Глава V. Цветные металлы и их сплавы

§ 1. Медь и ее сплавы

В современном машиностроении цветные металлы и их сплавы находят широкое применение, а в некоторых областях, например самолетостроении, радио- и электротехнике, являются основными материалами. Чаще всего применяются сплавы из меди, свинца, олова, алюминия, магния, цинка.

 

Медь по своему значению в машиностроении является наиболее ценным техническим материалом. Она хорошо сплавляется с большинством металлов. Медь в чистом виде имеет красный цвет, чем больше в ней примесей, тем грубее и темнее излом. Температура плавления меди 1083° С, удельный вес 8,92 Г/см³.

Медь хорошо проводит электричество и тепло, уступая в этом отношении только серебру, ее используют для изготовления электрических проводов, деталей электрооборудования, холодильных установок и т. д.; отличается хорошей коррозионной стойкостью, поэтому широко применяется в химическом машиностроении и теплотехнике. Медь — очень вязкий металл, трудно поддается обработке резанием, так как стружка налипает на режущий инструмент. Для изготовления деталей машин чистая медь почти не применяется из-за низкой механической прочности.

В зависимости от чистоты предусмотрено пять марок меди: МО, M1, М2, М3, М4 (ГОСТ 859—41). В наиболее чистой меди (марка МО) общее количество примесей не должно превышать 0,05%. Наибольшее количество примесей (до 1%) содержит медь марки М4.

Медь марки МО (электролитическая) предназначается для изготовления проводников тока и сплавов высокой чистоты, М3 — для проката и литейных медных сплавов (кроме бронзы), а медь марки М4 — для литейных бронз и паяния.

Значительная часть меди используется для изготовления сплавов на медной основе: латуни, бронзы, медно-никелевых сплавов. Эти сплавы прочнее чистой меди, их часто применяют в технике (коррозионностойкие детали).

Латунь представляет собой сплав меди с цинком. Процентное содержание цинка в сплаве может колебаться в широких пределах и оказывает влияние как на механические свойства, так и на цвет латуни. С увеличением содержания цинка до 45% механические свойства латуни улучшаются, предел прочности возрастает до 32—65 кГ/мм², а относительное удлинение — до 65%.

Температура плавления латуней колеблется в пределах 800—1099° С. Чем больше в латуни цинка, тем ниже температура ее плавления.

В состав латуней, кроме меди и цинка, вводят алюминий, никель, железо, марганец, олово и кремний. Такие латуни называются специальными, эти добавки сообщают сплавам латуни повышенную прочность, твердость, антикоррозионную стойкость, улучшают литейные свойства.

По ГОСТ 1019—47 для них приняты следующие буквенные обозначения: Л — латунь, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Н — никель, М —марганец. О — олово, К — кремний. Цифрами обозначается среднее процентное содержание меди; например в латуни марки Л96 содержится 96% меди; в марке Л062-1 содержится 62% меди и примерно 1% олова, остальное цинк.

Свинцовистые латуни марок ЛC59-1, ЛC60-1, ЛC63-3, ЛC64-2, ЛC74-3 обладают высокими механическими свойствами, хорошо обрабатываются резанием и штампуются; ЛC62-1, ЛC70-1 обладают высокими антикоррозионными свойствами в морской воде, хорошо обрабатываются в горячем состоянии. Эти латуни находят широкое применение в судостроении.

Бронзы представляют собой сплавы меди с любым другим металлом — свинцом, алюминием, кремнием, оловом, марганцем, никелем, железом, кроме цинка.

Бронзы обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой прочностью и твердостью, коррозионной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием; при небольшом содержании легирующих элементов бронзы обрабатываются давлением.

В зависимости от состава бронзы делятся на оловянные и безоловянные (специальные), к которым относятся алюминиевая, кремнистая, свинцовистая и другие бронзы.

Маркировка бронз та же, что и для латуней: буквы Бр.— бронза, дальше начальные буквы названий тех основных элементов, которые входят в состав сплава, а цифры, стоящие за буквами, соответственно обозначают их процентное содержание в бронзе. Например, Бр.0Ф6,5-4 обозначает марку оловянисто-фосфористой бронзы, содержащей 6— 7% олова и около 4% фосфора. Фосфористая бронза применяется для изготовления вкладышей подшипников, червячных колес, а также деталей, находящихся в соприкосновении с морской водой.

Бронза Бр.ОЦС-6-6-3 применяется для изготовления машинной, водяной и паровой арматуры, а также гаек, втулок, поршней насосов и т. д.

§ 2. Алюминии и его сплавы

Алюминий—легкий металл серебристо-белого цвета, удельный вес 2,7 Г/см³, температура плавления 660° С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в качестве конструкционного материала применяется редко.

Алюминий характеризуется высокой пластичностью, хорошо штампуется, легко прокатывается и прессуется, хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, литейные свойства его низкие, обрабатываемость резанием плохая.

 

Важнейшим свойствам алюминия является устойчивость против коррозии благодаря образованию на его поверхности прочной защитной пленки — окиси алюминия.

Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью (но несколько худшей, чем медь), поэтому наибольшее применение он нашел в электротехнической промышленности для изготовления проводов, кабелей, обмоток и т. п. Кроме этого, алюминий используется в химической промышленности, в приборостроении, а также для получения алюминиевых сплавов.

К неупрочняемым термической обработкой относят сплавы алюминия с марганцем — АМц и алюминия с магнием — АМг, АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМгб. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются и штампуются, но имеют невысокую прочность, которую можно повысить нагартовкой, из них изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки и другие детали путем гибки и глубокой вытяжки, а также сварные резервуары для жидкостей и газов.

Дуралюмины — это сплавы, имеющие сложный химический состав, основу которого представляют алюминий, медь и магний; для повышения коррозионной стойкости добавляют марганец. Дуралюмины характеризуются небольшим удельным весом, высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью; для повышения механических свойств их подвергают термической обработке.

Дуралюмины не обладают достаточной стойкостью против коррозии, поэтому их подвергают плакитированию (покрытие поверхности) тонким слоем алюминия.

Основная часть алюминия используется для изготовления сплавов, которые можно разделить на две группы: деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы сравнительно легко обрабатываются в горячем и холодном состоянии (прокаткой, прессованием, волочением, ковкой, штамповкой и др.), из них изготовляют прутки, листы, проволоку, прессованные профили, поковки и т. д.

Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К деформируемым алюминиевым сплавам относятся также сплавы марок АК2, АК4, АК6, АК8, в состав которых входят, кроме алюминия, медь, марганец, магний, кремний и в небольшом количестве никель. Из этих сплавов ковкой и штамповкой изготовляют крупные фасонные и высоконагруженные детали — поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и т. д.

Высокопрочные алюминиевые сплавы обладают более высокой прочностью, чем дуралюмины повышенной прочности. Основу этих сплавов составляют цинк, медь, магний. Наиболее широко применяется сплав В95, прочность его после термической обработки выше, а пластичность и коррозионная стойкость ниже, чем у дуралюмина Д16, хорошо обрабатывается резанием и поддается точечной сварке.

Из сплава В95 изготовляют высоконагруженные элементы конструкции — детали каркасов, обшивку и т. д.

Литейные алюминиевые сплавы применяются при производстве деталей методом отливки. Такие сплавы обладают высокой жидкотекучестью, позволяющей получать тонкостенное, плотное литье со сравнительно малой усадкой, без трещин, с высокой прочностью, коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью, хорошей обрабатываемостью резанием.

Наибольшее распространение получили литейные сплавы алюминия с кремнием — АЛ2, АЛ4, АЛ9, называемые силуминами. Они обладают высокой жидкотекучестью, хорошей герметичностью, не дают горячих трещин и характеризуются небольшой усадкой при литье, достаточно высокой прочностью, хорошо обрабатываются резанием, хорошо свариваются, сопротивляются коррозии и при изготовлении отливок не дают горячих трещин. Сплав АЛ2 применяется для изготовления деталей агрегатов, приборов, тонкостенных деталей сложной формы при литье в землю; сплав АЛ4 — для изготовления высоконагруженных деталей ответственного назначения; сплав АЛ9 — для изготовления деталей средней нагруженности, но сложной конфигурации, а также для деталей, подвергающихся сварке. Недостатком сплава АЛ9 является склонность к газовой пористости.

Сплавы на основе алюминия и магния обладают наиболее высокой коррозионной стойкостью и более высокими механическими свойствами после термической обработки по сравнению с другими алюминиевыми сплавами, но литейные свойства их низкие. Наиболее распространены марки АЛ8 и А13. Из них изготовляют высоконагруженные детали, подверженные коррозионным воздействиям (детали для морских судов), а также детали, работающие при высоких температурах (головки цилиндров мощных двигателей воздушного охлаждения).

Сплавы на основе алюминия и меди (марки АЛ7, АЛ12, АЛ19) обладают невысокими литейными свойствами и пониженной коррозионной стойкостью, но высокими механическими свойствами. Эти сплавы применяются для изготовления отливок несложной формы, работающих с большими напряжениями (марка AЛ7), для отливки головок цилиндров маломощных двигателей воздушного охлаждения.

Сплавы на основе алюминия, меди и кремния характеризуются хорошими литейными свойствами, но коррозионная стойкость их невысокая. Эти сплавы широко применяют для изготовления отливок корпусов, арматуры и мелких деталей (сплавов AЛ3), отливок ответственных деталей, обладающих повышенной теплоустойчивостью и твердостью (сплав AЛ4), отливок карбюраторов и арматуры двигателей (сплав AЛ6).

К сплавам на основе алюминия, цинка и кремния относится сплав AЛ11 (цинковый силумин), обладающий высокими литейными свойствами, а для повышения механических свойств подвергается модифицированию; удельный вес его сравнительно высок— 2,9 Г/см³. Из этого сплава изготовляют отливки сложной конфигурации — картеры, блоки двигателей.

К жаропрочным сплавам относится литой сплав AЛ1, предназначенный для изготовления головок цилиндров, поршней, работающих при высоких температурах — до 300° С.

§ 3. Магний и его сплавы

Магний представляет собой легкий металл серебристого цвета, удельный вес его 1,74 Г/см³, температура плавления 650° С. При температуре, несколько превышающей температуру плавления, легко воспламеняется и горит ярко-белым пламенем.

В связи с малой прочностью и слабой стойкостью против коррозии магний в качестве конструкционного материала не применяется, в основном он используется для получения магниевых сплавов.

 

Магниевые сплавы являются весьма легкими конструкционными материалами, поэтому они находят широкое применение в авиационной и других отраслях промышленности.

По технологическому признаку магниевые сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы применяют для изготовления полуфабрикатов — прутков, полос, труб, листов и т. д., а также штамповок и поковок марок MA1, МА2, МАЗ, МА5, МА8.

Литейные магниевые сплавы нашли широкое применение для производства фасонного литья. Удельный вес этих сплавов колеблется в пределах 1,75—1,83 Г/см³, они хорошо обрабатываются резанием, но литейные свойства их ниже литейных свойств алюминиевых сплавов. К недостаткам литейных магниевых сплавов следует отнести пониженную коррозионную стойкость во влажной среде, поэтому литейные, как и деформируемые магниевые сплавы, защищают оксидными пленками и лакокрасочными покрытиями. Марки литейных магниевых сплавов: MЛ2, MЛ3, MЛ4, MЛ5, MЛ6.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответствующий сплав, буквы, указывающей способ получения (А — для деформируемых, Л — для литейных) и цифры, обозначающей порядковый номер сплава.

§ 4. Титан и его сплавы

Титан — металл серебристо-белого цвета, имеющий температуру плавления около 1680°С, удельный вес 4,5 Г/см³, механические свойства изменяются в зависимости от чистоты титана, коррозионная стойкость на воздухе и в морской воде очень высокая, не уступает стойкости нержавеющей стали и платины.

 

Титан характеризуется высокой пластичностью при горячей деформации (куется, прессуется, прокатывается), хорошо сваривается дуговой сваркой с применением защитной атмосферы и контактной сваркой без применения защитной атмосферы, удовлетворительно обрабатывается резанием.

Титан используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 350°С (в основном в химической промышленности), а его сплавы в авиационной промышленности, судостроении и специальном машиностроении.

Титановые сплавы стали применять в промышленности совсем недавно. Однако благодаря высоким механическим свойствам, малому удельному весу, высоким антикоррозионным свойствам и теплостойкости производство их непрерывно растет.

Титановые сплавы получают легированием титана алюминием, хромом, ванадием, молибденом, оловом, марганцем, железом и другими элементами. Титановые сплавы прочнее алюминиевых в 2—3 раза, магниевых в 5 раз и прочнее некоторых легированных сталей. Предел прочности титановых сплавов достигает 150 кГ/мм², многие эти сплавы подвергаются термической обработке. Титановые сплавы поддаются сварке и пайке в защитной или нейтральной среде.

Титановые сплавы применяют в виде листов, лент, прутков, поковок и штамповок, а также в виде фасонного литья.

По назначению титановые сплавы подразделяются на сплавы общего назначения (ВТ6), сплавы для листов (ОТ4, ВТ4, ВТ5) и жаропрочные сплавы (ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ8),