфор —Ф. Например, маркировка БрОЦС6-6-3 обозначает оловянно-цинково-свинцовую бронзу, со­держащую около 6 % Sn, 6 %'Zn и 2 % Pb (остальное — медь).

Цинк повышает жидкотекучесть бронз, плотность отливок, их прочность, улучшает свариваемость. Свинец улучшает антифрик­ционные свойства, обрабатываемость резанием, никель способствует повышению коррозионной стойкости и прочности.

Среди сплавов на медной основе оловянные бронзы имеют самую низкую литейную усадку (около 1 %) и лучшую жидкотекучесть. Деформируемые бронзы имеют хорошую пластичность; они выпу­скаются в виде полос, лент, прутков, проволоки, трубок. В табл. 2 приведены некоторые марки бронз, область их применения.

Таблица 2.Марки бронзы

В алюминиевых бронзах содержится до 11 % А1. По структуре эта бронза в основном (до 9,7 % А1) однофазная и представляет собой твердый раствор алюминия в меди. Она устойчива к коррозии, износу, более пластична, чем оловянная бронза; недостатком является большая литейная усадка (2,3 %) и пониженная жидко­текучесть.

Добавка к алюминиевой бронзе железа, марганца еще больше повышает ее механические свойства.

Кремнистая бронза содержит 2—3 % Si и относится к однофаз­ным сплавам — твердым растворам, является литейной, имеет вы­сокую прочность и успешно заменяет во многих случаях оловянную бронзу; ее свойства улучшают добавками марганца, никеля и др.

Медно-никелевые сплавы маркируются буквой М, а по легиру­ющим элементам как бронзы. Константан МНМц40-1,5 имеет боль­шое электрическое сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в реостатах, электроизмерительных приборах. Мельхиор МНЖМпЗО-1 -1 имеет высокую коррозионную стойкость, применяется для теплообменных аппаратов, работающих в морской воде.

Монель-металл НМЖМц29-2,5-1,5 — сплав на основе никеля, отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных сре­дах, широко применяется в судостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.

«Легкие сплавы»

К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния и титана.

Из сплавов на основе алюминия получили распространение сплавы с медью, марганцем, крем­нием. Для повышения прочности, коррозионной стойкости, жаро­прочности алюминиевых сплавов используют литий, никель, ти­тан, бериллий.

Алюминиевые литейные сплавы содержат чаще всего кремний, медь и магний. Сплавы алюминия с кремнием, называют силуминами. Силумины жидкотекучи, имеют малую усадку, их состав близок к эвтектическому (марки АЛ2, АЛ9, АЛ4, см. табл. 3).

Сплавы алюминия с магнием для литья содержат 4,5—11 % Mg.

Упрочнение отливок из алюминиевых сплавов производят за­калкой и старением; внутренние напряжения в отливках из этих сплавов снимают отжигом.

Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, подразде­ляются на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Сплавы с марганцем и магнием относятся к неупрочняемым.

К упрочняемым сплавам относится дюралюмин (Д1, Д16). Основными компонентами, упрочняющими дюралюмин после термической обработки, являются медь, магний и марганец. При нагреве до температуры 500—520 °С дюралюмин из двухфазного превращается в однофазный по мере растворения в а-фазе (сложном твердом растворе магния и меди в алюминии) алюминида СuА1₂. При последующей закалке образуется пересыщенный твердый рас­твор а. С течением времени в таком растворе даже при комнатной температуре происходит концентрация атомов меди внутри кристал­лической решетки в определенных зонах раствора — «дисках» диа­метром около 5 нм. Такие «диски» с повышенным массовым содержа­нием меди располагаются более или менее равномерно в пределах каждого кристалла; в результате твердый раствор становится неодно­родным. Это явление называют естественным старением. Оно сопро­вождается повышением твердости и прочности дюралюмина при некотором понижении его пластичности. Старение можно ускорить путем подогрева сплава — искусственное старение. Наибольшую прочность сплава имеют в состоянии неоднородного твердого рас­твора, поэтому после закалки их подвергают выдержке при комнат­ной температуре в течение 5—7 сут или при температуре 150 °С (искусственное старение) в течение нескольких часов. При искусствен­ном старении важно ограничить его до начала образования СuА1₂, так как выделение этой фазы сопровождается понижением проч­ности. Дюралюмин обра­батывают давлением в горячем (440—480 °С) и в холодном состоя­ниях. Обработку в холодном состоянии рекомендуется делать до старения. Дюралюмин широко применяют в промышленности, осо­бенно, в авиационной и ракетной.

Спеченные алюминиевые порошки (САП) получают методами порошковой металлургии. САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение ее дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, умень­шается пластичность и повышается прочность сплавов. В различных марках САП А1₂0₃ содержится от 6 до 22 %, что определяет предел прочности от 300 до 460 МПа и относительное удлинение от 8 до 1,5 %. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при темпе­ратурах до 500 °С, когда требуется также высокая прочность и кор­розионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, ре­занием и удовлетворительно сваривается.

Сплавы на основе магния. Из сплавов на основе магния получили распространение его сплавы с марганцем, алюминием и цинком. Для повышения механических свойств магниевых сплавов добавляют цирконий, церий, неодим, торий и др. Магниевые сплавы упрочняют закалкой и дисперсным твердением.

Для магниевых сплавов характерна низкая сопротивляемость коррозии, поэтому готовые изделия защищают от коррозии оксиди­рованием и последующим покрытием специальными лаками, красками, эпоксидными пленками.

Главным преимуществом их является высокая удельная прочность. Сплавы магния применяют для изготовления различных де­талей самолетов, вагонов, автомобилей, решающее значение при этом имеет малая плотность сплавов (1,75—1,8 г/см³).

Титановые сплавы. Титан стоек в агрессивных средах (серной и соляной кислотах, их солях), поэтому он используется в химическом машиностроении, электронике, ядерной и других областях техники. В авиа- и ракето­строении чистый титан не применяется из-за его невысокой жаро­прочности.

Для легирования титановых сплавов используют алюминий, олово, которые повышают температуру полиморфного превращения титана и называются α-стабилизаторами, а также марганец, хром, ванадий, железо, которые понижают температуру полиморфного превращения и являются β-стабилизаторами.

Сплавы с α-структурой термической обработкой не упрочняются; они обладают жаропрочностью и прочностью при низких темпе­ратурах.

В промышленности применяют в основном двухфазные а + β-сплавы, упрочняемые при закалке и старении.

Помимо высокой прочности и малой плотности (4,5—5, 2 г/см³), титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах; они получили широкое применение при из­готовлении деталей реактивных авиационных двигателей, обшивки сверхзвуковых самолетов, их используют в судостроении, криоген­ной технике.

«Антифрикционные сплавы»

Наряду с подшипниками качения в машинах широко используются подшипники скольжения. Поскольку вкладыши под­шипников скольжения непосредственно соприкасаются с валами, их изготовляют из сплавов достаточно пластичных, чтобы было легко прирабатываться к поверхности вращающегося вала, и до­статочно прочных, чтобы служили опорой для вала; кроме того, сплавы должны иметь малый коэффициент трения с материалом вала и достаточно низкую температуру плавления, что необходимо для заливки подшипников. Сплавы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются подшипниковыми или антифрикцион­ными.

Антифрикционные сплавы имеют пластичную основу, в которой равномерно рассеяны более твердые частицы. При вращении в под­шипнике вал опирается на эти твердые частицы, а мягкая основа сплава по поверхности соприкосновения с валом изнашивается, в результате чего образуется сеть микроканалов, по которым пере­мещается смазка. Подшипниковые материалы делят на следующие группы: белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца (баббиты) и алюминия; сплавы на основе меди, чугуны серые, моди­фицированные и ковкие; металлокерамические пористые материалы; пластмассы.

Баббиты. В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой является твердый раствор сурьмы в меди и олове, а твер­дыми частицами—соединения SnSb и Cu₃Sn. Баббиты Б83 применяют для заливки подшипников особо нагруженных машин. Оловянные баббиты дороги, поэтому по возможности их заменяют баббитами, состоящими преимущественно из свинца (например, баббитом марки Б16).

В свинцовых баббитах с сурьмой (марки Б16) твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu₃Sn, рассеянные в мягкой основе — растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по качеству оловянным, однако с успехом применяются для под­шипников средней нагруженности (например, в тракторных и авто­мобильных двигателях).

Другие подшипниковые сплавы. Сплавы алюминия по сравнению с баббитами отличаются меньшей плотностью, большей прочностью и меньшей стоимостью. Недостатком их является значительная разница в коэффи­циенте расширения алюминиевых сплавов и стали. Различные марки этих сплавов содержат олово (от 3,5 до 23 %), медь (0,7—8,5 %), кремний (0,3—1,2 %), никель (0,3—3,3%). Эти сплавы идут для изгото­вления литых подшипников и прокатных полос с последующей штамповкой из них. В качестве антифрикционных сплавов применяют бронзы БрОЦС5-5-5, БрОЦС4-4-17, БрСЗО и цинковые сплавы, а в качестве дешевых заменителей металлических материалов для подшипников используют пластифицированную древесину, текстолит и резину. Большое распространение получили спеченные анти­фрикционные материалы.

Антифрикционные сплавы содержат дефицитные цветные металлы (олово, свинец, сурьма), кроме того, они не могут работать в условиях сухого трения, при большой скорости скольжения, в агрессивных средах и при температурах выше 350 °С.

Для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, втулок, уплотнителей все более широкое применение находят спеченные антифрикционные материалы, которые могут работать в названных выше условиях. Эти материалы характеризуются также низким коэффициентом трения, высокой износоустойчивостью и хорошей прирабатываемостью. Относительная пористость этих материалов (18—25 %) обеспечивает необходимую масловпитываемость; для про­питки маслом изделия обрабатывают в масляной ванне при темпе­ратуре 100—120 °С.

Спеченными антифрикционными материалами являются железо-графит, железо-графит-медь, железо-медь, бронзографит.

Фрикционные спеченные материалы применяют для прокладок и тормозных дисках машин, для тормозных лент и колодок в само­летах, тракторах и т. д. В состав их входят медь, железо, олово, графит, кремний. Эти материалы выдерживают давление до 7 МПа и нагрев до температуры 550 °С.

«Порошковая металлургия»

Технология порошковой металлургии позволяет получать изделия из одного металла, например, железа (такие изделия назы­вают однокомпонентными), а также из смеси порошков металлов или металлов с неметаллами (многокомпонентные изделия), причем в самых различных сочетаниях. По этой технологии можно получить сплавы из металлов, которые не образуют растворов, не смешиваются в жидком состоянии (железо—свинец, вольфрам—медь и др.), а также из металлов с неметаллами (медь-графит, алюминий—оксид алюминия, карбид вольфрама—кобальт и др.), из некоторых оксидов металлов (Fe₂0₃ и MnO, Fe₂0₃ и №0),

Схема получения изделий из порошков включает следующие основные процессы: получение порошков и подготовка порошковой шихты, получение из порошка консолидированного тела — формова­ние с применением давления и спекание отформованных изделий. Применение различных значений удельной нагрузки при формова­нии определяет получение компактных прессовок различной плот­ности либо пористых изделий.

Такая схема определяет практически безотходную технологию производства и возможность получения изделий с самыми разнооб­разными свойствами. Эти изделия могут быть весьма мягкими и чрезвычайно твердыми, фрикционными и антифрикционными, ма­гнитомягкими и магнитотвердыми, с высокой электрической про­водимостью и высоким электрическим сопротивлением, жаростой­кими и хладостойкими.

Для многих изделий порошковая металлургия является един­ственным способом их получения, например, порошковая металлур­гия незаменима при производстве компактных изделий из вольфрама,

молибдена, ниобия, деталей для устройств вычислительной техники и радиоэлектроники (ферриты), для изготовления металлокерамических твердых сплавов, производстве металлических фильтров и многого другого. (Порошковую металлургию называют также метал­локерамикой, что объясняется схожестью одной из основных опера­ций — спекания в порошковой металлургии и обжиге при произ­водстве керамики.)

Внедрение порошковой металлургии дает большой экономический эффект. Отходы металла при традиционных способах обработки (на угар, в прибыли и литниковую систему, в обрезки, окалину, стружку) составляют в среднем более 50 %, а нередко достигают 80 %; при порошковой металлургии отходы практически отсут­ствуют.

Экономия достигается также за счет замены дорогостоящих цветных металлов и легированных сталей, снижения трудоемкости изготовления изделий, а также расхода энергии, транспортных и дру­гих расходов и т. д.

Все это определило широкое внедрение порошкой металлургии во все отрасли машино- и приборостроения.

Изготовление металлических порошков осуществляется главным образом на металлургических заводах и комбинатах, а по­лучение изделий из порошков — на специализированных заводах или в цехах машиностроительных заводов.

Частицы порошков для различных изделий имеют размеры от 0,01 до 1000 мкм, форма частиц зависит от способа производства порошков и может быть тарельчатой, сферической, каплеобразной, губчатой, пористой, дендритной. Порошок можно получить химико-металлургическими и физико-механическими спо­собами.

Химика-металлургические способы связаны с восстановлением металлов из оксидов и других соединений, например, при получении порошков железа, меди, вольфрама (форма частиц порошков губча­тая, пористая) электролитическим осаждением из растворов солей металлов (порошки меди, никеля, кобальта, цинка, свинца, олова, серебра, хрома; форма частиц сферическая), металлотермическим восстановлением (при производстве порошков титана, ниобия, цир­кония, тантала; форма частиц тарельчатая).

Физико-механическими способами металлы измельчают в твердом или жидком состоянии. Распылением жидких расплавов получают порошки алюминия, цинка, меди, легированных сталей, чугунов. Металл расплавляют, как правило, в электропечах. Для распыления используют воздух, азот, аргон; форма частиц при распылении сферическая или каплеобразная. Размол хрупких материалов (фер­росплавов, чугунов, минералов) производят на шаровых или молот­ковых мельницах.

Более вязкие металлы (железо, нержавеющую сталь, хром, никель, их сплавы) подвергают размолу на вихревых мельницах, билы которых вращаются со скоростью до 3000 об/мин; получаемая форма частиц тарельчатая.

Никакой из способов получения порошков не дает частиц одина­ковых размеров, поэтому полученные порошки классифицируют (сортируют) по фракциям ситовым методом для грубодисперсных порошков (от 40 до 1000 мкм); для более тонких фракций (от 0,01 до 80 мкм) седиментационным методом (с использованием зависимости скорости осаждения частиц в жидкости от их размера).

Форма частиц определяет их удельную поверхность и существенно влияет на технологические свойства порошка — насыпную плот­ность, текучесть (скорость высыпания из воронки).

Для очистки порошков от примесей применяют магнитную сепа­рацию, промывку или химическую обработку их. Для снятия на­клепа, повышения пластичности, а также восстановления окислен­ных металлических порошков их отжигают в восстановительной среде, под вакуумом при температуре примерно в два раза меньшей, чем температура плавления этих металлов.

В отличие от упругой среды, которую представляют, например, компактные поликристаллические литые или обработанные давле­нием металлы, мало и упруго изменяющие объем при повышении давления, порошки оценивают как дискретную среду, объемный вес которой изменяется с изменением давления. Дискретность и сжимаемость являются важнейшими свойствами порошков, на основе которых разрабатывается теория обработки порошков дав­лением.