3.5. Цветные металлы и сплавы

3.5.1. Общая характеристика

К цветным относят следующие металлы: кадмий, кобальт, медь, никель, свинец, олово, цинк, алюминий, титан и магний. На их основе созданы многочисленные сплавы, отличающиеся целой гаммой механических свойств.

Цветные металлы делятся на легкие и тяжелые. К легким относятся алюминий, титан и магний, остальные цветные металлы – тяжелые, у которых удельный вес более 7.

Тяжелые цветные металлы и сплавы на их основе с высокой температурой плавления используются как конструкционные, коррозионно-стойкие, электротехнические и жаростойкие материалы. На базе тяжелых цветных металлов с низкой температурой плавления созданы припои, антифрикционные и легкоплавкие сплавы. Большинство тяжелых цветных металлов применяется для антикоррозионных покрытий железа.

Легкие цветные металлы и сплавы применяются для производства облегченных конструкций (самолетов, бурильных труб и т.п.), изделий со специальными характеристиками (покрытий, антикоррозионных добавок, легирующих добавок) для химической, электротехнической и других отраслей промышленности; для изготовления штампованных изделий (посуды и т.п.).

3.5.2. Тяжелые цветные металлы и сплавы

Кадмий Cd и его сплавы. Они обладают высокой коррозионной стойкостью как в атмосферных условиях, так и в некоторых агрессивных жидких средах. Кадмирование часто применяют для антикоррозионной защиты деталей с малыми допусками и работающих в тяжелых атмосферных условиях.

Кадмий используется и в качестве легирующей добавки или основы в подшипниковых и легкоплавких сплавах и припоях. В качестве подшипников применяют сплавы кадмия с никелем (1-1,5 % Ni), серебром (0,5-1 % Ag) и медью (0,4-0,75 % Cu). Широкое практическое применение имеют сплавы меди с кадмием, поскольку кадмий повышает прочность меди и мало влияет на ее теплопроводность и электрические свойства. Кадмий выпускается трех марок: К_д-0, К_д-1 и К_д-2, две первых марки используются в виде катодов для электролитических покрытий.

Сплавы кобальта (Co). В технике кобальт используется, главным образом, в качестве легирующей добавки, а также в качестве основы магнитных, твердых (о них см. в специальном разделе ниже) и других сплавов с особыми свойствами. Сплав кобальта с 30 % хрома и 2 % вольфрама применяется для изготовления рефлекторов дуговых ламп и другой электротехнической аппаратуры. Нерастворимые аноды изготовляются из сплава кобальта с 13 % кремния, 7 % хрома и 5 % марганца. В чистом виде кобальт применяется для изготовления антикатодов рентгеновских трубок, анодов для электроосаждения магнитных сплавов. Кобальт входит также в состав некоторых быстрорежущих сталей.

Медь (Cu) и её сплавы. Чистая медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, сравнительно хорошей коррозионной стойкостью и отличной обрабатываемостью давлением. Медь стойка в атмосферных условиях, пресной воде, растворах неокислительных солей, органических кислотах, спиртах и других средах. Эти свойства меди определили её широкое применение в электротехнике, химическом аппаратостроении и теплотехнике. Значительная часть меди предназначается для производства сплавов на её основе: латуней, бронз и медно-никелевых сплавов.

Латуни. Это сплавы меди и цинка, обладающие достаточно высокими механическими характеристиками и удовлетворительной коррозионной стойкостью, поэтому они имеют широкое распространение в машиностроении как наиболее дешевые из медных сплавов.

Латуни подразделяются на двойные и многокомпонентные. Двойные медно-цинковые сплавы называются простыми, а многокомпонентные – специальными. Двойные латуни, содержащие 88-97 % меди, носят название томпака, а содержащие 79-86 % меди – полутомпака. Специальные латуни называются по главному легирующему элементу (кроме цинка): например, алюминиевые латуни, кремниевые, оловянные, марганцевые и т.п. Добавки легирующих элементов (кроме свинца) повышают коррозионную стойкость, прочность, а примесь свинца улучшает обрабатываемость латуней. Изготовляют латуни в виде трубок, листов, лент, полос, прутков и проволоки. Применяются такие латуни для изготовления радиаторов, покрытий разного рода, изделий хозяйственного назначения, а также в качестве припоев при сварочных работах, например, для закрепления резцов из твердых сплавов в буровых коронках и долотах.

Бронзы. По химическому составу бронзы могут быть оловянными и безоловянными (специальными). В зависимости от числа легирующих элементов бронзы могут быть двойными и многокомпонентными. Основными легирующими компонентами бронз являются алюминий, олово, свинец, марганец, железо и другие элементы, кроме цинка.

Оловянные бронзы содержат, кроме олова, в качестве дополнительного легирующего компонента фосфор, свинец и цинк. Эти добавки улучшают антифрикционные, механические и литейные свойства медно- оловянных сплавов. Оловянные бронзы обладают хорошей коррозионной стойкостью, достаточной прочностью, хорошими литейными и антифрикционными качествами, а часть из них в деформированном состоянии обладают и высокими упругими свойствами.

Безоловянные (специальные) алюминиевые, кремниймарганцевые, а также ряд других бронз имеют свойства, близкие к свойствам оловянных бронз, а в ряде случаев по некоторым показателям даже превосходят их. К ним относится бериллиевая бронза – наиболее прочный сплав на медной основе. Хромовая и кадмиевая бронзы являются жаростойкими медными сплавами с высокой тепло- и электропроводностью.

Медно-никелевые сплавы. Введение никеля в медь повышает ее коррозионную стойкость в атмосферных условиях, в морской и пресной воде и ряде других агрессивных сред, а также такие свойства, как прочность и электросопротивление. Дополнительное легирование медно-никелевых сплавов алюминием, марганцем, цинком и железом улучшает их технологические свойства.

Медно-никелевые сплавы разделяют на конструкционные и электротехнические. К первым относятся сплавы с высокой коррозийной стойкостью: мельхиор, нейзильбер и куниаль. Из них производят трубы, ленты, полосы, прутки, проволоку, которые используют для изготовления конденсаторных трубок, медицинских инструментов, деталей часов и приборов, пружин и т.п.

К электротехническим относят сплавы для компенсационных проводов, термопар, а также термоэлектродные и реостатные сплавы типа копель и константан.

Сплавы никеля. Никель – ферромагнитный металл, обладающий высокой коррозионной стойкостью и рядом особых физических свойств, в том числе значительной магнитострикцией и высокой упругостью пара. Промышленностью изготовляется никель марок Н0, Н1, Н2, Н3, Н4 чистотой 97,6 - 99,99 % . Никель этих марок используется для изготовления полуфабрикатов, анодов и сплавов. Чистый никель применяется в электровакуумной технике для предохранительных антикоррозионных покрытий, а также для деталей химического машиностроения и электропромышленности.

Сплавы на никелевой основе подразделяют на коррозионно-стойкие, термоэлектродные, магнитные, жаростойкие и жаропрочные. Сплавы никеля с марганцем имеют хорошую стойкость против действия сернистых газов как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах.

Сплавы никеля с медью являются коррозионно-стойкими в органических, ортофосфорной и плавиковой кислотах, в большинстве щелочей, а также устойчивыми против действия сухих газов.

Сплавы никеля с хромом отличаются высоким электросопротивлением, термоэлектродвижущей силой, повышенными жаростойкостью и жаропрочностью. Сплавы никеля с железом, а также с добавками молибдена, хрома, кремния и меди обладают высокой магнитной проницаемостью.

Свинец (Pb), олово (Sn) и их сплавы. Свинец и олово – металлы с низкой температурой плавления, обладают хорошей пластичностью и высокой коррозионной стойкостью, а также рядом особых свойств. На основе этих металлов созданы антифрикционные, легкоплавкие и типографские сплавы и припои.

Свинец стоек в атмосферных условиях, пресной и морской воде, многих кислотах при комнатной температуре. Из него изготовляют кабельные оболочки, пластины аккумуляторов, кислотоупорные облицовки, трубы и другие изделия. Из вторичных цветных металлов изготовляется сурьмянистый свинец, используемый для производства сплавов и фольги.

Олово существует в двух модификациях: белое олово () устойчиво в пределах от температуры плавления до +13,2С; ниже этой температуры оно переходит в хрупкую модификацию () – серое олово. Добавки сурьмы, свинца, мышьяка резко замедляют скорость и температуру аллотропического превращения олова. Чистое олово применяют для защитных покрытий и изготовления фольги.

Промышленностью выпускаются следующие полуфабрикаты из свинца и олова: листы для химического машиностроения, свинцовые роли для облицовки сернокислых башен и электролитических ванн, трубы свинцовые, проволока оловянная и свинцовая, плакированная оловом, фольга для капсюлей, фольга для электроконденсаторов, подшипниковые сплавы (баббиты), припои и легкоплавкие сплавы.

Цинк (Zn) и его сплавы. Цинк – металл с низкой температурой плавления, имеет хорошую коррозионную стойкость в сухой атмосфере и пресной воде, пластичен при повышенных температурах. В чистом виде применяется для защитных покрытий, гальванических элементов и в полиграфической промышленности.

Сплавы на цинковой основе, имеющие низкую температуру плавления, хорошую жидкотекучесть, используются для изготовления деталей приборов и машин методом литья под давлением. Для повышения коррозионной стойкости детали покрывают хромом, никелем или кадмием.

Цинковые сплавы с алюминием, медью и магнием обладают хорошими антифрикционными свойствами и во многих случаях являются заменителями баббитов и бронзы. Эти сплавы применяются также для отливки шрифтов и матриц в полиграфической промышленности.