Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Структура сплава ц + эвт (т] + р) + эвт (ц + р + е

Микроструктура сплава, содержащего 4% А1, 1 % Си, осталь

ное Zn, приведена на рис. 130 атласа

Необходимо отметить, что в зависимости от скорости охла

ждения первичные зерна rj-фазы .могут иметь разную трави

мость. При литье сплавов в подогретую изложницу эти зерна

могут окрашиваться в темный цвет. , Это связано с тем, что

‘зерна твёрдого раствора распадаются (вследствие изменения

растворимости меди и алюминия в цинке) и продукты распада

травятся сильнее, чем сами кристаллы ц-фазы. При литье в хо

лодный и несильно подогретый кокиль этот распад практически

не идет и зерна г]-фазы не подвергаются воздействию травителей

и имеют светлую окраску Кроме этого, с увеличением скорости

охлаждения происходит измельчение выделений г]-фазы, а также

образующихся в сплавах эвтектик.

В сплаве с повышенным содержанием меди (например, сплав

Ь) в отличие от предыдущего сплава первично кристаллизуется

е-фаза, а затем двойная ц + е) и тройная (а + 8 + Р) эв

тектики.

Микроструктура сплава показана на рис. 131 атласа.

Тройные сплавы цинк— алюминий медь, так же как двой

ные сплавы цинк алюминий, подвержены естественному ста

рению. Эффект старения и в связи с этим изменение в свойствах

сплавов зависят от их состава. В некоторых цинковых сплавах

изменения протекают в течение длительного времени (несколько

лет) и их практически можно не учитывать.

В других сплавах, наоборот, изменения проходят так быстро

и значительно, что отливки подвергаются короблению и даже

самопроизвольному разрушению. Старение тройных цинковых

сплавов, так же как двойных сплавов Al — Zn, связано со

структурными изменениями, происходящими в твердом растворе.

Они сводятся, во-первых, к распаду p-фазы и, во-вторых, к рас

паду твердого раствора с выделением кристаллов ей р.

Степень и скорость расдада-аависят„от температуры и со

става сплавов. Особенно быстро эти процессы проходят в спла

вах, богатых алюминием...

Огромное влияние на процессы старения оказывают примеси.

Чем чище сплав от примесей, тем выше его свойства при старе

нии и тем меньше изменяются размеры отливок со временем

Наиболее вредными примесями являются свинец, олово и

кадмий.

Допускаются следующие предельные содержания отдельных

примесей (в %) в сплавах цинка с алюминием и медью

Железа

Свинца

Кадмия

Олова

Прочих примесей

0 1

0 01

0 005

0,005

0,02

251

Как уже указывалось, положительное действие на цинковые

сплавы оказывает магний. Для сплава 4% А1, 3% Си, остальное

Zn установлено [110], что магний увеличивает прочность и спо-

собствует замедлению старения в этом сплаве.

Наилучшая прочность сплава получается при содержаний

0,05% Mg Этого количества магния достаточно для того, чтобы

задержать процесс распада p-фазы. Наоборот увеличение содер

жания магния выше 0,2 % ведет к повышению скорости распада.

Поэтому в сплавы Zn Al Си специально вводят небольшие

добавки магния (до

0,1 %

Для литья под давлением чаще применяют сплав с 4% А1г

3% Си, 0,1% Mg, остальное Zn. Он имеет наиболее высокие

механические свойства вь = 32 -г- 38 кГ мм2, 6 = 2 -т- 2,5%,

НВ =120 кГ мм2) и лучшие литейные качества по сравнению с

другими цинковыми сплавами. Он также превосходит все другие

сплавы по постоянству свойств.

Тройные цинковые сплавы для литья под давлением приме

няют в автомобильной и тракторной промышленности, в маши

ностроении и аппаратостроении.

Для предохранения от коррозионного разрушения к которо

му сильно склонны цинковые сплавы отливки подвергают нике

лированию, хромированию и покрывают лаками и красками.

2. Деформируемые сплавы

Состав и свойства некоторых деформируемых цинковых

сплавов даны в табл. 66.

Микроструктура большинства этих сплавов была описана

выше, за исключением сплавов, богатых алюминием

В этих сплавах например ЦАМ10-5 первичными выделе

ниями, согласно диаграмме (рис. 132, точка с , являются кри

сталлы p-фазы, продуктами вторичной и третичной кристаллиза

ции соответственно двойная (р + е и тройная (р + ц + е)

эвтектики.

Микроструктура сплава показана на рис. 132 атласа.

Цинковые сплавы, содержащие до 15% А1 и до 4% Zn, обра

батываются в горячем состоянии прокаткой и прессованием при

температуре 200—300° С. Эти сплавы после обработки давле

нием обладают хорошими механическими свойствами, близкими

к свойствам латуни.

3. Антифрикционные сплавы

Цинковые антифрикционные сплавы известны уже давно.

Последние исследования в этой области [111] показали, что

наиболее ценными по своим свойствам являются сплавы цинка

с медью и с алюминием Состав и свойства рекомендуемых для

промышленного использования сплавов указаны в табл. 67

252

Таблица 66

Состав и физико-механическче свойства деформируемых цинковых сплавов

Основные компоненты

си

ни

Си _

О CS

“ CL

d «м

Л о»

ё ! »

Марка сплава

А1 Си

Верхняя к

ская точка

Плотность,

° *

8.»

С S

§ 2

S О

Коэффицие

нейного ра<

ния а 1 0~

1 'град

•О

</z

сГ

Применение

ЦАМО 2—4

0 2

Основа

470

7 25

0 2 2-0 25

30 33

25 -30

60 70

1 5

85 Для прессования,

прокатки и для изде

лий, получаемых глу

бокой вытяжкой

ЦАМ 2-5

450

7 05

40 9 -11

100 Для прессования

ЦАМ4-1

4 1

0,03

390

6 68

0 22—0 24 27 4 38 8 -1 0

52 2 0

Для прессования

(заменитель латуни)

ЦЛМ10—2

0 03

419

6 21 0 2 3-0 24 2 7 -30 40

15-20

45-60 2 0

100

Для прессования

Ц AM 10-5

10 5

0 03

395

6 3 0 24 27

12—18

1 0

100

Для прессования

и литья

ЦА15

0 05 » 443

5 75

5 - 8

2 2

110

Для прессования

ЦМ1

1 »

422

7 18

1 0 25

34 8

50 Для прессования

(заменитель латуни)

Таблица 67

Состав и физико-механические свойства подшипниковых сплавов

на цинковой основе

Марка сплава

Основные компоненты %

Типичные свойства сплавов

среднего состава

А1

Си Mg

плотность,

г с.и3

верхняя

критическая

точка, °С

ЦАМ10—5

ЦАМ 5-10

Б83

0 5 -1

0 5— 1

0 03

Основа

6 3

7 1

6 2

6 7

393

500

420

390

380

Марка сплава

Типичные свойства сплавов среднего состава

О)

о.

й)

коэффициент

линейного

расширения

а-10—6,

1 /град

теплопровод

ность,

кал/см- сек-

• град

кГ/мм2

*Н

кГ-м мм2

НВ

кГ/мм2

ЦАМ10—5

ЦАМ5-10

Б63

26-3 0

27—30

20 7—21 7

0 24

0 22—0 25

0 2 3-0 24

0 2 2 -0 24

0 5 -1 5

1 1 5

0 7 -1 5

0,6 -1 2

1 0

1 2

0 6

100

110

100

0 009

0 005

В этой же таблице для сравнения приведены свойства одного из

лучших подшипниковых сплавов на оловянной основе Б83)

Микроструктура некоторых сплавов показана на рис. 132 и

133 атласа.

Сплавы цинка с 10% А1 и 5% Си хорошо переносят обработ

ку давлением.

При изготовлении подшипников из цинковых сплавов необхо

димо учитывать несколько больший коэффициент их линейного

расширения по сравнению с бронзами и баббитами.

Обычно для цинковых сплавов зазор между подшипниками и

валом делается в пределах 0,12—0,15% от диаметра вала.

4. Припои

Цинковые припои в основном используют для пайки алюми

ния, магния и их сплавов.

Для пайки магниевых сплавов хорошо оправдал себя припой,

представляющий сплав цинка с 40% кадмия. Этот сплав имеет

254

температуру плавления 266° С, предел прочности 10 кГ мм2 и

относительное удлинение 5%

Припой является заэвтектическим сплавом системы (см. ди

аграмму состояния на рис. 133), структура которого состоит из

первичных кристаллов |3-твердого раствора кадмия в цинке и эв

тектики (а + р) где а твердый раствор цинка в кадмии.

Zn, % ( am о мн.)

Cd Zn, % (по массе) Zn

Рис. 133. Диаграмма состояния Zn Cd

Т а бл и ц а 68

Типографские цинковые сплавы

Мзрка

Основные компоненты,

Примеси, %

не более

Применение

сп лава

А1

Си

РЬ Fe

всего

примесей

ЦШ1

3 ,5 -4 5

со

0 0 2-0 06

Основа

0 01

0 03

0 06 Для отливки

шрифтов ручного

набора

Сплав

No 3

2 ,2 -3 ,0 1 2-1

0 01

0 03

0 1 Для отливки

шрифтов машинно

го набора

Сплав

No 5

6 ,5 - 7 5

3 ,5 - 4 5

0 01

0 03

0 1

То же

Сплав

N2 6

0 01 0 03

0 1

Для линотипа и

монотипа

Сплав

No 7

0 01

0 03 0 1

То же

255

5. Типографские сплавы

За последние годы цинковые сплавы применяют в полиграфи

ческой промышленности. Сплавы на основе цинка используют

для отливки шрифтов ручного и машинного набора, для линоти

пов, монотипов и других целей.

Состав типографских цинковых сплавов приведен в табл. 68.

ГЛАВА

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

§ 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТИТАНА

Титан по совокупности физико-химических свойств

является одним из важнейших современных конструкционных

материалов. Он почти в два раза легче, чем углеродистая и леги

рованные стали, а также многие цветные сплавы, по коррозион

ной стойкости в морской воде и ряде агрессивных сред превосхо

дит нержавеющие стали. Он не магнитен, имеет высокую проч

ность и пластичность и характеризуется рядом других ценных

свойств.

По распространенности в природе титан занимает среди

металлов седьмое место после Al, Fe, Са, Na, К и Mg и его в

земной коре в 10 раз больше, чем Мп, Сг Си, Zn, V Ni, Со, Мо,

W и Nb вместе взятых [111]. Этот открывает большие возможности

широкого применения титана в промышленности.

Ниже даны основные физические свойства титана.

Атомный вес

Кристаллическая решетка:

p-Ti (при t > 882° С)

a-Ti (при t < 882° С)

Плотность, г/см5-

a-Ti (при 20° С)

P-Ti (при 900° С)

Температура плавления, °С

Температура кипения, °С

Скрытая теплота.

плавления, ккал/моль

испарения, ккал/моль

полиморфного превращения, кал/моль

Удельная теплоемкость, кал/г-град, при тем

пературах, °С:

100

300

500

700

47 90

К. о. ц. с периодом

а = 3 283 ± 0 003А

Г п. у с периодами

а = 2 9503 ± 0,0004А,

с = 4 8631 ± 0,0004А,

с/а=1 5873

4 505

4,32

1665±5

3227

5 0

112,5

678

0 130

0,136

0,141

0 145

17 Заказ 1024

257

800

0 148

900

166

1100

0 164

1200

0 164

Теплопроводность, кал/см сек град,

при температурах, °С:

100

0364

200

0355

300

0346

400

0336

500 0

0329

600

0319

700

0305

Коэффициент линейного расширения a 106

1/°С, при температуре, °С:

100

200

300

9 2

400 .

9 5

500

9 75

600

9 9

700

800

Электрическое сопротивление при 20° С,

ом мм2/м:

йодидныи титан

технический титан

Магнитная восприимчивость, э.м.е. (3 2+0,4)-10—6

Модуль упругости £, кГ/мм2 11210

Модуль сдвига G кГ/мм2 4110

Коэффициент Пуассона . 0 32

Поперечное сечение захвата тепловых ней

тронов, барн/атом . 5 8

Титан имеет две аллотропические формы: a-Ti и p-Ti. Пере

ход из одной модификации в другую происходит при температуре

882° С. До 882° С титан существует в форме a-модификации и

имеет гексагональную решетку, выше этой температуры в виде

p-модификации, имеющей решетку объемноцентрированного

куба

На температуру перехода a -фазы в p-фазу оказывают влия

ние различные примеси и специально вводимые легирующие

компоненты.

Большинство элементов понижают температуру полиморфно

го превращения, расширяя область p-фазы и делая ее устойчи

вой даже при комнатной температуре (рис. 134, область а

Такие элементы, стабилизирующие p-фазу, называются р-стаби-

лизаторами. К ним относятся переходные металлы ниобий, тан

тал, молибден, железо, хром, марганец, ванадий и др.

Существует ряд элементов, которые, наоборот, повышают

температуру перехода a -фазы в p-фазу, расширяя область суще

ствования a-модификации титана (a-стабилизаторы) (рис. 134,

область б)

258

К числу стабилизаторов a-фазы относятся элементы: алюми

ний, бор, кислород, азот и углерод.

Однако известно несколько элементов (Th, Sn, Hf, Zr), кото

рые мало влияют на температуру полиморфного превращения и

практически ее не изменяют (рис. 134, область в) Такие эле

менты, по классификации С. Г Глазу

нова [112], называют нейтральными

элементами.

Физико-химические, механические и

технологические свойства титана зави

сят от степени его чистоты. Он особен

но чувствителен к загрязнению приме

сями внедрения водородом, кислоро

дом, азотом и углеродом. Характер

взаимодействия титана с этими приме

сями показан на диаграммах состоя

ния (см. приложение VII)

Кислород, азот, водород и углерод

значительно растворяются в твердом

титане, образуя с ним твердые раство

ры внедре'нйя. Кроме этого, они обра

зуют с титаном твердые и хрупкие хи

мические соединения (оксиды, карби

ды, нитриды, гидриды и др.), которые

значительно повышают его твердость

и прочность, резко снижают ударную

вязкость и способность к пластической

деформации.

Так, например, титан высокой чи

стоты, полученный диссоциацией йо-

дидных соединений (с содержанием до

0,0 1% С и 0,005% N2), имеет

аь = 25 -г- 30 кГ/мм2, НВ = 80 -г*

~~ 90 кГ мм2, 6 = 50 -*■ 40%, = 80 ~

+ 70%, ан = 30 25 кГ м/см2

Титан технической чистоты, полу

ченный магниетермическим восстановлением с содержанием до

0,03% С, 0,04% N2, 0,13% О2, 0,02% Н2, характеризуется следую

щими свойствами, оь = 40 60 кГ мм2, НВ = 100 140 кГ мм2,

б = 40 -т- 25%, ф = 70 -f- 50%, ая = 30 10 кГ м!см2

Влияние примесей внедрения в более широком интервале

концентраций показано на рис. 135—138.

С повышением содержания примесей ухудшаются также кор

розионная стойкость титана и его некоторые электрические

свойства.

В настоящее время в промышленности выпускают ряд марок

титана различной степени чистоты (табл. 69)

Содержание легирующей

додав ни % атонн.)

Рис. 134. Схема смеще

ния линий фазового пере

хода для различных леги

рующих добавок:

а для элементов, пони

жающих температуру пере

хода (^-стабилизаторов);

б — для элементов, повы

шающих температуру пере

хода (а-стабилизаторов);

в — для элементов, не из

меняющих температуру пе

рехода (нейтральные до

бавки)

17* 259

Полученный титан в виде губки прессуют в электроды и пере

плавляют в электродуговых вакуумных печах.

О г, % (атомн.)

О 0,250,50(1751,001,251,501,752,00

О 0J 0,2 0,3 О,Ь 0,5 0,6 0,7

Ор/о (по массе)

Рис. 135. Влияние кислорода

на механические свойства

титана

Рис. 136. Влияние азота на меха

нические свойства титана

0,0004 0,0032 0,0064 0,0096 0,0128

Содержание водорода % (по массе)

Рис. 137 Влияние водорода на

ударную вязкость титана

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,в 0,7 0,8 0,9

Содержание С,°%(по массе)

Рис. 138. Влияние углерода на ме

ханические свойства титана

Применение вакуумной плавки позволяет несколько повысить

чистоту металла от примесей внедрения и некоторых металли

ческих примесей (Fe, Si и др.) Слитки, титана, выплавленные в

электродуговых вакуумных печах, имеют крупнозернистую зо

нальную структуру

260