Кольорові метали
.pdfА.В. КОБЗАРУК Р.В. КОТЕНКО Б.В. СМАЖИЛО А.В. ШАМОВ
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
Одесса – 2017
2
М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И Н А У К И У К Р А И Н Ы Одесский Национальный Морской Университет
Кафедра "Технология материалов"
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
Учебное пособие
Специальности: 271 Речной и морской транспорт 6.070101 Транспортные технологии 6.051201 Судостроение и океанотехника 6.050503 Машиностроение
Одесса – 2017
3
Учебное пособие разработано к.т.н. Кобзаруком Александром Васильевичем, к.т.н. Шамовым Алексеем Владимировичем, Смажило Богданом Васильевичем – доцентом кафедры "Технология материалов" Одесского национального морского университета и Котенко Русланом Витальевичем – старшим преподавателем этой же кафедры.
Учебное пособие одобрено кафедрой "Технология материалов" от 30.03.2017 г. (протокол № ).
4
СОДЕРЖАНИЕ
1.Введение ………………………………………………………………. 5
2.Сплавы на медной основе ……………………………………………. 6
3. |
Никель, медно-никелевые сплавы......................................................... |
8 |
4. |
Алюминий и его сплавы ........................................................................ |
12 |
5. |
Титан и его сплавы ................................................................................. |
15 |
6. |
Антифрикционные сплавы..................................................................... |
16 |
7. |
Материалы атомных реакторов ............................................................. |
19 |
5
Введение
Цветные металлы составляют не более 10 % всех металлов, применяемых в промышленности. Это объясняется тем, что они, за исключением алюминия, реже встречаются в природе, труднее добываются и дороже стоят, чем черные. Поэтому везде; где это возможно, цветные металлы стараются заменить черными металлами или пластмассами. Однако, в ряде случаев осуществить это нельзя, так как цветные металлы обладают следующими ценными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью (золото, серебро, медь и алюминий); высокой коррозионной стойкостью (золото, серебро, платина, олово, свинец, медь, никель, титан); высокой пластичностью (медь, свинец, олово, алюминий, магний); низкой температурой плавления (ртуть, цезий, олово, свинец); высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден, ниобий); низкой плотностью (литий, магний, бериллий, алюминий и титан).
Кроме того, они способны образовывать сплавы, обладающие более высокими свойствами, чем входящие в них элементы. Именно этим объясняется их использование в электро- и радиотехнике, космической технике, самолетостроении, судостроении и т.д.
В судостроении находят применение почти все цветные металлы в чистом виде или в виде сплавов. Рассмотрим некоторые группы металлов.
Медь – пластичный, хорошо обрабатывающийся давлением в холодном и горячем состоянии металл. Наиболее ценными свойствами меди являются высокая электро- и теплопроводность.
На свойства меди большое влияние оказывают примеси висмута, свинца, серы, кислорода, фосфора, мышьяка, сурьмы и др. Мышьяк, сурьма и, особенно,
фосфор снижают электропроводность. Содержание фосфора в меди недопустимо, если она идет на изготовление электропроводников. Висмут, свинец и сера вызывают красноломкость и хрупкость. Кислород при нагревании меди в присутствии водорода вызывает появление трещин, так называемую водородную болезнь.
Медь маркируется в зависимости от степени чистоты шестью основными марками: М00, М0, М1, М2, М3, М4. Механические свойства меди изменяются при нагреве. Так, при нагреве до температур более 250 °С они резко ухудшаются. При понижении температуры до – 190 °С изменения механических свойств не происходит, поэтому медь можно использовать для изготовления изделий, эксплуатирующихся в условиях глубокого холода.
Всудостроении чистую медь используют при изготовлении судовых электрокабелей, шин, контактных и токопроводящих деталей, а также труб судовых систем эксплуатирующихся при давлении до 25 МПа и температуре до 250 °С. Медные трубы предназначены для подачи свежего и отработанного пара, пресной и морской воды, масла, топлива и.т. д.
Внастоящее время для изготовления труб, работающих в условиях высоких температур, применяют медь марки МЗр (р – раскисленная). Применение чистой меди в промышленности ограничено вследствие ее низкой
6
прочности, плохой обрабатываемости резанием, плохих литейных свойств, высокой стоимости и т. д. Медь используют в основном в виде сплавов с другими элементами, которые лишены вышеперечисленных недостатков.
Сплавы на медной основе
Латунь – сплав меди с цинком. По химическому составу ее делят на
простую и специальную а по назначению – на литейную и обрабатываемую давлением.
Литейные латуни поставляются в виде чушек и служат сырьем для получения латуней определенных марок, а также фасонных отливок, из которых изготовляют различную арматуру, работающую при температурах до 250 °С, и детали, работающие в морской воде.
Простая латунь состоит из двух элементов: меди и цинка. Она содержит не более 37 % цинка, так как с увеличением его содержания увеличивается твердость и хрупкость латуни. Существует семь основных марок простой латуни: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63. Буква Л обозначает латунь, а цифра – среднее содержание меди в процентах, остальное – цинк. Например, Л70 – простая латунь, содержит 70 % меди и 30 % цинка. Литейная латунь имеет букву Л в конце марки. Латунь марок Л96 и Л90, содержащая наибольшее количество меди, называется томпаком, а марок Л85 и Л80 – полутомпаком; В судостроении применяют в основном четыре марки простой латуни: Л63, Л68, Л90 и Л96.
Специальная латунь кроме меди и цинка содержит легирующие элементы: алюминий, железо, олово, свинец, кремний, никель, марганец и др., улучшающие ее свойства. Все латуни по наличию в них основного легирующего элемента, определяющего ее свойства, делятся на свинцовые, оловянные, марганцевые, кремнистые и др.
Марка специальной латуни состоит из букв и цифр. Первая буква Л обозначает латунь, последующие буквы – легирующие элементы: О – олово, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий. Первые две цифры, стоящие за буквенным обозначением, указывают среднее содержание меди, а последующие – содержание легирующих элементов в процентах. Для определения количества цинка необходимо из 100 % вычесть суммарное содержание меди и легирующих элементов в марке. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 – специальная алюминиево-железо-марганцевая латунь, содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца и остальное до 100 % – цинка. В судостроении специальную латунь применяют довольно широко.
Медно-цинковые сплавы используют, также в качестве твердых припоев при паянии стали, меди и ее сплавов.
Припоем называется присадочный металл или сплав, применяемый для паяния. Медно-цинковые припои маркируются буквами ПМЦ, которые обозначают припой медно-цинковый, и цифрами, которые указывают содержание меди
7
в процентах (остальное цинк). Например, ПМЦ36 – припой медно-цинковый, содержит 36 % меди и 64 % цинка.
Наибольшее распространение получили припои «марок ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54. Они имеют температуру плавления соответственно 800; 860 и 870 °С и обеспечивают удовлетворительную прочность соединений.
Бронзой называется сплав меди с оловом и другими элементами, за исключением цинка. Бронзу делят в зависимости от наличия в сплаве олова на оловянную и безоловянную (специальную), а по назначению – на литейную и деформируемую.
Оловянные бронзы имеют высокие литейные, антифрикционные свойства, хорошо обрабатываются резанием. Введение легирующих элементов (фосфора, цинка, свинца и никеля) способствует улучшению этих свойств. Фосфор, например, повышает антифрикционные и литейные свойства, цинк – износостойкость. Свинец повышает плотность и улучшает обрабатываемость резанием, облегчая стружколомание. Никель способствует улучшению пластичности. Основными недостатками оловянных бронз являются их недостаточная прочность и высокая стоимость, поэтому их применяют только в тех случаях, когда другие сплавы по своим свойствам непригодны.
Безоловянные (специальные) бронзы – сплавы меди с алюминием,
кремнием, марганцем, свинцом, бериллием и другими элементами Они не содержат дефицитного олова и, следовательно, являются более дешевыми, чем оловянные. В зависимости от содержания основного легирующего элемента безоловянные бронзы делятся на алюминиевые, бериллиевые, кремнистые, свинцовистые, марганцовистые и др.
Алюминиевые бронзы содержат до 11 % алюминия и имеют более высокие механические и антикоррозионные свойства, чем оловянные. Они обладают также высокой кавитационной стойкостью, теплопроводностью и морозостойкостью.
Бериллиевые бронзы – обладают высокой механической прочностью износостойкостью, электропроводностью, коррозионной стойкостью в агрессивных средах, упругостью и немагнитностью. Они предназначены для изготовления деталей приборов, элементов точных и ответственных механизмов.
Кремнистые бронзы содержат легирующие элементы: никель, марганец, цинк, свинец. По механическим свойствам они приближаются к сталям, обладают хорошими литейными и антикоррозионными свойствами, упругостью и немагнитностью.
Марганцовистые бронзы высокопластичны и коррозионно-стойки, но имеют невысокую прочность. Эти бронзы сохраняют механические свойства при температуре нагрева до 400 °С.
Свинцовистые бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и применяются для изготовления вкладышей высоконагруженных подшипников скольжения.
8
Хромистые бронзы содержат до 1 % хрома. Они в 2 – 3 раза тверже электролитической, меди, но менее электропроводны, чем медь (80 % от электропроводности меди). Кроме хрома, в эти бронзы могут входить небольшие количества (до 0,1 %) кремния, серебра и других элементов.
Циркониевые бронзы содержат до 0,15 % циркония. Они обладают хорошей электропроводностью (до 96 % электропро-водности электролитической меди), а также высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Циркониевые бронзы сохраняют прочность при нагреве до 500 °С и легко поддаются холодной обработке, штамповке и ковке.
Оловянно-никелевые бронзы – в них до 50 % олова заменено никелем. Они обладают высокой антикоррозионной стойкостью в различных средах, износостойки и хорошо обрабатываются.
Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, создающих сплав, и цифры, указывающие количество элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонента сплавов: А – алюминий, Мц – марганец,
С – свинец, Б – берилий, Мг – магний, Ср – серебро, Ж – железо, Мш – мышьяк, Су – сурьма, К – кремний, Н – никель, Т – титан, Кд – кадмий, О – олово, Ф – фосфор, X – хром, Ц – цинк.
3 Никель, медно-никелевые и никелевые сплавы
Никель технически чистый содержит не менее 99 % никеля и применяется в основном для изготовления деталей в точных электротехнических приборах, а также для покрытия металлов (никелирования). Он имеет очень высокие антикоррозийные свойства и высокое электрическое сопротивление. Электропроводность никеля составляет всего 15 % электропроводности меди. Наибольшее значение никеля – его использование как легирующего элемента.
Сплавы никеля с металлами обладают ценными механическими и физическими свойствами: жаростойкостью, кисло-стостойкостью, электросопротивлением и т. д. Сплавы меди с никелем называются медно-никелевыми.
Наиболее широкое применение получили сплавы марок МНМц 43-0,5 (копель), МНМц 40-1,5 (константон) МН19 и МНЖМцЗО-0,8-1 (мельхиор), МНМцЗ-12 (манганин), МНА13-3 (куниаль А), МНА-6-1,55 (куниаль Б) и др.
Марка сплава состоит из букв и цифр. Первые буквы МН указывают на принадлежность сплава к медно-никелевым. Последующие буквы и цифры показывают среднее содержание элементов в сплаве. Чтобы определить количество меди, необходимо из 100 % вычесть суммарное процентное содержание этих элементов. Например, МНМц53-05 – медно-никелевый сплав, содержащий 53 % никеля, 0,5 % марганца и 46,5 % меди.
9
В судостроении медно-никелевые сплавы применяют в основном для изготовления труб теплообменных аппаратов и различных судовых систем, так как они имеют наибольшую стойкость против коррозии в морской воде и в среде пара из всех используемых для этих целей медных сплавов.
Никелевые сплавы, основной составной частью которых является никель, имеют высокое электрическое сопротивление и коррозионную стойкость, а
некоторые марки – высокие жаростойкость и механические свойства. |
|
|
|||
Наиболее |
широко распространены никелевые сплавы марок: |
||||
НМЖМц28-2,5-1,5 |
(монель), |
НМцАК-22-1 |
(алюмель), |
НХ9,5 |
и |
и НХ9 (хромель) и др. Буква Н в начале марки указывает на принадлежность сплава к никелевым. Последующие буквы и цифры показывают среднее содержание элементов в сплаве. Для того чтобы определить, количество никеля, необходимо из 100 % вычесть суммарное процентное содержание элементов в марке. Например, НМЖМц28'-2,5-1,5 – никелевый сплав, содержащий 28 % меди, 2,5 % железа, 1,5 % марганца и 68 % никеля.
Всудостроении широко применяют монель-металл (НМЖМц28-;'-2,5-1,5)
свысокой прочностью и антикоррозионной стойкостью. Из него изготовляют детали теплообменных аппаратов, работающих в среде, воздуха и пара при температуре до 500 °С. Высокая антикоррозионная стойкость монель-металла сохраняется в том случае, если нет контакта с другими металлами. Если этот контакт имеется, например, при креплении деталей из монель-металла стальными изделиями, то коррозионное разрушение этих деталей произойдет быстрее, чем разрушение соединений, выполненных полностью из обыкновенной углеродистой стали.
Алюмель и хромель с высоким электросопротивлением и жаропрочностью. применяются в основном для изготовления термопар.
|
Медь |
|
|
|
|
Марки |
Сферы применения |
|
М00, М0 |
Для проводников тока и сплавов высокой чистоты. |
|
М1 |
Для проводников тока, проката и высококачественных бронз, не |
|
содержащие олова; для изготовления изделий криогенной техники. |
||
|
||
М2 |
Для высококачественных полуфабрикатов и сплавов на медной |
|
основе, обрабатываемых давлением; для изготовления изделий для |
||
|
||
|
криогенной техники. |
|
М3 |
Для проката, сплавов на медной основе и других литейных сплавов; |
|
для изготовления изделий криогенной техники. |
||
|
||
М3р |
Для проката, сплавов на медной основе и других литейных сплавов. |
10
|
Бронза безоловянная (специальная) |
|
|
|
|
Марки |
Сферы применения |
|
|
Детали, работающие в морской воде, детали для химического |
|
БрА5 |
машиностроения; деформируется в холодном горячем состоянии, |
|
|
коррозионностойкая, жаропрочная, стойкая к истиранию. |
|
|
В авиапромышленности, в машиностроении высокие механические |
|
БрАЖ9-4 |
свойства, хорошие антифрикционные свойства, |
|
|
коррозионностойкая. |
|
|
Для пружин и упругих элементов; высокая прочность и |
|
БрБ2 |
износостойкость, хорошие антифрикционные свойства, очень |
|
|
хорошая деформируемость в закаленном состоянии. |
|
|
Для пружин и упругих элементов; высокая прочность и |
|
БрБНТ1-9 |
износостойкость, хорошие антифрикционные свойства, очень |
|
|
хорошая деформируемость в закаленном состоянии. |
|
БрСр0.1 |
Коммутаторы, коллекторные кольца, обмотки роторов |
|
турбогенераторов. |
||
|
||
БрКМц3-1 |
Для деталей химической промышленности, судостроения, пружин. |
|
|
Для деталей с высокими механическими и технологичными |
|
БрКН1-3 |
свойствами, хорошими антифрикционными свойствами, |
|
|
коррозионностойкие. |
|
БрМц5 |
Детали и изделия, работающие при повышенных температурах; |
|
высокие механические свойства; коррозионная стойкость. |
||
|
||
|
Простые специальные латуни |
|
|
|
|
Марки |
Сферы применения |
|
|
Для деформации в холодном состоянии глубокой вытяжкой, |
|
Л63 |
волочением, прокаткой, чеканкой, изгибом; для изготовления |
|
изделий криогенной техники; пригодна для пайки и сварки; |
||
|
||
|
хорошо полируется. |
|
Л68 |
Очень хорошо деформируется в холодном состоянии (холодной |
|
высадкой). |
||
|
||
Л70 |
Очень хорошо деформируется в холодном состоянии; пригодна для |
|
пайки, для нанесения на сталь. |
||
|
||
Л80 |
Очень хорошо деформируется в холодном состоянии; мало |
|
подвержена коррозионному растрескиванию. |
||
|
||
|
Очень хорошо деформируется в холодном состоянии, особенно |
|
Л85 |
волочением; не подвержена коррозионного растрескивания; |
|
|
пригодна для ковки, чеканки, эмалирование. |
|
|
Очень хорошо деформируется в холодном состоянии, особенно |
|
Л90 |
волочением; не подвержена коррозионного растрескивания; |
|
|
пригодна для ковки, чеканки, эмалирование. |