6.2. Сплави на основі берилію

Найбільше розповсюдження знайшли сплави берилія з практично нерозчинним у ньому при 20°С алюмінієм. Алюміній з берилієм утворює просту діаграму стану евтектичного типу, у якій евтектична точка відповідає вмісту 2,5% Ве. Тому евтектика представляє собою кристали майже чистого алюмінія з невеликою кількістю вкраплень берилія і характеризуеться високою пластичністю. Чим більше в сплавах берилію, тим вище їх міцність і жорсткість.

Практичне застосування знайшли сплави, які містять 20-40% алюмінія. Вони мають структуру, яка складається з м’якої, пластичної евтектики і твердих, крихких включень первинного бериллію. Такі сплави характеризуються більшою пластичністю і технологічністю, ніж чистий берилій і мають високі міцність і жорсткість. Так, сплав, який містить 24 % алюмінію (інше - берилій), характеризується наступними властивостями: _B=620 Н/мм², _=510 Н/мм²,  = 3%, Е=260 Г Па.

Легування подвійних сплавів елементами, які розчинюються в берилії, погіршує властивості сплава, а елементами, які розчинюються в алюмінії - навпаки, поліпшують їх властивості. Найбільш благоприємний вплив на властивості сплавів берилію з алюмінієм здійснює легування магнієм (у межах його розчинністі в алюмінії). В сплавах з малим вмістом берилію (не більше 70%, частіше – 30...50%) легування магнієм забезпечує значний ефект зміцнення (наприклад, в 2...2,25 рази для сплава з 30% Ве при введенні 5% магнію) при одночасному підвищенні пластичності (у 1,3...1,5 рази) і модулю нормальної пружності. При вмісті в сплаві більше, ніж 70% Ве, додаткове легування його магнієм практично не впливає на міцність, але різко знижує його пластичність. На відміну від подвійних сплавів берилію з алюмінієм, які спікають і пресують з порошків, сплави з магнієм отримують плавлінням з подальшею обробкою зливків тиском.

Легування берилія елементами, які розширюють температурну область існування пластичної високотемпературної його модифікації -  -Ве (Ni, Co, Cu та ін.), збільшує температурний діапазон гарячої обробки тиском, сприяє зміцненню сплаву і зниженню його пластичності при 20°С. Нікель (до 0,5%) і кальцій (до 1%) викликають підвищення міцності сплавів при підвищених температурах. Однак більш високими показниками в цьому випадку володіє берилій з підвищеним вмістом оксиду ВеО (до 4%), отриманий методами порошкової металургії. Зберегають міцність до дуже високої температури сполуки, які називають берилідами. Вони представляють собою інтерметалідні сполуки берилію з переходними металами (Ta, Nb, Zr та ін.). Бериліди мають високу температуру плавлення (біля 2000°С), високу твердість (НV 5000-10000), високу жорсткість (Е біля 300-350 ГПа) при порівняно низькій густині (2,7...5 г/см³). Але вони є дуже крихкими. Їх використовують для виготовлення методами порошкової металургії дрібних і нескладних за формою деталей для гіроскопів і систем управління.

7. Метали та сплави з низькою температурою плавлення

7.1. Загальна характеристика металів з низькою температурою плавлення

Порівнююча характеристика фізичних властивостей ряду металів з низькою температурою плавлення (легкоплавких металів) наведена у таблиці 7.1. Найбільш широке використання у якості машинобудівних матеріалів знайшли цинк, свинець, олово і сплави на основі цих металів. Окрім цих елементів, компонентами сплавів на основі легкоплавких металів є також такі метали з низькою температурою плавлення, як сурма, вісмут, індій та інші.

Таблиця 7.1 - Порівнююча характеристика легкоплавких металів

Метал	Температура плавлення, °С	Температура кипіння або сублімації,°С	Густина, г/см3 (при 20 °С)	Питомий електроопор, мкОм*см (20°С)
Zn	419.5	911	7.14	5.96
Pb	327.4	1750	11.68	20.6
Sn	231.9	2625	7.3	12.6
Sb	630.5	1590	6.68	40.1
Bi	271	1564	9.8	117
Cd	320.9	767	8.64	7.3
Hg	-38.87	367	13.55	95.9
In	156.4	2070	7.3	8.8
K	63.2	759	0.86	6.8
Li	181	1342	0.534	9.29
Тe	450	968	6.24	160000
Tl	304	1473	11.85	16.6

Цинк – це порівняно недефіцитний метал, оскільки його вміст у земній корі складає 0,02%. Має гексагональну гратку. Він володіє достатньою пластичністю у нагрітому сстані, особливо при 100-150°С, однак, його пластичність в холодному стані невелика. При холодній деформації одночасно з міцністю зростає і пластичність цинку. Алотропічні перетворення в Zn не відбуваються. Чистий Zn характеризується наступними властивостями: _B =150 Н/мм²,  =20 %,  =70 %. Дуже чистий Zn має добрий опір корозії в атмосферних умовах і в морській воді. Однак, вже незначна кількість домішок, наприклад, свинцю, помітно знижують його стійкість проти корозії.

Наявність в Zn і його сплавах таких домішок, як олово і свинець, обмежується тисячними або сотими долями відсотку. Це обумовлено тим, що як Sn, так і Pb практично не розчинюються в твердому Zn, утворюють легкоплавкі евтектики по межам зерен (подвійну - 91% Sn + 9% Zn, Тпл = 198°С в присутністі Sn і потрійну при одночасній присутністі як Sn, так і Pb з Тпл=150°С), що викликає окрихчення цинку і його сплавів при підвищених температурах, і внаслідок цього - утворення “гарячих” тріщин при обробці тиском і охолодженні відливків, які затверділи. Вміст заліза також повинен бути незначним (менше 0,1%), оскільки сполука цинку з залізом (  -фаза) значно окрихчує сплави Zn.

Zn як конструкційний матеріал використовується мало. Основні галузі використання Zn: цинкування сталі для захисту від корозії, виробництво цинкових сплавів, лиття під тиском, виготовлення напівфабрикатів, легування сплавів на основі інших металів, в тому числі і отримання сплавів з високим вмістом Zn (наприклад, латуней, концентрація Zn в яких може бути до 50%), отримання цинкових сполук. Рафінований цинк (з вмістом Zn не менше 98,7%, отриманий шляхом дистиляції або електролизу первинного цинку) застосовується для виготовлення виробів методом холодного видавлювання, обробки тиском, витяжки і чеканки. Чорновий цинк (з вмістом Zn не менше 97,5%) використовується для жерстяних робіт, піддається обробці тиском і простій витяжці.

Свинець в порівнянні з цинком має більш низьку температуру плавлення, але приблизно у 1,5 рази більшу густину. Алотропічних перетворень не має. Його рекристалізація після наклепу відбувається при температурі, нижчій за кімнатну. Таким чином, його деформація при 20°С буде вважатися не холодною, а гарячою пластичною деформацією. Свинець з вмістом домішок до 0,008-0,10% характеризується невеликою міцністю (_в=10...20 Н/мм²), високою пластичністю (=20...80%), уже при невеликих навантаженнях він схильний до повзучості. Характеризуеться високою кислотостійкістю, а також високою корозійною стійкістю і в інших середовищах внаслідок утворення на його поверхні щільного захисного шару з гарною адгезією з основним металом. Однак, Pb має малу стійкість проти дії соляної та плавикової кисло, лужних розчинів. З підвищенням температури і концентрації агресивних середовищ корозійна стійкість Pb може різко знижуватися.

Основні галузі застосування Pb :

- виготовлення свинцевих оболонок підземних кабелів для їхнього захисту від грунтової корозії, яка посилюється під впливом електричних струмів, які блуждають;

- виготовлення елементів захисту від рентгенівського і інших видів випромінювання, що іонизує; виготовлення окремих елементів та захисних оболонок для хімічних апаратів;

- виробництво сплавів на основі Pb;

- в якості легуюгого елементу в сплавах кольорових металів;

- виготовлення елементів акумуляторів, хоча частіше для цих цілей використовують сплави свинцю;

- для отримання деяких видів хімічних сполук свинцю для виготовлення антидетонаторних речовин, фарби.

Олово. В порівнянні с Zn, Pb, Sb, Bi олово має більш низьку температуру плавлення (см. табл. 7.1), значно легше за свинець, еле декілька важче за цинк. Sn є дорогим металом: його вартість примірно у 25 разів більша, ніж у Zn і у 15-20 разів більша, ніж у Pb. Як і у випадку свинцю, деформація олова при кімнатній температурі може розглядатися як гаряча, оскільки температура рекристалізації олова знаходиться нижче кімнатної. Олово має високу пластичність і підвищену стійкість проти корозії в атмосферних умовах і деяких розчинах кислот. Олово володіє поліморфізмом: високотемпературна модифікація -  -Sn (біле олово) має тетрагональну гратку і характеризується металевими властивостями і густиною 7,29 г/см³. Низькотемпературна модифікація -  -Sn (сіре олово) має кристалічну гратку типу алмазу і є напівпровідником з явно вираженим ковалентним зв’язком, має густину 5,81 г/см³. Температура рівноваги То=13,2°С, однак, в реальных умовах поліморфне перетворення стає помітним при температурі, нижчій за 0°С. Алотропічне перетворення білого олова у сіре характеризується зміненням не тільки просторової гратки, але й типу зв’язк; при цьому олово розсипається у порошок (це явище називають “олов’яною чумою”). При зворотньому перетворенні сірого олова у біле підвищення тиску прискорює його, причому, чим вищими є температура і швидкість нагрівання, тим при меншому тиску відбувається швидке поліморфне перетворення. Олово характеризуєтьсят низькою міцністю (_B прмірно 15 Н/мм²), хоча й вельми високою пластичністю ( біля 60%) і корозійною стійкістю. Як конструкційний матеріал практично не використовується.

Основними галузями застосування олова є:

- покриття сталі для підвищення корозійної стійкості - лудіння жерсті (біла жерсть для виготовлення консервних банок), оскільки олово нетоксично;

- виробництво сплавів на основі олова - бабітів, припоїв та ін.;

- легування сплавів кольорових металів (наприкладмер, бронз, латуней).