Цветные металлы и сплавы

1.

Лекция 11 Цветные металлы и сплавы
АЛЮМИНИЙ
Алюминий – серебристо-белый металл с гранецентрированной кубической
кристаллической решеткой. Характерными его свойствами являются небольшая плотность
(2700 кг/м3), высокие электропроводность (σ = 3,4∙107 Ом/м) и пластичность. Алюминий
хорошо сваривается, обрабатывается давлением, но плохо обрабатывается резанием и
характеризуется большой литьевой усадкой. На воздухе алюминий легко окисляется с
образованием плотной пленки оксида А1203, обеспечивающей его высокую коррозионную
стойкость. Механические свойства алюминия сравнительно невысоки и зависят от чистоты
материала.
Вследствие невысокой прочности алюминий обычно применяют для изготовления
ненагруженных деталей и элементов конструкций, главными эксплуатационными
качествами которых являются теплопроводность, коррозионная стойкость, небольшая
масса. Технический алюминий АД и АД 1 выпускают в виде полуфабрикатов: листов,
прутков, профилей. Алюминий высокой чистоты применяют для изготовления фольги,
токопроводящих и кабельных изделий.
В машиностроении сплавы на основе алюминия получили широкое применение. Для
легирования алюминия применяют медь, магний, кремний, марганец, цинк, в меньшей
мере - литий, никель, титан, бериллий, олово. Большинство легирующих элементов
образуют с алюминием твердые растворы и интерметаллидные фазы: CuAl2, Al2CuMg,
Al3Mg и др.
Сплавы на основе алюминия классифицируют по технологии изготовления, по степени
упрочнения после термической обработки и эксплуатационным свойствам.

2.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Технология получения и
обработки
Деформируемые
Классификация алюминиевых сплавов
Основные характеристики группы
сплавов
Основные химические
элементы и компоненты
сплавов
Примеры сплавов
Коррозионностойкие, повышенной
прочности
Al-Mn, Al-Mg,
Al-Mg-Si
АМц, АМг6, АВ, АД31,
АД33
Пластичные при комнатной температуре
Al-Cu-Mg
Д18, В65
Среднепрочные
Высокопрочные
Малой прочности, высокомодульные
Ковочные, пластичные при повышенной
температуре
Al-Cu-Mg
Al-Cu-Mg
Al-Mg-Li-Zr
Д1, Д16
В95,В96Ц1
1420
Al-Mg-Si-Cu
АК6, АК8
Al-Cu-Mg-Fe-Ni
Al-Cu-Mn
Al-Al2O3
Al-Cu-Mg- Al2O3
Al-Cr-Zr
АК4 -1,
Д20, Д21
САП-1, САП-2
СПАК-4
01419
Высокомодульные с пониженной
плотностью
Al-Mg-Li-Zr
01429
Сплавы с низким коэффициентом
линейного расширения
Al-Si-Ni
Al-Si-Fe
САC1-50
САС-2
Высокопрочные
Al-Zn-Mg-Cu
Al-Si
Al-Si-Mg
Al-Si-Cu-Mg
Al-Cu-Mn
Al-Cu-Mn-Ni
Al-Si-Cu-Mg
Al-Mg
Al-Mg-Zn
АД1-Б.В.
АД33-Б.В.
ПВ90
АЛ2,АЛ4,АЛ9
АЛ34
АЛ4М, АЛ32
АЛ19
АЛ33
АЛ3, АЛ5
АЛ8, АЛ27
АЛ24
ВКА-1
ВКА-2
Матрица: АД1, АВ;
Проволока 18Х15Н5АМ3
КАС-1, КАС-1А
Жаропрочные
Спеченные
Литейные
Жаропрочные
Герметичные
Высокопрочные и жаропрочные
Коррозионностойкие
Композиционные
Aрмированные борным волокном (Б.В.)
Aрмированные стальной проволокой

3.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
В настоящее время применяют буквенно–цифровую маркировку алюминиевых сплавов С
помощью маркировки обозначают вид технологической обработки полуфабрикатов и
изделий, от которой зависят механические, химические и другие свойства сплавов.
Буквенно-цифровая маркировка типов алюминиевых сплавов
Сплав
Принцип классификации
Название
Примеры обозначения
По химическому составу
-
АМг, АМц
По назначению сплава
Дуралюмин
Д1,Д6
По технологическому назначению
Ковочный
АК6,АК8
По свойствам
Высокопрочный
В95,В96
По методу получения
Спеченный
САП, САС,
полуфабрикатов и изделий
Литейный
АЛ2
По виду полуфабрикатов
Проволочный
Ам5П
К этой группе относятся сплавы на основе алюминия, перерабатываемые в изделия
методами деформирования. Различают деформируемые сплавы, упрочняемые и не
упрочняемые термической обработкой. Типичным представителем сплавов нормальной
прочности являются дуралюмины, относящиеся к системе А1–Сu–Mg–Mn, которые
маркируют буквами Д и В (Д1, Д16, Д8, ВД17 и др.). Марганец повышает коррозионную
стойкость, температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства
дуралюминов. Дуралюмины широко используют в авиации: из сплава Д1 изготовляют
лопасти винтов, из Д 16 – несущие элементы фюзеляжей самолетов, сплав Д18 – один из
основных заклепочных материалов.

4.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
К высокопрочным сплавам алюминия относят сплавы В95, В96, В96Ц системы А1–Zn–Mg–Сu. В
качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную
стойкость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств (σ = 600...700
МПа) высокопрочные сплавы закаливают при 460...4800С с последующим искусственным старением
при 120... 1400С. Высокопрочные сплавы превосходят дуралюмины по прочностным показателям,
однако менее пластичны, более чувствительны к концентраторам напряжений и воздействию
коррозионных сред под напряжением. Для повышения коррозионной стойкости изделия из
высокопрочных сплавов плакируют сплавом Аl + 1 % Zn.
Для изделий, эксплуатируемых при температурах до 300 0С, используют жаропрочные сплавы АК-4,
АК-4-1. Они имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими
элементами, образующими упрочняющие фазы CuAl2, CuMgAl2, Al2Mn2Cu и др. Жаропрочность
сплавам придает легирование медью, марганцем, титаном, замедляющими диффузионные процессы.
Детали из жаропрочных сплавов используют после закалки и искусственного старения для
изготовления поршней, головок цилиндров, лопаток компрессоров и др. изделий.

5.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Для изготовления деталей методом литья применяют алюминиевые сплавы А1–Si, А1–Сu,
А1–Mg. С целью улучшения механических свойств их легируют титаном, цирконием,
бором, ванадием. Главными достоинствами литейных сплавов являются жидкотекучесть
– способность расплавленного металла заполнять литейную форму, небольшая усадка,
высокие механические свойства.
Лучшими литейными свойствами в этой группе материалов обладают сплавы алюминия с
кремнием — силумины. Структура силуминов близка к эвтектической, что обусловливает
их высокую жидкотекучесть, малые усадку и проницаемость. Силумины хорошо
обрабатываются резанием, свариваются. Их используют для отливки деталей
ответственного назначения: корпусов компрессоров, блоков, поршней цилиндров и др.
Литейные сплавы алюминия с медью
характеризуются
низкими
коррозионной
стойкостью и литейными свойствами, но
обладают
высокой
прочностью
при
нормальных и повышенных температурах,
поддаются
обработке
резанием.
Для
упрочнения сплавы подвергают закалке и
старению при 150... 1750С в течение 3...5 ч.
Сплав АЛ 7 применяют для изготовления
деталей, работающих при средних нагрузках и
температурах до 2000С.

6.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
МЕДЬ (Cu)
Медь – металл розово-красного цвета с плотностью 8,95 г/см3 и температурой
плавления 1083 0С. Важнейшим природным источником получения меди являются
сернистые руды – медный колчедан (халькопирит), борнит, халькозин и окисленные
медные руды. Свойства меди в значительной степени зависят от содержания в ней
примесей и их растворимости в меди. Примеси оказывают разнообразное влияние на
свойства меди и ее сплавов: снижают или повышают прочность, улучшают
обрабатываемость резанием, понижают тепло- и электропроводность, снижают
коррозионную стойкость.
Главными достоинствами меди как машиностроительного материала являются высокие
тепло- и электропроводность, пластичность, коррозионная стойкость. Для устранения
существенных недостатков, свойственных меди (низкие литейные свойства, плохая
обрабатываемость резанием, относительно невысокие прочностные характеристики), ее
легируют различными элементами.
Наиболее распространены в качестве машиностроительных материалов латуни, бронзы
– сплавы меди с цинком, оловом, свинцом и другими элементами. Известны специальные
виды бронз – мельхиоры, нейзильберы, куниали, копели. Латуни и бронзы получили
широкое применение в качестве машиностроительных материалов, используемых для
изготовления коррозионно-стойких и антифрикционных деталей машин.
По
содержанию
примесей
различают
следующие
марки
меди
М00 (99,99% Сu), М0 (99,95% Сu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7 %Сu), М3 (99,50% Сu).

7.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Главными достоинствами меди как машиностроительного материала являются
высокие тепло- и электропроводность,
пластичность,
коррозионная стойкость в сочетании с достаточно высокими механическими
свойствами.
К недостаткам меди относят
низкие литейные свойства,
плохую обрабатываемость резанием.
Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности и
эти параметры меди при сравнение с другими металлами принимают за 100%.
По химическому составу медные сплавы подразделяют на латуни, бронзы,
медноникелевые сплавы;
по технологическому назначению – на деформируемые и литейные;
по изменению прочности после механической обработки – на упрочняемые и
неупрочняемые термической обработкой.
Сплавы меди, в которых главным легирующим компонентом является цинк, называют
латунями. В зависимости от содержания легирующих компонентов различают двойные
(простые) и многокомпонентные (легированные) латуни. Двойные латуни маркируют
буквой Л и цифрами, показывающими среднее содержание меди в сплаве. Например, в
латуни марки Л90 содержится 90% меди, остальное – цинк.

8.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
В марках многокомпонентных латуней группы букв и цифр, стоящих после них,
обозначают легирующие элементы и их содержание в процентах. Например, латунь
алюминиево–никель–кремнисто–марганцевая ЛАНКМц 75-2-2,5-0,5-0,5 содержит 75%
меди, 2% алюминия, 2,5% никеля, 0,5% кремния, 0,5% марганца, остальное – цинк.
Бронзы – сплавы меди, основными компонентами которых являются олово, алюминий,
бериллий, кремний, свинец и др. Цинк может присутствовать в составе бронзы в качестве
легирующей добавки. Бронзы маркируют буквами Бр и цифрами, аналогично маркировке
латуней. Например, бронза марки БрОФ 6,5–0,15 содержит 6,5% олова, 0,15% фосфора,
остальное – медь.
Сплавы меди с никелем и другими легирующими элементами, представляющие собой
по существу бронзы особого вида, называют мельхиорами, нейзильберами, куниалями,
копелями и др. Принцип маркировки таких сплавов такой же, как и для латуней и бронз.
Например, мельхиор МНЖМц 30-1-1 содержит 29...33% никеля и кобальта, 0,5...1%
марганца, 0,5...1 % железа, остальное – медь. Нейзильбер марки МНЦС16-29-1,8 включает
15...16,7% никеля и кобальта, 1,6...2% свинца, 51...55% меди, остальное – цинк.
В зависимости от основного легирующего компонента различают алюминиевые,
кремнистые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые и другие латуни.
Алюминиевым латуням свойственны повышенные механические характеристики и
коррозионная стойкость. В деформируемых латунях содержится до 4% алюминия, в
литейных – до 7%. Характерные представители алюминиевых латуней: ЛА 85-0,5, ЛА 77-2
и др..

9.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Никелевые латуни наиболее стойки к растворению цинка из поверхностного слоя
изделия, при котором он обогащается медью, образующей гальваническую пару с
необесцинкованными частями детали. Такие сплавы имеют высокие механические
свойства, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. В
машиностроении распространены никелевые латуни марки ЛН 65-5 и другие.
Оловянные латуни, обладающие повышенной коррозионной стойкостью в морской и
пресной воде, широко применяют в судостроении. Эти латуни хорошо обрабатываются,
имеют повышенные антифрикционные характеристики. Типичные представители
оловянных латуней – ЛО 90-1, ЛО 70-1, ЛО 62-1.
Свинцовым
латуням
свойственны
повышенные
антифрикционность
и
обрабатываемость резанием. Свинец присутствует в них в виде самостоятельной фазы,
практически не изменяющей структуры сплава. В машиностроении применяют свинцовые
латуни марок ЛС 63-3, ЛС 74-3, ЛС 60-1 и другие.
Латуни перерабатывают в изделия обработкой давлением, резанием, литьем. Из латуней
получают краны, вентили, задвижки, различные фитинги.

10.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Бронзы в зависимости от содержания компонентов подразделяют на оловянные, главным
легирующим компонентом которых является олово, и безоловянные (специальные), не
содержащие олова.
Оловянные бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, нечувствительны
к перегреву, морозостойки, немагнитны. Главными недостатками оловянных бронз
являются склонность к образованию пор в отливках (явление обратной ликвации), и
поэтому невысокая герметичность отливок, а также недостаточная жидкотекучесть.
В зависимости от технологии переработки и областей применения различают
деформируемые, литейные и специальные бронзы.
Деформируемые оловянные бронзы содержат до 8% олова. Их используют для
изготовления пружин и упругодеформируемых деталей. Литейные бронзы содержат свыше
6% олова, обладают высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью,
они служат для изготовления деталей ответственных узлов трения.
Широкое применение в машиностроении получили специальные бронзы, в составе
которых – алюминий, никель, кремний, железо, бериллий, хром, свинец и другие элементы.
В ряде случаев название бронзы определяется основным легирующим компонентом.

11.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ НА
ОСНОВЕ ОЛОВА, СВИНЦА, ЦИНКА
Для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях трения скольжения,
используют
сплавы,
характеризующиеся
низким
коэффициентом
трения,
прирабатываемостью, износостойкостью, малой склонностью к заеданию. Условия работы
антифрикционных материалов предопределяют их структуру, в которой оптимально
сочетаются пластичная основа и твердые включения легирующих компонентов. К группе
антифрикционных материалов относят сплавы на основе олова, свинца, цинка.
Антифрикционные сплавы на основе олова или свинца называют баббитами по имени
американского изобретателя И. Баббита (I. Babbitt).
В состав баббитов вводят легирующие элементы, придающие им специфические
свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость, никель – вязкость, твердость,
износостойкость, кадмий – прочность и коррозионную стойкость, сурьма — прочность
сплава.
Антифрикционные элементы подшипников скольжения изготовляют в виде
биметаллических деталей (вкладышей) из баббитов. Для ускорения приработки на
поверхность трения баббитового вкладыша наносят слой (0,007...0,05мм) сплава на
оловянной или свинцовой основе. Работоспособность баббитовых подшипников зависит от
температуры и толщины вкладыша. При снижении последней с 0,375 до 0,175мм
технический ресурс (срок службы) подшипника увеличивается в 2 раза, а при толщине
0,075мм – в 4,6 раза. Повышение температуры в рабочей зоне свыше 700С вызывает резкое
падение износостойкости баббитовых подшипников. Для изготовления малонагруженных
подшипников скольжения, эксплуатируемых при скоростях скольжения до 3 м/с и
удельных нагрузках до 20 МПа, используют антифрикционные цинковые сплавы.

12.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
ТВЕРДЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ
Т в е р д ы е с п л а в ы — композиционные материалы, состоящие из металлического
связующего, наполненного высокотвердыми и тугоплавкими карбидами ванадия, титана,
тантала, полученные методами порошковой металлургии.
Порошки WC, TiC, ТаС смешивают с кобальтовым порошком, прессуют и спекают при
1400...1550°С в среде водорода или в вакууме.
В зависимости от состава карбидной основы твердые сплавы подразделяются на
вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые.
Структура вольфрамовых сплавов состоит из зерен карбида WC, связанных кобальтом.
Теплостойкость сплавов ВК – до 800 °С. Чем мельче частицы карбида и меньше
содержание связки, тем выше износостойкость и меньше вязкость сплавов.
Титановольфрамовые сплавы – это сплавы вида TiC – WC – Со. При спекании
порошков образуется твердый раствор (Ti, W)C, имеющий большую твердость, чем WC.
Структура таких сплавов зависит от соотношения карбидных компонентов. При высоком
содержании TiC образуется одна карбидная фаза (Ti, W)C. Инструменты из сплавов такой
структуры обеспечивают повышенную скорость резания. В сплавах других марок карбиды
WC присутствуют в виде отдельных кристаллов. Теплостойкость сплавов этой группы
составляет 900... 1000 °С.
Структура титанотанталовольфрамовых сплавов TiC – ТаС – WC – Со представляет
собой твердый раствор (Ti, Та, W)C, наполненный и кристаллами WC.

13.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Твердые сплавы маркируют буквами и цифрами: вольфрамовые – ВК,
титановольфрамовые – ТК, титанотанталовольфрамовые – ТТК. В сплавах ВК и ТТК
цифрами показывают содержание кобальта, а в сплавах ТК – содержание WC в процентах.
Цифры после букв Т и ТТ указывают содержание (%) карбидов титана и суммарное
содержание карбидов титана и тантала. Твердые сплавы имеют высокие модуль упругости
(480 000...680 000 МПа), предел прочности при сжатии (до 6000 МПа), твердость (74...76
HRC), теплостойкость (до 1000 °С). Главными недостатками твердых сплавов являются их
хрупкость и трудность механической обработки.
Твердые сплавы в виде пластин крепят на режущем инструменте механическим
способом или с помощью припоя. Инструменты с твердосплавными пластинами
применяют при наиболее тяжелых условиях резания с максимальными скоростями.

14.

Лекция 11 Цветные металлы и
сплавы
Основным видом инструмента, применяемого при сверхвысоких скоростях резания,
является алмазный инструмент. Примерно 80 % добываемых природных алмазов
используют в технике для изготовления инструмента. Широкие возможности для
использования алмазного инструмента появились после открытия
и освоения
промышленного производства синтетических алмазов. Основное количество алмазов
(около 70 %) используют в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного
инструмента – шлифовальных кругов, притиров, хонов, надфилей и др., с помощью
которого обрабатывают особо твердые металлы, сплавы и горные породы. Использование
алмазных кругов при заточке и доводке твердосплавного инструмента взамен заточки
шлифовальными кругами из твердых материалов типа карбида кремния и карбида бора
увеличивает производительность труда в 2...4 раза и срок службы инструмента в 2...3 раза.
Алмазосодержащие круги в большинстве случаев изготовляют на полимерной или
металлической связке. Реже применяются алмазные резцы, которые используют главным
образом при обработке корпусов часов и фильер для волочения проволоки из
высокотвердых и драгоценных металлов. Стоимость алмазного инструмента,
изготовленного по современным технологиям, относительно невысока, а экономия,
получаемая при его рациональном использовании, весьма существенна.