Цветные металлы и их сплавы

Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных ка­честв: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электропровод­ностью и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и др. Благо­даря этим качествам цветные металлы и сплавы наряду с пластмассами в авиационной, электротехнической и радиотехнической промышлен­ности являются основными материалами. Из цветных металлов в чистом виде и в виде сплавов широко исполь­зуются медь, свинец, алюминий, магний, цинк.

4.1. Алюминий и его сплавы

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета, плотность 2,7 г/см³, температура плавления 660° С. Механические свойства алю­миния невысокие, поэтому в качестве конструкционного материала применяется редко.

Алюминиевый сплав характеризуется высокой пластичностью, хорошо штампуется, легко прокатывается и прессуется, хорошо сва­ривается газовой и контактной сваркой, литейные свойства его низкие, обрабатываемость резанием плохая.

Важнейшим свойством алюминия является устойчивость против кор­розии благодаря образованию на его поверхности прочной защитной пленки — окиси алюминия.

Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью (но не­сколько худшей, чем медь), поэтому наибольшее применение он нашел в электротехнической промышленности для изготовления проводов, кабелей, обмоток и т. п. Кроме этого, алюминий используется в хими­ческой промышленности, в приборостроении, а также для получения алюминиевых сплавов.

Основная часть алюминия используется для изготовления сплавов, которые можно разделить на две группы: деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы срав­нительно легко обрабатываются в горячем и холодном состоянии (про­каткой, прессованием, волочением, ковкой, штамповкой и др.). Из них изготовляют прутки, листы, проволоку, прессованные профили, по­ковки и т. д.

Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К неупрочняемым термической обработкой относят сплавы алю­миния с марганцем — АМц и алюминия с магнием — АМг, АМгЗ, АМг5, АМг6. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются и штампуются, но имеют невысокую прочность, которую можно повысить нагартовкой; из них изготовляет бензиновые баки, проволоку, заклепки и другие детали путем гибки и глубокой вытяжки, а также сварные резервуары для жидкостей и газов.

К деформируемым алюминиевым сплавам относятся дюралюмины — это сплавы, имеющие сложный химический состав, основу которого составляют алюминий, медь и магний; для повышения коррозионной стойкости добавляют марганец. Дюралюми­ны характеризуются небольшим удельным весом, высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью; для повышения механических свойств их подвергают термической обработке.

Дюралюмины не обладают достаточной стойкостью против корро­зии, поэтому их подвергают плакированию (покрытие поверхности) тонким слоем алюминия.

К деформируемым алюминиевым сплавам относятся также сплавы АК2, АК4, АК6, АК8, в состав которых входят, кроме алюминия, медь, марганец, магний, кремний и в небольшом количестве никель. Из этих сплавов ковкой и штамповкой изготовляют крупные фасонные и высоконагруженные детали — поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и т. д.

Высокопрочные алюминиевые сплавы обла­дают более высокой прочностью, чем дюралюмины повышенной проч­ности. Основу этих сплавов составляют цинк, медь, магний. Наиболее широко применяется сплав В95, прочность его после термической работки выше, а пластичность и коррозионная стойкость ниже, чем у дюралюмина Д16, хорошо обрабатывается резанием и поддается точечной сварке. Из сплава В95 изготовляют высоконагруженные эле-менты конструкции — детали каркасов, обшивку и т. д.

Ли т ейные алюминиевые сплавы применяются при производстве деталей методом литья. Такие сплавы обладают высокой жидкотекучестью, позволяющей получать тонкостенные, плотные отливки со сравнительно малой усадкой, без трещин, с высокой прочностью, коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью, хорошей обрабатываемостью резанием.

Наибольшее распространение получили литейные сплавы алюминия с кремнием — АЛ2, АЛ4, АЛ9, называемые силуминами. Они обладают высокой жидкотекучестью, хорошей герметичностью, достаточно высокой прочностью, хорошо обрабатываются резанием, хорошо свариваются, сопротивляются коррозии и при изготовлении отливовок не дают горячих трещин. Сплав АЛ2 применяется для изготовлений деталей агрегатов, приборов, тонкостенных деталей сложной формы при литье в землю; сплав АЛ4 — для изготовления высоконагружен­ных деталей ответственного назначения; сплав АЛ9 — для изготовле­ния деталей средней нагруженности, но сложной конфигурации, а также для деталей, подвергающихся сварке. Недостатком сплава АЛ9 является склонность к газовой пористости.

Сплавы на основе алюминия и м а г н и я обладают наиболее высокой коррозионной стойкостью и более высокими механическими свойствами после термической обработки по сравне­нию с другими алюминиевыми сплавами, но литейные свойства их низ­кие. Наиболее распространены марки АЛ8 и А13. Из них изготовляют подверженные коррозионным воздействиям детали (для морских судов), а также детали, работающие при высоких температурах (головки ци­линдров мощных двигателей воздушного охлаждения).

Сплавы на основе алюминия и меди (АЛ7, АЛ12, АЛ19) обладают невысокими литейными свойствами и понижен­ной коррозионной стойкостью, но высокими механическими свойства­ми. Эти сплавы применяются для изготовления отливок несложной формы, работающих с большими напряжениями (АЛ7).

Сплавы на основе алюминия, меди и крем­ния характеризуются хорошими литейными свойствами, но коррозионная стойкость их невысокая. Эти сплавы широко применяют для изготовления отливок корпусов, арматуры и мелких деталей (сплав АЛЗ), отливок ответственных деталей, обладающих повышенной теплоустойчивостью и твердостью (сплав АЛ4), отливок карбюраторов арматуры двигателей (сплав АЛ6).

К сплавам на основе алюминия, цинка и кремния относится сплавы АЛ 11 (цинковый силумин), обладающий высокими литейными свойствами, а для повышения механических свойств подвергающийся модифицированию; плотность его сравнительно высокая — 2,9 г/см³. Из этого сплава изготовляют отливки сложной конфигурации — кар­теры, блоки двигателей.

К жаропрочным сплавам относится литой сплав АЛ1, предназначенный для изготовления головок цилиндров, поршней, работающих при высоких температурах — до 300° С.

4.2. Медь и ее сплавы

Медь по своему значению в машиностроении является наиболее цен­ным техническим материалом. Она хорошо сплавляется с большинст­вом металлов. Медь в чистом виде имеет красный цвет; чем больше в ней примесей, тем грубее и темнее излом. Температура плавления ме­ди 1083° С, плотность 8,92 г/см³.

Медь хорошо проводит электричество и тепло, уступая в этом от­ношении только серебру, ее используют для изготовления электричес­ких проводов, деталей электрооборудования, холодильных установок и т. д.; отличается хорошей коррозионной стойкостью, поэтому широ­ко применяется в химическом машиностроении и теплотехнике. Медь— очень вязкий металл, трудно поддается обработке резанием, так как стружка налипает на режущий инструмент. Для изготовления деталей машин чистая медь почти не применяется из-за низкой механической прочности.

В зависимости от чистоты предусмотрено пять марок меди: МО, М1, М2, МЗ, М4. В наиболее чистой меди (марка, МО) общее ко­личество примесей не превышает 0,1 и 0,05%. Наибольшее количество примесей (до 1%) содержит медь М4.

Медь МО (электролитическая) предназначается для изготовления проводников тока и сплавов высокой чистоты, МЗ — для проката и литейных медных сплавов (кроме бронзы), а медь М4 — для литей­ных бронз и паяния.

Значительная часть меди используется для изготовления сплавов на медной основе: латуни, бронзы, медно-никелевых сплавов. Эти сплавы прочнее чистой меди, их часто применяют в технике.

Латунь представляет собой сплав меди с цинком. Процентное содержание цинка в сплаве может колебаться в широких пределах и оказывает влияние как на механические свойства, так и на цвет лату­ни. С увеличением содержания цинка до 45% механические свойства латуни улучшаются, предел прочности возрастает до 32—65 кг/мм², а относительное удлинение — до 65%. Температура плавления лату­ни составляет 800—1099° С. Чем больше в латуни цинка, тем ниже температура ее плавления.

В состав латуней, кроме меди и цинка, вводят алюминий, никель, железо, марганец, олово и кремний. Такие латуни называются специ­альными; эти добавки сообщают сплавам латуни повышенную проч­ность, твердость, антикоррозионную стойкость, улучшают литейные свойства.

Приняты следующие буквенные обозначения: Л—латунь, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Н —никель, Мц — марганец, О — олово, К — кремний. Цифрами обозначается среднее процентное содержание меди; например в латуни Л96содержится 96% меди; в латуни ЛО62-1 содержится 62 % меди и примерно 1% олова, остальное цинк.

Свинцовистые латуни ЛС59-1, ЛС60-1, ЛС63-3, ЛС64-2, ЛС74-3 обладают высокими механическими свойствами, хорошо обрабатыва­ются резанием и штампуются; ЛС62-1, ЛС70-1 обладают высокими антикоррозионными свойствами в морской воде, хорошо обрабатыва­ются в горячем состоянии. Эти латуни находят широкое применение в судостроении.

Бронзы представляют собой сплавы меди с любым другим ме­таллом — свинцом, алюминием, кремнием, оловом, марганцем, ни­келем, железом, кроме цинка.

Бронзы обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой прочностью и твердостью, коррозионной стой­костью и хорошо обрабатываются резанием; при небольшом содержа­нии легирующих элементов бронзы обрабатываются давлением.

Маркировка бронз та же, что и для латуней: буквы Бр. — бронза, дальше начальные буквы названий тех основных элементов, кото­рые входят в состав сплава, а цифры, стоящие за буквами, соответст­венно обозначают их процентное содержание в бронзе. Например, Бр.ОФ6 -4 обозначает марку оловянисто-фосфористой бронзы, со­держащей 6—7% олова и около 4% фосфора. Фосфористая бронза применяется для изготовления вкладышей подшипников, червячных колес, а также деталей, находящихся в соприкосновении с морской водой.

Бронза Бр.ОЦС 6-6-3 применяется для изготовления машинной, водяной и паровой арматуры, а также гаек, втулок, поршней и т. д.

4.3. Магний и его сплавы

Магний представляет собой легкий металл серебристого цвета, плотность его 1,74 г/см³, температура плавления 650° С. При температу­ре, несколько превышающей температуру плавления, легко воспламе­няется и горит ярко-белым пламенем.

В связи с малой прочностью и слабой стойкостью против коррозии магний в качестве конструкционного материала не применяется, в основном он используется для получения магниевых сплавов.

Магниевые сплавы являются весьма легкими конструкционными материалами, поэтому их широко применяют в авиационной и других отраслях промышленности.

По технологическому признаку магниевые сплавы делятся на де­формируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы МА1, МА2, МАЗ, МА5, МА8 применяют для изготовления полуфабрикатов — прутков, полос, труб, листов и т. д., а также штамповок и поковок.

Литейные магниевые сплавы нашли широкое применение для производства фасонного литья. Плотность этих сплавов составляет 1,75—1,83 г/см³, они хорошо обрабатываются резанием, но литейные свойства их ниже литейных свойств алюминиевых спла­вов.

К недостаткам литейных магниевых сплавов следует отнести пониженную коррозионную стойкость во влажной среде, поэтому литейные,как и деформируемые магниевые сплавы, защищают оксидными пленками и лакокрасочными покрытиями. Марки литейных магниевых сплавов: МЛ1, МЛ2, МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обознчающей соответствующий сплав, буквы, указывающей способ получения (А—для деформируемых, Л — для литейных) и цифры, обозначающей порядковый номер сплава.

4.4.Титановые сплавы

Температура плавления титана 1660° С, относительная плотность 4,5 г/см³. С углеродом титан образует очень твердые карбиды. Титан удовлетворительно куется, прокатывается и прессуется, обладает высокой стойкостью против коррозии в пресной и морской воде, также в некоторых кислотах.

Наибольшее значение имеют сплавы титана с хромом, алюминием, (в небольшом количестве) при малом содержании углерода (десятые доли процента). Например сплав ВТ2, содержащий 1—2% алюминия и 2—3% хрома, а также сплав ВТ5, содержащий 5% алю­миния, имеют высокую прочность и пластичность, применяются для изготовления листового материала. Сплав ВТЗ, содержащий 5% алю­миния, 3% хрома, имеет жаропрочность до 400° С. Многие сплавы ти­тана подвергаются термической обработке, чем достигается еще большая прочность, соответствующая прочности высоколегированных сталей.