Цветные сплавы

ЦИНК И ЦИНКОВЫЕ СПЛАВЫ

Цинк имеет гексагональную плотно упакованную решетку (ГПУ). Этим объясняется резкая анизотропия его свойств. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопластичен, а при 100–150 °С становится пластичным и может подвергаться обработке давлением — прокатке, прессованию, штамповке и глубокой вытяжке. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Чистый цинк рекристаллизуется в процессе обработки давлением и не нуждается в смягчающем отжиге. Отрицательное влияние на горячую обработку давлением оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199 °С, и особенно одновременное присутствие олова, свинца и кадмия, образующих с цинком сложную эвтектику с температурой плавления менее 150 °С. Поэтому содержание этих примесей строго ограничено как в цинке, так и в сплавах на его основе. Железо задерживает рекристаллизацию цинка.

Марки и химический состав (%)  ГОСТ 3640–94

Обозначение марок	Zn не менее	Примесь, не более
		Pb	Cd	Fe	Cu	Sn	As	Al	Всего
ЦВ00	99,997	0,00001	0,002	0,00001	0,00001	0,00001	0,0005	0,00001	0,003
ЦВО	99,995	0,003	0,002	0,002	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,005
ЦВ	99,99	0,005*	0,002	0,003	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,01
ЦОА	99,98	0,01	0,003	0,003	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,02
ЦО	99,975	0,013	0,004	0,005	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,025
Ц1	99,95	0,02	0,01	0,01	0,002	0,001	0,0005	0,005	0,05
Ц2	98,7	1,0	0,2	0,05	0,005	0,002	0,01	0,010**	1,3
Ц3	97,5	2,0	0,2	0,1	0,05	0,005	0,01	–	2,5

* В цинке, применяемом  для производства сплава марки  ЦАМ4-1о, массовая доля свинца должна быть не более 0,004 %.

** В цинке, применяемом  для проката, массовая доля алюминия  должна быть не более 0,005 %.

В цинке марки ЦВ00 массовая доля алюминия, висмута, никеля и сурьмы не должна превышать 0,00001% каждого. В цинке марки ЦВ00 и ЦВ0 по требованию потребителя массовая доля мышьяка не должна превышать 0,0005%.

Цинк марки ЦВ00 изготовляют в виде ЧУШЕК массой 4-5 кг и 8-10 кг. Цинк марок ЦВ0, ЦВ, Ц0А, Ц0, Ц1, Ц2, Ц3 изготовляют в виде ЧУШЕК массой 19-25 кг и БЛОКОВ массой 500, 1000 кг.

Цинк применяют: для горячего, химического и термодиффузионного оцинковывания стальных деталей; в полиграфической промышленности; для изготовления химических источников тока; как легирующий элемент в сплавах, в первую очередь в латунях (сплав системы Cu—Zn), и как основу для цинковых сплавов.

Цветная маркировка (чушки и блоки цинка маркируют по торцу краской)

ЦВ  ЦВ0  Ц0  Ц1  Ц2С  Ц3  Ц0А  Ц1С  Ц2  Ц3С

одна полоса желтого цвета  одна полоса голубого цвета  одна полоса белого цвета  одна полоса зеленого цвета  двойная полоса красного цвета  одна полоса коричневого цвета  не маркируют  двойная полоса белого цвета  одна полоса красного цвета  одна полоса черного цвета

для чушек марки ЦВ00 цветную маркировку двойной полосой голубого цвета наносят на тару или ярлык, прикрепленный к таре.

Характеристики физико-химических и механических свойств цинка

Плотность r , кг/м3	7130
Температура плавления Тпл, °С	419,4
Температура кипения Ткип, °С	907,0
Коэффициент линейного расширения a × 106, град–1	39,7
Удельная теплоемкость с, кал/(г × град), при 0°С	0,0915
Теплопроводность l , Вт/(м × град), при 25 °С	113,5
Удельное электросопротивление,Ом × мм2/м, при 20 °С	0,0591
Модуль нормальной упругости Е, МПа	88 000
Модуль сдвига G, МПа	37 700
Предел текучести σт, МПа:
литого	75
деформированного	80–100
Временное сопротивление разрыву σв, МПа:
литого	120–140
деформированного	120–170
отожженного	70–100
Относительное удлинение δ, %:
литого	0,3–0,5
деформированного	40–50
отожженного	10–20
Ударная вязкость литого цинка KCU, Дж/см2	6,0–7,5
Твердость, НВ:
литого	30–40
деформированного	35–45

Для повышения коррозионной стойкости и для декоративных целей на цинковые изделия наносят различные защитные покрытия. В зависимости от условий службы цинковых изделий применяют двух- или трехслойные защитные покрытия различных толщин. Как правило, в качестве покрытий используют медь, никель и хром.

 

 

Области применения цинка

ЦВ00	Для производства химически чистых реактивов для нужд электротехнической промышленности и для научных целей.
ЦВ0	Для нужд полиграфической и автомобильной отраслей промышленности.
ЦВ	Для отливаемых под давлением особо ответственных деталей, авиа- и автоприборов; для изготовления окиси цинка, применяемой в химико-фармацевтической промышленности; для химически чистых реактивов; для получения цинкового порошка, используемого в аккумуляторной промышленности.
Ц0А	Для цинковых листов, применяемых в производстве гальванических элементов, для отливаемых под давлением ответственных деталей авиа- и автоприборов; для изготовления цинковых сплавов, обрабатываемых давлением; для горячего и гальванического оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления цинкового порошка; для легирования алюминиевых сплавов; для изготовления цинковых белил.
Ц0	Для цинковых листов, применяемых в производстве гальванических элементов; для отливаемых под давлением ответственных деталей авиа- и автоприборов; для изготовления цинковых сплавов, обрабатываемых давлением, для горячего и гальванического оцинкования изделий и полуфабрикатов, в том числе на непрерывных агрегатах оцинкования; для изготовления муфельных и печных сухих цинковых белил; для изготовления цинкового порошка; для легирования алюминиевых сплавов.
Ц1	Для производства сплавов, обрабатываемых давлением (в том числе для цинковых листов); для изготовления гальванических элементов (отливки); для гальванического оцинкования в виде анодов; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов, в том числе на непрерывных агрегатах оцинкования; для изготовления муфельных и печных сухих цинковых белил; для специальных латуней; медно-цинковых сплавов; для приготовления флюса при лужении жести для консервных банок; для изготовления цинкового порошка, применяемого в химической и металлургической промышленности.
Ц2	Для производства цинковых листов, для медно-цинковых сплавов и бронз; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления проволоки для шоопирования; для изготовления цинкового порошка, применяемого, в химической и металлургической промышленности.
Ц3	Для производства цинковых листов, в том числе предназначенных для полиграфической промышленности, для обычных литейных и свинЦ0вых медно-цинковых сплавов; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления цинкового порошка, применяемого в металлургической промышленности.

---

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЦИНКА

Сплавы цинковые относятся к легкоплавким сплавам, основные легирующие элементы – алюминий, медь и магний (добавка магния до 0,1 % повышает размерную стабильность литых деталей и увеличивает коррозионную стойкость сплавов). Наиб. вредные примеси - Pb, Fe, Cd, Sn и Сu, вызывающие межкристаллитную коррозию; в Ц. с. их содержание не превышает 0,001-0,05%.

У цинковых сплавов низкая температура плавления, в расплавленном состоянии они обладают хорошей текучестью, их легко обрабатывать резанием и давлением, они хорошо паяются и свариваются.

Цинковые сплавы по своему назначению подразделяются на:

Деформируемые цинковые сплавы содержат от 13% до 17% алюминия, 4,5%-5% меди и 0,05% магния. По своим механическим свойствам они подобны латуням. Основа деформируемых Ц. с.- твердый р-р легирующих элементов в Zn, имеющий ГП-решетку. Предел прочности 300-480 МПа, относит. удлинение 8-30%, твердость по Бринеллю НВ 750-1150 МПа. Слитки деформируемых Ц. с. получают методами наполнительного и полунепрерывного литья; из слитков затем изготовляют разл. полуфабрикаты (листы, полосы, прутки и др.).

Литейные цинковые сплавы содержат от 3,5% до 4,3% алюминия, 0,6%-3,5% меди и 0,03%-0,06% магния. Эти сплавы отличаются высокой текучестью в расплавленном виде, они хорошо заполняют литейную форму, не взаимодействуют с металлом камеры прессования и пресс-формой, что позволяет получать отливки - сложные по форме и точные по размерам с тонкими стенками, поверхность которых не требует обработки. Изделия из этих сплавов получают, как правило, литьем под давлением, реже - литьем в песчаные или металлические формы. В структуре помимо твердого р-ра на основе Zn присутствуют разл. эвтектич. составляющие.

Антифрикционные цинковые сплавы содержат от 9% до 12% алюминия, 1%-5,5% меди и 0,03%-0,06% магния. Эти сплавы обеспечивают низкий коэффициент трения и необходимую прирабатываемость подшипника к шейке вала. В структуре содержат мягкую (твердый р-р на основе Аl) и твердую (твердый р-р на основе Zn и CuZn3) составляющие, обеспечивающие соотв. прирабатываемость подшипника к шейке вала и низкий коэф. трения (0,009). По сравнению с Sn-бронзами и Рb-баббитами имеют более высокий коэф. термич. расширения. Получают методами литья и обработки давлением. Используют в качестве моно- и биметаллич. вкладышей и втулок подшипников, направляющих скольжения; заменяют Sn-бронзы и Pb-баббиты в узлах трения металлорежущих станков, прессов, подъемно-транспортных машин и механизмов.

Припои отличаются разнообразным составом - помимо Аl (от 2-3 до 19-21%) и Сu (от 3-5 до 14-16%) могут содержать Cd (от 20-25 до 39-41%) и Sn (от 0,5 до 15-40%), а также 4-5% Ag, 0,5-1,5% Pb и др. В структуре содержат разл. эвтектич. составляющие. Интервал кристаллизации от 163-346 (Ц. с. с Cd и Sn) до 480-490 °С (с А1 и Сu).  
Применяют при пайке изделий из Аl-, Mg- и Zn-сплавов. При содержании Sn>30% Ц. с. обладают наиб. высокой прочностью и достаточной пластичностью, однако во влажной атмосфере паянные этими припоями места соединения нуждаются в защите от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий. 

Типографские цинковые сплавы содержат от 2,2% до 7,5% алюминия, 0,06%-4,5% меди или 1,2%-1,8% магния. Применяются в полиграфии при отливке шрифтов машинного и ручного набора. Отличаются высокими литейными свойствами сопротивляемостью истиранию и хорошей текучести в жидком состоянии и служат заменителями токсичных свинцовых сплавов.

Протекторные Ц. с. содержат 0,2-0,7% Аl и добавки Mg и Мn (по 0,2%) или Т1 и Si (до 0,1% каждого). Применяются для защиты от коррозии подводной части и внутр. пов-сти отсеков морских судов, металлич. резервуаров и сооружений. От аналогичных Аl- и Mg-сплавов отличаются пожаро- и взрывобезопасностью, при анодном растворении не выделяют Н2, незначительно изменяют рН окружающей среды. Имеют стационарный отрицат. потенциал 800-820 мВ, рабочий - 730-750 мВ, фактич. токоотдачу 740-780 а х ч/кг и уд. расход 11,2-11,8 кг/(А х г). Недостатки Ц. с.: невысокая стойкость против коррозии (особенно во влажной атмосфере и при нагревании), к-рую повышают нанесением металлич. (Cr, Ni, Cd) и лакокрасочных покрытий, а также изменение мех. св-в и размеров в результате естественного старения.

Полуфабрикаты и изделия из Ц. с. подвергают разл. видам термич. обработки. Гомогенизационный отжиг литых Ц. с. проводят при 320-340 °С, рекристаллизационный (для повышения пластичности и уменьшения анизотропии мех. св-в) -при ~ 200 °С. Для стабилизации размеров отдельные Ц. с. подвергают закалке от 360 °С и старению в течение 3-10 ч при 60-100 °С.

Цинковые литейные сплавы. Эти сплавы выпускаются промышленностью в соответствии с ГОСТ 25140–93. Марки и химический состав литейных цинковых сплавов представлены в таблице.

 

Марки и химический состав (%) литейных цинковых сплавов (ГОСТ 25140–93)

Марки сплавов	Основных компонентов						Примесей, не более
	Al	Cu	Mg	Fe	Zn	Cu		Pb	Cd	Sn	Fe	Si	Pb + Cd + Sn
ZnA14A*	3,5–4,5	–	0,02–0,06	–	Основа	0,06		0,004	0,003	0,001	0,06	0,015	0,007
ЦА4 о	3,5–4,5	–	0,02–0,06	–		0,06		0,005	0,003	0,001	0,06	0,015	0,009
ЦА4	3,5–4,5	–	0,02–0,06	–		0,06		0,01	0,005	0,002	0,07	0,015	–
ZnA14Cu1A*	3,5–4,5	0,7–1,3	0,02–0,06	–		–		0,004	0,003	0,001	0,06	0,015	0,007
ЦА4М1о	3,5–4,5	0,7–1,3	0,02–0,06	–		–		0,005	0,003	0,001	0,06	0,015	0,009
ЦА4М1	3,5–4,5	0,7–1,3	0,02–0,06	–		–		0,01	0,005	0,002	0,07	0,015	–
ЦА4М1в	3,5–4,5	0,6–1,3	0,02–0,10	–		–		0,02	0,015	0,005	0,12	0,03	–
ZnA14Cu3A*	3,5–4,5	2,5–3,7	0,02–0,06	–		–		0,004	0,003	0,001	0,06	0,015	0,007
ЦА4М3 о	3,5–4,5	2,5–3,7	0,02–0,06	–		–		0,006	0,003	0,001	0,06	0,015	0,009
ЦА4М3	3,5–4,5	2,5–3,7	0,02–0,06	–		–		0,01	0,005	0,002	0,07	0,015	–
ЦА8М1	7,1–8,9	0,70–1,40	0,01–0,06	–		–		0,01	0,006	0,002	0,10	0,015	–
ЦА30М5	28,5–32,1	3,8–5,6	0,01–0,08	0,01–0,5		–		0,02	0,016	0,01		0,075	–

Примечания:

1. По требованию потребителя в сплавах марок ZnA14A, ЦА4 о, ЦА4 допускается массовая доля меди как легирующего элемента до 0,10 %.
2. По согласованию изготовителя с потребителем в сплавах марок ЦА4М3о допускается массовая доля олова до 0,002 %, кадмия — до 0,004 % при сумме примесей свинца, кадмия и олова не более 0,009 %.
3. По требованию потребителя в сплавах марок ЦА4, ЦА4М1 и ЦА4М3 массовая доля свинца должна быть не более 0,006 %.
4. Определение химического состава сплавов проводят по ГОСТ 25284.0–ГОСТ 25284.8. Допускается определять химический состав другими методами, обеспечивающими точность, не ниже приведенной в указанных стандартах. При возникновении разногласий в оценке химического состава определение проводят по ГОСТ 25284.0–ГОСТ 25284.8.
5. * Сплавы, изготовляемые по согласованию потребителя с изготовителем.

Все литейные цинковые сплавы имеют очень узкий температурный интервал кристаллизации, содержат много эвтектики,  поэтому обладают хорошей жидкотекучестью и дают плотные отливки. Лучшими способами получения отливок являются литье под давлением и литье в кокиль. Относительно низкая температура литья (440–470 °С) определяет легкие условия работы пресс-форм и кокилей, а высокая жидкотекучесть позволяет отливать тонкостенные детали сложной формы. В некоторых случаях (детали особо сложной конфигурации) применяется литье в песчаные формы. Отливки, полученные таким способом, содержат большое количество пор, имеют более крупнозернистую структуру, что приводит к снижению и значительному разбросу характеристик механических свойств.

В процессе естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров (усадка) отлитых деталей (на 0,07–0,09 %). Две трети усадки происходит в течение 4–5 недель, остальное — в течение многих лет. Для стабилизации размеров применяют термообработку — отжиг (3–6 ч при 100 °С, или 5–10 ч при 85 °С, или 10–20 ч при 70 °С).

Механические свойства цинковых сплавов

Марка сплавов	Способ литья	Механические свойства, не менее
		Временное  сопротивление,МПа (кгс/мм2)	Относительное  удлинение, %	Твердость, НВ
ZnA14A	K	196 (20)	1,2	70
ЦА4 о, ЦА4	Д	256 (26)	1,8	70
ZnA14Cu1A,ЦА4М1 о,  ЦА4М1	КД	215 (22)270 (28)	1,01,7	8080
ЦА4М1в	КД	196 (20)	0,5	65
ZnA14Cu3A,	П	215 (22)	1,0	85
ЦА4М3 о	К	235 (24)	1,0	90
ЦА4М3	Д	290 (30)	1,5	90
ЦА8М	КД	235 (24)270 (28)	1,51,5	7090
ЦА30М5	КД	435 (44)370 (38)	8,01,0	115115

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения способов литья: П — литье в песчаные формы; К — литье в кокиль; Д — литье под давлением.

Характеристики физических свойств литейных цинковых сплавов (ГОСТ 25140–93)

Марка сплава	Плотность, (кг/м3) 10–3	Температурный интервал затвердевания,°С	Удельная  теплоемкость  при 20 °С,Дж/кг град–1	Теплопро-водность,  Вт/м  град–1	Температурный коэффициент  линейного расширения  в интервале температур 20–100 °С, a ×10–6, град–1
ЦА4	6,7	380–386	410	113	26,0
ЦА4М1	6,7	380–386	440	109	26,5
ЦА4М3	6,8	379–389	427	105	29,5
ЦА8М1	6,3	375–404	–	–	–
ЦА30М5	4,8	480–563	–	–	–

 

Цинковые сплавы могут подвергаться сварке и пайке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как сварные и паяные швы имеют низкую прочность. Оловянно-свинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные детали с использованием флюса — подкисленного хлористого цинка. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5 % Cd + 17,5 % Zn. В этом случае флюс не требуется. Сварку ведут в восстановительном пламени с использованием присадки из того же сплава, что и свариваемые детали.

ПРИМЕНЕНИЕ. До 20% всего объема цинка, используемого в различных отраслях промышленности, идет на производство литейных сплавов и различных припоев, применяемых для пайки металлов. В частности цинк, в различных пропорциях используется в производстве такого медного сплава, таких, как латунь. Латуни обладают хорошей коррозийной стойкостью и электрической проводимостью, они имеют широкое применение в промышленности и в быту. Наибольшее распространение получили антифрикционные цинковые сплавы для изготовления литых монометаллических и биметаллических трущихся деталей. Они используются в подшипниках железнодорожных вагонов, большегрузных автомобилей, землечерпалок и угледробилок. Кроме того, цинковые сплавы используют для отливки корпусов карбюраторов, насосов, решеток радиаторов и приборов. Также из цинковых сплавов изготавливают вкладыши и втулки подшипников, детали пылесосов, холодильников, стиральных машин и т. д.

Наиболее широко литейные цинковые сплавы используются в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлических тормозов, а также в других отраслях промышленности, бытовой технике для отливки деталей приборов, корпусов, арматуры и т. д. Рекомендации по применению представлены в таблице.

Рекомендации по применению цинковых сплавов (ГОСТ 25140–93)

Марка сплава	Характерные свойства	Область применения
ZnA14A	Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, стабильность размеров	В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки деталей приборов, требующих стабильности размеров
ЦА4 о	Хорошая жидкотекучесть, хорошая коррозионная стойкость, стабильность размеров
ЦА4	Как для марки ЦА4 о, но с меньшей коррозионной стойкостью
ZnA14Cu1A	Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, практически неизменяемость размеров при естественном старении	В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки корпусных, арматурных, декоративных деталей, не требующих повышенной точности
ЦА4М1 о	Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, практически неизменяемость размеров при естественном старении
ЦА4М1	Как для марки ЦА4М1 о, но с меньшей устойчивостью размеров	В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки корпусных, арматурных, декоративных деталей, не требующих повышенной точности
ЦА4М1в	По технологическим и эксплуатационным свойствам уступает предыдущим маркам сплавов этой группы	В различных отраслях промышленности для литья неответственных деталей
ZnAl4Cu3A	Хорошая жидкотекучесть, высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, изменяемость размеров до 0,5 %	В автомобильной и других отраслях промышленности для изготовления деталей, требующих повышенной точности
ЦА4М3 о	Хорошая жидкотекучесть, высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, изменяемость размеров до 0,5 %
ЦА4М3	Как для марки ЦА4М3 о, но с пониженной коррозионной стойкостью
ЦА30М5	Предназначены для замены стандартного антифрикционного сплава ЦАМ10-5, значительно превосходят его по механическим свойствам и износостойкости	Вкладыши подшипников, втулки балансированной подвески, червячные шестерни, сепараторы подшипников качения
ЦА8М1	Как для марки ЦА4М1, но с более высокими прочностными свойствами	В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности

 

Эти сплавы нельзя использовать в условиях повышенных и низких температур, так как уже при температуре 100 °С их прочность снижается на 30 %, твердость на 40 %, а при температуре ниже 0 °С они становятся хрупкими.

В процессе естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров отлитых изделий (на 0,07—0,09%), Две третьих усадки происходит в течение 4—5 недель, остальная — в течение многих лет. Для стабилизации размеров применяют термообработку — отжиг (3—6 ч при 100° С, или 6—10 ч при 85° С, или 10—20 ч при 70° С). Сплавы могут подвергаться пайке и сварке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как паяные швы имеют низкую прочность. Оловянно-свинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные сплавы. Флюс — подкисленный хлористый цинк. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5% Cd, 17,5% Zn. В этом случае флюс не требуется. Сварку ведут в восстановительном пламени. Электроды и изделие изготовляют из одного сплава. Наиболее широко литейные цинковые сплавы используют в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлического тормоза, различных декоративных деталей. Помимо этого сплавы применяют для отливки деталей стиральных машин, пылесосов, пишущих машинок, кассовых аппаратов, миксеров, корпусов электрических часов, различного кухонного оборудования и т. д. Эти сплавы нельзя использовать в условиях повышенных и низких температур, так как уже при температуре 100° С прочность снижается на 30%, твердость — на 40%, а при температуре ниже 0° С они становятся хрупкими. Цинковые антифрикционные сплавы Наибольшее распространение получили антифрикционные цинково-алюминиево-медные сплавы. Их применяют как в литом, так и в деформированном (прокатанном или прессованном) состоянии.

Отличаясь высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью при комнатной температуре, эти сплавы служат хорошими заменителями бронз при работе в узлах трения, температура которых не превышает 80—100° С. При более высоких температурах сплавы сильно размягчаются и намазываются на вал. ГОСТ предусматривает две марки сплава—ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5.     У цинковых сплавов высокий коэффициент линейного расширения, что следует учитывать при установлении величины зазора в подшипнике. Из цинковых антифрикционных сплавов в основном изготавливают литые монометаллические и биметаллические детали. Из сплава ЦАМ 10-5 изготавливают прокат. При изготовлении литых деталей используют чушковые сплавы либо приготавливают сплав из первичных материалов с использованием оборотов литейного производства и переплава. Плавку рекомендуется проводить под слоем древесного угля. В качестве флюса принимают хлористый аммоний в количестве 0,1—0,2% от массы плавки. Большее количество флюса добавляют при загрязненной шихте. Металл нельзя перегревать выше 480°С, так как при более высокой температуре происходит сильное насыщение расплава газами. Температура литья цинковых антифрикционных сплавов — 440—470 градусов С. Монометаллические литые детали можно получать отливкой в землю, в кокиль, центробежным способом и литьем под давлением. При разработке технологии отливки изделий следует учитывать, что сплавы ЦАМ 9-1,5 и ЦАМ 10-5 склонны к образованию горячих трещин, поэтому следует избегать форм, создающих затрудненную усадку. Изделия, отлитые в землю, отличаются от изделий, полученных кокильным литьем, большим количеством пор и более крупными размерами зерен. Наблюдается значительный разброс характеристики механических свойств. Поэтому литье в землю целесообразно применять только для деталей сложной конфигурации, которые трудно отливать в кокиль. При центробежном литье (линейная скорость на периферии 6—8 м/с, скорость литья 2—2,5 кг/с) следует учитывать возможность получения в отливке зоны столбчатых кристаллов с пониженными механическими свойствами. С увеличением скорости структура становится мелкозернистой, но наблюдается заметная ликвация структурной составляющей сплава, богатой алюминием. Поэтому для получения ответственных деталей центробежное литье нужно применять с осторожностью. Биметаллические литые детали, состоящие из цинкового антифрикционного сплава и стали, изготовляют путем заливки сплава на сталь через подслой чистого цинка, наносимого способом горячего цинкования. Для получения прочного соединения необходимо обезжирить и протравить стальную поверхность. После флюсования (температура флюса не должна превышать 150° С) стальное основание подогревают, оцинковывают (в цинковую ванну добавляют 0,5% алюминия; содержание железа в ванне не должно превышать 0,5%), устанавливают в форму и заливают сплавом. Существенно повышается коэффициент использования металла при изготовлении деталей из проката. Сплав ЦАМ 9-1,5 хорошо обрабатывается вхолодную, тогда как вырубку и штамповку сплава ЦАМ 10-5 лучше проводить при температуре 100—150° С, при которой этот сплав весьма пластичен. Биметаллический прокат с обоими сплавами обрабатывается без осложнений вхолодную. Усталостная прочность деформированных сплавов, особенно в биметалле, намного выше, чем литых сплавов. Поэтому изделия из них также могут работать в более тяжелых условиях. При работе цинкового сплава в паре со стальным валом твердость последнего должна быть не ниже НВ 300. По возможности в конструкции монометаллических трущихся деталей следует избегать бортов, резких переходов и т. д., так как цинковые сплавы плохо сопротивляются усталостным разрушениям в условиях воздействия больших изгибающих усилий.

 
МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

 

МАГНИЙ

Открыт в 1808 г. Производство началось с 30-х гг. 20 в.

r=1,7 г/см3 (min среди промышленных сплавов). Решетка гексагональная, аллотропии не имеет. tпл = 651 С, не устойчив к коррозии, окисная пленка MgO защитными свойствами не обладает ( ее плотность 3,2 г/см3, растрескивается).

Чем выше температура, тем выше скорость окисления Mg и выше 500 С он горит ярким пламенем.

Пластичность и прочность очень малы, применять в качестве конструкционного материала нельзя. Применяется в пиротехнике, как модификатор и раскислитель.

 

СПЛАВЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ:

а) по способу производства:

• деформируемые (маркируются МА);
• литейные (МЛ).

б) по плотности:

• сверхлегкие (Mg-Li до 12 %);
• легкие (остальные)

в) по tэкспл:

• общего назначения, для работы при обычных t;
• жаропрочные (до 200С);
• высокожаропрочные (250-300 С);
• для криогенных t.

г) по химсоставу.

 

Л.Э.

Основные: Al, Mn, Zn – образуют ограниченные твердые растворы.

Поэтому возможна ТО: закалка + старение.

Al и Zn также образуют с Mg интерметаллиды, поэтому являются  главными упрочнителями.

Mn повышает коррозионную стойкость и теплостойкость, измельчает зерно.

Li повышает модуль упругости  и пластичность.

 

Необходимые добавки: вводятся в малых количествах.

Be, Ca, Ce, La  уменьшают воспламеняемость  при разливке.

Ce, Zr, Th, Nd  повышают теплопрочность.

 

Общие сведения о сплавах магния

+

1. Высокая удельная прочность.
2. Хорошее поглощение вибраций.
3. Хорошо обрабатываются резанием и давлением.
4. Работают до –196 С. Пластичность со снижением t почти не падает.
5. При сварке прочность сварного шва у МА =0,9 основного металла, а у МЛ даже выше (из-за мелкозернистости).

 

 

-

1. Низкая коррозионная стойкость (особенно под напряжением). В конструкциях избегают таких форм, где может остаться вода, напр., в пазах. Недопустим контакт со сталью, алюминием и его сплавами, медью, никелем и их сплавами.
2. Низкий модуль упругости Е=45 ГПА, G=17Гпа.
3. Высокая анизотропия свойств (из-за гексагональной решетки).

 

 

ТО

Упрочнение от ТО закалка + старение намного менее значительно, чем у Al сплавов.

1. Гомогенизирующий отжиг для повышения пластичности при ГОМД. При кристаллизации образуется сильная ликвация л.э. Гомо-отжиг совмещают с нагревом под ГОМД.
2. Рекристаллизационный отжиг 250-350 С для уменьшения анизотропии свойств полуфабрикатов, повышения пластичности.
3. Отжиг для снятия напряжений t<tрекр. отж. после механической обработки.
4. Закалка – фиксация пересыщенного твердого раствора. Из-за малой скорости диффузии л.э. в Mg, производится на воздухе или в кипящей воде. Повышает одновременно и пластичность и прочность.
5. Старение:

• естественное, существует только у сплавов Mg-Li.

• искуственное. Эффект упрочнения 25-30% основан на выделении интерметаллидных упрочняющих фаз.

Обозначения:

Т1 – искусственное старение без закалки.

Т2- отжиг.

Т4 – закалка.

Т6 – закалка на воздухе + старение.

Т61 – закалка в кипящей воде + старение.

 

6. ТМО: закалка + ХПД (6,5-10%) + искусственное старение.

ХПД создает повышенную плотность дефектов кристаллической решетки, обеспечивающую более равномерный и полный распад пересыщенного твердого раствора. Дисперсные частицы равномерно распределяются в зернах и препятствуют перемещению дислокаций. Эффект устойчив до 250 С. При 300 С происходит быстрая коагуляция упрочняющих фаз.

 

Применение

МА подвергаются прокатке, прессованию, ковке, штамповке. Полуфабрикаты: полосы. прутки, трубы, плиты, листы, поковки, штамповки.

МЛ – фасонное литье.

Стоимость обычного сплава в 3 раза ниже, чем сплава с добавками Zr и Nd.

Mg сплавы понижают вес  конструкций в авиации. Колеса  и вилки шасси, передние кромки  крыла, рычаги, корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т.д. Высокопрочные МЛ – для нагруженных деталей самолета и двигателя (корпуса компрессоров, картеров, ферм шасси и т.д.).

 

 

Деформируемые

МА8: Mn повышает коррозионную стойкость и свариваемость

          Се повышает  sв, s0,2 , d.

ТО неупрочняемый. К Коррозии не склонен. Листы, трубы, профили для обшивки.

 

МА2-1: прочность и пластичность повыше, высокотехнологичен.

То не упрочняется. Склонен к коррозии под напряжением (снизить можно, повышая чистоту сплава).

 

МА19: высокие мехсвойства. Zn – упрочнитель, Zr – повышает прочность и коррозионную стойкость, связывая вредные примеси и водород, оседая с ними на дно при литье.  Nd – повышает жаропрочность.

ТО – ГОМД + искусственное старение Т1.

 

МА12: Высокая жаропрочность.

ТО – НТМО и ВТМО.

 

МА18: Самая малая плотность среди всех промышленных сплавов 1,5 г/см3. Высокопластичен, хорошая КСU, высокий модуль упругости. Чем больше лития, тем ниже прочность.

 

ИМБ6 (персп.): технологичен, упрочняется ТО. Особенно высокая прочность после НТМО.

 

Литейные

Химсостав близок к химсоставу деформируемого аналога, иехсвойства, особенно пластичность, ниже. Это связано с грубой литой структурой

ТО – закалка, гомогенизирующий отжиг – приводят к растворению избыточных фаз по границам зерен, что повышает пластичность и прочность. Также свойства повышаются при измельчении зерна, для этого в плавку вводят модификаторы: мел, магнезит, Zr.

      Закаленный  (пересыщ. a)

         

     Литой (a + Mg4Al3)       

МЛ4: наилучшие литейные свойства, малая линейная усадка, хорошая жидкотекучесть, малая склонность к рыхлотам. Для сложных ответственных отливок.

 

МЛ12: хорошие литейные свойства, мехсвойства повыше. Высокая плотность отливок. ТО: закалка + искусственное старение (Т6). Жаропрочный, сваривается плохо (горячие трещины).

 

МЛ19: высокая жаропрочность (кратковременно до 400С), с повышением t интерметаллиды не коагулируют.

 

 

Система	Марка	Al%	Mn,%	Zn,%	проч.,%	s0,2 МПа	sв МПа	d, %	tраб
Деформируемые
Mg-Mn	МА8	-	1,3-2,2	-	0,15-0,35Ce	120-150	240-260	7-12	200*
Mg-Al-Zn-Mn	МА2-1	3,8-5,0	0,3-0,7	0,8-1,5	-	160-180	260-280	10 - 12	150
Mg-Zn-Zr	МА19	-	-	5,5-7,0	0,5-1,0 Zr 1,4-2,0 Nd 0,2-1,0 Cd	330-360	380-400	5-8	150
Mg-РЗМ	МА12	-	-	-	2,5-3,5 Nd 0,3-0,8 Zr	140	280	14	300
Mg-Li	МА18	0,5-1,0	0,1-0,4	2,0-2,5	10-11,5 Li 0,15-0,35Ce	110-170	150-220	15-40	*
Mg-Y-Cd	ИМБ6	-	0,4-0,6	-	7,8-9,0 Y 0,2-0,5 Cd	350-370	400-420	3-5	-
Литейные
Mg-Al-Zn	МЛ4	5-7	0,15-0,5	2-3	-	-	160	3	150
Mg-Zn-Zr	МЛ12	-	-	4-5	0,6-1,1 Zr	-	230	5	200
Mg-РЗМ-Zn	МЛ19	-	-	0,1-0,6	1,4-2,2 Y 1,6-2,3 Nd	-	250	5	300

 

Магний и его сплавы

Технология термической обработки литейных сплавов Термической обработке магниевые литейные сплавы подвергают для повышения механических свойств и уменьшения остаточных напряжений. Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки и последующего искусственного старения. Для уменьшения остаточных напряжений используют отжиг (режим Т2). Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут реагировать с атмосферой печи, то при нагреве используют только электрические печи.  Для предотвращения перегревов и возгорания магния нагревательные элементы должны быть тщательно экранизированы. Экраны и кожух печи изготовляют из нержавеющей стали. Нагрев полуфабрикатов из магниевых сплавов в жидких селитровых ваннах запрещен во избежание взрыва и пожаров.  Отливки загружают в печь в специальных ящиках или  этажерках. Отливки сложной конфигурации следует загружать в специальных приспособлениях, предотвращающих коробление. Перед загрузкой в печь отливки очищают от магниевой стружки и тщательно просушивают во избежание окисления.

Взаимодействие магния и его сплавов с газами При термической обработке магниевые сплавы взаимодействуют с газами, составляющими атмосферу печи. При взаимодействии с кислородом образуется оксид магния MgO. Образование оксида происходит с существенным уменьшением объема; поэтому магний должен значительно окисляться. Тем не менее до температур 450—475 °С оксидная пленка оказывает защитное действие. Это, по-видимому, связано с тем, что при небольшой толщине оксидной пленки возникающие в ней растягивающие напряжения не нарушают ее целостности. Поэтому при термической обработке магниевые сплавы можно нагревать до указанных температур без применения защитных атмосфер,  а сплавы МА11, МА12, ВМД9, МА14 даже до 490—535 °С. Образование достаточно толстой оксидной пленки при более высоких температурах нагрева вызывает увеличение напряжений до уровня, когда релаксация напряжений, связанная с образованием когерентных границ между оксидом и основным металлом, недостаточна для сплошности. Оксидная пленка разрушается и не защищает металл от окисления.  Никель, медь, галлий, цинк, олово и алюминий увеличивают скорость окисления магния. В настоящее время установлен лишь один элемент, уменьшающий скорость окисления магния: это бериллий. Он является по отношению к магнию поверхностно-активным элементом и поэтому концентрируется в поверхностных слоях оксидной пленки. Оксид бериллия образуется с увеличением объема в отличие от оксида магния и поэтому способствует увеличению защитных свойств оксидной пленки. Интенсивность взаимодействия магниевых сплавов с кислородом при повышении влажности воздуха существенно уменьшается. В широком температурном интервале скорость окисления магния во влажном воздухе примерно в два раза меньше, чем в сухом воздухе, поскольку во влажном воздухе пленки оксида магния образуется пленка Mg(OH)2 с большим удельным объемом. При температурах термической обработки магниевые сплавы слабо реагируют с азотом. Значительные загрязнения азотом, приводящие к ухудшению механических свойств, возможны лишь при температурах, близких к температуре плавления магния.

Выбор режимов термической обработки магниевых сплавов

У термической обработки магниевых и алюминиевых сплавов много общего, поскольку в этих металлах отсутствуют полиморфные превращения и они имеют близкие температуры плавления. На режимы термической обработки магниевых сплавов также существенно влияют пониженные коэффициенты диффузии большинства компонентов в твердых растворах магния. Низкие скорости диффузионных процессов в твердом магнии приводят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию дендритной ликвации, облегчают фиксацию пересыщенных твердых растворов при закалке, затрудняют распад пересыщенных растворов при старении.

Дендритная  ликвация  вызывает  снижение  механических свойств  и  технологической  пластичности  слитков.   Поэтому перед  деформацией   они подвергаются гомогенизационному отжигу. Часто гомогенизационный отжиг совмещают с нагревом под деформацию. Магниевые сплавы подвергают также рекристаллизацион-ному отжигу, при выборе режимов которого необходимо учитывать склонность к росту зерна при повышенных температурах. Рекристаллизационный отжиг снижает прочность, повышает пластичность магниевых сплавов и значительно устраняет анизотропию свойств полуфабрикатов в продольном и поперечном направлениях. Полуфабрикаты, подвергнутые рекристаллизационному отжигу, в маркировке после обозначения марки сплава содержат букву «М» (например, МА8М).

Деформированные полуфабрикаты из магниевых сплавов отжигают также для снятия остаточных напряжений. Эту обработку проводят при температурах более низких, чем используемые для рекристаллизационного отжига, сразу же после технологической обработки, создающей остаточные напряжения. Магниевые сплавы подвергаются также закалке и старению для повышения прочностных свойств. Критические скорости охлаждения невысоки, и фиксация при закалке гомогенного состояния, соответствующего температуре нагрева под закалку, происходит уже при охлаждении в воздухе. Лишь для некоторых сплавов необходимо охлаждение струями воздуха или подогретой до температур 80—95 °С водой. 

Закалка существенно повышает прочностные свойства сплавов, а иногда и пластические; особенно это относится к литейным сплавам . При нагреве литейных сплавов под закалку при достаточно высоких температурах сетка выделений по границам зерен рассасывается и происходит частичная гомогенизация, поэтому и возрастает пластичность.

Естественное старение большинства магниевых сплавов после закалки не происходит, и выдержка закаленных полуфабрикатов при комнатной температуре в течение длительного времени не изменяет структуры и свойств. Продолжительность искусственного старения магниевых сплавов значительно больше, чем для алюминиевых. Искусственное старение магниевых сплавов повышает прочностные свойства закаленного материала, но эффект упрочнения сравнительно невелик. Характер выделений при старении зависит от скорости охлаждения после нагрева под закалку. При медленном охлаждении превалирует прерывистый распад, при котором образуется структура, аналогичная перлитной структуре стали. При больших скоростях охлаждения с закалочных температур последующее старение приводит к непрерывному распаду, когда выделяющиеся частицы стабильной фазы равномерно распределяются по объему матрицы. В общем случае, чем больше степень непрерывного распада по сравнению с прерывистым, тем выше прочностные и пластические свойства магниевых сплавов. 
Магниевые сплавы применяют главным образом как жаропрочные, поэтому температура старения должна быть выше рабочих температур данного сплава с тем, чтобы в условиях эксплуатации не произошло слишком быстрой коагуляции упрочняющих фаз. 
Эффект закалки и старения магниевых сплавов с содержанием легирующих элементов, близким к максимальной растворимости, существенно зависит от температуры нагрева под закалку, поэтому их нагревают до температур, близких к температуре солидуса или нонвариантных реакций  (на 5—10 °С ниже ее). Вследствие этого перепад температур в различных зонах печи во избежание пережога должен быть не более 
±5 °С.Поскольку повышение прочностных характеристик магниевых сплавов при закалке по сравнению со свойствами отожженого или литого металла весьма велико, а старение не вносит значительного дополнительного упрочнения, магниевые сплавы часто подвергают только закалке, а фасонные отливки — гомогенизации с охлаждением на воздухе. 

 

 

НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ

Никель относится к семейству железа. Ат.№28, ГЦК, Е=196 ГПа, t0пл = 14550 С.

r=8,9 г/см3

Химически неактивен, окисляется меньше железа, при комнатной t0 образуется оксидная пленка, стойкая в воде, растворах солей, щелочах.H2SO4 и HCl медленно растворяют  Ni. В HNO3 нестоек.  При нагревании коррозионностоек до 800 С.

sв = 450 МПа, d=30%.

Легирующие элементы.

Легирование основано на образовании твердых растворов. Л.Э. делятся на 3 группы по воздействию на структуру:

1. влияющие на твердый раствор Cr, Fe, W, Mo, Co
2. образующие упрочняющую фазу Al, Ti, Ta
3. влияющие на границы зерен Mg, B, Zr, C.

Структура:

• матрица (g-фаза) – твердый раствор 1-й группы л.э. в никеле;
• упрочняющая g/ -фаза – хим. Соединение типа Ni3Al;
• карбиды типа МеС.

Хром создает защитные пленки и увеличивает жаростойкость.

Молибден и вольфрам увеличивают длительную прочность.

Титан и алюминий обеспечивают дисперсионное твердение и увеличивают жаропрочность.

Бор и проч. Повышают жаропрочность.

Вредными примесями являются сера(красноломкость), водород (водородная болезнь), висмут, свинец, сурьма (межкристаллитное растрескивание).

СПЛАВЫ

Основные требования – жаропрочность и жаростойкость.

Сплавы никеля делят на (как аустенитные стали):

1. гомогенные (нихромы, инконели)
2. стареющие (нимоники).

            Также делят след. Образом:

Жаропрочные

1.1.деформируемые;

1.2. литейные

            2. Жаростойкие.          

Нихромы – это твердые растворы хрома или хрома + железа (min содержание др. л.э.) в никеле. For example Х20Н80, Х15Н60. Жаростойкие, используются как материалы для электрических нагревательных элементов сопротивления. Нежаропрочные, нельзя использовать для нагруженных деталей.

Нимоник – четверной сплав: Ni + 20%Cr + 2%Ti +1%Al - ХН77ТЮ. Высокожаропрочный.

Термическая обработка стареющих сплавов

1. Закалка 1000-1300 С воздух – образование g-фазы
2. Старение 650-900 С – распад g-фазы.

Чтобы при работе не произошло разупрочнение, рабочая t0 должна быть меньше t0 старения.

1 стадия старения: перераспределение  Al и  Ti ; образование мест, обогащенных  л.э. Начинается уже при закалочном  охлаждении. t0 = 500-600 С.

2 стадия старения: в местах  с повышенной концентрацией л.э. появляется как бы  2-я фаза, рентген показывает 2 фазы с одинаковой крист. решеткой, но отличающимися параметрами (g/-фаза). t0 = 600-900 С. Решетки когерентны. При повышении t0 старения может произойти  g/-фаза ®h (Ni3Ti).

Высокая прочность связана с образованием 40% и более 2-й фазы.

Малая скорость разупрочнения связана с низкой диффузионной подвижностью атомов Al и Ti при высоких t0 из-за высоких сил межатомных связей в решетках g и g/-фаз.

Максимальная жаропрочность у структуры однородной, крупнозернистой, g/-фаза должна быть дисперсна и равномерно распределена.

Разнозеренность, выделения фаз по границам зерен, наклеп ( напр.после обработки резанием) понижает жаропрочность.

1.1.Жаропрочные деформируемые  никелевые сплавы.

Применяются для:

а) рабочих лопаток газовых турбин

 

t0раб	Марка нимоника	Кол-во g/-фазы	Прим.
700	ХН77ТЮ	g/-фаза = 7-8%
	ХН77ТЮР (+В)		В по границам зерен, s-1 > 25%
	ХН70ВМТЮ(+W,Mo)		Повышенная жаропрочность
800-850	ХН70ВМФТЮ (+V)		Еще более
900	ХН55ВМТФКЮ		-«-
950	ХН51ВМТЮФКР	g/-фаза = 40%	-«-

 

 

Т.е., чем больше g/-фазы, карбидов и боридов, тем выше жаропрочность.

 

б) для дисков газовых турбин.

Л.э. те же,  что и для лопаток, но с другим соотношением. t0 раб до 750 0С.

Производство в-осн. – порошковая и гранульная металлургия.

1-й метод 

Из порошка Ni и л.э. изготавливают электрод и подвергают вакуумно-дуговому или вакуумно- индукционному переплаву.

2-й метод

Из готового сплава делают гранулы, затем изделие.

Получение гранул:

а) распыление жидкого металла газовой струей;

б) разброс капель жидкого металла при вращении электрода.

3-й метод

Обычная ПМ (изостатическое горячее прессование ГИП)

Порошок в форме помещают в камеру и подвергают давлению инертным газом  при повышенных t0. Идет активное спекание отдельных гранул, получается беспористый материал. . t0 процесса относительно невелика ( из-за всестороннего сжатия). Роста зерен нет, поэтому структура мелкозернистая, след. увеличивается d и s . По сравнению с обычными  методами выигрыш по пределу прочности 200 МПа, d - 10%, KCU  в 2 р., длительная прочность item.

 

1.2. Литейные жаропрочные  никелевые сплавы.

Цельнолитые роторы, сопловые лопатки газовых турбин.

Поскольку ОМД не подвергаются, то пластичность не так важна. поэтому можно вводить большее кол-во л.э., а значит, еще повысить жаропрочность. (на 100 0С).

g/-фазы до 55%+карбидные фазы из-за легирования углеродом и карбидообразующими (Cr, W,Ti, Nb, Hf) +

+ B, Ce – упрочняют границы зерен ( наличие дендритной структуры понижает ползучесть) +

+ Со – повышает жаропрочность  и пластичность.

ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У, ЖС6Ф(самый жаропрочный 11000С).

 

 

Жаростойкие никелевые сплавы.

Для камер сгорания.

Испытывают повторяющиеся «нагрев-охлаждение» , высокие термические напряжения.

Поэтому нужны: высокая теплопроводность и малый к-т линейного расширения (прямо пропорц. терм. напряж.)

ХН78Т, ХН75МБТЮ, ХН60ВТ – нихромы (умеренная прочность, высокая пластичность, сопротивление окислению до 1200 0С)

ВДУ-1, ВДУ-2                            - дисперсионно-упрочняемые ( наполнители – оксиды: ThO2, HfO2, Al2O3)

Чистый никель + оксид тория – ТД-никель – оч. высокая термическая стабильность, высокая жаропрочность и жаростойкость – до 1300 0С.

 

Для термопар:

2%Al + Ni –   алюмель

10% Cr + Ni – хромель

Работают до 10000С.

Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы нашли широкое применение в авиационных двигателях. В качестве жаростойких применяют сплавы ХН60ВТ (ВЖ98, ЭИ868), ХН50ВМТЮБ (ЭП648), ХН68ВМТЮК (ЭП693), ХН56ВМТЮ (ЭП199) и др.

Термическая обработка сплавов в значительной мере определяется выбранной системой легирования. Так, например, сплав ХН60ВТ имеет низкую концентрацию g¢-образующих элементов, поэтому не содержит в своей структуре g¢-фазу, отличается повышенной пластичностью и не требует термической обработки после сварки. Структура сплава состоит из никелевого g-твёрдого раствора, в котором содержится небольшое количество частиц a-W и карбидной фазы Ni3W3C и Cr23C6. однако другие сплавы, у которых повышение жаропрочности обеспечивается путём упрочнения g-твёрдого раствора и выделения дисперсных частиц упрочняющей g¢-фазы (сплавы ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК, ХН56ВМТЮ), подвергаются упрочнению при термической обработке, состоящей из закалки и старения.

Температура закалки выбирается из условия получения однородного твёрдого раствора. Так, например, сплав ХН50ВМТЮБ подвергают закалке на воздухе от температуры 1140°С и последующему старению при температуре 900°С в течение 5 ч, а сплав ХН68ВМТЮК закаливают от температуры 1100°С с последующим старением при температуре 900°С в течение 5 ч. При старении из пересыщенного твёрдого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющей g¢-фазы и сплавы упрочняются.

Наличие g¢-фазы повышает жаропрочность и одновременно сообщает сплавам склонность к образованию горячих трещин при сварке и термической обработке, необходимость в термической обработке деталей после сварки или подварки технологических, а также эксплуатационных дефектов.

Свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток и дисков газовых турбин определяются термической стабильностью структуры, размерами, формой и количеством упрочняющей g¢-фазы, прочностными характеристиками g-твёрдого раствора, оптимальным соотношением параметров кристаллических решёток g- и g¢-фаз, распределением карбидной фазы и другими факторами. Обычно жаропрочные сплавы упрочняются путём целенаправленного многокомпонентного легирования. Суть многокомпонентного легирования состоит в обеспечении жаропрочности путём совершенствования гетерофазного строения, включающего контролируемое выделение частиц упрочняющей g¢-фазы, обеспечении её термической стабильности, целенаправленном изменении морфологии, параметров кристаллических решёток g- и g¢-фаз, их влияния на дислокационную структуру сплавов, а также на протекание диффузионных процессов.

Основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкции двигателей, непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды. Материалы для лопаток турбин современных двигателей должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, которая является в настоящее время основным видом разрушения. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границы зёрен.

Для изготовления лопаток турбин исползуют деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование ведёт к практически полной потере их технологической пластичности при деформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным сплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам, которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях. Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причём и направленные и монокристаллические сплавы группы ЖС стали более пластичными. Предельные рабочие температуры нагрева деформируемых сплавов не превышают 1000°С.

Широкое распространение нашли деформируемые сплавы ЭП109, ЭП220, ЖС6КП и литейные ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 и др.

Термическая обработка сплавов состоит из закалки и старения. Закалка производится при температурах 1220-1280°С в течение 3-5 ч. Отливки деталей получают методом точного литья по выплавляемым моделям и закаливают в вакууме. Упрочняющая g¢-фаза выделяется в основном в процессе охлаждения. В процессе старения при температуре 950°С в течение 2 ч происходит дополнительное незначительное выделение частиц g¢-фазы и упрочнение сплавов.

Окончательная структура сплавов состоит из легированного твёрдого раствора на никелевой основе, g¢-фазы и карбидов. Макроструктура сплава ЖС6ФНК содержит поперечных границ зёрен, а сами зёрна обычно ориентированы по длине лопатки в направлении ребра гранецентрированной решётки.

Сплавы обладают высокими механическими свойствами.

Марка материала	Термическая обработка	Механические свойства
		sВ900, МПа	s1001000, МПа	s100900, МПа	d, %
ЭП109	Закалка с 1220°С 5 ч                             и старение при 950°С 2 ч	650	150	270	6
ЖС6КП	Закалка с 1220°С 4 ч                            и старение при 900°С 16 ч	770	160	270	6
ЖС6У	Закалка с 1230°С 3 ч                           и старение при 950°С 2 ч	800	165	330	5
ВЖЛ12У	»  »	780	150	320	5
ЖС6Ф-НК	»  »	850	180	450	12
ЖС26 (ВСНК)	Закалка с 1260°С 4 ч	880	200	410	8
ЖСЗ2 (монокр)	Закалка с 1280°С 4 ч	960	250	475	18

Деформируемые сплавы ЭП109 и ЖС6КП применяются при температурах на металле не более 950°С, а сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокие допустимые значения температур в эксплуатации, соответственно 1000°С для ЖС6У и ВЖЛ12У и до 1050°С для ЖС6ФНК. Отсутствие поперечных границ зёрен, более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщают сплаву ЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур и циклических термомеханических нагрузок. Температурные ограничения применения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловлены растворением, быстрой коагуляцией упрочняющей g¢-фазы и падением жаропрочности при перегревах деталей в процессе эксплуатации.

Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, которая обеспечивает их более высокое сопротивление усталости, тогда как литейные сплавы с равноосной структурой имеют более высокую жаропрочность.

Введение гафния в сплав ЖС6ФНК усиливает карбидную ликвацию, способствует способствует образованию в поверхностном слое карбидов Ме6С, обладающих низкой жаростойкостью и не покрывающихся при диффузионном алитировании. Наличие ванадия и титана в сплаве ЖС26 значительно снижает жаростойкость. Сплав ЖС32 не содержит титана и ванадия, а легирование алюминием, танталом и небольшой концентрацией хрома обеспечивает сплаву высокую жаростойкость.

Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной и монокристаллической структурой обладают более высокой термической стабильностью, термостойкостью. Для обеспечения однородности состава и структуры по объёму отливки лопаток подвергаются нагреву при закалке в вакууме до более высоких, чем равноосные сплавы, температур. В процессе нагрева и высокотемпературной выдержки происходит растворение g¢-фазы и карбидов МеС, Ме23С6, Ме6С в твёрдом растворе на никелевой основе. При охлаждении происходит выделение упрочняющей g¢-фазы, которая обеспечивает сплавам высокие механические свойства.

Для деталей из литейных никелевых сплавов широко используется гомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степени ликвации и стабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствует увеличению объёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей g¢-фазы. Во время высокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения g¢-фазы, образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, что оптимизация режимов термической обработки для достижения оптимальной формы, размеров и распределения частиц упрочняющей g¢-фазы не всегда сопровождается улучшением механических свойств. Так, например, образование частиц карбидов Ме6С неблагоприятной пластинчатой формы в процессе гомогенизации и последующего охлаждения сплава ЖС6У практически сводит на нет эффект улучшения свойств путём управления структурой g¢-фазы, и в итоге после гомогенизации при температуре 1210°С длительная прочность остаётся на прежнем уровне.

Неоднородная структура сплавов образуется также и в случае недогрева до температуры полного растворения упрочняющей g¢-фазы в сплавах. Образующиеся скоагулированные частицы g¢-фазы снижают характеристики прочности и пластичности.

Однако гомогенизирующая термическая обработка деталей из сплавов направленной кристаллизации сопровождается улучшением механических свойств, поскольку упрочняющая фаза после направленной кристаллизации имеет неправильную форму и значительно укрупнена. При скорости кристаллизации 4 мм/мин размеры g¢-фазы достигают 1 мкм, тогда как после термической обработки - 0,5-0,6 мкм, причем выделения становятся однородными и равномерно распределенными по объёму. Частицы g¢-фазы существенно меньше вырастают в процессе высокоскоростной направленной кристаллизации, они даже меньше, чем у направленно кристаллизованных и затем термообработанных сплавов.

При равноосной кристаллизации скорость охлаждения сплавов почти такая же, как и при термической обработке в вакууме, поэтому частицы g'-фазы, выделившиеся во время кристаллизации, мало отличаются по размерам от частиц, выделяющихся в процессе охлаждения при термической обработке, и дальнейшего измельчения частиц не происходит.

Термическая обработка стабилизирует структуру сплавов, увеличивает объёмное содержание g'-фазы, уменьшает степень её неоднородности по химическому составу и по размерам, снижает уровень ликвации, что в итоге приводит к существенному повышению характеристик долговечности лопаток турбин.

Особое значение приобретает термическая обработка лопаток турбин при ремонте, когда требуется восстановить начальную структуру и свойства сплавов, претерпевших существенные изменения в процессе эксплуатации при длительном воздействии на детали термомеханических нагрузок. Своевременное восстановление тонкой структуры сплавов при ремонте обеспечивает двух-трёхкратное увеличение их ресурса.

Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышение предела выносливости, длительной прочности и пластичности.

Марка сплава	ЖС6К	ЖС6У	ЖС6Ф	ЖС6К-НК	ЖС6У-НК	ЖС6Ф-НК
s-1900	250	290	260	260	310	350
s1001000	160	170	180	175	185	190
d20	5	6	6	6	8	9

Развитие направленной кристаллизации обеспечило решение задачи получения эвтектик с ориентированной структурой, представляющих собой естественные композиционные жаропрочные сплавы. Температурный уровень их работы существенно выше, чем у сплавов с равноосной и направленной структурами. При высоких температурах основным упрочнителем жаропрочных композиционных сплавов системы g/g¢-МеС являются волокна МеС, которые обладают высокой температурной стабильностью.

Весьма перспективными являются керамические материалы на основе Si3N4, SiC, окисленных эвтектик, которые позволяют обеспечить работу лопаток турбин высокотемпературных двигателей при рабочих температурах до 1550-2200°С.

Рассмотрим некоторые марки сплавов, применяемых для изготовления дисков турбин.

Диски последних ступеней компрессоров и диски турбин авиадвигателей подвержены высоким нагрузкам и неравномерному нагреву. Так, например, обод нагревается до 550-800°<span class="dash041e_0431_044b_0447_043d_044b_0439__Char" style=" font-family: 'Times New Roman', 'Arial'; fon