Цветные сплавы, твердые сплавы, композиционные материалы

Цепь работы; ознакомление с основными марками цветных сплавов и композиционных материалов, их свойствами и применением.

Уровень технического развития общества в значительной мере зависит раз­нообразия от используемых материалов, обусловленных различием комплекса свойств, необходимых деталям и конструкциям в процессе их эксплуатации. В настоящее время существует 3 группы материалов:

1. металлические материалы (черные и цветные);

2. неметаллические материалы (керамические материалы; стекло; полимеры);

3. композиты на металлической или неметаллической основе.

Особенности структурного строения каждой группы материалов характери­зуют определенные физико-химические свойства. Например, чистые металлы и сплавы в настоящее время полностью не удовлетворяют требованиям новой техники, так как имеют низкие жаростойкость и усталостную прочность. А ке­рамические материалы, с малой плотностью и высокой жаростойкостью, отли­чаются недостаточной ударной вязкостью и термостойкостью. Поэтому для по­лучения лучшего комплекса свойств создаются композиции, в которых собраны все лучшие качества различных составляющих.

Цветные сплавы

Остановимся на цветных сплавах на медной и алюминиевой основах.

1. Сплавы на медной основе.

Медные сплавы имеют высокие механические и технологические свойства, хорошо сопротивляются коррозии и износу.

Сплавы на медной основе разделяют в зависимости от состава на две основ­ные группы: латуни и бронзы.

Латуни - сплавы меди (рис. 16) с цинком, где содержание цинка не превы­шает 45%. Они маркируются буквой "Л" - латунь и цифрами, указывающими содержание меди в процентах, остальное цинк (Л90, Л62 и т.д.) Все латуни по технологическому признаку подразделяют на две группы:

а) деформируемые латуни, из которых изготавливают ленты, листы, тру-

Рис. 16. Медь марки М1. Литая структура. Струк­турные составляющие - зерна равноосные, эвтектика Медь недостаточно раскисленная. Между зернами меди видна эвтектика (медь + оксид меди). В ма­лом поле зрения (т.е. на участке с особо большим количеством оксидов) эвтектика выглядит домини­рующей структурной составляющей (матрица), од­нако сравнение с другими полями показывает, что располагается лишь на стыках некоторых зерен. х100

бы, проволоку и т.д. (табл. 3).

б) литейные латуни для фасонного литья, обладающие хорошей жидкоте-

кучестью, антифрикционными свойствами, малой склонностью к ликвации (табл. 3). Эти латуни имеют более высокие механические свойства и применя­ют для изготовления подшипников, втулок, вкладышей, гаек, нажимных вин­тов, червячных винтов, пароводяной аппаратуры и т.д.

Латуни с содержанием цинка до 39% хорошо деформируются в холодном со­стоянии. При содержании цинка от 39% до 45% латуни малопластичны в хо­лодном состоянии, поэтому подвергаются горячей обработке давлением. Они имеют более высокую прочность и износостойкость.

Рис. 17. Латунь ЛС59-1, Zn (41 масс. %), Pb (1 масс. %). Литая структура. х100

Свинцовистая двухфазная латунь (автоматная). Темная матрица бета-фазы (интерметаллид - CuZn) и светлые выделения альфа-твердого раствора на основе меди. Внутри некоторых из них обнаруживаются частицы не растворимого в меди свинца, который затвердел в по­следнюю очередь. Эти частицы служат зародышами, на которых начинают образовываться кристаллы альфа- фазы. Включения свинца увеличивают хрупкость лату­ни настолько, насколько необходимо для обламывания стружки при обработке сплава на автоматических ме­таллорежущих станках.

Кроме простых латуней (сплавы меди только с цинком), применяют специ­альные многокомпонентные латуни, в которые для придания дополнительных свойств вводятся различные легирующие элементы: олово - для сопротивляе­мости коррозии в морской воде; свинец - для улучшения обрабатываемости ре-

занием (рис. 17); алюминий, никель - для повышения механических свойств и т.д.

Легирующие элементы повышают прочность, но уменьшают пластичность. При маркировке специальных латуней после буквы "Л" - латунь стоят первые русские буквы каждого легирующего элемента и цифры, указывающие его ко­личество в процентах. Например, ЛАЖ60-1-1 - латунь, содержащая 60% меди, 1% алюминия-, 1% железа, остальное цинк.

Бронзы - сплавы меди с другими различными элементами (оловом, свин­цом, алюминием, кремнием, бериллием и др.), включая и цинк.

Маркируются бронзы буквами "Бр" (бронза), затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов, и цифрами, показывающими содержание этих элементов в процентах, остальное медь. Например, БрОФ 10-1 (олова - 10%, фосфора - 1%, остальное медь).

В технике широко применяются оловянистые бронзы (табл. 7, рис. 18). Раз­личают деформируемые оловянистые бронзы (содержание олова до 5-6%) и .литейные (содержание олова более 5-6%).

Рис. 18. Оловянистая бронза Бр010, Sn (10 масс. %). Литая структура. Структурные составляющие - кри­сталлы первичные, эвтектоид. х100 Вследствие дендритной ликвации светлые оси денд- ритов (твердый раствор на основе меди) сильно обо­гащены медью; вокруг них более темная оболочка с пониженным содержанием меди. Межосные про­странства сильно обогащены оловом и твердый рас­твор при охлаждении испытывает серию эвтектоид- ных превращений. Этот эвтектоид образует матрицу. Видна также черная пора - часть рассеянной усадоч­ной раковины - междендритная пористость.

Из деформируемых оловянистых бронз прессованием и штамповкой изготов­ляют ленты, листы, прутки, трубки, проволоку. Литейные оловянистые бронзы применяют для изготовления антифрикционных деталей, пароводяной арматуры, вкладышей подшипников. В оловянистые бронзы для улучшения обрабатываемо­сти резанием добавляют свинец, для улучшения механических и литейных свойств - цинк и фосфор.

Безоловянистые бронзы - сплавы меди с марганцем, алюминием, никелем, свинцом, бериллием и другими элементами имеют высокие механические, тех­нологические свойства, коррозионную стойкость (табл. 5).. Они также могут

быть двойными и сложнолегированными и используются для получения дета­лей давлением или литьем.

Марганцовистые бронзы отличаются высокими коррозионными свойства­ми, высокой пластичностью, хорошо обрабатываются давлением, сохраняют механические свойства при повышенных температурах (например, БрМц5 - до температуры 400-450⁰ С).

Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства. Они легко обрабатываются давлением в горячем состоянии, а при содержании алюминия до 7-8% - и в холодном. Они имеют хорошие литейные свойства, хотя и имеют значительную усадку.

Свинцовистые бронзы являются литейными сплавами, имеют высокие ан­тифрикционные свойства и применяются для изготовления высоконагружен- ных подшипников, работающих в условиях больших удельных давлений.

Кремнистые бронзы с содержанием кремния до 3% отличаются высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами, упругостью и коррозион­ной стойкостью. Эти бронзы легко обрабатываются резанием, давлением, сва­риваются. Применяют для изготовления пружин и других упругих деталей, ра­ботающих при повышенных температурах (до 250 °С), в агрессивных средах.

Бериллиевые бронзы имеют высокие прочностные свойства, высокую упру­гость, сопротивляемость коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Применяют для изготовления упругих элементов (мембран, пружин, пружинящих контактов); для деталей, работающих на износ (кулачки полуавтоматов и др.).

Сплавы на основе алюминия

Широкое применение сплавов на алюминиевой основе обосновано их отно­сительно высокими механическими и литейными свойствами, малой плотно­стью. Все сплавы алюминия можно разделить на три группы:

1. деформируемые, из которых получают полуфабрикаты - листы, проволо­ку, ленты, прутки, а также поковки и штамповки различными методами обра­ботки давлением, а именно: прессованием, прокаткой, ковкой, штамповкой;

2. литейные, из которых получают фасонное литье отливкой в земляные или металлические формы, применяют литье под давлением.

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на:

1. сплавы, не упрочняемые термообработкой - сплавы алюминия с марганцем

(АМц) или с магнием (АМг2, АМгЗ, АМг5, АМг6), имеющие умеренную проч­ность и пластичность, хорошую свариваемость, коррозионную стойкость.

2. сплавы, упрочняемые термической обработкой - дуралюмины (сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем, сплавы авиаль (АВ); высокопроч­ные алюминиевые сплавы (В95, В96).

Дуралюмины (маркируются буквой "Д" и цифрами, указывающими порядко­вый номер сплава (Д1 (рис. 19), Д16) применяются для изготовления ответст­венных деталей с высокой прочностью, требующих долговечности при пере­менных нагрузках. Например, из сплава Д16 изготавливают строительные кон­струкции, кузова грузовых автомобилей, обшивки и другие детали самолетов.

Рис. 19. Сплав на основе алюминия Д1, Cu (4.2 масс. %), Mn (0.6 масс. %), Mg (0.6 масс. %). Литая струк­тура. х100

Дюралюминий (классический). Зерна альфа-твердого раствора на основе алюминия и выделения Al₂Cu (те­та-фаза) по границам зерен (матрица). Видны также расположенные по границам зерен игольчатые вклю­чения S-фазы (CuMgAl2).

Сплавы типа авиаль (Al-Mg-Si) уступают дуралюминам в прочности, но имеют лучшую пластичность в холодном и горячем состоянии, хорошо свари­ваются и сопротивляются коррозии. Используются для элементов конструкций с умеренными нагрузками - лопастей винтов вертолетов, кованных деталей двигателя, рам, дверей.

Литейные сплавы на основе алюминия имеют высокую жидкотекучесть, сравнительно небольшую усадку, малую склонность к образованию горячих трещин наряду с высокими механическими свойствами и сопротивлением кор­розии. Наиболее широко применяют силумины - сплавы алюминия с кремни­ем, имеющие высокие литейные свойства. Маркируются они буквами "АЛ" (алюминиевый литейный) и цифрой, указывающей порядковый номер сплава в ГОСТе. Например: АЛ2, АЛ4 и т.д.

Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ12) имеют высокие механические свой­ства при повышенной температуре, хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с кремнием и медью (АЛ4, АЛ5, АЛб, АЛ7) применяются для изготовления средне - и сильнонагруженных деталей с высокими механи­ческими свойствами.

Деформируемые алюминиевые сплавы (табл. 6) применяют для ковки и штамповки. Маркируются буквами АК, указывающими назначение сплава (алюминиевый ковочный), и цифрой - его порядковым номером (АК1, АК6). В их состав, кроме алюминия, входит медь, магний, марганец, кремний. Кроме высоких механических свойств от этих сплавов требуется высокая пластич­ность в горячем состоянии. Из этих сплавов изготовляют картеры, двигатели, лопасти винтов, подмоторные рамы, крыльчатки и т.д.

Твердые сплавы

Кроме металлических конструкционных материалов есть и материалы, полу­ченные методами порошковой металлургии, где исходными материалами явля­ются порошки с размером частиц от 1 мм и до долей микрон.

Важнейшими характеристиками порошков являются - текучесть, прессуе- мость и спекаемость. Например, металлические порошки, отличаясь высокой активностью, хорошо спекаются, но плохо прессуются, активно поглощают га­зы из окружающей среды.

На свойства порошков, их поведение при спекании и прессовании оказывают влияние следующие факторы:

1. размер и форма частиц;

2. плотность порошков, зависящая от внутренней пористости, дефектов кри­сталлической решетки; содержание окислов и т.д.;

3. химическая активность порошков (зависит от поверхностной и внутренней энергий).

В технике получили широкое применение твердые сплавы на основе карби­дов тугоплавких металлов - вольфрама, титана, тантала. Они применяются в ка­честве материала для изготовления режущей части инструментов, имеющих высокую износостойкость и теплостойкость (способность сохранять твердость при нагреве до 1000 °С). Эти качества в значительной степени зависят от вели­чины зерна карбидов и количества связующего элемента - кобальта. При рав­ном содержании кобальта повышенную прочность будут иметь сплавы с более крупными карбидными частицами. Сплавы с небольшим количеством кобальта имеют высокую твердость и износостойкость, но пониженную прочность и ис­

пользуются для чистового точения. Сплавы с повышенным содержанием ко­бальта применяют для черновой обработки, так как они характеризуются высо­кой эксплуатационной прочностью, но невысокой износостойкостью.

Применяют следующие типы твердых сплавов на основе карбидов вольфра­ма, титана, тантала со связующим элементом - кобальтом (табл. 8): BK - (WC + Co), TTK - (WC + TiC + TaC + Co), TK - (WC + TiC + Co).

Сплавы группы "ВК" применяют при обработке хрупких материалов - чугу­на, бронзы, фарфора, стекла. Сплавы группы "ТК" - при обработке вязких мате­риалов (сталей, латуней и т.п.) Сплавы группы "ТТК" применяют для обработки горных пород, бурении нефтяных скважин.

Кроме твердых сплавов, методами порошковой металлургии получают дета­ли с антифрикционными свойствами (имеющими низкий коэффициент трения, рис. 20), фрикционными (работающими с высоким коэффициентом трения), по­ристые материалы, электропроводники и другие детали.

Рис. 20. Сплав Б83, Sb (11 масс. %), Cu, (6 масс. %). Литая структура. х100Подшипниковый сплав баб­бит. Темная матрица - мягкий твердый раствор на основе олова. Крупные светлые ограненные кри­сталлы - хим.соединение SnSb (с высокой твердо­стью). Мелкие светлые включения - химическое со­единение Cu3Sn, кристаллизующееся в первую оче­редь и препятствующее ликвации по плотности

Композиционные материалы

Композиционные материалы состоят из матрицы (элементарного вещества или

сплава) и распределенной в ней второй фазы, более прочной, чем матрица, и до­бавленной для изменения механических свойств. Поэтому прочность композиции в целом зависит от прочности второй, упрочняющей фазы. А так как многие мате­риалы в виде волокон (тонких нитей) обладают очень высокими механическими свойствами в широком диапазоне температур, то появилась возможность создания высокопрочных композиций, где прочность и другие механические свойства зави­сят от свойств волокон и силы связи на границе раздела матрица-волокно.

Матрица передает волокнам приложенную нагрузку посредством касатель­ных сил, действующих на поверхность раздела.

В технике применяют различные композиты, представляющие металличе­скую матрицу, армированную высокопрочными волокнами - неметаллически­ми, нитевидными монокристаллами (усами), металлическими (проволокой).

Волокна из неметаллических материалов получают из окиси алюминия, нит­ридов бора, окиси хрома, двуокиси кремния, углерода и т.д. По масштабам производства среди всех неметаллических материалов первое место занимают углеродные волокна, превосходящие по своим, механическим свойствам все жаростойкие волокнистые материалы.

Нитевидные монокристаллы - "усы" (НК) представляют собой иглообразные высокопрочные материалы с большим отношением длины к диаметру. Обычно применяют кристаллы длиной 100 - 2500 мкм и диаметром 1 - 10 мкм. Проч­ность НК во многих случаях приближается к теоретической. Материалы доро­гие, но с высокими прочностными свойствами.

Металлические волокна дешевы, технологичны, имеют стабильные свойства, но низкие характеристики прочности и жаропрочности. В качестве металличе­ских волокон применяют проволоку из стали, титана и его сплавов, никеля, бе­риллия, вольфрама, молибдена, железоникелевых и кобальтовых сплавов и др.

Порядок выполнения работы

1. Составить конспект по теоретической части работы.

2. Для изучаемых марок сплавов индивидуального задания (табл. 1) запол­нить таблицу 2, пользуясь справочным материалом таблиц 3 - 14 или рекомен­дованной литературы.

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Краткое описание основных марок цветных сплавов и композиционных материалов, их свойств и областей применения.

3. Результаты выполнения задания (табл. 2).

Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называются латунями и как они маркируются?

2. Какие сплавы называются бронзами и как они маркируются?

3. Как подразделяют сплавы на основе меди по способу технологической обработки?

4. Какие сплавы называют силуминами и как они маркируются?

5. Какие сплавы алюминия относятся к деформируемым, не упрочняемым термической об­работкой и как они маркируются?

6. Что такое дуралюмины и как они маркируются?

7. Где применяют материалы, изготовленные методами порошковой металлургии?

8. Как влияет количество кобальта на механические свойства твердых сплавов?

9. Какие типы волокон применяют в композитах и как они влияют на свойства получаемого материала?

Варианты индивидуальных заданий

№ варианта (список группы)	Отдельные марки сплавов, применяемые в машиностроении
1.	AK8	БрА5	BK20	Д1	Л062-1	T30K4
2.	AMг1	БрА7	ВК10	Д16	Л090-1	Т14К8
3.	АК4	БрАЖ9-4Л	ВК15	Д18	Л60-1	Т15К6
4.	АК4-1	БрАЖН10-4-4Л	ВК25	Д19	Л63	Т5К10
5.	АК6	БрАЖНЮ-4-4	ВК4	Д20	Л68	Т5К12
6.	АК8	БрАМцЮ-2	ВК6	Д1	Л70	T30K4
7.	АЛ1	БрАН6-6	ВК8	Д16	Л80	Т14К8
8.	АЛ19	БрБ2	ВКЗ	Д18	Л90	Т15К6
9.	АЛ2	БрБНТ2-1-1	BK20	Д19	Л96	Т5К10
10.	АЛ20	БрКМцЗ-1	ВК10	Д20	ЛА77-2	Т5К12
11.	АЛ27	БрКН1-3	ВК15	Д1	ЛА77-2	T30K4
12.	АЛ32	БрМгО,3	ВК25	Д16	ЛАЖ60-1-1	Т14К8
13.	АЛ4	БрОС5-2	ВК4	Д18	ЛЖМц59-1-1	Т15К6
14.	АЛ6	БрОФ4-0,25	ВК6	Д19	ЛЖС58-1-1	Т5К10
15.	АЛ8	БрОФ6,5-0,15	ВК8	Д20	ЛК80-3	Т5К12
16.	АЛ9	БрОЦ4-3	ВКЗ	Д1	ЛКС80-3-3	T30K4
17.	АЛЗ	БрОЦС-4-4-2,5	BK20	Д16	ЛН65-5	Т14К8
18.	АЛЗ0	БрОЦС5-5-5	ВК10	Д18	ЛО62-1	Т15К6
19.	АМг2	БрОЦСНЗ-7-5-1	ВК15	Д19	ЛО70-1	Т5К10
20.	АМг4	БрСЗ0	ВК25	Д20	ЛС59-1	Т5К12
21.	АМг5	БрА5	ВК4	Д1	ЛС60-2	T30K4
22.	АМг6	БрА7	ВК6	Д16	ЛС63-3	Т14К8
23.	АМг3	БрАЖ9-4Л	ВК8	Д18	ЛС74-3	Т15К6
24.	АМц	БрАЖН10-4-4Л	ВКЗ	Д19	Л062-1	Т5К10
25.	AK8	БрАЖНЮ-4-4	BK20	Д20	Л090-1	Т5К12
26.	AMг1	БрАМцЮ-2	ВК10	Д1	Л60-1	T30K4
27.	АК4	БрАН6-6	ВК15	Д16	Л63	Т14К8
28.	АК4-1	БрБ2	ВК25	Д18	Л68	Т15К6
29.	АК6	БрБНТ2-1-1	ВК4	Д19	Л70	Т5К10
30.	АК8	БрКМцЗ-1	ВК6	Д20	Л80	Т5К12
31.	АЛ1	БрКН1-3	ВК8	Д1	Л90	T30K4
32.	АЛ19	БрМгО,3	ВКЗ	Д16	Л96	Т14К8
33.	АЛ2	БрОС5-2	BK20	Д18	ЛА77-2	Т15К6
34.	АЛ20	БрОФ4-0,25	ВК10	Д19	ЛА77-2	Т5К10
35.	АЛ27	БрОФ6,5-0,15	ВК15	Д20	ЛАЖ60-1-1	Т5К12
36.	АЛ32	БрОЦ4-3	ВК25	Д1	ЛЖМц59-1-1	T30K4
37.	АЛ4	БрОЦС-4-4-2,5	ВК4	Д16	ЛЖС58-1-1	Т14К8
38.	АЛ6	БрОЦС5-5-5	ВК6	Д18	ЛК80-3	Т15К6
39.	АЛ8	БрА5	ВК8	Д19	ЛКС80-3-3	Т5К10
40.	АЛ9	БрА7	ВКЗ	Д20	ЛН65-5	Т5К12

Таблица 2

Результаты выполнения зад				ания
Марка сплава	Название сплава	Примерный состав	Назначение	Технологический способ изготовления заготовок из данного сплава

таблица 3