Лекция 13-14 Цветные металлы

Тема 3 Раздел 2. Цветные металлы и сплавы. Цветными называют все металлы, кроме железа, кобальта и марганца, а также щелочных и щелочноземельных металлов.

§ Классификация цветных металлов. Традиционно классификацию цветных металлов проводят по тому характерному свойству, которое определяет их преимущественное применение. По этому принципу различают следующие группы цветных металлов:

1.Легкие (с плотностью меньше 5 г/см3): Al, Mg, Be, Ti.

2.Тяжелые: Cu, Ni.

3.Тугоплавкие (с температурой плавления Тпл больше, чем у железа, т.е. больше 1539 оС): W, Mo, Nb, V, Cr, Ta и др.

4.Легкоплавкие: Sn, Pb, Zn и др.

5.Драгоценные: Au, Ag, Pt и др.

6.Радиоактивные: U, Pu и др.

Основные характеристики цветных металлов приведены в таблице 1.

Свойства и применение цветных металлов. Наибольший объем производства среди цветных металлов и сплавов имеют три металла – алюминий, медь, титан – и сплавы на их основе. Их рассмотрением мы ниже и ограничимся. В таблице 2 приведены механические свойства технически чистых алюминия, меди и титана. Видно, что в отожженном состоянии все три металла обладают высокой пластичностью (из них медь – наибольшей), а по прочности лидирует титан. Алюминий имеет наименьшую прочность.

Применение технически чистых цветных металлов основано на использовании их достоинств, результат изучения которых представлен в таблице 3. Сопоставление представленных данных позволяет сформулировать следующие отличительные черты трех металлов.

Достоинствами алюминия является низкая стоимость, высокая электро- и теплопроводность, низкая плотность, высокая удельная прочность (σВ/ρ), хорошая коррозионная стойкость во многих средах и высокая технологичность (возможность плавки и обработки давлением при невысоких температурах в воздушной атмосфере). К недостаткам относятся плохая обрабатываемость резанием и низкая жаропрочность.

Медь характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Недостатки меди: высокая плотность, плохая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.

Таблица 4 – Основные примеси в цветных металлах

Важность учета примесей иллюстрирует также приводившаяся выше таблица 8.2. Увеличение содержания растворимых примесей упрочняет металл, одновременно снижая его пластичность. Все примеси, особенно входящие в твердый раствор, снижают электропроводность.

§2. Классификация сплавов цветных металлов. Для описания цветных сплавов применяют несколько классификаций:

по химическому составу, или, другими словами, по вводимым в состав легирующим элементам (помимо прямолинейного способа описания путем указания системы компонентов, например, «сплавы Al-Cu-Mg», используются специальные названия для некоторых сплавов определенных систем и составов, например, сплавы Cu-Zn называются латунями, а сплавы Al-Mg-Si – авиалями);

по фазовому состоянию в отожженном состоянии (например, различают однофазные α-и двухфазные (α+β)-латуни, а для титановых сплавов используют названия α-, псевдо α-, (α+β)-сплавы);

по областям преимущественного применения (например, патронная латунь);

по основной характеристике, определяющей особенности применения (так, сплавы на основе алюминия относят к группе материалов с малой плотностью, титановые сплавы – к материалам с высокой удельной прочностью, медные сплавы – к материалам с особыми технологическими свойствами);

по технологическим способам, используемым для получения изделий из рассматриваемого сплава (деформируемые, литейные, спекаемые сплавы);

по возможности упрочнить сплав с помощью термической обработки (термически упрочняемые и термически неупрочняемые).

§ 3. Маркировка цветных металлов и сплавов

Алюминий маркируют буквой А, за которой следуют цифры, указывающие десятые, сотые или тысячные доли процента содержания алюминия. Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995 % Al, А99 – 99,99 % Al, А7 – 99,7 % Al и А0 – 99,0 % Al. Отечественной промышленностью выпускается алюминий особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995, А99, А97, А95) и технической чистоты (А85, А8, А7, А6, А5 и А0).

Деформируемый алюминий обозначают буквами АД и цифрами, которые условно характеризуют чистоту металла. Деформируемый алюминий марки АД00 содержит не менее 99,7, АД0 – 99,5, АД1 – 99,3 и АД – 98,8 % Al.

В марках алюминиевых сплавов первые буквы характеризуют тип сплава: Д – сплавы типа дуралюминов; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный.

Медь маркируется буквой М (к которой в случае высшей чистоты добавляются буквы ВЧ) и цифрами (условным номером), отражающими содержание меди. Например, в меди марки МВЧк суммарное содержание меди и серебра (частого спутника меди в месторождениях) не менее 99,993 %, М00к –

99,99, М0б – 99,97, М0к – 99,95, М1к и М1р – 99,9, М2 и М2р – 99,7, М3 и М3р – 99,5 %. В конце марки ставится буква, характеризующая способ рафинирования (очистки) – конечной стадии получения меди:

к – катодная (электролитическое рафинирование); б – бескислородная (медь, полученная плавкой в вакууме); р – раскисленная (с уменьшенным содержанием кислорода за счет введения в расплав раскислителя, чаще всего фосфора, – элемента, связывающего кислород в оксид, который всплывает на поверхность расплава и легко удаляется).

Если такой буквы нет (марки М2 и М3), то это указывает на медь огневого рафинирования.

Следует обратить внимание на то, что техническая медь, полученная с помощью разных способов рафинирования, при одинаковом содержании меди имеет разное содержание кислорода и, следовательно, разные свойства. Например, в меди марки М2р содержится не более 0,01 %О, а в меди М2 кислорода больше – до 0,07 %.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если, кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, Ц – цинк). Содержание этих элементов обозначается соответствующими числами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка.

Литейные латуни также маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. Буквенные обозначения легирующих элементов приводят в порядке убывания их концентрации. В конце марки в той же последовательности указывают числа, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов, и ставится число, равное их среднему содержанию в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Титановые сплавы маркируют буквами, чаще всего ВТ или ОТ, за которыми следует число, обозначающее условный номер сплава (например, ВТ5-1, ОТ4-1, ВТ20). Так же, как сплавы, маркируют технически чистый титан – выпускаются две марки: ВТ1-00 и ВТ1-0 (сумма примесей не более 0,9 и 1,7 %, соответственно). В конце марки литейного сплава добавляют букву Л (например, ВТ5Л, ВТ20Л0).

§ 4 Сплавы на основе меди. Медные сплавы по химическому составу делят на бронзы, латуни и медноникелевые сплавы. Латуни – это сплавы меди, в которых главной добавкой является цинк.

Бронзы – это сплавы меди, в которых основной добавкой является любой элемент, кроме цинка и никеля. Различают оловянные и безоловянные бронзы. Безоловянные бронзы подразделяют по основному легирующему элементу на алюминиевые, бериллиевые, свинцовые, хромовые и др. БРОНЗЫ. 4.1 Оловянные бронзы. При добавке к меди олова образуется твердый раствор замещения α на основе меди (рисунок 1). При содержании олова в сплаве больше 9,1 % (ат.), что составляет 15,8 % по массе, при 520 оС по эвтектоидной реакции γ → α + δ образуется промежуточная фаза δ, по составу примерно отвечающая стехиометрической формуле Cu31Sn8. Отраженное на диаграмме состояния при 350 оС эвтектоидное превращение δ → α + ε реализуется только при громадных выдержках (до 10000 ч) сильно деформированных образцов. Объясняется это чрезвычайно медленной диффузией олова в меди.

В промышленных условиях скорость охлаждения оказывается слишком большой для того, чтобы реализовывались условия равновесия.

Склонность оловянных бронз к отклонению от равновесия проявляется в следующих чертах:

1. При кристаллизации формируется дендритная, или внутризеренная, ликвация (содержание олова в центре зерен α-фазы меньше, чем вблизи их границ; другими словами, центральные части зерен, формирующиеся при кристаллизации раньше и при более высокой температуре, обогащены более

тугоплавким компонентом – медью).

2.При высоких температурах растворимость олова в α-фазе понижена по сравнению с равновесным значением; линия неравновесного солидуса, характеризующая химический состав α-фазы в процессе кристаллизации, идет левее равновесного солидуса, изображенного на диаграмме фазового равновесия (рисунок 1).

3.Отсутствует температурная зависимость олова в α-фазе, т.к. диффузия олова практически не идет и состав α-фазы «заморожен», т.е. остается

примерно таким же, каким он сформировался в процессе неравновесной кристаллизации. В условиях равновесия уменьшение температуры должно было бы сопровождаться сначала (до 520 оС) увеличением содержания олова, а затем его снижением.

4.Не происходит низкотемпературное (при 350 оС) эвтектоидное превращение δ → α + ε.

5.При низких температурах вместо равновесной фазы ε присутствует неравновесная фаза δ.

% Sn

б

А В С

распределения концентрации олова в α-фазе (б) для сплава БрО10

Описанные черты иллюстрирует рисунок 2, на котором представлена схема микроструктуры бронзы марки БрО10 (а) и пространственное распределение содержания олова в α-фазе вдоль отрезка АС (б). Отметим, что в микроструктуре этого сплава с 10 % (масс.) Sn присутствует неравновесный эвтектоид (α+δ), хотя по диаграмме фазового равновесия эвтектоидной реакции γ → α + δ в сплаве такого состава не должно

происходить. В литом состоянии из-за дендритной ликвации эвтектоид (α+δ) появляется при ≈ 6 % Sn. Неодинаковое содержание олова внутри зерна α- фазы на отрезке АВ (рисунок 2, б) иллюстрирует явление дендритной ликвации. Оловянные бронзы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации.

Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 6 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую (α+δ), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), что в сочетании с коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере и красивым цветом сделало эти материалы незаменимыми для художественного литья. Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть, поскольку фосфор является раскислителем и удаляет кислород, тем самым предотвращая образование твердых и хрупких частиц так называемой «оловянной кислоты» SnO2.

Литейные бронзы с низким содержанием олова, например, БрО3Ц7С5Н1 и БрО4Ц4С17, используют в качестве заменителя дефицитного олова цинк и применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Вдеформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 % для обеспечения необходимой пластичности. Деформируемые

оловянные бронзы или полностью однофазные, или содержат в виде включений небольшое количество второй фазы (Cu31Sn8, Cu3P). Примером оловянной бронзы, обрабатываемой давлением, является сплав марки БрОФ6,5-0,15, который применяют для изготовления различных упругих элементов, в частности, силовых токоведущих пружинных контактов.

Взависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

4.2Алюминиевые бронзы

Алюминиевые бронзы – наиболее многочисленная группа безоловянных бронз. При добавке к меди алюминия образуется твердый раствор замещения α (рисунок 3), предельная растворимость алюминия в котором при понижении температуры с 1032 до 565 оС увеличивается от 7,4 до 9,4 % (по массе). Столь крутой наклон линии предельной растворимости приводит к исчезновению эвтектики, образовавшейся при 1032 оС.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение α-твердого раствора. При содержании алюминия 9,4–15,6 % сплавы системы медь–алюминий двухфазные и состоят из α и γ2-фаз (γ2 – промежуточная фаза переменного состава со сложной кубической решеткой). В двухфазных бронзах при охлаждении происходит эвтектоидное превращение (при 565 оС) β → α + γ2. Перитектоидная реакция при 363 оС в промышленных условиях не реализуется.

При реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре сплава при 6–8 % Al. Наличие эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности. С увеличением содержания алюминия до 10–11 % прочность продолжает расти.

На практике используют однофазные алюминиевые бронзы, содержащие 5–8 % алюминия (БрА5, БрА7), и двухфазные доэвтектоидные бронзы с большим содержанием алюминия (БрА10, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5).

Однофазные бронзы (БрА5, БрА7), имеющие хорошую пластичность, относятся к деформируемым. Они обладают наилучшим сочетанием прочности (σВ = 400–450 МПа) и пластичности (δ = 60 %).

Двухфазные бронзы используют в качестве литейных или деформируемых в горячем состоянии. Особенностью двухфазных бронз является то, что их можно подвергать упрочняющей термической обработке. При быстром охлаждении (закалке в воде) от температуры однофазного состояния (950 оС) β-фаза испытывает не эвтектоидное, а мартенситное превращение β → β . Особенность мартенсита β в двухфазных алюминиевых бронзах

– его невысокая прочность. Упрочнения достигают не в результате закалки, а в результате отпуска при 250–300 оС. При отпуске образуются упрочняющие сплав очень мелкие частицы γ2-фазы.

Для устранения этих (см. выше) недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

4.3 Бериллиевая бронза. Классический представитель термически упрочняемых бронз – бериллиевая бронза БрБ2. По составу она близка к точке предельной растворимости бериллия в меди при перитектической температуре (рисунок 4).

Важной особенностью диаграммы является то, что с понижением температуры растворимость бериллия в меди резко падает. Бронзу БрБ2 закаливают с 780 оС в воде и подвергают старению при 320 оС в течение 2 ч. Закалка фиксирует высокотемпературное однофазное состояние (пересыщенный твердый раствор α). При старении из пересыщенного α-раствора выделяются дисперсные частицы метастабильной фазы γ CuBe, что приводит к сильному упрочнению. Если до закалки (в отожженном состоянии) предел прочности равен 550 МПа, то после закалки он даже уменьшается до 500 МПа. Зато старение повышает предел прочности до 1200 МПа. Состаренная бериллиевая бронза имеет рекордный для медных сплавов предел упругости (σ0,002 = 800 МПа), поэтому ее широко используют для изготовления упругих элементов. Недостаток бериллиевой бронзы – высокая токсичность паров бериллия.

Однофазные α-латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Из них изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку.

Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 oС используют (α+β)-латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали.

Наиболее широко применяют двойные латуни марок Л90, Л68 и Л63.

Однофазная латунь Л90, называемая томпаком, обладает хорошей коррозионной стойкостью и имеет красивый золотистый цвет. Ее используют для изготовления радиаторных трубок, знаков отличия и фурнитуры.

Так называемая патронная латунь Л68 из-за более высокой концентрации цинка прочнее, чем Л90, и обладает наибольшей среди всех двойных латуней пластичностью (δ = 55 %). Патронную латунь широко используют для изготовления изделий холодной штамповкой и глубокой вытяжкой. Латунь Л63, называемая торговой, среди всех латуней занимает первое место по объему производства. Она самая прочная из рассмотренных латуней. Легирование позволяет улучшить некоторые свойства латуней.

Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, как в латуни марки ЛС59-1, которую называют автоматной латунью. Название связано с применением ЛС59-1 в массовом производстве для быстрой обработки резанием на станках-автоматах, в частности, в часовой промышленности. Свинцовая (α+β)-латунь ЛС59-1 по объему производства находится на втором месте, уступая в этом лишь латуни Л63.

Следует подчеркнуть, что свинцом можно легировать только двухфазную латунь. Свинец практически нерастворим в α и β-фазах и находится в латуни в виде мелких округлых включений. В однофазной α-латуни свинец является вредной примесью, вызывающей горячеломкость, и его концентрация не должна превышать 0,03 %. В двухфазных же латунях вследствие α↔β-превращения легкоплавкий свинец, при температуре горячей деформации превращающийся в жидкую фазу, находится не по границам, а внутри зерен твердого раствора. Из-за этого свинец не вызывает горячеломкости даже при концентрациях до 3 %.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Оловянная α-латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется морской латунью.

Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

§ 5 Алюминиевые сплавы. Общая характеристика алюминиевых сплавов

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Mn, Si, Zn. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы переменной ограниченной растворимости и промежуточные фазы: CuAl2, Mg2Si и др. (рисунок 6).

Наличие уменьшающейся при охлаждении ограниченной растворимости в твердом состоянии дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спечённые), способности к термической обработке и свойствам (рисунок 6).

5.1 Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, получаются при введении в алюминий марганца или магния. Эти элементы существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (например, АМг6).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы, находящиеся в нагартованном (АМгН – 80 % наклепа) и полунагартованном (АМгП – 40 % наклепа) состояниях.

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы, находящиеся в нагартованном (АМгН – 80 % наклепа) и полунагартованном (АМгП – 40 % наклепа) состояниях. Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

дуралюмины (сплавы системы Al – Cu – Mg, обычно с добавкой марганца для повышения коррозионной стойкости);

высокопрочные стареющие сплавы (Al – Zn – Mg – Cu);

авиали (Al – Mg – Si);

ковочные сплавы (Al – Mg – Si – Сu и Al – Cu – Mg – Fe – Ni).

Дуралюмины получили наибольшую известность среди всех алюминиевых сплавов, так как именно при исследовании первого дуралюмина (Al – 4 % Cu – 0,5 % Mg – 0,5 % Mn) в 1906 г. было открыто явление старения, которое стало одним из основных способов упрочнения сплавов на разной основе. Этот дуралюмин используют до сих пор под маркой Д1. С появлением дуралюмина связано начало металлического самолетостроения.

В настоящее время среди дуралюминов наибольшее применение имеет сплав Д16 (Al – 4,3 % Cu – 0,6 % Mg – 0,6 % Mn). В дуралюминах разного состава в состоянии равновесия наблюдаются следующие фазы: твердый раствор меди и магния в алюминии (α-фаза), фаза Al2Cu (θ), Al2CuMg (S-фаза) и Al6CuMg4 (Т-фаза). С понижением температуры растворимость меди и магния в α-фазе понижается. По этой причине может быть получен пересыщенный твердый раствор при закалке, а затем проведено старение.