Стали с высоким электросопротивлением.

Окалиностойкие стали с высоким электросопротивлением: Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5(хромаль), 0Х27Ю5А. Это хромоалюминиевые низкоуглеродистые стали, обладающие высокими жаростойкостью и электросопротивлением. Чем выше содержание в сплаве хрома и алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента. Количество углерода в сплавах строго ограничено (0,06-0,12 %), т.к. появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок службы нагревателей.

Никелевые сплавы с высоким омическим сопротивлением Х20Н80 и Х20Н80Т в основном состоят из хрома и никеля (нихромы). С целью удешевления нихромов часть никеля заме-няют железом (ферронихромы - Х15Н60, содержащий 25 % Fe). Особенностью таких сплавов является высокая жаростойкость при значительном удельном сопротивлении. Благодаря этому свойству из них изготавливают нагревательные элементы электрических печей и приборов.

Нихромы и ферронихромы более пластичны, но они значительно дороже, чем сплавы Fe- Cr- Al.

 

Тема №6.

Цветные металлы и их сплавы.

Разряды.

1. Классификация и использование цветных металлов.

К цветным металлам, наиболее широко применяемым в технике, относят медь, алюминий, олово, свинец, цинк, магний, титан и их сплавы. В чистом виде цветные металлы используются редко, в основном применяются в виде сплавов.

Цветные металлы - это наиболее дорогой и ценный технический материал. Легирующие элементы, входящие в состав металлов и сплавов, обозначаются заглавными буквами русского алфавита:

Алюминий - А; Бериллий – Б; Железо - Ж; Кремний – К; Магний – Мг; Марганец - Мц; Медь- М; Никель - Н; Олово - О; Свинец - С; Хром - Х; Цинк - Ц.

 

Медь. Она имеет характерный красноватый цвет, в природе встречается в виде сернистых соединений, в окислах и очень редко в чистом виде. Медь маркируют буквой М. В зависимости от чистоты меди установлено пять марок: М0, М1, М2, М3, М4. Самая чистая медь - марки М0 содержит 99,95 % меди и 0,05 % примесей. Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке. Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, но плохо обрабатывается резанием и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Она обладает хорошей (наибольшей – кроме серебра) электропровод-ностью.

Механические свойства меди: в литом состоянии – σв =16 кгс/мм²; σ0,2 =3,5 кгс/мм²; d=25 %; в горячедеформированном состоянии σв =24 кгс/мм²; σ0,2 =9,5 кгс/мм²; d=45 %. После холодного деформирования предел прочности может быть повышен до 45 кгс/мм² (проволока) при снижении относительного удлинения до 3 %. Модуль нормальной упругости меди Е= 11500 кгс/ мм².

Применяют медь в виде листов, прутков, труб и проволоки. В литом состоянии медь из-за низкой прочности используют только в тех случаях, когда требуется только высокая электро - или теплопрововдность. Медь независимо от ее исходного состояния - основной про-водниковый материал. Из нее изготавливают проводники электрического тока - провода и кабели. Для проводников электрического тока применяют медь марок М0 и М1, а для электротехнической промышленности, электроники и электровакуумной техники - бескислородную медь МБ, содержащую 99,97 % меди (сорт А) и 99,85 % меди (сорт Б), а также вакуумную медь (99,99 % меди). Медь с малым содержанием кислорода более пластична.

Физические свойства меди (плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость, электропроводность, способность намагничи-ваться): удельный вес - 8,92 г/см³, температура плавления - 1083 °С, коэффициент линейного расширения – 26,7 α*10⁶, удельная теплоемкость - 0,09 кал/г*град, теплопроводность - 0,92 кал/ см*сек*град., удельное электросопротивление при 20 °С - 0,044 ом*мм²/ м.

Сплавы меди. Различают две основных группы медных сплавов:

1) латуни, сплавы меди с цинком;

2 ) бронзы, сплавы меди с другими элементами в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк.

Медные сплавы обладают высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии. Обозначаются сплавы начальной буквой (Л - латунь, Бр - бронза), после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав, цифры, следующие за буквой, указывают количество легирующего элемента. Например, ЛЖМц 59-1-1 - латунь, содержащая 59 % меди (Cu), 1 % Fe и 1 % Mn и остальное цинк, или Бр ОФ6,5-0,15: Бр- бронза, содержащая 6,5 % Sn (олова), 0,15 % P (фосфора) и остальное медь.

1) Латунь -это сплав меди с цинком. Кроме цинка, латунь содержит и другие элементы, но в меньшем, чем цинк, количестве. Латунь маркируют буквой Л, за которой стоят цифры, указывающие содержание меди, например, латунь марки Л80 состоит из 80% меди и 20% цинка. Если в латунь вводится 1 % свинца, то она будет обозначаться ЛС 59-1 и содержать 59 % меди, 40 % цинка и 1 % свинца.

Латуни обладают высокой коррозионной стойкостью, пластичностью, легко поддаются прокатке, ковке и вытяжке. В технике находят применение латуни, содержащие от 10 до 42 % цинка.

В зависимости от назначения латуни могут обрабатываемые давлением, литейными и специальными. Латуни, обрабатываемые давлением (Л96, Л68) используют для радиаторных трубок, прокладок, труб и т.д. Из литейных латуней (ЛАЖ60-1Л, ЛКС80-3-3) изготовляют червячные винты, зубчатые колеса, подшипники и т.д. Специальные латуни (ЛАН59-3-2, ЛС59-1), обладающие более высокими механическими свойствами, чем литейные латуни. Применяют для изготовления химически стойких деталей, конденсаторных трубок и водяной арматуры. Латунные изделия, получаемые холодной обработкой (наклеп) для смягчения и повышения пластичности подвергают отжигу рекристаллизации на 350-450 °С, для снятия остаточных напряжений подвергают низкотемпературному отжигу 270-300 °С.

2) Бронза - это сплав меди с оловом, свинцом, алюминием и другими элементами. Название бронзы зависит от второго компонента. Важнейшими из бронз являются: оловянистые, свинцовистые, алюминиевые и кремнистые.

Бронзы маркируют следующим образом: сначала пишут буквы Бр., означающие бронзу, затем буквы, показывающие, какие элементы введены в бронзу, далее цифры, указывающие на содержание этих элементов в процентах. Например, бронза марки Бр. ОЦС6-6-3 означает, что в ней содержится 6 % олова, 6 % цинка, 3 % свинца и остальные 85 % медь.

Оловянистые бронзы обладают хорошими литейными свойствами, коррозийной стойкостью и высокими антифрикционными свойствами, т.е. хорошо сопротивляются износу и трению. Оловянистые бронзы в основном применяются для деталей, работающих на трение - подшипников скольжения, червячных колес и т.п.

Для обработки давлением используют бронзы, представленные в ГОСТ 5017- 74 (Бр.ОФ6,5-0,15; Бр.ОЦС 4-4-2,5). Литейные бронзы по ГОСТ 613-79: Бр.ОЦС6-6-3, Бр.ОЦСН 3-7-5-1.

Олово - дорогой металл, поэтому в основном применяют бронзы, в которых олово заменяют алюминием, кремнием, марганцем, и другими элементами. Безоловянные бронзы представля-ют сплавы меди с алюминием, никелем, кремнием, железом, бериллием, хромом, свинцом и другими металлами.

Алюминиевые бронзы содержат до 10 % алюминия. Они обладают прочностью, высокими антифрикционными и технологическими свойствами, устойчивостью в атмосферных условиях и морской воде. Введение в алюминиевую бронзу железа, марганца и других элементов еще больше повышает ее механические свойства. Химический состав специальных бронз, напри-мер, Бр.АЖН10-4-4, следующий: алюминия - 9,5 -11,0 %; марганца - 3,5 -5,5 %; железа- 3,5- 5,5 %; остальное – медь.

Алюминиевые бронзы применяют как антифрикционный материал, из которого изготавливают подшипники, втулки, червячные колеса и т.д.

Кремнистые бронзы содержат 2 -3 % кремния. Они обладают высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью. Из таких бронз изготавливают пружинящие детали, проволоку, ленту и т.д.

Никелевые бронзы обладают высокой вязкостью и кислотостойкостью, сохраняют механические свойства даже при повышенных температурах.

Бериллиевые бронзы (2 % бериллия Бр.Б2, Бр.Б2,5, Бр.БНТ 1,9) обладают исключительно высокими свойствами – хорошо упрочняются термической обработкой, имеют предел прочности σв =130 – 150 кгс/мм² и твердость 370 – 400 НВ. Бериллиевые бронзы применяют, например, для изготовления ударного инструмента, зубил, молотков, не дающих при ударе искр. Пружины из бериллиевой бронзы выдерживают до 25 млн. колебаний, в то время как стальные закаленные пружины в таких же условиях разрушаются после 3 млн. колебаний. Ответственные пружины с высокой электропроводностью.

Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами Бронзы Бр.С30 применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрС30 в четыре раза больше, поэтому они хорошо отводят тепло, возникающее при трении. Благодаря невысоким механическим свойствам (σв =6 кгс/мм²; d= 4 %) бронзу БрС30 часто наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при износе. Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые растворяясь в меди, повышают механические и коррозионные свойства. Свинцовые бронзы с добавкой олова и никеля (БрОС8-12, БрОС10-10, БрОСН10-2-3), обладающие высокими механическими свойствами используют для изготовления втулок и вкладышей, подшипников без стальной основы.

Алюминий. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность 2,7 г/см³, против 7,8 г/см³ у железа и 9 г/см³ для меди. Алюминий обладает высокой электропроводностью (2,6548 Ом* мм²/ м), составляет 65 % от электропроводности меди. Теплопроводность составляет (0,57 кал/см*с* ºС). В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999% Al), высокой чистоты А995 (99,995% Al), А99 (99,99% Al), А97 (99,97% Al), А95 (99,95% Al) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99,0% Al).

Технический алюминий изготавливается в виде листов, проволоки, профилей, прутков и других полуфабрикатов маркируется АД и АД1. В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Ti. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Al₂O₃. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость. Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты следующие: σв=5 кгс/мм²; σ0,2=1,5 кгс/мм², d=50 % и технического алюминия (АДМ): σв =8 кгс/мм²; σ0,2 =3 кгс/мм², d= 35 %. Модуль нормальной упругости 7* 100 кгс/мм².

Холодная пластическая деформация повышает предел прочности технического алюминия (АДН) до 15 кгс/мм², но относительное удлинение снижается до 6 %. В результате высокой пластичности в отожженном состоянии алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена. Хорошо сваривается всеми видами сварки. Алюминий при нагреве склонен к росту зерна, что ухудшает пластичность и внешний вид изделий. Применяется технический алюминий (АД и АД1) для элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокая тепло - и электропроводимость. Из технического алюминия изготавливают различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, конденсаторы, фольгу, посуду, цистерны для молока и т.д. Алюминий особой чистоты предназначается для исследовательских целей, а высокой чистоты - для фольги, токопроводящих и кабельных изделий, а также для химической промышленности. Более широко используются сплавы алюминия.

Алюминиевые сплавы получаются добавкой к алюминию меди, цинка, магния, кремния, марганца и других компонентов. Такие сплавы имеют небольшой удельный вес и высокие механические свойства. Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, могут быть следующих марок: АК6, АК8, АК2, АК4. Они обладают высокой прочностью и пластичностью, поэтому из них изготавливают полуфабрикаты ковкой, прокаткой и прессованием. Сплавы АК2 и АК4 содержат никель и являются жаропрочными. Они применяются после термической обработки для изготовления поршней, головок цилиндров, работающих при повышенных температурах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термообработкой, относится также дуралюмин марок Д1, Д6, Д16, Д18. Дуралюминами называют сплавы Al- Cu- Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Сплав, упрочняемый термообработкой и естественно стареющий. Механические свойства в окончательно термически обработанном состоянии (после закалки и старения) сильно зависят от температуры закалки. При термообработке дуралюмина колебания температур закалки не должно превышать ± 3-4 °С, температура закалки для Д1(нормальный) -505-510 °С, для Д16 (высокопрочный - с высоким содержанием магния) - 495-503 °С. Дуралюмин принадлежит к естественно стареющим сплавам и наиболее высокие механические свойства у нормального дуралюмина получаются после 5-7 суток естественного старения.

Термическая обработка этих сплавов состоит в закалке от 500 °С в воду с последующим естественным старением.

Химический состав нормального дуралюмина (Д1): 3,8 - 4,8 % Cu; 0,4- 0,8 % Mg; 0,4- 0,8 % Mn; ≤ 0,7 % Si; ≤ 0,7 % % Fe. Основная упрочняющая фаза CuAl₂.

Высокопрочный дуралюминин, обладает большей прочностью, но более низкой пластичностью (марка Д16): 3,8 - 4,9 % Cu; 1,2- 1,6 % Mg; 0,3- 0,9 % Mn; ≤ 0,5 % Si; ≤ 0,5 % Fe. Основная упрочняющая фаза CuMgAl₂.

 

Механические свойства после термообработки дюралюмина разных марок:

отожженный: Д1 – σв =21 кгс/мм²; σ0,2 =11 кгс/мм², d= 18%, 45 НВ;

Д16 - σв =21 кгс/мм²; σ0,2 =11 кгс/мм², d= 18%, ψ= 55%, 42 НВ;

закаленный и естественно состаренный:

Д1 – σв =42 кгс/мм²; σ0,2 =24 кгс/мм², d= 15%, ψ= 30%, 100 НВ;

Д16 - σв =46 кгс/мм²; σ0,2 =30 кгс/мм², d= 17%, ψ= 30%, 105 НВ.

Значительно более высокую прочность можно получить у алюминиевых сплавов, содержа-щих в качестве основных присадок, кроме меди и магния, еще и цинк - сплав В95 (5-7 % цинка). Этот сплав подвергается закалке от 465- 475 °С в воде с последующим искусственным старением при 120-140 °С.

Дуралюмин выпускается в виде листов, прессованных и катаных профилей и штамповок. Сплав Д18 применяют для заклепок, так как он может расклепываться в любое время после старения.

Для повышения коррозионной стойкости дюралюминий покрывается (плакируется) чистым алюминием. Плакированием называют горячую прокатку слитков дуралюмина вместе с листами чистого алюминия. Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов представлен в ГОСТ 4784-97.

Деформируемые сплавы АМц и АМг (сплавы легированные марганцем или магнием) термическому упрочнению не подвергаются. Из них изготавливают трубопроводы и сварные масляные резервуары.

Магний -щелочноземельный металл, светло-серого цвета. Характерным свойством магния является малая плотность 1,74г/см³. Температура плавления 650 °С. Теплопроводность магния значительно меньше, чем у алюминия (3 кал/см*с*°С), а коэффициенты линейного расширения примерно одинаковые (26,1α*10⁶ при 20-100 °С).

Технический магний Мг1 содержит 99,92 % Мg. В качестве примесей присутствуют Fe, Si, Ni, Na, Al, Mn, Cu. Вредными примесями являются Fe, Ni, Cu, Si, снижающие коррозионную стойкость магния. Механические свойства литого магния: σв =11,5 кгс/мм²; σ0,2 =2,5 кгс/мм², d= 8 %, 30 НВ, Е= 4500 кгс/мм², а деформированного (прессованные) прутки: σв =20 кгс/мм²; σ0,2 =9 кгс/мм², d= 11,5 %, 40 НВ, Е= 4500 кгс/мм². Коррозионная стойкость магния в атмосферных условиях удовлетворительная, но в пресной и морской воде он неустойчив. На воздухе магний легко воспламеняется. Используется в пиротехнике и химической промышленности.

Магниевые сплавы. Подобно алюминиевым, магниевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Прочность и пластичность магниевых сплавов ниже, чем у алюминиевых. Удельный вес магниевых сплавов – 1,74. Характерной особенностью термообработки магниевых сплавов является длительная выдержка при закалке и отпуске. Деформируемые магниевые сплавы марок МА1, МА2, МА5, МА8 применяют для изготовления высоконагруженных деталей самолетов, в ракетостроении, электротехнике, а литейные сплавы марок МЛ2. МЛ3, МЛ, МЛ5 - для изготовления деталей двигателей, корпусов приборов, колодок колесных тормозов автомобилей и корпусов фотокамер. Благодаря способности поглощать тепловые нейтроны и не взаимодействовать с ураном, магниевые сплавы используют для изготовления оболочек трубчатых тепловыделяющих элементов в атомных реакторах.

Химический состав и механические свойства магниевых сплавов приведены в ГОСТ 2856-79 (литейные сплавы), ГОСТ 14957-76 (деформируемые сплавы).

Литейные и деформируемые сплавы могут быть термически упрочняемыми и термически неупрочняемыми.

Титан -металл серебристо-белого цвета. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α- титан, а при более высоких температурах β-титан. Удельный вес α- титана – 4,505 г/см³, β-титана- при 900 °С 4,32 г/см³. Коэффициент линейного расширения титана в интервале 20-100°С - 8,3α*10 / °С, теплопроводность при 50 °С составляет 0,0369 кал/(см* с * °С). Технический титан изготавливают трех марок: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48% Ti) и ВТ-1 (99,44% Ti).

Вредными примесями для титана является азот, углерод, кислород и водород, образующие с ним твердый раствор внедрения и хрупкие оксиды, карбиды, нитриды и гидриды. Эти примеси снижают пластичность и свариваемость титана повышают его твердость и прочность, ухудшают сопротивление коррозии.

Чистый титан имеет следующие механические свойства: σв =25 кгс/мм²; d=70%. Технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0 и ВТ1-1), содержащий значительно больше примесей имеет σв=30- 55 кгс/мм²; d=20-30 %. Чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде и в неко-торых кислотах, устойчив против кавитационной коррозии и под напряжением.

При температуре выше 500 °С титан его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость). Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но обработка резанием затруднена. Металлургической промышленностью он изготавливается в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.

Сплавы титана. Для получения сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb, а также в небольших количествах и Si. При небольшом удельном весе титан и его сплавы обладают высокой прочностью и пластичностью. Легирование титана производится для улучшения механических свойств, реже для повышения коррозионной стойкости. Все промышленные сплавы содержат алюминий. Система Ti – Al для сплавов титана имеют такое же значение как для сплавов железо система Fe – Fe3C. Алюминий повышает предел прочности, но уменьшает пластичность сплавов.

В соответствии со структурой различают:

1) α- сплавы, имеющие структуру: твердый раствор легирующих элементов в α- титане. Основной легирующий элемент – алюминий. Сплав ВТ5- хорошо деформируется в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, но склонен к водородной хрупкости. Дополнительно легирование сплава ВТ5 оловом (ВТ5-1) улучшает технологические и механические свойства. Псевдо α- сплавы типа ОТ4, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости.

2) (α + β) - сплавы, состоящие из α и β-твердых растворов. (α + β) - сплавы содержат кроме алюминия, 2-4 % β- стабилизаторов, как Cr, Mo, Fe и др. Наилучшее сочетание свойств достигается в (α + β) - сплавах. Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой. Поскольку в сплаве не образуется ώ- фаза, он при этом не охрупчивается. Сплав ВТ8 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и предназначается для деталей, работающих при 450-500 °С, сплав ВТ14 рекомендуется для тяжело нагруженных деталей;

3) β- сплавы, имеющие структуру: твердый раствор легирующих элементов в β-титане. Эти сплавы содержат большое количество β -стабилизаторов.

Наибольшее применение получили сплавы α- и (α + β) - сплавы.

Наиболее распространенные титановые сплавы обрабатываются давлением и реже применяются для литья - из-за взаимодействия с газами и формовочными материалами. В принципе все деформируемые сплавы можно использовать в качестве литейных, но чаще для фасонного литья применяют сплав ВТЛ5. Обладает хорошими литейными и механическими свойствами.

Область применения сплавов. Титан и его сплавы используют там. Где главную роль играет высокая удельная прочность и хорошая сопротивляемость коррозии. Титановые сплавы применяют в авиации (обшивка самолетов, диски, лопатки компрессора, детали крепежа и т. д.), в ракетной технике (корпуса двигателей второй и третей ступени, баллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и т.д.), оборудование для обработки ядерного горючего, в химической промышленности (оборудование для таких сред как хлор, водные и кислые растворы хлора, теплообменники, работающие в азотной кислоте и т.д.). Титановые сплавы обладают высокой пластичностью при низких температурах, что делает их пригодными для криогенной техники.

 

Антифрикционные сплавы. Антифрикционные сплавами называются сплавы, из которых изготавливаются подшипники и трущиеся детали, применяя для этого баббиты, бронзы, антифрикционные чугуны, цинковые сплавы и другие материалы, предохраняющие трущиеся детали, например валы, от износа и создающие необходимые условия для смазки. Наибольшее применение для изготовления подшипников находят оловянистые бронзы БР.ОЦС4-4-2,5 и Бр.ОФ6,%-0,15, обладающие низким коэффициентом трения.

В целях экономии дорогостоящих оловянистых бронз для изготовления втулок, заливки вкладышей и подшипников используют цинковые сплавы ЦАМ 10-5 и ЦАМ9-1,5. По ГОСТ 25140-93 сплав ЦАМ10-5 содержит 9,0-12% алюминия,4,0-5,5% меди, 0,03- 0,06% магния и остальное цинк.

В качестве антифрикционных сплавов для подшипников можно применять и пористые металлокерамические материалы на основе железомеднографитовых порошковых смесей (1,0- 1,5 % меди, 0,9- 1,15 % графита и остальное - железо).

Обычно из этих сплавов изготавливают втулки и вкладыши прессованием порошковых смесей и последующим спеканием при температуре 1100- 1150 °С. Такие втулки имеют от 15 до 305 тончайших, соединенных между собой пор. После пропитки машинным маслом втулки становятся самосмазывающимися. Они применяются в текстильных хлопкоуборочных и швейных машинах, в которых смазка подшипников невозможна из-за загрязнений тканей, хлопка и т.п.

Большую группу сплавов составляют баббиты. Они обладают высокой пластичностью, хорошей прирабатываемостью и низким коэффициентом трения. Высокие антифрикционные свойства их связаны с особой структурой - твердыми кристалликами в мягкой основе. Баббиты маркируют следующим образом (ГОСТ 1320-74): Б89, Б83, Б16 и т.д. Буква Б ука-зывает на название сплава, а цифра - на среднее содержание олова. Химический состав приведен в ГОСТ 1320-74. Б89, Б83- применяются для турбин, турбокомпрессоров и т.д.; Б16 - для электродвигателей и прокатных станов; СОС6-6 –свинцовый баббит имеет высокие эксплуатационные качества и в настоящее время является основным материалом, из которого изготовляют подшипники для двигателей легковых и грузовых автомобилей.

Для деталей, работающих с повышенным удельным давлением, например, рессорных втулок автомобилей, часто применяют антифрикционный ковкий чугун. Отожженный ковкий чугун обычно состоит из 2,5-2,75 % углерода; 1,0- 1,2 % кремния; 0,45- 0,55 % марганца; 0,06 % хрома; 0,121- 0,17 % фосфора и 0,15- 0,17 % серы.

 

Все выше приведенные сведения можно получить в справочной литературе, в нормативной документации, разработанной на данные сплавы и металлы.

Й разряд.

 

1. Латунь -это сплав меди с цинком.

Диаграмма состояния Cu – Zn показана на рисунке 34.

 

% Cu

Рисунок 34 – Диаграмма состояния Cu-Zn

 

Медь с цинком образует кроме основного α- раствора, ряд фаз электронного типа β, γ, ε. Предельная растворимость цинка в меди 39 %.

При комнатной температуре практически применяемые латуни состоят либо из одних α- кристаллов (рисунок 35 а), либо являются смесью α- и β- кристаллов (рисунок 35 б). При высоких температурах β-фаза имеет неупорядоченное расположение атомов. В этом состоянии β-фаза пластична. При температуре ниже 454- 468 °С расположение атомов меди и цинка в этой фазе становится упорядоченным и она обозначается β′. Фаза β′ в отличие от β- фазы является более твердой и хрупкой. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30 % Zn. Переход через границу однофазной области (39 % Zn) ведет к резкому падению пластичности. β - латунь обладает максимальной прочностью (σв = 42 кгс/мм²) при относительно низкой пластичности (d=7 %). γ- латунь является весьма хрупкой.

 

Рисунок 35 – Микроструктура латуни. а – α – латунь; б – (α + β) – латунь.

а (х 200) б (х 200)

 

Применяются в основном латуни, имеющие структуру α- или α + β′. Остальные латуни не имеют практического применения из-за повышенной хрупкости.

Однофазные α- латуни хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Двухфазные α + β′ – латуни малопластичны в холодном состоянии. Эти латуни обычно подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих области β- или α + β́′ фаз. α + β′ – латуни по сравнению α- латунью имеют большую прочность, но меньшую пластичность.

α- латуни с высоким содержанием меди (Л96 и Л90 - томпаки) применяют, когда требуется высокая пластичность и когда важно отсутствие склонности к коррозионному растрескиванию и повышенная теплопроводность; α- латуни Л70 и α + β ́ –латуни Л62 и Л59 с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии. Наибольшей пластичностью обладает α- латунь Л70, которую чаще используют для изготовления деталей штамповкой. На штампуемость большое влияние оказывает размер зерна (д.б. не более 30-60 мкм), иначе поверхность штамповок становиться шероховатой (типа «апельсиновой корки»), а при мень-шем - возникают трещины и надрывы при глубокой вытяжке.

Нагартованная латунь обладает более высокой прочностью, но меньшей пластичностью, чем отожженная. Латуни в наклепанном состоянии или с высокими остаточными напряжениями и содержащие более 20 % Zn склонны к коррозионному (сезонному) растрескиванию в присутствии влаги, кислорода, аммиака. Для предотвращения растрескивания полуфабрикаты из латуни указанных составов отжигают при 250- 650 °С, изделия из латуни - при 250- 270 °С.

Все латуни по техническому признаку делятся на две группы: деформированные, из которых изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку и другие полуфабрикаты, и литей-ные для фасонного литья. К типичным деформируемым двойным латуням относятся: Л96, Л90, Л80, Л70, Л62, Л59.

Механические свойства зависят от содержания цинка и степени деформации латуни:

Л96- после наклепа σв =45 кгс/мм²; d=2%. Л59- после наклепа σв =60 кгс/мм²; d=1,5%

после отжига σв =24 кгс/мм²; d=45%. после отжига σв =38 кгс/мм²; d=25%.

 

Литейные латуни обладают хорошей жидкотекучестью, мало склонны к ликвации и обладают антифрикционными свойствами. В обозначении литейной латуни на конце марки может быть буква Л. Например, латунь ЛК80-3Л (спец. латунь)- латунь содержащая 80 % меди, 3 % кремния, остальное до 100 % - цинк, Л - литейная.

Специальные латуни (многокопанентные). Двойные латуни легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Такие латуни называют специальными или многокомпонентными. Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию β - фазы. Поэтому специальные латуни чаще двухфазные α + β ́. Никель увеличивает растворимость цинка в меди. При добавлении его в α + β ́- латуни количество β ́- фазы уменьшается и при достаточном его содержании латунь из двухфазной становиться однофазной (α- латунью). Легирующие элементы (кроме свинца) увеличивают прочность (твердость), но уменьшают пластичность латуни.

Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Свинец вводят в α + β ́- латуни или в α- латуни, испытывающие при нагреве и охлаждении превращения α ↔ β. В результате этого превращения свинец располагается не по границам зерен, как в чистой меди или α- латуни, не имеющей превращений в твердом состоянии, что затрудняет особенно горячую обработку давлением, вызывая брак продукции, а внутри зерен, что не мешает обработке давлением, но способствует лучшему отделению стружки при резании.

Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn, Ni.

Специальные латуни также делятся на деформируемые и литейные. Деформируемые латуни ЛАЖ60-1-1 и ЛЖМ59-1-1 обладают высокими коррозионными свойствами в атмосфер-ных условиях, пресной и морской воде и применяются для деталей в судостроении. Механические свойства:

ЛАЖ60-1-1 твердая σв =75 кгс/мм²; d=8%. ЛЖМ59-1-1- твердая σв =70 кгс/мм²; d=10%

мягкая σв =45 кгс/мм²; d=45%. мягкая σв =45 кгс/мм²; d=50%.

Применяется для изготовления труб, прутков; для полосы, прутков, труб, проволоки.

 

Более высокой устойчивостью в морской воде обладают латуни, легированные оловом, например ЛО70-1 и ЛО62-1, получившие названия морской латуни.

Латунь ЛС 59-1 (автоматная латунь) поставляется в прутках, листах, лентах, в виде трубы и проволоки и предназначается для изделий, изготавливаемых резанием на станках-автоматах. Механические свойства:

твердая - σв =65 кгс/мм²; d=16 % (50% деформации)

мягкая - σв =40 кгс/мм²; d=45 % (после отжига)

Литейные латуни- латуни следующих марок ЛК80-3Л, ЛАЖМц66-3-2, ЛКС80-3-3,ЛМцЖ52-4-1, применяются для изготовления арматуры, деталей приборов в судостроении и в общем машиностроении, деталей ответственного назначения, подшипников, гаек нажимных винтов, червячных винтов.

2. Бронза - это сплав меди с другими элементами: оловом, свинцом, алюминием и др. Название бронзы зависит от второго компонента. Важнейшими из бронз являются оловянистые (оловянные), свинцовистые (свинцовые), алюминиевые и кремнистые.

Оловянистые бронзы (сплав меди с оловом). На рисунке 36 приведена диаграмма состояния Cu – Sn.

Рисунок 36 – Диаграмма состояния Cu – Sn а – после литья; б – после деформации

Рисунок 37 – Микроструктура бронзы

α – фаза представляет твердый раствор олова в меди с г.ц.к. решеткой. В сплавах этой системы образуются электронные соединения типа β - фаза (Cu₅Sn), d-фаза (Cu₃₁Sn₈), ε- фаза (Cu₃Sn), а также γ- фаза - твердый раствор на базе химического соединения, природа которого не установлена.

В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз: α и d (Cu₃₁Sn₈). В практике применяют только сплавы содержанием до 10- 12 % олова. Сплавы более богатые оловом очень хрупки. Оловянные бронзы имеют большой интервал кристаллизации и поэтому склонны к ликвации (образованию рассеянной пористости); при ускоренном охлаждении у них резко выраженное дендритное строение (рисунок 37 а). Бронзы, содержащие до 4-5 % олова, после деформации и отжига имеют полиэдрическое (зернистое) строение (рисунок 37 б) и представляет собой в основном α- твердый раствор. При большом содержании олова в структуре бронз в равновесном состоянии с α- раствором присутствует эвтектоид α + Cu₃₁Sn₈ (d-фаза). Предел прочности возрастает с увеличением содержания олова. При высокой концентрации олова вследствие присутствия в структуре значительного количества эвтектоида, содержащего хрупкое соединение Cu₃₁Sn₈, предел прочности резко снижается.

Относительное удлинение несколько возрастает при содержании в бронзе 4- 6 % олова, но при образовании эвтектоида (α + Cu₃₁Sn₈) – сильно падает.

Оловянные бронзы обычно легируют Zn, Fe, P, Pb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства и удешевляет бронзу. Фосфор при содержании его >0,3 % образует фосфид Cu₃P. Он улучшает литейные свойства, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, корро-зионную стойкость, плотность отливок и уменьшает ликвацию. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства бронз и сопротивляемость коррозии. Свинец, нераст-воримый в меди, присутствует в структуре бронзы в виде округлых выделений в объеме зерна. Легирование свинцом снижает механические свойства бронзы, но повышает плотность отливок, но главное - облегчает обработку резанием и улучшает антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформируемые бронзы содержат 4- 6 % олова, до 0,4 % фосфора, до 4 % цинка и до 4,5 % свинца и изготовляют в виде прутков, лент и проволоки в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы чаще предназначаются для пружин и пружинящих деталей, применяемых в различных отраслях промышленности. Структура оловянных деформированных бронз α- твердый раствор (см. рисунок 37 б). Типичные деформируемые бронзы и их мех. свойства: Бр.ОФ6,5-0,15 σв = 40 (75)* кгс/мм²; d=65 (10)%

БрОЦ -4-3 σв =33 (55) кгс/мм²; d=40 (4) %

БрОЦС -4-4-2,5 σв =35 (65) кгс/мм²; d=35 (2) %

 

Литейные бронзы, содержащие большое количество цинка, фосфора и нередко свинец, имеют двухфазную структуру α- твердый раствор и твердые, хрупкие включения d-фазы, входящие обычно в структуру эвтектоида (α + Cu₃₁Sn₈). Типичные литейные оловянные бронзы и их мех. свойства:

БрОЦСН3-7-5-1 σв =18 (21)* кгс/мм²; d= 8 (5) %

БрОЦС -3-12-5 σв =18 кгс/мм²; d=8 %

БрОЦС -5-5-5 σв =15 (18) кгс/мм²; d=6 (4) %

БрОЦС -4-4-17 σв =15 (20) кгс/мм²; d=6 (4) %

 

* В скобках - свойства после наклепа или после отливки в кокиль.

Приведенные бронзы обладают невысокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой, высокой коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Применяют литейные бронзы для изготовления различной арматуры, а также, когда требуются повышенные электро- и теплопроводность в сочетании с хорошей сопротивляемостью коррозии в агрес-сивных средах.

Оловянистые бронзы обладают хорошими литейными свойствами, коррозийной стойкостью и высокими антифрикционными свойствами, т.е. хорошо сопротивляются износу и трению в основном применяются для деталей, работающих на трение, для подшипников скольжения, червячных колес, мембран, плоских и округлых пружин и т.п.

Для обработки давлением используют бронзы, представленные в ГОСТ 5017- 74 (Бр.ОФ6,5-0,15; Бр.ОЦС 4-4-2,5). Литейные бронзы по ГОСТ 613-79: Бр.ОЦС6-6-3, Бр.ОЦСН 3-7-5-1, Бр.ОЦС3-12-5, Бр.ОЦС-5-5-5, БрОЦС4-4-17.

Олово - дорогой металл, поэтому в основном применяют бронзы, в которых олово заменяют алюминием, кремнием, бериллием, марганцем, и другими элементами. Безоловянные бронзы представляют