Кенько В.М. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

181

Деформируемые алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784-74)

Дуралюмины содержат 0,5…5 % Cu, 0,4…1,8 % Mg, 0,4…0,9 % Mn,

хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, упрочня-

ются путем термообработки, после которой удовлетворительно обра-

батываются резанием. Хорошо свариваются точечной сваркой и не

свариваются сваркой плавлением, отличаются высокой удельной

прочностью. Листовой дуралюмин подвергают плакированию алю-

минием высокой чистоты слоем

= 4 % от толщины листа. В этом

случае в обозначении марки в конце добавляется буква А, например,

Д16А. Изготавливают из дуралюмина силовые каркасы самолетов,

строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и другие

изделия, воспринимающие переменные нагрузки при температурах

до 250 °С.

Сплав авиаль (АВ) содержит 0,1…0,5 % Cu, 0,45…0,9 % Mg,

0,15…0,35 % Mn, 0,5…1,2 % Si. По прочности авиаль уступает дура-

люмину, но

обладает лучшей пластичностью в холодном и горячем

состоянии, удовлетворительно обрабатывается резанием после термо-

обработки, сваривается контактной и аргонодуговой сваркой, имеет

высокую коррозионную стойкость. Закалку деталей производят от

температуры 515…525 °С с охлаждением в воде и последующим ес-

тественным или искусственным старением. Применяется авиаль для

изготовления полуфабрикатов (трубы, листы и т. д.), используемых

в конструкциях, несущих умеренные нагрузки, лопастей винтов вер-

толетов, рамных конструкций и др.

Высокопрочные сплавы В95, В96 содержат кроме Cu, Mn, Mg

добавки Zn, Cr. Обладают более высокой прочностью, чем дуралю-

мины, но чувствительны к концентраторам напряжений, имеют мень-

шую коррозионную стойкость под напряжением, меньший предел

выносливости. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем

состоянии, хорошо

деформируются в холодном состоянии после от-

жига. Закалка деталей производится от температуры 460…470 °С

с охлаждением в воде и последующим старением при 135…140 °С

в течение 6 ч. Применяются сплавы в авиастроении для изготовления

нагруженных конструкций, работающих при температурах до 120 °С,

силовых конструкций строительных сооружений.

Ковочные сплавы АК6 и АК8 отличаются высокой пластично-

стью

и удовлетворительными литейными свойствами, хорошо обра-

батываются резанием, свариваются контактной и аргонодуговой свар-

кой, но склонны к коррозии под напряжением. Сплав АК6 применяют

182

для деталей сложной конфигурации и средней прочности, а АК8 для

тяжелонагруженных штампованных деталей (подмоторные рамы,

крепежные детали, обшивка самолетов и др.). Ковка и штамповка

проводится при температуре 450…475 °С. Закалка сплава АК6 осуще-

ствляется от температуры 520 ± 5 °С, а АК8 с 505 ± 5 °С с охлаждени-

ем в воде, искусственное старение производят при температуре

150…165 °С в течение 6…15 ч.

Жаропрочные сплавы АК4-1 и Д20 используются для изготовле-

ния деталей, работающих при температурах до 300 °С (поршни, го-

ловки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски компрессоров турбо-

реактивных двигателей, обшивки сверхзвуковых самолетов и др.).

Закалку деталей проводят от температуры 530 ± 5 °С с охлаждением

в воде и искусственное старение при

200 °С.

Сплавы не упрочняемые термообработкой АМц и АМг приме-

няют в основном для сварных и клепаных элементов конструкций,

испытывающих небольшие нагрузки, но требующих высокой корро-

зионной стойкости, в частности, в судостроении. Для средненагру-

женных конструкций применяют сплавы АМг5 и АМг6.

Основные механические свойства сплавов приведены в табл. 9.3.

Таблица 9.3

Механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

Марка сплава

0,2

σ , МПа

, МПа

, %

дуралюмины

Д1 320 490 14

Д16 400 540 11

авиаль

АВ 200 260 15

высокопрочные

В95 550 600 8

В96 630 670 7

ковочные

АК6 300 420 12

АК8 380 480 10

жаропрочные

АК 4-1 280 430 13

Д20 250 400 12

термически неупрочняемые

АМц 50 130

АМг 170 340

183

Литейные сплавы (ГОСТ 2685–75)

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидко-

текучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к образованию

горячих трещин и пористости. Высокими литейными свойствами об-

ладают сплавы, имеющие в структуре эвтектику, что характерно для

сплавов, содержащих легирующих элементов больше их предельной

растворимости в алюминии.

Наиболее широкое применение получили сплавы алюминия

с кремнием, называемые

силуминами. Силумины имеют невысокую

прочность (

до 200 МПа), обладают высокой коррозионной стойко-

стью. Из них изготавливают тонкостенные детали, работающие во

влажной и морской атмосфере. Средненагруженные детали сложной

конфигурации изготавливают из сплавов АЛ4 и АЛ9, подвергаемых

термообработке (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров

двигателей внутреннего сгорания и др.). Теплостойкость сплавов со-

ставляет 200 °С. Силумины подвергаются газовой и

аргонодуговой

сварке, которые можно использовать для устранения литейных де-

фектов.

Кроме силуминов применяют сплавы алюминия с медью и маг-

нием, имеющие более высокие механические свойства, но ниже ли-

тейные.

Для деталей, работающих при температурах до 300 °С (поршни,

головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания), применяют

сплавы АЛ1, для крупногабаритных деталей – АЛ21. Изделия подвер

гаются закалке от температуры 525 °С с охлаждением в воде и старе-

нию при 300 °С.

Алюминиевые подшипниковые сплавы

Основными компонентами алюминиевых подшипниковых спла-

вов являются алюминий, олово, никель, медь (ГОСТ 14113–78). Для

изготовления монолитных вкладышей толщиной 10 мм и более ис-

пользуют сплавы АО3-1 (содержащий 3 % Sn, 1 % Cu, 0,4 % Ni) и

АО9-2 (9 % Sn, 2 % Cu, 1 % Ni). Биметаллическую ленту для штамповки

тонкостенных вкладышей получают из сплавов АО20-1 (20 % Sn,

1 % Cu) и АН-2,5 (2,5 % Ni). Из сплава АН-2,5 можно изготавливать

также литые вкладыши. Для работы в

тяжелых условиях на рабочие

поверхности наносится слой олова толщиной 0,02…0,03 мм или дру-

гого мягкого металла. Эти материалы обеспечивают работоспособ-

ность узлов трения при нагрузках до 200…300 МПа и скоростях

184

скольжения до 15 м/с. Механические свойства некоторых алюминие-

вых антифрикционных сплавов приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Механические свойства некоторых антифрикционных

алюминиевых сплавов

Механические свойства

Марка сплава

σ , МПа

, %

НВ

АО3-1 110 2 420

АО9-2 150 4,5 550

АО20-1 110 30 300

АН-2,5 120 20 350

Спеченные алюминиевые сплавы

В промышленности получили применение спеченные алюми-

ниевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС).

Спеченные алюминиевые порошки представляют собой смеси

порошков алюминия и Al

, подвергнутые холодному брикетирова-

нию, вакуумной дегазации и последующему спеканию под давлением.

САП1 содержит 6…9 % Al

, а САП4 – 18…22 % Al

. Соответст-

венно САП4 имеет более высокую прочность, но меньше пластич-

ность. У САП1

σ = 300…320 МПа и

= 5…8 %, а у САП4

σ = 440…460 МПа и

= 1,5…2 %. САП обладают высокой жаро-

прочностью при длительном нагреве до 500 °С. Применяют их для из-

готовления поршневых штоков, небольших лопаток компрессоров,

листового материала, труб для атомных реакторов.

Спеченные алюминиевые сплавы представляют собой материалы

с особыми свойствами, содержащие большое количество легирующих

элементов, которые невозможно получить литьем. Например, САС1

содержит 25…30 % Si, 5…7 % Ni и остальное алюминий

. Применяют

их в основном в приборостроении для изготовления деталей узлов

трения, работающих в паре со сталью при температурах до 200

°С,

где необходимо сочетание низкого коэффициента трения, низкого ко-

эффициента теплового линейного расширения и теплопроводности.

9.3. Магний и его сплавы

Магний относится к группе легких металлов. Его плотность

1,73 г/см

, температура плавления составляет 650 °С. Имеет гексаго-

нальную плотноупакованную решетку и не претерпевает полиморфных

185

превращений. Он уступает алюминию по прочности (

σ = 115 МПа),

коррозионной стойкости, легко воспламеняется при нагреве. Магний

хорошо обрабатывается резанием и обладает хорошей свариваемо-

стью. Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная

прочность.

Чистый магний как конструкционный материал не применяется,

используются его сплавы с алюминием, цинком, марганцем, которые

образуют с ним твердые растворы ограниченной растворимости. Пре-

дельная растворимость некоторых металлов

в магнии приведена на

рис. 9.7. Алюминий повышает механические свойства. Цинк увеличи-

вает прочность, измельчает зерно и улучшает коррозионную стой-

кость. Коррозийную стойкость повышает также марганец. Для повы-

шения жаропрочности в сплавы вводят редкоземельные элементы.

Рис. 9.7. Растворимость легирующих элементов в магнии

Магниевые сплавы выпускают двух типов: литейные (ГОСТ 2856–79),

которые обозначаются буквами МЛ, и деформируемые (ГОСТ 14957–76),

обозначаемые МА. После букв в марках сплавов идет условный но-

мер сплава, например, МЛ5, МА14. Деформируемые сплавы подвер-

гаются механической обработке, прессованию, ковке, штамповке,

прокатке. Как и алюминиевые сплавы они подвергаются термообра-

ботке – закалке и старению. Закалка

проводится от температур

380…540 °С, в зависимости от состава. В связи с малой скоростью

диффузии требуется длительный прогрев деталей 4…24 ч для раство-

рения интерметаллидных соединений типа Mg

, MgZn

. После за-

калки проводится искусственное старение в течение 16…24 ч, что по-

вышает прочность на 20…35 %.

186

Из деформируемых сплавов широкое применение получили спла-

вы МА1, МА2-1, МА14. Сплав магния с марганцем МА1 обладает вы-

сокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью, кор-

розионной стойкостью, но низкой прочностью (

до 210 МПа).

Применяют его для деталей не несущих больших нагрузок – деталей

арматуры, бензо- и маслосистем.

Сплав магния с алюминием и цинком МА2-1 обладает более вы-

сокой прочностью (

до 280 МПа), хорошей технологической пла-

стичностью, свариваемостью, но склонен к коррозии под напряжени-

ем. Применяют его для изготовления панелей, сложных штамповок,

сварных конструкций. Повышенными механическими свойствами (

до 330 МПа) и жаропрочностью до 250 °С обладают сплавы МА14.

Они не склонны к коррозии под напряжением, однако склонны к тре-

щинообразованию при горячей прокатке. Применяют их для высоко-

нагруженных деталей.

Из литейных сплавов наибольшее применение получили сплавы,

содержащие магний, алюминий и цинк, МЛ5, МЛ6, МЛ10 и МЛ12,

обладающие хорошими литейными свойствами

. Сплавы МЛ5 и МЛ6

после закалки от температуры 415 °С и старения при 175 °С на возду-

хе в течение 4…8 ч имеют

до 250 МПа. Применяются эти сплавы

для изготовления малонагруженных деталей двигателей (картеры, ко-

робки передач, маслопомпы), тормозных барабанов, кронштейнов,

деталей приборов.

Сплавы МЛ10 и МЛ12, дополнительно легированные циркони-

ем и ниодимом, обладают более высокими технологическими и меха-

ническими свойствами, имеют повышенную коррозионную стой-

кость, длительную жаропрочность до 250 °С и кратковременную до

350 °С. Из сплавов МЛ10 и МЛ12 изготавливают нагруженные дета-

ли, требующие высокой стабильности геометрических размеров и жа-

ростойкости.

Значительное повышение временного сопротивления и предела

текучести достигается при термомеханической обработке сплавов по-

сле закалки перед старением. Магниевые сплавы, при необходимости,

подвергаются гомогенизирующему и рекристаллизационному отжигу,

а также отжигу для снятия остаточных

напряжений. Температурные

интервалы отжигов зависят от химического состава сплавов. Темпе-

ратуры рекристаллизации магниевых сплавов лежат в диапазоне

150…300

°С.

187

Благодаря высокой удельной прочности

магниевые сплавы

нашли применение в авиа- и ракетостроении, в автомобильной про-

мышленности. Механические свойства некоторых магниевых сплавов

приведены в табл. 9.5.

Таблица 9.5

Механические свойства магниевых сплавов

Механические свойства

Марка

сплава

, МПа

0,2

σ , МПа

, %

Область применения

Литейные сплавы

МЛ5 250 90 9

МЛ6 260 140 1

Для нагруженных деталей двига-

телей (картеры, коробки передач,

маслопомпы и т. д.), тормозных

барабанов, штурвалов, кронштей-

нов, деталей приборов, аппарату-

ры, корпусов и т. д.

МЛ10 240 150 5 Для нагруженных деталей двига-

телей и приборов, требующих вы-

сокой герметичности и стабильно-

сти размеров

МЛ12 270 160 6 Для нагруженных деталей (ребор-

ды, барабаны колес и т. д.)

Деформируемые сплавы

МА1 190…220 120…140 5…10 Для сварных деталей, арматуры,

бензо- и маслосистем, не несущих

больших нагрузок

МА2-1 270…330 160…230 8…20 Для панелей, сложных штамповок,

сварных конструкций

МА14 320…340 220…290 6…14 Для высоконагруженных деталей

9.4. Титан и сплавы на его основе

Титан – металл серебристо-белого цвета с температурой плавле-

ния 1672 ± 5 °С. Титан имеет две полиморфных модификации:

титан-

α с ГПУ решеткой (низкотемпературная), плотность которой

4,5 г/см

, и титан-β с ОЦК решеткой (высокотемпературная), плотно-

стью 4,32 г/см

. Температура полиморфных превращений 882 °С. Ти-

тан обладает высокой удельной прочностью и коррозийной стойко-

стью. По удельной прочности в области температур 300…600 °С

титан не имеет себе равных. При температуре ниже 300 °С удельная

прочность выше у алюминиевых сплавов. Титан устойчив против ка-

188

витационной коррозии и коррозии под напряжением, пластичен, хо-

рошо обрабатывается давлением и сваривается, но плохо обрабатыва-

ется резанием.

В качестве конструкционных материалов применяются сплавы

на основе титана, имеющие более высокие механические и техноло-

гические свойства. В качестве легирующих элементов используют:

Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Zn, Nb и Si. Все промышленные титановые

сплавы, как правило, содержат алюминий.

По структуре различают три класса титановых сплавов:

–

сплавы,-α структура которых представляет твердый раствор

легирующих элементов в титане-

α (в основном легированные 4…6 %

алюминия);

– (

α + β )-сплавы, состоящие из -

и тверды

растворов, содер-

жащие 4…6 % алюминия и 2…4 % Cr, V, Mo, Mn

оров);стабилиза

– сплавы,-

β состоящие из твердого раствора легирующих эле-

ментов в

титане.-

Это сплавы, легированные V, Mo, Nb, Ta в значи-

тельных количествах.

По технологическому признаку титановые сплавы подразделяются

на деформируемые и литейные. Обозначаются титановые сплавы буква-

ми ВТ и далее идет номер сплава, например, ВТ5, ВТ5-1. В марках ли-

тейных сплавов в конце ставится буква Л, например, ВТ5Л.

По прочности они подразделяются на сплавы:

– низкой прочности

σ до 700 МПа;

– средней прочности

= 700…1000 МПа;

– высокой прочности

> 1000 МПа.

Состав и свойства некоторых титановых сплавов приведены

в табл. 9.6.

Таблица 9.6

Механические свойства некоторых титановых сплавов

Механические свойства

Марки сплавов

, МПа

, %

KCU, кДж/м

-α сплавы (после отжига)

Технический титан,

ВТ 1-0 390–540 20 1000

ВТ 5 750–900 10 300–600

ВТ 5-1 800–950 10 400–800

ВТ 4 700–900 15 400–1000

ВТ 20 950–1000 10 –

189

Окончание табл. 9.6

Механические свойства

Марки сплавов

, МПа

, %

KCU, кДж/м

)( β+α -сплавы (после закалки и старения)

ВТ 6 1100 6 300

ВТ 9 1300 6 300

ВТ 14 1120 6 250

ВТ 22 1300 6 200

По способности упрочняться под действием термообработки

различают титановые сплавы, упрочняемые термообработкой и неуп-

рочняемые.

К неупрочняемым термообработкой относится титан и его

сплавы.-

α Их подвергают только рекристаллизационному отжигу при

температурах на 20…30 °С ниже температуры полиморфных превра-

щений (

α +β ) → β . Для снятия внутренних напряжений после дефор-

маций применяют неполный отжиг при температурах 550…600 °С.

К упрочняемым термообработкой относятся (

)-сплавы, кото-

рые подвергаются закалке с последующим старением. Закалку проводят

от температуры области-

(800…950 °С) и старение при температурах

450…600 °С. При закалке образуется перенасыщеный твердый раствор

легирующих элементов в титане.-

α Механизм превращений бездиффу-

зионный, аналогичен образованию мартенсита в сталях. Для крупных

деталей из титановых сплавов упрочняющую термообработку обычно

не производят, ввиду малой прокаливаемости и коробления деталей.

Титановые сплавы имеют плохие антифрикционные свойства

и при использовании их в узлах трения рабочие поверхности деталей

подвергают азотированию при температурах 850…950 °С в течение

30…60 ч

в атмосфере азота.

Сплавы с структурой-

применяются редко, т. к. они дорогие,

менее пластичные и обладают высокой плотностью.

Титановые сплавы находят широкое применение в авиа- и раке-

тостроении, в космической технике, в судостроении и транспортном

машиностроении, в холодильной и криогенной технике, где требуется

высокая удельная прочность. Для фасонного литья титановые сплавы

применяются редко.

190

9.5. Антифрикционные подшипниковые сплавы

Основными требованиями к подшипниковым сплавам являются:

малый коэффициент трения, достаточная твердость, но не очень высо-

кая, чтобы не повредить поверхность вала, сравнительно легкая дефор-

мируемость под влиянием местных напряжений, хорошая теплопровод-

ность. Сплав должен иметь гетерогенную структуру, состоящую из

мягкой и пластичной основы и более твердых включений, благодаря

чему обеспечивается ускоренная

прирабатываемость пар трения и соз-

дается оптимальный микрорельеф для перераспределения действующих

напряжений в контактной зоне и удержания на поверхности трения сма-

зочной пленки.

Наиболее широкое применение получили в качестве таковых

сплавы: на оловянной и свинцовой основе (баббиты), на цинковой

и алюминиевой основе (ЦАМ), медносвинцовые сплавы.

Баббиты (ГОСТ 1320–74) – антифрикционные сплавы на

основе

олова и свинца. Применяются они для заливки вкладышей подшипни-

ков скольжения, работающих при скоростях до 50 м/с при переменных

и ударных нагрузках до 15 МПа. По химическому составу баббиты под-

разделяются на следующие группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-

свинцовые (БС6, Б16), свинцовые (БС30) и кальциевые (БК2, БКА).

Оловянные баббиты (Б83, Б

88) используют в подшипниках тур-

бин, крупных судовых двигателей, турбонасосов, электрических

и других тяжелонагруженных машин, для подшипников быстроход-

ных и среднеоборотистых двигателей, турбин малооборотных дизе-

лей, гребных валов. Кроме олова в своем составе они содержат сурь-

му и медь. Мягкую основу баббита составляет твердый-

раствор

сурьмы в олове, в которой расположены твердые кристаллы фазы,-

′

представляющей собой твердый раствор на основе химического со-

единения SnSb, и игольчатые кристаллы Cu

Sn (рис. 9.8).

Свинцовооловянные баббиты Б16, БС6 имеют структуру

раствор

твердого-α олова, сурьмы и меди в свинце (мягкая состав-

ляющая), в котором находятся твердые частицы фазы-

β (SnSb),

Sn, Cu

Sb. Введение в состав кадмия, мышьяка, никеля приводит

к увеличению механических свойств. As и Cd служат зародышами для

образования фазы-

β (SnSb). Применяются эти баббиты для изготов-

ления подшипников компрессоров, моторно-осевых подшипников

электровозов, путевых машин, автотракторных двигателей (БС6).