Цветные металлы и сплавы
Тема № 13
Цветные металлы и сплавы
К группе широко применяемых цветных металлов относятся алюминий, титан, магний, медь, свинец, олово, цветные металлы обладают целым рядом весьма ценных свойств, например, высокой теплопроводностью (алюминий и медь), очень малой плотностью (алюминий и магний) , очень низкой температурой плавления (свинец и олово), высокой коррозионной стойкостью (титан и алюминий.), Основные физические свойства некоторых цветных металлов приведены ниже:
Mg Al Ti Cu
Атомный номер ........... 12 13 22 29
Атомная масса............. 24,3 27,0 47,0 63,5
Плотность при 200 С,г/см 3 1,74 2,7 4,5 8,9
Температура, плавления, 0С 651 660 1668 1083
Рекомендуемые материалы
Атомный диаметр, Нм ...... 0,32 0,28 0,289 0,256
Удельная теплопроводность
при 20°С Вт/(мК)... 1391 225 18,85 387
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий - металл серебристо-белого цвета; находится в III группе Периодической системы Д.И.Менделеева.
Алюминий легкий (плотность 2,7 г/см 3) и легкоплавкий (температура плавления 6600 С) металл, он не имеет полиморфных превращений, кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке с параметром а=0,404 нм и поэтому обладает высокой пластичностью.
Алюминий имеет высокую теплопроводность, а электропроводность его составляет 65% от электропроводности меди.
Алюминий - коррозионно-стойкий металл. Образующаяся на его поверхности плотная пленка оксида Al металлом, малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах.
Алюминий стоек к концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, уксусной и др.). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.
Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Мn, Сu, Zn, ) понижают физико- химические характеристики и пластичность алюминия.
В зависимости от содержания примесей различают марки первичного алюминия Д999, А995, А99, А97, А95 .
Железо и кремний являются основными неизбежными примесями, попадающими в алюминий при его производстве. Их присутствие отрицательно сказывается на свойствах алюминия.
Чистейший алюминий имеет крупнозернистую структуру с тонкими прямолинейными границами.
Железо практически не растворимо в алюминии, поэтому даже при самом малом его содержании образуется хрупкое химическое соединении FeAl3 . Кристаллизуясь в виде игл , служащих надрезами и металле, оно снижает пластические свойства алюминия. Железо уменьшает коррозионную стойкость алюминия вследствие большой разницы электpoхимических потенциалов фаз А1 и FeAl3 этих фаз и развития межкpисталлитной коррозии.
Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде.
Кремний ухудшает литейных свойств технического алюминия. Кремний резко снижает температуру солидуса, увеличивает интервал кристаллизации.
Из-за низкой прочности технический алюминий применять как конструкционный материал нецелесообразно. Его широко используют для изготовления ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда основную роль играют его малая плотность, высокая пластичностью, коррозионная стойкость, хорошая свариваемость. Высокая электропроводность алюминия, сочетающаяся с малой плотностью, позволили широко использовать его в электротехнике в качестве проводникового материала.
Классификация алюминиевых сплавов
По технологии изготовления полуфабрикатов и изделий все применяемые в промышленности алюминиевые сплавы делят на три группы: деформируемые, литейные и спеченные.
Деформируемые сплавы должны иметь высокую технологическую пластичность, так как используются для изготовления деталей различными способами пластической деформации (прокаткой, ковкой, прессованием и т, д.). Поэтому деформируемые сплавы должны иметь однородную структуру твердого раствора на основе алюминия. Для повышения прочности при условии сохранения технологической пластичности в деформируемых сплавах допускается небольшое количество кристаллов эвтектики. Литейные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами фасонного литья (в земляные или металлические формы, под давлением и пр.) должны иметь хорошие литейные свойства - высокую жидкотекучесть, малую склонность к образованию горячих трещин, которые зависят от интервала кристаллизации.
Деформируемые алюминиевые сплавы можно разделить на две подгруппы: деформируемые, неупрочняемые термической обработкой, деформируемые, упрочняемые термической обработкой. Получить требуемый комплекс механических, и технологических свойств алюминиевых сплавов можно путем термической обработки: отжига, закалки, старения.
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Медь - тяжелый металл (плотность 8,94 г/см )красно-розового цвета: находится в 1 группе Периодической системы, полиморфных превращений не имеет: кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке с параметром а=0,36094 нм. Физические свойства меди приведены выше.
На поверхности меди образуется плотная оксидная пленка, поэтому медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных условиях и различных химических средах: органических кислотах, едких щелочах, сухих газах. Однако медь не противостоит действию азотной и соляной кислот, горячей концентрированной серной кислоты, аммиака.
Механические свойства меди существенно зависят от присутствующих в ней примесей.
Марка меди МОО МО Ml M2 M3 M4
Сu% 99,99 99,95 99,9 99,7 99,5 99,0
Примеси, %. 0,01 0,05 0,1 0,3 0,5 1,0
В технически чистой меди примесями являются Bi, Sb, As, Fe, Ni, РЬ, Sn, S, 0. Эти примеси попадают в медь при производстве ее из медных руд и резко снижают тепло и электропроводность.
Наиболее чистую медь, марок МОО, МО, Ml, содержащую не более 0,1% примесей, применяют для проводников тока.
Медь остальных марок, более загрязненная примесями, пригодна только для производства сплавов различного состава и качества (MS, M4).
Висмут и свинец даже в тысячных долях процента, резко ухудшают способность меди обрабатываться путем прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие эвтектики, которые, располагаясь по границам зерен, при нагреве расплавляются и вызывают горячеломкость меди, т.е. приводят к разрушению металла при горячей деформации.
Классификация медных сплавов
Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем.
Наиболее распространена классификация медных сплавов по химическому составу.
Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества, некоторых других элементов. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.
Латуни обозначают буквой Л, справа от которой пишут буквенные обозначения специально вводимых (кроме Zn) элементов, цифру, указывающую процент меди, и затем проценты специальных элементов в той же последовательности, в какой записаны сами элементы. Элементы обозначают русскими буквами: 0 - олово; Ц - цинк; С - свинец; Ж -железо; М - марганец; Н -никель; К - кремний; А - алюминий т.д..
Например, Л90 означает, что латунь содержит 90% Сu, остальное (10%) Zn, ЛАЖМц 66-6-З-2 означает латунь, содержащую 66% Сu, 6% А1, 3% Fe, 2% Мц, остальное (23 %)Zn.
Бронзами называют сплавы меди с оловом (бронзы оловянные) алюминием, кремнием, бериллием, свинцом (бронзы безоловянные).Кроме основных указанных элементов бронзы дополнительно легируют(фосфором. цинком, марганцем, железом, никелем, титаном).
Бронзы маркируют буквами Бр, справа пишут элементы, входящие в бронзу: 0 - олово; Ц -цинк; С - свинец: Ф - фосфор; Н - никель;
К - кремний и т.д., в том же порядке пишут содержание элементов в процентах,.
Например, БрОЦ4-3 означает, что в бронзе в среднем 4% Sn, 3% цинка,остальное медь; бронза БрАЖМц 10-3-1,5 содержит в среднем 10% А1, 3% Fe, 1,5% марганца, а остальное медь.
По способу производства полуфабрикатов и изделий медные сплавы (латуни и бронзы) подразделяют на деформируемые и литейные, а по способности к термическому упрочнению - на термически упрочняемые и термически не упрочняемые.
Антифрикционные сплавы
Применяют для изготовления деталей трущихся поверхностей механизмов и машин. Подшипниковый материал должен представлять собой сочетание достаточно прочной, относительно пластичной и вязкой основы, в которой должны быть твердые опорные включения. При этих условиях изнашивается пластичная основа, вал в основном лежит на твердых опорных включениях и, следователь но, трение будет идти не по всей поверхности подшипника, смазка будет удерживаться в изнашивающихся местах пластичной основы.
Основа сплава не должна быть слишком мягкой, иначе из-за, давления на подшипник, материал вкладыша будет просто выдавливаться, наволакиваться на вал и т. д., твердые включения не будут удерживаться основной массой, и такой материал не будет пригоден для работы. Количество твердых включений также не должно быть слишком велико, иначе подшипник, будет плохо прирабатываться.
Для подшипников применимы не однофазные, а многофазные сплавы. Такими сплавами являются сплавы на основе олова и свинца, (так называемые баббиты), меди, алюминия, цинка, а также антифрикционные чугуны и металлокерамические подшипниковые материалы.
Баббиты
Баббиты обозначают буквой Б, справа от которой ставится цифра показывающая процент олова, или буква, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав. Например, Б83, Б 16, Б6 означает, что в эти баббиты входят соответственно 83, 16 и 6% олова. БН означает, что в сплав вводится никель, ВТ - теллур, т. е. обозначение носит условный характер, не показывая полностью состав сплава.
Подшипниковые сплавы на медной основе
Для изготовления вкладышей подшипников, работающих при повышенном удельном давлении и больших скоростях, применяют свинцовую бронзу БрСЗО с содержанием 27-33% РЬ, остальное медь.
Свинец практически не растворяется в меди в жидком состоянии, поэтому при затвердевании такой механической смеси жидких фаз получается также механическая смесь твердых фаз свинца и меди.
Подшипниковые сплавы на основе алюминия
Антифрикционными сплавами на основе алюминия являются сплавы, такие как алькусин (7,5- 9,6 медь, 1,5-2,5% кремний).
Люди также интересуются этой лекцией: 13 Основы правовой профилактики наркомании и наркотизма.
В этих сплавах мягкая основа - твердые растворы алюминия с элементами, входящими в данный сплав, а твердые включения - химические соединения, находящиеся в эвтектике с твердым раствором. Микроструктура сплава АН2.5 состоят из:
Al(Ni)+эвт.(Al(Ni)+NiAlAl(Cu,Si)+Эвт.(Al(Cu,Si)+CuAl)
Aнтифрикционные алюминиевые сплавы имеют высокую теплопроводность, что ценно для подшипников. Твердость алюминиевых сплавов выше, чем баббитов, поэтому их можно применять только в паре с твердыми валами(азотированные шейки валов, поверхностно закаленные шейки валов и т.д.).
Подшипниковые сплавы на основе цинка
Цинковые подшипниковые сплавы содержат 8-12% А1, 1-5,5% Сu, 0,03-0,06% Mg, остальное цинк (ЦАМ 10-5, ЦАМ 9-1,5). По свойствам -эти сплавы равноценны свинцовым баббитам, и их применяют в подшипниках металлорежущих станков, прессов и т.д.
