8.3. Магний и его сплавы

Магний – легкий (плотность  = 1,74 г/см³), блестящий серебристо-белый металл с температурой плавления 650 С, тускнеющий на воздухе вследствие образования на поверхности окисной пленки. Магний имеет ГПУ решетку с периодами: а = 0,320 нм, с = 0,520 нм. Механические свойства литого магния: _в = 115 МПа, δ = 8 %.

Магниевые сплавы. Вследствие высокой химической активности выбор металлов, пригодных для легирования магния, невелик. Сначала применялись сплавы систем Mg–Al–Zn и Mg–Mn. Прогресс в расширении систем магниевых сплавов обусловлен открытием модифицирующего и рафинирующего действия циркония: появились сплавы типа Mg–Zr–Zn, Mg–Zr–РЗЭ. Широкое применение получили сплавы на основе системы Mg–Th, сверхлегкие сплавы системы Mg–Li.

Сплавы делят на литейные (МЛ) для производства фасонных отливок и деформируемые (МА) для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой.

Сплавы упрочняются закалкой и искусственным старением. Закалку проводят от 380–420 С, старение при 260–300 С в течение 10–24 часов. Особенностью является длительная выдержка при нагреве под закалку: от 4 до 24 часов. Детали из магниевых сплавов обладают высокой удельной прочностью и широко используются в самолето- и ракетостроении. Сплавы хорошо обрабатываются резанием (детали оптических приборов с очень тонкими стенками и мелкой резьбой), но чувствительны к знакопеременным нагрузкам: при конструировании деталей следует избегать резких переходов сечения, острых надрезов, пазов.

Деформируемые магниевые сплавы. Магний плохо деформируется при нормальной температуре: в гексагональной решетке скольжение происходит по одной плоскости базиса. При повышении температуры до 200–450 °С возникает скольжение по дополнительным кристаллографическим плоскостям, технологическая пластичность большинства сплавов становится высокой. Поэтому все операции по обработке давлением магниевых сплавов проводят при температурах 360–520 С и обязательно при малых скоростях деформации. Исключение – сплавы с 10–14 % Li, которые имеют ОЦК решетку и допускают обработку в холодном состоянии. Из деформируемых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. Все сплавы обладают хорошей свариваемостью.

Литейные магниевые сплавы. Отливки получают всеми известными способами литья (литьем в землю, в кокиль, под давлением). Во избежание горения заливаемого металла, в состав формовочных земель вводят защитные присадки; кокили окрашивают специальными красками, в состав которых входит борная кислота. При затвердевании магниевые сплавы дают большую линейную усадку.

Отливки из сплавов с цирконием имеют более мелкозернистую структуру и высокие механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавлении и разливке. Изготавливают детали двигателей, приборов и др., работающих при температурах до 300 С.

8.4. Медь и ее сплавы

Медь – металл красного цвета, имеет ГЦК решетку с периодом а = 0,361 нм. Плотность – 8,96 г/см³, температура плавления – 1083 С. Характерное свойство меди – высокая тепло- и электропроводность, поэтому она находит широкое применение в тепло- и электротехнике. Механические свойства чистой меди низкие; в качестве конструкционного материала применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием сплавов на основе меди.

Легирующие элементы в медных сплавах подразделяются на три группы. Первая группа – металлы, растворимые в твердой меди: Al, Fe, Ni, Zn, Ag, Au, Pt, Cd, Sb. Фрагмент диаграммы состояния Cu–Zn приведен на рис. 8.3. Вторая группа – элементы, нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики: Pb, Bi. Третья – неметаллические и полуметаллические элементы, образующие с медью химические соединения: P, As, O, S, Se, Te.

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяются на деформируемые и литейные, по химическому составу – на латуни и бронзы, по способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Л атуни – сплавы меди с цинком и другими элементами. Структура латуней состоит обычно из α- или α + β фаз. Фаза α – твердый раствор цинка в ГЦК решетке меди, фаза β – упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения CuZn с ОЦК решеткой. При высоких температурах β-фаза имеет неупорядоченное расположение атомов. Ниже 454–468 C расположение атомов меди и цинка в этой фазе становятся упорядоченным и она обозначается β. Фаза β, в отличие от β-фазы, является более твердой и хрупкой.

Из однофазных латуней (до 35 % Zn) деформированием в холодном состоянии изготавливают ленту, проволоку, гильзы патронов. Двухфазные латуни (от 35 до 45 % Zn) деформируются в горячем состоянии (выше 500 С). Изготовляют листы, прутки и другие заготовки. Обрабатываемость резанием повышается добавкой свинца («автоматная латунь»). Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость; ее повышают добавлением олова («морская латунь»). Добавка никеля и железа повышает механическую прочность. Литейные латуни не склонны к ликвации, отливки имеют высокую плотность. Кремнистые однофазные латуни – материал для конструкций, работающих при отрицательных температурах (до –183 С).

Маркируются двойные латуни буквой Л – латунь, затем ставится цифра, показывающая содержание меди в процентах. В специальных латунях после буквы Л буквы русского алфавита обозначают легирующий элемент: A – алюминий, H – никель, K – кремний, C – свинец, O – олово, Ж – железо, Mц – марганец, Ф – фосфор, Б – бериллий. Цифры показывают среднее содержание меди и легирующих элементов в %, например: Л96 – 96 % Сu и 4 % Zn; Л68 – 68 % Сu и 32 % Zn; ЛО70-1 – 70 % Cu, 1 % Sn и 29 % Zn.

Б ронзы – сплавы меди с другими элементами, в которых цинк не является основным. По способу изготовления различают деформируемые и литейные бронзы.

Оловянные бронзы образуются из ряда твердых растворов и склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Сплавы с содержанием олова более 5 % имеют в структуре легкоплавкую фазу. Такая структура является благоприятной для деталей с хорошими антифрикционными свойствами (подшипники скольжения). Мягкая фаза обеспечивает прирабатываемость, твердая – износостойкость бронзы. Литейные бронзы имеют малую объемную усадку (1 %) и используются в художественном литье, для изготовления отливок пароводяной арматуры и антифрикционных деталей: втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников. Для повышения жидкотекучести добавляется фосфор. Деформируемые оловянные бронзы (менее 6 % олова) обладают высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными свойствами и применяются в различных отраслях промышленности. Изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Алюминиевые бронзы применяют как заменители оловянных бронз. Сплавы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют структуру однофазного -твердого раствора, до 15,6 % – сплавы двухфазные ( + -фазы). Оптимальные свойства имеют алюминиевые бронзы с 5–8 % Al. При 10–11 % Al сильно снижается пластичность бронзы. Сплавы с содержанием 8–9,5 % Al можно закаливать для повышения прочности. Преимущества: большая плотность отливок, высокая механическая прочность и жаропрочность, низкая склонность к хладноломкости и внутрикристаллической ликвации. Недостатки: большая усадка, склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, спонтанный отпуск при медленном охлаждении, недостаточная коррозионная стойкость. Для устранения недостатков сплавы легируют марганцем, железом, никелем, свинцом. Из алюминиевых бронз литьем и обработкой давлением изготавливают малогабаритные ответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев. Штамповкой получают медали и разменную монету.

Кремнистые бронзы (до 3 % Si) являются заменителями оловянистых бронз. Не магнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря устойчивости к щелочным средам и сухим газам, используются для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами и высокой теплопроводностью до 300 С; прочность их невелика, но зато они очень пластичны, поэтому их используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические свойства.

Бериллиевые бронзы – сплавы меди с 2–5 % бериллия – высококачественный материал для изготовления пружин. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры резко уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий за счет дисперсионного твердения твердого раствора. При закалке с температуры 760‑780 С фиксируется пересыщенный твердый раствор бериллия в меди. Старение проводят при 300–350 С.