Указания по подготовке к работе

Сплавы цветных металлов. Цветные металлы имеют комплекс ценных свойств, таких, например, как высокую теплопроводность (алюминий, медь), низкую температуру плавления (свинец, олово), малый удельный вес (алюминий, магний) и т.п. Тем не менее, применение их в чистом виде достаточно ограниченное. Широко применяются в промышленности сплавы цветных металлов - латуни, бронзы, баббиты (на основе меди, цинка, олова, свинца), а также дуралюмины и силумины (на основе алюминия), сплавы на основе титана, магния. На основе цветных металлов и их сплавов создаются также композиционные материалы и материалы, получаемые методами порошковой металлургии.

3.1. Алюминий и его сплавы. Алюминий - легкий металл третьей группы периодической системы элементов, серебристо-белого цвета, с плотностью 2,7 г/см³, высокой электро- и теплопроводностью и коррозионной стойкостью (образует плотную поверхностную пленку оксида Al₂O₃). Температура плавления алюминия, в зависимости от чистоты металла, составляет 660-667°С. Прокатанный и отожженный алюминий высокой чистоты имеет прочность s_в = 60 МПа, модуль упругости Е = 7 × 10³ МПа, пластичность d = 50%, Y = 85 %, твердость 25 НВ. Алюминий - высокопластичный, малопрочный материал, хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается обработке резанием. Как конструкционный материал его не применяют.

Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Mn, Cu, Zn, Cr) снижают физико-химические характеристики и пластичность алюминия. В зависимости от содержания примесей различают марки алюминия: А999 (0,001% примесей), А995 (0,005% примесей), А99 (0,010% примесей), а также А97, А95.

Введение легирующих элементов позволило создать ряд алюминиевых сплавов с разными физико-механическими и технологическими свойствами. Сплавы алюминия объединяют в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные характеристики легирующих элементов. Так, железо, титан, никель повышают жаропрочность сплавов; медь, марганец, магний обеспечивают повышение прочности. Легированием и соответствующей термической обработкой достигают повышения прочности алюминия (s_в) от 100 до 500 МПа, твердости – от 20 до 150 НВ.

По технологии изготовления заготовок и изделий все промышленные сплавы алюминия разделяют на три группы: деформируемые; литейные; спеченные.

Сплавы, которые подвергают деформированию, должны обеспечивать высокую технологическую пластичность для осуществления операций прокатки, ковки, прессования и т.п. Поэтому они должны иметь однородную структуру твердого раствора на основе алюминия. Деформируемые сплавы алюминия разделяют на упрочняемые термической обработкой, и не упрочняемые.

К термически неупрочняемым сплавам относятся технический алюминий (АД, АД1, АД0), сплавы алюминия с марганцем (обозначают АМц) и сплавы с магнием и марганцем (обозначают АМг). Они имеют умеренную прочность, пластичность, хорошо свариваются, корозионностойкие. В зависимости от состояния поставки листа (0,5-10 мм) в обозначении марки сплава прибавляют буквы. В случае поставки сплава в отожженном состоянии пишут букву М - мягкие (АМгМ), при незначительном наклепе - букву П (АМгП - полунагартованный), при значительном наклепе - букву Н (АМгН - нагартованный). С возрастанием степени деформации (нагартованности) повышается прочность сплавов. Так, прочность и пластичность сплава АМцН составляет s_в = 220 МПа, d = 5%, а сплава АМцМ - s_в = 130 МПа, d = 20%.

Малонагруженные детали сварных и клепанных конструкций, детали глубокой вытяжки изготавливают из сплавов типа АМцН, а также АМг2М, АМг3М (s_в = 170-220 МПа, d = 4-18%). Детали конструкций средней нагруженности и высокой коррозионной стойкости изготавливают из сплавов типа АМг5М, АМг6М (s_в = 280 МПа, d = 15%). Из сплавов АМц и АМг изготавливают листы, прутки, провода.

Термически упрочняемые сплавы алюминия по химическому составу и свойствам более разнообразны. Их разделяют на:

- сплавы повышенной пластичности АВ, АД31, АДЗЗ (на основе системы Al - Mg - Si);

- конструкционные сплавы (Al - Cu - Mg) - дуралюмины марок Д1, Д16, Д18, В65;

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

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

- жаропрочные сплавы систем (Al - Cu - Mg) марок АК4-1 и (Al - Cu - Mn) Д20.

Сплавы повышенной пластичности - авиали (АВ, АД31, АД33) - содержат в своем составе, кроме алюминия, 0,4-1,2 % Mg, 0,3-1,2 % Si, 0,15-0,35 % Mn, хорошо свариваются, коррозионно стойкие. Термическая обработка их состоит из закалки от 515-525°С и старения (естественного или искусственного). Искусственное старение происходит значительно быстрее и осуществляется при 160-170°С на протяжении 12-15ч сразу же после закалки. При этом выделяется упрочняющая фаза Mg₂Si.

После закалки и искусственного старения свойства сплава АВ следующие: s_в = 380 МПа, s_т = 250 МПа, d = 14%, а после естественного старения s_в = 260 МПа, s_т = 200 МПа, d = 20%. Из сплавов АВ, АДЗ изготавливают листы, трубы, прессованные профили, заготовки, кованные детали двигателей, лопасти винтов вертолетов и т.п..

Конструкционные сплавы (дуралюмины) широко применяются в разных областях техники. Их маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, которая отвечает условному номеру сплава. Термическая обработка дуралюминов состоит из закалки от 500-510°С (с охлаждением в кипящей воде) и старения. Естественное старение осуществляют при комнатной температуре на протяжении 5-7 суток, искусственное - при температуре 150-190°С на протяжении 4-12 ч или при 250°С на протяжении 2-4 ч. Особенностью закалки дуралюминов является необходимость строго придерживаться температурного режима, например, 505± 5°С (для Д1) и 500±5°С (для Д16, Д18). Структура дуралюминов состоит из a-твердого раствора и упрочняющих фаз. Так, в сплаве Д1 основной упрочняющей фазой является q(CuAl₂), в сплаве Д16 с повышенным количеством магния - q(CuAl₂) и S(Al₂CuMg). Дуралюмин Д16 имеет наибольшую прочность после закалки и естественного старения: s_в = 480 МПа, s_т = 320 МПа, d = 14% (лонжероны, шпангоуты, обшивка самолетов). Детали и конструкции средней прочности изготавливают из сплавов Д1, Д1А (s_в = 360 МПа, d = 12%).

Дуралюмины выпускают в виде листа, прессованных и катанных профилей, прутков, труб. Для повышения коррозионной стойкости их подвергают плакированию. Соответственно при маркировании таких сплавов прибавляют литеру А, например ДІ6А, Д1А. Сплавы Д18 и В65 являются основными алюминиевыми заклепочними сплавами. Наиболее широко дуралюмины применяются в авиационной промышленности и строительстве.

Алюминиевые сплавы, пригодные для кования (ковочные), обозначают буквами АК и относят к системе Al-Cu-Mg-Si. Они пластичные, стойкие к образованию трещин во время горячей пластической деформации. Эти сплавы (АК6, АК8) по химическому составу близки к дуралюминам и отличаются высоким содержанием кремния (0,7-1,2%). Сплавы АК6 и АК8 применяют после закалки от 520± 5°С (АК6) и 505±5°С (АК8) и искусственного старения при 160-170°С на протяжении 12-15ч. После термической обработки механические свойства этих сплавов такие: s_в = 400 МПа, d = 12% (АК6); s_в = 480 МПа, d = 9% (АК8). Тем не менее, оба сплава имеют низкую кррозионную стойкость и требуют дополнительных мер по защите их от коррозии. Из них изготаливают штампованные и кованные детали сложной формы и средней прочности (АК6) - подмоторные рамы, крепеж, а также такие тяжелонагруженные штампованные детали (АК8), как пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолетов, бандажи вагонов.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) кроме меди и магния содержат в своем составе значительное количество цинка (5-8,6%). Повышенную прочность этих сплавов предопределяет наличие в их структуре после закалки от 460-470°С в воде и искусственного старения при 120-140°С на протяжении 24-16ч интерметаллических упрочняющих фаз. После термической обработки механические свойства для сплава В95 такие: s_в = 550-600 МПа, s_т = 530-550 МПа, d = 8%; для сплава В96 s_в = 700 МПа, s_т = 650 МПа, d = 7%. Сплавы В95 и В96 применяют в самолетостроении для тяжелонагруженных конструкций и продолжительной эксплуатации при температурах до 100°С. К недостаткам этих материалов относят невысокую пластичность, вязкость и низкую коррозионную стойкость под нагрузкой. Повышению этих характеристик способствует двухступенчатое смягчающее старение.

Жаропрочные сплавы используют для эксплуатации при температурах до 300°С (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров реактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов). Наиболее распространенные сплавы типа АК4-1 системы Al-Cu-Mg-Si с добавками железа и никеля; Д20 системы Al-Cu-Mn с добавками титана и циркония. В сплаве АК4-1 Fe и Ni образуют нерастворимую фазу Al₉FeNi, которая во время термической обработки не изменяется. Основной же упрочняющей фазой в сплаве есть S(Al₂CuMg). После закалки от 530±5°С и искусственного старения сплав АК4-1 имеет такие механические характеристики: s_в = 300-180 МПа, s_т = 190-120 МПа, d = 18-12%.

Сплав Д20 имеет такие характеристики механических свойств: s_в = 420 МПа, s_т = 330 МПа, d = 11%.

Перспективными жаропрочными сплавами алюминия являются сплавы системы Al-Mg-Li, которые объединяют высокую прочность, низкий удельный вес и достаточную жаропрочность.

Литейные сплавы алюминия используют для изготовления фасонных отливок разной формы и назначения. В их состав входят те же легирующие элементы, что и в деформируемые сплавы, но в большем количестве (до 9-13% для любого компонента). Промышленность выпускает литейные алюминиевые сплавы (АЛ) марок от АЛ1 до АЛ33. При маркировании этих сплавов буква А означает, что сплав алюминиевый, буква Л - что сплав литейный, а цифра - порядковый номер сплава (условный).

По химическому составу литейные алюминиевые сплавы можно разделить на несколько групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ13, АЛ22 и прочие).

Типичными являются сплавы системы Al-Si (10-13% Si) - силумины. Растворимость Si в Al малая (0,8% при 500°С; 0,05% при 20°С). Поэтому, сплавы, которые состоят лишь из Al и Si, практически не упрочняются термической обработкой и в системе Al-Si могут быть сплавы, которые частично или полностью состоят из эвтектики. Введение в силумины Cu, Mg способствуют упрочнению сплава при старении; Ti, Zr измельчают зерно; Mn улучшает коррозионную стойкость; Ni и Fe повышают жаростойкость.

Для улучшения механических свойств силумины с содержанием кремния большее 5% модифицируют натрием: 1-3% от массы расплава прибавляют соли натрия (2/3 NaF+1/3 NaCl). Структура немодифицированных сплавов состоит из игольчатых кристаллов Si и евтектики (a+Si), а после модифицирования - из a-раствора и евтектики (a+Si) тонкого строения.

Свойства алюминиевых литейных сплавов зависят от способа литья и вида термической обработки, скорости охлаждения при отвердении отливки и во время закалки. Для литейных сплавов алюминия характерная более грубая крупнозернистая структура. Это предопределяет режимы их термической обработки. Поэтому для закалки силумины нагревают до 520-540°С и выдерживают 5-10ч для более полного растворения включений. Искусственное старение осуществляют при 150-180°С на протяжении 10-20ч. Из силуминов изготавливают детали, которые работают при небольших (АЛ2), средних (АЛ4) и вибрационных (АЛ8) нагрузках, а также при повышенных до 150-170°С температурах (АЛ1, ОВ) и т.п.

Спеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП) на основе Al и Al₂O₃ получают путем брикетирования порошка алюминия, вакуумной дегазации брикетов с дальнейшим их спеканием под давлением. Содержание Al₂O₃ в спеченных сплавах алюминия находится в пределах от 6-9% (САП1) до 18-22 % (САП4). Мелкие частички Al₂O₃ тормозят движение дислокаций в сплаве и повышают его прочность. Жаростойкость САП материалов при продолжительном нагревании сохраняется до 500°С, а при кратковременном - до 1000°С.

3.2. Медь и сплавы на ее основе. По объему производства медь занимает третье место после железа и алюминия. Запасы ее в земной коре равняются 0,01%, в сульфидных рудах (CuFeS - медный колчедан, CuS - халькозин, Cu₂S - халькопирит) - от 0,5 до5 %. Медь имеет ГЦК - кристаллическую решетку, температура плавления составляет 1038°С, удельный вес g= 8,9 г/см³.

Получают медь из обогащенного концентрата (11-35% Cu), который сначала обжигают при 600-850°С для частичного снижения содержимого серы, а потом для отделения от рудных примесей плавят при 1300-1500°С на штейн (сплав сульфидов Cu₂S и Fe). Медный штейн содержит 16-60% Cu, а также Fe и S. Штейн переплавляют в специальном конверторе с продувкой расплава воздухом при 950-1050°С и получают черновую медь, которая содержит до 1-2% примесей (Fe, Zn, Ni, As и прочие). Очищают черновую медь путем огневого или электролитического рафинирования. Первичная технически чистая медь после рафинирования содержит 99,5-99,99% Cu. Чистая медь имеет 11 марок- М00б, М0б, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2, МЗ. Суммарное количество примесей в марке высочайшей чистоты М00б - 0,01%, а в марке МЗ - 0,5 %.

В зависимости от механических свойств различают также твердую (нагартованную) медь - МТ и мягкую (отожженную) - ММ. Механические свойства чистой отожженной меди такие: s_в = 220-240 МПа, твердость 40-80 НВ, d = 45-50%, Y = 60-75%. Ценными свойствами меди являются ее высокая электро- и теплопроводность, пластичность, низкая окисляемость. Электропроводность меди снижается при наличии примесей. Половина всей производимой меди используется в электротехнике. Для электротехнических потребностей чистую медь поставляют в виде провода, прутка, ленты, листа, полосы и труб. В связи с низкой прочностью как конструкционный материал используют не чистую медь, а лишь сплавы меди с оловом, цинком, алюминием, кремнием, марганцем и т.п.. Легирование меди повышает ее механические, технологические и эксплуатационные свойства. В зависимости от химического состава различают три основных группы сплавов меди: бронзы, латуни и сплавы меди с никелем.

Бронзы - это сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием, бериллием, свинцом. В зависимости от основного легирующего элемента бронзы называют оловянистыми, алюминиевыми, бериллиевыми и др. Для повышения механических и особых свойств бронзы дополнительно легируют Ft, Ni, Ti, Zn, P, для повышения коррозионной стойкости - Мn, пластичности - Ni, прочности - Fe, обрабатываемости резанием - Pb.

Маркируют бронзы буквами Бр, дальше буквами обозначают элементы, которые входят в состав бронзы: О - олово, Ц - цинк, А - алюминий, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, Б - бериллий и прочие. После этого цифрами указывают среднее содержимое элементов в процентах (содержимое меди цифрами не указывают). Например, марка БрОЦ4-3 означает, что бронза содержит 4 % олова и 3% цинка, остальное - медь; БрОЦС5-5-5 - бронза содержит олова, цинка и свинца по 5 %, остальное - медь.

Оловянистые бронзы (БрО3, БрО6, БрОС25-8 и другие), в зависимости от содержания олова и фазового состояния, разделяют на однофазные (до 5 % Sn) со структурой a-твердого раствора и двухфазные (большее 5% Sn) со структурой состоящей из a-твердого раствора и эвтектоида (a + Cu₃₁Sn₈).

Однофазные бронзы пластичные и хорошо поддаются деформированию, из них изготавливают фольгу, сетки, провод, прутки, ленты ит.п. в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях.

Двухфазные оловянистые бронзы с большим содержимым олова (до 15-20%) используют как литейные материалы для изготовления разных фасонных отливок, их также дополнительно легируют цинком (4-10%), свинцом (3-6%), фосфором (0,4-1,0%). Оловянистые бронзы коррозионно стойки в морской воде, NaOH, Na₂CO₃, не стойкие в растворах HNO₃, и HCl, имеют довольно высокие механические свойства: s_в = 150-350 МПа, d = 3-5%, твердость 60-90 НВ, хорошо обрабатываются резанием.

Оловянистые бронзы типа БрОЦН3-7-5 используют для арматуры, которая эксплуатируется на воздухе, в пресной воде, масле, паре и при температурах до 250°С; бронза типа БрОЦС5-5-5 - для антифрикционных деталей, арматуры ит.п..

В состав безоловянистых бронз, кроме меди, входят Al, Fe, Mn, Be, Si, Pb или различные комбинации этих элементов.

Алюминиевые бронзы (4-11% Al) имеют высокую коррозионную стойкость, высокие механические и технологические свойства (БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрКМц3-1, БрС30 и прочие). Однофазные бронзы (a-твердый раствор) с содержанием алюминия до 8-9 % хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Двухфазные бронзы (a-твердый раствор + Cu₂Al) с содержанием алюминия 9-11%, а также железа, никеля, марганца имеют большую прочность, поддаются обработке давлением в горячем состоянии. Двухфазные бронзы можно подвергать упрочняющей обработке - закалке от 900-950°С с отпуском при разных температурах. При этом получается ориентированная игольчатая структура, возрастает твердость и прочность, уменьшается пластичность. Так, бронза БрАЖН10-4-4 после закалки и отпуска (400°С) повышает твердость от 170-200 до 400 НВ. Из алюминиевых бронз изготавливают арматуру трубопроводов для разных сред (кроме морской воды) и температур до 250°С (БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л); детали для эксплуатации в морской воде, винты, лопасти (БрАМц9-2Л); втулки, подшипники скольжения (БрАМц10-2); фланцы, шестерни и прочие ответственные детали (БрАЖМц10-3-1,5).

Марганцевые бронзы (БрМц5 БрМцС20-5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но высокую пластичность, коррозионную стойкость, жаропрочность. Из них изготавливают детали для электростанций, котлы, вентили, задвижки, арматуру и т.п.

Бериллиевые бронзы содержат в своем составе 2-2,5 % Ве (БрБ2), имеют очень ценный комплекс свойств: высокую химическую стойкость, теплостойкость, высокий предел упругости, хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические свойства (s_в = 1100-1300 МПа, d = 1%, твердость 370 НВ). Бериллиевые бронзы закаливают в воде от температур не выше 800°С и подвергают искусственному старению при 350°С.

Используют бериллиевую бронзу для изготовления изделий ответственного назначения: упругие контакты, пружины, мембраны, безискровой инструмент для ведения работ во взрывоопасных средах.

Кремниевые бронзы содержат 1-3% Si (БрКН1-3, БрКМц3-1), служат заменителями оловянистых бронз (например, БрОЦС6-6-3). Они имеют высокие литейные свойства, коррозионную стойкость, упругость, допускают горячую обработку давлением и обработку резанием. Из кремниевых бронз изготавливают прутки, полосы, отливки, заготовки для изделий, которые работают при температурах до 500°С.

Свинцовая бронза (БрС30) широко используется в машиностроении как антифрикционный материал.

Латуни - это двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 45%). При большем содержании цинка в латуни снижается прочность и возрастает хрупкость. Содержание других легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%.

Маркируют латуни буквой Л, после которой цифрой указывают содержание меди в процентах (например, сплав Л62 содержит 62 %Cu и 38 % Zn). Если в составе латуни кроме меди и цинка есть еще другие элементы, то для их обозначения после буквы Л пишут начальные буквы названий этих элементов (О - олово, С - свинец, Ж - железо, Ф - фосфор). Процент содержания любого из этих элементов показывают соответствующими цифрами, которые стоят после количественного показателя меди в латуни. Например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % Cu, 1 % Al, 1 % Fe и 38 % Zn.

В зависимости от содержания Zn и структуры при комнатной температуре латуни разделяют на однофазные a-латуни (до 39% Zn) и двухфазные a+b-латуни (большее 39% Zn). Если цинка в сплаве больше 39%, получается хрупкая b-фаза - твердый раствор на основе электронного соединения типа CuZn с ОЦК-решеткой.

Однофазные латуни (Л62, Л68, Л80) пластичные, легко деформируются. Поставляют их в виде полуфабрикатов - прутки, провод, полоса, ленты и т.п.. Из латуней типа Л62, Л68 изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, провод, фольгу. Латунь марки Л80 (томпак) имеет цвет золота. Используют ее при изготовлении ювелирных и декоративных изделий, а также для ответственных деталей. Механические свойства однофазных латуней (Л68, Л80,Л90) такие: s_в = 260-320 МПа, d = 45-55%, твердость 53-55 НВ.

Двухфазные a+b - латуни малопластичные, и изделия из них изготавливают в основном методом литья. Из литейных латуней изготавливают арматуру, фасонное литье, втулки (ЛС59-1Л); антифрикционные детали (ЛМц58-2); коррозионностойкие детали (ЛА67-2,5); гребные винты, лопасти, арматуру, которая эксплуатируется при температуре 300°С (ЛМцЖ55-3-1); червячные винты для трудных условий работы (ЛАЖМц66-6-3-2).

Механические свойства таких латуней зависят не только от их состава, но от условий затвердевания в литейных формах. Так, при литье в кокиль латунь марки ЛС59-1Л имеет s_в = 200 МПа, d = 20%, твердость 80 НВ; латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 - соответственно s_в = 650 МПа, d = 7%, 160 НВ.

Дополнительное легирование латуней разными элементами повышает их эксплуатационные свойства. Так, легирование 1-2% свинца улучшает обрабатываемость сплава резанием (ЛС59-1 - автоматная латунь); олово повышает коррозийную стойкость в морской воде; алюминий и никель повышают механические свойства (ЛАН59-3-2) и т.п.

Сплавы меди с никелем (основной легирующий элемент) используют как конструкционные и электротехнические материалы.

Кунали (Cu-Ni-Al) содержат в своем составе 6-13% Ni, 1,5-3% Al, остальное - медь. Такие сплавы подвергают термической обработке - закалке с последующим старением. Кунали используют для производства деталей повышенной прочности, изготовления пружин, а также разных электромеханических изделий.

Нейзильберы (Cu-Ni-Zn) содержат до 15% Ni, до 20% Zn, остальное - медь. Имеют цвет, близкий к серебру, стойкие к атмосферной коррозии. Эти сплавы используют в приборостроении, производстве часов и т.п.

Мельхиоры (Cu + Ni + небольшие добавки до 1% Fe и Mn) имеют высокую коррозийную стойкость, в частности в морской воде. Используются для изготовления теплообменных аппаратов, посуды, декоративных штампованных и чеканных изделий.

Копель (Cu-Ni-Mn) содержит в своем составе 45% Ni, 0,5% Mn, остальное - медь. Сплав с высоким удельным электросопротивлением используют в электротехнике, а также для изготовления электронагревательных элементов.

Манганин (Cu-Ni-Mn) – МНМц3-12 относят к реостатным сплавам, используют в электротехнике. Такое же применение имеет и константан.

Константан (Cu-Ni-Mn) – 40-43% Ni, 0,5-1,5% Mn, остальное - медь (МНМц40-1,5).

3.3. Титан - серебристо-серый металл с температурой плавления 1672°С, с маленьким удельным весом (g = 4,5 г/см³) и высокой коррозионной стойкостью принадлежит к переходным металлам четвертой группы периодической системы элементов. Прочность титана s_в = 270 МПа, пластичность d = 25, твердость 100-140 НВ. Прочность технически чистого титана зависит от чистоты металла. Примеси углерода, кислорода, водорода снижают его пластичность, сопротивление коррозии и свариваемость. В особенности вредными являются примеси водорода. Механические свойства технически чистого титана (марки ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-1) находятся на уровне свойств обычных конструкционных сталей. Из него изготавливают катанные и прессованные трубы, листы, провода, поковки. Он хорошо сваривается, имеет высокие механические характеристики, коррозийную стойкость и жаропрочность, но тяжело обрабатывается резанием, имеет низкие антифрикционные свойства.

Легирование титана определенными элементами позволяет значительно повысить его механические (s_в ³ 1500 МПа, d = 10-15%) и специальные свойства. Так, Al повышает жаропрочность и механические свойства титана, V, Mo, Cr, Mn - жаропрочность.

Титан является полиморфным металлом и существует в двух аллотропических модификациях - a и b. Температура полиморфного превращения равняется 882,5°С. Ниже этой температуры титан имеет гексагональную кристаллическую решетку, а выше - решетку объемноцентрированного куба. Легирующие элементы, которые входят в состав промышленных титановых сплавов, образовывая с титаном твердые растворы замещения, изменяют температуру полиморфного преобразования a«b. Такие элементы, как Al, O, N повышают температуру преобразования, расширяют область существования a-твердого раствора на диаграмме состояния (a-стабилизаторы); элементы Mo, V, Nb, Cr, Mn, Fe снижают температуру a«b преобразования (b-стабилизаторы). Кроме a- и b-стабилизаторов, различают также нейтральные упрочнители Sn, Zr, Hf, которые заметно не влияют на температуру преобразования.

В зависимости от структуры в равновесном состоянии титановые сплавы разделяют на a-сплавы (однофазные) и b-сплавы (двухфазные). Так, основными промышленными сплавами титана со структурой a + b являются ВТ5 (4,5-5% Al; 3,5-4,5% V), ВТ8 (5,8-6,8% Al; 2,8-3,8% Mo). По технологическому назначению их разделяют на литейные и деформируемые.

По прочности титановые сплавы разделяют на три группы:

- низкой прочности с s_в = 300-700 МПа (ВТ1);

- средней - с s_в 700-1000 МПа (ВТ3, ВТ4, ВТ5);

- высокой прочности с s_в ³ 1000 МПа (ВТ6, ВТ14, ВТ15) после закалки и старения.

Титановые сплавы можно подвергать всем основным видам термической обработки, а также химико-термической обработке, изменяя их свойства в нужном направлении.

Например, механические свойства сплава ВТ5 после отжига при 750°С составляют: s_в = 750-900 МПа, d = 10-15%, твердость 240-300 НВ. Сплав ВТ8 после закалки от 900°С и старения при 500°С имеет прочность s_в = 1000-1150 МПа, пластичность d = 3-6%, твердость 310-350 НВ, а сплав ВТ14 соответственно s_в = 1150-1400 МПа, d = 6-10%, твердость 340-370 НВ.

Литейные сплавы имеют более низкие механические свойства по сравнению с аналогичными деформируемыми. Для литья используют сплавы, которые отвечают по химическому составу сплавам ВТ5, ВТ14, маркируют их с приданием буквы Л (ВТ5Л, ВТ14Л), или специальные литейные сплавы.

Титан и его сплавы используют в авиации и ракетостроении, химической промышленности, судостроении и криогенной технике.

3.4 Магний - наиболее легкий из цветных технических металлов (g = 1,75г/см³), не имеет аллотропических превращений. Температура плавления магния 650°С. Технически чистый магний имеет низкие механические свойства (s_в = 180 МПа, d = 5%, твердость 30 НВ), склонен к самовоспламенению, тепло- и электропроводность его низкие. Используется в технике в виде сплавов. В состав магниевых сплавов входят Al, Zn, Mn, Zr. При этом прочность возрастает до 200-450 МПа. Сплавы магния разделяют на: деформируемые; литейные.

Деформируемые магниевые сплавы предназначены для изготовления полуфабрикатов (прутков, листов, профилей) обработкой давлением. При нормальных температурах магний деформируется плохо. Для повышения пластичности его сплавов применяют обработку давлением при 360-520°С в зависимости от марки сплава. Такие сплавы маркируют буквами МА и цифрами (МА1, МА2-1, МА14), которые означают порядковый номер сплава.

Сплав МА1 (содержит 1,3-2,5% Mn) имеет хорошую технологическую пластичность, свариваемость и коррозийную стойкость. Относится к сплавам низкой прочности. Дополнительное легирование его цезием, приблизительно 0,2% (МА8), измельчает зерно, повышает механические свойства и способность к холодной деформации. Сплав МА2-1 принадлежит к системе Mg-Al-Zn, имеет довольно высокие механические свойства и технологическую пластичность. Поддается всем видам листового штампования и прокатки. Из деформируемых магниевых сплавов (МА) изготавливают детали самолетов, автомобилей и прядильных станков.

Литейные магниевые сплавы используют для изготовления деталей методом литья. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, которые означают порядковый номер сплава (МЛ5, МЛ6, МЛ-10, МЛ-12). Например, сплавы МЛ5 и МЛ6 належат к системе Mg-Al-Zn,. Наиболее распространенным из этой группы сплавов является МЛ5 (7,5-9% Al; 0,2-0,8% Zn; 0,15-0,5% Mn). Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для тяжелонагруженных деталей авиационной промышленности (картеры, корпусы приборов, формы шасси и т.п.). Учитывая низкую коррозионную стойкость магниевых сплавов изделия из них подвергают оксидированию с последующим нанесением на них лакокрасочных покрытий.

Контрольные вопросы

4.1. Какие цветные металлы и сплавы применяют в машиностроении?

4.2. Назовите основные сплавы алюминия, их свойства, применение.

4.3. Что такое дуралюминий?

4.4. Какие сплавы алюминия используют в литейном производстве?

4.5. Назовите основные сплавы на основе меди.

4.6. Что такое латунь, ее свойства и применение?

4.7. Что такое бронза, ее свойства и применение?

4.8. Как маркируются бронзы и латуни?

4.9. Какие сплавы меди с никелем используют как конструкционные и электротехнические материалы?

4.10. Какие свойства сплавов титана и где они применяются?

4.11. Как разделяют сплавы титана в зависимости от структуры в равновесном состоянии?