Цветные металлы и сплавы

ЛЕКЦИЯ 14

Цветные металлы и сплавы

Под цветными сплавами в судостроении понимаются , главным образом, сплавы алюминия, титана  и красной меди. Цветные сплавы применяются взамен черных там, где они являются незаменимыми вследствие а) большей коррозионной стойкости, б) небольшого удельного веса, в) меньшего коэффициента трения, износа.

Так, например, на судах вследствие большей коррозионной устойчивости в некоторых местах устанавливают вместо стальных трубопроводов медные и вместо стальной арматуры – бронзовую (клапана, краны). Борьба с коррозией – главная причина, заставившая прибегать к более дорогим медным сплавам. Низкий коэффициент трения – другая причина использования в судостроении медных сплавов (подшипники, элементы зубчатых зацеплений в механизмах).

В целях облегчения веса применяют легкие алюминиевые сплавы там, где условия прочности это допускают: поршни двигателей внутреннего сгорания, корпусные детали механизмов.

Алюминий имеет низкую прочность (σ = 45-70 МПа), однако сплавы на его основе вполне конкурентоспособны — деформируемые сплавы при 20°С имеют значение σ=700 МПа,  литейные σ=550 МПа.   Рабочие температуры – примерно до 300°С, однако порошковые и композиционные сплавы на основе алюминия работают до 400-450°С, поэтому номенклатура изделий очень велика и разнообразна.

Алюминий и его сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую технологическую пластичность и хорошую свариваемость. В судостроении распростра­нена сварка деформируемых сплавов на основе алюминия в среде инертных газов. В ряде случаев допускается применение контактной или электронно-лучевой сварки.

К недостаткам алюминиевых сплавов относится повышенная по сравнению со сталью деформируемость при сварке. Основная причина деформаций – высокий коэффициент линейного расширения алюминия (примерно в два раза больший, чем стали). Практическим неудобством является то, что при нагреве алюминиевые сплавы не меняют цвета (нет цветов побежалости), вследствие чего легко допустить прожоги во время сварки и при правке конструкций местными нагревами горелкой.

Алюминии и его сплавы имеют высокую коррозионную стойкость, так как на поверхности образуется окисная пленка толщиной 100 нм, являющаяся хорошей защитой. Сплавы на основе алюминия в морской и пресной воде по коррозионной стойкости превосходят стали, за исключением коррозионно-стойких.

Рекомендуемые материалы

Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение, является его небольшая плотность (2,7 г/см³). По теплопроводности и электропроводности он уступает лишь серебру, золоту и меди. Высокая электропроводимость алюминия позволяет применять его как проводниковый материал.

В судостроении технически чистый алюминий применяют при изготовлении переговорных труб, емкостей для хранения пищевых продуктов и воды. Алюминий в виде фольги используется для теплоизоляции судовых помещений.

В качестве основных легирующих элементов во всех алюминиевых сплавах используется преимущественно – металлы (Mg, Сu, Zn, Li) и полупроводник (Si). Введение их в больших количествах оказывается возможным потому, что они обладают значительной растворимостью в алюминии в твердом состоянии. Их вводят для повышения прочности алюминия.

Магний повышает коррозионную стойкость алюминия, слабо снижает его пластичность и в результате обеспечивает такой комплекс свойств сплавов базовой системы А1–Mg (магналии), благодаря которым они являются самыми широко используемыми среди алюминие­вых сплавов. Магналии маложаропрочные и термически неупрочняемые сплавы.

Медь существенно снижает коррозионную стойкость алюминия и любых его сплавов. В этом отношении она является вредной добавкой, и ее содержание ограничивают. Но сплавы, легированные медью, упрочняются в результате термической обработки и являются основой жаропрочных сплавов.

Цинк при введении с другими добавками, особенно с магнием и медью, оказывает существенное влияние на свойства сплавов. Термически упрочняемые сплавы систем Al-Zn-Mg и А1-Zn-Mg-Сu (высокопрочные сплавы) обладают самой высокой прочностью среди всех алюминиевых сплавов.

Литий в качестве основного легирующего элемента все чаще начинает использоваться, обеспечивая повыше­ние модуля упругости и удельной прочности.

Кремний способен обеспечить хорошую технологичность при литье, что достигается за счет образования в сплавах AI–Si (силумины) значительного количества эвтектической составляющей. Силумины являются наиболее широко распространенными литейными сплавами на алюминиевой основе.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с магнием – магналии (АМг) и марганцем (АМц). Эти сплавы обладают не высокой прочностью(АМц, АМг2, АМгЗ ,АМг6, АМг61) прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Эффект от закалки и старения сплавов АМц и АМг невелик, и их применяют в отожженном состоянии и после наклепа для изготовления судовых деталей, получаемых штамповкой и гибкой (легких выгородок и переборок, труб вентиляции и дельных вещей).

К термически упрочняемым сплавам относят сплавы на основе систем: А1–Zn–Mg; Al–Zn–Mg–Сu (высокопрочные сплавы); Al–Сu–Mg (дюралюмины); Al– Mg–Си–Si (жаропрочные сплавы) и другие.

Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии и плохо – в отожженном состоянии. Хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Сплавы этой группы отличаются весьма хорошими литейными свойствами и применяются для изготовления крупных поковок и штамповок (весом несколько тонн).

Сплавы, содержащие медь, защищают от коррозии плакированием. Плакировка – процесс нанесения на поверхность листов из алюминиевых сплавов тонкого слоя чистого алюминия для предохранения от коррозии (нормальная плакировка, толщина слоя от 2 до 4 % толщины листа). В судостроении используются плакированные листы из сплавов Д16 и АМг61.

Литейные алюминиевые сплавы предназначаются для изготовления фасонных изделий. Конструкционные литейные алюминиевые сплавы по назначению можно условно разделить на группы: сплавы, отличающиеся высокой герметичностью: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9). высокопрочные, жаропрочные: АМ5 (АЛ19), АК5М (АЛ5). Коррозинно-стойкие: АМч11(АЛ22), АЦ4Мг(АЛ24), АМгЮ (АЛ27).

В зависимости от химического состава литейные алюминиевые сплавы подразделяют на пять групп.

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенным образом зависят от способа литья. Механические свойства отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы и по выплавляемым моделям, оказываются более низкими, чем при литье в кокиль, а при литье под давлением свойства повышаются из-за резкого охлаждения.

К новым конструкционным материалам на основе алюминия относят порошковые, гранулированные и композиционные материалы. В настоящее время находят применение сплавы, получаемые спеканием  порошка А1. причем ча­стицы порошка (размером 1 мкм) покрыты тонким слоем оксида алюминия. После спекания и деформации получают двухфазный сплав, в котором дисперсные частицы А1зОз (примерно 5-8%) равномерно распределены в матрице А1 не растворяясь в ней. Такие сплавы называются САП. Сплавы типа САП применяют при высоких температурах (до 500°С), поскольку разупрочнение в них, связанное с рекристаллизацией, не наступает почти до температуры плавления А1.

Медь – пластичный металл красного цвета. Температура плавления 1083°С. Плотность меди составляет 8.9 г/см³, предел прочности 200-250МПа. Твердость меди (НВ примерно 35) почти в два раза меньше, чем железа. На воздухе медь окисляется слабо. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на ее поверхности тончайшая пленка оксидов (придающая меди более темный цвет) служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Важными свойствами меди являются хорошая электропроводимость и теплопроводность, высокая пластичность и способность образовывать технологичные сплавы- латуни и бронзы.

Латуни – двойные (простые; или многокомпонентные (легированные) медные сплавы, в которых цинк (Zn) является основным легирующим элементом. Двойные латуни, содержащие до 14 % цинка называют томпаком.

По сравнению с медью латуни обладают более высокой прочностью (в том числе при повышенных температурах), коррозионной стойкостью, упругостью и технологичностью. Это наиболее дешевые медные сплавы.

В специальных латунях для легирования используют элементы, повышающие прочность, коррозионную стойкость и улучшающие антифрикционные свойства (Al. Mn. Sn. Ni. Fe. Si и др.). Для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств в латуни иногда добавляют свинец. Для предохранения латуней от обесцинкования в агрессивных водах в латунь вводят мышьяк. Фосфор повышает твердость, но снижает пластичность латуней.

Оловянные латуни (Л070-1) называют морскими и широко применяют в речном и морском судостроении (трубки манометрические и в теплообменниках). Практическое применение находят высокомедистые латуни с добавлением алюминия до 4 % (ЛА77-2), которые благодаря однофазной структуре хорошо обрабатываются давлением.  Никелевые латуни (ЛН65-5) хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях.

Бронзами называют сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием, кремнием, бериллием, свинцом (безоловянные бронзы). Безоловянные бронзы в зависимости от основного легирующего элемента подразделяют на алюминиевые, свинцовые, бериллиевые и другие.

Кроме основных указанных элементов бронзы дополнительно легируют фосфором, железом, никелем, марганцем, цинком, титаном. Применяют бронзы для получения отливок и полуфабрикатов, изготавливаемых обработкой давлением.

Оловянные бронзы. При содержании олова более 5-8% наблюдается резкое снижение вязкости и пластичности оловянных бронз, поэтому практическое значение имеют бронзы, содержащие только до 10 % олова.

В оловянных бронзах часто присутствует фосфор – повышает жидкотекучесть. износостойкость предел прочности, предел упругости и выносливость бронз, но ухудшает пластичность. Цинк (от 2 до 15 % ) улучшает технологические и механические свойства оловянных бронз и удешевляет их. Никель способствует измельчению структуры и повышению механических свойств и коррозионной стойкости.

Структура оловянных бронз (Бр010Ц2. Бр03Ц12С5. Бр04Ц4С17) полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре антифрикционных сплавов. Имеют высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде

Алюминиевые бронзы (4-5%) – наряду с прочностью и твердостью повышается пластичность, затем она резко падает, а прочность продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10-11%. Они хорошо сопротивляются коррозии и имеют высокие механические и технологические свойства: легко обрабатываются давлением и имеют хорошие литейные качества, отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянными бронзами - меньшая стоимость и лучшие механические свойства.

Из алюминиево-железоникелевых бронз изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500°С): части насосов и турбин, шестерни и др. Высокими механическими, антикоррозионными и технологическими свойствами обладают алюминиево-железные бронзы, легированные вместо никеля более дешевым марганцем (БрАЖМц 10-3-1,5).

Вместе с этой лекцией читают "Механический привод штанговых скважинных насосных установок".

Свинцовые бронзы используют для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях, широко применяется бронза БрСЗО, которая по сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами имеет теплопроводность в четыре раза больше и поэтому эти бронзы хорошо отводят тепло, возникающее при трении. Бронзу БрСЗО часто наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы), получая биметаллические подшипники.

Титан – это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1668±3°С. Плотность титана составляет 4.5 г/см³. Механические свойства титана сильно зависят от количества примесей которые, при последующем переплаве удаляются. Наиболее вредными примесями являются углерод, кислород,азот и водород  резко повышающие твердость, прочность и уменьшающие пластичность. Самая вредная примесь – водород (водородная хрупкость особенно опасна в сварных конструкциях), избавиться от водорода можно отжигом в вакууме. Высокие механические свойства титан сохраняет вплоть до нескольких сот градусов. По удельной прочности в интервале 300-600°С титан не имеет себе равных. Ниже 300°С – уступает алюминиевым сплавам; выше 600°С – сплавам на основе железа и никеля. На поверхности титана образуется защитная оксидная пленка, предохраняющая от коррозии.

Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Например, титан может самовозгораться, в некоторых случаях и взрываться, что объясняется его высокой активностью. Титановые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, плохо работают в паре со сталями, имеют невысокую об­рабатываемость резанием. Возникают трудности при сварке титана и его сплавов.

Основной целью легирования титана является повышение механических свойств. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, магнием. Основным легирующим элементом является алюминий, который обычно содержится во всех титановых сплавах.

В промышленной практике большое распространение получили титановые сплавы марок ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5-1. Основным легирующим элементом в сплавах этой группы является алюминий. С повышением его содержания хотя и повышается прочность, но снижаются пластические свойства сплавов. Эти сплавы хорошо свариваются, позволяют осуществлять горячее деформирование, ковку, прокатку, прессование и штамповку. Поставляются в виде прутков, профилей, труб, поковок и штамповок. Титановые сплавы обладают высокой жидкотекучестью. Из них можно получать плот­ные отливки. Для фасонного литья используются технический титан и титановые сплавы марок ВТ5Л, ВТЗ-1Л, ВТ14Л. К недостаткам литейных титановых сплавов относятся большая склонность к поглощению газов и высокая активность при взаимодействии с формовочными материалами. Поэтому плавку и разливку титановых сплавов ведут в вакууме или в среде нейтральных газов.

Фасонные титановые отливки массой от 0.5 до 2000 кг используют для судового машиностроения, химического, энергетического и нефтегазового оборудования, например, теплообменники, парогенераторы, конденсаторы, охладители и котлы.