Лахтин_Матеориаловедение

Высокая жаропрочность обусловлена добавками в сплавы Μn, Ti, Ni, Се, Zr (см. табл. 36), образующими нерастворимые (малорастворимые) интерметаллидные фазы (Al6Cu3, А12Се, Al2Zr и др.). Сплав АЛЗЗ упрочняют закалкой от высокой температуры 545 °С и старением при 175 °С.

Для крупногабаритных деталей, работающих при 300—350 °С, применяют сплав АЛ21. Отливки сложной формы из сплава подвергают отжигу при 300 °С. Для получения высоких механических свойств отливки закаливают от 525 °С в горячей воде и подвергают стабилизирующему отпуску при 300 °С (Т7).

Вопросы для самопроверки

1.Каковы характерные физические и механические свойства алюминия и где он применяется?

2.На какие группы делятся алюминиевые сплавы в зависимости от технологии их обработки?

3.Опишите в общем виде структуру и фазовый состав алюминиевых сплавов?

4.Зачем проводят диффузионный отжиг (гомогенизацию) и отжиг деформируемых алюминиевых сплавов (дуралюмина)?

5.Какие структурные и фазовые превращения протекают при закалке и старении дуралюмина?

6.Какие Вы знаете высокопрочные алюминиевые сплавы?

7.Где применяются и как упрочняются сплавы Аl—Мn (АМц) и Аl—Mg

(АМг)?

8.Какую термическую обработку проходят литые алюминиевые сплавы?

9.Какой состав имеет сплав силумин и как он упрочняется?

10.Какие требования предъявляют к алюминиевым сплавам для фасонного литья?

ГЛ А В А XXI. МАГНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

1. МАГНИЙ

Магний — металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1,74 г/см3). Температура плавления магния 650 °С. Кристаллическая решетка гексагональная (а = 0,3103, с = 0,5200 нм, с/а — 1,62354).

Технический магний выпускают трех марок МГ90 (99,9 % Mg), МГ95 (99,95 % Mg) и МГ96 (99,96 % Mg). Механические свойства

литого магния: σΒ = 115 МПа, σ0,2 = 25 МПа, δ = 8 %, ЗОНВ, а деформированного (прессованные прутки): σΒ = 200 МПа, σ0,2

= 90 МПа, δ = 11,5 %, 40НВ. На воздухе магний легко воспламеняется. Используется магний в пиротехнике и химической промышленности.

2. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ

Сплавы магния обладают малой плотностью, высокой удельной "прочностью, хорошо поглощают вибрации, что предопределило их широкое использование в авиационной и ракетной

401

технике. Однако сплавы магния имеют низкий модуль нормальной упругости 43 000 МПа и плохо сопротивляются коррозии. Магний не взаимодействует с ураном и обладает низкой способностью поглощать тепловые нейтроны. Поэтому его применяют для изготовления оболочек трубчатых тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах. Недостатком магниевых сплавов является трудность обработки давлением и литья. Сплавы удовлетворительно свариваются дуговой сваркой в защитной среде инертных газов, контактной сваркой и хорошо обрабатываются резанием. Чаще применяют сплав магния с алюминием (до 10 %), цинком (до 5—6 %), марганцем (до 2,5 %), цирконием (до 1,5 %).

Алюминий и цинк в количестве до 6—7 %, образующие с магнием твердые растворы и соединения Mg4AI3 и M'gZn2, повышают механические свойства магния (рис. 188, б и в). Марганец с магнием образует твердый раствор α. При понижении температуры растворимость марганца в магнии понижается и из α-твердого раствора выделяется β-фаза (рис. 188, а). Марганец, не улучшая механические свойства, повышает сопротивление коррозии и свариваемость сплавов магния.

Цирконий, будучи введен в сплавы магния с цинком, измельчает зерно, улучшает механические свойства и повышает сопротивление коррозии. Редкоземельные металлы и торий повышают жаропрочность магниевых сплавов. Бериллий в количестве 0,005— 0,012 % уменьшает окисляемость магния при плавке, литье и термической обработке.

402

Магниевые сплавы, как и алюминиевые, по технологии изготовления подразделяют на две группы: 1) литейные сплавы — для получения деталей методом фасонного литья, маркируемые буквами «МЛ»; 2) деформируемые сплавы, подвергаемые прессованию, прокатке, ковке, штамповке и другим видам обработки давлением, маркируемые буквами «МА». Магниевые сплавы, как и алюминиевые, подвергают термической обработке — диффузионному отжигу (гомогенизации), отжигу, закалке и старению. Слитки и фасонные отливки подвергают диффузионному отжигу (гомогенизации) обычно при 400—490 °С в течение 10—24 ч.

При гомогенизации магниевых сплавов избыточные фазы, выделившиеся по границам зерен, растворяются, и состав по объему зерен выравнивается, что облегчает обработку давлением и повышает механические свойства.

Для устранения наклепа и уменьшения анизотропии механических свойств магниевые сплавы подвергают рекристаллизацион-ному отжигу при 250—350 °С

Ряд магниевых сплавов может быть упрочнен закалкой и старением. Особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузионных процессов, поэтому фазовые превращения в них протекают медленно. Это требует больших выдержек при нагреве под закалку (4—24 ч) и искусственном старении (15—20 ч). По этой же причине возможна закалка на воздухе. Многие сплавы закаливаются при охлаждении отливок или изделий после горячей обработки давлением на воздухе, а следовательно, они могут упрочняться при искусственном старении без предварительной закалки. Гомогенизацию и закалку осуществляют при нагреве до 380—540 °С (Т4) и последующее старение при 150—200 °С (Т6).

Прочность магниевых сплавов в процессе старения можно повысить только на 20—35 %. Пластичность сплавов при этом уменьшается, поэтому нередко ограничиваются только гомогенизацией (закалкой), улучшающей механические свойства сплавов.

Литейные сплавы. Состав некоторых промышленных литейных сплавов приведен в табл. 37.

Широко применяют сплав МЛ5, в котором сочетаются высокие механические и литейные свойства. Он используется для литья нагруженных крупногабаритных отливок.

Сплав МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами, чем МЛ5, и предназначается для изготовления тяжелонагруженных деталей.

Механические свойства сплавов МЛ5 и МЛ6 могут быть повышены гомогенизацией при 420 °С 12—14 ч и закалкой на воздухе (Т4). Более высокие значения временного сопротивления и предела текучести сплав МЛ5 приобретает после добавочного старения при 175 °С, а сплав МЛ6 — после добавочного старения при 190 °С 4—8 ч (Т6).

Сплав МЛ10 относится к группе жаропрочных и применяется для отливок, работающих при температуре до 300 °С.

403

Сплав используют после гомогенизации, закалки от 593 °С и старения при 200 °С 12—16 ч (Т6).

Сплав МЛ12 наряду с высокими механическими свойствами отличается большой коррозионной стойкостью и хорошими литейными свойствами. Сплав может быть упрочнен гомогенизацией, закалкой от 400 °С на воздухе и длительным старением (50 ч) при 150 °С (Т6). Чем мельче зерно, тем выше механические свойства литых магниевых сплавов. Измельчение зерна сплавов, содержащих алюминий, достигается перегревом расплава или модифицированием его добавкой мела или магнезита (до 1 % от массы шихты). В обоих случаях образуются нерастворимые частицы (Al3Fe; А14С3), играющие роль зародышей для кристаллизации твердого раствора.

При выплавке и литье магниевых сплавов применяют специальные меры предосторожности для предотвращения загорания сплава. Плавку ведут в железных тиглях под слоем флюса, а при разливке струю металла посыпают серой, образующей сернистый газ, предохраняющий металл от воспламенения. В песчаную почву для уменьшения окисления металла добавляют специальные присадки, например фтористые соли алюминия.

Деформируемые сплавы (см. табл. 37). Эти сплавы изготовляют в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповых заготовок.

Магниевые сплавы, имеющие гексагональную решетку, при низких температурах малопластичны, так как сдвиг происходит только по плоскостям базиса (0001). При нагреве до 200—300 °С появляются дополнительные плоскости скольжения (1011) и (1120), и пластичность возрастает, поэтому обработку давлением ведут при повышенных температурах. Чем меньше скорость деформации, тем выше технологическая пластичность магниевых сплавов. Прессование в зависимости от состава сплава ведут при 300—480 °С, а прокатку в интервале температур от 340—440 (начало) до 225—250 °С (конец). Штамповку проводят в интервале температур 480—280 °С в закрытых штампах под прессами. Вследствие текстуры деформации полуфабрикаты (листы, прутки, профили и др.) из магниевых сплавов обнаруживают сильную анизотропию механических свойств. Холодная прокатка требует частых промежуточных рекристаллизационных отжигов.

Сплав МА1 обладает сравнительно высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью. По механическим свойствам он относится к сплавам низкой прочности. Введение в сплав Аl—Mn 0,2 % Се (МА8) измельчает зерно, повышает механические свойства и улучшает деформацию в холодном состоянии.

Сплав МА2-1, относящийся к системе Mg—Al—Zn, обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей технологической свариваемостью, однако склонен к коррозии под

405

напряжением, поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается.

Сплав МА14 отличается повышенными механическими свойствами, жаропрочен (до 250 °С) и не склонен к коррозии под напряжением.

К недостаткам сплава относится склонность к образованию трещин при горячей прокатке. Сплав упрочняется в процессе искусственного старения при 160—170 °С (Т5). Предварительной закалкой служит охлаждение на воздухе от температур прессования. В связи с малой устойчивостью к коррозии изделия из магниевых сплавов оксидируются. На оксидированную поверхность наносят лакокрасочные покрытия.

Вопросы для самопроверки

1.Укажите характерные свойства магния и области его применения.

2.Какие сплавы магния применяются? Укажите влияние Zn, ΑΙ, Zr, Be

идругих элементов на механические, технологические свойства и структуру сплава.

3.Какие трудности при деформации и литье магниевых сплавов?

4.Укажите особенности термической обработки магниевых сплавов.

5.Опишите характерные свойства магниевых сплавов, их маркировку и области применения.

ГЛ А В А XXII. МЕДЬ И СПЛАВЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ

1. МЕДЬ

Медь — металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 °С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 0,31607 нм. Плотность меди 8,94 г/см3. Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью1. Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм.м. В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок:

М00 (99,99 % Cu), МО (99,97 % Cu), Ml (99,9 % Cu), М2 (99,7 % Cu),

МЗ (99,50 % Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы.

1. Примеси, образующие с медью твердые растворы: Ni, Zn, Sb, Sn, Al, As, Fe, Ρ и др.; эти примеси (особенно Sb и As) резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь М0 и Ml, содержащую ≤0,002 % Sb и ≤0,002 % As. Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением.

1 Эти свойства меди принято принимать за 100 %, а все другие технические металлы, за исключением серебра, сравнивать с медью.

406

2.Примеси Pb, Bi и другие, практически не растворимые в меди, образуют в ней легкоплавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением (рис. 189, а, б). При содержании 0,005 % Bi медь разрушается при горячей обработке давлением; при более высоком содержании висмута медь становится, кроме того, хладноломкой; на электропроводимость эти примеси оказывают небольшое влияние.

3.Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu2O и Cu2S (рис 189, в), входящие в состав эвтектики. Кислород, находясь в растворе, уменьшает электропроводимость, а сера не влияет на нее. Сера улучшает

При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Cu2O, то они реагируют с водородом, в результате чего

407

образуются пары воды по реакции Cu2O + Н2 → 2Cu + Н2О, протекающей с увеличением объема. Это создает в отдельных участках металла высокое давление и вызывает появление микротрещин, которые могут привести к разрушению детали.

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Механические свойства меди в литом состоянии: σΒ = 160 МПа, σ0,2 = 35 МПа, δ = 25 %; в горячедеформированном состоянии

σΒ = 240 МПа, σ0,2 = 95 МПа, δ = 45 %. Путем холодного деформирования предел прочности может быть повышен до 450

МПа (проволока) при снижении относительного удлинения до 3

%.Модуль нормальной упругости меди Ε = 115 000 МПа. Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием,

и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную М0б (0,001 % О2) и раскисленную М1р (0,01 % О2) медь.

2. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ

Различают две основные группы медных сплавов: 1) латуни — сплавы меди с цинком; 2) бронзы — сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. Принята следующая маркировка медных сплавов. Сплавы обозначают буквами «Л» — (латунь) или «Бр» (бронза), после чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О — олово, Ц — цинк, Мц — марганец, Ж — железо, Φ — фосфор, Б — бериллий, X — хром и т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента.

Порядок цифр для бронз и латуней различен. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы «Л» указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 — латунь, содержащая 70 % Cu. В случае легированных деформируемых латуней указывают еще буквы и цифры, обозначающие название и количество легирующего элемента, например ЛАЖ60-1-1 означает латунь с 60 % Cu, легированную алюминием (А) в количестве 1 % и железом в количестве 1 % . Содержание цинка определяется по разности от 100 %. В деформированных бронзах содержание основного компонента — меди—не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделенные друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов в про-

408

центах; цифры расположены в том же порядке, как и буквы, указывающие присутствие в бронзе того или иного элемента, например, бронза — БрОЦ4 — 3 — имеет следующий состав: олова

(О) — 4 %, цинка (Ц) — 3 % .

Содержание меди определяется по разности от 100 %.

В литейных латунях и бронзах среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его на звание. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5 содержит 40 % цинка (Ц) и 1,5 % марганца (Мц). Бронза БрА10ЖЗМц2 содержит алюминия (А) 10 %, железа (Ж) — 3 % и мар ганца (Мц) — 2 %.

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.

Диаграмма состояния Cu—Zn приведена на рис. 190, а.

Медь с цинком образует кроме основного α-раствора ряд фаз электронного типа β, γ и ε.

Наиболее часто структура латуней состоит из α- или α + β'-фаз: α- фаза — твердый раствор цинка в меди с кристаллической решеткой меди ГЦК Предельная растворимость цинка в меди составляет 39 %

(рис. 190, а), а β'-фаза — упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с решеткой ОЦК.

При высоких температурах β-фаза имеет неупорядоченное расположение атомов и широкую область гомогенности (рис. 190, а). В этом состоянии β-фаза пластична. При температуре ниже 454—468 °С расположение атомов меди и цинка в этой фазе становится упорядоченным, и она обозначается β'. Фаза β' в отличие от β-фазы является более твердой и хрупкой; γ- фаза представляет собой электронное соединение Cu5Zn8 (21/13). Зависимость механических свойств латуни от содержания цинка показана на рис. 190, б. В области α-твердого раствора прочность и пластичность растут. При появлении в структуре β'-кристаллов пластичность падает, а прочность продолжает возрастать примерно до 45 % Zn. При большем содержании цинка структура сплава

409

состоит из β'-фазы и прочность сильно уменьшается из-за высокой хрупкости.

Технические латуни содержат до 40—45 % Ζη. В зависимости от содержания цинка различают α-латуни (рис. 191, а) и α + β'- латуни (рис. 191, б).

К однофазным (пластичным) α-латуням, деформируемым в холодном и горячем состоянии, относятся Л96 (томпак), Л80 (полутомпак) и Л68, имеющая наибольшую пластичность. Двухфазные α + β'-латуни, Л59 и Л60 — менее пластичны в холодном состоянии. Эти латуни подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих области β- или α + β-фазы; α + β'-латуни по сравнению с α-латунью имеют большую прочность и износостойкость, но меньшую пластичность.

Однофазные α-латуни после отжига имеют σΒ = 250÷350 МПа и δ

= 50÷55 % , а двухфазные — σΒ = 400÷450 МПа и δ = 35÷40 % .

Прочность однофазной латуни может быть значительно повышена холодной пластической деформацией (σΒ = 450÷700 МПа), однако пластичность резко снижается (δ = 3÷5 %).

Двухфазные латуни нередко легируют А1, Fe, Ni, Sn, Μn, Pb и другими элементами. Такие латуни называют специальными, или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию β'-фазы, поэтому специальные латуни чаще двухфазные α + β'. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. При добавлении его к α + β'-латуни количество β'-фазы уменьшается, и при достаточном его содержании латунь из двухфазной становится однофазной (α-латунь). Легирующие элементы увеличивают прочность (твердость), но уменьшают пластичность латуни.

Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшаем антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Аl, Zn, Si, Μn и Ni.

410