Лекции - Цветные металлы и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

Никель улучшает технологические и механические свойства алюминиево -

железных бронз, в том числе и при повышенных температурах. Приводя к

резкому сужению области  - твердого раствора при понижении температуры,

никель способствует реализации дополнительного упрочнения алюминиевых

бронз, легированных железом и никелем, после закалки вследствие старения. Так,

бронза марки Бр АЖН 10-4-4 в отожженном состоянии имеет следующие

свойства: 

=650 Н/мм

,  = 35%, твердость НВ 140-160 ед. После закалки от

980°С и старения при 400°С, 2 часа, твердость увеличивается до НВ 400 ед. Из

Al - Fe - Ni - бронз изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа

при повышенных температурах (400-500°С): седла клапанов, направляющие

втулки выпускающих клапанов, части насосов и турбин, шестерни и т.д.

Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими

свойствами обладают алюминиево - железные бронзы, легированные вместо

никеля более дешевым марганцем, например, бронза Бр АЖМц 10-3-1,5.

2.4.3. Кремнистые бронзы

Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu - Si, включающий

область промышленных кремнистых бронз, приведен на рисунке 2.6.

Кремнистые бронзы содержат до 3-3,5% кремния. Двойные кремнистые

бронзы имеют однофазную структуру  - твердого раствора кремния в меди. При

увеличении содержания кремния выше 3,5 % в структуре сплавов появляется

твердая и хрупкая - фаза, что является нежелательным.

Рисунок 2.6 - Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu - Si

Однофазная структура обеспечивает кремнистым бронзам высокую

пластичность и хорошую обрабатываемость давлением. Они хорошо свариваются,

паяются, обрабатываются резанием, однако, их литейные свойства хуже, чем у

латуней и других бронз, поэтому для изготовления фасонных отливок они

применяются крайне редко. В основном выпускаются в виде ленты, полос,

прутков, проволоки, полученных деформацией в холодном и горячем состояниях.

Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими

и антифрикционными свойствами. Их используют вместо более дорогих

оловянных бронз для изготовления антифрикционных деталей (бронзы БрКН 1-3,

БрКМц 3-1), а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин,

мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде при

температурах до 250°С.

Легирование цинком способствует улучшению литейных свойств

кремнистых бронз. Марганец и никель повышают их прочность и твердость,

марганец повышает предел упругости бронз. Присутствие никеля, вследствие его

переменной растворимости в - фазе, позволяет упрочнять кремнисто - никелевые

бронзы путем закалки (от 800°С) и старения (при 500°С) до уровня предела

прочности не ниже 700 Н/мм

, но относительное удлинение при этом снижается

до 8 %. Свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость

резанием кремнистых бронз.

2.4.4. Бериллиевые бронзы

Бериллиевая бронза БрБ2 содержит 1,5-2,5% бериллия. Как следует из

диаграммы состояния (см.рис.2.7), растворимость бериллия в меди при комнатной

температуре не превышает 0,2 %, в то время, как его предельная растворимость

превышает 2%.

Рисунок 2.7 - Диаграмма состояния сплавов системы Cu - Be

Поэтому такой сплав является дисперсионно-твердеющим и в значительной

степени упрочняется закалкой (от 760-780°С) на пересыщенный твердый раствор

с последующим старением при 300-350°С. Выделение при старении дисперсных

частиц избыточной -фазы (соединение Cu-Be) приводит к резкому повышению

прочностных и упругих свойств бериллиевой бронзы. Так, непосредственно

после закалки бронза БрБ2 имеет предел прочности около 550 Н/мм

при

относительном удлинении около 25%, а после отпуска (старения) предел

прочности повышается примерно до 1250 Н/мм

, предел упругости около 600

Н/мм

, но относительное удлинение снижается до 3-5%.

Бериллиевые бронзы используют для изготовления упругих элементов

ответственного назначения: пружин, пружинящих деталей, мембран, деталей,

работающих на износ в агрессивных средах. Бериллиевые бронзы

характеризуются высоким пределом упругости и низким модулем упругости,

высокой коррозионной стойкостью, электропроводимостью, немагнитностью,

хорошей технологичностью и способностью упрочняться термической

обработкой.

Увеличение содержания бериллия до 2,5% повышает предел упругости, но

резко увеличивает стоимость сплава (бронза БрБ2,5). Легирование бронзы,

содержащей 1,85-2,1% бериллия, титаном (0,1-0,25%) и никелем (0,2-0,4%)

позволяет получить упругие свойства такой бронзы (бронза Бр БНТ 1,9), не

уступающие таковым у более дорогой бронзы БрБ2,5 ( около 800 Н/мм

Микролегирование бериллиевых бронз бором (0,01%) или магнием (0,1%)

способствует дальнейшему повышению предела упругости и снижению

неупругих эффектов.

Путем термомеханической обработки (закалка + холодная пластическая

деформация со степенями обжатия до 50% + старение) можно повысить предел

упругости бериллиевых бронз на 20-40%, например, у бронзы Бр БНТ1,9 - до 1000

Н/мм

Бериллиевую бронзу можно также применять как безыскровый инструмент.

При ударе бериллиевой бронзы о металл или камень не получаются искры, как у

стали. Поэтому такой инструмент применяют при взрывоопасных горных

работах.

2.4.5. Свинцовистая бронза

Эти бронзы используют преимущественно как подшипниковые сплавы.

Наиболее широко используется сплав, содержащий 30% свинца (бронза БрС30).

Эта бронза характеризуется низкими механическими свойствами (

= 60-80

Н/мм

,  = 3-6%), но высокими антифрикционными свойствами.

Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца.

Равномерное вкрапление свинца в медь обеспечивает высокие антифрикционные

свойства сплава. Однако, получить надлежащую структуру свинцовистой бронзы

трудно, так как большой интервал кристаллизации (953-327°С) при различии в

плотности меди и свинца благоприятствует усиленной ликвации по удельному

весу (плотности). Снизить степень ликвации можно ускоренным охлаждением

сплава в процессе кристаллизации. Кроме того, свинцовистую бронзу необходимо

перед разливкой тщательно перемешивать для предотвращения ликвации,

поскольку даже в жидком состоянии имеется ограниченная растворимость, что

приводит к расслоению в жидкой фазе (имеет место монотектическое

равновесие).

Свинец служит смазкой при работе подшипника. Для упрочнения медной

основы и улучшения ее сопротивляемости истиранию наряду со свинцом в сплав

вводят до 10% олова (например, бронза БрСО12-8). Олово растворяется в твердом

растворе на основе меди. В свинцовистую бронзу вводят также никель (примерно

2,5% по массе) для получения тонкоразветвленных дендритов  (Cu) - фазы, что

в значительной степени устраняет ликвацию по удельному весу.

2.5. Некоторые другие сплавы на основе меди

Декоративные сплавы - мельхиор, нейзильбер и др. - являются сплавами на

основе меди, содержащими никель и цинк ( 5-35% никеля, 13-45% цинка,

остальное - медь). Наиболее распространенное соотношение этих компонентов -

15 : 20 : 65. Эти сплавы имеют красивый внешний вид, хорошо сопротивляются

атмосферной коррозии, имеют очень высокую пластичность благодаря их

однофазной структуре. Их используют для изготовления посуды, декоративных

поделок, украшений и т.д.

Реостатные сплавы. Эти сплавы имеют высокое электрическое

сопротивление. Медные сплавы, легированные никелем и марганцем (см. табл.

2.4) используют для изготовления прецизионных элементов сопротивления,

рабочая температура которых не превышает 500°С. Это обмотки потенциометров,

шунты, катушки сопротивления, резисторы, термопары, тензометрические

датчики.

Таблица 2.4 - Состав и свойства реостатных сплавов

Массовая доля элементов,% Электрические свойства

Сплав Ni Mn Cu ,

мкОм*м

l/ C

T раб.,

С

МНЦ Мц 40-1,5

(константан)

МН Мц 3-12

(манганин)

39 - 41

2,5 - 3,5

1 -2

11,6-13,5

осталь-

ное

осталь-

ное

0,48

0,43

500

200

Константан (сплав МНМц 40-1,5) используется преимущественно для

изготовления термопар, поскольку имеет высокие значения термо- ЭДС в паре с

медью.

3. АЛЮМИНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

3.1. Свойства и применение алюминия

Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных

превращений и характеризуется наличием кристаллической решетки ГЦК с

периодом а=0,4041 нм.

Алюминий обладает малой плотностью (2,7 г/см

), низкой температурой

плавления (660С), высокой теплопроводностью и электропроводимостью (см.

табл. 1.2), высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Имеет низкие

прочностные свойства: 

= 50-80 Н/мм

, 

= 15-30 Н/мм

при высокой

пластичности:  = 35-45 %. Путем холодной пластической деформации можно

добиться упрочнения алюминия до получения значений 

около 150 Н/мм

и 

около 100 Н/мм

, но пластичность его резко снизится ( примерно 6-12 %).

Высокая коррозионная стойкость алюминия обусловлена быстрым

образованием на его поверхности прочной и стойкой к воздействию многих

коррозионно-активных сред пленки оксида алюминия.

Примеси ухудшают большинство свойств алюминия, но приводят к его

упрочнению. Постоянными примесями алюминия являются железо, кремний,

медь, цинк, титан. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий

подразделяют на 3 класса: 1) особой чистоты - А 999 (не более 0,001% примесей);

2) высокой чистоты - А 995, А 99, А 97, А 95 (0,005-0,05 % примесей); 3)

технической чистоты - А 85, А 8 и др. (0,15-1 % примесей). Технический

алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы,

профили, прутки и др.) маркируют как АДО и АД 1.

Ввиду низкой прочности технический алюминий как конструкционный

материал применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда

от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Так, из него

изготавливают рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки

нефти и нефтепродуктов, посуду и т.д. Благодаря высокой теплопроводности он

используется для различных теплообменников, в промышленных и бытовых

холодильниках. Высокая электропроводность алюминия способствует его

широкому применению как электротехнического материала для проводов,

кабелей, шин, конденсаторов и т.д. Благодаря высокой отражательной

способности он используется для изготовления прожекторов, рефлекторов.

экранов телевизоров.

3.2. Классификация и общая характеристика алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия как конструкционный материал используются

более широко, чем чистый алюминий. Алюминиевые сплавы характеризуются

высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и

динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Все сплавы алюминия

превосходят чистый алюминий по прочности (предел прочности ряда сплавов

достигает 500-700 Н/мм

) и удельной прочности, которая у некоторых сплавов

приближается к таковой для высокопрочных сталей. Большинство алюминиевых

сплавов имеет хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с

медью), высокие теплопроводность и электропроводимость. Они характеризуются

достаточно высокими технологическими свойствами: хорошо обрабатываются

давлением, свариваются точечной сваркой, в основном хорошо обрабатываются

резанием. Большинство из них превосходят по пластичности магниевые сплавы и

пластмассы.

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Cu,

Mg, Si, Mn, Zn, реже - Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с

алюминием ограниченные твердые растворы с переменной растворимостью и

промежуточные фазы - интерметаллиды. Это дает возможность упрочнять такие

сплавы термической обработкой - закалкой на пересыщенный твердый раствор с

последующим естественным или искусственным старением. Эффективность

такой обработки иллюстрируется рисунком 3.1 на примере системы Al - Cu ,

поскольку медь входит в состав почти всех алюминиевых сплавов.

t,°C

660

ж+ 548°С



+СuAl

Al 0.5 5.7 33  Cu

Рисунок 3.1 - Участок диаграммы состояния Al -

Cu (схема)

Предельная растворимость меди в алюминии составляет около 5,7% (по

массе) и снижается при охлаждении до 0,5% (при 20°С). Следовательно, в

зависимости от состава сплава, до 5,2% меди может выделиться из

пересыщенного твердого раствора в процессе старения в форме избыточной фазы

CuAl

(фазовое старение), что обеспечивает значительное упрочнение сплава.

Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру

рекристаллизации алюминия за счет образования тонкодисперсных частиц

интерметаллидных фаз, которые препятствуют миграции границ зерен и

способствуют упрочнению сплава (т.н. структурное упрочнение, или “пресс-

эффект”).

Наличие в составе сплавов таких примесей, как железо и кремний,

образующих нерастворимые в -твердом растворе фазы, приводит к снижению

их пластичности, вязкости разрушения, сопротивления развитию трещин.

Вредное влияние этих примесей может быть уменьшено снижением их

содержания с 0,5-0,7% (обычное содержание в соответствии со стандартами) до

0,1-0.3% (чистый сплав, например, Д 16ч), а иногда и до сотых долей процента

(сплав повышенной чистоты, например, Д 16 пч), а также легированием их

марганцем. Сплавы повышенной чистоты используют для изготовления наиболее

ответственных деталей, таких как силовые элементы конструкций пассажирских и

транспортных самолетов.

Алюминиевые сплавы классифицируют по следующим признакам:

1. По технологии изготовления их подразделяют на:

а) деформируемые, полуфабрикат либо изделия из которых получают методами

горячей или холодной пластической деформации;

б) литейные, изделия из которых получают методами литья;

в) спеченные, изделия из которых получают методами порошковой металлургии;

2. По способности упрочняться термической обработкой их подразделяют на:

а) упрочняемые термической обработкой;

б) не упрочняемые термической обработкой.

3.3. Деформируемые алюминиевые сплавы

3.3.1 Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые

термической обработкой

Изделия из этих сплавов подвергают упрочняющей термической обработке

- закалке на пересыщенный твердый раствор с последующим старением. Среди

таких сплавов выделяют их несколько групп:

1. Дуралюмины - сплавы системы Al - Cu - Mg, содержат 2,5-5% Cu, 0,5-2%

Mg , 0-1% Mn. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и

пластичности и, как видно из схемы на рис. 3.1, могут быть существенно

упрочнены термической обработкой за счет выделения из пересыщенного

твердого раствора при естественном старении дисперсных частиц избыточных

фаз - CuAl

( ) с твердостью HV около 530 ед., а в сплавах, дополнительно

легированных Mg -фазы S (CuMgAl

) с твердостью HV около 564 ед.

Механические свойства дуралюминов Д1, Д16, Д 18 приведены в таблице 3.1. Из

приведенных данных следует, что повышение содержания меди, приводя к

увеличению доли фазы , обеспечивает упрочнение дуралюминов. Упрочнению

сплавов способствует и увеличение количества фазы S при повышении

концентрации магния. После закалки (от 495-510С) и естественного старения в

течение 5-7 суток происходит образование зон Гинье - Престона, богатых медью

и магнием. Дуралюмины используют для изготовления деталей самолетов,

вертолетов, кузовов автомобилей, корпусов катеров, лодок и т.д. Для повышения

коррозионной стойкости дуралюминов листы из них подвергают плакированию

чистым алюминием.

Таблица 3.1 - Химический состав и механические свойства ряда

деформируемых алюминиевых сплавов

Мар-

ка

спла-

ва

Содержание элементов, % мас. Вид

полуфаб-

риката

Механические свойства

Cu Mg Mn прочие 

Н/мм



Н/мм

,

Твер-

дость,

НВ

Упрочняемые термической обработкой (после закалки и старения):

Д1

Д16

Д18

В95

АК6

АК8

3,8-4,8

3,8-4,9

2,2-3,0

1,4-2,0

1,8-2,6

3,9-4,8

0,4-0,8

1,2-1,8

0,2-0,5

1,8-2,8

0,4-0,8

0,3-0,9

1,0-0,6

0,4-0,8

0,4-1,0

5-7Zn

до 0,25 Cr

0,7-1,2 Si

0,6-1,2 Si

Листы

Пр.прут.

Листы

Пр.прут.

Проволока

Листы

Пр.прут.

Поковки

400

480

440

530

300

540

600

400

480

240

320

330

400

170

470

560

299

380

105

150

100

135

Неупрочняемые термической обработкой (в отожженном состоянии):

АМц - - 1,0-1,6 - Листы 130 50 20 30

АМг2

АМг6

1,8-2,6

5,8-6,8

0,2-0,6

0,5-0,8

до 0,1 Ti,

0,005 Be

Листы

190

340

100

170

Примечание: Пр. прут. - прессованные прутки.

2. Сплавы “авиаль” (АВ) - это сплавы системы Al - Si - Mg; они содержат

0,5-1,5% Si, 0,5-0,9% Mg, а также дополнительно 0,1-0,5% Cu, 0,2-0,4% Mn. Эти

сплавы обладают меньшей в сравнении с дуралюминами прочностью (примерно в

2 раза), но лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, более

высокой коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются резанием

и свариваются. Их подвергают закалке от 515-525°С с охлаждением в воде с

последующим естественным или искусственным (160°С, 12 ч.) старением.

Используют для изготовления листов, труб, лопастей винтов вертолетов и других

изделий.

3. Высокопрочные сплавы (В 95, В 96) являются сплавами системы Al - Zn -

Cu - Mg и содержат 5-8,5% Zn, 1,4-3% Cu, 2-3% Mg, а также 0,2-0,6% Mn и иногда

- небольшие количества хрома. Как следует из данных табл.3.1, высокопрочные

сплавы в термически обработанном состоянии (закалка от 460-470 С и

искусственное старение при 140°С, 16 ч.) характеризуются высокими

прочностными характеристиками, но более низкой пластичностью, чем

дуралюмины, уступая им и по коррозионной стойкости под напряжением. Цинк,

магний и медь образуют фазы, обла-дающие переменной растворимостью в

алюминии: M (MgZn

), S (CuMgAl

), T (Mg

). При нагреве под закалку

эти фазы растворяются в твердом растворе. При последующем старении

закаленного сплава происходит распад пересыщенного твердого раствора с

образованием тонкодисперсных частиц метастабильных M`, T` и S` - фаз,

вызывающих максимальное упрочнение сплавов. При повышении в таких сплавах

концентрации цинка, магния и меди (например, сплав В 96 в сравнении со

сплавом В 95) обеспечивается повышение прочностных характеристик (

- до

700 Н/мм

, 

- до 650 Н/мм

) при снижении их пластичности ( - около 7%).

Высокопрочные сплавы применяют для изготовления высоконагруженных

конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка,

шпангоуты, лонжероны самолетов).

4. Сплавы для ковки и штамповки (или ковочные сплавы) маркируют

буквами АК (АК 6, АК 8). Они являются сплавами системы Al - Cu - Si - Mg и

содержат 2-5% Cu, 0,6-1,2% Si, 0,4-1% Mg, а также 0,4-1% Mn. Они обладают

хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей

пластической деформации. По химическому составу они близки к дуралюминам,

отличаясь от них повышенным содержанием кремния, что обеспечивает

присутствие избыточных кремнийсодержащих фаз, в частности, силицида магния

 (Mg

Si). Эти сплавы используют для изготовления деталей сложной формы.

Ковку и штамповку ведут при темпера-туре 450-475 С. Изделия подвергают

закалке от 500-520°С и искусственному старению (150-165°С, 6-15 ч.). Сплавы с

пониженным содержанием меди (АК 6) отличаются лучшей технологической

пластичностью, но меньшей прочностью (табл. 3.1). Их используют для

средненагруженных деталей: больших и малых крыльчаток, фитингов, качалок,

крепежных деталей. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК 8) хуже

обрабатываются давлением, но более прочны и используются для изготовления

высоконагруженных деталей несложной формы: подмоторных рам, поясов

лонжеронов, лопастей винтов вертолетов и др.

5. Жаропрочные сплавы системы Al - Cu - Ni (Fe) - Mg - Mn содержат до

7% Cu, до 2% Mg, до 1% Mn и дополнительно - Fe (до 1,5%), Ni (до 1,5%) и Ti

(до 0,2 %). Их используют для изготовления деталей, работающих при

температурах до 300°С (поршни, головки цилиндров, детали компрессоров). Их

подвергают упрочняющей термической обработке - закалке от 530°С с

охлаждением в воде и искусственному старению при 200°С.

3.3.2. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые

термической обработкой

К ним относятся сплавы системы Al - Mn ( А Мц - 1 - 1,6 % марганца) и

Al - Mg (2 - 6 % магния): А Мг2, А Мг3,..., А Мг6. Упрочнение таких сплавов

достигается за счет легирования. Сплавы отличаются высокой пластичностью,

высокой коррозионной стойкостью, но имеют заметно более низкие в сравнении,

например, с дуралюминами, прочностные характеристики (см. табл. 3.1).

Сплавы А Мц имеют структуру, состоящую из кристаллов  - твердого

раствора и вторичных выделений избыточной фазы MnAl

(рис. 3.2, а). Сплавы

применяются в отожженном состоянии. Пластическая деформация упрочняет

сплав почти в два раза.

Рисунок 3.2 - Участки диаграмм состояния сплавов системы Al-Mn (a),

Al - Mg (б), Al - Si (в)

Деформируемые сплавы системы алюминий - магний, как следует из рис.

3.2, б, при содержании до 7% магния могут дать незначительное упрочнение при

t°C

600  ж+

1.95

400

+MnAl

200

Al 1 2 Mn,%

 +ж

17.4

+Mg

()

Al 1.4 Mg,%

+ж

578°C



+(Si)

Al 1.65 11.6 Si,%