Тема 10 Цветные металлы и сплавы

10.1. Алюминий. Деформируемые и литейные сплавы алюминия.

10.2. Медь и ее сплавы.

10.3. Титан и сплавы титана.

10.4. Магний и магниевые сплавы.

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Это связано с тем, что данные материалы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

10.1. Алюминий. Деформируемые и литейные сплавы алюминия.

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 600^oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.

Свойства алюминия определяют его применение:

• высокая пластичность – позволяет производить глубокую штамповку и прокатку до малой толщины (пищевая алюминиевая фольга)

• высокая электропроводность (65% от меди) – для электротехнических целей (провода)

• высокая коррозионная стойкость. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.

Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия. В зависимости от постоянных примесей различают:

• алюминий особой чистоты, марки А999 (0,001% примесей)

• алюминий высокой чистоты маркируется А935, А99, А97, А95 (0,005–0,5% примесей). Пример А99 (99,99%Al), A97 (99,97%Al).

• Технический алюминий А85, А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85% до 99,0%).

Технический алюминий маркируют АД0, АД1.

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

Механические свойства алюминия невысоки, поэтому как конструкционный материала он применяется ограниченно. Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Mn, Mg, Cu, Si, Zn).

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

• деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

• деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

• литейные сплавы.

Деформируемые предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, труб и т.п.), а также поковок и штамповых заготовок. Литейные предназначены для фасонного литья.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Сплавы:

• алюминия с магнием, марки АМг

• алюминия с марганцем, марки АМц

После обозначения элемента указывается его содержание (АМг3 – 3% магния).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Сплавы пластичны, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

• Дуралюмины

Сплавы Al-Cu-Mg и дополнительно вводят марганец. Медь и магний – для повышения прочности, марганец – для повышения коррозионной стойкости.

Д1 (Cu4%, Mg0,4–0,6%, Mn0,4–0,8%)

Д16 (Cu4%, Mg1,2–1,8%, Mn0,3–0,9%)

С целью упрочнения дуралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток. После закалки структура – -твердый раствор и нерастворимые соединения железа.

Широкое применение дуралюмины находят в авиастроении (обшивки самолетов), автомобилестроении (кузова грузовых автомобилей), строительстве.

• Высокопрочные сплавы

Сплавы Al-Cu-Mg-Zn. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость.

В95 (1,4–2 %Cu, 1,8–2,8%Mg, 0,2–0,6%Mn, 5–7%Zn, 0,2–0,25%Cr)

В93

В96

Подвергают закалке и старению.

По прочностным показателям высокопрочные алюминиевые сплавы превосходят дуралюмины, однако, они менее пластичны и чувствительны к концентраторам напряжений.

Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

• Сплавы для ковки и штамповки

Сплавы Al-Cu-Mg с добавками кремния.

АК2

АК6 (1,8–2,6%Cu, 0,4–0,8%Mg, 0,4–0,8%Mn, 0,7–1,2%Si)

АК8 (3,9–4,8%Cu, 0,4–0,8%Mg, 0,4–1%Mn, 0,6–1,2%Si)

Подвергают закалке и старению. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплавы применяют для высоконагруженных штампованных деталей – поршней, лопастей винтов и др.

• Жаропрочные сплавы

Имеют сложный химический состав, дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей. Они могут эксплуатироваться при температурах до 300С.

АК4-1, Д20.

Литейные сплавы

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

По составу близки к эвтектике и поэтому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Маркировка АЛ: А–означает, что сплав алюминиевый; Л – литейный; цифра – порядковый номер в ГОСТе.

Чем выше порядковый номер, тем меньше кремния, дальше от эвтектики

Применение:

АЛ2 (содержит 10–13% кремния) – тонкостенные детали сложной формы – корпуса двигателей и приборов;

АЛ4 (содержит 8–10% кремния) – высоконагруженные детали – корпуса компрессоров, поршни цилиндров и т.д.;

АЛ9 (содержит 6–8% кремния) – детали средней нагруженности, но сложной конфигурации.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.