12 Микроструктура цветных металлов и их сплавов (Лабораторная работа)

12.1 Цель работы

Научиться проводить микроанализ цветных сплавов. Изучить диаграммы Cu–Zn, Al– Si, маркировку меди, алюминия и сплавов на их основе, микроструктуру и маркировку баб-битов.

12.2 Задание

12.2.1 Изучить справочные данные. Ознакомиться с устройством и работой приборов, используемых в работе.

12.2.2 Написать отчёт.

12.3 Оборудование и материалы на рабочем месте

12.3.1 Металлографический микроскоп МИМ–7.

12.3.2 Набор микрошлифов цветных сплавов.

12.4 План выполнения работы

12.4.1 Описать свойства, маркировку меди.

12.4.2 Изобразить участок диаграммы состояния «Cu–Zn» с содержанием цинка до

55%, пояснить её.

12.4.3 Изобразить график зависимости механических свойств латуни от содержания цинка, дать пояснения.

12.4.4 Описать свойства, маркировку и назначение чистого алюминия.

12.4.5 Изобразить участок диаграммы «Al–Si», имеющий практическое значение.

12.4.6 Изучить микроструктуры цветных металлов и сплавов, зарисовать их, указать маркировку и область применения, механические свойства, термическую обработку чистой меди, однофазной и двухфазной латуни, оловянистой, свинцовистой и др. бронзы, силумина, дуралюмина.

12.4.7 Описать требования, предъявляемые к подшипниковым сплавам.

12.4.8 Изобразить микроструктуру, маркировку, примеры применения подшипнико-вых сплавов.

12.5 Справочные данные

Все сплавы, кроме сплавов на основе железа, называются цветными, наибольшее рас-пространение получили сплавы меди, алюминия, титана, никеля, олова, свинца, цинка, маг-ния. Цветные сплавы дороже чёрных металлов, более дефицитны, но они обладают рядом ценных физических, химических и технологических свойств, благодаря которым являются незаменимыми.

80

Медь и её сплавы

Медь – вязкий металл красновато–розового цвета. Кристаллическая решётка – ГЦК. Микроструктура меди состоит из зёрен с характерными двойниками (рисунок 12.1). Плот-

ность меди – 8,94·10	3	кг/м	3	. Чистая медь нашла широкое применение в электромашино-

строении и при производстве проводов, т.к. по электропроводности занимает второе место после серебра. Кроме этого, медь имеет хорошую теплопроводность, коррозионную стой-кость, пластична, хорошо обрабатывается давлением. В зависимости от чистоты выпускают следующие марки меди: МОО(99,99%Cu), MO(99,95%Cu), M1 (99,9%Cu), M2(99,7%Cu), M3(99,5%Cu), M4(99%Cu). Из–за невысокой прочности чистая медь как конструкционный материал не применяется. В качестве конструкционного материала используются сплавы ме-ди: латуни и бронзы.

Рисунок 12.1 – Схема структуры меди после отжига (х250)

Латунь – сплав меди с цинком. Практическое применение нашли сплавы с содержа-нием цинка до 50%. Это связано с тем, что при увеличении содержания цинка механические свойства латуни улучшаются (рисунок 12.2), возрастает временное сопротивление разрыву

 , относительное удлинение  . При увеличении содержания цинка более 45% механиче-

в в

ские показатели латуни резко ухудшаются. Это объясняется изменением структуры латуни согласно диаграмме состояния Cu–Zn (рисунок 12.2 а).

Из диаграммы видно, что латуни с содержанием цинка до 39% –однофазны и имеют наибольшую пластичность. С увеличением содержания цинка возрастают твердость и проч-

ность латуни, так как в структуре образуется вторая фаза –		– раствор. Пластичность лату-

ни с его появлением резко падает, а временное сопротивление возрастает, достигая макси-мума при 45% Zn.

Дальнейшее увеличение содержания цинка связано с появлением хрупкого  – рас-твора и уменьшением прочности. Эти сплавы в промышленности не нашли применения. Маркируются латуни по ГОСТ15527–70: Л–80 (Л–латунь, цифра указывает процентное со-держание меди – 80%). Для изменения свойств латуни в её состав вводят добавки, например, свинец, олово. В марке многокомпонентной латуни указывается входящие в её состав эле-менты, например, ЛС59–1 (латунь: 59% меди, 1% свинца). Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, никель, марганец, кремний и др. элементы.

81

Рисунок 12.2 – Диаграммы сплавов меди с цинком

Латунь Л90 – однофазна, её называют «томпак». Однофазную латунь можно обрабатывать давлением в холодном состоянии (штамповкой, волочением, прокаткой). Это вязкий материал, поэтому обработка его резанием затруднена. Из неё изготавливают топливопроводы, бачки.

Двухфазная латунь Л62 дешевле, но менее пластична, так как в её структуре кроме  – раствора появляется твердый  – раствор. При обработке её давлением требуется предвари-тельный подогрев до температуры 700…800°, когда латунь переходит в однофазное состояние. Детали из двухфазной латуни получают главным образом прокаткой, прессованием. Из неё из-готавливают тройники, втулки, краны, прокладки.

Структура латуни показана на рисунок 12.3 а, б.

Рисунок 12.3 –. Микроструктура латуни: а – однофазной; б – двухфазной, х300

82

Состав, свойства и применение латуней приведены в таблице 12.1.

Таблица 12.1 – Состав, свойства и применение латуней ГОСТ 15527 и ГОСТ 17711–93

Химический состав, %

Механические свой-

Марка сплава

ства

Назначение

Сu

Zn

Аl

Fe

Mn

РЬ

НВ

 ,%



в ,МПа

Латуни, обрабатываемые давлением (после отжига)

Л96

96

4

–

–

–

–

–

50

240

Радиаторы, трубки теплообмен-

ников, конденсаторы

Л70

70

30

–

–

–

–

–

55

320

Детали, изготавливаемые штам-

повкой: патрубки, кольца и т.д.

Л68

62

38

–

–

–

–

56

49

330

Радиаторы, трубопроводы, па-

трубки, уплотнительные кольца

Литейные латуни

Гайки нажимных винтов, рабо-

ЛАЖМц 66–6–

66

20

6

3

2

–

160

7

650

тающие в тяжелых условиях,

3–2

массивные червячные винты,

детали редукторов

Подшипники скольжения, втул-

ЛМцС58–2–2

58

36

–

–

2

2

80

8

350

ки и др. антифрикционные дета-

ли, армировка вагонных под-

шипников

Арматура для морского судо-

ЛЖМц 55–3–1

55

38

–

1

3

–

100

10

500

строения (гребные винты, лопа-

сти), ответственные детали не-

сложной конфигурации

Бронзы – это сплавы меди с оловом, алюминием и другими элементами за исключением цинка. В технике нашли широкое применение оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бе-риллиевые бронзы. Бронзы легируют цинком, свинцом, железом, никелем. Цинк улучшает тех-нологические свойства бронзы, удешевляет её. Фосфор улучшает литейные, антифрикционные свойства бронзы, повышает твёрдость. Никель улучшает коррозионную стойкость, уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но уменьшает технологические свойства. Легирование свинцом повышает плотность отливок.

Маркируются бронзы следующим образом: БрАЖ9–4, Бр – бронза. Элементы входящие в её состав, указывают буквы: А – алюминий, Ж – железо, С – свинец, О – олово, Б – бериллий. Цифры определяют соответственно количество этих элементов, остальное – медь. В бронзе БрАЖ9–4 – 9%Al, 4%Fe, остальное – медь.

Бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо обрабатываются резанием, не-которые из них успешно обрабатываются давлением. У бронз хорошие литейные свойства, усадка при литье в три раза меньше, чем у стали.

Оловянистые бронзы. Влияние олова на структуру и свойства сплава в 2 раза больше, чем влияние цинка. Этот сплав применяют давно, в основном, как антифрикционный материал для

83

изготовления подшипников скольжения. Оловянистые бронзы благодаря высокой химической стойкости, нашли применение при изготовлении паровой, водяной арматуры.

В промышленности применяются сплавы с содержанием олова до 14%. В литой оловяни-стой бронзе (рисунок 12.4 в) в структуре видны темные участки  – раствора, обогащенные медью. Они имеют дендритное строение. Междендритная зона, богатая оловом, и эвтектоидо-стаются светлыми участками. Наличие твердого эвтектоида в мягкой основе литой бронзы обеспечивает хорошие антифрикционные свойства. Если бронзу подвергнуть диффузионному отжигу при 700ºС, то химический состав ее выравнивается и структура станет однородной (12.4 б). Антифрикционные свойства после этого ухудшаются.

Рисунок 12.4 – Структура оловянистой бронзы (6%Sn):

а – литой; б – отожженной (х 250)

Свинцовистые бронзы (БрС30, БрСН60–2,5) – более дешевый антифрикционный матери-ал, который применяют для изготовления подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. Теплопроводность БрС30 в 4 раза больше, чем у оловянистой бронзы, поэтому она может работать в более тяжелых условиях. Медь и свинец почти не растворимы друг в друге, и в мягкой медной основе располагаются ещё более мягкие выделения свинца. Это обеспечивает хорошие антифрикционные свойства и теплопроводность бронзы.

Недостаток бронзы – сильная ликвация по удельному весу. Уменьшить ликвацию можно быстрым охлаждением и модифицированием никелем. При применении подшипников из свин-цовистой бронзы необходимо, чтобы шейки вала имели высокую твердость.

Алюминиевые бронзы (БрА5, БрАЖ9–4 и др.) отличаются высокими механическими, ан-тикоррозионными и антифрикционными свойствами, по прочности не уступают углеродистым сталям. Детали из алюминиевых бронз хорошо работают в условиях усиленного износа, повы-шенного давления, высоких температур.

Бериллиевые бронзы (БрБ2, БрБНТ1,7) содержат бериллия до 2,5%. Они имеют хорошие антикоррозионные свойства, хорошо свариваются, обрабатываются резанием.

Химический состав, механические показатели, примеры применения бронз указаны в таб-лице 12.2.

84

Таблица 12.2 – Состав, механические свойства и применение бронз

Марка сплава

Химический состав, %

Механические свойства

Назначение

Sn

Zn

Pb

Mn

Fe

Al

НВ

 ,%



в ,МП

Оловянистые бронзы ГОСТ 5017–74

Антифрикционные

детали

и

арматура:

БрОЦС 3–12–5

3

12

5

–

–

–

60

5–8

210

втулки,

подшипники,

вкладыши,

червяки,

червячные

колёса и

др.

БрОЦС 5–5–5

5

5

5

–

–

–

60...75

12...16

250

Антифрикционные

детали и арматура

БрОЦС 6–6–3

6

6

3

–

–

–

60...75

8...12

200

Антифрикционные

детали и арматура

БрО 10

10

–

–

–

–

–

70...80

3...10

300

Сложное

фасонное

литьё

Пружины,

антифрик-

ционные детали; про-

БрОЦС 4–4–2,5

4

4

2,5

–

–

–

60

45

350

кладки, втулки, под-

шипники в

автотрак-

торной

промышлен-

ности

Алюминиевые бронзы ГОСТ 493–79, 18175–78

БрА 7

–

–

–

–

–

6…7

70

45

300

Пружины и пружи-

нящие стали

Ответственные дета-

БрАж 9–4

–

–

–

–

…

8...10

110

40

600

ли: шестерни, втулки,

сёдла клапанов и т.д.

Ответственные дета-

БрАЖМц–

–

–

–

1…2

2...4

9...11

130

22

560

ли: шестерни, втулки,

10–3–1,5

подшипники сколь-

жения

Алюминий и его сплавы – металл серебристо–белого цвета, температура его плавле-

ния – 660°С. Это лёгкий металл, его плотность – 2,7·10 3

кг/м 3 . Он очень пластичен, относи-

тельное удлинение 

=40%. Электропроводность алюминия составляет 65% от электропро-

водности меди. Он имеет хорошую коррозионную стойкость, так как на его поверхности об-разуется стойкая окисная плёнка.

• зависимости от чистоты выпускают алюминий: особо чистый А999 (99,999%Al), высокой чистоты А99, А995, А97, А95 (99,95%Al), технически чистый А85, А8, А7, А6, А0

(99,0%Al).

Технически чистый алюминий как конструкционный материал используют мало. Бо-

85

лее широко применяют сплавы алюминия, которые разделяются на литейные и деформируе-мые.

Рисунок 12.5 – Диаграмма состояния Al – Si

Литейные сплавы отличаются повышенным содержанием легирующих примесей. Эти спла-вы должны иметь хорошую жидкотекучесть, малую усадку, высокую прочность, обрабатывае-мость режущим инструментом. Литейные сплавы алюминия с кремнием называют «силумины». Эти два компонента имеют диаграмму с эвтектикой, которая образуется при содержании кремния 11,7% и плавится при температуре 557ºС. Кремний в небольших количествах растворяется в алюминии. Чаще всего находят применение сплавы, содержащие 12…13% кремния, т.е. эвтекти-ческие сплавы. Для улучшения строения эвтектики и повышения механических свойств силуми-ны модифицируют смесью NaCl и NaF. Микроструктура силумина показана на рисунке 12.6.

Рисунок 12.6 – Микроструктура силумина: а – до модифицирования;

б – после модифицирования

Маркируются литейные сплавы: АЛ2 – сплав алюминиевый литейный, 2 – порядко-вый номер по ГОСТ 2685–75.

Литейные алюминиевые сплавы образуют медь, магний, цинк. Присадки марганца, никеля, хрома, титана улучшают свойства литейных сплавов.

Деформируемые сплавы алюминия. К этим сплавам предъявляются требования: высо-кая прочность и способность поддаваться пластической деформации. Деформируемые спла-

86

вы делятся на:

– упрочняемые термической обработкой;

– термически неупрочняемые.

Деформируемые, упрочняемые термической обработкой сплавы приобретают высокие механические свойства и коррозионную стойкость после термообработки (закалка и отпуск или старение). К упрочняемым термической обработкой относятся сплавы:

– дуралюмины, сплавы Al–Cu–Mg (марки Д1, Д16), сплавы Al–Cu–Mg–Si (марки АК6,

АК8);

– авиали – сплавы на основе Al–Mg–Si (марки АВ, АД31);

– жаропрочные – сплавы на основе Al–Mg–Ni–Сu, марки этих сплавов – АК2ТН, АК4, ВД17 (К – "ковочные", последующие цифры – это номер сплава).

Для закалки дуралюмин обычно нагревают в соляных ваннах или электропечах до температуры 495–510°С, потом быстро охлаждают в воде. После закалки прочность и твёр-дость дуралюмина почти не изменяются и остаются относительно невысокими. Для увеличе-ния этих показателей дуралюмин подвергают естественному при 20ºС или искусственному

при 200ºС старению, которое обеспечивает ему высокие механические свойства

(



в

450

МН/м	2	, НВ до 150). Это объясняется изменением структуры после каждого вида T.Q., кото-

рое показано на рисунок 12.7. Пластическую деформацию детали необходимо проводить до старения дуралюмина, пока он находится в однофазном состоянии.

а б в

Рисунок 12.7 – Микроструктура сплава Д16: а – литой сплав;

б – сплав после закалки; в – сплав после закалки и старения

Крупным недостатком сплавов типа дуралюмина является их низкая коррозионная стойкость, особенно в морской воде. Для предохранения от коррозии детали подвергают плакированию. Перед прокаткой заготовку из дуралюмина покрывают тонкими листами чи-стого алюминия, нагревают её и прокатывают до нужной толщины. В результате на поверх-ности образуется равномерный слой, стойкий против коррозии.

Термически неупрочняемые деформируемые сплавы – сплавы алюминия с магнием или марганцем. Прочность этих сплавов повышается в результате пластической деформации в холодном состоянии (нагартовки).

Марки сплавов на основе Аl–Mg–Mn, Al–Mn: АД, АД1, АМц, АМг, АМг3. В конце маркировки дополнительно указывают состояние сплава буквами: М – мягкий отожженный, Н – нагартованный, О – отожженный, П – полунагартованный. Например, АМгЗП, АМгЗН.

87

Эти сплавы применяют при изготовлении различных сварных емкостей для горючего, кис-лот, трубопроводов, ферм, балок строительных конструкции.

Антифрикционные подшипниковые сплавы применяют для изготовления подшип-ников скольжения. Основные требования к подшипниковым сплавам:

– они должны иметь достаточно высокую твердость, но не вызывать сильного износа

вала;

– низкий коэффициент трения;

– хорошую прирабатываемость;

– низкую температуру плавления, хорошие технологические свойства и сцепляе-мость с заливаемой поверхностью;

– хорошую теплопроводность, коррозионную стойкость в среде масел с кислотами;

– удерживать смазку на своей поверхности;

– выдерживать большие удельные давления.

Для обеспечения этих свойств антифрикционные сплавы имеют гетерогенную струк-туру, состоящую из мягкой пластичной основы и включений более твердых частиц. При вращении вал опирается на твердые частицы, которые обеспечивают износостойкость спла-ва, а мягкая основа, истирающаяся более быстро, прирабатывается к валу и образует сеть ка-налов, по которым циркулирует смазка и удаляются продукты износа.

• качестве антифрикционных сплавов в технике применяют сплавы на основе алюми-ния, олова и свинца (баббиты), медно–свинцовые сплавы, сплавы на основе цинка, чугуны.

• современном машиностроении применяют алюминиевые подшипниковые сплавы AО20–1, AH2,6, в состав которых входит Sn, Сu, Ni, Si. Олово повышает антифрикционные свойства сплава, но его количество не должно превышать 12%, т.к. оно снижает износостой-кость.

Названные сплавы идут на изготовление биметаллических подшипников (на стальную ленту накатывается алюминиевый сплав).

Сплавы на алюминиевой основе используют во многих дизельных и карбюраторных двигателях для изготовления коренных и шатунных вкладышей.

Баббиты – это антифрикционные сплавы на основе олова и свинца. Хорошо зареко-мендовал себя оловянный баббит Б83 (83%Sn,ll%Sb, 6%Cu). Олово и сурьма сильно отлича-ются по плотности, поэтому сплавы этих металлов склонны к ликвации по удельному весу. Для предупреждения ликвации в баббиты вводят медь. Она образует с сурьмой химическое соединение (CuSn), которое кристаллизуется первым, препятствуя всплыванию кубических кристаллов SnSb.

Кристаллы химического соединения – твердые включения. Они повышают износо-стойкость баббита, Микроструктура оловянного баббита (рисунок 12.8) состоит из мягкой основы (тёмное поле) –  – раствора сурьмы и меди в олове. Светлые крупные кристаллы квадратной формы – соединение SnSb(  ); светлые иглы – соединение Cu ₃ Sn. Оловянные

баббиты используют для изготовления подшипниковых особо нагруженных машин (турбо-насосы, паровые турбины, компрессоры).

88

Рисунок 12.8 – Схема микроструктуры баббита Б83

Свинцовые баббиты применяют для изготовления менее нагруженных подшипников. Баббиты Б16, БН, БС6 имеют структуру, состоящую из раствора олова, сурьмы и меди в свинце (мягкая составляющая) и твёрдых частиц химсоединений Cu 3 Sn, Cu 2 Sb, SnSb.

На железнодорожном транспорте получили распространение кальциевые баббиты (БК2). Сплавы БК принадлежат к системе Pb–Ca–Na, имеют хорошие антифрикционные свойства, менее хрупки и более износостойки, чем свинцовый баббит БС.

Цинковый антифрикционный сплав ЦАМ 10–5 (10%Al, 5%Cu, 85% Zn) применяют для изготовления монометаллических сплавов, отливки биметаллических изделий со сталь-ным корпусом. Применяются в узлах трения, рабочая температура которых не превышает 100°С.

Антифрикционный чугун. Для изготовления неответственных подшипников приме-няют высококачественный серый, ковкий и высокопрочный чугуны с перлитной металличе-ской основой и повышенным содержанием графита, который сам служит смазкой и впитыва-ет масло, понижая коэффициент трения.

12.6 Содержание отчёта

• отчёт включаются: цель работы, определения меди, алюминия, бронзы, баббитов, их свойства, маркировка, диаграммы сплавов меди с цинком и диаграмма состояния «Al–Si», выводы.

12.7 Вопросы для контроля

12.7.1 Назвать основные преимущества и недостатки цветных сплавов по сравнению со сталью.

12.7.2 Указать свойства и область применения меди, алюминия и их сплавов.

12.7.3. Указать маркировку и классификацию цветных сплавов.

12.7.4 Какие требования предъявляются к подшипниковым сплавам?

12.7.5 Какие сплавы применяются для изготовления подшипников скольжения?

12.7.6 Изобразить структуру цветных сплавов.

89

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев, Г.В. Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Материаловедение» [Электронный ресурс] : учебное пособие / Г.В. Алексеев, И.И. Бриденко, С.А. Вологжанина. — Электрон. дан. — СПб. : Лань, 2013. — 208 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=38834.

2. Буслаева Е.М. Материаловедение [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Буслаева Е.М.— Электрон. текстовые данные.— Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2012. - 148c.— Режим досту-

па: http://www.iprbookshop.ru/735.

Ржевская, С.В. Материаловедение [Электронный ресурс] : учебник. — Электрон. дан. —

М. : Горная книга, 2005. — 447 с. — Режим доступа:

http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=3217.

4. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Богодухов С.И., Синюхин А.В., Козих Е.С.— Электрон. текстовые данные.—

М.: Машиностроение, 2010.— 352 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/5121.

Электронно–библиотечные системы библиотеки, используемые в Кубанском ГАУ Информационно–телекоммуникационные ресурсы сети «Интернет»:

1. Зарембо Е.Г. Материаловедение [Электронный ресурс]: учебное иллюстрированное пособие/ Зарембо Е.Г.— Электрон. текстовые данные.— М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2009.— 49 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/16216.

2. Сазонов К.Е. Материаловедение [Электронный ресурс]: руководство к лабораторным работам/ Сазонов К.Е.— Электрон. текстовые данные.— СПб.: Российский государственный

гидрометеорологический университет, 2006.— 96 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/17932.

3. Спицын, И.А. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Раздел: «Обработка материалов резанием» : рабочая тетрадь для выполнения лаб. работ / А.А. Орехов, И.А. Спицын .— Пенза : РИО ПГСХА, 2015. – 40 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rucont.ru/efd/292798.

4. Мельников, А. А. Материаловедение. Конспект лекций. Ч. 1. Материаловедение и термическая обработка [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. акад. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т), А. А. Мельников .— Самара : Изд-во СГАУ,

2011 .— 65. - [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rucont.ru/efd/230134.

90

Учебное издание

Чеботарев Михаил Иванович,

Тарасенко Борис Федорович,

Карпенко Владимир Денисович,

Горовой Сергей Алексеевич