книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

часто используют силицидные покрытия (MoSi2, WSi2). При работе деталей в вакууме, инертных средах покрытия не нужны. Не требуется защитных покрытий для деталей и сплавов хрома, так как он обладает жаростойкостью до 1000 °С из-за образования плотной тугоплавкой оксидной пленки Cr2O3.

Теплоустойчивые стали применяют в энергетическом машиностроении для деталей, работающих под нагрузкой при температуре 500…650 °С в течение длительного времени. В зависимости от условий работы для изготовления деталей используют низколегированные стали после соответствующей термической обработки. Например, детали из стали 12МХ используются при 510 °С (трубы паронагревателей, трубопроводы и коллекторные установки высокого давления, паровые котлы, детали цилиндров, газовые турбины и т.д.). Для тех же целей применяется сталь 12Х1МФ (рабочая температура 570…590 °С). Сталь марки 15Х5 применяется для труб, деталей насосов, лопаток, подвесок котлов (рабочая температура 600 °С).

5. Цветные металлы и сплавы

5.1. Алюминий и его сплавы

Алюминий − металл серебристого цвета с плотностью 2,7 Мг/м3 и температурой плавления 660 °С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет аллотропических превращений.

Алюминий характеризуется высокими тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Последнее объясняется способностью алюминия на воздухе покрываться прочной оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминий характеризуется высокой пластичностью, хорошо обрабатывается давлением. Механические свойства прокатанного и отожженного алюминия высокой чистоты:

σв = 58 МПа; σ0,2 = 20 МПа; δ = 40 %; ψ = 85 %; твердость 25 НВ.

31

Примеси по-разному влияют на алюминий: магний и марганец снижают его тепло- и электропроводность, железо− коррозионную стойкость. Магний, марганец, медь, цинк, никель и хром упрочняют алюминий.

Благодаря удачному сочетанию физических, химических, механических и технологических свойств алюминий и его сплавы широко применяют в различных областях народного хозяйства. Высокая тепло- и электропроводность алюминия позволяют использовать его в электротехнической промышленности, теплообменниках холодильников и др. Алюминий применяется для получения сплавов на его основе и как легирующий элемент в магниевых, медных, цинковых, титановых и других сплавах. Листовой алюминий идет как упаковочный материал; увеличилось применение алюминия в строительстве, сельском хозяйстве и др.

По способу производства изделий алюминиевые сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, в том числе спеченные, идущие на изготовление полуфабрикатов (листов, прутков, профилей, поковок путем прокатки, прессования, ковки и т.д.), и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Деформируемые алюминиевые сплавы по объему производства составляют около 80 %. Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием − магналин (АМг2, АМг3, АМг6 и др.). Сплавы эти обладают средней прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Они применяются в судо- и авиастроении, в производстве сварных емкостей, холодильников и т.д.

Механические свойства сплавов АМц следующие: σв = 130 МПа;

σв = 340 МПа, δ= 18 %, авнагартованном −σв = 400 МПа, δ= 10 %.

К термически упрочняемым относят следующие алюминиевые сплавы: на основе системы Al−Cu−Mg (дуралюмины Д1, Д16 и др.;

32

σв = 410…540 МПа, δ= 11…15 %); на основе Al−Cu−Mg−Si (авиали типа АВ; σв = 220 МПа, δ= 22 %); на основе Al−Cu−Mg−Zn (высокопрочные сплавы В95, В96; σв = 550…700 МПа, δ= 7…8 %); на основе Al−Mg−Ni−Si (жаропрочные сплавы АК4-1, Д20; σв = 430 МПа, δ= 12 %); на основе Al−Cu−Mg−Mn (ковочные сплавы АК-6, АК-8;

σв = 480 МПа, δ= 10 %) идр.

Наибольшую известность получили дуралюмины. Термическая обработка дуралюминов заключается в закалке при температуре 500 °С с охлаждением в воде и последующим естественным или искусственным старением, которое заключается в возникновении при температуре нагрева сплава Al−Cu до 548 °С дисперсных частиц избыточной упрочняющей фазы CuAl2.

Силумины − это литейные сплавы на основе алюминия, содержащие кремний и некоторые другие элементы (АЛ2, АЛ4, АЛ9;

σв = 180…260 МПа, δ = 14 %).

Модифицирование силумина смесью солей натрия (2/3 NaГ + 1/3 NaCl) повышает характеристики прочности и пластичности силуминов.

Кроме силуминов находят применение следующие литейные алюминиевые сплавы: на основе Al−Mg (АЛ8, АЛ13 и др.; σв = 330 МПа,

δ= 15 %); на основе Al−Cu (АЛ7, АЛ19 и др.; σв = 240…360 МПа,

δ= 2…9 %); на основе Al−Cu−Si (АЛ3, АЛ6 идр.; σв = 170…240 МПа,

δ= 1…4 %).

Впоследнее время получили распространение гранулированные и порошковые алюминиевые сплавы. Гранулирование производится распылением расплава; при этом получаются частицы сферической

или овальной формы − гранулы. Скорость охлаждения зависит от толщины частиц, которая может меняться от десятых долей до сотен микрометров (105…108 °С/с). В гранулируемых алюминиевых сплавах повышаются механические и физические свойства. Гранулы брикетируют, а затем подвергают пластическому деформированию.

Методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы

33

(САС). Первые состоят из порошка алюминия и дисперсных частиц Al2O3, которые повышают прочность сплава и снижают его пластичность. Сплавы обладают высокой жаропрочностью до 500 °С. Содержание Al2O3 в САПах колеблется от 6 до 22 %.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС-1, САС-2 и др.) относятся к сплавам системы Al−Si−Ni. Используются они в основном в приборостроении как материалы с низким коэффициентом линейного расширения. САСы в виде порошков получают пульверизацией жидких сплавов при высоких скоростях охлаждения. В структуре САС содержатся мелкие включения кремния и интерметаллиды. Механические свойства этих сплавов определяются формой и размерами час-

тиц (σв = 230…400 МПа, δ = 0,5…4 %).

5.2. Магний и его сплавы

Магний − металл серебристо-белого цвета с плотностью 1,74 Мг/м3 и температурой плавления 651 °С; имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку; аллотропических превращений не имеет.

Магний− химически активный металл, на воздухе окисляется собразованием оксидной пленки MgO, не обладающей защитными свойствами. Эта пленка растрескивается из-за более высокой плотности (3,2 Мг/м3), чем у самого магния. Магний в слитках, а также изделия из магниевых сплавов не огнеопасны. Опасность может представлять магний в виде стружки, порошка или пыли. Взаимодействие воды с горячимирасплавленным магнием сопровождается взрывом.

Пластическая деформация магния и его сплавов происходит при повышенных температурах.

Магний и его сплавы имеют хорошую обрабатываемость резанием, легко свариваются, в особенности аргонодуговой сваркой. Механические свойства прокатанного и отожженного магния:

σв = 180 МПа; σ0,2 = 100 МПА; δ = 15 %; НВ 30.

Примеси железа, никеля, кобальта и меди снижают коррозионную стойкость магния и сплавов на его основе.

34

Магний используется главным образом для получения сплавов на его основе и легирования алюминиевых сплавов. Благодаря большой химической активности к кислороду магний применяют в качестве раскислителя в производстве стали и цветных сплавов, а также для получения трудновосстанавливаемых металлов (титана, циркония, ванадия, урана и др.). Его используют также для получения высокопрочного модифицированного чугуна. В химической промышленности порошкообразный магний применяют для обезвоживания органических веществ (спирта, анилина и др.), а также для получения тетраэтилсвинца, тетраметила и других препаратов, применяемых в качестве добавок к нефтепродуктам и в фармакологии. Магний в порошкообразном виде и в виде ленты горит ослепительно белым пламенем, что используется в пиротехнике, в фотографии для моментальных съемок, в военной технике (сигнальные ракеты, зажигательные бомбыидр.).

В последние годы на основе магния созданы сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. Из них изготавливают аноды для источников тока, детали машин с высокими демпфирующими свойствами и др.

Для получения сплавов к магнию добавляют различные элементы, повышающие его свойства: алюминий, цинк и марганец.

Введение марганца в магний практически не оказывает влияния на прочностные характеристики, но снижает пластичность и вместе с тем повышает сопротивление коррозии и улучшает свариваемость.

Содержание алюминия в сплавах до 6…7 % приводит к повышению прочности и пластичности. При большем содержании алюминия прочность резко падает.

Свойства сплавов магния, содержащих цинк, изменяются по сложной кривой. Максимальные значения механических характеристик отвечают содержанию цинка 4…6 %. Для измельчения зерна, повышения механических свойств и коррозионной стойкости маг- ниево-цинковых сплавов к ним добавляют небольшие количества циркония и ЩЗМ (церия и др.).

Магниевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые. Из литейных сплавов получают детали методом фасонного литья; их

35

маркируют буквами МЛ, что означает магниевый литейный сплав. Деформируемые сплавы используют для получения полуфабрикатов и изделий путем пластической деформации (прокатка, ковка, штамповка и т.д.). Деформируемые магниевые сплавы маркируются двумя буквами МА. За буквами МЛ и МА ставятся число, указывающее номер сплава.

Клитейным относятся следующие магниевые сплавы: на основе

системы Mg−Al−Zr (МЛ3, МЛ5; σв = 147…225 МПа, δ = 2…5 %); на основе Mg−Nb−Zr (МЛ10; σв = 225…235 МПа, δ = 3 %); на основе Mg−Zn−Zr (МЛ12; σв = 200…220 МПа, δ = 3…6 %).

Кдеформируемым относят следующие магниевые сплавы: на ос-

нове системы Mg−Mn (МА1; МА8; σв = 240…260 МПа, δ = 5…12 %); на основе Mg−Al−Zn (МА2, МА5 и др.; σв = 260…310 МПа, δ = 8…12 %); на основе Mg−Nd (МА12; σв = 280 МПа, δ = 10 %); на основе Mg−Zn−Zr (МА14; σв = 350 МПа, δ = 14 %) и др.

Благодаря малой плотности сплавы на основе магния по удельной прочности превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы. При замене алюминиевых сплавов магниевыми на 25…30 % снижается масса детали. Магниевые сплавы хорошо поглощают вибрации, что очень важно для авиации, транспорта и текстильной промышленности. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дуралюмина, и в 20 раз больше, чем у легированной стали.

Магниевые сплавы хорошо работают на продольный или поперечный изгиб. Удельная жесткость магниевых сплавов при изгибе и кручении на 20 % выше, чем у алюминиевых сплавов, и на 50 % больше, чем у сталей. Магний и сплавы на его основе немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Магниевые сплавы представляют особый интерес для конструкций, где масса является решающей (авиация, космическая и ракетная техника, транспортное машиностроение и др.). Они применяются в приборостроении, радиотехнике, текстильной и полиграфической промышленности.

36

5.3. Титан и его сплавы

Титан− металл серебристо-белого цвета с плотностью 4,5 Мг/м3 итемпературой плавления 1672 °С. Имеет две аллотропические модификации: α– низкотемпературную с плотноупакованной гексагональной кристаллической решеткой и β– высокотемпературную (выше 882 °С) скубической объемно-центрированнойрешеткой.

Титан легкий, прочный, тугоплавкий, более коррозионностойкий, чем нержавеющие стали, за счет образования оксидной пленки TiO2. Титан обрабатывается давлением в холодном и горячем состояниях, хорошо сваривается, но плохо обрабатывается резанием.

Механические свойства титана прежде всего определяются составом: чем он чище (меньше примесей), тем ниже его прочность и выше пластичность.

Азот, кислород и водород снижают пластичность; углерод − ковкость и обрабатываемость резанием; углерод и кислород − коррозионную стойкость.

Высокий уровень механических свойств, хорошая технологичность, низкая плотность и коррозионная стойкость определяют области применения титана. Он используется в качестве раскислителя при выплавке сталей; в качестве модификатора чугунов; в литейных алюминиевых и магниевых сплавах; при производстве твердых сплавов.

По структуре (после охлаждения на воздухе) титановые сплавы подразделяются на три группы: первая группа − α-сплавы; вторая − α+β-сплавы; третья − β-сплавы. В практике, главным образом, используются α- и α+β-титановые сплавы.

Сплавы первой группы ВТ4, ВТ5, ОТ4, ВТ18 и другие в основном легируются алюминием, в некоторых из них содержится марганец, молибден, ниобий, кремний, олово, цирконий. Сплавы отличаются повышенной прочностью при комнатной и повышенных температурах, термически стабильны, обладают низкой технологической пластичностью, особенно при содержании алюминия более 5 %. Сплавы термически не упрочняются, их подвергают рекристаллизационному

37

отжигу (650…850 °С). Механические свойства сплавов следующие:

σв = 650…880 МПа, δ = 15…40 %.

Сплавы второй группы ВТ6, ВТ8, ВТ14 и другие содержат алюминий, ванадий, молибден. Они характеризуются более высокой прочностью, которую можно повысить за счет закалки и старения, и меньшей склонностью к водородной хрупкости, чем α-сплавы. Следует отметить, что главный эффект упрочнения сплавов достигается легированием. Механические характеристики сплавов:

σв = 800…1150 МПа, δ = 8…15 %.

Сплавы третьей группы ВТ3-1, ВТ22, ВТ15 и другие наиболее пластичны, но наименее прочны.

Титановые сплавы применяются в химической промышленности, судостроении, машиностроении, авиации, ракетной технике, энергомашиностроении, в машинах и оборудовании легкой и пищевой промышленности. Они успешно используются в криогенной технике (аммиачные компрессоры, холодильные установки, центробежные насосы магистральных газопроводов для северных нефтедобывающих районов, емкостидляхраненияжидкоговодорода, азота, гелияит.д.).

5.4. Медь и ее сплавы

Медь − металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,9 Мг/м3 и температурой плавления 1083 °С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет аллотропических превращений.

Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств, прежде всего – высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, хорошей жидкотекучестью и др. Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке.

Механические характеристики чистой меди (прокатанной и ото-

жженной): σв = 250…270 МПа; δ = 40…50 %; ψ = 75 %; 45 НВ.

На структуру и свойства меди существенное влияние оказывают примеси. Алюминий, железо, мышьяк, фосфор и сурьма снижают

38

электро- и теплопроводность меди. Примеси, нерастворимые в меди, отрицательно сказываются на механических и технологических свойствах. Так, висмут вызывает хладноломкость меди, кислород понижает пластичность и коррозионные свойства; водород делает ее хрупкой и при деформировании вызывает растрескивание (это явление известно под названием «водородной болезни»). Свинец, взаимодействуя с медью, образует легкоплавкую эвтектику (326 °С)

иприводит к горячеломкости меди. Кислород с медью образует со-

единение Cu2O, которое отрицательно влияет на пластические свойства, технологичность и коррозионные свойства. Сера с медью обра-

зует соединение Cu2S, которое приводит к хладноломкости и снижает пластичность при горячей и холодной обработке давлением. Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель. Селен и тел-

лур образуют с медью соединения Cu2Se и Cu2Te, которые ухудшают свариваемость, снижают пластичность, но значительно улучшают обрабатываемость резанием.

Медь применяется для изготовления электрических проводов

икабелей, используется в качестве легирующей добавки в различные металлические сплавы; в машиностроении идет на изготовление теплообменников, сварочной проволоки, деталей и узлов подвижного состава железных дорог, судов, самолетов и т.д. На основе меди созданы важные промышленные сплавы (латуни, бронзы, медно-нике- левые и др.).

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы меди, основным легирующим элементом которых является цинк. Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства

латуни изменяются при увеличении содержания в них цинка. Их маркируют буквой Л, за которой ставится число, указывающая процентное содержание меди, например латунь марки Л68 содержит 68 % меди, остальное − цинк. Если латунь помимо цинка содержат другие элементы (Al, Mn, Si и др.), то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов (А − алюминий, Ж − железо, Н − никель, К − кремний, Т − титан, Мц − марганец и т.д.), а затем число, указы-

39

вающее на среднее содержание элемента. Например, латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа и 2 % марганца, остальное − цинк.

По назначению латуни разделяются на деформируемые (листы, ленты, проволока, трубы и т.д.) и литейные (отливки, слитки и т.п.).

Латунь, содержащая около 15 % Zn, имеет золотистый цвет, хорошую стойкость против атмосферной коррозии, и ее используют вместо золота для изготовления медалей и художественных изделий. При добавке к латуни олова (до 15 %) она приобретает стойкость в морской воде (морская латунь).

При содержании цинка более 20…30 % латунь склонна к коррозионному растрескиванию. Это явление известно под названием сезонной болезни, так как коррозионное растрескивание связано с периодами года, когда воздух насыщен влагой. Во избежание растрескивания латунь подвергается отжигу (250…300 °С), который снимает внутренние напряжения.

Механические свойства латуни зависят от содержания цинка: сопротивление при растяжении возрастает 30…32 % Zn, затем падает. Твердость латуни по мере увеличения содержания цинка до 40…45 % увеличивается незначительно, а затем резко повышается.

Механические характеристики деформируемых двойных латуней марок Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л59: σв = 450…600 МПа, δ = 2…5 % (в нагартованном состоянии) и σв = 240…380 МПа, δ = 52…44 % (в отожженном состоянии).

Специальные деформируемые многокомпонентные латуни характеризуются почти такими же механическими свойствами.

Литейные латуни (ЛК80-3, ЛАЖМц66-6-3-2; ЛМцНЖА60-2-1-1- 1 и др.) по прочности не уступают соответствующим деформируемым латуням, но несколько хуже их по пластичности.

Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием, кадмием, хромом и другими элементами. Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Обозначают бронзы буквами Бр, затем ставят первые буквы основных легирующих элементов

40