Лекция 5. Цветные металлы и сплавы

Цветными металлами называют алюминий, магний, цинк, медь и сплавы на их основе. Они подразделяются на деформируемые и литейные.

Алюминий обладает высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, высокой теплопроводностью. Механические свойства алюминия могут быть повышены за счет введения в алюминиевый сплав легирующих элементов: кремния, цинка и марганца.

Кремний способствует повышению твердости алюминиевого сплава. Марганец вводят для повышения коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. Цинк способствует упрочнению алюминиевых сплавов.

Сплавы алюминий-кремний называются с илуминами. Силумин обладает наиболее высокими литейными свойствами среди литейных сплавов Сложные алюминиевые сплавы, легированные кремнием, обладают высокой текучестью в жидком состоянии. Однако эти сплавы алюминия дают отливки с пористостью и раковинами.

Эксплуатационные свойства алюминиевых сплавов делают их незаменимым материалом для авиационной промышленности (табл. 1 и 2).

Магний имеет минимальную плотность, но из-за горючести как конструкционный материал в чистом виде не применяется, а только в виде сплавов. Магниевые сплавы прочны, имеют малую плотность, высокую удельную прочность и удовлетворительную коррозионную стойкость.

Легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий, цинк, марганец. Алюминий вводят для увеличения пластичности магниевого сплава. Цинк способствует повышению коррозионной стойкости магниевого сплава. Марганец вводят для увеличения прочности магниевого сплава (табл. 3).

Цинк и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью к атмосферным воздействиям. Цинк используют для оцинковки стального листового проката. Цинковые алюминиево-магниевые сплавы применяют для литых деталей и для антифрикционных вкладышей (табл. 4).

Медь имеет высокую электро- и теплопроводность, высокую пластичность и достаточную прочность. Основная область применения чистой меди – электротехника. Также ее используют для омеднения поверхностей стальных изделий с целью защиты от коррозии.

Наибольшее применение меди изделиях машиностроения - в виде сплавов с цинком, оловом, алюминием и бериллием.

Медно-цинковые сплавы называют л атунью, которая обладает высокой прочностью и хорошей пластичностью в зависимости от количества цинка. Наибольшую пластичность имеют латуни, содержащие 30...32 % цинка, а наибольшую прочность - содержащие 42...45% цинка. Детали из латуни чаще получают давлением (табл. 5).

Сплавы на медной основе с добавками олова, свинца, алюминия, кремния, бериллия называют бронзой. Оловянно-свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и используются для изготовления подшипников скольжения. Безоловянные бронзы (с содержанием олова до 10 %) с добавлением фосфора и цинка обладают высокими механическими свойствами и имеют антифрикционные свойства.

Медные сплавы в целом обладают высокими литейными свойствами и достаточной технологической пластичностью, они обладают хорошей жидкотекучестью, но склонны к окислению, у них значительна линейная усадка - 2,0..3,0 %.

Таблица 1
Марка	Назначение
Алюминиевые сплавы деформируемые
АМц	Малонагруженные изделия и элементы конст­рукции, изготовляемые обработкой давлени­ем, обладающие высокой коррозионной стой­костью: бензо- и маслопроводы, патрубки, фланцы.
АМг,	Средненагруженные детали и элементы свар­ных конструкций, обладающие высокой кор­розионной стойкостью.
АМг6	Детали авиационной техники.
Д1	Детали каркасов авиационной техники, штам­пованные узлы креплений, лопасти винтов, заклепки.
АК6	Детали сложной формы, изготовляемые обра­боткой давлением, обладающие средней прочностью.
Д16	Детали каркаса, об­шивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюр са­молетов.

Таблица 2

Сплавы алюминиевые литейные
АЛ2 (силумин)	Детали агрегатов и приборов авиатехники.
АЛ9 (силумин)	Детали сложной конфигурации при требова­ниях герметичности и коррозионной стойко­сти: кронштейны, качалки, педали.
АК5М	Крупные и средние детали, подверженные значительным нагрузкам: корпуса форсунок, фермы, картеры головок цилиндров и другие детали.
АМ5	Детали агрегатов, эксплуатирующиеся при умеренных нагрузках и температурах не выше 175...300°С.
АМг10(АЛ27)	Силовые детали, эксплуатирующиеся при температурах от -60 до +60 °С в морской воде и под действием водяного тумана.

Таблица 3

Сплавы магниевые деформируемые
МА5	Изготовление высоконагруженных деталей (кронштейнов, качалок и др.) обработкой давлением.
МА11	Детали, нагревающиеся в процессе эксплуатации.
МА14	Высоконагруженные детали.
Сплавы магниевые литейные
МЛ5	Высоконагруженные детали сложной конфи­гурации, корпуса приборов и аппаратуры.
МЛ9	Средненагруженные детали сложной конфи­гурации.
МЛ11	Средненагруженные детали, эксплуатирую­щиеся при температурах до 300 °С.

Таблица 4

Сплавы цинковые литейные
ЦА4	Литые детали средней прочности со стабиль­ными размерами.
ЦАМ4-1	Литые детали средней прочности: корпусы карбюраторов, насосов
ЦАМ4-3	Детали повышенной прочности
Сплавы цинковые антифрикционные
ЦАМ10-5	Моно- и биметаллические детали в конструк­циях подшипников скольжения: вкладыши, втулки
ЦАМ9-1,5	То же, что и ЦАМ10-5, а также прокатаные полосы, предназначенные для направляющих скольжения металлорежущих станков

Таблица 5

Латунь (сплав медно-цинковый), обрабатываемая давлением,
Л68	Радиаторы, шайбы, прокладки, втулки.
ЛС59-1	Трубы, корпуса кранов, заглушки, тройники, жиклеры и др.
Латунь литейная
ЛЦ40С	Фасонное литье, втулки, сепараторы подшип­ников
ЛЦ30А3	Мелкие и средние, умеренно нагруженные детали, эксплуатирующиеся в коррозионно-активных средах
ЛЦ16К4	Детали арматуры и детали, эксплуатирую­щиеся в морской среде

Таблица 6

Бронза безоловянная, обрабатываемая давлением
БрАМц9-2	Нагруженные детали: червяки, шестерни, втулки
БрАЖ9-4	Детали, работающие на изнашивание: втулки и вкладыши подшипников, червячные колеса, сопряженные с термически обработанными червяками; детали насосов.
БрБ2	Упругие элементы, эксплуатирующиеся при повышенной температуре: пружины, клеммы, контакты
БрАЖН10-4-4	Ответственные детали, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного изнашивания: направ­ляющие, втулки, клапаны, шестерни
Бронза оловянная литейная
БрО8Ц4	Детали, изготовляемые из отливок, эксплуа­тирующиеся в пресной и морской воде, в па­ровоздушных и масляных средах
БрО3Ц12С5,	Детали, эксплуатирующиеся в условиях ин­тенсивного изнашивания: подшипники шпин­делей, венцы червячных колес в сопряжении с незакаленным червяком, литые вкладыши подшипников

Лекция 6. Способы получения заготовок. Литье.

Различают следующие основные способы получения заготовок:

1) получаемые литьем (отливки);

2) получаемые обработкой давлением (кованые и штампован­ные заготовки);

3) заготовки из проката;

4) сварные и комбинированные заготовки;

5) получаемые методами порошковой металлургии.

Литьем получают заготовки практически любых размеров, как простой, так и очень сложной конфигурации практически из всех металлов и сплавов.

Качество отлитой заготовки характеризуют рядом показателей качества, важнейшими из которых являются:

1) точность размеров основных поверхностей;

2) отклонения пространственного расположения основных поверхностей;

3) шероховатость основных поверхностей;

4) глубина дефектного слоя основных поверхностей;

5) твердость основного материала.

Так, например, качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья. В некоторых случаях внутри стенок отливок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, горячие и холодные трещины), которые обнаруживаются только после черновой механической обработки.

В литейном производстве для получения металлических отливок применяют более 50 разновидностей литья: литье в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, литье в кокиль, центробежное литье, литье под давлением и др.

Литейная форма — это применяемая в литейном производстве форма для получения отливок, состоит из собственно формы для воспроизведения наружных контуров отливок и литейных стержней для образования внутренних полостей и отверстий. Литье в песчаные формы - это способ получения отливок в литейных формах, изготовленных из песчано-глинистых формовочных материалов и используемых для получения одной отливки Слайд 1

Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой материал, охлаждаясь, затвердевает и принимает требуемые конфигурацию и размеры.

Последовательность изготовления формы (формовка): а - эскиз детали; б - эскиз полу-модели; в - стержень (часть литейной формы, оформляющая внутренние полости отливки); г - изготовление нижней полу-формы; д - изготовление стержня; е - форма в сборе; 1 - базовый выступ; 2 - базовая впадина; 3 - знак; 4 - модельная плита; 5 - стержневой ящик; 6 - стержень; 7 - нижняя опока; 8 - зажимной болт; 9 - верхняя опока; 10 - вентиляционный канал; 11 - выпар; 12 - литниковая система; 13 - базовый штифт; 14 –полу-формы.

Заливка литейной формы заключается в равномерном заполнении литейной формы расплавленным металлом. Важное значение при заливке имеет обеспечение рациональной температуры заливки расплавленного металла, которая должна быть примерно на 100... 150° С выше температуры отвердения. Слайд 2

Для крупных отливок из серого чугуна температура заливки обычно находится в пределах 1230...1300°С, для мелких и средних отливок из серого чугуна — 1320... I400°С, для тонкостенных отливок — 1360...1450°С. Высокопрочный и белый чугун заливают при температуре 1320...1450º С, углеродистую и низколегированную стали — при температуре 1520...1560° С. Для тонкостенных отливок из легированной коррозионностойкой стали 12Х18Н9ТЛ температура заливки достигает 1620° С.

Бронзу и латунь обычно заливают при температуре 1000...1100° С, алюминиевые и магниевые сплавы — при 680...760° С, титановые сплавы — при 1800...1860° С.

3.2 Примерная длительность охлаждения отливокХарактеристика отливок	Длительность охлаждения, час
Масса отливок, кг	Средняя толщина стенок, мм	Стальные отливки	Чугунные отливки
До 10	5... 15	0,2...0,5	0,2...0,4
10...50	15...20	0,5...0,8	0,4... 0,6
50... 100	15...30	2...5	0,8...2,0
100...500	20... 50	6...8	4...6
500... 2 000	30... 80	18... 24	18...20
2000... 10000	50... 120	36...50	24... 36

Небольшие отливки охлаждаются в форме в течение нескольких минут, а крупные, массой до 60 т — в течение нескольких суток и даже недель. Слайд 3

Литье по выплавляемым моделям — это способ получения фасонных отливок из металлических сплавов в неразъемной обо­лочковой форме, рабочая полость которой образована удалением литейной модели выжиганием, растворением или выплавлением в горячей воде Слайд 4

Последовательность изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям: а - чертеж отливки; б - изготовление модели; в - модель; г - блок; д - получение мягкой оболочки; е - форма в сборе: 1 - пресс-форма; 2 - стержень; 3 - модель; 4 - литниковая система; 5 - мягкая оболочка; 6 - контейнер; 7 - песок; 8 - керамическая оболочка.

Выплавляемую модель 3 получают путем заполнения (запрессовки) металлической пресс-формы 1 смесью парафина и стеарина в равных пропорциях. В пресс-формах модельный состав затвердевает и остывает. Затем отливки моделей 3 извлекают и объединяют в блоки путем соединения с отдельно изготовленными выплавляемыми моделями литниковой системы 4. За-тем на блок наносят несколько слоев огнеупорных материалов.

Полученная керамическая оболочка 8 имеет толщину стенок формы 2... 5 мм. После сушки последнего слоя модель выплавляют. Легкоплавкий состав удаляют в ваннах с горячей водой или перегретым паром под высоким давлением при температуре до 120º С. Затем оболочковую форму подсушивают на воздухе и помещают в контейнер 6. После этого форму помещают в печь для прокаливания при температуре 800... 1100° С в целях удаления остатков модельных составов, влаги, а также завершения процессов ее твердения.

Заливка металла осуществляется в горячие формы. Температура формы зависит от состава литейного сплава. При заливке стали она составляет 800...900° С, сплавов на основе никеля — 900... 1000º С, меди — 600...700° С, алюминия и магния — 200... 250° С.

Достоинствами литья по выплавляемым моделям являются возможность получения отливок сложной конфигурации из практически любых сплавов, высокие качество поверхности и точность размеров отливок.