Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
Учебное пособие МАЛЬЦЕВА ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНА Доцент кафедры металловедения УрФУ, кандидат технических наук. Основное научное направление — разработка составов и упрочняющих технологий высокопрочных сталей и сплавов. Ряд работ посвящен изучению поверхностного упрочнения изделий за счет комплексной химико-термической обработки и лазерного воздействия. Автор более 150 печатных работ, имеет 5 патентов на изобретения. ОЗЕРЕЦ НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА Доцент кафедры металловедения УрФУ, кандидат технических наук. Основное научное направление — разработка составов и упрочняющих технологий высокопрочных сталей и сплавов аустенитного класса для приборостроения, специального машиностроения и медицины. Автор более 100 научных трудов, имеет 3 патента на изобретение. ЛЕВИНА АННА ВЛАДИМИРОВНА Доцент кафедры металловедения УрФУ, кандидат технических наук. Основное научное направление — разработка составов и упрочняющих технологий высокопрочных сталей и сплавов аустенитно-ферритного класса для приборостроения и специального машиностроения. Автор более 30 научных трудов, имеет 3 патента на изобретение. ИШИНА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА Доцент кафедры металловедения УрФУ, кандидат технических наук. Научные интересы связаны с разработкой оптимального состава конструкционных сталей с различной степенью стабильности аустенита, обеспечивающих сочетание повышенных прочностных свойств и характеристик трещиностойкости. Автор более 30 печатных работ. Награждена почетной грамотой администрации города Екатеринбурга 7 8 5 7 9 9 6 2 5 9 8 6 I SBN 579962598 - 6 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Мальцева Т. В, Озерец Н. Н, Левина А. В, Ишина Е. А. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ Учебное пособие Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки, 22.04.02 — Металлургия, 22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов Екатеринбург Издательство Уральского университета УДК 669.2/.8.017(075.8) ББК я Ц27 Авторы: Т. В. Мальцева, Н. Н. Озерец, А. В. Левина, Е. А. Ишина Рецензенты: кафедра Технология металлов Уральского государственного лесотехнического университета (завкафедрой, доц, канд. техн. наук В. В. Илюшин); заведующий Лабораторией деформирования и разрушения УрО РАН, проф, др техн. наук СВ. Гладковский Научный редактор — проф, др техн. наук МА. Филиппов Ц27 Цветные металлы и сплавы : учебное пособие / Т. В. Мальцева, Н. Н. Озерец, А. В. Левина, Е. А. Ишина. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. унта, 2019. — 176 с Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям Металлургия и Материаловедение и технологии материалов. В издании рассмотрены закономерности формирования структуры при затвердевании, пластической деформации и термической обработке цветных металлов показана взаимосвязь структуры со свойствами металлов и сплавов. Теоретическая часть основных разделов курса поможет студентам понять и объяснить полученные при выполнении лабораторных работ закономерности и механизмы формирования структуры и свойств цветных металлов и сплавов при различных термических и термомеханических обработках. Библиогр.: 13 назв. Рис. 81. Табл. 35. УДК 669.2/.8.017(075.8) ББК 34.23я73 Учебное издание Мальцева Татьяна Викторовна, Озерец Наталья Николаевна, Левина Анна Владимировна, Ишина Елена Александровна ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ Редактор Н. П. Кубыщенко Верстка ОП. Игнатьевой Подписано в печать 15.03.2019. Формат 70×100/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 14,2. Уч.‑изд. л. 9,0. Тираж 40 экз. Заказ Издательство Уральского университета Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ 620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел +7 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41 E‑mail: Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ 620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, Тел +7 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13. Факс +7 (343) 358‑93‑06. http://print.urfu.ru ISBN 978‑5‑7996‑2598‑6 © Уральский федеральный университет, 2019 3 Оглавление Предисловие ........................................................................................... Глава 1. Алюминий и его сплавы ............................................................. 6 1.1. Основы термической обработки алюминиевых сплавов ........ 14 1.2. Деформируемые термически неупрочняемые алюминиевые сплавы .............................................................. 25 1.3. Деформируемые термически упрочняемые алюминиевые сплавы ...................................................................................... 27 1.4. Литейные алюминиевые сплавы ............................................. 40 1.5. Области применения. Глава 2. Магний и его сплавы ............................................................... 55 2.1. Общие особенности структуры и свойств магния и его сплавов ............................................................................ 56 2.2. Термическая обработка магниевых сплавов ........................... 64 2.3. Закономерности структурных изменений при деформации магниевых сплавов ...................................... 66 2.4. Литейные магниевые сплавы ................................................... 68 2.4.1. Высокопрочные литейные магниевые сплавы .............. 69 2.4.2. Жаропрочные литейные магниевые сплавы ................. 74 2.5. Деформируемые магниевые сплавы ........................................ 76 2.5.1. Высокопрочные деформируемые магниевые сплавы ... 77 2.5.2. Жаропрочные деформируемые магниевые сплавы, легированные РЗМ ......................................................... 80 2.5.3. Ультралегкие деформируемые магниевые сплавы на базе системы Mg–Li ................................................... Глава 3. Титан и его сплавы .................................................................. 83 3.1. Общие структуры и свойства титана и его сплавов ................ 84 3.1.1. Влияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов .................. 84 3.1.2. Типичные структуры титановых сплавов ...................... 91 Оглавление. Промышленные титановые сплавы ........................................ 97 3.2.1. Деформируемые титановые α‑ и псевдо‑α‑сплавы ....... 98 3.2.2. Деформируемые (сплавы .....................................102 3.2.3. Деформируемые β‑ и псевдо‑β‑сплавы ........................104 3.2.4. Литейные титановые сплавы Глава 4. Медь и ее сплавы ...................................................................107 4.1. Микроструктура и свойства латуней ......................................114 4.1.1. Латуни, обрабатываемые давлением .............................116 4.1.2. Литейные латуни ...........................................................120 4.2. Микроструктура и свойства бронз .........................................120 4.2.1. Оловянные бронзы ........................................................122 4.2.2. Безоловянные бронзы ...................................................125 4.3. Медно‑никелевые сплавы Глава 5. Благородные металлы и сплавы на их основе ........................133 5.1. Золото ......................................................................................134 5.2. Серебро ....................................................................................140 5.3. Платина ...................................................................................141 5.4. Обработка и ее влияние на свойства благородных металлов ....145 5.5. Сплавы благородных металлов ...............................................151 5.6. Тройные системы сплавов ......................................................161 5.7. Особенности производства сплавов .......................................165 5.8. Сплавы с особыми свойствами ...............................................169 5.9. Припои Библиографический список .................................................................175 5 Предисловие В опросы, касающиеся изучения цветных металлов и сплавов на их основе, имеют место как в самостоятельных учебных дисциплинах, таких как Металлургия цветных металлов, Цветные металлы и сплавы, таки являются частью курсов Материаловедение, Металловедение, Технология конструкционных материалов. В зависимости от направления, профиля и специальности студенты будут изучать учебное пособие в разном объеме с разной глубиной проработки. В учебное пособие включены разделы, касающиеся легких, тяжелых и благородных металлов и сплавов на их основе. Представлены физические, механические, химические и особые свойства цветных металлов. Рассмотрены диаграммы состояния. Описаны особенности формирования структуры, фазового состава при различных обработках. Приведена маркировка цветных сплавов. В учебном пособии есть ссылки на ГОСТы и другую нормативно‑техническую документацию, действующую в настоящее время. При подготовке учебного пособия авторы — преподаватели кафедры металловедения использовали многолетний опыт работы, как свой, таки кафедры. В работу включены материалы, подготовленные профессорами кафедры СВ. Грачевым и Л. А. Мальцевой по металлографии цветных металлов и сплавов Глава 1. Алюминий и его сплавы П ервые крупинки алюминия были получены датским ученым Эрстедом (1825) и немецким химиком Велером (1827). Промышленный способ получения чистого алюминия разработали американец Чарльз Холл и француз Поль Эру (1886). До конца ХIХ столетия алюминий был дорогим металлом, лишь немного дешевле золота. Началом промышленного выпуска алюминия считают 1890 г. С 1854 по 1890 гг. в мире произведено 200 т алюминия 1890–1899 гг. — 28000 т, за один 1930 г. — 270000 т, за 1968 г. — 8386200 т. В е годы годовой прирост мирового производства алюминия составлял около 15 %, а в последние годы не превышает 5 Вначале ХХ века алюминий применяли только в чистом виде. Применение алюминиевых сплавов начинается с открытия в 1906 г. немецким ученым Вильмом первого термически упрочняемого сплава — дуралюмина 4,0 % Cu, 0,5 % Mg, 0,5 % Mn. Сейчас сплавы типа дуралюмина Д и Д, имеющие наряду с высокой прочностью 400–500 МПа небольшую плотность, широко распространены в современной промышленности. По удельной прочности (отношение временного сопротивления к плотности) алюминиевые сплавы значительно превосходят стали. Это обеспечило широкое применение алюминиевых сплавов в авиации и ракетной технике. Алюминий и его сплавы отличаются высокой технологичностью, хорошо деформируются, из них легко можно получать изделия сложной формы. Алюминий и ряд его сплавов обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью. По электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту 7 Глава1.Алюминийиегосплавы Температура плавления алюминия составляет 660 С. Плотность алюминия 2,7 г/см 3 , ГЦК‑решетка с периодом 0,40412 нм при 20 С. Алюминий имеет также высокую тепло и электропроводность. Электропроводность алюминия чистоты 99,5 % составляет 62,5 % от электропроводности меди. Алюминий — парамагнитный металл. Модуль Юнга алюминия равен 70 ГПа, что довольно высоко, но значительно меньше, чему сталей. Алюминий — химически активный металл. Однако при окислении взаимодействии с кислородом воздуха) на поверхности образуется плотная пленка окисла А, которая защищает его от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой на воздухе. При комнатной температуре толщина этой пленки составляет 5–10 нм. При нагреве до температуры плавления толщина окисной пленки возрастает до 200 нм. Окись алюминия имеет удельный объем, близкий кудельному объему алюминия, поэтому пленка плотная (без трещин). Некоторые разбавленные кислоты взаимодействуют с алюминием сильнее, чем концентрированные. Концентрированная холодная азотная кислота не растворяет алюминий, а разбавленная — разрушает очень быстро. Тоже относится и к серной кислоте. Алюминий устойчив во многих органических кислотах уксусной, лимонной, винной и др. Алюминий быстро растворяется в растворах едких щелочей. При комнатной температуре алюминий не взаимодействует с водой, парами воды, СО, СО, при высоких температурах реагирует сними. Энергичное взаимодействие алюминия с парами воды начинается с 500 Си резко ускоряется при плавлении по реакции А + 3H 2 O → Al 2 O 3 + Специфическим свойством алюминия, которое определило его применение в атомных реакторах, является его способность поглощать нейтроны. Алюминий не дает ни с одним из элементов ряд непрерывных твердых растворов. Известно, что неограниченные твердые растворы образуются при соблюдении следующих правил (правила Юм‑Розери): 1) элементы должны иметь кристаллические решетки одного типа) атомные диаметры элементов должны отличаться не более чем на 8–15 %; 3) элементы должны иметь близкие электрохимические свойства, что наблюдается при сходстве электронного строения их атомов 8 Глава1.Алюминийиегосплавы Многие металлы имеют сходную с алюминием решетку (ГЦК). Из них благоприятный размерный фактор (различие в атомных радиусах менее 8,0 %) имеют такие металлы, как Pd, Pt, Ag, Au. Однако все эти металлы имеют сильно отличающиеся от алюминия электронные строения. Ограниченную растворимость с алюминием имеют следующие металлы, ат. %: Zn – 65,5 Si – 1,5 Cd – 0,089 Ag – 23,8 Mn – 0,71 Zr – 0,089 Li – 16,2 Cr – 0,37 Fe – 0,03 Mg – 18,9 V – 0,2 Na – 0,0035 Ga – 5,5 Sc – 0,35 Cu – 2,5 Ti – Первичный алюминий в России производят по ГОСТ 11069–74 и маркируют буквой Аза которой следуют цифры, указывающие десятые, сотые или тысячные доли процента содержания алюминия. Например, А содержит 99,995 % А А — 99,99 % А А — 99,7 % А А — 99,0 % А. В табл. 1.1 приведен химический состав алюминия. Таблица Марки первичного алюминия (ГОСТ 11069–74) Марка Химический состав, % Марка Химический состав, Примеси, не более Al Примеси, не более Fe Si Всего Fe Si Всего Особой чистоты Технической чистоты А999 А 99,85 0,09 0,06 Высокой чистоты А8 99,8 0,12 0,10 А 99,995 0,0015 0,0015 А 99,7 0,16 0,16 А 99,99 0,003 0,003 А 99,6 0,25 0,20 А 99,97 0,015 0,015 А 99,5 0,30 0,30 А 99,95 0,030 0,030 А 99,0 0,50 0,50 1,0 А5Е* 99,5 0,35** 0,12 0,50 * Сумма Ti + V + Mn + Gr < 0,01 %. ** Железа не менее 0,18 %. 9 Глава1.Алюминийиегосплавы Металлургические заводы выпускают алюминий трех сортов) особой чистоты А) высокой чистоты А, А, А, А) технической чистоты А, А, А, А, А, А0. Основные примеси в первичном алюминии — железо и кремний. Железо практически не растворяется в алюминии, а кремний мало растворяется в твердом алюминии (рис. 1.1 и 1.2). 500 T, °C 660° 0,05 1,8 L L + FeAl 3 0 Al 2 4 6 Fe → Fe, % 600 700 800 655° + FeAl 3 a Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы При совместном содержании железа и кремния эти элементы образуют с алюминием тройные промежуточные фазы переменного состава, обозначаемые буквами α и β. Фазе α приписывают формулу Fe 2 SiAl 8 , а фазе β — FeSiAl 5 . Кроме того, в техническом алюминии образуется соединение Al 3 Fe, наблюдающееся в структуре в виде игл и существенно снижающее его пластичность. В зависимости от соотношения Fe/Si может развиваться либо эвтектическая, либо перитектическая реакция. Так, при низком соотношении Fe/Si кристаллизуется двойная эвтектика Al + β или Al + Si, а затем образуется тройная эвтектика. В этом случае первичная кристаллизация Al идет вблизи 660 °C, а тройная эвтектика кристаллизуется при 576 °C. Технический 10 Глава1.Алюминийиегосплавы алюминий с таким широким интервалом кристаллизации склонен к образованию горячих трещин при полунепрерывном литье слитков. Чтобы предотвратить брак по горячим трещинам, необходимо повысить температуру конца кристаллизации. Для этого следует поддерживать отношение Fe/Si > 1. L L + Si L + a + Si a T, °C 500 550 600 650 700 660° 577° 1,65 12,5 0 4 8 12 16 20 Al Si → Si, % Рис. 1.2. Диаграмма состояния системы Легирование алюминия различными элементами осуществляется для повышения прочности. С основными компонентами промышленных сплавов алюминий дает двойные системы эвтектического типа см. рис. 1.3). Со многими элементами алюминий образует двойные, тройные и более сложные интерметаллиды, как кристаллизующиеся из расплава, таки выделяющиеся из твердого раствора на базе алюминия при отжиге и старении. Все алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные см. рис. 1.4). Главной структурной составляющей деформируемых сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (до 10 %), что обеспечивает деформируемость этих сплавов 11 Глава1.Алюминийиегосплавы а б, °C 660° 100 300 500 Al 20 Zn 40 60 80 100 0 → Zn, % 382° 275° 82,8 95 99 78 31,6 L a a + b І + b b 35 450° L + a L + a T, °C 600 660° 500 400 300 200 → Mg, % Mg Al 0 10 20 30 40 17,4 L a 450 500 550 600 650 660° 548° 0 10 20 30 40 50 Al → Cu, % Cu 5,7 33 L L + a a a + CuAl 2 T, °C Al Li → Li, % 0 10 20 300 500 700 T, °C L 602° 4,2 7,5 a a + LiAl LiAl Al 0 1 2 3 4 Mn → Mn, % 500 600 700 800 T, °C a L L+Al Mn 6 658,5° 1,4 2,0 a + b CuAl 2 L + CuAl 2 660° 660° a +Al в г д Рис. 1.3. Диаграммы состояния система б, Al–Cu — в, Al–Li — гид Литейные сплавы Деформируемые сплавы Рис. 1.4. Области деформируемых и литейных алюминиевых сплавов 12 Глава1.Алюминийиегосплавы Для обозначения промышленных деформируемых сплавов используют буквенно‑цифровую и буквенную маркировку, причем цифра в марке чаще всего не обозначает концентрацию легирующих элементов. Позднее была введена единая маркировка из одних цифр. Первая цифра во всех марках (1) обозначает основу сплава — алюминий. Вторая цифра в марке несет главную смысловую нагрузку, указывая систему, являющуюся основой данного сплава — технический алюминий — система Al–Cu–Mg; 2 — система Al–Cu–Mn и Al–Li; 3 — система Al–Mg–Si и Al–Mg–Si–Cu; 4 — система Al–Mn; 5 — система Al–Mg; 9 — система Al–Zn–Mg и Al–Mg–Cu; 6, 7, 8 — резервные, для возможных новых систем. Последние две цифры в марке указывают порядковый номер сплава. Новым сплавам присваивают только цифровое обозначение. Маркировка и химический состав деформируемого технического алюминия приведены в табл. 1.2. Деформируемый алюминий используют для получения листа, проволоки, прутков, профиля. Таблица Маркировка и химический состав деформируемого технического алюминия Марка Содержание, мас. % Буквенная Цифровая Аl не менее не более АДОО 1010 99,70 0,16 0,16 АДО 1011 99,50 0,30 АД 1013 99,30 0,30 АД 98,80 0,50 Благодаря высокой электропроводности алюминий широко используют в электротехнике, благодаря высокой теплопроводности — в теплообменниках и холодильниках, автомобильных и тракторных радиаторах. Алюминиевые провода легкие, что позволяет устанавливать дорогостоящие мачты высоковольтных передач на большом расстоянии одна от другой |