Металлические сплав. Их классификация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Цветные металлы  и сплавы

Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной  среды, подвергающихся трению, требующих  большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.

 

3.1 Алюминий и  алюминиевые сплавы

Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

• Металл серебристо-белого цвета, лёгкий
• плотность — 2,7 г/см³
• температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C
• удельная теплота плавления — 390 кДж/кг
• температура кипения — 2500 °C
• удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг
• временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм²
• Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²
• высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу
• Модуль Юнга — 70 ГПа
• Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·10⁶ См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.
• Слабый парамагнетик.
• Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10⁻⁶ К⁻¹ (20…200 °C).
• Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10⁻⁸K⁻¹.

Алюминий  образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Алюминиевый сплав — сплав, основной массовой частью которого является алюминий. Самыми распространенными элементами в составе алюминиевых сплавов являются: медь, магний, марганец, кремний и цинк. Все алюминиевые сплавы можно разделить на две основные группы: термически обработанные и термически не обработанные. Большая часть производимых сплавов относится к деформируемым, которые предназначены для последующей ковки и штамповки.

 

3.1.1 Деформируемые  алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые  сплавы применяют для получения  листов, ленты, фасонных профилей, проволоки  и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой. В зависимости  от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на 7 групп; содержат 2—3 и более легирующих компонента в количестве 0,2—4% каждого. Например, сплавы алюминия с магнием и марганцем; алюминия с медью, магнием, марганцем и др.

Деформируемые сплавы разделяют  на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют буквенные обозначения, указывающие на характер обработки    (см. примечания   к табл. 9).

Термически неупрочняемые сплавы — это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием и марганцем (АМг). Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью (табл. 9).

Термически упрочняемые  сплавы (см. табл.) приобретают высокие  механические свойства и хорошую  сопротивляемость коррозии только в  результате термической обработки. Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дюралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).

Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500°С и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5—7 сут. Искусственное старение проводят при 150 —180°С в течение 2—4 ч. 

Марка	Толщина листов, мм	Предел прочности  при растяжении, σв МПа	Относительное удлинение, δ %	Назначение
Термически  неупрочняемые
АМцМ АМг2М АМг2Н АМг3М	0,5-10 0,5-10 0,5-10 0,8-10	90 170 270 190-200	18-22 16-18 3-4 15	Малонагруженные де тали,   сварные   и клепаные конструкции, детали,  получаемые    глубокой вытяжкой
АМг5М	0,8-10	280	15	Средненагруженные детали   сварных и клепаных конструкций,   конструкций с высокой  коррозионной   стойкостью
Термически  упрочняемые
Д1А	5-10,5	360	12	Детали и  конструкции средней   прочности
Д16А Д16АТ	5-10,5 5-10,5	420 435	10 11	Детали и конструкции    повышенной прочности,  работающие при переменных нагрузках
В95А	5-10,5	500	6	Детали нагружаемых  конструкций, работающие при температуре до 100°С.

 

 

Примечания:

1. В зависимости от состояния поставки в обозначение марки добавляют следующие буквы: М- отожженные, Н- нагартованные, Т - закаленные и естественно состаренные.
2. Листы из сплавов Д1, Д16, В95 с нормальной плакировкой дополнительно маркируют буквой А.

При одинаковой прочности  дюралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному старению. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (±5°), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки.

Дюралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию. Дюралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дюралюмины в авиационной .промышленности и строительстве

3.1.2 Литейные алюминиевые  сплавы

Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9—13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для  изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химическому составу  можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).

Алюминиевые литейные  сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость. Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (см. табл.). Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520—540°С и дают длительную выдержку (5—10 ч), для того чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150—180°С в течение 10—20 ч.Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5% кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1—3% от массы сплава соли натрия (2/3 NaF + 1/3 NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.

Марка	Способы литья	Вид термической обработки	Предел прочности  при растяжении, σв МПа	Твердость, HB	Назначение
АЛ2	зм, вм, км, к, д зм, вм, км, к, д	—    Отжиг	150-160    140-150	50    50	Малонагруженные детали (корпуса приборов, кронштейны и т. и.)
АЛ4	з, в, к, д к, д зм, вм, к	— Старение Закалка и полное старение	150 200 230	50 70 70	Крупные нагруженные  детали (корпуса компрессоров, картеров,    блоков)
АЛ9	з, в, к, д з, в, к, д  з, в  зм, вм	— Отжиг Закалка Закалка и полное старение	170 140 180	50 45 50	Детали средней  нагруженности сложной конфигурации (головки цилиндров, поршни, картеры сцепления и т. п.)
АЛ10В	к, з	Старение	150-170	80-90	Детали, работающие при повышенных температурах
АЛ8	з, в, к	Закалка	290	60	Детали высоконагруженные, воспринимающие вибрационные нагрузки

 

 

Примечания:

В графе Способы литья введены следующие обозначения:

3 - в  песчано-глинистые формы; 

В - по выплавляемым моделям;

К - кокиль;

Д - под  давлением;

буква М, следующая за первой, обозначает, что сплав при литье подвергают модифицированию

 

3.2 Медь и медные  сплавы

Медь — элемент одиннадцатой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат. Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) — это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяется человеком.

В разнообразных  областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых  являются упоминавшиеся выше бронза и латунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимо олова и цинка могут входить никель, висмут и другие металлы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. Большое количество латуни идёт на изготовление гильз артиллейрийских боеприпасов и оружейных гильз, благодаря технологичности и высокой пластичности.

Для деталей машин используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей  прочности: 30—40 кгс/мм² у сплавов и 25-29 кгс/мм² у технически чистой меди. Медные сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не изменяют механических свойств при термической обработке, и их механические свойства и износостойкость определяются только химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900—12000 кгс/мм², ниже, чем у стали). Основное преимущество медных сплавов — низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред (медно-никелевые сплавы и алюминиевые бронзы) и хорошей электропроводностью. Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов, а следовательно, от структуры. Прочность выше у двухфазных сплавов, а пластичность у однофазных. Медноникелевый сплав (мельхиор) используются для чеканки разменной монеты.

Медноникелевые сплавы, в том числе и так называемый «адмиралтейский» сплав, широко используются в судостроении (трубки конденсаторов отработавшего пара турбин, охлаждаемых забортной водой) и областях применения, связанных с возможностью агрессивного воздействия морской воды из-за высокой коррозионной устойчивости.