Цветные металлы и их сплавы

Широкое распространение в технике получили цветные металлы и их сплавы. По сравнению с чёрными металлами, цветные имеют ряд ценных свойств, но они значительно дороже. В связи с этим их применяют только в тех случаях, когда по условиям эксплуатации детали не могут быть изготовлены из чёрных металлов.

Наиболее широкое применение в машиностроении находят алюминий, медь, никель, титан, магний, свинец, олово и их сплавы.

Алюминий и его сплавы

Алюминий – один из наиболее лёгких конструкционных материалов. Его плотность – 2,7.г/см³, температура плавления – 658ºС. В отожжённом состоянии алюминий обладает малыми прочностью (σ_в = 80…120Мпа) и твёрдостью (25НВ), но большой пластичностью (δ = 35…45%). Кристаллизуется алюминий в кубической гранецентрированной решётке и полиморфных превращений не имеет; обладает высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью, технологичен и немагнитен [1,3,5].

Алюминий получают из руд, содержащих оксиды алюминия. Основной рудой являются бокситы, содержащие 40…80% глинозема (Al₂O₃). Производство алюминия состоит из двух процессов: выделения глинозема из руды и его электролиза. Полученный в результате электролиза алюминий содержит примеси железа, кремния, меди, поэтому его рафинируют. После рафинирования образуется технически чистый алюминий (содержание его 99,5…99,85%).

Маркируется алюминий буквой А и числом, зависящим от количества примесей. Различают алюминий:

– особой чистоты – А999 (99,999 % Al);

– высокой чистоты – А995 (99,995 % Al), А99 (99,99 % Al), А97 (99,97 % Al), А95 (99,95 % Al);

– технической чистоты – А85, А8, А7, А6, А5 и А0 (99,0% Al).

Ввиду низкой прочности технически чистый алюминий как конструкционный материал применяют сравнительно редко. В результате сплавления алюминия с магнием, медью, цинком и другими металлами получены сплавы с достаточно высокой прочностью, малой плотностью и хорошими технологическими свойствами.

Алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением).

Литейные алюминиевые сплавы имеют большую жидкотекучесть и малую линейную усадку (1,1%), поэтому из них изготавливают самые сложные по форме литые детали. Маркируются литейные сплавы буквами АЛ и числом, показывающим условный номер сплава. Цифры, стоящие в маркировке этих сплавов, не имеют никакого отношения ни к их составу, ни к их свойствам. Наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием с содержанием кремния 11,6%. Эти сплавы называются силуминами. Основной литейный алюминиевый сплав – силумин АЛ2

По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы можно условно разделить на следующие группы:

– сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.) (силумины);Они имеют очень хорошие литейные свойства, но малую почность.

– высокопрочные жаропрочные сплавы (АЛ3, АЛ5, АЛ19 и др.) (содержат до 6% меди и небольшого количества других элементов); они отличаются повышенной прочностью и жаропрочностью при температуре до 300ºС. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Недостатком этих сплавов является низкая коррозионная стойкость.

– коррозионно-стойкие сплавы (АЛ8, АЛ22, АЛ24 и др.) (содержат до 13% магния и небольшого количества других элементов). Характеризуются высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, хорошо обрабатываются резанием и свариваются.

Прочность большинства литейных сплавов можно повысить термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы обладают хорошей пластичностью, из них изготовляют известные в технике полуфабрикаты: фольгу, листы, прутки, ребристые панели, поковки, штамповки, проволоку, уголки и другой прокат.

Эти сплавы делят на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые.

К неупрочняемым относят сплавы алюминия с марганцем и магнием. Они обладают высокой коррозионной стойкостью, умеренной прочностью, высокой пластичностью, хорошо свариваются. Их применяют для изделий, эксплуатируемых в агрессивных средах, а также изготавливаемых путём глубокой штамповки: рам и кузовов, перегородок зданий бензиновых баков и т.п.

Маркировка этих сплавов: АМц – сплавы алюминия с марганцем и АМг1,…АМг7 – с магнием.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой, имеют наибольшую плотность (3г/см³) и высокую прочность (σ_в до 700 МПа). Их применяют для изготовления ответственных деталей. Наиболее распространённым сплавом этой группы является дуралюмин. Основным компонентом, упрочняющим дуралюмин, является медь (до 5%), в качестве дополнительных легирующих элементов используется магний(до1%), марганец (до 2%), титан и др.

Термообработка дуралюмина заключается в закалке при температуре 450…590ºС, охлаждении в воде, а затем в выдержке при комнатной температуре в течении 4…5 суток (естественное старение).

Дуралюмин маркируется буквой Д и порядковым номером: Д1, Д16, Д18. В результате термической обработке прочность повышается в два раза, а пластичность практически не меняется.

Достоинством дуралюмина является высокая удельная прочность (отношение предела прочности к плотности). Недостатком дуралюминов является пониженная коррозионная стойкость.

Наиболее распространёнными являются дуралюмины Д1, Д16, Д18, в состав которых входят 4% меди, до 2% магния и менее 1% марганца, с условным пределом текучести σ_0,1 = 240…310 МПа, временным сопротивлением σ_в = 400…425 МПа и относительным остаточным удлинением δ = 20% [3].

Из алюминиевых сплавов, в частности АЛ3, в швейных машинах выполнены: крышки, ограждения корпусных деталей КД-01, КД-02, картер и барабан механизма распределительных валов РВ-01 и др.