Практична робота № 3

Дослідження технологічних можливостей кольорових матеріалів та їх використання в агрегатах та конструкціях

3.1 Мета роботи: Ознайомитись з фізичними, механічними і хімічними властивостями алюмінієвих сплавів, міді і сплавів на її основі а також титану, магнію та їх сплавів.

3.2 Теоретичні відомості

Кольорові метали мають комплекс цінних властивостей, таких, наприклад, як теплопровідність (алюміній, мідь), низьку температуру плавлення (свинець, олово), малу питому вагу (алюміній, магній) тощо. Проте застосування їх у чистому вигляді досить обмежене. Широко застосовуються у промисловості сплави кольорових металів–латуні, бронзи, бабіти (на основі міді, цинку, олова, свинцю), а також дюралюміній і силуміни (на основі алюмінію), сплави на основі титану, магнію. На основі кольорових металів та їхніх сплавів створюються також композиційні матеріали та такі, що виготовляють методами порошкової металургії.

Алюміній та його сплави

Алюміній – легкий метал третьої групи періодичної системи елементів, сріблясто-білого кольору, з густиною 2,7 г/см , високою електро-, теплопровідністю та корозійною стійкістю (утворює щільну поверхневу плівку оксиду Al²O³). Температура плавлення алюмінію, залежно від чистоти металу, становить 660…667 0С. Прокатний і відпалений алюміній високої чистоти має міцність σ^в=60 МПа, модуль пружності Е=7*10 МПа, пластичність δ=50%, ψ=85%, твердість 25 НВ. Алюміній високо пластичний, маломіцний матеріал, добре обробляється тиском, зварюється, але погано піддається обробці різанням. Як конструкційний матеріал його не застосовують.

Постійні домішки (Fe, Si, Ti, Mn, Cu, Zn, Cr) знижують фізико–хімічні характеристики і пластичність алюмінію. Залежно від вмісту домішок розрізняють марки алюмінію:А999 (0,001% домішок), А995 (0,005% домішок), А99 (0,010% домішок), а також А97, А95.

Введення легуючих елементів дозволило створити низку алюмінієвих сплавів з різними фізико-механічними та технологічними властивостями. Сплави алюмінію поєднують у собі кращі властивості чистого алюмінію і підвищені характеристики легуючих елементів. Так, залізо, титан, нікель підвищують жароміцність сплавів: мідь, марганець, магній забезпечують зростання характеристик міцності. Легуванням і відповідною термічною обробкою досягають підвищення міцності алюмінію (σ) від 100 до 500 МПа, твердості–від 20 до 150 НВ.

За технологією виготовлення заготовок і виробів усі промислові сплави алюмінію поділяють на три групи:

- деформовані;

- ливарні;

- спечені.

Сплави, що піддають деформуванню, повинні забезпечувати високу технологічну пластичність для здійснення операцій прокатування, кування, пресування тощо. Тому вони повинні мати однорідну структуру твердого розчину на основі алюмінію. Для підвищення міцності допускають у структурі сплаву невелику кількість кристалів евтектики. Деформовані сплави алюмінію поділяють на такі, що зміцнюють термічною обробкою, і такі, що не зміцнюють.

До термічно незміцнюваних сплавів належать технічний алюміній (АД, АД1, АД0), сплави алюмінію з марганцем (позначають АМц) і сплави з магнієм та марганцем (позначають АМг). Вони володіють помірною міцністю, пластичністю, добре зварюються, корозійно стійкі. Залежно від стану поставки листу (0,5…10 мм) у позначенні марки сплаву додають літери. В разі поставки сплаву у відпаленому стані пишуть літеру М–м'які (МАгМ), при незначному наклепуванні–літеру П (АМгП), при значному–літеру Н (АМгН). Із зростанням ступеня деформації (наклепування)підвищується міцність сплавів. Так, міцність і пластичність сплаву АМцН складає σ^в=220 МПа, δ=5%, а сплаву АМцМ– σ^в =130 МПа, δ=20%.

Мало навантажені деталі зварювальних і клепаних конструкцій, деталі глибокої витяжки виготовляють зі сплавів типу АМцН, а також АМг2М, АМг3М (σ^в=170…200 МПа, δ=4…18%). Деталі конструкцій середнього навантаження та високої корозійної стійкості виготовляють зі сплавів типу АМг5М, АМг6М (σ^в=280 МПа, δ=15%). Зі сплавів АМц і АМг виготовляють лист, прутки, дріт.

Термічно зміцнювані сплави алюмінію за хімічним складом і властивостями більш різноманітні. Їх поділяють на:

- сплави підвищеної пластичності АВ, АД31, АД33 (на основі системи Al–Mg–Si);

- конструкційні сплави (Al–Cu–Mg)–дюралюміни марок Д1, Д16, Д18, В65;

- ковочні (Al–Mg–Si–Cu) марок АК6, АК8;

- високоміцні (Al–Zn–Mg–Cu) марок В95, В96;

- жароміцні сплави систем (Al–Cu–Mg ) марок АК4–1 та (Al–Cu–Mn) Д20.

Сплави підвищеної пластичності–авіалі (АВ, АД31, АД33)–містять у своєму складі, крім алюмінію, 0,4…1,2%Mg, 0,3…1,2%Si, 0,15…0,35%Mn, добре зварюються, корозійно стійкі. Термічна обробка їх складається з гартування від515…525 °С і старіння (природного або штучного). Штучне старіння проходить значно швидше і здійснюється при 160…170 °С протягом 12…15 год. одразу ж після гартування. При цьому виділяється зміцнюючи фаза Mg Si. Після гартування і штучного старіння властивості сплаву АВ дорівнюють: σ^в =380 МПа, σ^Т =250 МПа, δ=14%, а після природного старіння σ^в=260 МПа, σ^в=200 МПа, δ=20%. Зі сплавів АВ, АД3 виготовляють листи, труби, пресовані профілі, заготовки, ковані деталі двигунів, лопасті гвинтів вертольотів тощо.

Конструкційні сплави (дюралю міни) широко застосовуються у різних галузях техніки. Їх маркують літерою Д, після якої стоїть цифра, що відповідає умовному номеру сплаву. Термічна обробка дюралюмінів складається з гартування від 500…510 °С (охолодженням у киплячій воді) і старіння. Природне старіння здійснюють за кімнатної температури протягом 5…7 діб, штучне–за температур 150…190 °С протягом 4…12 год або при 250 °С протягом 2…4 год. Особливістю гартування дюралюмінів є необхідність додержуватися температурного режиму, наприклад, 505±5 °С (для Д1) і 500±5 °С (для Д16, Д18). Структура дюралюмінів складається з α–твердого розчину і зміцнюючи фаз. Так, у сплаві Д1 основною зміцнюючою фазою є θ(CuAl ), у сплаві Д16 з підвищеною кількістю магнію–θ(CuAl ), і S(Al CuMg). Дюралюмін Д16 має найбільшу міцність після гартування та природного старіння: σ^в=480 МПа, σ^Т=320 МПа, δ=14 % (рис. 3.1) (лонжерони, шпангоути, обшивки лiтакiв). Деталi і конструкції середньої мiцностi виготовляють зi сплавiв Д1, Д1А (σ^в=360 МПа, δ = 12 %).

Дюралюмiни виробляють у виглядi листа, пресованих i катаних профiлiв, пруткiв, труб. Для пiдвищення корозiйної стійкості їх пiддають плакуванню. Вiдповiдно при маркуваннi таких сплавiв додають лiтеру А, наприклад ДI6А, Д1А. Сплави Д18 і В65 є основними алюмiнiєвими заклепочними сплавами. Найбiльш широко дюралюмiни застосовуються в авiацiйнiй промисловості та будівництвi.

Алюмiнієвi сплави, придатнi для кування (ковочнi), позначають літерами АК i вiдносять до системи Аl — Сu — Мg — Si. Вони пластичні, стійкi до утворення трiщин пiд час гарячої пластичної деформації. Цi сплави (АК6, АК8) за хімічним складом близькi до дюралюмiнiв i відрiзняються високим вмiстом кремнiю (0,7...1,2 %). Сплави АК6 i АК8 застосовують пiсля гартування вiд 520±5 °С (АК6) і 505±5 °С (АК8) та штучного старiння при 160...170 °С протягом 2...15 год. Пiсля термiчноi обробки механiчнi властивості цих сплавів такi: σ^в=400 МПа, δ= 12 % (АК6); σ^в= 480 МПа, δ=9 % (АК8). Проте обидва сплави мають низьку корозiйну стiйкiсть i потребують додаткових заходів щодо захисту вiд корозiї. З них виготовляють штампованi та кутi деталi складної форми i середньої мiцностi (АК6)— пiдмоторнi рами, крепiж, а також такi високонавантаженi штампованi деталi (АК8), як пояси лонжеронiв, лопастi гвинтiв вертольотiв, бандажi вагонiв.

Високомiцнi алюмiнiєвi сплави (В95, В96) окрім мiдi i магнію містять у своєму складi значну кiлькiсть цинку (5...8,6%). Підвищену міцнiсть цих сплавiв зумовлює наявнiсть в їхнiй структурi пiсля гартування вiд 460...470°С у водi i штучного старiння при 120...140 °С протягом 24... 16 год iнтерметалiчних змiцнюючих фаз відповідно η(Мg7n ), Т(А1 Мg Zn ), S(F1 СuМg). Пiсля термiчної обробки механiчнi властивостi для сплаву В95 такi: σ = 550...600 МПа, σ = 530...550 МПа, δ = 8 %; для сплаву В96 σ = 700 МПа, σ = 650 МПа δ = 7 %. Сплави В95 i В96 застосовують у лiтакобудуваннi для конструкцiй високого навантаження i тривалої експлуатацiї за температур до 100 °С. До недолiкiв цих матерiалiв вiдносять невисокi пластичнiсть, в’язкiсть руйнування i низьку корозiйну стiйкiсть пiд напруженням. Пiдвищенню цих характеристик сприяє двоступiнчасте пом’якшуюче старiння.

Жаромiцнi сплави використовують для експлуатацiї при температурах до 300°С (поршнi, головки цилiндрiв, диски i лопатки компресорiв реактивних двигунiв, обшивка надзвукових лiтакiв). Найбiльш поширенi сплави типу АК4-1 системи Al - Сu - Мg - Si з добавками залiза та нiкелю; Д20 системи Аl - Сu - Мn з добавками титану та цирконiю. У сплавi АК4-1 Fе i Ni угворюють нерозчинну фазу АI FеNi, яка пiд час термiчної обробки не змiнюється. Основною ж змiцнюючою фазою у сплавi є S(А1²CuMg). Пiсля гартування вiд 530±5°С i штучного старiння сплав АК4- 1 має такi механiчнi характеристики: σ^в= З00...180МПа, σ =190...120МПа, δ=18...12%.

Сплав Д20 має такі характеристики механічних властивостей: σ^в=420 МПа, σ = 330 МПа, δ=11 %.

Перспективними жаромiцними сплавами алюмiнiю є сплави системи Аl — Мg —Li, що поєднують високу мiцнiсть, низьку питому вагу i достатню жаромiцнiсть.

Ливарнi сплави алюмiнiю використовують для виготовлення фасонних виливкiв рiзної форми та призначення. До їх складу входять тi самi легуючi компоненти, що й до деформованих сплавiв, але у бiльшiй кiлькостi (до 9... 13 % для кожного компонента). Промисловiсть виробляє ливарнi алюмiнiєвi сплави (АЛ) марок вiд АЛI до АЛ33. При маркуваннi цих сплавiв лiтера А означає, що сплав алюмiнiєвий, лiтера Л — що сплав ливарний, а цифра — порядковий номер сплаву.

За хiмiчним складом ливарнi алюмiнiєвi сплави можна подiлити на кiлька груп. Наприклад, алюмiнiй з кремнiєм (АЛ2, АЛ4, АЛ9) або алюмiнiй з магнiем (АЛ8, АЛ13, АЛ22 та iншi).

Типовими є сплави системи Аl — Si (10...13 % Si) - силуміни. Розчиннiсть Si в Al мала (0,8 % при 500 °С; 0,05 % при 20 °С). Тому сплави, які складаються лише з Al i Si, практично не зміцнюються термічною обробкою і в системі Al–Si можуть бути сплави, що частково або повністю складаються з евтектики. Введення в силуміни Cu, Mg сприяє зміцненню сплаву при старінні; Ti, Zr подрібнюють зерно;

Mn покращує корозійну стійкість; Ni Fe підвищують жаростійкість.

Рисунок 3.1 – Мікроструктура литого силуміну АЛ2 з 13 % Si%:

а-немодифікованого (α–твердий розчин та голчасті кристали кремнію, ×100); б–модифікованого (дендрити α–твердого розчину–світлі і евтектика α + Si–темна, ×300)

Для полiпшення механiчних властивостей силумiни зі вмiстом кремнію бiльше 5 % модифiкують натрiєм: 1...3 % вiд маси розплаву додають солi натрiю (2/3 NаF + 1/3 NаСl). Структура немодифiковних сплавiв (рис. 3.1) складасться з голчастих кристалiв Si i евтектики (α + Si), а пiсля модифiкування — з α-розчину i евтектики (α + Si), тонкої будови.

Властивостi алюмiнiєвих ливарних сплавiв залежать вiд способу лиття та виду термiчної обробки, швидкостi охолодження при твердненні виливка i пiд час гартування. Для ливарних сплавiв алюмiнiю характерна бiльш груба крупнозерниста структура. Це зумовлює режими їх термiчної обробки. Тому для гартування силумiни нагрівають до 520...540 °С i витримують 5... 10 год для бiльш повного розчинення включень. Штучне старiння здiйснюють при 150...180 °С протягом 10. ..20 год. З силумiнiв виготовляють деталi, якi працюють при невеликих (АЛ2), середнiх (АЛ4) i вiбрацiйних (АЛ8) навантаженнях, а також при пiдвищеннi до 150... 170 °С температурах (АЛ1, ОВ) тощо.

Спеченi алюмiнiєвi порошковi (САП) сплави на основi А1 i АI О одержують шляхом брикетування порошку алюмiнiю, вакуумної дегазацiї брикетiв з подальшим їх спiканням пiд тиском. Вмiст АI О у спечених сплавах алюмiнiю знаходиться у межах вiд 6...9 % (САП 1) до 18...22 % (САП4). Дрiбнi частинки АI О гальмують рух дислокацій у сплавi i пiдвищують його мiцнiсть. Жаростiйкiсть САП матерiалiв при тривалому нагрiваннi зберiгасться до 500 °С, а при короткочасному — до 1000 °С.

Мідь та сплави на її основі

За обсягами виробництва мiдь посiдає третє мiсце пiсля залiза та алюмiнiю. Запаси її у земнiй корi дорiвнюють 0,01 %, у сульфiдних рудах (СuFеS — мiдний колчедан, СuS — халькозин, Сu — халькопiрит) — вiд 0,5 до 5 %. Мідь має ГЦК-кристалiчну гратку, температура плавлення становить 1038 °С, питома вага γ= 8,9 г/см3.

Одержують мiдь iз збагаченого концентрату (11...35 % Сu), який спочатку обпалюють при 600.. .850 °С для часткового зниження вмiсту сiрки, а потiм для вiддiлення выд рудних домiшок плавлятъ при 1300...1500 °С на штейн (сплав сульфiдiв Сu S i Fе). Мiдний штейн мiстить 16...60 % Сu, а також Fе i S. Штейн переплавляють у спецiальному конверторi з продувкою розплаву повiтрям при 950...1050 °С i одержують чорнову мiдь, що мiстить до 1...2 % домішок (Fе, Zn, Ni, As та iншi). Очищують чорнову мiдь шляхом вогневого або електролiтичного рафiнування. Первинна технічно чиста мідь пiсля рафiнування мiстить 99,5...99,99 % Сu. Чиста мiдь має 11 марок— М00б, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2, М3. Сумарна кiлькiсть домiшок у марцi найвищоi чистоти М00б — 0,01 %, а в марцi М3 — 0,5 %.

Залежно вiд механiчних властивостей розрiзняють також тверду (нагартовану) мiдь – МТ i м’яку (вiдпалену) – ММ. Механні властивостi чистої відпаленої мiдi такi: σ^в = 220...240 МПа, 40...80 НВ, δ= 45...50 %, ψ = 60...75 %. Цiнними властивостями мiдi є її висока електро- та теплопровіднiсть, пластичнiсть, низька окислюванiсть. Електропровiднiсть мiдi знижусться за наявностi домiшок.

Половина всієї мiдi використовусться в електротехнiцi. Для електротехнiчних потреб чисту мiдь постачають у виглядi дроту, прутка, стрiчки, листа, i труб. У зв’язку з низькою мiцнiстю як конструкцiйний матерiал використовують не чисту мiдь, а лише сплави мiдi з оловом, цинком, алюмiнiєм, кремнiєм, марганцем тощо.

Легування мiдi підвищує її механiчнi, технологiчнi та експлуатацiйнi властивостi. Залежно вiд хiмiчного складу розрiзняють три основнi групи сплавiв міді: бронзи, латунi i сплави мiдi з нiкелем.

Бронзи – це сплави мiдi з оловом, алюмiнiєм, марганцем, кремнієм, берилiєм, свинцем. Залежно вiд основного легуючого елемента бронзи називають олов’янистими, алюмiнiєвими, берилiєвими. Для пiдвищення механiчних i особливих властивостей бронзи додатково легують Fе, Ni, Тi, Zn, Р, для пiдвищення корозійної стійкостi — Мn, пластичностi — Ni, мiцностi — Fе, оброблюваностi – Рb.

Маркують бронзи лiтерами Бр, далi лiтерами позначають елементи, що входять до складу бронзи: О — олово, Ц — цинк, А — алюмiнiй, С — свинець, Ж — залiзо, Мц — марганець, Б — берилiй та інші. Пiсля цього цифрами вказують середнiй вмiст елементiв у процентах (вмiст мiдi цифрами не вказують). Наприклад, марка БрОЦ4–3 означає, що бронза мiстить 4 % олова i 3 % цинку, решта — мідь; БрОЦС5-5-5 — бронза мiстить олова, цинку i свинцю по 5 %, решта— мiдь.

Олов‘янистi бронзи (БрО3, БрО6, БрОС25-8 та iншi), залежно вiд вмісту олова i фазового стану, подiляють на однофазнi (до 5 % Sn) iз структурою α-твердого розчину i двофазнi (бiльше 5 % Sn) iз структурою (рис. 3.2), що складається з α–твердого роэчину та евтектоїда α+Cu +Sn ).

Однофазнi бронзи пластичнi i добре пiддаються деформуванню, з них виготовляють фольгу, сiтки, дрiт, прутки, стрiчки тощо у нагартованому (твердому) i вiдпаленому (м’якому) станах.

Двофазнi олов’янистi бронзи з бiльшим вмiстом олова (до 15…20 %) використовують як ливарнi матерiали для виготовлення різних фасонних виливкiв. Їх також додатково легують цинком (4…10%), свинцем (3…6 %), фосфором (0,4…1,0 %). Олов’янистi бронзи корозiйно стiйкi у морськiй водi, NаОН, Na CO , не стiйкi у розчинах НNO i НСI, мають досить високi механiчнi властивостi: σ =150…350 Мпа, δ= 3…5 %, твердiсть 60…90 НВ, добре обробляються різанням.

Олов’янистi бронзи типу БрОЦН3–7–5 використовують для арматури, яка експлуатується на повiтрi, у прiснiй водi, маслi, парi i при температурах до 250 °С; бронза типу БрОЦС5–5–5 – для антифрикцiйних деталей, арматури тощо.

Рисунок 3.2 – Мікроструктура литої бронзи, ×200:

а-олов'янистої з 5% Sn; б– олов'янистої з 10% Sn; в–алюмінієвої

До складу безолов’янистих бронз, окрiм мiдi, входять Аl, Fе, Мn, Ве, Si, Рb або рiзнi комбiнацi ї цих елементiв.

Алюмiнієвi бронзи (4...11 % Аl) мають високу корозiйну стiйкiсть, високi механiчнi та технологiчнi властивостi (БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрКМц3-1, БрС30 та iншi). Однофазнi бронзи (α-твердий роэчин) зі вмiстом алюмiнiю до 8.. .9 % добре обробляються тиском у гарячому i холодному станi (рис. 3.2, в). Двофазнi бронзи (α-твердий розчин + Сu Al) зі вмiстом алюмiнiю 9...11 %, а також залiза, нiкелю, марганцю мають бiльшу мiцнiсть, пiддаються обробцi тиском у гарячому станi. Двофазнi бронзи можна пiддавати зміцнюючiй обробці — гартуванню вiд 900...950 °С з вiдпуском за рiзних температур. При цьому утворюється орiєнтована голчаста структура, зростає твердiсть та мiцнiсть, зменшусться пластичнiсть. Так, бронза БрАЖН10-4-4 після гартування i вiдпуску (400 °С) пiдвищує твердiстъ вiд 170...200 до 400 НВ. З алюмiнiєвих бронз виготовляють арматуру трубопроводiв для рiзних середовищ (окрiм морської води) i температур до 250°С (БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л); деталi для експлуатацiї в середовищi морської води, гвинти, лопастi (БрАМц9-2Л); втулки, пiдшипники ковзання (БрАМц10-2); фланцi, шестернi та iншi вiдповiдальнi деталi БрАЖМц10-3- 1,5).

Марганцевi бронзи (БрМц5 БрМцС2О-5) мають порiвняно невисокі механiчнi властивостi, але високу пластичнiсть, корозiйну стiйкість, жаромiцнiсть. З них виготовляють деталi для теплоелектростанцій, котли, вентилi, засувки, арматуру тощо.

Берилiєвi бронзи мiстять у своєму складi 2.. .2,5 % Ве (БрБ2), мають цiнний комплекс властивостей: високу хiмiчну стiйкiсть, теплостійкість, високий порiг пружностi, добре обробляються рiзанням, мають високi механiчнi властивостi (σ = 1100...1300 МПа, твердiсть 370 НВ, δ =1%). Берилiєвi бронзи гартують у водi за температур не вище 800 °С i пiддають штучному старiнню при 350 °С .

Використовують берилiєву бронзу для виготовлення виробiв вiдповідального призначення: пружнi контакти, пружини, мембрани, безіскровий iнструмент для введення вибухонебезпечних гiрничих робіт.

Кремнівi бронзи мiстять у своєму складi 1...3 % Si (БрКНI-3, БрКМц3-1), слугують замiнниками олов’янистих бронз (наприклад, БрОЦС6–6–3). Вони мають високi ливарнi властивостi, корозiйну стійкiсть, пружнiстъ, допускають гарячу обробку тиском i обробку різанням. З кремнiєвих бронз виготовляють прутки, смугу, виливки, заготовки для виробiв, якi працюють за температур до 500 °С.

Свинцева бронза (БрС30) широко використовується у машинобудуванні як антифрикцiйний матерiал.

Латунi — це подвiйнi або багатокомпонентнi сплави мiдi, у яких основним легуючим елементом є цинк (до 45 %). При бiльшому вмісті цинку в латунi знижується мiцнiсть i зростає крихкiсть. Вмiст інших легуючих елементiв у спецiальних латунях не перевищує 7...9 %.

Маркують латунi лiтерою Л, пiсля якої цифрою вказують вмiст міді у процентах (наприклад, сплав Л62 мiстить 62 % Сu i 38 % Zn). Якщо у складi латунi окрiм мiдi i цинку є ще iншi елементи, то для їхнього позначення пiсля лiтери Л пишугь початковi лiтери назв цих елементiв (О — олово, С — свинець, Ж — залiзо, Ф — фосфор). Процент вмiсту кожного з цих елементiв показують відповiднi цифри, якi стоять пiсля кількісного показника міді в латуні. Наприклад, сплав ЛАЖ60–1-1 містить 60 % Сu, 1 % Al, 1 % Fе i 38 % Zn.

Залежно вiд вмісту Zn і структури при кiмнатнiй температурі латунi подiляють (рис.3.2) на однофазнi α-латунi (до 39 % Zn) і двофазнi а +β-латунi (бiльше 39 % Zn). Якщо цинку в сплавi більше 39 %, угворюеться крихка β-фаза– твердий розчин на основi електронної сполуки типу СuZn з ОЦК-граткою.

Однофазнi латуні (Л62, Лб8, Л80) пластичнi, легко деформуються. Постачають їх у виглядi напiвфабрикатiв– прутки, дрiт, смуга, стрiчки тощо. З латуней типу Л62, Л68 виготовляють стрiчки, гiльзи патронiв, радiаторнi трубки, дріт, фольгу. Латунь марки Л80 (томпак) має колiр золота. Використовують її при виготовленнi ювелiрних i декоративних виробів, а також для відповідальних деталей.

а б в

Рисунок 3.3 – Мікроструктура литих латуней (а,б) і після холодної деформації та відпалу (в): а –латунь; б – α + β-латунь, ×200

Механiчнi властивостi однофазних латуней (Л68, Л80, Л90) такi: σ = 260...320 МПа, δ=45...55%, твердiсть 53...55 НВ.

Д в о ф а з н i α +β-л а т у н i малопластичнi, i вироби з них виготовляють в основному методом лиття. З ливарних латуней виробляють арматуру, фасонне литгя, втулки (ЛС59-1Л); антифрикційнi деталi (ЛМц58-2-2); корозiйностiйкi деталi (ЛА67-2,5); гребнi гвинти, лопастi, арматуру, що експлуатується до 300 °С (ЛМцЖ55-3-1); черв‘ячнi гвинти для важких умов працi (ЛАЖМц66-6-3-2).

Механiчнi властивостi таких латуней залежать не лише вiд їхнього складу, але вiд умов тверднення у ливарних формах. Так, при литгi в кокіль латунь марки ЛС59-1Л має σ = 200 МПа, δ = 20 %, твердiсть 80 НВ; латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 — вiдповiдно σ = 650 МПа, δ=7%, 160 НВ.

Додаткове легування латуней рiзними елементами пiдвищує їхнi експлуатацiйнi властивостi. Так, легування 1...2 % свинцю полiпшує оброблюванiсть сплаву рiзанням (ЛС59 — автоматна латунь); олово підвищує корозiйну стiйкість у морськiй водi; алюмiнiй i нiкель підвищують механiчнi властивостi (ЛАЯ59-3-2) тощо.

Сплави мiдi з нiкелем (основний легуючий елемент) використовують конструкцiйнi та електротехнiчнi матерiали.

Куналi (Сu — Ni — Аl) мiстять у своєму складi 6...13 % Ni, 1,5…3 % Аl, решта — мiдь. Такi сплави пiддають термiчнiй обробці–гартуванню з наступним старiнням. Куналi використовують для виробництва деталей підвищеної мiцностi, виготовлення пружин, а також рiзних електромеханiчних виробiв.

Нейзильбери (Сu — Ni — Zn) мiстять у своєму складi до 15 % Ni, до 20 % Zn, решта — мiдь. Мають колiр, близький до срiбла, стiйкi до атмосферної корозii. Цi сплави використовують у приладобудуваннi, виробництвi годинникiв тощо.

Мельхіори (Сu — Ni + невеликi добавки до 1 % Fе i Мn) мають високу корозiйну стiйкiсть, зокрема у морськiй водi. Використовуються для виготовлення теплообмiнних апаратiв, посуду, декоративних штампованих i карбованих виробiв.

Копель (Сu —Ni — Мn) мiститъ у своєму складi 45 % Ni, 0,5% Мn, решта — мiдь. Сплав з високим питомим електроопором використовують в електротехнiцi, а також для виготовлення електронагрівальних елементiв.

Манганiн (Сu — Ni– Мn) — МНМц3-12 вiдносять до реостатних сплавiв, використовують в електротехнiцi. Таке саме застосування має i константан. Константан (Сu — Ni — Мn) — 40...43 % Ni, 0,5...1,5 % Мn, решта — мiдь (МНМц4О-1,5).

Титан, магній та їх сплави

Титан - срiблясто-сiрий метал з температурою плавлення 1672 °С з малою питомою вагою (γ= 4,5 г/см ) i високою корозійною стійкiстю належить до перехiдних металiв четвертої групи перiдичної системи елементiв. Мiцнiсть титану σ ≈ 270 МПа, пластичнiсть σ ≈25 %, твердiсть 100... 140 НВ. Міцність технічно чистого титану залежить вiд чистоти металу.

Домiшки вуглецю, кисню, водню знижують його пластичнiсть, опiр корозiї i зварюваність. Особливо шкiдливими є домiшки водню. Механiчнi властивостi технічно чистого титану (марки ВТ1 -0, ВТ1-00, ВТ1 -1) знаходяться на рівні властивостей звичайних конструкцiйних сталей. З нього виготовляють катанi і пресованi труби, лист, дріт, поковки. Вiн добре зварюється, має високi механiчнi характеристики, корозійну стiйкiсть i жаромiцнiсть, але важко обробляється рiзанням, має антифрикцiйнi властивостi.

Легування титану певними елементами дозволяє значно підвищити його механiчнi (σ ≥1500 МПа, δ=10...15 %) та спецiальнi властивості. Так, А1 пiдвищує жаромiцнiсть i механiчнi властивості титану, V, Мо, Сr, Мn — жаромiцнiсть.

Титан є полiморфним металом і iснує у двох алотропічних модифiкацiях - α i β. Температура полiморфного перетворення дорiвнює 882,5 °С . Нижче цiєї температури титан має гексагональну кристалiчну гратку, а вище — гратку об’ємноцентрованого куба. Легуючi елементи, якi входять до складу промислових титанових сплавiв, угворюючи з титаном твердi розчини замiщення, змінюють температуру полiморфного перетворення α↔β. Такi елементи, як А1, О, N пiдвищуютъ температуру перетворення, розширюють о6ласть існування α-твердого розчину на діаграмi стану (α-стабілізатори); елементи Мо, V, Сr, Мn, Nb, Fe знижують температуру α↔β перетворення (β-стабiлiзатори). Крiм α– i β-стабiлiзаторiв, розрiзняють також нейтральнi змiцнювачi Sn, Zr, Hf, якi помітно не впливають на температуру перетворення.

Залежно вiд структури у рівноважному станi титановi сплави подiляють на α-сплави (однофазнi) і β—сплави (двофазнi). Так, основними промисловими сплавами титану зi структурою α + β є ВТ5 (4,5...5 % А1; 3,5..4,5 % V), ВТ8 (5,8...б,8 % А1 2,8..3,8 % Мо). За технологiчним призначенням їх поділяють на ливарнi i такi, що пiддаються деформуванню.

За мiцнiстю титановi сплави подiляють на три групи:

- низької мiцностi з σ =300...700 МПа (ВТ1);

- середньої — з σ = 700...1000 МПа (ВТ3, ВТ4, ВТ5);

- високої мiцностi з σ >1000 МПа (ВТ6, ВТ14, ВТI5) пiсля гартування та старiння.

Титановi сплави можна пiддавати всiм основним видам термiчної обробки, а також хiмiко-термiчнiй обробцi, змiнюючи їхнi властивостi у потрiбному напрямку. Наприклад, механiчнi властивостi сплаву ВТ5 пiсля вiдпалювання при 750 °С становлять: σ = 750…900 МПа, δ = 10…15 %, твердiсть 240...300 НВ. Сплав ВТ8 пiсля гартування вiд 900 °С i старiння при 500 °С має мiцнiсть σ = 1000...1150 МПа, пластичнiсть δ=36 %, твердiсть 310..350 НВ, а сплав ВТI4 відповiдно σ = 1150...1400 МПа,δ = 6...10 %, твердiсть 340.. 370 НВ.

Ливарнi сплави мають бiльш низькi механiчнi властивостi порiвняно з аналогiчними деформованими. Для лиття використовують сплави, що вiдповiдають хiмiчному складовi сплавiв ВТ5, ВТ14, маркують їх з доданням лiтери Л (ВТ5Л, ВТI4Л), або спецiальнi ливарнi сплави.

Титан та його сплави використовують в авiацiї та ракетобудуваннi, хiмiчнiй промисловостi, суднобудуваннi i крiогеннiй технiцi.

Магній — найбiльш легкий з кольорових технiчних металiв — (γ = 1,75 г/см ), не має алотропiчних перетворень. Температура плавлення магнiю 650 °С. Технiчно чистий магнiй має низькi механiчнi властивостi (σ = 180 МПа, δ=5 %, твердiсть 30 НВ), схильний до самозапалювання, тепло- та електропровiднiсть його низькi. Використовується в технiцi у виглядi сплавiв. До складу магнієвих сплавiв входять Al, Zn, Mn, Zr . При цьому мiцнiсть зростає до 200.. .450 МПа. Сплави магнiю подiляють на:

- деформівні;

- ливарнi.

Деформiвнi магнiєвi сплави призначенi для виготовлення напiвфабрикатiв (пруток, лист, профiль) обробкою тиском. За нормалъних температур магнiй деформується погано. Для пiдвищення пластичності його сплавiв застосовують обробку тиском при 360…520 °С залежно вiд марки сплаву. Такi сплави маркують лiтерами МА i цифрами (МА1, МА2-1, МА14), якi означають порядковий номер сплаву.

Сплав МА1 (мiстить 1,3...2,5 % Мn) має хорошу технологiчну пластичнiсть, зварюванiсть i корозiйну стiйкiсть. Вiдноситься до сплавiв низької мiцностi. Додаткове легування його цезiєм, приблизно 0,2 % (МА8), подрiбнює зерно, пiдвищує механiчнi властивостi та здатнiсть до холодної деформацiї. Сплав МА2- 1 належить до системи Мg — Al–Zn, має досить високi механiчнi властивостi i технологiчну пластичність. Пiддається всiм видам листового штампування та прокатування. З деформованих магнiєвих сплавiв (МА) виготовляють деталi лiтакiв, автомобiлiв i прядильних верстатiв.

Ливарнi магнiєвi сплави використовують для виготовлення деталей методом литгя. Їх маркують лiтерами МЛ i цифрами, що означають порядковий номер сплаву (МЛ5, МЛ6, МЛ–10, МЛ-12). Наприклад, сплави МЛ5 i МЛ6 належать до системи Мg — А1 — Zn. Найпоширенiшим з цієї групи сплавiв є МЛ5 (7,5...9 % Al; 0,2...0,8 % Zn; 0,15...0,5 % Мn).Виливки з магнiєвих сплавiв iнодi пiддають гартуванню з наступним старiнням. Деякi сплави МЛ застосовують для високонавантажених деталей авiацiйної промисловостi (картери, корпуси приладiв, форма шасi тощо). З огляду на низьку корозiйну стiйкiсть магнiєвих сплавiв вироби з них пiддають оксидуванню з наступним нанесенням на них лакофарбових покриттiв.