В., Шлыкова А. В. Технологические процессы машиностроительного
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
5.3. Цветные металлы и сплавы Цветные металлы в чистом виде обычно применяются редко, чаще ис- пользуют различные сплавы. Из числа сплавов цветных металлов в машино- строении наибольшее значение имеют легкие сплавы – алюминия, магния и титана, а также медь и ее сплавы, сплавы на основе никеля, сплавы для под- шипников (баббиты), материалы для полупроводников и высокопрочные сплавы на основе тугоплавких металлов. Сплавы на основе титана, цинка и магния относятся к группе специ- альных сплавов. Поэтому они имеют оригинальную буквенно-числовую мар- кировку. На первом месте ставят буквенное обозначение вида сплава («ВТ или ОТ» титановые, «МЛ» магниевые литейные, «МА» магниевые деформи- руемые, «Ц» цинковые), на втором месте стоит порядковый номер сплава. Сплавы на основе меди и алюминия имеют двойственную маркировку: современную и традиционную. Современная маркировка похожа на марки- ровку легированных сталей: на первом месте стоит буквенное обозначение сплава («Л» латунь, «Бр» бронза, «Н» медно-никелевые сплавы, «АЛ» алю- миниевый литейный, «АК или Д или АВ или В» алюминиевые деформируе- мые, «Б» баббиты). Далее стоит буквенное обозначение легирующего компо- нента (таблица 5.3) и его среднее процентное содержание. Например: АМг6 – алюминиевый сплав, 6% Mg. Титан и его сплавы Титан – металл серого цвета, малой плотности и высокой удельной прочности и коррозионной стойкости. Титан обладает низкой жаростойко- 109 стью и низкими антифрикционными свойствами, высокими механическими свойствами (табл. 5.4), высокой удельной прочностью при комнатных и криогенных температурах, а также хорошей коррозионной стойкостью Низ- кий модуль упругости титана (в два раза ниже, чем железа) затрудняет изго- товление из него жестких конструкций. Таблица 5.4 Химический состав и механические свойства технического титана (по ГОСТ 19807-74) Марка титана Сумма примесей, % Механические свойства σ в , в МПа σ 0,2 , в МПа δ, % Иодидный Менее 0,093 250 … 300 100 … 150 50 … 60 ВТ1-00 менее 0,10 320 … 400 180 … 250 25 … 30 ВТ1-0 менее 0,30 450 … 600 380 … 500 20 … 25 Титановые сплавы, по сравнению с техническим титаном, обладают более высокой прочностью при нормальных и повышенных температурах. Маркировка титановых сплавов включает в себя: буквенное обозначе- ние вида сплава (ВТ, ПТ и ОТ) и порядковый номер сплава. Буквенное обо- значение отражает наименование организации-разработчика (ВТ - означает «ВИАМ титан»; ПТ - означает «Прометей титан» - разработчик ЦНИИ КМ «Прометей», г. Санкт-Петербург; означает «Опытный титан» - сплавы, разра- ботанные совместно ВИАМом и заводом ВСМПО, г. Верхняя Салда, Сверд- ловской области). Иногда в марку сплава добавляют буквы: У - улучшенный, М - модифицированный, И - специального назначения, Л - литейный сплав, В - сплав, в котором марганец заменен эквивалентным количеством ванадия. Химический состав и механические свойства типовых титановых спла- вов приведены в табл. 5.5. Таблица 5.5. Химический состав (ГОСТ 19807) и механические свойства типовых титано- вых сплавов Марка сплава Содержание элементов, %, ос- Механические свойства 110 и структура тальное титан σ в σ 0,2 δ, % МПа ВТ5 4,5 … 6,2 Al, 1,2 V, 0,9 Mo, 0,3 Zr 700 … 950 660 … 850 10 … 15 ВТ5-1 4,3 … 6,0 Al, 1,0 V, 2 … 3 Sn 750 … 950 650 … 850 10 … 15 ОТ-4 4,5 … 6,2 Al, 0,7 … 2,0 Mn 700 … 900 550 … 650 12 … 20 ВТ20 5,5 … 7,0 Al, 0,8 … 2,5 V, 1,5 … 2,5 Mo, 1,5 … 2,5 Zr 950 … 1100 850 … 1000 8 ВТ14 3,5 … 6,8 Al, 0,9 … 1,9 V, 2,5 … 3,8 Mo, 0,3 Zr 1150 … 1400 1080 … 1300 6 … 10 ВТ22 4,4 … 5,7 Al, 4,0 … 5,5 V, 4,0 … 5,5 Mo, 0,8 Zr, 0,8 … 1,2 Fe 1100 …1250 1100. 1200 9 Титановые сплавы применяются в авиастроении, автомобилестроении, ракетной технике, судостроении в химической промышленности. Из титано- вых сплавов изготавливают обшивку сверхзвуковых самолетов, детали реак- тивных авиационных двигателей (диски и лопатки компрессоров), детали воздухозаборников, колесные диски, корпуса ракет второй и третьей ступе- ней, баллоны для сжатых и сжиженных газов, обшивку корпусов морских су- дов, подводных лодок и так далее. Магний и его сплавы Магний металл серебристого цвета, имеющий низкую плотность. Маг- ний хорошо обрабатывается резанием, однако, температура воспламенения магния на воздухе равна 623 о С, поэтому магний пожароопасен. Магниевые сплавы обладают высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрацию, что определило их широкое использование в авиаци- онной технике. Сплавы в горячем состоянии легко куются, прокатываются и обрабатываются резанием. Магний не взаимодействует с ураном и обладает низкой способностью поглощать тепловые нейтроны. Поэтому магниевые сплавы применяют для изготовления трубчатых тепловыделяющих элемен- тов в ядерных реакторах. Недостатком магниевых сплавов являются: низкий 111 модуль нормальной упругости (до 43 000 МПа), трудность обработки давле- нием и плохие литейные свойства, низкая коррозионная стойкость; низкая температура вспышки на воздухе. В табл. 5.6 приведены химический состав и механические свойства ти- пичных магниевых сплавов. Таблица 5.6. Химический состав и механические свойства типичных магнеиевых сплавов Марка спла- ва Химический состав, в %, остальное – магний Механические свойства σ в σ 0,2 δ, % МПа Деформируемые сплавы МА1 1,3 … 2,5 Mn 180 130 8 МА2-1 3,8 … 5,0 Al, 0,8 … 1,5 Zn, 0,3 … 0,7 Mn 290 180 10 МА5 7,8 … 9,2 Al, 0,2 … 0,8 Zn, 0,15 … 0,5 Mn 320 220 14 МА11 1,5 … 2,5 Mn, 2,5 … 4 Nd, 0,1 … 0,25 Ni 280 140 10 МА14 5 … 6 Zn, 0,3 … 0,9 Zr 350 300 9 МА19 5,5 … 7 Zn, 0,5 … 1,0 Zr, 0,2 … 1,0 Cr 380 330 5 Литейные сплавы МЛ5 0,15 … 0,5 Mn, 0,2 … 0,8 Zn, 7,5 … 9 Al 255 120 6 МЛ8 5,5 … 6,6 Zn, 0,7 … 1,1 Zr, 0,2 … 0,8 Cd 255 155 5 МЛ9 4 … 5 Zn, 0.6 … 1,1 Zr 270 160 6 МЛ10 0,1 … 0,7 Zn,, 2,2 … 2,8 Nd, 200 95 6 МЛ12 4 … 5 Zn, 0,6 … 1,1 Zr 270 160 6 МЛ15 4 … 5 Zn, 0,7 … 1,1 Zr, 0,6 … 1,2 La 210 130 3 Малая плотность и высокая удельная прочность магниевых сплавов определи их широкое применение: в авиационной промышленности (корпуса приборов, насосов, обтекатели, двери кабин); в ракетостроении (корпуса ра- кет, обтекатели, стабилизаторы, корпуса баков); в автомобилестроении (кор- пуса коробок скоростей, колесные диски); в приборостроении (корпуса при- боров). Деформируемые магниевые сплавы так же применяются для изготов- ления сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, детали грузоподъ- 112 емных машин, ткацких станков). Высокопрочные литейные сплавы приме- няются для изготовления корпусов компрессоров, ферм шасси самолетов. Алюминий и его сплавы Для алюминия характерны: малая плотность (2,7 г/см 3 ), высокие пла- стические свойства, высокие теплопроводность и электропроводность и от- ражательные свойства. Алюминий характеризуется следующими технологическими свойства- ми. Хорошо поддается холодной и полугорячей деформации; плохая обраба- тываемость резанием (вследствие высокой вязкости); хорошая свариваемость при условии удаления оксидной пленки Al 2 O 3 , и применении концентриро- ванных источников энергии. Алюминий используется в электротехнической промышленности и те- плообменниках. Высокая отражательная способность алюминия использует- ся для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пище- выми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пище- вых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте. В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты. Для алюминия и его сплавов характерна большая удельная прочность (σ в /ρ, где ρ - плотность), близкая к значениям для среднелегированных сталей (для алюминиевых сплавов σ в /ρ 150 … 182, для конструкционных среднеле- гированных сталей – 140 … 170). Первичный алюминий (ГОСТ 11069-74) поставляется в виде чушек. Химический состав первичного алюминия и его механические свойства приведены в таблица 5.7. Таблица 5.7 113 Химический состав и механические свойства первичного алюминия Обозначение марок Химический состав Механические свойства Алюминий, % не менее Примеси, % не более σ 0,2 , МПа HB δ, % Алюминий особой чистоты А 999 99,999 0,001 20 80 … 110 Алюминий высокой чистоты А 995 99,995 0,005 22 84 … 112 45,5 А 99 99,99 0,010 А 95 99,95 0,05 Алюминий технической чистоты А 85 99,85 0,15 25 120 … 133 38,5 А 8 99,8 0,20 А 7 99,7 0,30 А 5 99,5 0,50 28 126 … 175 31,5 А 0 99,0 1,00 Для алюминия и его сплавов характерна высокая удельная прочность, близкая к значениям для среднелегированных сталей. Алюминий и его спла- вы хорошо поддаются горячей и холодной деформациям, точечной сварке, а специальные сплавы можно сваривать плавлением и другими видами сварки. Традиционная маркировка алюминиевых сплавов включает в себя: бук- венное обозначение вида сплава (Д – дюралюмин, В или АВ - высокопроч- ный сплав, АК – ковочный сплав, АЛ – литейный сплав); порядковый номер сплава. При необходимости конце маркировки может находиться буквенное обозначение состояния поставки (М – мягкий, Т – термически обработанный, Н - нагартованный, П - полунагартованный). Все сплавы на алюминиевой основе можно разделить на деформируе- мые, литейные и специальные. К деформируемым сплавам относятся сплавы систем: Al-Cu-Mg - дю- ралюмины (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17); Al-Cu-Mg-Fe-Ni - жаропрочные спла- вы (АКЦ4-1); AL-Mg-Si-Cu - ковочные сплавы (АК6, АК8) и Al-Zn-Mg-Cu - высокопрочные сплавы (B95, B93, B96Ц1). Химический состав и механические свойства деформируемых сплавов приведены в таблице 5.8. 114 Таблица 5.8. Химический состав (ГОСТ 4784-74) и механические свойства типичных де- формируемых сплавов Марка сплава Содержание легирующих элемен- тов, % Механические свойст- ва Приме- чание Cu Mg Mn σ в , σ 0,2 , δ, % НВ МПа АМц - - 1 … 1,16 130 50 55 30 После отжига АМг2 - 1,8 … 2,6 0,2 … 0,6 190 100 23 45 Д1 3,8 … 4,8 0,4 … 0,8 0,4 … 0,8 400 240 20 95 После отжига и ста- рения Д16 3,8 … 4,9 1,2 … 1,8 0,3 … 0,9 440 330 18 105 В95 1,4 … 2,0 1,8 … 2,8 0,2 … 0,6 540 470 10 150 АК6 1,8 … 2,6 0,4 … 0,8 0,4 … 0,8 400 299 12 100 Дюралюмины применяются для изготовления лопастей воздушных винтов, силовых элементов конструкций самолетов, кузовов автомобилей (Д1, Д16), для деталей, работающих при нагреве до 200 … 250 º С (Д19, ВД17). Сплав АКЦ-1 используется для изготовления деталей реактивных двигателей (крыльчатки насосов, колеса, компрессоры, диски, лопатки). Сплавы АК6, АК8 применяют для изготовления сложных штамповок, таких как крыльчаток вентиляторов для компрессоров реактивных двигате- лей, корпусных агрегатных и крепежных деталей. Сплавы системы B95, B93, B96Ц1 отличаются высоким временным сопротивлением (600 … 700МПа), но при этом не являются жаропрочными. Максимальная рабочая температура изделий из этих сплавов при длительной эксплуатации не может превышать 100 … 120 º С. Для изготовления фасонных деталей применяют литейные алюминие- вые сплавы систем: Al-Si или Al-Si-Mg – силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛЗ4). Сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛЗ4 отличаются высокими литейными свой- ствами и герметичностью изготовленных из них отливок. Сплавы предназна- чены для изготовления герметичных емкостей (АЛ2), корпусов компрессо- 115 ров, картеров двигателей внутреннего сгорания (АЛ4, АЛ9), крупных кор- пусных деталей (АЛ34), блоков цилиндров (АЛ 32) и других деталей. Механические свойства силуминов приведены в таблице 5.9. Таблица 5.9. Механические свойства силуминов при 20 º С Сплав Состояние (термическая обработка - ТО) σ в , МПа δ, % АЛ2 Без ТО 170 6,0 АЛ4 Закалка и старение 260 4,0 АЛ9 230 2,0 АЛ32 Без ТО 180 1,5 АЛ34 Без ТО 200 3,0 Закалка и старение 300 7,0 К специальным алюминиевым сплавам относятся: Жаропрочные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Cu-Mg (АЛЗЗ), Al- Cu-Mn (АЛ19), обладающие высокой жаропрочностью (до 250 … 350ºС). Сплавы применяются для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок при высоких тем- пературах. Конструкционные коррозионно-стойкие сплавы на основе систем Al- Mg (АЛ8, АЛ27) и Al-Mg-Zn (АЛ24) обладающие высокой коррозионной стойкостью. Конструкционные жаропрочные алюминиевые сплавы систем Al – Si – Cu - Mg (АЛЗЗ), Al- Cu - Mn (АЛ19) подвергают термической обработке (за- калке и старению). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью (до 250 … 350 º С) и применяются для изготовления ответственных деталей, рабо- тающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок при высо- ких температурах (таблица 5.10 Таблица 5.10. Механические свойства жаропрочных литейных сплавов алюминия Сплав Термическая обработка Температура испы- тания, ºС σ в , МПа δ, в % T 100 , в МПа 116 АЛ 19 Закалка и старение 20 300 8,0 - 200 270 3,0 150 300 140 5,0 60 350 80 8,0 35 АЛ33 Закалка и старение 200 210 4,0 130 250 140 4,0 55 Без т/о Закалка и старение 200 230 4,0 - 200 300 250 170 3,0 3,0 160 90 Конструкционные коррозионно-стойкие сплавы на основе систем Al - Mg (АЛ8, АЛ27) и Al – Mg - Zn (АЛ24) обладают более высокой коррозион- ной стойкостью, по сравнению с другими алюминиевыми сплавами. Недос- татком сплавов АЛ8, АЛ27 является их низкая жаропрочность – уровень ра- бочих температур не должен превышать 60 º С. Эти сплавы применяют для изготовления силовых деталей, работающих при температурах от –60 до +60 º С в различных климатических условиях, включая воздействие морской во- ды и тумана. Добавки цинка в систему Al - Mg (сплав АЛ24) позволил увеличить жаропрочность до 150ºС, при этом сплав сохранил высокую коррозионную стойкость и хорошие литейные свойства. Медь и ее сплавы Медь обладает следующими свойствами: высокая электропроводность и теплопроводность; хорошая коррозионная стойкость и плохая обрабаты- ваемость резанием. В связи с высокой пластичностью чистая медь хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. В процессе холодной де- формации медь наклепывается и упрочняется; восстановление пластичности достигается рекристаллизационным отжигом при 500…600 º С в восстанови- тельной атмосфере, так как медь легко окисляется при нагреве. 117 Чистая медь применяется для проводников электрического тока, раз- личных теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, поддонов, кристал- лизаторов. Медные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, хоро- шими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Различают три основные группы на основе меди: латуни (ГОСТ 15527- 70*), бронзы (ГОСТ 493-79*) и медно-никелевые сплавы (ГОСТ 613-79*). Латуняминазывают медно-цинковые сплавы. При дополнительном введении в сплав добавок алюминия, свинца, олова, кремния и других эле- ментов получают специальные латуни. Латуни маркируют буквой «Л», после которой ставят буквы, обозна- чающие специально введенные элементы (таблица 5.3) и числа, характери- зующие содержание меди и легирующих элементов (кроме цинка). Напри- мер, Л68 – латунь, содержащая 68% меди, остальное – цинк. Легирующие элементы, введенные в специальные латуни, имеют обозначения в соответст- вии с таблицей 5.3. У литейных латуней иногда содержание меди не указывают, например ЛЦ30А3 – латунь литейная, 30% цинка, 3% алюминия, остальное медь. Специальные латуни по применению можно подразделить на латуни с высокими антикоррозионными свойствами (ЛКС80-2-2, ЛМцС58-2-2) и ла- туни повышенной прочности (ЛМцЖ52-4-1). Латуни применяют для изго- товления: трубок и прутков (ЛАЖ60-1-1), мелких поковок (ЛЖМ ц 59-1-1, ЛС59-1), втулок и сепараторов подшипников (ЛЦ40С), коррозионно–стойких деталей (ЛЦ30А3, ЛЦ40М ц 5Ж). Механические свойства и область применения типовых латуней приве- дены в таблице 5.11. Латунные детали при длительном хранении, особенно в коррозионно- активной среде растрескиваются. Для предотвращения этого детали подвер- гают отжигу для снятия остаточных напряжений при 200 … 300 º С. 118 Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием со- ответственно называются оловянистыми, алюминиевыми, кремнистыми, свинцовистыми, бериллиевыми бронзами. Таблица 5.11. Механические свойства и область применения типовых латуней Сплав σ в, МПа δ, % Назначение Деформируемые Л90 260 45 Мелкие крепежные элементы Л60 380 25 Прутки, листы, элементы водяной ар- матуры ЛАЖ60-1-1 450 8 Тубы, прутки ЛЖМц59-1-1 450 10 Полосы, прутки, мелкие поковки ЛС59-1 400 6 Мелкие поковки Литейные ЛЦ40Мц3Ж 440 10 Корабельные винты, лопасти ЛЦ38Мц2С2 340 12 Антифрикционные втулки, вкладыши, судовая арматура. ЛЦ30А3 300 12 Коррозионно-стойкие детали ЛЦ16К4 340 15 Сложные отливки, работающие при температуре до 250 С. ЛЦ14К3С3 290 15 Втулки, подшипники. Бронзы обозначают двумя буквами «Бр», далее пишут буквенные обо- значения (таблица 5.3) входящих в бронзу элементов (кроме меди) и затем идут цифры, показывающие содержание их в сплаве. Например: БрО10 (10% олова, остальное медь); БрАЖН10-4-4 (10% алюминия, 4% железа, 4% нике- ля; остальное медь). Бронзы применяют для изготовления: арматуры (БрОФ6,5-0,4, БрО3Ц12С5), пружин (БрОЦ4-3, БрБ2), вкладышей подшип- ников (БрОЦС4-4-2,5, БрО5ЦНС5, БрО4Ц4С17). Области применения и механические свойства типовых бронз приведе- ны в таблице 5.12. 119 Медно-никелевые сплавы обозначают двумя буквой «М», далее пишут буквенные обозначения входящих в сплав элементов (кроме меди), затем идут цифры, показывающие содержание их в сплаве. Наиболее часто приме- няют сплавы: константан (МНМ ц 40-1,5) обладающий малой электропровод- ностью, мельхиор (МНЖМ ц 30-1-1) и монель-металл (МНЖМ ц 29-2,5-1,5) об- ладающие высокой коррозионной стойкостью. Таблица 5.12. Области применения и механические свойства типовых бронз Сплав σ в, МПа δ, % Назначение Деформируемые БрОФ6,5-0,4 400 5 Арматура БрОЦ4-3 330 4 Пружины БрОЦС4-4-2,5 350 2 Антифрикционные детали Литейные БрО3Ц12С5 200 8 Арматура БрО5ЦНС5 175 4 Вкладыши подшипников Бр04Ц4С17 150 5 Антифрикционные детали Бериллий и его сплавы Бериллий – редкий металл серого цвета. Температура плавления берил- лия - 1 284 º С, модуль упругости – 310 ГПа, плотность – 1,8 т/м 3 . Бериллий отличается высокой теплоемкостью, хорошей теплопроводностью и электро- проводностью. Высокие удельная прочность и жесткость бериллия (σ в /γ 38; E /γ 16,1) определяет важность металла для самолетостроения и в ракетостроении. Малое содержание бериллия в земной коре (0,0005 %), сложная и доро- гая технология извлечения металла из руд и получения полуфабрикатов оп- ределяют высокую стоимость бериллия. Литой бериллий имеет крупнозернистое строение, поэтому хрупок. Для улучшения пластичности проводят прокатку полуфабриката. Од- нако при температуре прокатки (выше 700 º С) бериллий «схватывается» с инструментом. Поэтому прокатку ведут в стальной оболочке, которую затем стравливают. 120 Механические свойства бериллия зависят от технологии производства, размера зерна, наличия текстуры и наличия примесей. Литой бериллий имеет: σ в = 280МПа, δ = 2 … 3 %, горячекатаный по- луфабрикат - σ в = 250 … 700 МПа, σ 0,2 = 230МПа, δ = 7 … 10 %. Одним из важнейших недостатков бериллия является его токсичность. Попадая в легкие он вызывает тяжелое заболевание (бериллиоз), попадая на ранки – вызывает опухоли и язвы (предельное содержание бериллия на рабо- чем месте – 0,001 мг/м 3 ). В промышленности применяют сплавы с 5 … 80 % Ве. |