Цветные металлы и сплавы

13.1. Медь и ее сплавы

Медь используется человеком с давних времен и отмечена в истории культуры бронзовым веком. Наи­более важное свойство меди, обеспечившее ей широкое применение, — хорошие электропроводимость и тепло­проводность, высокая пластичность и способность образо­вывать технологичные сплавы, которые отлично обраба­тываются и обладают хорошими механическими свой­ствами.

Температура плавления меди 1083 °С, кипения 2360 °С. Предел прочности чистой меди не очень высок и состав­ляет 220 МПа. Ее кристаллическая решетка—кубическая гранецентрированная с параметрами а = 0,361 нм. Плот­ность меди 8,93 г/см³, твердость почти в 2 раза меньше, чем у железа.

Рис. 57. Диаграмма состояния медь—цинк

Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы. Латунями называют группу сплавов меди с цинком. В группу латуней входят томпак (90 % Сu и более, остальное — цинк) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо обрабатываются резанием. Латуни широко используют в приборостроении, общем и химиче­ском машиностроении.

Наибольшее применение нашли латуни, содержащие до 38 % Zn, так как до этого предела (согласно диаграмме состояния) существует твердый раствор замещения меди цинком и, следовательно, сохраняется кристаллическая решетка куба с центрированными гранями (рис. 59).

Эти латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса в системе медь — цинк латуни имеют хорошие литейные свойства (большую жидкотекучесть, отсутствие ликва­ции, малую усадку и др.). Но при их заливке в формы необходима хорошая вентиляция цеха, так как пары, выделяющиеся из жидких латуней, вредно влияют на организм человека.

Медно-цинковые латуни выпускают восьми марок и обозначают русской буквой Л; следующая за буквой цифра указывает средний процент меди в этом сплаве. Марка с максимальным содержанием меди Л96, с мини­мальным — Л60. Латуни более сложного состава в обо­значении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни. Например, ЛС59-1 означает латунь свинцовая, содержащая 57— 60 % Сu и 0,8—1,5 Pb; ЛМцА-57-3-1 — латунь марганцово-алюминиевая, содержащая 55,0—58,5%Сu, 2,5—3,5 % Мn и 0,5—1,5 % А1. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — ни­кель, К — кремний, А — алюминий и т.д.

Добавки этих металлов к латуням необходимы для улучшения их механических свойств или обрабатывае­мости, а также повышения коррозионной стойкости. Микроструктура латуни при­ведена на рис. 60.

Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами (рис.61). Из бронзы еще в древности делали оружие и инструменты, сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь.

Рис.60. Микроструктура латуни, х200:

а - α-латунь, б - α+β-латунь

Благодаря отличным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали отливать пушки и колокола. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшип­ников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Рис.61. Структура литой бронзы с 6% Sn, х200

а) после отжига, б) до отжига

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, А — алюминий, Ф — фосфор, Т — титан и другие, обозначае­мые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за бук­вами, обозначают среднее содержание добавок этих до­полнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят). На­пример, БрОЦ4-3 означает, что в бронзе содержится в среднем 4 % Sn, 3 % Zn, остальное медь. Сплавы, со­держащие небольшое количество олова, образуют твер-

дый раствор замещения меди оловом, имеющим кристаллическую решетку куба с центрированными гранями, т. е. решетку, аналогичную решетке чистой меди.

Большинство современных бронз редко содержат больше 7 % Sn и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из твердого раствора олова в меди. Олово дороже и дефицитнее меди. Поэтому широкое применение нашли заменители — в первую очередь алюминиевые бронзы как простые БрА5, так и более сложные БрАЖМцЮ-3-1,5.

Сплавы меди с небольшими добавками алюминия (до 10 %) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, так как эти сплавы образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Добавки никеля, железа, марганца и свинца улучшают механические и не­которые технологические свойства алюминиевых бронз.

Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремниевые бронзы, например БрКН-1-3, содержащая 0,6—1,1 % Si; 2,4—3,4 % Ni и 0,1—0,4 % Мn. Антифрикционными свойствами обладают бронзы БрОЦС4-4-4, содержащие по 3—5 % олова и цинка, и 3,5—4,5 % свинца.

Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы БрБ2, в состав которых входят 1,8—2,1 % Be, 0,2—0,5 % Ni (остальное медь) и др. Из них изготовляют пружины, пружинящие контакты ответственных приборов и пр.

13.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий — второй (после железа) металл со­временной техники. Наиболее важное свойство алюми­ния, определяющее его широкое применение, — это его плотность, равная 2,7 г/см³ (т. е. алюминий почти в 3 раза легче железа), а также хорошая электрическая прово­димость, составляющая 65% электрической проводи­мости меди. Кроме того, алюминий имеет высокую тепло­проводность и теплоемкость, химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздей­ствию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой оксида, которая, в отличие от оксида железа, не пропускает кислород в толщу металла, делая его стойким против коррозии. Его кристаллическая решетка — куб с центрированными гранями с параметром а = 0,404 нм. Никаких аллотропи­ческих превращений у алюминия не обнаружено.

Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения ~2500°С. Механические свойства алюминия невысоки. Предел проч-

ности при разрыве составляет 90—180 МПа, НВ 20—40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Однако чистый алюминий трудно обрабатывается резанием, а также имеет значительную линейную усадку (1,8 %). Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки, поэтому широко распространены сплавы алюминия.

Сплавы алюминия принято делить на две группы: первая — сплавы, деформируемые обработкой, и вто­рая — литейные сплавы.

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы ха­рактеризуются невысокой прочностью, но хорошей пла­стичностью (от 6 до 40 %). К ним относятся сплавы алюми­ния с марганцем и магнием, содержащие до 6 % Mg. Из этих сплавов широко применяют сплав АМц, содержа­щий 1—1,6 % Мn, и сплавы АМг2, АМг5, содержащие соответственно 2,6—1,8 Mg, 0,2—0,6 Мn и 4,8—5,8 Mg, 0,3—0,8 Мn. Эти сплавы почти все однофазные, имеющие структуру твердого раствора. Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для мало­нагруженных деталей, изготовляемых холодной штам­повкой, и для сварных конструкций. Упрочнение этих сплавов возможно только путем холодной деформации, так как их упрочнение термической обработкой не удается.

Из группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, наиболее известны дуралюмины и авиаль.

Рис.62. Диаграмма состояния сплавов алюминия с медью

Эти современные сплавы имеют в своем составе по три-четыре, а чаще и больше состав­ляющих. Их способность упрочняться термической обра­боткой хорошо иллюстрируется двойной диаграммой Аl— Сu (рис. 62); почти во всех сплавах этой группы обычно присутствует медь, образующая с алюминием твердый раствор с предельной растворимостью 5,6 % при тем­пературе 548 °С. С понижением температуры раствори­мость меди в алюминии быстро уменьшается.

Дуралюмины — сплавы на основе Al—Cu—Mg, в ко­торые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости сплава. Наиболее известны сплавы Д18, содержащий 2,2— 3 % Сu, 0,2 — 0,5 о/о Mg, и Д16, содержащий 3,8 — 4,6 % Сu, 1,2— 1,8 % Mg и 0,3 — 0,9 % Мn. Микроструктура дуралюмина показана на рис.63.

Рис.63. Микроструктура дуралюминия: а - отожженное состояние, х200; б - закаленное состояние, х100

Дуралюмины хорошо деформируются и в горячем, и в холодном состояниях: для их упроч­нения обычно применяют закалку в воде и естествен­ное старение. Наибольшее упрочнение достигается в те­чение первых суток после закалки и практически за­канчивается в течение пяти суток. Наиболее проч­ные алюминиевые сплавы — сплавы типа В95, содер­жащие 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Сu, 0,4 % Mn, 0,2 %Cr. Но, применяя их, следует иметь в виду, что эти сплавы еще менее коррозионностойки, чем дуралюмины, и не пригодны для работы при температурах выше 150 °С, так как их прочностные характерис­тики сильно понижаются при повышенной темпера­туре.

Известно много других сложных деформируемых спла­вов для ковки, штамповки и работы при повышенных температурах: АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Литейных алюминиевых сплавов очень много: их принято маркировать двумя буквами: АЛ (алюминиевый сплав, литейный). В соответствии с ГОCТ их принято делить на пять групп.

Группа I — сплавы на основе системы алюминий — кремний (АЛ2, АЛ4, АЛО). Эти сплавы часто называют силуминами, и они представляют интерес с точки зрения металловедения.

Группа II объединяет много сплавов, имеющих основу алюминий—кремний—медь (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, а также АЛ32, содержащий, кроме трех основных компонентов, еще марганец и титан).

Группа III — сплавы на основе системы алюминий — медь (АЛ7 и АЛ 19), которые из-за наличия значительного количества меди более дефицитны и дороги.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий — магний (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.), обладающие низкой плотностью (почти в 3 раза легче стали), высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Двой­ные сплавы начали широко использовать для получе­ния легких отливок различного оборудования для транс­портных машин.

К группе V относят сплавы на основе алюминия и дру­гих компонентов. Эта группа особенно велика: наиболее популярны из этой группы сплавов АЛ1, содержащий медь, никель и магний, сплав АЛ11, включающий кроме алюминия и кремния большое количество цинка (7— 12 %) и немного магния. В эту группу входит также сплав АЛ24, содержащий магний, марганец, цинк, ти­тан и др.

Литейные сплавы алюминия с магнием, медью, а также многие другие более сложные сплавы на основе алюминия подвергают термической обработке, так как их основные прочностные и технологические свойства изменяются при этом в очень широких пределах. Многие алюминиевые сплавы с добавками меди и магния подвержены старению, т. е. изменяют свои свойства при хранении. Например, у сплава АЛ8, содержащего 9,5 — 11 % Mg, в литом состоянии относительное удлинение δ = 10 %; если этот сплав нагреть под закалку и медленно охладить с печью, то δ = 2 %, а после пяти суток выдержки при 20 °С δ увеличится до 20 %.

Наибольшей известностью пользуются силумины и сплавы алюминия с медью. Микроструктура силумина показана на рис.64. Ти-

пичный силумин — сплав АЛ2 содержит 10—13 % Si, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Кроме того, он устойчив про­тив коррозии и относительно легкоплавок. Удовлетвори­тельные механические свойства и структуру силумин приобретает только после модифицирования. Немодифи­цированный силумин имеет грубую игольчатую структуру и очень хрупок; после модифицирования эвтектика ста­новится мелкозернистой, в результате чего сплав при­обретает пластичность. Модифицирование проводят до­бавкой в жидкий сплав незначительного количества ме­таллического натрия.

Рис.64. Микроструктура литейных сплавов алюминия, х200: а - немодифицированный силумин, б - модифицированный силумин

Однако эффект такого модифицирования сохраняется в жидком сплаве только 10—15 мин, и поэтому модифи­цирование необходимо непосредственно перед разливкой сплава. Более удобно модифицировать силумин смесью солей ²/з NaF и ¹/з NaCI, которая, будучи загружена в заливочный ковш, сохраняет эффект модифицирования около 1 ч.