Розділ V. КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ

Кольорові метали знайшли широке застосування в техніці завдяки своїм особливим властивостям. Хоча треба відмітити, що в порівнянні з чорними металами їх застосування значно менше. Це обумовлене тим, що кольорові метали дорогі та дефіцитні. Одних металів дуже мало в надрах землі, (мідь), інших (алюміній) – багато, але їх виробництво дуже дороге.

Найбільш широко в техніці застосовуються мідь та її сплави, алюміній та його сплави, магній та ін.

5.1. Мідь та її сплави

Мідь – пластичний метал червонуватого кольору. Вона, як золото і срібло, в надрах землі зустрічається в самородках. Але незважаючи на те, що в земній корі її небагато (0,01%), мідь не розсіяний метал і концентрується в рудах.

Густина міді 8,9 г/см³, температура плавлення 1083^oC, комірка ГЦК, поліморфні перетворення відсутні. Твердість міді 85 – 115 НВ.

За властивостями мідь близька до срібла і золота. На повітрі вона майже не окислюється, має високу пластичність, електро- і теплопровідність. Тому майже половина міді використовується в електрорадіотехніці для виготовлення провідників – монтажного і обмоточного дроту, струмонесучих деталей приладів та апаратів тощо.

Електропровідність міді дуже залежить від домішок. Навіть незначний вміст домішок різко зменшує електропровідність міді. Якщо в мідь внести метал з більшою провідністю (наприклад, срібло), то електропровідність зменшиться. Тому мідь, яка використовується для виготовлення провідників, повинна бути надзвичайно чистою. Очищають її шляхом електролізу. Тому чисту мідь називають електролітичною.

Шкідливими домішками в міді є вісмут, свинець, сірка і кисень.

Вісмут і свинець з міддю утворюють легкоплавкі евтектики, які розташовуються по границях зерен і спричинюють руйнування при обробці тиском в гарячому стані. Допускається в міді вісмуту до 0,002%, а свинцю до 0,005%.

Сірка і кисень знижують пластичність міді. Крім того, кисень при певних умовах може привести до «водневої хвороби» міді. Кисень з’єднується з міддю, утворюючи оксид міді, який зосереджується на границях зерен. Якщо з такої міді виготовити деталь, яка буде працювати в нагрітому стані та присутності водню, то водень проникає на границю зерен і взаємодіє з оксидом міді, утворюючи пари води, які створюють тиск, достатній для розтріскування поверхні деталі.

Мідь високої чистоти позначають МОО (99,99%), МО (99,95%), технічної – М1, М2, МЗ, М4 (99,9; 99,7; 99,5; 99%).

Властивості міді значною мірою залежать від попередньої обробки деформуванням, теплом (відпалена) тощо. Проте, в усіх випадках мідь має малу міцність. Тому в техніці частіше використовують не мідь, а її сплави – латунь і бронзу.

Латунь – це сплав міді з цинком. В системі мідь-цинк (рис. 26) утворюється 6 фаз: α, β, γ, δ, ε, η.

Рис.

Практичне значення мають латуні з вмістом цинку 42 – 43%. При такому вмісту цинку досягається найбільша пластичність та міцність (рис. 27).

Рис.

При вмісті цинку до 39% латуні однофазні, до 46% – двофазні.

З рисунка видно, що із збільшенням цинку спочатку міцність і пластичність ростуть (до 30% цинку). Далі пластичність зменшується, а міцність продовжує рости, але до 45% цинку. Потім і вона різко падає. Це обумовлене появою (при 39% цинку) – β-фази.

Вироби з однофазної латуні (гільзи для снарядів, прокладки тощо) виготовляють методом глибокої штамповки з листового матеріалу. Вони відрізняються високою корозіостійкістю у воді та сухій парі. При збільшенні вмісту цинку зменшується вартість латуні, покращується міцність, однак, різко зменшується корозіостійкість. Вилежування деформованої латуні у вологому середовищі (особливо при наявності аміаку) приводить до руйнування виробів (сезонне розтріскування).

Двохфазні латуні добре оброблюються тиском при температурі 700^oC, коли структура стає однофазною (β). Такі латуні мають хороші ливарні властивості. Із двохфазних латуней виготовляють дрібні деталі – гайки, втулки, штуцери, трійники тощо.

Легуючі елементи (олово, алюміній, марганець, залізо, кремній) змінюють структуру та властивості латуней.

За технологічними ознаками латуні, як і всі сплави кольорових металів, розділяються на ливарні та деформовані. Ливарні латуні використовуються для виготовлення фасонних відливок. Деформовані латуні виготовляють у вигляд простих латуней, наприклад Л90 (томпак), Л80 (напівтомпак) та складних латуней ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 та ін. Маркують прості латуні буквою Л та цифрами, які показують вміст міді у відсотках: Л96, Л70 тощо.

Бронзи – це сплави міді з оловом, алюмінієм, кремнієм, марганцем, свинцем, берилієм тощо. В залежності від введеного елементу бронзи називають олов’яними, алюмінієвими і т.д.

Маркуються бронзи буквами Бр і буквами, якими позначаються елементи, що входять до неї. Після букв стоять цифри, які у відсотках показують кількість цих елементів. Наприклад, марка БрОЦС5-5-5 означає, що бронза вміщує олова, свинцю і цинку по 5%.

Олов’яні бронзи – використовувались ще в давні часи (бронзовий вік) для виготовлення предметів праці та побуту. Пізніше із них відливали гармати, дзвони тощо.

Діаграма мідь-олово показана на рис. 28.

Рис.

Структура олов’яних бронз унаслідок ліквації не завжди відповідає діаграмі. Так, при вмісту олова 10 – 12% повинна бути однофазна α -структура. Але в реальних умовах охолодження вона двохфазна α + β. Відновити однофазність можна деформацією та відпалом.

Залежність властивостей олов’янистої бронзи від вмісту олова показана на рис. 29.

Рис.

З рисунка видно, що вже при 5 – 6% олова пластичність бронз різко падає. Міцність же росте аж до 25% олова, а потім швидко зменшується. Це треба мати на увазі при використанні олов’янистих бронз. Олов’янисті бронзи підлягають термічній обробці. Так, деформовані бронзи для підвищення пластичності відпалюють при 700 – 750^oC (з наступним швидким охолодженням), а відливки для зняття внутрішніх напруг відпалюють при 550^oC.

Олов’янисті бронзи з вмістом олова біля 10% мають високі антифрикційні якості, тому їх широко використовують для виготовлення підшипників ковзання. Крім того, з олов’янистих бронз виготовляють парову та водяну арматуру, фасонні відливки тощо.

Для здешевлення в олов’янисті бронзи додають 5 – 10% цинку. Він розчиняється в міді і суттєво не змінює структуру.

Для кращої оброблюваності в бронзу добавляють 3 – 5% свинцю, що спричинює подрібнення стружки.

Фосфор вводять в бронзу для її розкислення.

Однак олово дефіцитний елемент, тому олов’яниста бронза, навіть з добавками інших елементів, дорога.

Більш дешевою і з непоганими технологічними та механічними властивостями є алюмінієва бронза.

При нормальній температурі в міді може розчинятись біля 9% алюмінію і утворити однофазний α-твердий розчин. Тому на практиці використовуються алюмінієві бронзи з вмістом алюмінію 9 – 11%. Бронзи, які мають більше 10% алюмінію, гартують з нагріванням до 900^oC. Після гартування ут ворюється орієнтована структура з голками, подібними до мартенсітних у сталі. Це спричинює зростання міцності та твердості бронзи, однак, падає пластичність.

Алюмінієві бронзи часто легують залізом, нікелем, марганцем тощо. Це покращує механічні властивості алюмінієвих бронз.

Із алюмінієвих бронз виготовляють зубчаті колеса, сальники, деталі турбін, електропровідні пружини тощо. Вони добре працюють в умовах зносу, підвищеного тиску і навіть підвищених температурах. Бронзи з вмістом заліза є найбільш міцними. Поєднання міцності, високої хімічної стійкості та антифрикційних властивостей робить їх цінними матеріалами для виготовлення різних втулок, сідел клапанів, шестерень, тобто відповідальних деталей.

Марганцеві бронзи мають порівняно невисокі механічні властивості, але добре протистоять корозії.

Свинцеві бронзи відрізняються високою корозіостійкістю і теплопровідністю (в чотири рази більшою, ніж у олов’яних бронз). Застосовуються для високонавантажених підшипників з великим питомим навантаженням.

Берилієві бронзи після термообробки мають високі механічні властивості – велику межу пружності, хорошу корозіостійкість та теплостійкість.

Берилієву бронзу використовують в приладобудуванні для виготовлення відповідальних пружин, мембран тощо. Крім того, вона є іскронебезпечною, тому з неї виготовляють електричні контакти та ударний інструмент, яким можна працювати у вибухонебезпечних середовищах. Однак, її використання обмежується дороговизною берилію.

Кремнієві бронзи використовують замість дорогих берилієвих. Їх властивості дещо нижчі, ніж у берилієвих, але вищі ніж у олов’янистих.

Із кремнієвих бронз виготовляють відповідальні деталі, які працюють у важких умовах температури і тертя. Із них виготовляють полоси, прутки, втулки, клапани, плоскі та круглі пружини.

Особливі властивості мають міднонікелеві сплави — куніали, нейзильбери, мельхіори, копелі, манганіни, константани та ін.

Куніали (мідь – нікель – алюміній) використовують для виготовлення деталей підвищеної міцності, пружин та інших електротехнічних виробів.

Нейзильбери (мідь – нікель – цинк) мають колір близький до срібла. Вони добре протистоять атмосферній корозії. Їх використовують в приладобудуванні та при виробництві годинників.

Мельхіори (мідь – нікель та незначна кількість добавки заліза і марганцю) дуже корозієстійкі, навіть у морській воді. Їх використовують для виготовлення теплообмінних апаратів, ювелірних виробів тощо.

Копелі (мідь – нікель (43%) – марганець (0,5%)) – спеціальний термоелектричний сплав для виготовлення термопар.

Манганін (мідь – нікель (3%) – марганець (12%)) – спеціальний сплав з високим питомим електричним опором.

Використовується для виготовлення електронагрівальних елементів.

Константани (мідь – нікель (40%) – марганець (1,5%)) – застосовуються для виготовлення електронагрівальних елементів.