Цветные металлы и их сплавы

Оловянистые  бронзы можно разделить на несколько групп.

Первая группа -- литейные стандартные, предназначенные для получения разных деталей машин методами фасонного литья.БрОЗЦ12С5 Бр05Ц5С5 Бр04Ц4С17 Бр04Ц7С5 БрОЗЦ7С5Н1. К этим бронзам, помимо высоких литейных свойств, предъявляются следующие требования: хорошая обрабатываемость резанием, высокая плотность отливок, достаточная коррозионная стойкость, высокие механические свойства.

Вторая группа – литейные нестандартные ответственного назначения, обладающие высокими антифрикционными свойствами и хорошим сопротивлением истиранию. Эти сплавы применяют для изготовления подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях трения. Наибольшей прочностью в сочетании с высокими антифрикционными свойствами обладает бронза Бр010Ф1, что обусловлено высоким содержанием олова и легированием фосфором.

Третья группа – деформируемые, они отличаются от литейных более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением усталости. Основные легирующие элементы в деформируемых бронзах - олово, фосфор, цинк и свинец, причем олова в них меньше, чем в литейных бронзах. БрОФ6,5-0,4; БрОФ6,5-0,15; БрОФ4-0,25.

Четвертая группа – сплавы художественного литья (БХ1, БХ2, БХЗ).

Алюминиевые бронзы - сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является алюминий. Легирование двухкомпонентных алюминиевых бронз различными элементами заметно изменяет их свойства. Основными легирующими элементами сплавов Cu-Al являются железо, марганец и никель. В алюминиевых бронзах, как правило, содержание железа и никеля не превышает 5,5, марганца 3 % (по массе). Алюминиевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью в углекислых растворах, а также в растворах большинства органических кислот (уксусной, лимонной, молочной и др.), но неустойчивы в концентрированных минеральных кислотах. В растворах сернокислых солей и едких щелочей более устойчивыми являются однофазные алюминиевые бронзы с пониженным содержанием алюминия.

Алюминиевые бронзы менее других материалов подвергаются коррозионной усталости.

 

Таблица 2 – Характерные свойства бронзы

Марка бронзы	Характерные свойства	Виды полуфабрикатов
БрАМц9-2	высокое сопротивление при знакопеременной нагрузке	полосы, ленты, прутки, проволоки, поковки
БрАЖ9-4	высокие механические     свойства, хорошие    антифрикционные свойства, коррозионностойкая	прутки, трубы, поковки
БрАЖМц10-3-1,5	плохо   деформируется в холодном состоянии, деформируется в  горячем состоянии, высокая   прочность  при повышенных температурах, коррозионностойкая,  высокая  эрозионная  и кавитационная стойкости	прутки, трубы, проволоки, поковки
БрАЖН10-4-4	плохо   деформируется в холодном состоянии, деформируется в  горячем состоянии, высокая   прочность  при повышенных температурах, коррозионностойкая,  высокая  эрозионная  и кавитационная стойкости	прутки, трубы, поков

Кремнистые бронзы — бронзы, в  которых  основным легирующим компонентом является кремний, присутствующий в сплавах в количестве 3-4%, иногда до 5%. Наибольшая растворимость кремния в меди составляет 6,7% при темп-ре 726°; с понижением температуры растворимость падает и при 350° составляет 3,9%. Механические свойства меди, содержащей до 3% Si, улучшаются, увеличивается прочность и пластичность, но при дальнейшем повышении содержания кремния падает удлинение. 

Наиболее широко применяется кремнистая бронза марки БрКМцЗ-1, содержащая 1-1,5% Мп и 2,75-3,5% Si. В некоторых случаях используется кремнистоникелевая бронза БрКН1-3 (2,4-3,4% Ni; 0,6-1,1% Si; 0,1—0,4% Мп), являющаяся дисперсионно-твердеющим сплавом. Из нее изготовляются поковки и прутки. Закалка бронзы БрКН1-3 производится с 850-875°, отпуск при 450-475°, обработка давлением в интервале 800-960°. Бронза БрКМцЗ-1, выпускаемая в виде полос, лент, прутков и проволоки, имеет структуру однородного твердого раствора и легко обрабатывается давлением. В нагартованном состоянии применяется для пружин и пружинящих деталей, а также взамен оловяннофосфористых и оловянноцинковых бронз для деталей различного назначения. Из бронзы БрКН1-3 изготовляются износостойкие де тали, работающие при повышенных температурах .

Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно-упрочняемых сплавов, особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры, что позволяет управлять свойствами бронз, как при производстве проката, так и при изготовлении изделий. Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0 - 2,5% Be (БрБ2, БрБ2,5). Бериллиевые бронзы  применяют для ответственных деталей типа пружин, мембран, для инструмента  при взрывоопасных работах.

 

1.5.Медно-никелевые сплавы

 

Медно-никелевые сплавы— сплавы на медной основе и содержащие в качестве основного легирующего элемента никель. В результате смешивания меди и никеля полученный сплав обладает повышенной стойкостью против коррозий,  а  электросопротивление и прочность возрастают. Медно-никелевые сплавы существуют двух типов электротехнические и конструкционные.

Конструкционные сплавы обладают высокой стойкостью к коррозии. К конструкционным сплавом относятся нейзильбер и мельхиор.

Мельхиор – является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. Обычно в состав мельхиора входит 5-30 % никеля, ≤0,8 % железа и ≤1 % марганца, все остальное медь.

Нейзильбер — сплав меди с 5-35 % никеля и 13-45 % цинка.

Электротехнические сплавы обладают высоким электросопротивлением и термоэдс, к ниму относятся копель и константан.

Константан  - термостабильный сплав на основе меди (Cu) (около 59%) с добавкой никеля (Ni) (39—41%) и марганца (Mn) (1—2%). Сплав имеет высокое удельное электрическое сопротивление (около 0,5 мкОм·м), минимальное значение термического коэффициента электрического сопротивления, высокую термоэлектродвижущую силу в паре с медью, железом, хромелем.

Копель — сплав, состоящий из следующих элементов: Ni (43—44%); Fe (2—3%); остальное Cu.

Медно-никелевые сплавы применяются для электрических аппаратов и элементов таких как: реостаты, резисторы, термопар и т.д., используются в производстве посуды, медицинской промышленности, судостроении, художественных изделиях.  Также используются для чеканки монет. Плавят в пламенных, дуговых и индукционных печах.

 

2.Алюминий и  алюминиевые сплавы.

 

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 переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al2O3.

В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.

Процесс производства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначала осуществляется добыча необходимого сырья - бокситов, нефелинов и алунитов. Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получается глинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методом получают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимо примерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы в итоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксида алюминия.

Алюминиевые сплавы.

Одним из свойств, которое очень важно для конструкционных материалов, является их прочность. Нелегированный алюминий имеет предел прочности на растяжение около 90 МПа. Однако, небольшими добавками цинка,  меди, магния, хрома, а также подходящей термической обработкой можно получить алюминиевый сплав с прочностью до 600 МПа.    

Сплавы делятся на две основные категории: деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы разделяют по способу упрочнения: упрочняемые давлением (деформацией) и термоупрочняемые.

Другая классификация основана на ключевых  свойствах: сплавы низкой, средней или высокой прочности, повышенной пластичности, жаропрочные, ковочные и т.д.

Малолегированные и термически не упрочненные сплавы: Al-Mg и Al- Mn. Эти сплавы отличаются наиболее высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Упрочнение этих сплавов достигается нагартовкой. Они нашли наиболее широкое применение в виде листового материала, используемого для изготовления сложных по конфигурации изделий, получаемых путем горячей штамповки, глубокой вытяжке и прокатки.Из этих же сплавов путем прессования изготовляются трубы. Листовые материалы типа магналия обычно подвергаются точечной электросварке, тогда как для марганцовистых материалов можно применять любой вид сварки. Эти сплавы характеризуются сравнительно невысокой прочностью (не намного превосходящей прочность алюминия).

Cплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, : Al-Mg-Si-Cu-Mn (АВ, АК6, АК8); Марганец, в отличие от остальных элементов не только не ухудшает коррозионной стойкости алюминиевого сплава, но даже несколько повышает ее. Магний является полезным легирующим элементом. Не считая повышения коррозионного сопротивления, магний уменьшает удельный вес алюминиевого сплава (так как он легче алюминия), повышает прочность, не снижая пластичности. Сплавы АВ относятся к малолегированным сплавам , но применяются в термообработанном состоянии. Основным упрочнителем их является фаза Mg2Si, а также фаза CuAl2.Добавка марганца и хрома способствует измельчению структуры и некоторому повышению температуры рекристаллизации.По прочности сплавы АВ несколько уступают сплавам типа дуралюмин и сплавам АК6, АК8 а по пластичности превосходят последние. Сплавы типа авиаль нашли наиболее широкое применение для изготовления различных весьма сложных по форме полуфабрикатов, получаемых путем горячей штамповки, ковки, глубокой вытяжки и прокатки. Cплавы типа дуралюмин (Д1, Д6, Д16 и др), сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe (АК2, АК4, АК4-1), сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре.

Наиболее типичным представителем сплавов типа дуралюмин является сплав Д1.К этой же группе относятся сплавы Д6, Д16 и др. Следует отметить, что сплавы Д6 и Д16 обладают более высокой прочностью , чем сплав Д1. Большинство сплавов типа дуралюмин применяется в закаленном и естественно состаренном состоянии. Все эти сплавы имеют наибольшее распространение для изготовления труб, прутков, профилей и листов. По своей природе сплавы ДЗП и Д18П также относятся к числу сплавов типа дуралюмин , но они менее легированы и отличаются весьма высокой пластичностью.

Поэтому сплавы Д3П и Д18П нашли широкое применение в основном, для изготовления заклепок. Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe К этой группе относятся прежде всего сплавы АК3, АК4, АК4-1, которые по фазовому составу, следовательно и по свойствам, резко отличаются от сплавов типа дуралюмина. Эти сплавы нашли наиболее широкое применение для ковки штамповки поршней, картеров и др. деталей, работающих при повышенных температурах. Из сплавов АК4, АК4-1 изготавливают детали колес компрессоров, воздухозаборников, крыльчатки мощных вентиляторов, лопасти и другие детали, работающие при повышенных температурах. Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре. Из всех деформируемых сплавов наибольшую плотность имеют сплавы В95.

 

3.Титан и титановые сплавы.

 

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3, относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Модуль упругости у титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент линейного термического расширения - 8,15 х 106 К-1 (50% от коэффициента расширения аустенитной нержавеющей стали).  Титан обладает высоким удельным электросопротивлением. Титан - парамагнитный металл.

Титан - твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С. Титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).