3. Сплавы, содержащие в равновесной структуре эвтектоид (рис. 11.1, в), можно подвергать закалке с получением метастабильных структур  или  с последующим старением или отпуском.

Алюминиевые сплавы

Алюминий не имеет полиморфных превращений. Характерными свойствами его являются: малый удельный вес (2,7 кг/м³), относительно низкая температура плавления (660 С), высокая пластичность при сравнительно малой прочности. У катаного и отожжённого алюминия _B = 100 МПа; HB = 250 МПа, = 35 %.

Несмотря на большую химическую активность, алюминий достаточно коррозионно устойчив, так как на его поверхности образуется плотная защитная пленка Аl₂O₃.

Алюминий и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной деформации  прокатке, ковке, прессованию, волочению, гибке, листовой штамповке и другим операциям. Алюминиевые сплавы можно соединять точечной сваркой.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на две основные группы: литейные и деформируемые.

Рис. 11.2. Влияние модифицирования на кристаллизацию сплавов AlSi (схема): немодифицированный () и модифицированный (- - -) сплавы

1. К литейным алюминиевым сплавам относят силумины  сплавы алюминия с кремнием почти эвтектического состава (рис. 11.2). Обычно силумин содержит 1213 % Si и имеет в основном грубую игольчатую структуру эвтектики (Al + Si). Механические характеристики такого силумина невысоки: _B = 120140 МПа;  = 3 %. Путем модифицирования грубую эвтектику можно сильно измельчить, вследствие чего механические характеристики сплава заметно возрастают: _B = 180220 МПа;  = 810 %. Для модифицирования в сплав перед разливкой в ковш вводят незначительное количество модификатора (смесь солей натрия).

Сплавы алюминиевые литейные поставляют по ГОСТ 1583-93 и маркируют буквами АК (сплав алюминия с кремнием) и цифрами  содержание элемента. Алюминиево-кремниевые сплавы с 1013 % Si (например, сплав АК12) применяют для отливок сложной формы, от которых не требуются высокие механические характеристики. При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют силумины доэвтектического состава с 410 % Si, дополнительно легированные медью, марганцем, магнием (АК5М2: Al + Si, Mn, Cu, Mg, Ti; АК5М: Al + Si, Mg, Cu и др.).

Силумины являются дешёвыми, коррозионно-устойчивыми хорошими литейными сплавами. Их применяют в авто- и авиастроении для изготовления корпусов, поршней и других деталей двигателей. Для силуминов разработаны производительные методы литья (литьё под давлением, в металлические и оболочковые формы).

2. Дюралюминий относится к деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой. Сплав можно считать в основном сплавом системы AlCu с добавками магния, марганца, железа и других. Эти сплавы рассмотрены в работе 12.

Сплавы на основе меди

Чистая медь обладает рядом ценных технических свойств: пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью против атмосферной коррозии. Удельный вес меди 8,9 кг/м³; температура плавления 1083 С; кристаллическая решётка гранецентрированная кубическая. Механические характеристики отожжённой меди характеризуются _B = 230250 МПа,  = 4050 %. Технически чистую медь применяют в основном как электропроводящий материал. Медь имеет однородную зернистую структуру, для которой характерно наличие двойников (см. рис. 2.2, б). Широко применяют сплавы на основе меди (латуни и бронзы).

Л а т у н и

Латунями называют сплавы меди с цинком (рис. 11.3). Легирование меди цинком является весьма удачным, так как цинк удешевляет сплав, уменьшает его удельный вес и, главное, улучшает механические характеристики по сравнению с медью. Все это обусловило широкое распространение латуней. Техническое применение имеют сплавы, содержащие до 50 % цинка, так как при большем количестве цинка сплав становится хрупким. Поэтому практическое применение имеют только однофазные -латуни, двухфазные  + -латуни и -латуни.

Изменение временного сопротивления и пластичности в зависимости от содержания цинка в латуни показано на рис. 11.4. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает -латунь с 30 % Zn; -латунь  очень малой пластичностью; -латунь является весьма хрупкой.

Так как линия ликвидуса и солидуса при кристаллизации - и -фаз лежат близко друг к другу, литейные свойства латуней характеризуются малой склонностью к дендритной ликвации и хорошей жидкотекучестью.

Рис. 11.3. Диаграмма состояния сплавов Cu-Zn

Однофазная -латунь в отожжённом состоянии имеет однородную зернистую структуру из кристаллов -твёрдого раствора. В структуре двухфазной  + -латуни в отожжённом состоянии кроме -фазы (светлые участки) имеется некоторое количество -фазы (тёмные участки).

Рис. 11.4. Изменение механических характеристик латуни в зависимости

от содержания цинка

Из латуней изготавливают преимущественно катаный и тянутый полуфабрикат (листы, ленты, профили, проволоку и т. д.); -латуни прокатывают в холодном состоянии, а  +  и -латуни  при температуре выше 500 С.

Двойные латуни маркируются буквой Л (Л63, Л68, Л80) с указанием содержания меди (ГОСТ 15527-70). Так как цинк дешевле меди, то с увеличением количества цинка латунь становится дешевле. Высокомедистые латуни получили название томпак (Л96, Л90) и полутомпак (Л85, Л80), они имеют цвет золота и применяется для ювелирных изделий.

Кроме двойных латуней (сплавов меди и цинка) применяют специальные латуни, в которые для придания им тех или иных свойств вводят легирующие элементы, обозначаемые в марке сплава дополнительными буквами: С  свинец, О  олово, Ж  железо, А  алюминий, К  кремний, Мц  марганец, Мш – мышьяк, Н  никель, и цифрами, указывающими их среднее содержание в процентах. В производстве приборов, часовых механизмов, крепёжных деталей и т. д. применяют автоматные латуни (типа ЛС59-1) с добавками 0,63,0 % Pb для улучшения обрабатываемости. Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде (морская латунь марки ЛО70-1). Алюминий, железо, никель, марганец вводят для улучшения механических характеристик латуней. Примером литейного сплава является кремнистая латунь ЛЦ16К4 (ГОСТ Р50425-92). Из нее отливают арматуру, шестерни, часто применяют для литья под давлением.

Б р о н з ы

Первоначально бронзами называли сплавы меди и олова, но затем были разработаны сплавы меди с другими элементами (алюминием, кремнием, бериллием и т. д.), также называемые бронзами.

По технологическому признаку бронзы делят на литейные и деформируемые. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Деформируемые бронзы хорошо поддаются обработке давлением. Бронзы по сравнению с латунями обладают лучшими механическими, антифрикционными характеристиками и коррозионной стойкостью.

Оловянистые бронзы  сплавы на основе меди с оловом (рис. 11.5).

В системе Cu-Sn в твердом состоянии возможно образование следующих твердых растворов: , ,  (твердый раствор на базе электронного соединения Cu₃₁Sn₈), ,  (твердый раствор на базе химического соединения Cu₃Sn), . Твердые растворы ,,  образуются по перитектическим реакциям при температурах 798, 755 и 415 С соответственно, а ,  и  – в результате превращений в твердом состоянии. При этом -твердый раствор образуется при температуре 676 С из -твердого раствора по реакции , а  и  образуются по перитектоидным реакциям при температурах 640 и 590 С соответственно. -твердый раствор кристаллизуется из жидкости в интервале температур 1084–798 С.

-твердый раствор существует при высоких температурах в интервале 798–586 С в узкой концентрационной области, наибольшая протяженность которой составляет ~ 3 % (ат.) при температуре 755 С. При температуре 586 С -твердый раствор претерпевает эвтектоидный распад на твердые растворы  и .

-твердый раствор занимает довольно обширную концентрационную область и существует в интервале температур 755–520 С. При температуре 640 С -твердый раствор претерпевает превращение по кататектической реакции, распадаясь на -твердый раствор и жидкость. При температуре 520 С -твердый раствор распадается по эвтектоидной реакции на твердые растворы  и .

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

Cu 10 20 30  Sn

755C

798C

676C

640C

582C

415C

189C

350C

520C

586C

7,7

13,1

15,5

19,1

9,1

9,1

14,9

16,5

20,5

6,2

Cu₃₁Sn₈

Cu₃Sn

~5







ж













ж

1084C

~6

-твердый раствор существует в интервале температур от 676 С до комнатной в узкой концентрационной области, наибольшая ширина которой составляет 1,5 % (ат.) при температуре 640 С.

-твердый раствор существует в узкой концентрационной области в интервале температур 640–582 С и при температуре 582 С претерпевает эвтектоидный распад на твердые растворы  и .

-твердый раствор также имеет узкую концентрационную область в интервале температур 590–350 С и при температуре 350 С претерпевает эвтектоидный распад на твердые растворы  и .

Рис. 11.5. Диаграмма состояний

сплавов CuSn

Согласно диаграмме состояния Cu–Sn, предельная растворимость олова в меди составляет 9,1 %. С понижением температуры растворимость олова в меди значительно снижается, составляя при комнатной температуре ~ 5 %. При большем количестве олова в структуре отожженной бронзы появляется твёрдая и хрупкая -фаза (твердый раствор на базе химического соединения Cu₃Sn), резко снижающая пластичность сплава. Однако сплавы системы Cu–Sn склонны к неравновесной кристаллизации, в результате чего в реальных условиях охлаждения сужается область -твердого раствора (см. штриховые линии на диаграмме), его концентрация практически не меняется с понижением температуры, не происходит эвтектоидного распада -твердого раствора на фазы  и . Поэтому при содержании олова более 5–6 % в структуре сплавов присутствует эвтектоид (+), где -электронное соединение Cu₃₁Sn₈ со сложной кубической решеткой. Оно обладает высокой твердостью и хрупкостью. Поэтому, несмотря на повышение прочности при дальнейшем увеличении количества олова до 25 %, практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10 % Sn.

Вкрапления твёрдого эвтектоида (+) в относительно мягком -растворе обеспечивают бронзе в литом состоянии высокие антифрикционные свойства. Из бронз отливают венцы червячных колес, вкладыши подшипников скольжения и т. д. без последующей термической обработки.

Оловянистые бронзы, содержащие до 5 % Sn и имеющие однородную зернистую структуру, применяют в отожженном и деформированном состояниях в качестве пароводяной и маслопроводящей арматуры.

Ввиду пониженной жидкотекучести бронза не даёт концентрированной усадочной раковины. Этим объясняется малая усадка бронз при литье (усадка бронз менее 1 %; усадка латуней и чугуна 1,5 %; сталей более 2 %).

Бронзы маркируют буквами Бр с указанием легирующих элементов, обозначенных буквами русского алфавита: А – алюминий; Мц – марганец; Ж – железо; Н – никель; С – свинец; О – олово; Т – титан; Мг – магний; К – кремний; Кд – кадмий; Ср – серебро; Ц  цинк, Ф  фосфор, Б  бериллий, Х  хром. Цифры за буквами показывают количество легирующих элементов в процентах. Бронзы оловянистые, обрабатываемые давлением, поставляют по ГОСТ 5017-74; бронзы безоловянистые  по ГОСТ 18175-78. Для удешевления бронз вводят некоторое количество цинка, а для улучшения обрабатываемости  свинец. Небольшое количество фосфора (до 1 %), являющегося раскислителем, устраняет хрупкие включения окиси олова (SnO), а также повышает жидкотекучесть. Примером арматурной бронзы является БрО5Ц5С5. Лучшая антифрикционная бронза БрО10Ф1 (ГОСТ 613-79). Появление -фазы в структуре литых бронз вызывает резкое снижение их вязкости и пластичности.

Алюминиевые бронзы являются хорошим заменителем дефицитной оловянистой бронзы. Они имеют более высокую прочность, коррозионную стойкость и значительно дешевле. Свойства алюминиевых бронз могут быть улучшены легированием такими элементами, как железо, марганец, никель. Широкое распространение имеют алюминиевые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4.

Бериллиевая бронза БрБ2 является сплавом, который подвергают термической обработке. После закалки с 800 С в воде и отпуска (старения) при температуре 300350 С твёрдость бронзы НВ 35004000 МПа. Высокие прочность и упругость в сочетании с хорошей химической стойкостью и свариваемостью позволяют использовать бериллиевую бронзу для ответственных деталей, от которых требуются упругие свойства (пружины, мембраны).

Высококачественным антифрикционным материалом является широко применяемая свинцовистая бронза БрС30 (ГОСТ 439-79) в литом состоянии; структура ее состоит из отдельных зёрен меди и вкраплений свинца.

П о д ш и п н и к о в ы е с п л а в ы

Подшипниковые, или антифрикционные, сплавы, применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Для этих целей используют чугун, бронзу и баббиты.

Материалу вкладыша должны быть присущи следующие свойства:

1) небольшой коэффициент трения со стальной поверхностью вала;

2) малый износ обеих трущихся поверхностей;

3) способность выдерживать высокие удельные давления.

В машине при стационарном режиме работы минимум потерь на трение может быть обеспечен осуществлением жидкостного режима работы подшипникового узла. В период пуска или останова машины жидкостный режим работы подшипника нарушается: шейка вала контактирует непосредственно с материалом вкладыша. В этих условиях для обеспечения минимальных потерь на трение нужна достаточная твёрдость обеих поверхностей и относительно свободный доступ смазки в места их контакта. С другой стороны, для уменьшения износа шейки вала нужна минимальная твёрдость материала вкладыша, что обеспечило бы должную равномерность распределения нагрузки по поверхности шейки вала и её равномерный износ.

Этим противоречивым требованиям отвечает структура вкладыша, состоящая из мягкой основы с твёрдыми включениями. Износ мягкой основы обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника и получение своеобразного рельефа поверхности вкладыша (рис. 11.6). Выступающие твёрдые включения при наличии между ними смазки снижают коэффициент трения, что уменьшает износ мягкой основы вкладыша. Ввиду низкой твёрдости основы твёрдые включения легко в неё вдавливаются, что создаёт высокую равномерность нагружения во всех точках контакта шейки вала с материалом вкладыша и минимальный изноc шейки вала.

При малых скоростях вращения и высоких удельных давлениях вкладыши подшипников изготавливают из литой бронзы или из антифрикционных серых чугунов на перлитной основе.

При больших скоростях вращения и относительно малых удельных давлениях в ответственных быстроходных машинах (турбинах, крупных двигателях внутреннего сгорания, компрессорах) используют антифрикционные сплавы  баббиты.

Рис. 11.6. Микрорельеф рабочей поверхности

антифрикционного сплава (схема)

Баббиты  сплавы на основе олова или свинца с добавлением других элементов, которые обеспечивают получение твёрдых частиц и легируют мягкую основу. Они являются наиболее давним подшипниковым материалом. Баббиты обладают низкой твёрдость (НВ 150300 МПа), имеют невысокую температуру плавления (230320 С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными характеристиками. В то же время у них низкое сопротивление усталости, что влияет на работоспособность подшипников.

Применяют баббиты шести марок ( ГОСТ 1320-74). Составы трёх из них приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1

Состав применяемых баббитов

Марка	Sn, %	Pb, %	Sb, %	Cu, %
Б83 Б16 БС	83 16 	 Остальное Остальное	11 16 17	6 2 1

Наилучшими свойствами обладают баббиты на основе олова, например Б83. Мягкая основа  -твёрдый раствор на основе олова; твёрдые включения  химические соединения SnSb и Cu₃Sn.

Недостаток баббита Б83  большое содержание дефицитного олова. Это вызвало необходимость создания других, более дешёвых баббитов с меньшим содержанием олова (Б16) или вовсе без олова (БС). Однако антифрикционные характеристики таких баббитов ниже, чем Б83.

Структура баббита Б16: мягкая основа  тройная эвтектика (Pb + + Sb + Sn), твёрдые включения  кристаллы химических соединений SnSb и Cu₃Sn.

Баббит БС  в основном сплав свинца с сурьмой, диаграмма состояний и строение которого рассмотрены в работе 2. Баббит БС является заэвтектическим сплавом свинца с сурьмой. Мягкая основа  эвтектика (Pb + Sb), твёрдые включения  кристаллы Sb.

Порядок выполнения работы

Проводят микроскопический анализ строения следующих сплавов:

шлиф № 1 титановый -сплав,

шлиф № 2  титановый  + - сплав,

шлиф № 3  силумин обычного качества,

шлиф № 4  силумин модифицированный,

шлиф № 5  -латунь,

шлиф № 6  + -латунь,

шлиф № 7  бронза марки БрО10Ф1 в отожжённом состоянии,

шлиф № 8  бронза марки БрО10Ф1 в литом состоянии,

шлиф № 9  баббит марки Б83,

шлиф № 10  баббит марки Б16.

Содержание отчёта

Зарисовки структур всех представленных в коллекции сплавов с указанием диаграммы состояний, марки и химического состава.

При зарисовке структур шлифов № 8, 9, 10 указать мягкую основу и твёрдые включения.

Р А Б О Т А 12

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Алюминий и магний  металлы малой плотности (удельный вес алюминия 2,7 кг/м³, магния 1,7 кг/м³) не обладают полиморфным превращением. Соответственно сплавы нельзя измельчить с помощью термической обработки. Типичная диаграмма состояний таких сплавов была приведена на рис. 4.1.

На рис. 12.1 представлена диаграмма состояний сплавов AlCu. Как видно, обе диаграммы (рис. 4.1. и 12.1) идентичны, поэтому и подходы к назначению термической обработке их сплавов аналогичны.

Различают три характерных типа сплавов:

I и II  деформируемые, т. е. подвергаемые пластической обработке (ковке, штамповке, прессованию, прокатке, гибке и др.);

III  литейный, предназначенный для изготовления изделий литьём. Мелкозернистость таких сплавов достигается модифицированием (см. работы 8 и 11).

Сплавы I нельзя упрочнить термической обработкой (закалка невозможна).

К алюминиевым сплавам, применяемым в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и упрочняемым термической обработкой, относят дюралюминий. Дюралюминий  сложный по составу сплав, в основном  алюминия с медью( 0,5 %) и магнием, в котором содержатся также марганец, кремний и железо (в небольших количествах).

В сплаве образуется ограниченный твёрдый раствор  на основе алюминия с переменной растворимостью, которая уменьшается с понижением температуры. Максимальная растворимость меди в -твёрдом растворе составляет 5,7 % при эвтектической температуре 548 С. Сплав, содержащий более 0,5 % Cu, но не менее 5,7 %, в равновесном состоянии имеет структуру твёрдого раствора с включением интерметаллического соединения CuAl₂ (избирательное выделение вторичных кристаллов пластинчатой формы по границам зерен).

Упрочняющая термическая обработка дюралюминия основана (как отмечалось в работе 4) на изменении растворимости меди в -твёрдом растворе. Если любой сплав с концентрацией более 0,5 % до 5,7 % Cu нагреть выше линии MN (например, сплав II выше температуры 1  см. рис. 12.1), то сплав будет иметь однофазное состояние -твёрдого раствора. Это состояние может быть зафиксировано быстрым охлаждением, т. е. закалкой. Полученный при закалке твёрдый раствор при содержании в нём меди более 0,5 % оказывается пересыщенным. В таком пересыщенном и неустойчивом твёрдом растворе происходят изменения, в конечном итоге приводящие к выделению соединения CuAl₂ зернистой формы и сохранению в растворе соответствующего равновесной системе количества меди (0,5 %). В результате происходит твердение сплава. Этот процесс, как уже говорилось в работе 4, называется старением. Если процесс происходит при комнатной температуре, то он называется естественным старением, если при повышенной температуре (но обязательно ниже линии MN)  то искусственным старением. Таким образом, для дюралюминия проводят термическую обработку  закалку и старение (см. графики на рис. 12.1, б ).

Рис. 12.1. Диаграмма состояний сплавов AlCu (а) и

график термической обработки дюралюминия (б)

Рис. 12.2. Кривые старения дюралюминия

В отожжённом состоянии сплав Al + 4 % Cu имеет предел прочности _B  200 МПа. В свежезакалённом состоянии (сразу после закалки) предел прочности немного выше (_B  250 МПа). После старения предел прочности значительно возрастает до _B  400 МПа, увеличивается твёрдость. Изменение механических характеристик при старении существенно зависит от температуры и времени, как это показано на рис. 12.2. При естественном старении _B (НВ) становится максимальной через 57 суток. Повышение температуры нагрева при старении ускоряет процесс упрочнения. Однако получаемый максимальный _B тем ниже, чем выше температура старения. Эффект упрочнения при естественном старении обычно выше, чем при искусственном.

При естественном старении сплавов наблюдают начальный, так называемый инкубационный (латентный, скрытый), период, характеризующийся отсутствием или слабым изменением механических характеристик. Этот период имеет важное технологическое значение: после закалки возможна пластическая деформация сплава в течение 23 ч (расклёпка заклёпок, отбортовка, гибка и т. д.). По истечении этого времени сплав начнёт приобретать хрупкость.

При отрицательных температурах старение практически не происходит, что используют для хранения закалённых деталей, которые подвергают в дальнейшем пластической деформации.

Пониженная коррозионная стойкость дюралюминия требует защиты его от коррозии. Наиболее распространено плакирование дюралюминов чистым алюминием. Слитки дюралюминия обертывают тонким алюминиевым листом и прокатывают.

Наиболее широко применяемыми в технике являются дюралюмины следующих марок (ГОСТ 4784-74):

Д1 (3,84,8 % Cu; 0,40,8 % Mn; 0,40,8 % Mg);

Д16 (3,84,9 % Cu; 0,30,9 % Mn; 1,21,8 % Mg);

В95 (1,42,0 % Cu; 0,20,6 % Mn; 1,82,8 % Mg; 5,07,0 % Zn).

Механические характеристики сплавов в отожжённом состоянии, а также после закалки и старения приведены в табл. 12.1.

Т а б л и ц а 12.1