Мутылина И.Н. Судостроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

достроении. В ней практически отсутствуют неметаллические включения, имеется большая

однородность химического состава, мелкое зерно (вследствие раскисления алюминием) су6

щественно повышает сопротивляемость стали хрупкому разрушению (ударная вязкость ста6

ли мелкозернистой в 2-3 раза выше, чем крупнозернистой, особенно при понижении темпе6

ратуры).

Полуспокойная сталь менее раскислена кремнием, в отличие от спокойной стали имеет

меньшую ударную вязкость при низких температурах, по остальным качествам не уступает

спокойной стали. Ее широко применяют в качестве судостроительной стали категорий А, В,

D (до толщины 25 мм), а также категорий А32 и А36 (до толщины 25 мм).

Кипящая сталь содержит большое количество кислорода в виде соединений с железом,

марганцем и другими элементами. Кипящая сталь обладает большой пластичностью и

способностью к глубокой вытяжке вследствие почти полного отсутствия кремния и низкого

содержания марганца. К недостаткам ее относятся: большая неоднородность химического

состава, крупнозернистость, возможность расслоения из-за наличия незаварившихся газовых

пузырей, большая склонность к старению, хладноломкости (резкий переход из вязкого состо6

яния в хрупкое при понижении температуры). Поэтому применение кипящей стали в су6

достроении ограничивается категорией А (толщиной до 12,5 мм) по согласованию с Реги6

стром Российской Федерации.

Термическая обработка стали в состоянии поставки оказывает существенное влияние

на механические свойства, особенно ударную вязкость, а также на свариваемость и другие

важные параметры. Требуемая Правилами Регистра Российской Федерации и ГОСТ 5521-86

термическая обработка для различных категорий (марок) стали указана в табл. 4.

Если сталь поставляется термически обработанной, то состояние поставки должно быть

указано в сертификате. Вид термической обработки устанавливает изготовитель проката.

Вместо нормализации допускается закалка с отпуском, а также процесс контролируемой

прокатки. Замена нормализации процессом прокатки с контролируемой температурой долж6

на быть согласована с Регистром, если прокат изготовляется под его надзором. Для стали ка6

тегории Е всех уровней прочности такая замена не допускается.

Таблица 4

Способ раскисления и состояние проката судостроительной стали

Категория

(марка стали)

Сталь после раскисления Вид термической

обработки

А, В Спокойная или полуспокойная Не требуется

D Спокойная или полуспокойная Нормализация

E Спокойная, мелкозернистая,

обработанная алюминием

Нормализация

A32, D32, A36, D36, E32, E36, A40 Спокойная, мелкозернистая,

обработанная алюминием

Нормализация

D40, E40 Спокойная, мелкозернистая,

обработанная алюминием

Закалка с отпуском

Химический состав судостроительной стали определяется заводом-изготовителем по

анализу ковшевой пробы (т.е. от каждого ковша каждой плавки) и приводится в заводском

документе о качестве. В маркировку стального проката обязательно входит номер плавки.

Массовая доля углерода (верхний предел) определяет показатели свариваемости и сте6

пень вероятности возникновения горячих трещин в зоне термического влияния сварных

швов.

Правила Регистра, нормы МАКО и других классификационных органов ограничивают

верхний предел массовой доли углерода: сумма массовой доли углерода и 1/6 массовой доли

марганца в углеродистой стали нормальной прочности должна быть не более 0,4 %. В стали

категории А допускается наиболее высокая массовая доля углерода – 0,23 % (при толщине

листов до 12,5 мм включительно и всех профилей категории А может быть допущена макси6

мальная массовая доля углерода 0,26 %). Нижний ее предел в корпусной стали не регламен6

тируется (например, в толстолистовой стали массовая доля углерода 0,07 %). Для судострои6

тельной стали повышенной прочности верхний предел ограничивается – не более 0,18 %.

Эквивалент углерода, определяемый по данным ковшового анализа, дает представление

об уровне свариваемости металла (стали повышенной прочности, стального литья, легиро6

ванных марок сталей), %: C

экв

=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15.

В случае если C

экв

>0,45 %, требуется подогрев перед сваркой и применение электродов с

низким содержанием водорода. Если 0,41<C

экв

< 0,45, то предварительный подогрев не требу6

ется, но применение электродов с низким содержанием водорода обязательно. В случае

экв

<0,41 предварительный подогрев не требуется, и для сварки стали повышенной прочно6

сти можно применять любые электроды одобренного типа.

С повышением массовой доли марганца увеличивается временное сопротивление, воз6

растают предел текучести (в меньшей степени) и ударная вязкость и сдвигается порог хруп6

кости в сторону низких температур. Содержание Mn в стали нормальной прочности состав6

ляет 0,6-1,4 %, в стали повышенной прочности 0,9-1,6 %.

Массовая доля серы и фосфора в стали нормальной и повышенной прочности не более

0,04 % (каждого компонента).

В стали для низких температур (до минус 50°С), предназначенной для конструкций ле6

доколов, предельные значения массовой доли серы должны быть не более 0,025 %, фосфора

– не более 0,03 %.

Для сталей с гарантированными свойствами по толщине (Z-сталь) массовая доля серы не

более 0,01 %, фосфора – не более 0,03 %. Повышенное содержание серы вредно сказывается

на свариваемости стали, способствуя образованию горячих трещин (горячеломкости). По6

вышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости стали.

Если расчетная температура конструкции ниже минус 30°С при толщине элемента более

10 мм Правила Регистра предусматривают повышенные требования к химическому составу,

термической обработке, механическим свойствам стали (например испытанию на ударный

изгиб при минус 60°С).

Правила Регистра предусматривают три категории судостроительной стали для

конструкций, работающих при температуре минус 50°С (категории F32, F36, F40). Одним из

характерных требований к механическим свойствам таких сталей является работа удара

(KV=45 Дж при минус 60°С).

Применение стали категории А не допускается для конструкций с высоким уровнем кон6

центрации напряжений, подверженных динамическим нагрузкам. Для ледоколов применяют

сталь категории Е для обшивки и набора в районе ледового пояса по всей длине судна.

Для судостроительных сталей необходимо наличие эффективной защиты от коррозии.

Под эффективной защитой от коррозии понимается использование следующих методов:

для подводной части корпуса – комплексная защита с применением лакокрасочных по6

крытий и электрохимической защиты; контроль эффективности последней осуществляется с

помощью стационарного потенциала, равного 0,85-0,9 В по хлорсеребряному электроду

сравнения;

для пояса переменных ватерлиний – любые апробированные в эксплуатации лакокрасоч6

ные покрытия со сроком сохранности до 80-85 % после 2 лет службы;

для балластных и грузобалластных танков – комплексные способы защиты от коррозии

или лакокрасочные покрытия со сроком службы не менее 8 лет.

При замене конкретной марки стали повышенной прочности другой маркой исходят из

равнопрочности, что в первую очередь определяется пределами текучести и работой удара

при расчетной температуре.

Специальная сталь для конструкций плавучих буровых установок (ПБУ).

Наряду с судостроительной сталью, удовлетворяющей требованиям Правил Регистра,

для изготовления специальных элементов основных несущих конструкций ПБУ, а также дру6

гих элементов, подвергающихся значительным нагрузкам в направлении толщины проката,

применяют зет-сталь (Z-сталь) – специальную сталь с гарантированным уровнем пла6

стичности в направлении толщины проката, способную воспринимать значительные напря6

жения, перпендикулярные поверхности проката.

Зет-сталь подразделяют на сталь нормальной прочности с пределом текучести, равным

235 МПа, и сталь повышенной прочности с пределом текучести, равным или более 315 МПа

(до 390 МПа).

Одним из наиболее важных показателей механических свойств является работа удара на

поперечных образцах с V-образным надрезом (KV

) при низких температурах. Например,

для ПБУ с минимальной рабочей температурой–40°С Z-сталь повышенной прочности с пре6

делом текучести 355 МПа должна иметь работу удара при температуре минус 60°С не менее

24 Дж (поперечный образец). В качестве показателя пластичности стали действует требова6

ние к относительному сужению не менее 30 % (образец имеет продольную ось, перпендику6

лярную поверхности проката).

Химический состав Z-стали: массовая доля элементов не должна превышать (%): 0,18 C,

1,6 Mn, 0,5 Si, 0,03 P, 0,01 S. Обязательно определение эквивалента углерода, значение кото6

рого указывается в сертификате на сталь.

Зет-сталь должна быть полностью раскислена и обработана измельчающими зерно эле6

ментами. Первичное (аустенитное) зерно следует определять для каждой плавки (ковша), его

величина не должна превышать 7 баллов. В качестве Z-стали может применяться корпусная

сталь, если ее показатели отвечают требованиям Правил Регистра для ПБУ. В маркировке

указывается обозначение Z-стали (например, PCE32Z, где Е32 – категория стали, Z – услов6

ное обозначение стали с гарантированными свойствами по толщине).

Вопросы для самоконтроля

1. Какие стали используют для изготовления корпусных конструкций?

2. Какой принцип маркировки используется для обозначения судостроительных сталей?

3. Какое содержание примесей является допустимым в судостроительных сталях?

4. Как осуществляется эффективная защита судостроительных сталей от коррозии?

5. Какие стали используют для конструкций плавучих буровых установок?

6. Какое влияние оказывает термическая обработка на свойства судостроительных ста6

лей?

Глава 9. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ НА ИХ ОСНОВЕ

9.1. Алюминий и сплавы на основе алюминия

Алюминий – это светлый серебристый металл, имеющий гцк решетку (период 0,404 нм)

и не испытывающий аллотропического превращения вплоть до температуры плавления (660°

С).

Чистый Al имеет весьма незначительную прочность (σ

≈ 45-70 МПа), однако сплавы на

его основе вполне конкурентоспособны – деформируемые сплавы при 20°С имеют значение

≈ 700 МПа, литейные σ

≈ 550 МПа.

Рабочие температуры – примерно до 300°С, однако порошковые и композиционные

сплавы на основе Al работают до 400-450°С, поэтому номенклатура изделий очень велика и

разнообразна.

Алюминий и его сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую технологическую

пластичность, хорошую свариваемость и неплохую паяемость. В судостроении распростра6

нена сварка деформируемых сплавов на основе алюминия, за исключением Д16, в среде

инертных газов. В ряде случаев допускается применение контактной или электронно-луче6

вой сварки.

К недостаткам алюминиевых сплавов относится повышенная по сравнению со сталью

способность деформироваться при сварке. Основная причина деформаций – высокий коэф6

фициент линейного расширения алюминия (примерно в два раза больший, чем стали). Прак6

тическим неудобством является то, что при нагреве алюминиевые сплавы не меняют цвета

(нет цветов побежалости), вследствие чего легко допустить прожоги во время сварки и при

правке конструкций местными нагревами газовой горелкой.

Алюминий и его сплавы имеют высокую коррозионную стойкость, так как на поверхно6

сти образуется окисная пленка Al

толщиной 100 нм, являющаяся хорошей защитной

пленкой. Сплавы на основе Al в морской и пресной воде по коррозионной стойкости превос6

ходят стали, за исключением коррозионно-стойких.

Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение, яв6

ляется его небольшая плотность (γ=2,7 г/см

). По теплопроводности и электропроводности

он уступает лишь серебру, золоту и меди. Высокая электропроводимость алюминия (σ

273

38,2 МСм/м) позволяет применять его как проводниковый материал.

В судостроении технически чистый алюминий марки АД1 применяют при изготовлении

переговорных труб, емкостей для хранения пищевых продуктов и воды.

Алюминий марки АОО в виде фольги используется для теплоизоляции судовых поме6

щений.

Основные примеси, присутствующие во всех алюминиевых сплавах, – железо, кремний

и марганец, как правило, ухудшают механические и коррозионные свойства.

В качестве основных легирующих элементов во всех алюминиевых сплавах использует6

ся всего 5 элементов – 4 металла (Mg, Cu, Zn, Li) и полупроводник Si. Введение их в

больших количествах оказывается возможным потому, что они обладают значительной

растворимостью в алюминии в твердом состоянии.

Главная функция легирующих элементов – повышение прочности алюминия. Упрочне6

ние достигается за счет образования твердого раствора и, во многих системах, путем диспер6

сионного твердения. Главным фактором твердорастворного упрочнения является размерный

(

Alэл

−

Растворимость в твердом состоянии при образовании твердого раствора на основе алю6

миния для всех элементов ограничена, не растворившиеся частицы образуют в структуре

сплава интерметаллические соединения или присутствуют в виде чистых элементов (напри6

мер, Si, Bi, Cd, Pb, Sn). К избыточным фазам, образованным основными легирующими эле6

ментами и алюминием и наиболее часто встречаемым в структуре слитков, относятся интер6

металлидные фазы Mg

Si, CuAl

, Al

CuMg, Al

, Al

и др.

Магний повышает коррозионную стойкость алюминия, слабо снижает его пластичность

и в результате обеспечивает такой комплекс свойств сплавов базовой системы Al–Mg (маг

налии), благодаря которому они являются самыми широко используемыми среди алюминие6

вых сплавов. Магналии маложаропрочные и термически неупрочняемые сплавы.

Медь существенно снижает коррозионную стойкость алюминия и любых его сплавов. В

этом отношении она является вредной добавкой, и ее содержание ограничивают. Но сплавы,

легированные медью, упрочняются в результате термической обработки и являются основой

жаропрочных сплавов.

Цинк при введении с другими добавками, особенно с магнием и медью, оказывает суще6

ственное влияние на свойства сплавов. Термически упрочняемые сплавы систем Al–Zn–Mg и

Al–Zn–Mg–Cu (высокопрочные сплавы) обладают самой высокой прочностью среди всех

алюминиевых сплавов.

Кремний способен обеспечить хорошую технологичность при литье, что достигается за

счет образования в сплавах Al–Si (силумины) значительного количества эвтектической со6

ставляющей. В сплавах с другими легирующими элементами тоже можно получить много

эвтектики, но при таких больших концентрациях легирующих элементов, когда сплавы уже

оказываются хрупкими и малопрочными. Силумины являются наиболее широко распростра6

ненными литейными сплавами на алюминиевой основе. Двойные силумины термически не

упрочняются. Введение в них магния и меди делает их восприимчивыми к закалке и старе6

нию. Поэтому на практике используются в основном многокомпонентные силумины на базе

систем Al–Si–Mg и Al–Si–Cu–Mg.

Литий в качестве основного легирующего элемента все чаще начинает использоваться в

последние годы, несмотря на дефицитность и слишком высокую химическую активность.

Основные преимущества, которые обеспечивает введение лития, – это заметное повыше6

ние модуля упругости и удельной прочности.

Помимо основных легирующих элементов большинство промышленных алюминиевых

сплавов содержит малые добавки. Малыми добавками называют легирующие компоненты,

содержание которых в промышленных алюминиевых сплавах менее 1 % (десятые – сотые

доли %). В качестве таких малых добавок особенно часто используют Mn, Ti, Zr, Cr, V, Ni,

Be, Cd, B, Sc и др. Эти добавки вводят в количестве десятых долей процента, а влияние их

многостороннее и существенное (соизмеримо с влиянием основных легирующих элементов).

Многие из них – хорошие модификаторы зерна (Sc, Ti, Zr) при кристаллизации, особенно

вместе с бором. Практически все добавки способствуют измельчению зерна при рекристал6

лизации.

Добавки в некоторых случаях влияют и на литейные сплавы. Наибольшую жаропроч6

ность литейным сплавам придают добавки Mn, Zr и Cr. Вторичные выделения этих добавок

могут обеспечить рост характеристик жаропрочности на 30-50 %.

Алюминиевые сплавы подразделяют на две основные подгруппы: литейные и деформи

руемые (рис. 22). Область составов деформируемых сплавов простирается от алюминия до

сплавов вблизи точки «с» – точки предельной растворимости легирующих элементов в

твердом растворе на основе алюминия при эвтектической температуре.

Основной структурной составляющей является α–твердый раствор на основе Al, объем6

ная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика, что и обеспечивает высокую де6

формируемость этих сплавов. Для получения хороших литейных свойств литейные сплавы к

концу кристаллизации должны иметь достаточно большое количество эвтектической струк6

турной составляющей. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы, лежащие вблизи

эвтектической точки «е».

Рис. 22. Диаграмма состояния «алюминий – легирующий элемент»

Деформируемые алюминиевые сплавы

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и

плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением.

В зависимости от способности упрочняться при закалке и последующем старении де6

формируемые алюминиевые сплавы подразделяют на термически неупрочняемые и терми

чески упрочняемые. Первые подвергают только отжигу, а вторые – закалке и старению.

Различают следующие разновидности отжига алюминиевых сплавов:

гомогенизационный отжиг, применяемый для устранения дендритной ликвации слитков

перед пластической деформацией;

рекристаллизационный отжиг деформированных изделий для снятия наклепа и получе6

ния мелкого зерна;

отжиг для разупрочнения сплавов, прошедших закалку и старение. При этом происхо6

дит полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз, в ре6

зультате чего детали имеют пониженный предел прочности, удовлетворительную пластич6

ность и высокое сопротивление коррозии под напряжением.

Для повышения прочности большинство алюминиевых сплавов подвергают закалке и

старению. При нагреве под закалку происходит растворение всех или отдельных избыточ6

ных фаз, называемых фазами-упрочнителями, а при последующем ускоренном охлаждении

(чаще всего в воде) эти фазы не успевают выделиться, и фиксируется пересыщенный

твердый раствор легирующих элементов в алюминии. После закалки сплавы имеют сравни6

тельно невысокую прочность (σ

, σ

0,2

) и высокую пластичность (δ, ψ).

Особенностью алюминиевых сплавов является малый температурный интервал нагрева

под закалку. Выдержка при закалке должна быть минимальной, обеспечивающей растворе6

ние избыточных фаз в твердом растворе. Выдержка фасонных отливок при температуре за6

калки может составлять от 2 до 15 часов. За это время должны раствориться грубые выделе6

ния интерметаллидных фаз.

Старение закаленных сплавов происходит при нормальной температуре несколько суток

(естественное старение) или при повышенной температуре (150-200°С) в течение 10-24 ча6

сов (искусственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного

твердого раствора, что сопровождается упрочнением.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с магнием – магна

лии (АМг) и марганцем (АМц). Эти сплавы обладают низкой (АМц, АМг2, АМг3) и средней

(АМг6, АМг61) прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, а также высокой

коррозионной стойкостью. Эффект от закалки и старения сплавов АМц и АМг невелик, и их

применяют в отожженном состоянии и после наклепа.

Сплав АМц используется для изготовления судовых деталей, получаемых штамповкой и

гибкой, резервуаров для хранения масел и топлива, декоративных конструкций и межкают6

ных выгородок, кожухов дымовых труб. Сплав АМг2 для изготовления мелких судов (кате6

ров), межкаютных выгородок, труб вентиляции. Сплав АМг3 применяют для деталей и

конструкций морских и речных судов, легких выгородок и переборок, кожухов дымовых

труб, труб вентиляции и дельных вещей.

Из сплавов АМг6 и АМг61 изготовляются конструкции морских и речных судов, спаса6

тельные шлюпки, забортные трапы и дельные вещи. Для сплава АМг6 предельная темпера6

тура длительной работы конструкций 150°С, для конструкций из сплава АМг61 – 70°С.

К термически упрочняемым сплавам относят сплавы на основе систем: Al–Zn–Mg; Al–

Zn–Mg–Cu (высокопрочные сплавы); Al–Cu–Mg (дюралюмины); Al–Cu–Mg–Si (авиали); Al–

Mg–Cu–Si (жаропрочные сплавы) и другие.

Система Al–Zn–Mg. На основе системы Al–Zn–Mg разработан ряд деформируемых сва6

риваемых сплавов. Содержание легирующих элементов в этих сплавах выбирается с учетом

того, что повышение суммарного содержания легирующих элементов (С

+С

) повышает

прочностные свойства, но понижает коррозионную стойкость. В отечественных промышлен6

ных сплавах суммарное содержание цинка и магния колеблется от 5,2 до 8,2 %, а отношение

/С

лежит в пределах от 0,7 до 4.

Для сплавов этой системы характерна малая чувствительность к скоростям охлаждения

при закалке и широкий интервал закалочных температур (375-500°С). Многие из этих спла6

вов оказываются в закаленном состоянии уже при охлаждении на воздухе. Это позволяет

проводить закалку большинства полуфабрикатов сразу после горячей деформации, минуя

специальную операцию нагрева под закалку, а также получать прочные сварные соединения,

мало отличающиеся по свойствам от основного металла.

Система Al–Zn–Mg–Cu. Введение меди в сплавы Al–Zn–Mg (наряду с малыми добавка6

ми элементов-стабилизаторов – Cr, Mn, Zr) позволило существенно улучшить стойкость про6

тив коррозии под напряжением при сохранении высокой прочности (для сплава В95 значе6

ния σ

=550-600 МПа). Сплав В95 широко применяется в сжатых зонах конструкций, работа6

ющих при температурах до 100°С.

Высокопрочные сплавы способны к старению как при комнатной, так и при повышен6

ной температуре. Искусственное старение проводят при температуре 120-125°С в течение 24

часов. Максимальный предел прочности можно получить при более низких температурах ис6

кусственного старения. Но чем ниже температура старения, тем больше склонность сплава к

коррозионному растрескиванию.

Система Al–Cu–Mg. Сплавы этой базовой системы, в которые дополнительно вводят Mn

для повышения коррозионной стойкости, в том числе важнейший из них Д16, сравнительно

слабо чувствительны к действию повторных статических и вибрационных нагрузок, мало

склонны к коррозии под напряжением, но имеют пониженную общую коррозионную стой6

кость. При повышении температуры эксплуатации коррозионная стойкость сплава Д16 ухуд6

шается, и сплав охрупчивается.

Максимальные механические свойства эти сплавы приобретают после закалки до темпе6

ратуры 500±5°С в воде и естественного старения в течение четырех суток. Механические

свойства этих сплавов значительно повышаются под влиянием как естественного, так и ис6

кусственного старения, но для получения высокой коррозионной стойкости дюралюмины

после закалки подвергают естественному старению. Термически обработанные сплавы этого

типа применяются в конструкциях, работающих при температуре до 200

°С.

Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состарен6

ном состоянии и плохо – в отожженном состоянии. Хорошо свариваются точечной сваркой и

не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Сплавы

этой группы отличаются весьма хорошими литейными свойствами и применяются для изго6

товления крупных поковок и штамповок (весом несколько тонн).

Например сплав Д16 используется для конструкций, не соприкасающихся с морской ат6

мосферой и водой, работающих при температурах до 20°С в сухих помещениях, а также для

корпусов клепаных речных катеров, рифленых настилов полов и дельных вещей.

Сплавы, содержащие Cu, защищают от коррозии плакированием. Плакировка – процесс

нанесения на поверхность листов из алюминиевых сплавов тонкого слоя чистого алюминия

для предохранения от коррозии (нормальная плакировка, толщина слоя от 2 до 4 % толщины

листа) и от появления поверхностных трещин при прокатке (технологическая плакировка,

толщина слоя 1,5 % толщины листа с каждой стороны). Утолщенную плакировку от 4 до 8 %

толщины листа наносят с целью улучшения внешнего вида изделия. В судостроении исполь6

зуются плакированные листы из сплавов Д16 и АМг61.

С целью плакирования слиток обертывают листом чистого алюминия и в таком виде

подвергают горячей прокатке, при которой Al приваривается к сплаву. Пленка Al

на по6

верхности Al держится прочно. Она плотная, в то время как на сплаве, содержащем Cu, не

защищенном плакированием, пленка рыхлая, легко отстает и не защищает сплав от корро6

зии.

Система Al–Cu–Mg–Si. Сплавы авиаль уступают дюралюминам по прочности, но обла6

дают лучшей пластичностью в холодном и горячем состоянии, хорошо свариваются и сопро6

тивляются коррозии. Авиаль обладает высоким пределом выносливости. Из сплава АВ изго6

тавливают различные полуфабрикаты: листы, трубы, используемые для элементов конструк6

ций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов кованые детали

двигателей, рамы.

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные сплавы предназначаются для изготовления

фасонных изделий. Конструкционные литейные алюминиевые сплавы по назначению можно

условно разделить на группы: сплавы, отличающиеся высокой герметичностью: АК12

(АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8М3ч (ВАЛ8), АК8М (АЛ32); сплавы высокопрочные,

жаропрочные: АМ5 (АЛ19), АК5М (АЛ5), АК5Мч (АЛ5-1); сплавы коррозинно-стойкие:

АМч11(АЛ22), АЦ4Мг (АЛ24), АМг10 (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1).

В зависимости от химического состава литейные алюминиевые сплавы подразделяют на

пять групп.

В группу 1 включены сплавы на основе системы Al–Si (силумины), содержащие (%) Si

6,0-13,0; Mg до 0,55; Mn до 0,06; Ti до 0,3; остальное –алюминий и примеси. Сплавы имеют

хорошие литейные свойства и достаточную прочность (АК12, АК7ч).

В группу 2 входят сплавы систем Al–Si–Cu, содержащие (%) Si 4,0-22,0; Cu 1,0-8,0; Mg

0,2-0,3; Mn до 0,8; Ti до 0,3; остальное – Al и примеси. Сплавы имеют хорошие литейные и

механические свойства (АК5М, АК7М2).

Группа 3 – сплавы на основе системы Al–Cu, содержащие (%) Cu 4,5-5,3; Mn 1,0-0,35; Ti

0,15-0,35; Cr до 0,25; Al и примеси – остальное. Сплавы обладают способностью к термиче6

ской обработке, улучшающей их механические свойства. Литейные свойства этих сплавов

хуже, чем у силуминов (АМ5).

Группа 4 – сплавы на основе системы Al–Mg, содержащие (%) Mg 4,5-13,0; Si до 1,7; Mn

до 1,0; Cu до 1,0; Ti 0,05-0,25; Zr до 0,20; Be до 0,15; Al и примеси – остальное. У этих спла6

вов повышенные механические свойства, что позволяет использовать их в изделиях, испыты6

вающих высокие статистические и ударные нагрузки. Они имеют худшие литейные свой6

ства, чем силумины (АМг10).

К группе 5 отнесены сплавы на основе системы Al – прочие элементы, но основным ле6

гирующим элементом в них является цинк совместно с кремнием (АК7Ц9 и АК9Ц6) или без

него (АЦ4Мг). Эти сплавы имеют высокую прочность.

Литейные сплавы Al с Mg, Cu, а также более сложные сплавы на основе Al подвергают

термической обработке, так как их основные прочностные и технологические свойства изме6

няются при этом в очень широких пределах. Приняты следующие обозначения режимов

термической обработки: Т1 – старение (после литья без закалки); Т2 – отжиг; Т4 – закалка;

Т5 – закалка и частичное старение; Т6 – закалка и полное старение до наибольшей твердо6

сти; Т7 – закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 – закалка и смягчающий отпуск.

Большинство литейных алюминиевых сплавов являются доэвтектическими. Наибольшей

известностью пользуются силумины – сплавы на базе системы Al–Si, применяемые для фа6

сонного литья. Для повышения прочности и пластичности силумины модифицируют сотыми

долями процента натрия, который вводят в алюминиевый расплав.

Сплав АК12 является единственным промышленным силумином, принадлежащим к

двойной системе Al–Si (без добавок других элементов). Содержание Si в нем составляет 10-

13 %. Модифицированный силумин АК12 по структуре всегда является доэвтектическим

сплавом. Основной способ повышения механических свойств (при литье в землю) – модифи6

цирование. Сплавы Al–Si сравнительно легко обрабатываются резанием.

Доэвтектические сплавы, дополнительно легированные Mg, могут упрочняться как мо6

дифицированием, так и термической обработкой. Средненагруженные детали из сплава

АК9ч подвергают только искусственному старению (Т1), а крупные нагруженные детали

(корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей) – закалке и искусственному

старению (Т6). Отливки из сплава АК7ч, требующие повышенной пластичности, подвергают

закалке (Т4), а для повышения прочности – закалке и старению (Т6).

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенным образом зависят от способа

литья. Механические свойства отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы и

по выплавляемым моделям, оказываются более низкими, чем при литье в кокиль, а при литье

под давлением свойства настолько повышаются из-за резкого охлаждения, что, например,

для силуминов оказывается ненужным модифицирование натрием.

К новым конструкционным материалам на основе алюминия относят порошковые, гра

нулированные и композиционные материалы. В настоящее время находят применение спла6

вы, получаемые спеканием специальным образом приготовленного порошка Al, причем ча6

стицы порошка (размером 1 мкм) покрыты тонким слоем оксида Al

. После спекания и де6

формации получают двухфазный сплав, в котором дисперсные частицы Al

равномерно

распределены в матрице Al. Содержание Al

составляет 5-8 %. Оксид Al

почти не

растворяется в Al, поэтому коалесценция дисперсной фазы при нагреве практически не

происходит. Такие сплавы называются САП. Сплавы типа САП применяют при высоких

температурах (до 500°С), поскольку разупрочнение в них, связанное с рекристаллизацией, не

наступает почти до температуры плавления Al.

9.2. Медь и сплавы на основе меди

Медь – пластичный металл красного цвета, в свежем изломе – розового, при просвечива6

нии в тонком слое – зеленовато-голубого цвета. Медь имеет гранецентрированную кубиче6

скую решетку (гцк). Аллотропических превращений Cu не испытывает вплоть до температу6

ры плавления (1083°С). Плотность меди составляет 8,9 г/см

, предел прочности 200-250

МПа. Твердость меди (НВ 35) почти в два раза меньше, чем железа.

По свойствам медь близка к серебру и золоту. На воздухе Cu окисляется слабо, поэтому

ее называют полублагородным металлом. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как

образующаяся на ее поверхности тончайшая пленка оксидов (придающая меди более темный

цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Но в присутствии влаги и диок6

сида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налетом карбоната гидроксомеди

(CuOH)

(патиной). При нагревании на воздухе в интервале температур 200-375°С медь

окисляется до черного оксида меди (II) CuO. При более высоких температурах на ее поверх6

ности образуется двухслойная окалина: поверхностный слой представляет собой оксид меди

(II), а внутренний – красный оксид меди (I) Cu

Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Она обладает высокой удельной

электрической проводимостью (59 МСм/м), незначительно уступая в этом только Ag (62

МСм/м), и является основным металлом электротехники и приборостроения. Важными свой6

ствами Cu являются хорошая теплопроводность, высокая пластичность и способность об6

разовывать технологичные сплавы, которые отлично обрабатываются и обладают хорошими

механическими свойствами.

Примеси уменьшают электропроводность, прочность и коррозионную стойкость меди.

Вреднейшими примесями меди являются висмут и свинец, образующие с медью легкоплав6

кие эвтектики.

Медь является основой важнейших сплавов. Наиболее известными и распространенны6

ми сплавами на основе меди являются латуни и бронзы.

Латуни – двойные (простые) или многокомпонентные (легированные) медные сплавы, в

которых цинк (Zn) является основным легирующим элементом. Двойные латуни, содержа6

щие до 14 % Zn, называют томпаком, от 14 до 20 % Zn – полутомпаком.

По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью (в том числе при

повышенных температурах), коррозионной стойкостью, упругостью и технологичностью.

Это наиболее дешевые медные сплавы.

Двойные латуни в зависимости от структуры при комнатной температуре подразделяют

на α и (α+β)–латуни. α–латуни содержат до 39 % Zn и имеют структуру α – твердого раство6

ра Zn в Cu. Латуни, содержащие от 39 до 45 % Zn, имеют двухфазную структуру – α+β′.

В соответствии с изменением структуры меняются механические свойства латуни. Уве6

личение содержание цинка в α–латуни вызывает повышение ее прочности и пластичности.

Появление β–фазы сопровождается резким снижением пластичности, прочность продолжает

повышаться при увеличении цинка до 45 %, латунь находится в двухфазном состоянии (α+

β). Переход латуни в однофазное состояние со структурой β– фазы вызывает резкое сниже6

ние прочности. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45 % цинка.

Повышение содержания Zn удешевляет латунь, улучшает их обрабатываемость резани6

ем, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшается тепло6

проводность и электрическая проводимость, которые составляют 20-30 % от характеристик

меди.

Латуни для увеличения их прочности могут подвергаться холодной пластической дефор6

мации. Этот путь упрочнения более эффективно реализуется в однофазных α–латунях из-за

их большей пластичности, чем в двухфазных. Холодная пластическая деформация повышает

прочность α–латуней до 450-700 МПа и твердость. Для понижения твердости и получения в

полуфабрикатах требуемых свойств (пластичности) при температуре 600-700°С проводят ре6

кристаллизационный отжиг. Изменяя степень обжатия и температуру отжига, можно регули6

ровать в латунях и величину зерна.

В латунях, содержащих более 15-20 % Zn, в наклепанном состоянии или с высокими

остаточными напряжениями наблюдается эффект самопроизвольного зарождения трещин,

вызывающих разрушение изделий. Этот эффект называют сезонным растрескиванием («sea6

son cracking»), так как он чаще всего проявляется во влажной атмосфере, и особенно в среде,

содержащей пары аммиака или ртути. Для предотвращения растрескивания латуни отжигают

при температуре 250-260°С.

Однофазные латуни в основном выпускают в виде холоднокатаных полуфабрикатов: по6

лос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют детали методом глубокой вытяжки

(радиаторные трубки, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации

низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и другие).