I. Медь и сплавы на основе меди.

Среди технических металлов медь по своему значению занимает особое место. Чистая медь обладает высокой теплопроводностью (при 20⁰С λ = 404Вт · м^-1 · к^-1), электропроводностью (удельное электросопротивление при 20⁰С ρ = 1,55 · 10^-8 Ом·м) и достаточно высокой коррозионной стойкостью. В зависимости от чистоты различают медь марки МО (наименьшее содержание примесей ~ 0,05%), М1, М2, М3, М4. Применяют ее для проводников тока и производства сплавов. Кристаллическая решетка меди ГЦК, плотность 8,94 г/см³, температура плавления – 1083⁰С.

Сплавы на основе меди обладают высокими механическими, другими ценными свойствами и нашли широкое применение в технике. Медные сплавы подразделяются на следующие группы:

1. Медноцинковые сплавы (латуни).

Латуни разделяют на двойные (простые) и многокомпонентные. Многокомпонентные латуни кроме меди и цинка, содержат еще один или несколько других легирующих металлов (алюминий, никель, железо, олово, марганец, кремний и свинец.

Техническое применение имеют сплавы содержащие до 50% Zn. Наибольшее распространение получили сплавы со структурой α твердого раствора и двухфазные (α + β).

Марки латуней обозначаются буквой Л, за которой следуют цифры – среднее содержание меди в процентах; буква С указывает на присутствие свинца.

α-латунь марки Л90 с большим содержанием меди, называемая томпаком, и Л70, называемая патронной, хорошо поддается холодной штамповке, прессованию и волочению.

α + β-латуни марки Л62, ЛС59-1 с меньшим содержанием меди дешевле, но менее пластичны, чем Л90 и Л70.

Для повышения коррозионной стойкости и механических свойств в латуни добавляют Аl, Ni, Mn, Si. Такие латуни называют специальными.

2. Бронзы.

Сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, кремнием, марганцем, бериллием и другими элементами за исключением цинка, называются бронзами. Обозначают бронзы начальной буквой Бр, после чего следуют первые буквы основных элементов образующих сплав. Цифры в обозначениях указывают процентное содержание легирующих элементов в порядке буквенной простановке.

БрОФ6,5-0,15. Бр – бронза содержащая 6,5% олова и 0,15% фосфора, остальное медь.

Название бронз дается по основным легирующим добавкам, входящим в состав сплава. Например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой (БрА5), со свинцом – свинцовистая (БрС30, с оловом – оловянистая (БрО10), с кремнием – кремнистая (БрК3), с марганцем – марганцовистая (БрМц5), с бериллием – бериллиевая (БрБ2).

Большую группу бронз составляют многокомпонентные бронзы, в которые для повышения механических свойств и улучшения структуры (измельчение зерна) вводят небольшие количества легирующих элементов.

Из бронз изготавливают вкладыши подшипников (свинцовистые, оловянистые бронзы), пружины (бериллиевые бронзы), фасонные отливки (кремнистые бронзы), арматура паровых котлов (марганцовистая бронза). Для изготовления проводов высоковольтных линий электропередачи, для проводов сварочных машин, в ракетной технике и других специальных областях применяются бронзы высокой электропроводности и прочности. В большинстве случаев эти бронзы содержат несколько добавок при суммарной концентрации их в пределах 1-3%. Например: телефонная бронза (0,15% Cd; 0,15% Zn; 0,3 Mg, остальное медь), хромистая бронза (0,5-1,0% Cr, остальное медь). Купалой (0,5% Cr, 0,1% Ag, остальное медь). Их прочность может достигать 750МПа, твердость НВ = 2500Мпа, а электропроводность 80-90% от электропроводности меди.

3. Сплавы меди с никелем имеют исключительно большое значение в технике. Легирование меди никелем значительно повышает ее механические свойства, коррозионную стойкость, электросопротивление и термоэлектрические характеристики.

Применяющиеся в промышленности медноникелевые сплавы условно разделяют на 2 основные группы: коррозионностойкие и электротехнические. Эти сплавы имеют специальные названия.

К первой группе относятся сплавы под названием мельхиор (МН19; МНЖМц30-08-1), нейзильбер (МНЦ15-20), куниаль (МНА13-3; МНА6-1,5). Их высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах (морская вода, органические кислоты, растворы солей и т.д.), обеспечивает их широкое применение в морском судостроении, для разменной монеты, медицинского инструмента, деталей в точной технике, для изделий ширпотреба.

Во вторую группу входят сплавы для компенсационных проводов при присоединении термопар (МН0,6, МН16), манганин (МНМц3-12) – имеет очень малую термоэлектродвижущую силу в контакте с медью и малый температурный коэффициент электросопротивления и используется для изготовления эталонных катушек электросопротивления точных электроизмерительных приборов.

II. Титан и сплавы на основе титана.

Титан – твердый металл. Его твердость в 4 раза больше твердости меди и в 12 раз – алюминия. По распространенности в земной коре титан занимает среди металлов 4 место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл полиморфный, при температуре < 882⁰С имеет кристаллическую решетку ГПУ - Ti_α, при Т > 882⁰С ОЦК кристаллическую решетку Ti_β. Температура плавления Ti – 1685⁰С. Теплопроводность составляет при 20⁰С λ = 18,85 Вт · м^о · к – в 13 раз ниже, чем у алюминия. Плотность Ti – 4500 кг/м³, удельное электросопротивление - 42 · 10^-8 Ом·м, что в 15 раз выше, чем у алюминия.

Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей ВТ1-0 (сумма примесей ≤ 0,55%); ВТ1-00 (сумма примесей ≤ 0,398%).

Сплавы титана в зависимости от добавленных легирующих элементов делятся на 3 группы:

α-сплавы (группа элементов расширяет область существования α-модификации – Al, Cr, Ce, La, C, O, N) – ВТ5, ВТ5-1;

α + β-сплавы (двухфазные – группа элементов расширяет область существования β-модиификации – Мо, V, Nb, Ta, Zr, Hf, W, Cr, Mn, Fe, Co, Si, Ag и др.) – ВТ6, ВТ14, ВТ2;

β-сплавы (сплав ВТ32).

Основные легирующие элементы: Al – повышает прочность сплава, жаропрочность. Кроме алюминия титановые сплавы легируют Sn, Mn, V, Mo и другими элементами в различных количественных соотношениях, что обеспечивает получение необходимых свойств.

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и ХТО (азотирование, цементация и др.).

Прочность титановых сплавов с однофазной структурой достигает σ_в = 750-1000 МПа; α + β структурой σ_в = 900-1250 МПа; β – структурой σ_в = 800-1200 МПа.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства титановых сплавов

Структура группа	Система легирования	Марка сплава	Средний хим. состав, % (по массе)	Плот-ность, г/мм^3	σв, МПа	δ, %
α	Ti Ti - Al Ti – Al - Mn	ВТ1-0 ВТ5 ВТ4-1	5 Al, основа Ti 2 Al; 1,5 Mn; основа Ti	4,5 4,5 4,55	700-950 600-750	10-15 20-40
α + β	Ti – Al – V   Ti – Al – Mo - V	ВТ6   ВТ14	6,0 Al; 4,0 V; основа Ti 4,5 Al; 3,0 Mo; 1,0 V; основа Ti	4,43   4,52	900-1000   1150-1400	6-10
β	Al – Mo - Cr	ВТ15	4,0 Al; 8 Мо; 11 Cr; основа Ti	4,89	1300-1500	3-6

III. Алюминий и сплавы на основе алюминия.

Алюминий – один из важнейших промышленных металлов. Он широко применяется в чистом виде и является основой многих промышленных сплавов, благодаря своим ценным свойствам. Он имеет малую плотность – 2700 кг/м³ и невысокую температуру плавления – 660⁰С. Кристаллизуется и образует гранецентрированную кубическую решетку (К12). Не имеет полиморфных превращений, обладает высокой теплопроводностью (λ = 230Вт · м^-1 · к^-1), электропроводностью (ρ = 2,67 · 10^-8 Ом·м) при 20⁰С. Вследствие образования на поверхности плотной оксидной пленки Al₂О₃. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах. Соляная, плавиковая и другие кислоты, а также щелочи разрушают алюминий. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

В качестве основных легирующих элементов в алюминиевых сплавах применяют медь, магний, кремний, марганец, цинк и др. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы с алюминием и между собой (CuAl₂, Mg₂Si и др.).

Алюминиевые сплавы классифицируют по способу производства: деформируемые – для изготовления обработкой давлением различных полуфабрикатов (листы, плиты, прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, проволока); литейные – для производства фасонных отливок. В зависимости назначения сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности, жаропрочные, криогенные, ковочные, заклепочные, свариваемые, со специальными физическими свойствами, декоративные и другие.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов. Например, деформируемые сплавы обозначаются буквами Д, АД, АК, АМ, АВ; литейные – АЛ. Буквой Д обозначают сплавы дуралюминия Д1, Д16 и т.д. Буквы АВ обозначают сплав авиаль. Буква В обозначает высокопрочный сплав (В96, В93, В95). Буквы АМг и АМц обозначают сплав с магнием (Мг) и марганцем (Мц), при этом цифры следующие за буквами АМг2; АМг6 соответствуют содержанию магния в этих сплавах. Некоторые ковочные сплавы обозначают буквами АК (АК4-1, АК6, АК8 и т.д.).

В настоящее время вводится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов, в которой цифры обозначают основу сплава, главный легирующий элемент или группу главных легирующих элементов. Нечетная четвертая цифра обозначает, что сплав деформируемый.

Чистота деформируемых сплавов обозначается следующими буквами стоящими после маркировки сплава: П₄ – практически чистый, 4 – чистый, О₄ – очень чистый по примесям железа, кремния и других контролируемых элементов. Состояние полуфабрикатов из алюминиевых сплавов обозначается следующей маркировкой: М – мягкий, отожженный; Т – закаленный и естественно состаренный; Т1, Т2, Т3 – закаленный и искусственно состаренный при определенных технологических режимах; Н – нагартованный.

Строение алюминиевых сплавов.

Сплавы системы Al-Cu, Al-Mg, Al-Si представляют многочисленную группу алюминиевых сплавов и получили широкое распространение.

Кроме двухкомпонентных сплавов выпускаются промышленностью трех, четырех и даже пятикомпонентные сплавы: Al-Mg-Si (АД31, АВ); Al-Cu-Mg (Д16, Д1); Al-Zn-Mg-Cu (В95, В93); Al-Cu-Mn (1201); Al-Cu-Li (ВНД23); Al-Li-Mg (1420); Al-Cu-Mg-Mn-Si (АК6, АК8).

Прочность алюминиевого сплава зависит от системы легирования и может быть существенно увеличена при термической обработке. Упрочнение алюминиевых сплавов термической обработкой возможно лишь в тех случаях, когда компоненты образующие сплав, имеют ограниченную растворимость, которая уменьшается с понижением температуры. На рис. 1 представлена диаграмма Al-Cu.

Деформируемые сплавы

T, ⁰С Литейные сплавы

700

657 L+ α L L+CuAl₂

600

α 548

500

400 CuAl₂

α + эвтектика (α +CuAl₂)

300

CuAl₂ +эвтектика

200

α +CuAl₂

100

0

0,2 5,7 10 20 30 33 40 50

Cu, %

Рис.1. Диаграмма состояния алюминий – медь

Медь растворяется при комнатной температуре в количестве 0,2%, а предельная растворимость при эвтектической температуре 548⁰С составляет 5,7%. Любой сплав от 0,2 до 5,7% меди можно перевести в однофазное состояние нагревом выше температур, соответствующих линии АВ, и зафиксировать это состояние быстрым охлаждением. Полученный таким образом твердый раствор является пересыщенным. В таком пересыщенном, и следовательно неравновесном, твердом растворе самопроизвольно происходит процесс снижения пересыщения раствора медью, приводящий к образованию предвыделений химического соединения CuAl₂. В растворе сохраняется лишь соответствующее равновесной системе количества меди (0,2%). Этот процесс называется старением. Старение называют естественным, если оно происходит при комнатной температуре. При этом процесс заканчивается на стадии образования превыделений, т.е. когда концентрация меди почти соответствует химическому соединению CuAl₂, но еще не произошло обособления кристаллических решеток химического соединения от твердого раствора (Рис.2,в). В таком состоянии эти сплавы обладают наивысшей твердостью и прочностью (Рис.3), но наименее пластичны. Диффузионные процессы при комнатной температуре протекают медленно, а потому естественное старение – процесс длительный (в течение нескольких суток).

Повышением температуры старения ускоряются диффузионные процессы. Такое старение называют искусственным. Чем выше температура старения, тем быстрее достигается состояние наибольшей твердости (Рис.3), однако максимальное значение твердости с повышением температуры снижается и, кроме того, длительность должна быть строго ограничена. Превышение оптимальной выдержки приводит к явлению перестаривания, выражающемся в падении твердости и прочности сплавов. При перестаривании кристаллические решетки химического соединения CuAl₂ и твердого раствора обособляются (Рис.2,г).

а б в г

Рис. 2. Изменение кристаллического строения при старении (схема).

σ_в, х 10 МН/м²

42 +20⁰С

+150⁰С +100⁰

40

38

36 +200⁰С

-5⁰С

34

32

• -50⁰С

0 1 2 3 4 5 6 7

Продолжительность, дни

Рис.3. Кривые старения дюралюминия при различных температурах

Алюминиевые сплавы могут подвергаться следующим видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. В отожженном состоянии сплав Al+4%Cu, например, имеет предел прочности σ_в =200 МПа, в свежезакаленном – предел прочности повышается до 250 МПа, а после старения предел прочности возрастает до 400 МПа.

Наиболее распространенным представителем термически упрочняемых алюминиевых сплавов является дюралюминий, включающий в состав алюминий, медь, магний, марганец, кремний и железо, но основными добавками является медь и магний. Поэтому дюралюминий можно отнести к сплавам системы Al-Cu-Mg. В настоящее время производят дюралюминий нескольких марок. Состав наиболее распространенных марок приведен в таблице I.

Таблица 1

Химический состав (%) некоторых марок дюралюминия (по ГОСТ 4784-74).

Марка	Cu	Mn	Mg	Примеси не более
Si	Fe
Конструкционные сплавы
Д1 Д16	3,8…4,8 3,8…4,5	0,4…0,8 0,3…0,9	0,4…0,8 1,2…1,8	0,7 0,5	0,7 0,5
Заклепочные сплавы
Д19П В65	3,2…3,7 3,9…4,5	0,5…0,8 0,3…0,5	2,1…2,6 0,15…0,3	0,3 0,2	0,3 0,25

После закалки и старения сплав состоит из твердого раствора меди в алюминии и упрочняющей фазы. В сплаве Д1 упрочняющей фазой является CuAl₂, а в Д16 – CuMgAl₂, что обеспечивает более высокую прочность Д16 по сравнению с Д1. Ниже приведены режимы термической обработки для этих сплавов и некоторые свойства:

Д1 Д16

Температура закалки, ⁰С 748…575 480…500

Температура старения, ⁰С 20 20

Предел прочности, σ_в, МПа 490 540

Относительное удлинение, % 11 11

Деформируемые термически упрочняемые сплавы имеют наибольшее значение для конструкций летательных аппаратов, так как они хорошо сочетают в себе высокую прочность и пластичность. Они мягки в обработке и жестки в конструкции. Из них изготавливают обшивку самолета, лонжероны, лопатки, крыльчатки компрессоров, топливные контейнеры и другое.

Дата добавления: 2015-09-02