Лекции - Цветные металлы и сплавы
Подождите немного. Документ загружается.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА “ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ”
Профессор, д.т.н. ГОРБАТЕНКО В.П.
КУРС ЛЕКЦИЙ
по дисциплине
“ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ”
Для студентов профессионального направления
подготовки “Инженерное материаловедение”
(0904)
г. Донецк, 1998 г.
ВВЕДЕНИЕ
В технике под металлами понимают вещества, обладающие металлическим
блеском, достаточно высокой пластичностью, высокой электропроводностью и
теплопроводностью. Указанными свойствами обладают не только чистые
металлы, но и сплавы на их основе (металлические сплавы). Сплав - это система,
состоящая из 2 и более компонентов.
Традиционно сложилось деление всех металлов на черные и цветные. Это
деление является условным. Обычно к черным металлам относят прежде всего
железо, а также кобальт, никель и близкий к ним по свойствам марганец. Однако,
например А.П.Гуляев, к черным металлам предлагает относить не только эти
металлы, но также и тугоплавкие металлы, металлы группы урана - актиниды,
редкоземельные металлы, или лантаноиды, щелочноземельные металлы. Такое
мнение не является бесспорным.
К цветным металлам традиционно относили все металлы, кроме железа и
элементов его группы. Обычно признаком цветного металла являлся его
специфический цвет, отличный от темно-серого, например, белый (алюминий,
серебро), желтый (золото), красный (медь) и т.д.
Цветные металлы, такие, как медь, серебро, золото, а также олово, свинец
начали применять раньше, чем железо и его сплавы, начало их применения
относится к “бронзовому веку”.
Целью данного курса является изучение структуры, свойств и назначения
наиболее распространенных в технике цветных металлов и конструкционных и
специальных сплавов на их основе.
Создание новых материалов и развитие производства тех или иных сплавов
определяются запросами быстро развивающейся техники, прогресс которой
требует материалов с разнообразными физическими, химическими,
механическими свойствами. Так, в свое время в круг наиболее широко
применяемых материалов вошли сплавы алюминия, во второй половине ХХ века -
титан и его сплавы. Сейчас все более широко начинают применяться сплавы на
основе бериллия, циркония, ниобия и других металлов. Поэтому разработка
новых материалов, удешевление технологии производства сплавов и создание
методов направленного воздействия на их структуру и свойства являются основой
развития техники нового поколения.
При изложении данного курса учитывалось, что студенты уже изучили
основные закономерности процессов структурообразования в металлах и сплавах
(курсы “Физика конденсированного состояния”, “Структура материалов” и др.), а
также методы исследования структуры и свойств материалов.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение 2
1 Общая характеристика цветных металлов и сплавов 3
1.1 Классификация цветных металлов и сплавов 3
1.2. Сопоставительная характеристика цветных металлов 4
2 Медь и сплавы на ее основе 7
2.1. Свойства и применение меди 7
2.2. Классификация и маркировка сплавов на медной основе 8
2.3. Структура, свойства и применение латуней 9
2.4. Структура, свойства и применение бронз
2.4.1. Оловянистые бронзы
2.4.2. Алюминиевые бронзы
2.4.3. Кремнистые бронзы
2.4.4. Бериллиевые бронзы
2.4.5. Свинцовые бронзы
14
14
16
19
20
21
2.5. Некоторые другие сплавы на основе меди 22
3 Алюминий и сплавы на его основе 23
3.1. Свойства и применение алюминия 23
3.2. Классификация и общая характеристика алюминиевых сплавов 23
3.3. Деформируемые алюминиевые сплавы
3.3.1. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые
термической обработкой
3.3.2. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые
термической обработкой
25
25
28
3.4. Литейные алюминиевые сплавы 28
3.5. Спеченные сплавы на основе алюминия 32
4 Магний и сплавы на его основе 34
4.1. Свойства и применение магния 34
4.2. Общая характеристика и классификация магниевых сплавов 35
4.3. Деформируемые магниевые сплавы 35
4.4. Литейные магниевые сплавы 37
5 Титан и сплавы на его основе 39
5.1. Титан, его структура, свойства и применение 39
5.2. Общая характеристика сплавов титана. Влияние легирующих
эелементов на структуру и свойства титановых сплавов
40
5.3. Классификация, свойства и применение титановых сплавов 44
6 Бериллий и сплавы на его основе 49
6.1. Бериллий, его свойства и применение 49
6.2. Сплавы на основе бериллия 51
7 Легкоплавкие металлы и сплавы на их основе 53
7.1. Общая характеристика легкоплавких металлов 53
7.2. Подшипниковые сплавы (антифрикционные материалы)
7.2.1. Общая характеристика подшипниковых материалов
55
55
3
7.2.2. Легкоплавкие подшипниковые сплавы с мягкой мат-
рицей (баббиты)
56
7.3. Припои 60
7.4. Легкоплавкие сплавы 61
7.5.Типографские сплавы 62
7.6. Цинковые конструкционные сплавы 63
7.7. Коррозионно-стойкие покрытия 63
8 Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы 65
8.1. Общая характеристика тугоплавких металлов и их сплавов 65
8.2. Специфика применения тугоплавких металлов и сплавов в
машиностроении и исследовательских приборах
67
8.3. Благородные металлы 68
9 Основы технологии термической обработки цветных металлов
и сплавов
70
9.1. Общие положения 70
9.2. Отжиг цветных металлов и сплавов 70
9.3. Общие положения упрочняющей термической обработки
сплавов цветных металлов
78
9.4. Закалка со старением сплавов алюминия, меди, магния 79
9.5. Особенности упрочняющей термической обработки сплавов
титана
80
Список литературы 84
4
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1.1. Классификация цветных металлов и сплавов
Существует несколько признаков классификации.
По их характерным свойствам цветные металлы можно разделить на
следующие группы:
- легкие металлы (плотность менее 3 г/куб.см): бериллий, магний, алюминий;
- легкоплавкие металлы : цинк, кадмий, олово, сурьма, свинец, ртуть, висмут,
теллур, имеющие низкую температуру плавления;
- тугоплавкие металлы: титан, хром, цирконий, ниобий. молибден, вольфрам,
ванадий, тантал и др., температура плавления которых выше, чем у железа;
- благородные металлы - серебро, золото, платина и металлы группы платины,
которые обладают высокой коррозионной стойкостью; к ним иногда относят и
“полублагородную” медь;
- урановые металлы (U, Th, Ra, и др.), обладающие радиоактивностью и
используемые в ядерной энергетике;
- редкоземельные металлы: лантаноиды (La, Ce, Pr, Sm и др.), а также иттрий и
скандий, используемые преимущественно как присадки в сплавы;
- щелочноземельные металлы и т.д.
По назначению цветные металлы и сплавы можно разделить на 2 группы:
1. Конструкционные материалы, используемые для изготовления различных
деталей, узлов машин и конструкций. К ним относится большинство сплавов на
основе меди, алюминия, магния, титана и т.д.: а)материалы с особыми
технологическими свойствами (сплавы на основе меди - латуни и бронзы),
б)материалы с малой плотностью (сплавы на основе алюминия и магния),
в)материалы с высокой удельной прочностью (титан, бериллий и сплавы на их
основе), г)антифрикционные материалы - подшипниковые сплавы (баббиты и
др.), д)материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды -
коррозионностойкие (серебро, золото, платина и др.), жаростойкие, жаропрочные,
хладостойкие, радиационно-стойкие материалы и др.
2. Металлы и сплавы с особыми физическими свойствами: а) материалы с
особыми электрическими свойствами - с высокой электропроводностью, с
высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов и
реостатов, припои, полупроводниковые материалы; б) материалы с особыми
магнитными свойствами; в) материалы с особыми тепловыми свойствами.
Учитывая, что один и тот же металл часто является основой сплавов разного
назначения, распространена классификация металлических сплавов по основному
металлу. Наиболее широкое применение в технике в соответствии с этим
классификационным признаком находят следующие материалы: а) сплавы на
основе меди, б) сплавы на основе алюминия, в) сплавы на основе титана, г)
сплавы на основе магния, д) сплавы на основе бериллия, е) сплавы на основе
легкоплавких металлов - цинка, олова, свинца и др., ж) тугоплавкие металлы (V,
5
Nb, Zr, W, Mo, Ta) и сплавы на их основе, з) благородные металлы (Ag, Au, Pt и
др.) и сплавы на их основе.
Эти материалы и будут преимущественно рассматриваться в данном курсе.
1.2. Сопоставительная характеристика цветных металлов
Как следует из данных таблицы 1.1, элементы в разной степени
распространены в природе. Если содержание таких металлов, как Al, Fe, Mg,
составляет несколько процентов, то содержание таких элементов, как W, Ag, Au,
Pt, не превышает десятитысячных и даже миллионных долей процента.
Таблица 1.1 - Распространенность ряда металлов в природе
Элемент Количест-
во, %
Элемент Количест-
во, %
Элемент Количест-во,
%
Алюминий 8,8 Медь 0,01 Вольфрам 0,0001
Железо 5,1 Никель 0,008 Сурьма 0,000004
Магний 2,1 Цинк 0,02 Серебро 0,000001
Титан 0,6 Свинец 0,0016 Палладий 0,000001
Хром 0,02 Ниобий 0,001 Золото 0,0000005
Цирконий 0,02 Молибден 0,0003 Платина 0,0000005
В таблице 1.2 приведены некоторые физические свойства наиболее широко
применяемых цветных металлов, определяющие многие направления их
использования. Так, минимальные значения электросопротивления имеют (в
порядке его возрастания) серебро, медь, золото и алюминий. Поэтому эти
металлы используются в электротехнике как материалы с высокой
электропроводимостью. Из сравнения плотности этих металлов следует, что в
сравнении с алюминием медь тяжелее его в 3,3 раза, серебро - в 3,9 раза, а золото
- в 7,1 раза. Поэтому алюминий, имея несколько более высокие значения
удельного электрического сопротивления в сравнении с этими металлами,
вследствие малой плотности часто применяется для изготовления проводников
большого сечения (например, провода для высоковольтных линий
электропередач). В то же время серебро и золото, обладающие высокой
коррозионной стойкостью, используются как материал для контактов и других
токоведущих элементов точных приборов и электронных устройств, работающих
в агрессивных средах.
При необходимости обеспечения минимального веса конструкций и
изделий их изготавливают из сплавов таких металлов, как магний, бериллий,
алюминий, титан, плотность которых соответственно в 4,5, 4,2, 2,9 и 1,8 раза
меньше, чем у железа. Тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден, ниобий-
используются для изготовления изделий, нагревающихся в процессе работы до
высоких температур, в частности, нагревательных элементов, нитей накаливания
осветительных приборов (вольфрам).
6
Таблица 1.2 - Физические свойства ряда чистых металлов
Элемент
Плот-
ность
при
20 С,
г/см
3
Температу-
ра
плавления,
С
Теплопро-
водность (0-
100С),
Вт/(м х К)
Средняя удельная
теплоемкость
(0-100С),
Дж/(кг х К)
Электросопр
отивление
при 20С,
МкОм х см
Железо
Магний
Алюминий
Бериллий
Титан
Медь
Серебро
Золото
Свинец
Олово
Ниобий
Молибден
Вольфрам
7,87
1,74
2,70
1,85
4,5
8,96
10,5
19,3
11,68
7,3
8,6
10,2
19,3
1539
649
660
1287
1667
1083
961
1063
327
232
2467
2615
3400
78,2
155,5
238
194
21,6
397
425
315,5
34,9
73,2
54,1
137
174
456
1038
917
2052
528
386
234
130
129,8
226
268
251
138
10,1
4,2
2,67
3,3
54
1,694
1,63
2,2
20,6
12,6
16
5,7
5,4
Металлы с низкой температурой плавления - олово, свинец, цинк - являются
основой легкоплавких сплавов, подшипниковых материалов, припоев.
Коррозионностойкие непассивирующиеся металлы (золото, серебро, платина)
используются для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах,
например, химической посуды (платина), декоративных и защитных покрытий и
т.д. Высокой коррозионной стойкостью обладают и такие элементы, как титан и
алюминий, но, в отличие от “благородных” металлов, они являются
пассивирующимися (самопассивирующимися) металлами, высокая коррозионная
стойкость которых обусловлена образованием на поверхности изделий стойкой
пленки окислов.
Свойства, характерные для чистых металлов, в значительной мере присущи
и сплавам на их основе. Безусловно, свойства сплавов изменяются в зависимости
от их состава и структуры. Так, например, сплавы на основе алюминия в
сравнении с чистым металлом характеризуются более высокой прочностью, но
более низкими показателями электропроводности и коррозионной стойкости.
Температура плавления сплава, в зависимости от его состава, может оказаться как
выше, так и ниже таковой у чистых компонентов.
Поэтому выбор материала для конкретного применения определяется
комплексом требований, учитывающих действующие нагрузки, условия
эксплуатации, требования по массе изделий, их удельной прочности и т.д. При
этом, безусловно, следует учитывать и стоимость материала,
конкурентоспособность изделий и другие факторы.
7
В таблицах 1.3 и 1.4. приведены данные об относительной стоимости
чистых металлов (табл. 1.3, за 1 принята стоимость алюминия технической
чистоты марки А8) и некоторых сплавов (табл.1.4., за 1 принята стоимость
силумина АЛ 2).
Таблица 1.3 - Относительная ориентировочная стоимость цветных
металлов промышленной чистоты
Металл Относительная
стоимость, ед.
Металл Относительная
стоимость, ед.
Бериллий
Алюминий
Медь
Свинец
Ниобий
Молибден
Тантал
311 - 324
1 - 1,8
1,5 - 1,9
1,2 - 2,2
50 - 87,8
27,7 - 40,8
723
Магний
Титан
Цинк
Олово
Ванадий
Вольфрам
Цирконий
1,5 - 1,6
1,2 - 4
1,1 - 1,2
25,5 - 29
58,1 - 294,6
30,3 - 31,1
36,5
Таблица 1.4 - Относительная стоимость некоторых сплавов
Основа сплава Тип или марка сплава Относительная
стоимость, ед.
Алюминий
Медь
Магний
Олово
Свинец
Железо
Деформируемые сплавы
Литейные сплавы
Латуни
Бронзы: оловянные/безоловянные
Обычные / с Zr и Nb
Баббиты: Б88/ Б83
Баббиты: БН / БК 2
Углеродистые качественные конструк-
ционные стали (прокат)
1,2 - 1,6
1 - 2,4
1,7 - 2,4
(2,5-7,1)/(1,8-2,5)
(2 - 2,45)/ 7,3
42,9 / 37,4
4,4 / 2,8
0,47 - 0,52
8
2. МЕДЬ И СПЛАВЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ
2.1. Свойства и применение меди
Медь - металл красновато-розового цвета, имеет кристаллическую решетку
ГЦК с периодом а=0,3608 нм. Полиморфизмом не обладает. Температура
плавления меди - 1083 °С - ниже, чем у железа, но медь имеет более высокую
плотность (8,96 г/см
3
).
Медь обладает хорошей технологичностью, прокатывается в тонкие листы,
ленту. Из нее получают тонкую проволоку, она легко полируется, хорошо паяется
и сваривается. Однако, она плохо обрабатывается резанием из-за высокой
вязкости, имеет низкие литейные свойства, большую усадку.
Медь характеризуется высокими электро- и теплопроводностью,
пластичностью и коррозионной стойкостью в атмосфере, воде и ряде других
агрессивных сред.
В зависимости от содержания примесей в соответствии со стандартами
различают следующие марки меди: М 00 (99,99% меди), М 0 (99,97% меди), М 1
(99,9% меди), М 2 (99,7% меди), М 3 (99,5% меди).
Примеси снижают электротехнические свойства и коррозионную стойкость
меди. Примеси в меди можно разделить на 3 группы:
1. Растворимые в меди элементы - Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag - повышают прочность и
твердость меди (рисунок 2.1) и используются в качестве легирующих добавок;
2. Нерастворимые элементы - Pb, Bi - ухудшают механические свойства меди и
однофазных сплавов на ее основе. Они образуют легкоплавкие эвтектики,
располагающиеся по границам зерен основной фазы, что вызывает
красноломкость. Отрицательное их влияние проявляется уже при малых
содержаниях (висмута - в тысячных, а свинца - в сотых долях процента). Висмут
охрупчивает медь и ее сплавы. Свинец, снижая прочность, не вызывает
охрупчивания. более того, свинец повышает антифрикционные свойства и
обрабатываемость резанием медных сплавов, поэтому применяется для
легирования двухфазных сплавов.
3. Нерастворимые примеси O, S, Se, Tl присутствуют в меди и ее сплавах в виде
промежуточных фаз (например, Cu
2
O, Cu
2
S), которые образуют с медью
эвтектики с высокой температурой плавления и не вызывают красноломкости.
Кислород при отжиге меди в среде водорода вызывает “водородную болезнь”,
которая может привести к разрушению металла под нагрузкой.
Механические свойства меди зависят от ее состояния (таблица 2.1). Высокая
пластичность отожженной меди определяется большим количеством плоскостей
скольжения. Холодная пластическая деформация увеличивает прочностные
характеристики, снижает пластичность и электрическую проводимость меди.
Текстура, возникающая при пластической деформации, вызывает анизотропию
механических свойств меди. Отжиг для снятия наклепа проводят при 550-600°С в
восстановительной атмосфере для предотвращения окисления меди.
9
Таблица 2.1 - Механические свойства технической меди М 1
Состояние меди
в
Н/мм
2
т
Н/мм
2
,
%
,
%
Твердость,
НВ
Литая
Деформированная (проволока,
продеформированная на 90 %)
Отожженная
160
450
220
35
400
75
25
3
50
-
35
75
40
125
55
Рисунок 2.1 - Влияние легирующих элементов на твердость меди
По электропроводимости медь занимает второе место после серебра
(таблица 1.2), что и определяет ее применение как проводника электрического
тока. Высокая теплопроводность меди позволяет использовать ее для различных
теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, поддонов, кристаллизаторов.
В качестве конструкционных материалов чаще используются сплавы на
основе меди.
10