РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава6. Тяжелыецветныеметаллыисплавы

6.1. Структураисвойствамеди

Чистая медь – светло-розовый пластичный металл, имеющий кристаллическую решетку гранецентрированного куба с параметром 3,607 Å. Медь относится к тяжелым металлам, ее плотность при 20 °С − 8,94 г/см3, температура плавления меди 1 083 °С. Медь обладает резко выраженными металлическими свойствами, основными из которых являются высокая электропроводность, теплопроводность и пластичность. Сплавы меди обладают хорошей коррозионной стойкостью, высокими технологическими свойствами.

Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением не только при высоких температурах, но и в холодную. При обработке давлением суммарные обжатия могут достигать 90 %, после чего для дальнейшего деформирования требуется промежуточный отжиг. Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке, а также обладают хорошей обрабатываемостью резанием.

К недостаткам меди следует отнести ее сравнительно высокую плотность, а также склонность к окислению при повышенных температурах, коррозионному растрескиванию и водородной болезни.

Маркировка, свойства, применение меди. Марки меди обозначают буквой «М», цифры показывают степень чистоты, буквы после цифр обозначают метод очистки или особенность применения: к − катодная, р – рафинированная с раскислением, ф − раскисленная фосфором, б – бескислородная медь. В зависимости от чистоты медь подразделяют на несколько марок: М00, М0, М0б, М1б, M1, M1p, M2, М2р, М3, М3р. Наименьшее содержание примесей в меди марки М00 (99,99 % Сu) и наибольшее в М3 (99,50 % Сu). В меди марок M1, M2, М3 содержание кислорода составляет 0,05–0,08%. Раскисленная медь отличается от обычных марок пониженным содержанием кислорода (не более 0,01 %), в бескислородной меди его количество еще меньше (менее 0,001 %).

Большое количество меди используется в промышленности в чистом виде как электропроводный материал (провода, кабели, электротехническая аппаратура). На основе меди приготовляют сплавы (латуни, бронзы, медноникелевые сплавы).

В зависимости от чистоты, медь поставляют по ГОСТ 859-2001 нескольких марок (табл. 6.1).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Таблица 6.1

Марки меди и ее применение

Влияние примесей на структуру и свойства меди. В меди могут быть следующие примеси: кислород, свинец, висмут, сера, фосфор и др. Примеси в меди снижают пластичность, электропроводность и теплопроводность, увеличивают электросопротивление, вызывают упрочнение меди, могут ухудшить технологические свойства меди.

По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы. К первой группе относятся металлы, растворимые в твердой меди (Аl, Fe, Ni, Zn, Ag, Sb). Вторую группу представляют элементы, практически не растворимые в твердой меди и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Bi, Pb). Третью группу составляют полуметаллические и неметаллические элементы, образующие с медью химические соединения (О, S, P, Se, Те, As и др.), а растворимость их в твердой меди, кроме фосфора, ничтожно мала.

Элементы первой группы не влияют на свойства меди в тех количествах, которые характерны для металла технической чистоты. В больших количествах Аl, Fe, Ni, Zn оказывают благоприятное влияние на свойства меди и поэтому применяются для легирования.

Элементы, представляющие вторую группу, обычно отрицательно влияют на механические и технологические свойства меди. Висмут считается наиболее вредной примесью в меди. Кристаллизация сплавов меди с висмутом (рис. 6.1) заканчивается образованием эвтектики (Cu + Bi)э, состав которой почти совпадает с чистым висмутом (99,86 % Bi), поэтому эвтектика вырождаются в одну фазу Bi. Растворимость висмута в твердой меди не превышает 0,001 %, поэтому эвтектические выделения почти чистого висмута по границам зерен появляются при ничтожно малых его количествах. Висмут – хрупкий металл, и прослойки его по границам зерен приводят к хладноломкости меди и медных сплавов, т.е к хрупкому разрушению по границам зерен при холодной пластической деформации. Температура плавления легкоплавкой эвтектики, состоящей в основном из Bi, составляет 270 °С. Включения эвтектического висмута по границам зерен оплавляются при горячей деформации, нарушая связь между зернами. В местах наибольшего скопления висмута возникают трещины, что приводит к горячеломкости меди и ее сплавов,

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

т.е. хрупкому разрушению по границам зерен (межзеренному разрушению) при горячей обработке давлением.

Свинец, как и висмут, образует с медью, согласно диаграмме состояния Cu–Pb (рис. 6.2), легкоплавкую эвтектику, кристаллизующуюся при 326 °С. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,96 % Pb), поэтому в сплавах невозможно обнаружить типичную эвтектическую составляющую, т.к. эвтектика вырождается в одну фазу Pb. Структура меди с примесью свинца состоит из кристаллов Cu (т.к. растворимость свинца в меди очень мала) и включений Pb. Жидкий свинец из-за большого поверхностного натяжения склонен к сфероидизации и располагается в виде изолированных округлых включений по границам зерен Cu. Свинец пластичен, он не приводит к хладноломкости меди и ее сплавов, но из-за низкой температуры плавления эвтектики свинец вызывает горячеломкость. Вместе с тем свинец повышает антифрикционные свойства меди и ее сплавов, а также обработку резанием, т.к. делает стружку более ломкой.

Сурьма – аналог висмута, но из-за значительной ее растворимости в меди оказывает менее вредное влияние на свойства. Однако сурьма сильно уменьшает электро- и теплопроводность меди. С понижением температуры растворимость сурьмы в меди резко уменьшается, что вызывает хрупкость при прокатке и волочении из-за выделения по границам зерен меди избыточной фазы Cu2Sb. Поэтому содержание сурьмы ограничивают 0,06 %, но даже такое количество снижает электропроводность меди на 9–11 %. Исходя из этого, в проводниковой меди должно быть еще меньшее содержание сурьмы.

Легкоплавкие примеси можно полностью или частично связать в тугоплавкие соединения, добавляя церий, кальций, цирконий, магний и др. Большинство соединений примесей с добавками располагается при кристаллизации не в виде прослоек по границам, а как выделения внутри зерен. В такой форме они не оказывают заметного влияния на свойства меди.

Третья группа примесей − это элементы, образующие с медью хрупкие химические соединения. Сера, согласно диаграмме состояния Cu–S, образует

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

с медью соединение сульфида меди (Cu2S). Сера в твердой меди практически не растворяется, поэтому при малых ее содержаниях в меди формируется хрупкая эвтектика (Cu + Cu2S)э. В меди с примесью серы эвтектика чаще всего вырожденная. Микроструктура представляет собой первичные кристаллы Сu и вырожденную эвтектику в виде сферических частиц Cu2S. Эвтектика (Cu + Cu2S)э не вызывает горячеломкости, т.к. она плавится при высокой температуре, но приводит к хладноломкости и снижению пластичности при горячей обработке давлением, улучшает обрабатываемость меди резанием.

личествах содержание кислорода не вызывает охрупчивания, а частицы Cu2O при прокатке равномерно распределяются во всем объеме меди. Горячую деформацию меди, содержащей кислород, проводят с небольшими обжатиями за проход. Бескислородную медь обрабатывают с максимальными обжатиями при прокатке. Кислород является основной причиной «водородной болезни» меди, которая заключается в следующем. При нагревании меди выше 400 °С в восстановительной атмосфере, содержащей Н2, СН4, эти соединения диссоциируют

иобразуется атомарный водород, который обладает высокой диффузионной подвижностью в твердой меди. Водород быстро диффундирует в глубь металла

ивзаимодействует с включениями Сu2O по реакции Сu2O + Н2 → 2Сu + Н2О. Реакция идет с увеличением объема, что создает в отдельных участках металла высокое давление, способное вызвать образование несплошностей, надрывов, микротрещин из-за чего резко снижается пластичность и проч-

ность. В то же время − кислород в обычной меди, загрязненной примесями, связывает их в оксиды, которые являются менее вредными включениями.

Фосфор − один их основных раскислителей меди и оловянных бронз, его используют в медных сплавах в виде лигатуры марки МФ9. Фосфор с медью образует диаграмму эвтектического типа. Фосфор растворяется в меди, образуя твердый раствор. Предельная растворимость фосфора в меди при эвтектической температуре 714 °С составляет 1,7 %. В лигатурных околоэвтек-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

тических сплавах, содержащих 8–9,5 % Р, образуется эвтектика (α + Cu3P). При комнатной температуре фосфор даже при малых содержаниях приводит к резкому снижению электро- и теплопроводности меди. Остаток фосфора в меди после раскисления в количестве 0,013–0,05 % снижает электропроводность на 20–30 %. Поэтому в марках бескислородной меди (М00б, М0б, М1б) ограничивается содержание фосфора тысячными долями процента.

Фосфор повышает жидкотекучесть меди, улучшает механические свойства, способствует улучшению свариваемости. Микролегирование меди фосфором уменьшает склонность к образованию текстур.

6.2.Латунидвойныеиспециальные

Всплавах на основе меди наиболее часто применяемыми легирующими элементами в меди являются цинк, олово и алюминий. Сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является цинк, называются латуня-

ми.

Впромышленном масштабе применяют деформируемые и литейные латуни. Латуни разделяют на двойные, легированные только цинком, и специальные, которые помимо цинка содержат один или несколько элементов, отличных от цинка. Специальные латуни называют по основному дополнительному элементу: алюминиевые, кремниевые, марганцевые, никелевые, оловянные, свинцовые.

Двойные латуни маркируются буквой «Л» и цифрой, указывающей содержание меди в процентах, например, Л70 содержит 70 % Cu и ~ 30 % Zn.

Маркировка специальных медно-цинковых сплавов начинается с буквы «Л» – латунь, далее ставятся буквы, обозначающие элемент, и цифры, указывающие среднее содержание элемента в процентах. Приняты следующие обозначения легирующих элементов в медных сплавах: А – алюминий, Ж – железо, К – кремний, Кд – кадмий, Мц – марганец, Мш – мышьяк, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ф – фосфор, Ц – цинк. В маркировке литейных латуней (ГОСТ 17711-93) после буквы «Л», цифры ставят сразу после буквы, обозначающей название элемента. В марках обрабатываемых давлением латуней (ГОСТ 15527-70) цифры записываются через тире после всех букв, первая цифра показывает содержание меди, остальные – содержание перечисленных легирующих элементов. Например, марка литейной латуни: ЛЦ16К4 легирована 16 % Zn, 4 % Si, остальное Cu; марка деформируемой латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 содержит75 % Cu, 2% Al, 2,5 % Ni, 0,5 % Si, 0,5

%Mn.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Рис. 6.4. Диаграмма состояния системы медь–цинк

Техническое применение имеют латуни с содержанием Zn до 50 %, марки: Л96, Л90, Л68, Л60, ЛС-59-1, ЛАЖ60-1-1. Согласно диаграмме Cu–Zn (рис. 6.4), для сплавов до 32–39 % Zn структурное состояние латуней соответствует однофазному состоянию α-твердого раствора, а свыше этой концентрации – двухфазному (α + β)- или β-состоянию. В соответствии со структурным состоя- ниеммедно-цинковыесплавыназываютсяα-латунямиили(α + β)-латунями.

Диаграмма состояния Cu–Zn представляет собой совокупность пяти перитектических превращений и одного эвтектоидного. Образующиеся по перитектическим реакциям β-, γ-, δ-, ε-, η-фазы называют β-, γ-, δ-, ε-, η-растворами, они являются промежуточными фазами электронного типа.

Медь с цинком, кроме α-твердого раствора Zn в Cu с ГЦК-решеткой, образует ряд промежуточных фаз: β-твердый раствор на основе электронного соединения CuZn с ОЦК-решеткой и электронной концентрацией 3/2; γ-фаза

– это раствор на основе соединения Cu5Zn8 с электронной концентрацией 21/13; ε-твердый раствор на основе соединения CuZn3 с ГЦК-решеткой, электронная концентрация которого составляет 7/4, η-фаза соответствует твердому раствору меди в цинке.

Предельная растворимость Zn в α-фазе при комнатной температуре составляет 36 %, при 454 °C – 39 %, а при 902 °C соответствует 32,5 %. Промежуточная β-фаза при высокой температуре имеет область гомогенности от 37 до 56,5 % Zn, с понижением температуры она сужается до 45–49 % Zn. При температуре 454–486 °С происходит упорядочение β-фазы. Переход неупорядоченной фазы в упорядоченную β′-фазы сопровождается резким падением пластичности и повышением хрупкости. На практике применяются β-латуни

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

с содержанием 45–47 % Zn и во избежание хрупкости их обработку производят в горячем состоянии в области неупорядоченной β-фазы.

В литом состоянии структура α-латуни состоит из дендритов неоднородного α-твердого раствора. Оси дендритов обогащены, по сравнению с равновесным составом, более тугоплавким компонентом, в данном случае – медью, а межосные пространства – цинком, т.е. по сечению дендрита наблюдается неоднородность по химическому составу, дендритная ликвация. После отжига химическая неоднородность α-твердого раствора устраняется, и структура состоит из относительно равноосных зерен однородного твердого раствора. При рекристаллизационном отжиге формируется структура с полиэдрами α-твердого раствора и элементами двойникования.

Двухфазная (α + β)-латунь имеет ориентированную структуру, образованную светлыми вытянутыми кристаллами α-фазы и темными кристаллами β-фазы. Количество и форма α- и β-кристаллов зависит от содержания цинка. Увеличение содержание Zn приводит к постепенному увеличению количества β-фазы в структуре (α + β)-латуни. Увеличение содержания Zn до 47–50 % приводит к получению β-состояния латуни. Структура β-латуни так же, как и α-латуни, вотожженномсостояниипредставленаравнооснымизернамиβ-фазы.

Всоответствии со свойствами фаз, в системе Cu–Zn α-латуни − мягкие

ивысокопластичные сплавы; но прочностные свойства их невелики; β-латуни − прочные и твердые сплавы, но отличаются высокой хрупкостью. В двухфазных (α + β)-латунях с увеличением содержания β-фазы в структуре прочностные свойства повышаются, а пластичность понижается. По мере увеличения содержания цинка σв возрастает от 200 до 300 МПа в однофазной α-

области и до 450 МПа в двухфазной − α + β. Пластичность увеличивается от 30 до 50 % и проходит через максимум в сплавах, содержащих ~ 30 % Zn, а затем (в двухфазной области) резко понижается из-за появления в структуре сплавов хрупкой β'-фазы.

Изменение механических свойств латуней в зависимости от содержания цинка описывается представленными кривыми (рис. 6.5). В однофазных α-латунях увеличиваются σв и δ с ростом содержания цинка. Прочность продолжает расти и при двухфазном состоянии (α + β) с соответствующим снижением пластичности. Образование однофазного β-состояния приводит к резкому снижению как прочностных, так и пластических свойств. Появление β'-фазы охрупчивает латуни.

Основные сведения о составе и свойствах некоторых двойных латуней, изготавливаемых по ГОСТ 15527-70 и ГОСТ 17711-93, приведены в табл. 6.2, табл. 6.3.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Рис. 6.5. Изменение механических свойств латуни в зависимости от содержания Zn

Таблица 6.3

Технологические свойства и режимы обработки двойных латуней

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства латуней.

Легирование латуней применяют для улучшения технологических или механических свойств. Для повышения свойств латуни дополнительно легируют Al, Mn, Fe, Ni, Sn, Pb, Si, которые вводят в небольших количествах (1–2 %, в редких случаях до 4 %).

Введение в латуни каждого нового элемента (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует появлению и увеличению количества β-фазы. При содержании легирующих элементов в количествах, больших предельной их растворимости в α- и β-фазах, в структуре латуней появляются новые фазы. Только один элемент – никель – увеличивает растворимость цинка в меди. При введении никеля в (α + β)-латуни количество β-фазы уменьшается и при достаточном его содержании сплав становится α-латунью.

Комплексное легирование специальных латуней позволяет получить более высокие по сравнению с двойными сплавами системы Cu–Zn механические свойства, лучшую коррозионную и кавитационную стойкость, повысить антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием (табл. 6.4, табл. 6.5). Вместе с тем удается сохранить хорошую обрабатываемость давлением при высоких температурах и несколько меньшую при низких.

Наиболее эффективно упрочняют латуни такие легирующие элементы, как алюминий и олово, в меньшей степени кремний и марганец. Введение свинца приводит к снижению прочности латуней. Относительное удлинение латуней увеличивается при введении железа и небольших количеств марганца (до 2–3 %), остальные элементы уменьшают относительное удлинение латуней.

Железо практически нерастворимо в латунях и образует в них самостоятельную фазу γFe − твердый раствор на основе железа. Фаза γFе кристаллизуется в виде первичных кристаллов и увеличивает число центров при кристаллизации и рекристаллизации, а также тормозит последующий рост зерен и поэтому способствуют получению мелкозернистой структуры металла. Уменьшение размеров зерна при легировании латуней железом является причиной отмеченного выше повышения относительного удлинения латуней.

Алюминий, марганец, олово и никель повышают коррозионную стойкость латуней; никель вместе с тем уменьшает склонность латуней к коррозионному растрескиванию. Благоприятное действие этих элементов на коррозионную стойкость связано с образованием на поверхности латуней плотной оксидной защитной пленки.

Свинец практически не растворяется в медной основе латуней и располагается в виде изолированных частиц по границам зерен и их объему. В таком количестве в (α + β)-латунях свинец не вызывает горячеломкости, а его присутствие в латуни улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Для повышения механических и коррозионных свойств латуни легируют алюминием, кремнием, марганцем, железом и др.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Коэффициенты Гийе. Гийе установил, что введение в латунь указанных выше элементов (кроме никеля) равноценно увеличению содержания в них цинка. Им же были установлены коэффициенты для вычисления в специальной латуни кажущегося содержания цинка, при котором структура сложных сплавов идентична структуре сплавов двойной системы Cu–Zn. Коэффициенты Гийе отражают, какому содержанию цинка соответствует введение в медь 1 % легирующего элемента, и имеют следующие значения:

Кажущееся по структуре содержание цинка Х определяют по следующей формуле

где СZn – действительное содержание Zn, %; CCu– содержание Cu, %; Cn – количество добавляемого элемента, %; k – коэффициент Гийе.

На примере ЛАЖ60-1-1

Х = (38 + 5·1 + 0,9·1) / (60 + 38 + 5·1 + 0,9·1) ≈ 42 %.

Расчет кажущегося содержания цинка означает, что сплав ЛАЖ60-1-1 в соответствии с двойной диаграммой Cu–Zn (рис. 6.4) имеет двухфазную (α + β)-структуру, хотя по содержанию цинка – 38 % латунь должна быть однофазная (α-латунь).

Сплавы медно-цинковые, обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-70).

Механические свойства деформируемых специальных латуней приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Типичные механические свойства деформируемых специальных латуней

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Все двойные латуни Л90, Л70, кроме Л60, имеют структуру, представленную α-фазой и обладают высокими технологическими свойствами, что позволяет изготавливать из них разнообразные изделия, требующие больших степеней деформации при их изготовлении: гильзы, радиаторные трубы, проволока, ленты. Латунь Л60 с (α + β)-структурой менее технологична.

Специальные латуни отличаются от двойных латуней одним или несколькими специфическими свойствами. Алюминиевые латуни характеризуются высокими прочностными свойствами, что обусловлено сильным упрочняющим действием алюминия. В эти латуни, помимо цинка и алюминия, вводят также никель, марганец, железо, кремний, что обеспечивает дополнительное их упрочнение. Наибольшее распространение получили богатые медью α-латуни, содержащие до 4 % Аl (ЛА77-2), которые вследствие однофазной структуры хорошо обрабатываются давлением. Алюминиевая α-латунь ЛАМш77-2-0,05 благодаря микролегированию мышьяком приобретает повышенную сопротивлмость обесцинкованию в морской воде.

Никелевая однофазная α-латунь ЛН65-5 обладает высокими технологическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами, повышенной прочностью и вязкостью. Она отлично обрабатывается в горячем и холодном состоянии. Рекомендуется как заменитель мельхиора.

Железомарганцевая латунь ЛЖМц59-1-1 обладает высокой прочностью и повышенной вязкостью, по сравнению с марганцевой латунью ЛМц58-2, вследствие мелкозернистой структуры, обусловленной легированием сплава железом. Характеризуется высокими антифрикционными свойствами и хорошей химической стойкостью в атмосферных условиях и морской воде.

Оловянные латуни отличаются высокой коррозионной стойкостью в морской воде, поэтому их называют морскими латунями. Латунь ЛО70-1

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

имеет повышенные коррозионные свойства, удовлетворительно обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Благодаря присутствию малой добавки мышьяка латунь ЛОМш70-1-0,05 обладает еще более высокими коррозионными свойствами. Эти сплавы применяются в морском судостроении.

Свинцовые латуни хорошо обрабатываются резанием. В отличие от α-латуней, в (α + β)-латунях свинец не является вредной примесью, т.к. в результате превращения β → α в процессе охлаждения (рис. 6.4) он располагается не по границам зерен, а внутри кристаллов α-фазы. В то же время свинец повышает антифрикционные свойства. Свинцовые латуни ЛС59-1, ЛС74-3 из-за присутствия изолированных включений Pb отлично обрабатываются резанием с образованием ломкой стружки, детали из них вытачиваются на станках-автоматах.

Латунь ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 – это единственный дисперсионно твердеющий сплав на основе системы Cu–Zn. Дисперсионное упрочнение обеспечивают соединения на основе кремния, никеля и марганца, обладающие в меди переменной растворимостью. В закаленном состоянии эта латунь

отличается высокой пластичностью (σв = 540 МПа, σ0,2 = 224 МПа, δ = 48 %, ψ = 61 %), а после старения приобретает высокую прочность (σв = 700 МПа,

σ0,2 = 466 МПа; δ = 25 %; ψ = 41 %). Еще более высокие прочностные и упругие свойства достигаются при старении этой латуни после деформации в за-

каленном состоянии (НТМО): σв = 1 030 МПа, σ0,2 = 1 010 МПа; δ = 4 %;

ψ = 11 %.

Прочностные свойства латуней можно существенно повысить нагартовкой при обработке давлением. Временное сопротивление разрыву латуней после наклепа увеличивается на 250–300 МПа. Вместе с тем наклеп большинства латуней, как двойных, так и специальных, обусловливает развитие в них самопроизвольного растрескивания.

Сплавы медно-цинковые литейные (ГОСТ 17711-93). Литейные лату-

ни широко применяются для изготовления фасонных отливок. К достоинству литейных латуней можно отнести то, что они дешевле большинства литейных бронз и обладают хорошими литейными свойствами.

Состав и свойства некоторых литейных латуней приведены в табл. 6.5. Литейные латуни маркируют иначе, чем деформируемые. В литейных латунях после буквы «Л» указывают содержание цинка, а в деформируемых латунях – содержание меди. В литейных латунях допускается большее количество примесей, чем в деформируемых, потому что многие литейные латуни готовят из лома и отходов, также при фасонном литье нет необходимости обеспечивать высокую деформируемость.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Таблица 6.5

Типичные механические свойства литейных латуней

Литейные латуни обладают небольшой склонностью к газонасыщению благодаря самозащитному действию паров цинка с достаточно высокой упругостью. Это обеспечивает получение плотного литья. Сплавы системы Cu–Zn кристаллизуются в узком температурном интервале (50–60 °С), который определяет их литейные свойства. Благодаря малому интервалу кристаллизации латуни обладают хорошей жидкотекучестью, небольшой усадочной рассеянной пористостью и мало склонны к ликвационным явлениям, отливки из литейных латуней получаются более однородными по свойствам в различных сечениях по сравнению с отливками из оловянных бронз. Узкий температурный интервал кристаллизации определяет также склонность к образованию столбчатой структуры и транскристаллизации.

К недостаткам литейных латуней можно отнести то, что при плавке теряются большие количества цинка из-за большой его летучести. Для устранения этого недостатка при плавке приходится применять защитные покрытия. При кристаллизации в отливках образуются крупные усадочные раковины, для выведения которых приходится учитывать значительные прибыли и переводить довольно много металла в отходы. Литейные латуни с большим количеством β-фазы склонны к сезонному растрескиванию при наличии остаточных напряжений. Для устранения этого недостатка отливки надо отжигать при низких температурах.

Специальные литейные латуни отличаются хорошими механическими (табл. 6.5), технологическими и коррозионными свойствами. Отливки из них могут быть получены литьем в земляные формы, в кокиль, центробежным литьем (детали, имеющие ось вращения), литьем под давлением. Многие литейные латуни обладают высокими антифрикционными свойствами.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Наиболее прочной литейной латунью является ЛЦ23А6Ж3Мц2 с «кажущимся» содержанием цинка 46,5 %, что соответствует почти однофазной β-структуре. Высокому комплексу механических свойств этой латуни способствует ее легирование железом, которое сильно измельчает зерно β-фазы при кристаллизации. Латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 отличается высокой стойкостью против износа при работе на трение и применяется для изготовления подшипников, втулок, вкладышей, для которых характерны высокие удельные нагрузки и сравнительно большие скорости вращения.

Наилучшей жидкотекучестью среди латуней обладает латунь ЛЦ16К4, что позволяет получать методом литья тонкостенные детали сложной формы. Из латуней ЛЦ40С, ЛЦ16К4 получают фасонные детали сложной формы с хорошими поверхностями, которые не требуют обработки резанием. Из литейных латуней легче получать герметичные отливки, чем из оловянных бронз, которые могут выдерживать высокие давления.

Основным недостатком большинства латуней, по сравнению с бронзами, является их пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах (морская вода и др.), связанная с обесцинкованием латуни и коррозионным разрушением изделий. Однако кремнистая литейная латунь ЛЦ16К4 не уступает по коррозионным свойствам бронзам и является полноправными заменителями дефицитных оловянных бронз.

Многокомпонентные литейные латуни с большим количеством β-фазы склонны к сезонному растрескиванию при наличии остаточных напряжений, поэтому основной вид термической обработки латуней − отжиг, который проводят для устранения склонности к сезонному растрескиванию, а также для смягчения материала перед дальнейшей обработкой давлением и получения в готовых полуфабрикатах нужных свойств. Однофазные α-латуни подвергают отжигу первого рода, основанному на рекристаллизационных процессах. Температура рекристаллизации α-латуней выше, чем у меди, поскольку все легирующие элементы ее повышают. В промышленных условиях отжиг латуней проводят при температуре 600–700 °С.

6.3. Оловянныебронзы

Сплавы меди с оловом относятся к оловянным бронзам. Марки оловянных бронз обозначаются буквами «Бр» и буквой «О», определяющей олово, далее идут буквы, обозначающие дополнительные легирующие элементы. Обозначение элементов такое же, как в латунях. В марках деформируемых бронз (ГОСТ 5017-74) цифры после букв, записанные через тире указывают среднее содержание легирующих элементов, например, БрОФ7-0,2 (7 % Sn, 0,2 % P, остальное Cu). Литейные оловянные бронзы маркируются по ГОСТ 613-79 буквами и цифрами, которые идут последовательно. Цифра указывает среднее содержание легирующих элементов, например, в сплаве: БрО5Ц5С5 (5 % Sn, 5 % Zn, 5 % Pb, остальное Cu).

Диаграмма состояния Cu–Sn. Классическим содержанием олова в бронзе является 10 %, которому соответствует марка оловянной бронзы

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

БрО10Ф1. Эта бронза обладает наименьшей усадкой среди известных в настоящее время сплавов, поэтому она используется для изготовления отливок.

Фазовый состав и структура оловянных бронз определяется диаграммой состояния Cu–Sn (рис. 6.6). Согласно диаграмме состояния системы Cu–Sn, на основе меди образуется α-твердый раствор с большой областью гомогенности, который представляет собой раствор замещения олова в ГЦК-решетке меди. С понижением температуры растворимость Sn в Cu несколько увеличивается от 13,5 при 798 °С до 15,8 % Sn в интервале температур 590–520 °С. При дальнейшем понижении температуры растворимость олова в меди уменьшается, особенно сильно ниже 400 °С.

Фазы β, δ, ε, образующиеся при кристаллизации из жидкого состояния по перитектическим реакциям, представляют собой электронные соединения: β(Cu5Sn) с ОЦК-решеткой и электронной концентрацией 3/2; δ(Cu31Sn8) со сложной кубической решеткой и электронной концентрацией 21/13; ε(Cu3Sn)

сэлектронной концентрацией 7/4.

Всплавах системы Cu–Sn развивается значительная внутридендритная ликвация, вследствие чего в производственных условиях неравновесная β-фаза появляется при концентрациях более 6–8 % Sn вместо 13,5 % по диаграмме состояния. При последующем охлаждении β-фаза испытывает эвтектоидный распад β → α + γ, который затем сменяется эвтектоидным превращением γ → α + δ. Эвтектоидный распад β- и γ-фаз происходит быстро и обычно они не фиксируются при комнатной температуре. Эвтектоидное превращение δ → γ + ε, напротив, протекает очень медленно и δ-фаза сохраняется до комнатной температуры даже при довольно медленном охлаждении.

Впроизводственных условиях сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была постоянной и не менялась с температурой.

Рис. 6.6. Фазовая диаграмма системы медь–олово

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Согласно диаграмме Cu–Sn (рис. 6.6), оловянные бронзы, содержащие до 6–8 % Sn, которые относятся к однофазным сплавам, после неравновесных условий кристаллизации состоит из дендритов неоднородного α-твердого раствора олова в меди.

Оловянные бронзы, содержащие 8–10 % Sn, которые в равновесном состоянии преимущественно однофазные, после неравновесной кристаллизации состоят из дендритов α-твердого раствора и неравновесного эвтектоида (α + δ)э. После отжига при температуре 800 ºС дендритная ликвация устраняется и эвтектоид (α + δ)э растворяется. Бронза становится однофазной, состоящей из однородного α-твердого раствора.

Структура, свойства, применение литейных и деформируемых оло-

вянных бронз. Бронзы отличаются невысокой жидкотекучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине в бронзе не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невелика и составляет 0,8 % при литье в песчаную форму и 1,4 % при литье в кокиль. Указанные свойства бронз облегчают получение отливок, от которых не требуется высокая герметичность.

Бронзы с литой структурой обладают невысокой пластичностью, что обусловлено включениями твердой δ-фазы, входящей в состав эвтектоида (α + δ)э. В то же время включения твердого эвтектоида обеспечивают высокую стойкость бронз против истирания. Поэтому оловянные бронзы с достаточно высоким содержанием эвтектоида являются отличным анифрикционным материалом. Для повышения пластичности бронзы гомогенизируют при 700–750 °С. Пластичность бронз начинает резко снижаться при содержании более 8 % Sn, когда в структуре появляется значительное количество δ-фазы. Временное сопротивление разрыву бронз повышается с увеличением содержания Sn до 24 %, но при больших концентрациях резко снижается. Из-за появления слишком большого количества δ-фазы сплавы становятся хрупкими. Оловянные бронзы по коррозионной стойкости в морской воде превосходят медь и медно-цинковые сплавы.

В связи с дефицитностью олова его полностью или частично заменяют другими легирующими элементами. Например, олово может быть частично заменено цинком и свинцом (БрОЦС-4-4-2,5, БрОЦС-6-6-3). В оловянные бронзы часто вводят фосфор. Фосфор, во-первых, раскисляет медь и уменьшает содержание водорода в расплаве; во-вторых, повышает прочностные свойства; в-третьих, улучшает жидкотекучесть бронз и позволяет получать отливки сложной формы с тонкими стенками, в частности качественное художественное литье. Фосфор в бронзах с небольшим количеством олова повышает сопротивление износу из-за появления в структуре твердых частичек фосфида меди Сu3Р. Однако фосфор ухудшает технологическую пластичность бронз, поэтому в деформируемые сплавы вводят не более 0,5 % Р.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017-74). Бронзы оловянные литейные (ГОСТ 613-79). По способу изготовлению из-

делий оловянные бронзы делятся на литейные и деформируемые.

Литейные бронзы предназначены для получения разных деталей машин методами фасонного литья. К этим бронзам, помимо высоких литейных свойств, предъявляются следующие требования: хорошая обрабатываемость резанием; высокая плотность отливок; достаточная коррозионная стойкость; высокие механические свойства, как показано в табл. 6.6.

Литейные бронзы ответственного назначения, обладающие высокими антифрикционными свойствами и хорошим сопротивлением истиранию применяют для изготовления подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях трения. Наибольшей прочностью в сочетании с высокими антифрикционными свойствами обладает бронза БрО10Ф1, что обусловлено высоким содержанием олова и легированием фосфором.

Деформируемые бронзы отличаются от литейных более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением усталости. Основные легирующие элементы в деформируемых бронзах – Sn, P, Zn и Pb, причем Sn в них меньше, чем в литейных бронзах. Деформируемые бронзы можно разделить на сплавы, легированные Sn и P (БрОФ4-0,25), и сплавы, не содержащие фосфора (БрОЦ4-3 и БрОЦС4-4-2,5). Из этих бронз наилучшая обрабатываемость давлением у бронзы БрОЦ4-3. Бронза БрОЦС4-4-2,5, содержащая свинец, не обрабатывается давлением в горячем состоянии из-за присут-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

ствия в ней легкоплавкой эвтектики. Эта бронза предназначена для изготовления деталей, работающих в условиях трения.

Основные виды термической обработки бронз – гомогенизация и промежуточный рекристаллизационный отжиг. Цель этих операций – облегчение обработки давлением. Гомогенизацию проводят при 700–750 °С с последующим быстрым охлаждением. Для снятия остаточных напряжений в отливках достаточно отжига при 550 °С в течение 1 ч. Промежуточный отжиг после холодной обработки давлением проводят при температурах 550– 700 °С.

6.4.Бронзыбезоловянные

Кбезоловянным бронзам относятся сплавы меди с основными легирующими элементами: Al, Be, Pb, Mn, Si. В зависимости от легирующих элементов, бронзы называются алюминиевыми, бериллиевыми, свинцовыми, марганцевыми, кремнистыми.

Диаграммы состояния систем Cu–Al, Cu–Pb, Cu–Be, Cu–Mn. Алю-

миниевые бронзы – это сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является алюминий. Эти сплавы обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, отличаются высокой коррозионной стойкостью.

Вмеди растворяется довольно большое количество алюминия (рис. 6.7): 7,5 % при 1 035 °С; 9,4 % при 565 °С и около 9 % при комнатной температу-

ре. Фаза β представляет соединение Сu3Аl электронного типа с электронной концентрацией 3/2. Эта фаза является аналогом β-латуни и имеет объемноцентрированную кубическую решетку. При температуре 565 °С β-фаза претерпевает эвтектоидный распад β → α + γ', где γ'-фаза на основе электронного соединения Сu9Аl4 с электронной концентрацией 21/13.

Рис. 6.7. Фазовая диаграмма системы медь–алюминий

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Фаза γ' имеет очень высокую твердость и низкую пластичность, поэтому когда в структуре сплавов появляется γ'-фаза, прочность резко возрастает, а пластичность падает. Из-за ликвационных явлений снижение пластичности, обусловленное γ'-фазой, проявляется несколько раньше (начиная с 8 % Аl), как следует из равновесной диаграммы состояния.

Двойные алюминиевые бронзы отличаются высокой прочностью и пластичностью. Среди других алюминиевых сплавов алюминиевые бронзы выделяются высокой коррозионной стойкостью. Они хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, дают плотные и герметичные отливки с хорошим заполнением формы. Существенным недостатком бронз является их большая склонность к столбчатой кристаллизации, что приводит в отливках к образованию крупнозернистой структуры.

Влияние легирующих элементов на свойства меди. Литейные свой-

ства алюминиевых бронз выше, чем оловянных. Это объясняется меньшим интервалом кристаллизации алюминиевых бронз, поэтому они имеют меньшую склонность к дендритной ликвации, более высокую жидкотекучесть и плотность отливок. Кроме того, алюминиевые бронзы имеют более высокую прочность, жаропрочность и меньшую склонность к хладноломкости. Но их недостатки затрудняют получение качественных отливок сложной конфигурации: значительная усадка при кристаллизации, что приводит к появлению горячих трещин при литье; сильное окисление и склонность к поглощению газов в жидком состоянии.

Оптимальными механическими свойствами обладают сплавы, содержащие 5–8 % Аl. Наряду с повышенной прочностью они сохраняют высокую пластичность. Алюминиевая бронза марки БрА5 имеет в своем составе около 5 % Al (табл. 6.7). С увеличением содержания алюминия прочностные свойства сплавов повышаются (табл. 6.8). Сплавы с α-структурой хорошо обрабатываются давлением как при высоких, так и при низких температурах, но их прочность невелика. Структура БрА5 после ускоренного охлаждения представляет собой α-твердый раствор с дендритной ликвацией или однородный α-твердый раствор после гомогенизационного отжига.

Таблица 6.7

Химический состав и применение безоловянных бронз

(ГОСТ 18175-78, ГОСТ 493-79)

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Таблица 6.8

Типичные механические свойства деформируемых алюминиевых бронз

Структура алюминиевой бронзы Cu–10 % Al состоит из светлых кристаллов α-твердого раствора и темных участков эвтектоида (α + γ')э (рис. 6.8). Сплав Cu–10 % Al применяется для изготовления отливок.

Алюминиевые бронзы в результате образования на поверхности плотной пленки Al2O3 обладают повышенной коррозионной стойкостью.

Алюминиевая бронза с содержанием Al 8–10 % и более, может быть упрочнена путем закалки на мартенсит из β-области в воде с образованием игольчатой метастабильной фазы β'. Аналогичными свойствами и структурой обладают сплавы с добавками Al, Fe, Mn, Ni, которые входят в твердый раствор, упрочняя его или образуя избыточные фазовые и структурные составляющие (рис. 6.8).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Основными легирующими элементами алюминиевых бронз являются Ni, Fe, и Mn. Никель является одним из наиболее важных легирующих элементов в алюминиевых бронзах. Он повышает механические и коррозионные свойства бронз, повышает температуру их рекристаллизации и жаропрочность. Алюминиевые бронзы, легированные никелем, имеют высокие антифрикционные свойства и не склонны к хладноломкости. Марганец повышает механические и коррозионные свойства, улучшает технологические характеристики сплавов системы Cu–Al. Он повышает как прочность, так и пластичность, улучшая обрабатываемость давлением алюминиевых бронз. Железо повышает прочностные свойства алюминиевых бронз за счет измельчения структуры при кристаллизации, но снижает их пластичность.

Рис. 6.8. Структура алюминиевой бронзы: а – в отожженном состоянии; б – после закалки на мартенсит; в – после закалки и отпуска

Наиболее широко в промышленности применяется алюминиевая бронза БрАЖ9-4, легированная железом. Она обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью (табл. 6.8), применение бронзы БрАЖ9-4 показано в табл. 6.7.

Высоколегированная бронза БрАЖН10-4-4 является наиболее высокопрочным сплавом среди алюминиевых бронз (табл. 6.8). Она обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде, отличается повышенной жаропрочностью.

Бериллиевые бронзы имеют высокую прочность, твердость, повышенный предел упругости и усталости. Бериллиевая бронза является весьма ценным материалом для изготовления пружин ответственного назначения, работающих на износ.

Бериллиевая бронза представляет интерес для металловедов и термистов, поскольку этот сплав оказывается способным к термическому упрочнению в результате закалки и последующего старения на дисперсионное твер-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

дение. Это связано со значительной разницей по растворимости бериллия при высокой и низкой температуре (соответственно, 2,1 % и 0,16 %) (рис. 6.9), который выделяется при распаде пересыщенного твердого раствора, полученного закалкой с образованием мельчайших когерентных выделений стойкого интерметаллического соединения. В результате такой обработки бериллиевая бронза БрБ2 приобретает твердость по Бринеллю НВ 300–400, σв до 1 350 МПа при относительном удлинении более 2–3 % (табл. 6.9).

Рис. 6.9 Диаграмма состояния системы медь–берилий

Свинцовые бронзы (табл. 6.7, табл. 6.10) среди всех медных сплавов выделяются своими антифрикционными свойствами, поэтому они нашли широкое применение для изготовления подшипников ответственного назначения. Кроме этого свинцовые бронзы имеют высокую теплопроводность (в 6 раз больше, чем у баббитов), поэтому допускают их нагрев до 300–320 °С, что весьма важно для быстроходных машин. Свинец практически не растворяется в медной основе бронз и располагается в виде изолированных частиц по границам зерен и их объему.

Идеальная структура антифрикционного сплава – пластичная основа, в которую вкраплены твердые частицы. Твердые кристаллы обусловливают малый коэффициент трения, небольшой износ и воспринимают нагрузку, а пластичная основа обеспечивает хорошую прирабатываемость и смягчение ударов. Наиболее благоприятны условия работы подшипников скольжения при мелкозернистой однородной структуре.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Таблица 6.9

Типичные свойства бериллиевых и марганцевой бронз

Таблица 6.10

Типичные механические свойства литейных безоловянных бронз

Структура подшипникового материала бронзы БрС30 состоит из мягкой составляющей Pb (темная фаза) и твердой теплопроводной основы – Cu (светлая фаза) (рис. 6.2). Мягкая свинцовистая составляющая образует в металле буферный слой между шейкой вала и более твердыми первичными кристаллами меди (или кристаллическим скелетом). Свинцовая бронза склонна к ликвации по удельному весу, которую можно подавить быстрым охлаждением или легированием никелем.

Марганцевые бронзы с содержанием до 22 % Μn имеют однофазную структуру во всем интервале температур до линии солидуса, т.к. марганец растворяется в твердой меди в больших количествах (рис. 6.10). Марганец раскисляет сплавы во время плавки, снижает температуры ликвидус и солидус, что облегчает процессы деформирования, улучшает литейные характеристики, обеспечивает улучшение свариваемости.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Рис. 6.10. Диаграмма состояния системы медь–марганец

Марганец существенно повышает прочность меди при сохранении высокой пластичности, а также ее коррозионную стойкость. Благодаря однофазной структуре, марганцевые бронзы хорошо обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Марганец сильно повышает температуру рекристаллизации меди (на 150–200 °С), улучшает жаропрочные свойства. Наибольшее промышленное распространение получила бронза БрМц5, которая отличается повышенной коррозионной стойкостью и жаропрочностью.

На основе системы Cu–Mn разработаны сплавы с большим внутренним трением, которые называют сплавами высокого демпфирования. Эти сплавы обладают большой способностью гасить колебания, возникающие в деталях машин и конструкций при их эксплуатации. Применение этих сплавов приводит к снижению вибраций деталей, уменьшению шума, снижает опасность разрушения изделий из-за резонансных явлений.

Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 18175-78), бронзы безоловянные литейные (ГОСТ 493-79). Алюминиевые бериллие-

вые, свинцовые, марганцевые, кремнистые бронзы, обрабатываемые давлением, маркируются по ГОСТ 18175-78 буквами и цифрами. Буквы означают легирующие элементы, цифры – их среднее содержание в процентах. Марка сплава начинается с буквы «Бр», в марках деформируемых бронзах цифры после букв, записанные через тире указывают среднее содержание легирующих элементов, например, БрКН1-3 (1 % Si, 3 % Ni, остальное Cu). Литейные безоловянные бронзы маркируются по ГОСТ 493-79 буквами и цифрами, которые идут последовательно. Цифра указывает среднее содержание легирующих элементов в сплаве: БрА10Ж3Мц2 (10 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, остальное

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Cu). Свойства обрабатываемых давлением и литейных безоловянных бронз представлены в табл. 6.8, табл. 6.9, табл. 6.10.

6.5. Сплавымедно-никелевые

Сплавы меди с никелем имеют большое значение в технике, т.к. они отличаются хорошими механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью и уникальными электрическими и термоэлектрическими свойствами, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Структура, свойства и применение медно-никелевых сплавов. Медь образует с никелем непрерывный ряд твердых растворов. Легирование никелем существенно упрочняет медь, причем максимальной прочностью обладают сплавы примерно эквиатомного состава. Сплавы этого же состава имеют в 30 раз большее электрическое сопротивление, в десятки раз меньшую теплопроводность и практически нулевой температурный коэффициент электросопротивления.

Медно-никелевые сплавы (ГОСТ 492-73) разделяют на две группы: коррозионно-стойкие и электротехнические. К коррозионно-стойким сплавам относятся мельхиор, нейзильбер, куниали. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель. Мельхиоры имеют однофазную структуру и поэтому хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Дополнительное легирование железом и марганцем сплавов меди с никелем обеспечивает высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде и паре. Наиболее распространены мельхиоры МНЖМц3О-1-1 и МН19.

Нейзильберы, коррозионно-стойкие сплавы – принадлежат к тройной системе Cu–Ni–Zn, в которых наблюдается широкая область твердых растворов. Сплавы с содержанием никеля 15–20 % лежат в области α-твердого раствора и имеют однофазную структуру. Нейзильберы, по сравнению с мельхиорами, характеризуются более высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком. Нейзильберы отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе и устойчивы в растворах солей и органических кислот. Они легко поддаются горячей и холодной обработке давлением. Некоторые сплавы этого типа для улучшения обрабатываемости резанием легируют свинцом. Из нейзильберов наиболее широко применяют сплав МНЦ1520. Из свинцового нейзильбера МНЦС16-29-1,8 изготавливают лишь детали часовых механизмов.

Куниалями называют сплавы тройной системы Cu–Ni–Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu–Ni–Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900–1 000 °С, а затем подвергают старению при 500–600 °С. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Еще более высокую прочность можно получить нагартовкой закаленных сплавов перед старением (НТМО).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Впромышленности применяют куниаль А (МНА13-3) и куниаль Б (МНА6-1,5). Они отличаются высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем состоянии. Куниали не склонны к хладноломкости. При понижении температуры растет прочность и пластичность этих сплавов. Так, при комнатной температуре у куниаля Б в состаренном состоянии временное сопротивление разрыву составляет 638 МПа и поперечное сужение 50 %, а при температуре –180 °С эти характеристики равны 700 МПа и 67 % соответственно.

К электротехническим медно-никелевым сплавам относятся манганин, константан, копель. Сплав МНМц40-1,5 системы Cu–Ni–Mn, содержащий 40 % Ni и 1,5 % Mn, называется константан. Этот сплав обладает большим удельным электрическим сопротивлением (в 5 раз большим, чем у Ni или Fe)

иочень низким температурным коэффициентом электрического сопротивления (в 1 000 раз меньшим, чем у Ni). Таким образом, константан обладает важным свойством постоянства удельного электросопротивления в условиях повышенных температур до 400 °С. Это позволяет его использовать в качестве материала для изготовления сопротивлений и катушек электроприборов.

Вслучае необходимости применения материалов с низкой термоэлектродвижущей силой в паре с медью, в качестве материалов для элементов электроприборов применяют сплавы никелин (32 % Ni, 1 % Mn и 67 % Cu) или манганин МНМц3-12. Манганин отличается высоким электросопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. Однако эти сплавы обладают меньшей стабильностью удельного электросопротивления при изменении температуры. Как никелин, так и манганин являются однофазными сплавами.

6.6. Никелевыесплавы

Никель – ферромагнитный металл с гранецентрированной кубической решеткой, не испытывающий аллотропических превращений до температуры плавления (1 455 °С). При температуре 354 °С в никеле происходит магнитное превращение. При комнатной температуре никель ферромагнитен, выше 354 °С никель теряет ферромагнитные свойства. Плотность никеля при 20 °С составляет 8,9 г/см3. Основными характерными свойствами никеля является его большая химическая стойкость, тугоплавкость, ферромагнитность, наличие ярко выраженного магнитострикционного эффекта, высокая прочность в сочетании со значительной пластичностью, высокое значение модуля упругости (210 000 МПа, т.е. почти как у железа). Чистый никель применяют в электровакуумной технике, т.к. его пары обладают малой упругостью и он не испаряется при высоком вакууме. Наиболее чистым от примесей никелем является электролитический никель и карбонильный никель.

В технически чистом никеле могут содержаться: углерод, железо, кобальт, кремний, медь, сера и кислород. Наиболее вредными примесями являются сера, свинец, висмут и углерод. Такие элементы, как Fe, Co, Si и Cu ока-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

зываются растворенными в твердом растворе и практически не оказывают влияния на свойства никеля. Углерод также находится в твердом растворе, но при количествах >0,1 % может выделяться в виде графита. Графит ухудшает технологические свойства никеля, затрудняя прокатку. Наличие кислорода приводит к образованию хрупкой эвтектики (Ni + NiO)э. Раскислителями никеля являются марганец и магний. Наличие в никеле серы приводит к образованию легкоплавкой эвтектики (Ni + Ni3S2)э, вызывающей красноломкость. Некоторое обезвреживание серы проводится легированием никеля марганцем или магнием, при этом вместо Ni3S2 образуются более тугоплавкие соединения MnS и MgS. Висмут и свинец вызывают горячеломкость никеля.

Жидкий никель хорошо растворяет водород и окись углерода, которые при кристаллизации выделяются в виде пузырей. Дегазатором никеля является марганец. Таким образом, добавки марганца к чистому никелю являются весьма полезными, поскольку одновременно раскисляют металл, способствуют уменьшению вредного действия серы и дегазируют никель. Избыток марганца не ухудшает свойств никеля, поскольку он входит в твердый раствор, улучшая механические свойства никеля.

Никелевые сплавы (ГОСТ 492-73). Никель образует непрерывные ряды твердых растворов с медью, кобальтом, железом и марганцем. В больших концентрациях (до 10–40 %) в твердый раствор замещения на основе никеля входят такие элементы: Cr, Mo, W, Ti, Al.

Никелевые сплавы делятся на конструкционные, электротехнические, сплавы с особыми физическими свойствами, жаропрочные и жаростойкие сплавы.

Кконструкционным сплавам относятся технический никель и монельметалл. Технический никель марок НП1, НП2, НП4 производят в виде листов

ипрутков для использования в приборостроении и машиностроении. Мо- нель-металл НМЖМц28-2,5-1,5 наряду с высокой прочностью и вязкостью обладает хорошей коррозионной стойкостью, поэтому его применяют для работы в агрессивных средах: газовой, растворах солей, щелочей, органических веществах и т.д. В литом состоянии сплав имеет дендритную структуру. После пластической деформации и последующего отжига сплав обладает однофазной, сравнительно равноосной, полиэдрической структурой с наличием двойников. Этот же сплав, но в литом состоянии с наличием значительной дендритной ликвации применяется в приборостроении, поскольку его магнитная индукция почти линейно убывает с изменением температуры. Такой сплав называется калмаллой.

Кэлектротехническим сплавам относится никель марганцевый марок НМц2,5 или НМц5, обладающий повышенной жаростойкостью, износостойкостью и хорошей пластичностью. Эти сплавы применяются в основном в радиовакуумной технике для изготовления радиоламп, а также в виде проволоки для изготовления свечей автомобильных, авиационных и тракторных двигателей. Никелевые сплавы хромель НХ9,5 и алюмель НМцАК2-2-1 используются для изготовления хромель-алюмелевых термопар, предназначен-

ных для измерения температуры до 1 100 °С.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Сплавы с особыми свойствами (ГОСТ 10994-74). Наиболее распро-

страненными электротехническими сплавами, обладающими высоким электросопротивлением для работы при высоких температурах, являются нихро-

мы марок: Х20Н80, Х15Н60 (60 % Ni, 15 % Cr, 25% Fe). Нихромы применяют для электронагревательных элементов печей с предельной рабочей температурой 1 100–1 200 °С. Наиболее стойким при высоких температурах является нихром марки Х20Н80, т.к. железо снижает жаростойкость. Эти сплавы однофазны (рис. 6.11), однако в них идет фазовое превращение, обусловленное упорядочением с образованием фазы состава, соответствующей формуле Ni2Cr (33,3 % ат. Cr). При длительном отжиге при температуре 450–480 °С происходит упорядочение с образованием ромбической решетки, близкой по параметрам к кубической исходной решетке. При нагреве выше 600 °С нарушается упорядочение решетки. При упорядочении сплава Ni2Cr его электросопротивление уменьшается, модуль упругости возрастает, растет плотность, увеличивается твердость. Все это говорит об усилении межатомной связи при упорядочении.

Если в сплаве менее 33 % ат. Cr, то в процессе упорядочения удельное электросопротивление не уменьшается, а растет. При этом все остальные свойства изменяются обычным порядком. Как установлено, это изменение свойств также объясняется упорядочением, однако характер упорядоченного состояния оказывается несколько другим, чем в сплаве с содержанием 33,3 % Cr. Поэтому упорядоченное состояние в сплавах, отличающихся от 33,3 % Cr, называют особым термином, а именно К-состоянием. Это состояние до последнего времени сравнительно мало исследовано и нуждается в дополнительном изучении.

Рис. 6.11. Диаграмма состояния

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

системы Ni–Сr

К сплавам с особыми физическими свойствами относятся магнитные сплавы, сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения и сплавы с заданным модулем упругости.

Сплавы системы Ni–Fe с содержанием железа от 15 до 50 % (пермаллои) обладают высокой магнитной проницаемостью. Высокая магнитная проницаемость в этих сплавах достигается при осуществлении специальной термической обработки, приводящей к образованию упорядоченного К- состояния, аналогичного получаемому в нихромах. Для магнитопроводов (сердечники трансформаторов, реле, дроссели) используются никелевые маг- нито-мягкие сплавы с большой магнитной проницаемостью и остаточной магнитной индукцией марок 50Н (50 % Ni, остальное Fe), 77НМД (77 % Ni, 4 % Mo, 5 % Cu, остальное Fe), 80НХС (80 % Ni, 2,8 % Cr, 1 % Si, остальное Fe), 80Н2М (80 % Ni, 2 % Mo, остальное Fe).

Широкое применение находят никелевые сплавы на основе системы

Ni–Fe и Ni–Fe–Cr: инвар и элинвар.

На основе никеля созданы сплавы систем Ni–Fe, Ni–Fe–Cr, Ni–Fe–Cо с заданным температурным коэффициентом расширения. Изменение содержание никеля в сплавах от 30 до 50 % влияет на величину температурного коэффициента расширения. Инвар (неизменный) марки 36Н (36 % Ni и 64 % Fe) обладает малым коэффициентом линейного расширения – в 10 раз меньше, чем у железа или никеля. Никелевый сплав 36Н с температурным коэффициентом расширения 1,5·10-6 град-1 в интервале температур от –60 до 100 °С применяется для деталей приборов, требующих постоянства размеров в интервале заданных температур. Сплав 47ХН с температурным коэффициентом расширения 8,5·10-6 град-1 в интервале температур от –70 до 450 °С применяется для вакуумно-плотных спаев. Инвар используется в радиовакуумной аппаратуре для арматуры, впаиваемой в стекло, поскольку коэффициент линейного расширения стекла и инвара оказывается – одинаковым, что уменьшает внутренние напряжения в месте пайки и увеличивает срок службы ламп.

Элинвар (постоянная упругость), сплав состава: 0,7–0,8 % C, 2–3 % Mn, 33–35 % Ni, 7–9 % Cr, 2–4% W, остальное – Fe относится к никелевым сплавам с заданным модулем упругости и обладает его слабой температурной зависимостью модуля упругости. Элинвар применяется в основном для пружин, которые должны обладать постоянством рабочим усилием при изменении температуры. Никелевые сплавы 42НХТЮ, 44НХТЮ с (15–20)·10-6 град-1 температурным коэффициентом модуля нормальной упругости используются для упругих чувствительных элементов приборов и деталей, работающих при повышенных температурах.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы, сплавы со специальными свойствами (ГОСТ 5632-72). Жаростойкость – способность сопротивляться газовой коррозии при высокой температуре. Наиболее распространенными

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

никелевыми жаростойкими сплавами, являются нихромы марок: Х20Н80, Х15Н60. Нихромы применяют для электронагревательных элементов печей с предельной рабочей температурой до 1 200 °С.

Жаропрочность – способность материала сопротивляться деформации при высоких температурах. Жаропрочные сплавы обладают повышенным пределом ползучести и длительной прочности. Никелевые жаропрочные сплавы были разработаны на основе жаростойких электротехнических никельхромовых сплавов типа Х20Н80. Легирование никеля хромом (более 15 %) значительно повышает жаростойкость за счет образования защитной пленки, состоящей из Cr2O3 и NiCr2O4 (шпинели). В никелевый сплав со структурой твердого раствора были введены кроме хрома алюминий и титан, которые образуют ограниченные твердые растворы с переменной, уменьшающейся с понижением температуры растворимостью (рис. 6.12, рис. 6.13). Изменение растворимости в твердом состоянии при легировании никеля Al и Ti дает возможность термического упрочнения за счет выделяющихся при термообработке дисперсных частиц γ'(Ni3(Ti, Al). Чем больше частиц γ'-фазы, тем выше жаропрочность. Нихромы с Al и Ti, получивших название нимоников, привели к созданию нового класса высокожаропрочных материалов, до настоящего времени применяющихся в самых ответственных изделиях авиационной и ракетно-космической техники. Такие сплавы термически упрочняемые и дисперсионно-твердеющие при старении после закалки.

Режим термической обработки нимоника заключается в закалке с температуры 1 080 °С на воздухе и старении при температуре 700 °С в течение 16 ч. В этом случае зафиксированный при закалке пересыщенный твердый раствор распадается при старении с выделением упрочняющей γ'-фазы по

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

механизму, аналогичному процессу старения алюминиевых сплавов. γ'-фаза имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба, т.е. такую же, как и твердый раствор, когерентно с ним связана и очень медленно коагулирует, что позволяет использовать эти сплавы в качестве материалов, от которых требуется очень высокая жаропрочность.

В качестве легирующих добавок в сплавы системы Ni–Cr вводят Ti, Al, V, Mo, W, Nb. В нашей стране первым промышленным жаропрочным никелевым сплавом стал сплав ХН77ТЮ (ЭИ437), легированный 20 % Сr, 2,5 % Ti и 0,75 % Аl. Впоследствии были разработаны более совершенные сплавы этого типа ХН77ТЮ (ЭИ437А), ХН77ТЮР (ЭИ437Б), ХН77ТЮРУ (ЭИ437БУ). Сплав ХН77ТЮ (ЭИ437А) отличается от ЭИ437 более узкими пределами химического состава, а сплав ХН77ТЮР (ЭИ437Б) – микролегированием бором в количестве 0,005–0,008 %. В сплаве ХН77ТЮРУ (ЭИ437БУ) допускаются меньшие интервалы в содержании легирующих элементов по сравнению со сплавом ЭИ437Б. В том случае, если этот сплав выплавляют в ваку- умно-дуговых печах, его маркируют ЭИ437 БУВД.

Сплавы типа ХН77ТЮ (ЭИ437) в закаленном состоянии отличаются невысокими прочностными характеристиками, большой пластичностью и ударной вязкостью. Высокая пластичность позволяет проводить обработку давлением с высокими степенями деформации. После закалки с 1 080–1 120 °С на воздухе или струей воздуха сплавы подвергают старению при 700 °С (ЭИ437А, ЭИ437Б) или 750-790 °С (ЭИ437БУ, ЭИ437БУВД) в течение 16 ч.

Сплав ЭИ437Б отличается от ЭИ437 более высокой жаропрочностью и пластичностью при повышенных температурах, что обусловлено благоприятным влиянием бора. Он обладает хорошей выносливостью при циклических нагрузках и высоким сопротивлением окислению, по крайней мере до 900 °С. Разнозернистость сильно ухудшает механические свойства сплавов типа ЭИ437 при комнатной и повышенной температурах, так что технология производства полуфабрикатов должна обеспечивать достаточно равномерную микроструктуру. Сплав ЭИ437Б хорошо сваривается методом электрошлаковой сварки.

Для изготовления дисков газотурбинных двигателей довольно широко применяют сплав ХН70МВТЮБ (ЭИ598), который содержит 17 % Cr, 2 % Ti, 1,5 % Al, 3 % W, 5 % Mo, 1 % Nb. Сплав отличается от ЭИ437Б дополнительным легированием молибденом и ниобием при несколько большем суммарном содержании алюминия и титана, в связи с чем содержание γ'-фазы составляет примерно 20 %. Все это обусловливает его большую жаропрочность по сравнению со сплавом ЭИ437Б.

Из жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для изготовления направляющих и рабочих лопаток стационарных газовых турбин, следует отметить сплав ХН65ВМТЮ (ЭИ893), который содержит 16 % Cr, 1,5 % Ti, 1,5 % Al, 9 % W, 4 % Mo. Сплав ЭИ893 отличается высоким легированием хромоникелевого раствора вольфрамом и молибденом (но в пределах их растворимости в γ-фазе) при умеренном содержании титана и алюминия, образующих упрочняющую γ'-фазу. Количество γ'-фазы в этом сплаве сравни-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

тельно невелико; после закалки с температур 1 160–1 180 °С с охлаждением на воздухе и старения при 750–800 °С содержание γ'-фазы составляет 15–17 %. Поэтому рабочие температуры сплава ЭИ893 существенно ниже, чем для авиационных жаропрочных никелевых сплавов, и составляют 700–770 °С. Отличительная особенность сплава ЭИ893 – необычно высокая долговечность при рабочих температурах.

Никелевые сплавы с большим содержанием кобальта (виталиум) напри-

мер, сплавы с содержанием 20–25 % Cr, до 20 % Ni, до 50–60 % Co, до 5 % Mo, W, Nb могут работать при температурах до 1 100–1 200 °С.

Контрольныевопросыизадания

1.Опишите основные свойства меди.

2.Какие примеси меди значительно снижают пластичность и электропроводность?

3.Запишите марки меди в зависимости от содержания примесей.

4.Как влияет кислород, висмут, сера на структуру и свойства меди?

5.Какие сплавы называются латунями и бронзами?

6.Какие превращения протекают в сплавах диаграммы медь-цинк?

7.Приведите марки двойных α-латуней, (α + β)-латуней.

8.Изобразите структуру α-латуней в литом и отожженном состоянии.

9.Изобразите структуру (α + β)-латуней в литом состоянии.

10.Опишите влияние цинка на свойства латуней.

11.Какие латуни называются специальными?

12.Как легирующие элементы влияют на свойства латуней?

13.Опишите влияния коэффициентов Гийе на структуру латуней.

14.Приведите марки специальных литейных и обрабатываемых давлением латуней, их свойства.

15.Какие медные сплавы называются бронзами?

16.Какие превращения протекают в сплавах диаграммы медь–олово?

17.Как влияют условия кристаллизации на положение солидуса и сольвуса диаграммы медь-олово?

18.Приведите марки литейных оловянных бронз, их свойства.

19.Изобразите структуру БрО10Ф1 в литом и отожженном состоянии.

20.Приведите марки обрабатываемых давлением оловянных бронз, их

свойства.

21.Изобразите структуру БрОФ6,5-0,15 в литом и отожженном со-

стоянии.

22.Какие медные сплавы называются безоловянными бронзами?

23.Какие превращения протекают в сплавах диаграммы медь–

алюминий?

24.Опишите влияние легирующих элементов на свойства бронз.

25.Приведите марки обрабатываемых давлением безоловянных бронз, их свойства.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 6. Тяжелые цветные металлы и сплавы

26.Опишите свойства никеля.

27.Приведите примеры никелевых конструкционных и электротехнических сплавов. Где они применяются?

28.Приведите примеры никелевых сплавов с особыми физическими свойствами. Где они применяются?

29.Приведите примеры никелевых жаростойких и жаропрочных сплавов. Где они применяются?

Глава7. Легкиецветныеметаллыисплавы

7.1. Структураисвойстваалюминия

Алюминий и его сплавы имеют благоприятный комплекс механических, физических и коррозионных свойств, высокую технологичность и в связи с этим широко применяются в строительстве, судостроении, в нефтяной и химической промышленности, на транспорте, в конструкции летательных аппаратов, электрохимической промышленности. Алюминий − первый металл, использованный в качестве конструкционного материала в авиастроении, он обладает хорошими ядерными и теплофизическими свойствами, поэтому сплавы на его основе используются в ядерном реакторостроении.

Вклад в разработку и внедрение алюминиевых сплавов внесли российские ученые М.Б. Альтман, А.А. Бочвар, Н.Н. Белоусов, И.Ф. Колобнев, И.Ф. Фридляндер, В.И. Добаткин, В.И. Ливанов, А.Ф. Белов и другие.

Вопросы легирования, изготовления алюминиевого литья, термической обработки были предметом исследования российских ученых С.М. Воронова, И.И. Новикова, Б.Г. Строганова, В.И. Елагина и других.

Алюминий – легкий металл серебристо-белого цвета, его удельный вес (плотность) 2,7 г/см3 при 20 °С, в связи с этим алюминий является основой сплавов для легких конструкций, например в авиационной технике. Температура плавления алюминия 660 °С, решетка ГЦК, параметр 4,04 Å. Алюминий – высокопластичный металл, относительное удлинение достигает 40–50 %, он имеет высокую теплопроводность и электропроводность (65 % от меди), поэтому алюминий в большом объеме используется в качестве проводниковых материалов в электротехнике. Чистый алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в связи с образованием на его поверхности стойкой и плотной окисной пленки Al2O3. Это свойство сохраняется во многих сплавах, содержащих алюминий в виде легирующих элементов.

Алюминий – самый распространенный в земной коре металл, однако из-за высокой химической активности он встречается в виде соединений, в основном с кислородом и кремнием. Горные породы, содержащие гидраргиллит (Al2O3·3H2O), бемит (Al2O3·H2O), а также небольшое количество корунда (α-Al2O3) и алюмосиликатов, называются бокситами и служат источ-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

ником сырья для получения глинозема в алюминиевой промышленности. Алюминий получают из глинозема электролизом.

Алюминий первичный. В промышленности выпускают алюминий различной чистоты. Алюминий производят по ГОСТ 11069-2001 – Алюминий первичный производят в виде чушек, слитков, катанки, ленты и др. Алюминий маркируют: А995, А99, А95, А5, А7, А0, А5Е, А7Э, цифры указывают содержание алюминия: А995 − 99,995 % Аl; A99 − 99,99 % Al, А7 – 99,7 % Al, А0 – 99,0 % Al. Алюминий подразделяется на алюминий высокой чистоты: А995, А99, А95 и алюминий технической чистоты А85, А7, А7Э, А5Е, А0. Алюминий используется в электротехнической промышленности и для изготовления сплавов.

Влияния примесей на свойства алюминия. Основными примесями алюминия, влияющими на его свойства, являются железо, кремний, марганец. Увеличение содержания примесей приводит к повышению предела прочности, предела текучести и падению пластичности, электропроводности, теплопроводности. Наиболее резко понижают электропроводность и теплопроводность марганец, хром, титан, цирконий, бериллий (рис. 7.1). Снижение пластичности алюминия связано с присутствием железа и кремния. Примеси, присутствующие в алюминии, снижают защитное действие пленки.

Рис. 7.1. Влияние легирующих элементов на электропроводность алюминия

Втехнически чистом алюминии в качестве примесей могут находиться,

восновном, Fe и Si. Железо образует с алюминием диаграмму эвтектического типа, эвтектика появляется при содержании 1,82 % железа (рис. 7.2). Железо мало растворимо в алюминии, его растворимость в твердом алюминии при эвтектической температуре 655 °С составляет 0,05 %, при 400 °С – 0,005– 0,003 %. Таким образом, при содержании железа более 0,05 % по границам зерен алюминия появляется эвтектика, состоящая из алюминия и иглообраз-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

ных кристаллов FeAl3. Соединение FeAl3 хрупкое и снижает пластичность алюминия. Железо относится к вредной примеси алюминия, оно меньшает электропроводность и химическую стойкость чистого алюминия.

Рис. 7.2. Диаграмма состояния Al–Fe

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Al–Si

Кремний образует с алюминием диаграмму эвтектического типа, эвтектическая точка соответствует 12,5 % кремния (рис. 7.3). Растворимость кремния в алюминии при эвтектической температуре составляет 1,65 %, при температуре 327 °С – 0,1 %. При небольших содержаниях кремний растворяется в алюминии и находится в твердом растворе.

Кремний является менее вредной примесью в алюминии, чем железо, хотя так же, как и железо, уменьшает пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость сплавов. В больших количествах кремний применяется в сплавах на основе алюминия как легирующий элемент.

При совместном присутствии в алюминии железо и кремний образуют тройные промежуточные фазы переменного состава α(Fe2SiAl8) и β(FeSiAl5).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Фаза β(FeSiAl5) имеет тонко пластинчатую неблагоприятную форму. В тройной системе Al–Fe–Si при повышенном содержании железа наблюдается также фаза FeAl3 (рис. 7.4). Промежуточные фазы отрицательно влияют на пластичность алюминия, поэтому содержание железа и кремния ограничено десятыми долями процента.

Рис. 7.4. Проекция поверхности ликвидуса системы Al–Fe–Si

Технический алюминий с соотношением Fe/Si < 1 имеет широкий интервал кристаллизации и склонен к образованию горячих (кристаллизационных) трещин при полунепрерывном литье слитков. Чтобы предотвратить брак слитков по горячим трещинам, необходимо повышать температуру конца кристаллизации, для чего следует поддерживать отношение Fe/Si > 1. Прибегают даже к подшихтовке к алюминию железа.

С целью повышения прочности сплавов алюминий легируют медью, магнием, кремнием, цинком, марганцем, литием, а в качестве малых добавок используют титан, бериллий, хром, цирконий.

Алюминий ни с одним из элементов периодической системы не образует непрерывный ряд твердых растворов. Медь, марганец, кремний, литий, магний с алюминием дают диаграммы эвтектического типа. Титан, цирконий, хром образуют с алюминием диаграммы перитектического типа.

Все легирующие элементы повышают прочность алюминия по механизмам твердорастворного, структурного или дисперсионного упрочнения. Такие легирующие элементы, как медь, марганец, никель, повышают жаропрочность; магний обеспечивает высокую стойкость против коррозии и свариваемость; литий уменьшает плотность сплавов и увеличивает модуль упругости алюминия. Хром, цирконий, марганец эффективно повышают температуру рекристаллизации и обуславливают высокие свойства прессованных полуфабрикатов. Титан измельчает зерно в слитках и фасонных отливках.

Литейные и деформированные сплавы на основе алюминия. Алюми-

ниевые сплавы делятся на литейные и деформируемые. Марки и технические условия определены стандартами: ГОСТ 1583-93 – Сплавы алюминиевые ли-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

тейные, ГОСТ 4784-97 – Алюминий и сплавы алюминиевые, деформируемые.

Области литейных и деформируемых алюминиевых сплавов и типы структур в литом состоянии показаны на диаграмме эвтектического типа алюминий − легирующий элемент (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Схема двойной диаграммы алюминий−легирующий элемент, области составов и структуры литейных и деформируемых сплавов: 1 – сплавы типа твердых растворов; 2 – доэвтектические сплавы; 3 – эвтектические сплавы; 4 – заэвтектические сплавы [В.С. Золоторевский, Н.А. Белов]

Для деформируемых сплавов при получении полуфабрикатов необходима высокая пластичность. В структуре таких сплавов желательно присутствие одной фазы – алюминиевого α-твердого раствора. Однако прочность однофазных сплавов невысока, поэтому выбирают такие составы сплавов, в которых присутствует дополнительная вторая фаза. Большинство деформируемых сплавов по составу близки к точке предельной растворимости и в этом случае достигается максимальное упрочнение.

Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок в песчаные формы и кокиль, литья под давлением, литья по выплавляемым моделям, литья в оболочковые формы. Такие сплавы должны обладать высоким комплексом литейных свойств: жидкотекучестью, сопротивляемостью образованию горячих трещин, малой склонностью к образованию рассеянной пористости, малой усадкой, поэтому по составу литейные сплавы приближены к эвтектической точке.

Жидкотекучесть сплава зависит от его физико-химических свойств, вязкости, поверхностного натяжения и интервала кристаллизации. На величину жидкотекучести влияют свойства формы, состав формовочных материалов, размер литников и т.д. Наиболее распространенным методом определения жидкотекучести является прутковая проба. Низкоинтервальные эвтектические сплавы обладают наилучшей жидкотекучестью.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Линейная усадка характеризует термическое сжатие или уменьшение линейных размеров отливки в период затвердевания. Вследствие пониженной температуры эвтектики линейная усадка эвтектических сплавов минимальна. При кристаллизации под действием усадочных напряжений могут образовываться в отливках горячие трещины, являющиеся одной из распространенных причин брака в фасонном литье. Для определения горячеломкости при литье используют кольцевую пробу. Критерием горячеломкости служит максимальная ширина кольца в миллиметрах, при которой появляется трещина. Чем больше ширина кольца, тем больше сплав склонен к горячим трещинам. В эвтектических сплавах почти не образуются горячие трещины. При кристаллизации металла его объем сокращается, что приводит к образованию пустот в отливке в виде концентрационных раковин (сосредоточенной пористости) и равномерно распределенных макро- и микропор (рассеянной пористости). Характер распределения усадки при затвердевании определяет горячеломкость отливок.

Для сплавов, затвердевающих при постоянной температуре, в частности при эвтектической температуре, характерно образование, в основном, крупных усадочных раковин в местах, которые затвердевают в конце кристаллизации. В сплавах, затвердевающих в широком интервале температур, вначале кристаллизуются первичные кристаллы, которые при срастании ветвей затрудняют прохождение жидкости. В результате в таких сплавах образуются внутрикристаллические поры, рассеянная пористость. Заполнению образующихся пустот мешает выделяющийся газ, прежде всего водород.

Таким образом, чем меньше интервал кристаллизации, тем сплав менее склонен к образованию рассеянной усадочной пористости и горячих трещин, тем ниже ликвация и выше жидкотекучесть.

В литейных сплавах должно содержаться значительное количество эвтектической жидкости, кристаллизующейся при постоянной температуре и они должны иметь узкий интервал кристаллизации. Большинство литейных алюминиевых сплавов являются доэвтектическими.

Маркировка литейных алюминиевых сплавов. Литейные алюминие-

вые сплавы в соответствии с ГОСТ 1583-93 маркируют буквой А и буквами, соответствующим легирующим элемента: К – кремний, М – медь, Мг – магний, Н – никель, Ц – цинк, Кд – кадмий, Мц – марганец.

Цифры после обозначения элемента указывают его среднее содержание в процентах. Если концентрация элемента не превышает 1,5 %, то цифра после буквенного значения отсутствует. Буква «ч» (чистый) и «пч» (повышенной чистоты) в конце марки сплава указывают на пониженное содержание примесей. В ГОСТе обозначена (в скобках) и старая маркировка алюминиевых литейных сплавов (АЛ) с цифрами, указывающими на условный номер сплава.

Литейные алюминиевые сплавы для отливок и чушек по химическому составу и свойствам делятся на 5 групп:

1. Сплавы на основесистемы Al–Si–Mg, отличающиеся хорошими литейными свойствами: высокой герметичностью, высокой жидкотекучестью:

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

АК12 (АЛ2), АК9с (АК9с), АК9ч (АЛ4), АК8л (АЛ34), АК7 (АК7), АК7ч (АЛ9), АК7пч (АЛ9-1).

2.Сплавы на основе системы Al–Si–Mg–Cu с хорошими литейными свойствами, высокими значениями прочности при комнатной и повышенной температурах, лучшей, чем в первой группе, обрабатываемостью резанием: АК5М (АЛ5), АК5М7 (АК5М7), АК8М (АЛ32), АК8М3ч (ВАЛ8), АК8М3 (АК8М3), АК12М2МгН (АЛ25).

3.Сплавы на основе системы Al–Cu, прочные и жаропрочные сплавы:

АМ5 (АЛ19), АМ4,5Кд (ВАЛ10).

4.Сплавы на основе системы Al–Mg, прочные и коррозионно-стойкие сплавы, с пониженной жаропрочностью: АМг5К (АЛ13), АМг5Мц (АЛ28),

АМг6л (АЛ23), АМг6лч (АЛ23-1), АМг10 (АЛ27), АМг11 (АЛ22).

5.Сплавы Al с Mg, Zn, Si и др. – свариваемые сплавы: АК7Ц9 (АЛ11), АК9Ц6 (АК9Ц6р), АЦ4Мг (АЛ24).

Влитейных алюминиевых сплавах ограничивается содержание примесей, в частности, железа, содержание которого определяется способом литья.

Для литейных алюминиевых сплавов назначают следующие виды термической обработки: Т1 – искусственное старение; Т2 – отжиг; Т4 – закалка; Т5 – закалка и неполное искусственное старение; Т6 – закалка и стабилизирующий отпуск; Т7 – закалка и смягчающий отпуск.

Искусственному старению преимущественно подвергают сплавы на основе системы Al–Si. Обработка по режиму T1 возможна в тех случаях, когда при ускоренном охлаждении отливки по окончании ее затвердевания, например при литье тонкостенных деталей в кокиль, образуется пересыщенный твердый раствор. Такая обработка экономически эффективна, но упрочнение при старении невелико, т.к. из-за дендритной ликвации сердцевина дендритных ячеек имеет низкую концентрацию легирующих элементов. Обработке по режиму T1 наиболее целесообразно подвергать детали, полученные литьем под давлением. Такие детали, как правило, нельзя закаливать из-за того, что при нагреве под закалку на их поверхности образуются вспучивания в результате расширения газа, захваченного при литье под давлением. Отжиг отливок (режим Т2) проводят, в основном, для сплавов 1-й группы. Этот вид термообработки применяют для уменьшения литейных напряжений. Температура такого отжига около 300 °С, выдержка 2–4 ч.

Термическую обработку по режиму Т4 (закалка) применяют в тех случаях, когда необходима повышенная пластичность при прочности меньшей, чем после искусственного старения, или же повышенная стойкость против коррозии. Закалке без последующего искусственного старения (режим Т4) в основном подвергают сплавы на основе системы Al–Mg. Обработка по режиму Т6 включает закалку и полное искусственное старение для достижения максимального упрочнения. Обработка по режиму Т5 состоит из закалки и неполного искусственного старения при температуре, более низкой, чем при обработке по режиму Т6. Цель такой обработки – обеспечить повышенную

пластичность (по сравнению с обработкой Т6). Режим Т7 − это закалка и стабилизирующее старение (перестаривание), проводимое при температуре, бо-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

лее высокой, чем по режиму Т6 для стабилизации свойств и размеров деталей первых трех групп литейных алюминиевых сплавов. Время выдержки при нагреве под закалку разных сплавов колеблется от 2 до 16 ч. Отливки закаливают в холодной воде, а для уменьшения закалочных напряжений воду подогревают до 80–100 °С.

7.2. Литейныеалюминиевыесплавысистемыалюминий–кремний

Кремний является одним из основных легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах 1-й и 2-й групп (силуминах). К двойным силуминам относится только сплав АК12 (АЛ2) остальные сплавы имеют в составе медь или магний и дополнительно марганец и считаются многокомпонентными силуминами (табл. 7.1).

Таблица 7.1 Химический состав отливок из силуминов, %, ГОСТ 1583-93

Влияние примесей, легирующих элементов, условий охлаждения и модифицирования на структуру и свойства силуминов. Кремний при ле-

гировании придает сплавам высокие литейные свойства и свариваемость, низкие значения температурного коэффициента линейного расширения, высокое сопротивление износу и малую плотность.

Железо является основной примесью силуминов и в большинстве сплавов концентрацию железа поддерживают на низком уровне ввиду его вредного влияния на пластичность и коррозионную стойкость. В отливках, полученных методом литья в кокиль, предельная концентрация составляет 1,3 %, а в отливках повышенной частоты (пч) – 0,3–0,4 %. Отрицательное влияние железа снижается по мере измельчения микроструктуры сплавов. Поэтому при литье в песчаные формы допускается меньшее содержание железа в сравнении с литьем в кокиль и литьем под давлением.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Марганец, хром, никель вводят в силумины для нейтрализации отрицательного влияния железа. В силумине эвтектического состава при содержании железа более 0,8 %, а в доэвтектических силуминах при большей концентрации, образуются первичные кристаллы хрупкой фазы β(FeSiAl5). Первичные кристаллы β(FeSiAl5) имеют форму длинных тонких пластин. При более низком содержании железа соединение β(FeSiAl5) образуются только в составе двойной и тройной эвтектик в виде коротких пластин. Марганец связывает железо в соединение и при содержании 0,2–0,6 % образует фазу (Fe, Mn)3Si2Al15, кристаллизующуюся в более благоприятной для свойств сплавов скелетообразной форме в составе эвтектики, ее называют «китайский шрифт».

Малые добавки марганца, никеля, хрома повышают жаропрочность сплавов. Силумины легируют медью с целью упрочнения и повышения сопротивления усталости, однако медь ухудшает коррозионную стойкость силуминов. Магний существенно увеличивает прочность силуминов, особенно при термической обработке. Титан вводят для измельчения зерна фасонных отливок и чушек.

Силумины обычно содержат от 3,5 до 13,5 % Si, т.е. на несколько процентов больше или меньше эвтектической концентрации. Поршневые сплавы по составу – заэвтектические и содержат до 22 % кремния. Следовательно, силумины могут быть доэвтектическими, эвтектическими и заэвтектическими сплавами. Основная особенность структуры силуминов – значительное содержание эвтектики (более 60 %). Сплавы без модифицирования имеют грубую игольчатую эвтектику, состоящую из (α + Si)э и первичные кристаллы α-твердого раствора или первичные кристаллы Si.

Силумины обладают важными свойствами, которые трудно достичь в других более прочных сплавах: высокой жидкотекучестью, хорошей свариваемостью, а также малой плотностью (кремний более легкий, чем алюминий) и коррозионной стойкостью. Силумины имеют малую усадку при литье и, следовательно, низкую склонность к образованию усадочных трещин. Силумины характеризуются также высокой герметичностью, которая связана с характером низкой усадочной пористости. Высокие литейные свойства и герметичность силуминов объясняется узким интервалом кристаллизации и наличием в структуре значительного количества эвтектики. Например, жидкотекучесть (прутковая проба при 700 °С) для сплава АК12 составляет 420 мм, для сплава АК8л – 350 мм. Наиболее герметичны сплавы, близкие к эвтектическиму составу: АК12, АК7, АК9ч, АК5М, АК8л. Горячеломкость сварных швов изделий из силуминов незначительная, коррозионная стойкость сварных соединений хорошая.

Благодаря высоким литейным характеристикам из силуминов можно получать отливки сложной конфигурации, причем минимальные свойства трудно питаемых мест этих отливок будут выше отливок из высокопрочных сплавов с неудовлетворительными литейными свойствами.

Механические свойства силуминов в зависимости от способов литья и термической обработки приведены в табл. 7.2.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Таблица 7.2

Механические свойства силуминов

Примечание. З − литье в песчаную форму; Д − литье под давлением; К − литье в кокиль; В – литье по выплавляемым формам; ПД – литье с кристаллизацией под давлением; М – сплав подвергается модифицированию.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Рис. 7.6. Микроструктура силумина: немодифицированного: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического; г – модифицированного натрием доэвтектического силу-

мина. ×250

Двойные силумины имеют невысокие механические свойства, к тому же они являются термически не упрочняемыми. Типичным двойным силумином является сплав АК12 (АЛ2) с содержанием 10–13 % Si. В литом состоянии, без модифицирования, в зависимости от количества кремния, структура силумина состоит в основном из эвтектики (α + Si) и некоторого количество избыточных кристаллов α-твердого раствора – такой силумин называют доэвтектическим (рис. 7.6, а) или Si – заэвтектический силумин (рис. 7.6, в). Эвтектика содержит α-твердый раствор кремния в алюминии и раствор алюминия в кремнии, который рассматривают как чистый кремний. Эвтектика (α + Si) относится к числу аномальных нерегулярных эвтектик. В световом микроскопе эвтектика наблюдается в виде светло-серых игл, тонких пластин кремния на фоне светлой матрицы твердого раствора (рис. 7.6, б). Пластинчатая форма кремния в эвтектике обуславливает низкие механические свойства силуминов.

Структура силуминов. Рассмотрим кристаллизацию силуминов на примере двойного доэвтектического силумина (рис. 7.7).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Рис. 7.7. Кристаллизация и структура доэвтектического силумина

Кристаллизация доэвтектического сплава начинается при переохлаждении ниже линии ликвидус. В интервале температур между ликвидусом и солидусом происходит первичная кристаллизация дендритов α-твердого раствора. При достижении сплавом 577 °С реализуется эвтектическая кристаллизация с образованием аномальной грубопластинчатой эвтектики (α + Si), представляющей собой физико-химическую смесь кристаллов α-твердого раствора и кремния. По равновесной диаграмме состояния Al–Si охлаждение сплава ниже эвтектической температуры приводит к выделению вторичных кристаллов кремния Siвт по границам дендритов α-твердого раствора. На шлифах структура доэвтектического силумина в литом состоянии состоит из дендритов α-твердого раствора и грубоигольчатой эвтектики (α + Si)э.

Влияние модифицирования на структуру и свойства силуминов.

Прочность и пластичность сплавов системы Al–Si повышаются за счет измельчения эвтектических кристаллов кремния либо при увеличении скорости охлаждения, либо при модифицировании добавками натрия или стронция в количестве десятых долей процента. Эффективными модификаторами также являются калий, висмут, литий и никель. Присутствие натрия в сплавах системы Al–Si вызывает сдвиг эвтектической точки в сторону более высокой концентрации кремния, (рис. 7.8, а), поэтому эвтектический сплав (до модифицирования) имеет структуру доэвтектического (после модифицирования). Структура сплава после модифицирования оказывается состоящей из избыточных кристаллов α-твердого раствора и очень дисперсной, практически точечной эвтектики (рис. 7.6, г и рис. 7.8, в).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Рис. 7.8. Диаграмма алюминий-кремний (а), структура сплава АК12 (АЛ2) в литом состоянии без модифицирования (б) и после модифицирования (в)

Нет единого представления о механизме модифицирования. Определенные экспериментальные подтверждения получила теория, в соответствии с которой присутствующий в расплаве натрий адсорбируется на поверхности кремния, способствует образованию множества двойников, что препятствует дальнейшему росту и разветвлению кремния в эвтектике. Чем больше кремния, тем выше эффект модифицирования. При содержании кремния в силумине менее 5 % модифицирование обычно не применяется. Под действием натрия кремний в эвтектике сильно кристаллизуется в форме разветвленного кристалла с тонкими ветвями волокнистой формы. Сечения этих ветвей в плоскости шлифа имеют тонкоигольчатый или точечный вид.

Переход от пластичной формы кремния в эвтектике к волокнистой происходит также при увеличении скорости кристаллизации в тонкостенных кокильных отливках, и отливках под давлением.

Сплав АК12(АЛ2) имеет невысокие механические свойства (табл. 7.2). Коррозионная стойкость отливок удовлетворительная, сплав склонен к газовой пористости, обрабатываемость резанием плохая. Сплав применяется для деталей, не несущих больших нагрузок. Силумин АК12 имеет малый интервал кристаллизации, в отливках не образуется усадочной пористости, однако образование концентрированной усадочной раковины вызывает трудности при отливке крупных, сложных по конфигурации деталей.

Легирование магнием и медью значительно повышает свойства силумины и делает силумины термически упрочняемыми. Магний образует с кремнием фазу Mg2Si, являющуюся эффективным упрочнителем при термической обработке. При совместном введении меди и магния образуются упрочняющие фазы W(Cu2Mg8Si6Al5) и θ(CuAl2). Все фазы с магнием и медью входят в эвтектики, чаще всего вырожденные, которые в литом состоянии располагаются по границам дендритных ячеек α-алюминиевого твердого раствора. Прочность легированных магнием и медью сплавов после закалки и старения оказывается значительно выше прочности двойных силуминов.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Свойства отливок из легированных силуминов, в зависимости от состава сплавов и способа литья, достигают значений: σв = 220–390 МПа; δ = 2–4 %. Эффект упрочнения сплавов при закалке и старении объясняется образованием при старении зон Гинье-Престона и промежуточных фаз сложного состава, отличающихся составом и кристаллической решеткой от равновесных, например, β' (Mg2Si), и когерентных с твердым раствором своими кристаллическими решетками.

Типичными представителями системы Al–Mg–Si являются сплавы АК7ч (АЛ9), АК7 (АК7), АК9 (АК9), АК9ч (АЛ4), АК9пч (АЛ4-1). К преимуществам сплава АК7ч следует отнести хорошие литейные свойства, герметичность, несложную технологию литья деталей и среднюю прочность. Недостатком сплава является плохая обрабатываемость резанием и низкая жаропрочность. Отливки из сплава АК7ч в промышленности применяют в закаленном (Т4) и закаленном и состаренном (Т5, Т6) состояниях. В соответствии с диаграммой состояния (рис. 7.3) назначают температуру нагрева под закалку – 535 °С. Закалку простых деталей рекомендуют проводить в холодной воде, деталей сложной конфигурации – в воде, подогретой до 90–100 °С. Старение проводят при 200 °С в течение 2–5 ч. Этот режим (Т6) обеспечивает получение оптимальной прочности, табл. 7.2. Сплав АК7ч склонен к естественному старению, через один-два месяца механические свойства закаленного сплава приближаются к свойствам закаленного и искусственно состаренного сплава.

Сплавы АК5М, АК5М2 относятся к системе Al–Si–Mg–Cu. Добавки меди повышают теплопрочность и обрабатываемость резанием, но понижают пластичность и коррозионную стойкость. Cплав АК8М3ч (ВАЛ8) – наиболее прочный из всех силуминов, он используется для изготовления тяжелонагруженных деталей. Сплав АК5М (АЛ5) наиболее теплопрочный при повышенных температурах. Из него изготовляют головки цилиндров двигателей. Отливки из термически упрочняемых силуминов нагревают под закалку до температуры 535 °С, выдерживают 2–6 ч, охлаждают в воде с последующим старением при 175 °С в течение 5–15 ч. Этот режим наиболее характерен для силуминов.

7.3. Литейныеалюминиевыесплавысистемалюминий–медь, алюминий–магний

Основное достоинство сплавов системы Al–Cu – это высокая жаропрочность и прочность в сравнении с другими литейными алюминиевыми сплавами.

Алюминий с медью образуют диаграмму эвтектического типа со стороны алюминия (рис. 7.9). Фаза (θ)CuAl2 кристаллизуется по эвтектической реакции при температуре 548 °С и имеет тетрагональную решетку. Она хрупкая, твердая и является основной фазой, упрочняющей сплав при термической обработке. При растворении меди в алюминии при содержании 5,7 %

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

параметр решетки ГЦК уменьшается до 0,4–0,38 нм, что способствует значительному упрочнению твердого раствора.

Рис. 7.9. Диаграмма состояния системы Al–Cu

Формирование структуры сплавов системы Al–Cu в равновесном и неравновесном состоянии. Сплавы системы Al–Cu содержат 4,5–5,3 % Cu и при неравновесной кристаллизации в структуре сплавов присутствует небольшое количество эвтектики, в основном неравновесной в виде фазы (θ)CuAl2, которая в литом состоянии располагается по границам дендритных ячеек.

Рассмотрим неравновесную кристаллизацию сплава Al–5 % Cu (сплав АМ5 содержит 5 % Cu) (рис. 7.10). Изучаемый сплав, согласно равновесной диаграмме, имеет структуру при комнатной температуре, состоящую из зерен α-твердого раствора и вторичных включений фазы CuAl2 (θ). Ускоренное охлаждение при кристаллизации сдвигает линии диаграммы влево, поэтому выбранный сплав по расположению на диаграмме является доэвтектическим, т.к. пересекает неравновесную эвтектическую горизонталь. При затвердевании сплава Al–5 % Cu температура солидуса понижается до температуры 547 °С − эвтектической температуры. Кривая охлаждения и фазовые превращения представлены на рис. 7.10. Количество неравновесной эвтектической жидкости в рассматриваемом сплаве чрезвычайно мало, поэтому эвтектика из двухфазной, образующейся при эвтектическом превращении, вырождается в однофазную. Вырожденная эвтектика в системе Al–Cu состоит из фазы (θ)CuAl2, расположенной по границам дендритных ячеек α-твердого раствора.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Рис. 7.10. Неравновесная кристаллизация сплава Al−5 % Cu

Неравновесная кристаллизация определяет также неравновесный состав α-твердого раствора. Внутри дендритов первичных кристаллов α-твердого раствора возникает неоднородность по химическому составу (в данном сплаве по меди), называемая дендритной ликвацией. Химическая неоднородность твердого раствора обусловлена отставанием процессов диффузии от процесса изменения температуры. При неравновесной кристаллизации сплава в реальном диапазоне скоростей охлаждения реализуется разделительная диффузия между твердой и жидкой фазами и гомогенизирующая диффузия в жидкой фазе. При этом выравнивающая диффузия в твердой фазе практически подавлена, что и приводит к дендритной ликвации по сечению α-кристалллов. Химическая неоднородность проявляется при травлении сплава и наблюдается в виде темных и светлых участков структуры. Центральные светлые участки дендритных ячеек α-кристаллов обогащены алюминием, периферийные, т.е. границы дендритных ячеек − медью. По этим границам при эвтектической кристаллизации образуются включения вырожденной эвтектики в виде фазы .(θ)CuAl2. Литейные сплавы системы Al–Cu близки по составу к деформированным дуралюминам, но в отличие от них они не содержат магния. Для измельчения зерна в эти сплавы вводят титан в количестве десятых долей процента. Магний, железо, кремний относятся к вредным примесям в сплавах системы Al–Cu.

Свойства, применение и термическая обработка сплавов на основе системы Al–Cu. Сплавы по составу находятся вблизи точки предельной растворимости при эвтектической температуре (меди 4,5–5,3 %), поэтому они

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

имеют широкий интервал кристаллизации и, следовательно, худшие, по сравнению с силуминами, литейные свойства. Отливки из сплавов имеют большую линейную усадку, т.е. склонны к образованию усадочной пористости и появлению горячих трещин.

Жаропрочность силуминов, сплавов со значительным количеством эвтектики (более 40 %) определяется сетчатой (каркасной) структурой. Жаропрочность сплавов системы Al–Cu обусловлена стабильной структурой, сформированной после термической обработки: закалки и старения.

Сплав АМ5 (АЛ19) с высокой прочностью при комнатной температуре и повышенной жаропрочностью содержит 4,5–5,3 % Сu, 0,6–1,0 % Mn, 0,15–0,35 % Ti. Сплав хорошо обрабатывается резанием и сваривается, но имеет пониженную коррозионную стойкость. Фазовый состав в литом состоянии: алюминиевый α-твердый раствор, фазы (θ)CuAl2, T(Al12MnCu), Al3Ti. Сплав термически упрочняется по режимам Т4 и Т5. Фаза-упрочнитель – (θ)CuAl2. Сплав применяют для изготовления крупногабаритных отливок, получаемых при литье в песчаные формы, а также для силовых деталей, ра-

ботающих при температурах до 300 °С (σв300100 = 65 МПа).

Сплав АМ4,5Кд (ВАЛ10) – самый прочный из всех литейных алюминиевых сплавов. Временное сопротивление разрыву в состоянии Т6 при литье в кокиль 490 МПа, твердость 120НВ, а относительное удлинение 4 % (табл. 7.3).

Сплав содержит 4,5–5,1 % Cu, 0,35–0,8 % Mn, 0,15–0,35 % Ti, 0,07–0,25 % Cd.

Содержание железа в сплаве снижено и не должно превышать 0,15 %. Сплав подвергают двухступенчатому нагреву под закалку при 535 °С в течение 5–9 ч для растворения наиболее легкоплавкой неравновесной эвтектики в массивных частях отливок, а затем при 545 °С 5–9 ч для полного растворения избыточных фаз. Старение проводят при температуре 170 °С.

Таблица 7.3 Механические свойства литейных алюминиевых сплавов

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Продолжение табл. 7.3

Свойства, структура применение и термическая обработка спла-

вов системы Al–Mg. Сплавы системы Al–Mg при средней прочности имеют высокую пластичность и высокую коррозионную стойкость. Магний как легирующий элемент обеспечивает малую плотность сплавов, хорошую обрабатываемость резанием. Однако эти сплавы имеют повышенную окисляемость в жидком состоянии и склонны к хрупкому разрушению при длительном действии внутренних или внешних напряжений. К недостаткам сплавов относится также склонность к резкому снижению прочностных характеристик при совместном действии нагрузок и температуры и понижение механических свойств по мере увеличения сечения стенок деталей. Сплавы Al–Mg обладают невысокими литейными свойствами из-за широкого интервала кристаллизации (100–120 °С) и очень низкой теплопрочностью, т.е. для длительной работы при повышенной температуре они непригодны. Алюминиевомагниевые сплавы по износостойкости и антифрикционным свойствам превосходят такие сплавы, как В95, АК6, АК4. Сплавы АМг10, АМг10ч на основе системы Al–Mg удовлетворительно свариваются аргонно-дуговой сваркой. Прочность сварных соединений этих сплавов составляет 80–90 % от прочности основного металла. Хорошие результаты получены при сварке литых деталей из сплава АМг6лч с деталями из деформируемого сплава АМг6.

Содержание магния в литейных сплавах системы Al–Mg выше, чем в деформируемых магналиях и составляет 4,5–13 %. С ростом содержания магния растет прочность отливок из данной группы сплавов. Среди двойных алюминиево-магниевых сплавов наибольшей прочностью при высокой пластичности в закаленном состоянии обладают сплавы АМг10, АМг10ч. При дальнейшем увеличении содержания магния показатели механических свойств сплавов понижаются, поскольку в процессе термической обработки

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

не удается перевести в твердый раствор избыточную β-фазу. В качестве малых добавок в составе сплавов присутствует титан, цирконий, бериллий. Титан и цирконий модифицируют литую структуру. Кроме того, эти элементы частично входят в твердый раствор, обусловливая твердорастворное упрочнение. Цирконий измельчает зерно и уменьшает пористость отливок, т.к. связывает водород. Бериллий защищает сплав от окисления в процессе плавки, литья и термообработки. Кремний, железо и медь – вредные примеси высокомагниевых сплавов. Примесь железа резко ухудшает коррозионную стойкость сплавов из-за образования железистой составляющей. Кремний понижает механические свойства сплавов, особенно понижается пластичность изза обеднения твердого раствора магнием и образования хрупкого соединения Mg2Si. Недостаток сплавов с высоким содержанием магния – их чувствительность к коррозии под напряжением. Это связано с тем, что сплавы склонны к естественному старению, при котором по границам зерен в виде сетки выделяется β-фаза, являющаяся анодом по отношению к твердому раствору.

Рис. 7.11. Диаграмма состояния системы Al–Mg

В литом состоянии сплавы системы Al–Mg содержат неравновесную эвтектику, она вырождена в фазу β(Mg5Al8), расположенную на границах дендритных ячеек. Из-за хрупкости β-фазы литые сплавы имеют низкую пластичность. Сплавы упрочняются только закалкой по режиму Т4. При нагреве под закалку неравновесная β-фаза растворяется, и в результате закаленные сплавы будут иметь высокую пластичность (рис. 7.11).

Сплав АМг10 (АЛ27) содержит 9,5–10,5 % Mg, 0,05–0,15 % Ti, 0,05–0,2 % Zr, 0,02–0,1 % Be. Этот сплав – один из самых прочных в группе Al–Mg сплавов, после закалки предел прочности составляет 314 МПа. При этом сплав сохраняет высокую пластичность (δ = 12 %), как показано в табл. 7.3. АМг10 склонен к образованию горячих трещин и высокой пористости и также подвержен межкристаллитной коррозии под напряжением. Сплав приме-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

няется для изготовления силовых деталей при температурах от –60 до +60 °С, в условиях эксплуатации в морской воде и может успешно заменить более дефицитные бронзы и латуни.

Алюминиево-магниевый сплав АМг5К, легированный кремнием, отличается наименьшей склонностью к образованию горячих трещин, т.к. интервал кристаллизации меньше, чем в других сплавах системы Al–Mg. Из сплава АМг5К с кремнием изготовляют детали, не несущие больших нагрузок и работающие в условиях морской воды и слабощелочных жидкостей. Сплав находит применение для изготовления деталей морского судостроения, а также деталей, работающих при повышенных температурах (до 180–200 °С), например, головки двигателей воздушного охлаждения. Сплавы АМг6л и АМг6лч в литом состоянии предназначаются для изготовления деталей, несущих средние статические и сравнительно небольшие ударные нагрузки. В закаленном состоянии сплав АМг6лч предназначается для изготовления деталей, работающих при средних статических и ударных нагрузках.

Литейные сплавы пятой группы – АК7Ц9 (АЛ11), АК9Ц6 (АК9Ц6р), АЦ4Мг (АЛ24) – легируют цинком, магнием, марганцем, титаном, бериллием и цирконием.

Магний, цинк увеличивают прочность сплавов и уменьшают пластичность. Цинк значительно растворяется в алюминии и является основным упрочнителем сплавов. Структура сплавов в литом состоянии представлена основными фазами: α-твердый раствор, MgZn2 и Al2Mg3Zn3.

Отливки из сплава АЦ4Мг (АЛ24) содержат 3,5–4,5 % Zn, 1,5–2 % Mg, 0,5–2 % Mn. Сплав имеет средние литейные свойства, невысокую коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость резанием. После закалки и старения сплава по режиму Т5 σв = 265 МПа, δ = 2 %, НВ 70.

7.4. Деформируемыетермическинеупрочняемыеалюминиевыесплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.

В зависимости от назначения и требований в отношении механических, коррозионных, технологических, физических и других свойств деформируемые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и малой прочности, жаропрочные, криогенные, ковочные, заклепочные, свариваемые, со специальными физическими свойствами, декоративные.

Все применяемые в промышленности сплавы можно также разделить по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.

Деформируемые алюминиевые сплавы в зависимости от химического состава делятся по ГОСТ 4784-97 на следующие группы:

1)алюминий − АД000, АД0 (1011), АД1 (1013);

2)сплавы систем Al–Cu–Mg и Al–Cu–Mn − Д1 (1110), Д16 (1160), Д16ч, АК4 (1140), АК6 (1360);

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

3)сплавы системы Al–Mn − ММ (1403), АМц (1400);

4)сплавы системы Al–Mg − АМг0,5 (1505), АМг2 (1520), АМг4,0 (1540), АМг6 (1560);

5)сплавы системы Al–Mg–Si − АД31(1310), АВ (1340);

6)сплавы системы Al–Zn–Mg − 1915, В95оч, В95пч, В95 (1950);

К термически неупрочняемым относятся сплавы систем Al–Mg, Al–Mn третьей и четвертой группы. Сплавы второй, пятой и шестой групп являются термически упрочняемыми.

Термически неупрочняемые сплавы (табл. 7.4) не подвергают закалке и старению. Прочность таких сплавов повышают в первую очередь за счет образования твердого раствора замещения при легировании. Эффект твердорастворного упрочнения тем больше, чем больше разница в атомных диаметрах алюминия и растворенного элемента и выше концентрация этого элемента в твердом растворе. Оба эти фактора, определяющие искаженность решетки раствора, т.е. затруднение скольжения дислокаций, обуславливают возможность достичь наибольшего твердорастворного упрочнения в сплавах системы Al–Mg. Типичные механические свойства термически неупрочняемых сплавов приведены в табл. 7.5.

Таблица 7.4

Химический состав термически неупрочняемых алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784-97), %

Таблица 7.5

Типичные механические свойства термически неупрочняемых сплавов

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Сплавы системы Al–Mg. Сплавы на базе системы Al–Mg называют магналиями. Полуфабрикаты из сплавов системы Al–Mg (АМг0,5, АМг1, АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМг6) имеют относительно небольшие прочностные характеристики, но высокую пластичность.

Растворимость магния в алюминии довольно высока и составляет 17,4 % Mg при 450 °С и около 1,9 % Mg при комнатной температуре. Увеличение содержания магния приводит к повышению предела прочности и текучести. Относительное удлинение снижается с увеличением содержания магния до 4 %, а затем медленно повышается. Присутствие магния до 4,5 % сохраняет высокую коррозионную стойкость сплавов после любых нагревов.

Легирование сплавов системы Al–Mg марганцем (до 1,0 %) и хромом (до 0,35 %) повышает прочностные характеристики основного материала и сварных соединений, а также увеличивает сопротивляемость материала к образованию горячих трещин при сварке и коррозионному разрушению под напряжением. В виде небольших добавок используют титан, цирконий, бериллий. Титан и цирконий измельчают литую структуру сплава, способствуя образованию более плотного сварного шва. Бериллий предохраняет сплавы от окисления их в процессе плавки, литья, сварки, а также при технологических нагревах под прокатку, штамповку, прессование. Примеси железа и кремния отрицательно действуют на свойства сплавов, поэтому желательно, чтобы их содержание не превышало 0,5–0,6 %.

В литом состоянии в сплаве АМг6 по границам дендритных ячеек алюминиевого α-твердого раствора находятся включения β-фазы (Mg5Al8) из вырожденной эвтектики. По содержанию магния сплав АМг6 (см. рис. 7.8) находится далеко влево от точки предельной растворимости при эвтектической температуре, и, следовательно, вырожденная эвтектика (β-фаза) в нем образуется из-за дендритной ликвации. В деформированных полуфабрикатах β-фаза отсутствует, т.к. она полностью переходит в алюминиевый твердый раствор во время гомогенизации слитков при 500 °С перед деформацией. Примеси кремния и железа образуют в сплаве труднорастворимые фазы

Mg2Si, (Fe, Mn)3Si2Al15, (Mn, Fe)Al6 и др.

Важнейшие достоинства магналиев − высокая стойкость против коррозии, в том числе в морской атмосфере, и хорошая свариваемость. В сочетании со средней прочностью эти качества определяют широкое использование магналиев для изготовления сварных конструкций разнообразного назначения, в том числе ответственных конструкций в авиакосмической технике и судостроении. По объему производства магналии занимают первое место среди деформируемых алюминиевых сплавов. Недостаток магналиев − сравнительно низкий предел текучести. Его повышают, используя нагартовку при холодной деформации. Магналии непригодны для работы при повышенных температурах из-за низкой теплопрочности.

Сплавы системы Al–Mn. К термически неупрочняемым сплавам относится и сплав АМц, в котором основным легирующим элементом является марганец. Марганец имеет довольно высокую растворимость в алюминии

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

при эвтектической температуре 658 °С (1,8 % Mn), которая резко уменьшается в интервале температур 550–450 °С. Несмотря на переменную растворимость марганца в алюминии в твердом состоянии, сплавы термообработкой не упрочняются. Марганец имеет малую скорость диффузии в алюминии, что приводит к образованию аномально пересыщенных твердых растворов и сильно выраженной внутридендритной ликвации. Нагревом до 640–650 °С и быстрым охлаждением можно получить пересыщенный твердый раствор марганца в алюминии, который распадается при последующих нагревах. Однако даже начальные стадии распада твердого раствора не сопровождаются заметным повышением прочности. Следовательно, распад пересыщенного твердого раствора при последующем нагреве не приводит к дисперсионному твердению, т.к. выделения алюминида марганца недостаточно дисперсны. Марганец сильно повышает температуру рекристаллизации алюминия, поэтому сплавы отжигают при более высоких температурах, чем алюминий. Марганец из-за малой скорости диффузии приводит к получению крупного рекристаллизованного зерна, размер которого можно уменьшить дополнительным легированием титаном.

Сплав АМц имеет высокую коррозионную стойкость, хорошо сваривается, но у него невысокая прочность. Из этого сплава изготавливают малонагруженные изделия, например, сварные бензобаки, маслопроводы.

7.5. Деформируемыетермическиупрочняемыеалюминиевыесплавы

Сплавы систем Al–Cu–Mg и Al–Cu–Mn − Д1 (1110), Д16 (1160), Д16ч, АК4 (1140), АК6 (1360); системы Al–Mg–Si − АД31 (1310), АВ (1340); систе-

мы Al–Zn–Mg − 1915, В95оч, В95пч, В95 (1950) относятся к термически упрочняемым.

Сплавы на основе системы Al–Cu–Mg с добавкой марганца называются

дуралюминами (табл. 7.6).

Таблица 7.6

Химический состав дуралюминов

(ГОСТ 4784-97), %

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Все дуралюмины делятся на 4 группы: классический дуралюмин Д1; дуралюмин повышенной прочности Д16 (в 1,6 раз больше Mg, чем в Д1); дуралюмин повышенной жаропрочности Д19, ВАД1, ВД17 (больше отношение Mg/Cu); дуралюмины повышенной пластичности Д18, В65 (в отличие от Д1 в них пониженное содержание всех элементов).

Сплавы системы Al–Cu–Mg относятся к группе термически упрочняемых деформируемых сплавов. Они отличаются высокой прочностью в сочетании с высокой пластичностью, имеют повышенную жаропрочность, поэтому применяются для работы при повышенных температурах. Дуралюмины склонны к образованию кристаллизационных трещин, в связи с этим относятся к категории несваривающихся плавлением сплавов, а также они имеют пониженную коррозионную стойкость.

Магний и медь относятся к основным легирующим элементам, которые повышают механические свойства и, образуя упрочняющие фазы, повышают прочность сплавов при старении. Помимо меди и магния, в дуралюминах всегда содержится марганец и небольшое количество примесей. Марганец повышает температуру рекристаллизации, измельчает структуру холоднодеформированного материала, повышает прочностные свойства при комнатной температуре, а также значительно увеличивает жаропрочность сплавов

Основными примесями в дуралюминах являются железо и кремний. С целью улучшения механических свойств соотношение железа и кремния в сплавах поддерживают 1 к 1. Некоторое повышение содержания кремния над железом, например в Д1, допускается для улучшения литейных свойств. В сплаве Д16 соотношение Fe : Si = 1:1, а в сплаве Д16ч составляет Fe : Si = 1,5:1,1, т.е. железо превышает содержание кремния.

Цинк для дуралюминов является вредной примесью, т.к. он увеличивает склонность к трещинообразованию при литье и сварке. Бериллий в количестве 0,005 % предохраняет сплавы от окисления при литье и сварке. Титан применяется для измельчения зерна литого металла, а также значительно уменьшает склонность к трещинообразованию слитков. Небольшое количество бора (0,005–0,01 %) измельчает зерно, эффект модифицирования увеличивается в присутствии небольших количеств титана.

Дуралюмины являются многокомпонентными сплавами, однако, для определения фазового состава можно использовать трехкомпонентную диаграмму состояния Al–Cu–Mg (рис. 7.12). Фигуративные точки сплава соответствуют фазовым областям: В65 и Д18 – α + θ(CuAl2); Д1 и Д16 – α + θ + S(Al2MgCu),

Д19 – α + S. При температурах, близких к солидусу, фигуративные точки сплавов В65, Д18, Д1 остаются в двухфазной области, но на границе с однофазной. Это означает, что растворимость фаз θ и S с повышением температуры увеличивается, следовательно, нагрев дуралюминов до температуры 500 °С приводит к полному или почти полному растворению вышеперечисленных фаз в алюминиевом твердом растворе. Фазы S и θ являются упрочняющими фазами при термообработке дуралюминов (табл. 7.7).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Рис. 7.12. Изотермический разрез системы Al–Cu–Mg при 200 °С

Таблица 7.7

Фазовый и структурный состав дуралюминов

Промышленные дуралюмины Д1 и Д16 относятся не к тройной, а к более сложной многокомпонентной системе. Добавка марганца, примеси железа и кремния могут образовывать такие фазы, как Mg2Si, (Mn, Fe)Al6,

(Fe, Mn)3Si2Al15, Cu2FeAl7, Т(Cu2Mn3Al20). Наличие, объемная доля и форма частиц этих фаз зависят от концентрации основных компонентов и примесей

в пределах марки, а также от режима литья, обработки давлением и термообработки. Большинство фаз, содержащих железо, практически нерастворимо в алюминии, что снижает пластичность дуралюминов.

Марганец в дуралюминах из-за дисперсных включений Т(Cu2Mn3Al20)- фазы повышает температуру рекристаллизации полуфабрикатов, обуславливая пресс-эффект. Включения Т-фазы затрудняют рост зерна при вторичной рекристаллизации и повышают прочность и коррозионную стойкость сплавов.

В структуре слитка сплава Д16 после литья по границам дендритных ячеек алюминиевого α-твердого раствора расположены включения фаз S(Al2MgCu) и θ(CuAl2), образованные основными компонентами, а также включения фаз Mg2Si, (Fe, Mn)3Si2Al12 и другие, образованные примесями. Все эти фазы эвтектического происхождения, причем эвтектики обычно вырожденные (рис. 7.13).

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Рис. 7.13. Структура сплава Д16: а – в литом состоянии; б – в отожженном состоянии

Дуралюмины относятся к трудно деформируемым сплавам, поэтому перед деформацией слитки сплавов системы Al–Cu–Mg подвергают гомогенизационному отжигу при температуре 480–500 °С с выдержкой 6–16 ч. При отжиге происходит устранение дендритной ликвации по основным легирующим элементам и растворение неравновесных эвтектических фаз.

Изделия из дуралюминов подвергают закалке и естественному старению. Допустимые колебания температуры нагрева под закалку дуралюминов невелики, это связано с тем, что температура закалки близка к температуре плавления эвтектики. Для сплава Д16 Tзак = 490–500 °С; охлаждение осуще-

ствляется в воде (30–40 °С); эвтектика (α + θ + S), Tэвт = 506 °С. Для сплава Д1

Tзак = 495–505 °С; эвтектика (α + θ + Mg2Si), Tэвт = 514 °С.

Нагрев под закалку до температуры выше допустимой может привести к пережогу, к оплавлению эвтектик по границе, что сопровождается окислением металла и образованием при последующей кристаллизации усадочной пористости. В результате пережога происходит резкое снижение прочности и пластичности. При закалке необходима высокая скорость охлаждения в холодную воду, иногда подогретую, чтобы снизить вероятность трещинообразования. Время переноса изделий в закалочную среду не должно превышать 30 с, т.к. переохлажденный твердый раствор в дуралюмине распадается очень быстро и выделения по границам зерен понижают стойкость сплава против межкристаллитной коррозии.

В закаленных дуралюминах протекает естественное старение в течение 4 сут, и в результате достигается максимальная прочность. При естественном старении дуралюмина Д16 образуются зоны Гинье-Престона (участки раствора, обогащенные медью и магнием), а при искусственном старении в упрочнение большой вклад вносит промежуточная S'-фаза. Состав сплава Д16 при температурах старения также находится в трехфазной области α + θ + S, но ближе к границе области α + S. Поэтому главной фазой-упрочнителем в сплаве Д16 является тройное соединение S(CuMgAl2).

Время естественного старения зависит от соотношения Mg/Cu: чем больше это соотношение, тем медленнее протекает старение. Для изделий из сплавов Д1, Д16 естественное старение проводят в течение 4 сут, сплавов Д19 – 5 сут. Механические свойства сплавов после термической обработки приве-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

дены в табл. 7.8. Наиболее важные в группе дуралюмины Д16, Д16ч применяются в основном после естественного старения. Для сплавов Д16, Д19, предназначенных для работы при повышенных температурах, назначают искусственное старение (190 °С, 6–12 ч), при этом улучшается коррозионная стойкость сплавов по сравнению с естественным старением.

Таблица 7.8

Механические свойства Д1 и Д16 после закалки и естественного старения

Катаные листы и плиты из сплава Д16 после закалки и естественного старения имеют σв = 440 МПа, а прессованные прутки и профили σв = 520 МПа. Повышенную прочность состаренных после закалки полуфабрикатов называют пресс-эффектом. Этот эффект обусловлен тем, что в отличие от катаных полуфабрикатов, в которых при нагреве под закалку обычно происходит рекристаллизация, в горячепрессованных полуфабрикатах при закалке сохраняется нерекристаллизованная структура с повышенной плотностью дислокаций. Пресс-эффект заключается в повышенной прочности прессованных полуфабрикатов за счет сохранения в них при закалке нерекристаллизованной структуры. Росту температуры рекристаллизации способствуют дисперсоиды марганца, образующиеся при гомогенизационном отжиге слитков.

Полуфабрикаты из сплавов Д16 и Д16ч обладают хорошим сочетанием вязкости разрушения, выносливости, скорости роста усталостных трещин. Поэтому они используются в условиях повышенной выносливости и при растягивающих напряжениях. Температура эксплуатации сплавов Д16, Д16ч в естественно состаренном состоянии ограничена +80 °С из-за снижения коррозионной стойкости в случае нагревов при высоких температурах. В искусственном состаренном состоянии сплавы работают длительное время при температурах свыше 125 °С, однако, необходимо выбирать конструкционные формы деталей с минимумом концентраторов напряжений.

Дуралюмины обладают пониженной коррозионной стойкостью. Для защиты от коррозии листы из Д16 с обеих сторон плакируют техническим алюминием А7, А8 либо оксидируют в H2SO4.

Дуралюмины относятся к теплопрочным сплавам, наиболее жаропрочные сплавы − Д19ч, Д19. Дуралюмины плохо свариваются, поэтому применяются для изготовления клепаных конструкций.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы

Широкое применение получил наиболее прочный дуралюмин Д16, содержащий в 2–3 раза больше магния, чем дуралюмин Д1. Из сплава Д16 изготавливают все виды полуфабрикатов, например, основные силовые элементы

– панели крыла, балки, шпангоуты, тяги управления, обшивку фюзеляжа и другие детали авиастроения. Сплавы Д18, В65 идут на изготовление заклепок. Из сплава Д1 обычно изготавливают проволоку, трубы, листы, профили, штамповки, из Д19 – деформированные полуфабрикаты, работающие при повышенных температурах.

Сплавы системы Al–Cu–Mg, легированные железом и никелем.

Сплавы АК4, АК4-1 по назначению относятся к группе жаропрочных материалов. По химическому и фазовому составу они близки к сплавам типа дуралюмин, но менее легированы медью. Отличие заключается в том, что вместо марганца в качестве легирующих элементов в значительных количествах содержатся железо, никель и кремний.

При одновременном введении железа и никеля наблюдается резкое повышение прочностных свойств в закаленном и состаренном состоянии, при этом максимальные значения достигаются при содержании железа 1,6 %. Максимальные значения прочностных свойств, обнаруживаются при соотношении железа и никеля, равном примерно 1:1. Железо и никель образуют тройное соединение FeNiAl9, которое уменьшает возможность образования нерастворимых соединений AlCuFe и AlCuNi, что увеличивает концентрацию меди в твердом растворе. С увеличением содержания фазы FeNiAl9 в сплаве повышается эффект термической обработки. Фаза FeNiAl9 улучшает характеристики механических свойств и жаропрочность сплава. Термическая обработка сплавов типа АК4, АК4-1 заключается в закалке при температуре 530 °С и старении при температуре 200 °С. Основными упрочняющими фазами этих сплавов при термической обработке, так же как дуралюминов, служат фазы S и θ. Жаропрочные сплавы системы Al–Cu–Mg уступают по прочности при комнатной температуре дуралюминам, но превосходят их по жаропрочности при 300 °С.

Сплавы на основе системы Al–Mg–Si. Сплавы на основе данной системы АД31, АД33, АД35, АВ называют авиалями – авиационный алюминий, они относятся к группе материалов обладающих повышенной пластичностью (табл. 7.9).

Таблица 7.9

Химический состав сплавов систем Al–Mg–Si, Al–Cu–Mg (ГОСТ 4784-97), %

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 7. Легкие цветные металлы и сплавы