Конструкционные металлы в автомобильной промышленности: чугун, сталь, цветные металлы и сплавы

Цветные металлы, как и чёрные, получают из руд. Однако в рудах цветных металлов, кроме алюминия, содержание главного металла крайне низкое и, как правило, не превышает 1...4%.

Поэтому первым этапом производства большинства цветных металлов является обогащение руд на обогатительных фабриках, в результате которого получают концентраты, содержащие 50...70 % основного металла. Обогащение осуществляют чаще всего  флотационным методом с применением эффективных фотореагентов.

В целом  процесс получения цветных металлов более трудоемкий и энергоемкий, чем получение черных металлов, поэтому  они значительно дороже последних.

5.1. Тяжелые цветные металлы

К ним относятся: медь, олово, свинец, никель, хром, вольфрам и др. В чистом виде эти цветные металлы в автомобилестроении обычно не применяют из-за несовершенства их свойств. Сплавы же этих металлов широко используют для изготовления и ремонта автомобиля.

Медные сплавы применяют для изготовления деталей, от которых требуются высокие электро-, теплопроводность, антикоррозийная стойкость.

Оловянистая бронза является сплавом меди с оловом (от 3 до 14% олова). Сплав меди со свинцом (до 35%) называется свинцовистой бронзой.

Латунь — сплав меди с цинком (до 39% цинка). Это хорошо обрабатываемый материал, из которого изготовляют различные детали водопроводной и паропроводной арматуры, а также некоторые детали приборов (винты, трубки и т. д.).

Олово обладает высокой антикоррозионной стойкостью, высокой пластичностью и легкоплавкостью. В автомобилестроении применяют в виде сплавов с другими металлами (припой, антифрикционные сплавы).

5.2. Легкие цветные металлы

К ним относятся: алюминий и магний. В автомобилестроении алюминий и магний являются основой для получения многих сплавов, из которых изготовляют детали, требующие высокой антикоррозионной стойкости и теплопроводности.  
 
        

5.2.1. Алюминий и его сплавы:     

Чистый алюминий применяется редко, так как имеет низкую прочность. Чаще при изготовлении деталей применяют сплавы на основе алюминия. Они обладают малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.

Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью  закалки и старения алюминиево-медно-магниевые  и алюминиево-магниевые сплавы. Первые называют дуралюминами (марки Д1, Д16), из вторых наиболее часто применяется сплав марки АМг6. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав В95, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).

Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности у_ut и текучести у_у). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al₂O₃, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации – прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al₂O₃ (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 – 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4). Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.

Из литейных алюминиевых сплавов  наибольше распространение получили сплавы алюминия с кремнием – силумины. Они обладают хорошими литейными  и средними механическими свойствами. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей.

Алюминий и его сплавы трудно паяются.                                                                            

5.2.2. Антифрикционные сплавы — сплавы, обладающие низким коэффициентом трения и используемые для изготовления подшипников скольжения или покрытия (заливки) их рабочих поверхностей.  
Основные антифрикционные сплавы: сплавы олова, свинца и сурьмы (баббиты); свинцовистая и оловянистая бронза. Баббиты и свинцовистую бронзу применяют в основном для заливки вкладышей коренных и шатунных подшипников коленчатого вала и подшипников распределительного вала двигателя, оловянистую бронзу — для изготовления различных втулок (поршневых пальцев, шестерен коробки передач, вала сошки рулевого механизма, шкворней поворотных цапф), а также упорных шайб шестерен полуосей (приводных валов) и сателлитов дифференциала. Для подшипников коленчатого вала двигателей последних моделей распространены также сталеалюминевые вкладыши.

Помимо антифрикционных сплавов, в некоторых узлах трения автомобиля (например, в шарнирах рулевых тяг  и подвески) используют пластические массы, обладающие низким коэффициентом  трения и не требующие смазки в  процессе эксплуатации

АЛ13 применяется  для для изготовления фасонных отливок; сплав коррозионно-стойкий, а так  же изготавливают головки блоков цилиндров и поршня для гоночных автомобилей.

5.3. Медь и её сплавы

 

 

Медь в чистом виде характеризуется  высокой электро- и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах – иные элементы.

Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами:  А – алюминий, Н – никель, О  – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, К  – кремний, Ф – фосфор, Т –  титан.

 

Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах  различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие – легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное – цинк.

Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.

Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии.

Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л – для изготовления литых деталей.

Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.

Особое место занимает при изготовлении упругих элементов из-за высокой  прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.

Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.

 

6. Припои.

 

Припой — это металлы или  сплавы, используемые при пайке в  качестве связки (промежуточного металла) между соединяемыми деталями. Припои имеют более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Незначительный нагрев соединяемых металлов, а вследствие этого отсутствие изменения структуры металла, являются основным преимуществом пайки в сравнении со сваркой.

По температуре расплавления припои (табл. 1) подразделяют на легкоплавкие (145—450°С), среднеплавкие (450—1100°С) и высокоплавкие (1100—1850°С). К легкоплавким относят оловянно-свинцовые (ПОС), оловянные, малосурьмянистые и сурьмянистые (ПОССу) и другие припои; медно-цинковые (латуни) относят к среднеплавким (905—985°С), а многокомпонентные на основе железа  — к высокоплавким (1190—1480°С).  

 

Таблица 1.

Оловянно-свинцовые и  оловянные припои. 

 

Марка	Основные компоненты, % (свинец – остальное)		Температура плавления, °С		Назначение
	олово	другие элементы	солидус	ликвидус
ПОС-90	90	—	183	220	Пайка и лужение пищевой посуды и медицинской аппаратуры
ПОС-61	60	—	183	190	Пайка и лужение электро- и радиоаппаратуры, печатных схем
ПОС-40	40	—	183	238	Пайка деталей из оцинкованного железа
ПОС-61М	60	Медь 2	183	192	Пайка тонкой медной проволоки и фольги
ПОССу-50-0,5	50	Сурьма до 0,5	183	216	Пайка авиационных радиаторов
ПОССу-30-0,5	30	То же	183	255	Пайка листового цинж, радиаторов
ПОССу-40-2	40	Сурьма 1,5…2,0	185	229	Пайка холодильных установок
ПОССу-18-2	18	То же	186	270	Пайка в автомобильной промышленности
ПОССу-4-6	4	Сурьма 5…6	244	270	Пайка и лужение в автомобильной промышленности
П250А	80	Цинк 20	200	280	Пайка деталей из алюминиевых сплавов

 

 

Оловянно-свинцовые припои широко применяют во всех отраслях автомобильной промышленности. Для снижения охрупчивания олова при низких температурах в состав припоев вводят сурьму. Оловянно-свиниовые припои имеют низкую коррозионную стойкость во влажной среде. В этих условиях паяные соединения необходимо защищать лакокрасочными покрытиями.

 

Оловянные припои имеют высокую  прочность, пластичность и коррозионную стойкость. Их применяют при пайке радиотехнической и электронной аппаратуры.

Медно-цинковые припои (латуни) широко применяют для пайки большинства  металлов (табл. 2). Для повышения прочности паяных соединений в медно-цинковые припои вводят олово, никель и марганец. Добавки олова понижают температуру плавления латуни, повышают коррозионную стойкость и улучшают жидкотекучесть припоя.

 

 

 

 

 

 

   Таблица 2

Медно-цинковые припои. 

 

Марка	Основные компоненты, % (цинк - остальное)		Температура плавления, °С		Назначение
	медь	другие элементы	солидус	ликвидус
ПМЦ-36	36	—	800	825	Пайка латуней и бронз  с содержанием не более 68% меди
ПМЦ-48	48	—	850	865	Пайка латуней и бронз  с содержанием более 68 % меди
ПМЦ-54 Л63 Л68	54 63 68	— — —	876	880 905 938	Пайка стали, жести, медных сплавов
ЛЖМц-57-1,5-0,75   ЛНМц-50-2	57   50	Марганец, железо по 1 Никель, марганец по 2	865   849	873   872	Пайка инструментов
МцН-48-10	48	Никель 10	—	985	Пайка чугуна