Металлические материалы

Стоимость чистой меди постоянно  повышается, а мировые запасы медной руды, по различным оценкам, истощатся в ближайшие 10-30 лет.

Медь маркируют буквой М, после которой стоит цифра. Чем больше цифра, тем больше в  ней примесей. Наивысшая марка  М00 – 99,99% меди, М4 – 99% меди.

В таблице 1 содержится информация по маркам меди в зависимости от чистоты согласно ГОСТ 859-78.

Таблица 2

Марка меди в зависимости  от чистоты

Марка	МВЧк	M00	М0	Ml	М2	МЗ
Содержание	99,993	99,99	99,95	99,9	99,7	99,5

 

После обозначения марки  указывают способ изготовления меди: к –катодная, б – бескислородная, р – раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

М00к – технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.

МЗ – технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5% меди.

В технике применяют 2 большие  группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Латуни – сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием – сплавами, обрабатываемыми давлением.

Латуни дешевле меди и  превосходят ее по прочности, вязкости и коррозионной стойкости. Обладают хорошими литейными свойствами.

Латуни, применяются в  основном для изготовления деталей  штамповкой, вытяжкой, раскаткой, вальцовкой, т.е. процессами, требующими высокой  пластичности материала заготовки. Из латуни изготавливаются гильзы различных боеприпасов.

В зависимости от числа  компонентов различают простые (двойные) и специальные (многокомпонентные) латуни.

Простые латуни содержат только Cu и Zn.

Специальные латуни содержат от 1 до 8% различных легирующих элементов (Л.Э.), повышающих механические свойства и коррозионную стойкость.

Al, Mn, Ni повышают механические  свойства и коррозионную стойкость  латуней. Свинец улучшает обрабатываемость  резанием. Кремнистые латуни обладают  хорошей жидкотекучестью и свариваемостью.

Бронзы – это сплавы меди с оловом (4-33% Sn), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой, фосфором и другими элементами.

Бронзы – это всякий медный сплав, кроме латуни. Это сплавы меди, в которых цинк не является основным легирующим элементом. Общей  характеристикой бронз является высокая коррозионная стойкость  и антифрикционность (от анти- и лат. frictio- трение). Бронзы отличаются высокой  коррозионной устойчивостью и антифрикционными свойствами. Из них изготавливают вкладыши подшипников скольжения, венцы червячных зубчатых колес и другие детали.

Высокие литейные свойства некоторых бронз позволяют использовать их для изготовления художественных изделий, памятников, колоколов.

По химическому составу  делятся на оловянные бронзы и без оловянные (специальные).

Оловянные бронзы обладают высокими механическими, литейными, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью резанием, но имеют ограниченное применение из-за дефицитности и дороговизны олова.

Специальные бронзы не только служат заменителями оловянных бронз, но и в ряде случаев превосходят их по своим механическим, антикоррозионным и технологическим свойствам:

Алюминиевые бронзы – 5-11% алюминия. Имеют более высокие механические и антифрикционные свойства, чем  у оловянных бронз, но литейные свойства – ниже. Для повышения механических и антикоррозионных свойств вводят железо, марганец, никель (например, БрАЖ9-4). Из этих бронз изготовляют различные  втулки, направляющие, мелкие ответственные  детали.

Бериллиевые бронзы содержат 1,8-2,3% бериллия отличаются высокой твердостью, износоустойчивостью и упругостью (например, БрБ2, БрБМН1,7). Их применяют  для пружин в приборах, которые  работают в агрессивной среде.

Кремнистые бронзы – 3-4% кремния, легированные никелем, марганцем, цинком по механическим свойствам приближаются к сталям.

Свинцовистые бронзы содержат 30% свинца, являются хорошими антифрикционными сплавами и идут на изготовление подшипников  скольжения.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие  количество элемента в процентах.

Примеры:

• БрА9Мц2Л – бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu («Л» указывает, что сплав литейный);
• ЛЦ40Мц3Ж – латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu;
• Бр0Ф8,0-0,3 – бронза содержащая 8% олова и 0,3% фосфора;
• ЛАМш77-2-0,05 – латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди).

В несложных по составу  латунях указывают только содержание в сплаве меди:

• Л96 – латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак);
• Лб3 – латунь содержащая 63% Cu и 37% Zn.

Высокая стоимость меди и  сплавов на ее основе привела в 20 веке к поиску материалов для их замены. В настоящее время их успешно  заменяют пластиками, композиционными материалами.

3.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 650°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. Алюминий занимает 3 место по распространению в земной коре после кислорода и кремния. Алюминий устойчив против атмосферной коррозии благодаря образованию на его поверхности плотной окисной пленки. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность – 2,7г/см³ против 7,8г/см³ для железа и 8,94г/см³ для меди. Имеет хорошую тепло- и электропроводность. Хорошо обрабатывается давлением.

Маркируется буквой А и  цифрой, указывающей на содержание алюминия. Алюминий особой чистоты  имеет марку А999 – содержание Al в этой марке 99,999%. Алюминий высокой  чистоты – А99, А95 содержат Al 99,99% и 99,95% соответственно. Технический алюминий – А85, А8, А7 и др.

Применяется в электропромышленности  для изготовления проводников тока, в пищевой и химической промышленности. Алюминий не стоек в кислой и щелочной среде, поэтому алюминиевая посуда не используется для маринадов, солений, кисломолочных продуктов. Применяется в качестве раскислителя при производстве стали, для алитирования деталей с целью повышения их жаростойкости. В чистом виде применяется редко из-за низкой прочности – 50 МПа.

В зависимости от возможности  термического упрочнения деформируемые  алюминиевые сплавы подразделяются на не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К сплавам, неупрочняемым т/о относятся сплавы Al c Mn (АМц1), и сплавы Al c Mg (AМг 2, АМг3). Цифра – условный номер марки.

Эти сплавы хорошо свариваются, обладают высокими пластическими свойствами и коррозионной стойкостью, но невысокой  прочностью, Упрочняются эти сплавы нагартовкой. Сплавы данной группы нашли  применение в качестве листового материала, используемого для изготовления сложных по форме изделий, получаемых холодной и горячей штамповкой и прокаткой. Изделия, получаемые глубокой вытяжкой, заклепки, рамы и т.д.

Сплавы, упрочняемые т/о, широко применяются в машиностроении, особенно в самолетостроении, т.к. обладают малым удельным весом при достаточно высоких механических свойствах. К ним относятся:

Дуралюмины – основные легирующие компоненты - медь и магний:

Д1 – лопасти воздушных  винтов, Д16 – обшивки, шпангоуты, лонжероны  самолетов, Д17 – основной заклепочный  сплав.

Высокопрочные сплавы –  В95, В96 наряду с медью и магнием  содержат еще значительное количество цинка. Применяют для высоконагруженных  конструкций.

Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости – АВ, АД31, АД33. Лопасти вертолетов, штампованные и кованые детали сложной конфигурации.

Наиболее широко распространены сплавы системы Al-Si- силумины.

Силумин имеет сочетание  высоких литейных и механических свойств, малый удельный вес. Типичный силумин сплав АЛ2 (АК12) содержит 10-13% Si, Подвергается закалке и старению (АК7 (АЛ9), АК9 (АЛ4).

3. 3. Цинк и его сплавы

Цинк – вязкий металл голубовато-серого цвета. Металл с небольшой температурой плавления (419 градусов С) и высокой плотностью (7,1 г/см³). Прочность цинка низкая (150 МПа) при высокой пластичности.

Цинк применяют для  горячего и гальванического оцинкования  стальных листов, в полиграфической  промышленности, для изготовления гальванических элементов. Его используют как добавку  в сплавы, в первую очередь в  сплавы меди (латуни и т.д.), и как  основу для цинковых сплавов, а также  как типографский металл.

В зависимости от чистоты  цинк делится на марки ЦВ00 (99,997% Zn), ЦВ0 (99,995% Zn), ЦВ (99,99% Zn), Ц0А (99,98% Zn), Ц0 (99,975% Zn), Ц1 (99,95% Zn), Ц2 (98,7% Zn), ЦЗ (97,5% Zn).

Цинковые сплавы широко применяются в машиностроении и разделяются на сплавы для литья под давлением, в кокиль, для центробежного литья и на антифрикционные сплавы. Основными легирующими компонентами цинковых сплавов являются алюминий, медь и магний. Отливки из цинковых сплавов легко полируются и воспринимают гальванические покрытия.

Состав, свойства и применение некоторых цинковых сплавов:

• ЦА4 содержит 3.9-4.3%Al, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление 250-300 МПа, пластичность 3-6%, твердость 70-90HB). Применяется при литье под давлением деталей, к которым предъявляются требования стабильности размеров и механических свойств.
• ЦАМ10-5Л содержит 9,0-12,4%Al, 4,0-5,5% Cu, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление не менее 250 МПа, пластичность не менее 0,4%, твердость – не менее 100HB. Из сплава изготавливают подшипники и втулки металлообрабатывающих станков, прессов, работающих под давлением до 200-10000 Па.
• ЦАМ9-1.5 содержит 9,0-11,0%Al, 1,0-2,0%Cu, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление не менее 250 МПа, пластичность не менее 1%, твердость не менее 90HB. Сплав применяют для изготовления разных узлов трения и подшипников подвижного состава.

3. 4. Магний и его сплавы

Магний – металл серебристо-белого цвета. Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Отличается низкой плотностью (1,74 г/см³), хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.

В зависимости от содержания примесей установлены следующие  марки магния: Мг96 (99,96% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг90 (99,90% Mg), магний высокой чистоты (99,9999% Mg).

Магний химически активный металл, легко окисляется на воздухе. Чистый магний из-за низких механических свойств (временное сопротивление 100-190 МПа, относительное удлинение 6-17%, твердость 30-40НВ) как конструкционный материал практически не применяют. Его используют в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

Достоинством магниевых  сплавов является высокая удельная прочность. Предел прочности магниевых  сплавов достигает 250-400 МПа при  плотности менее 2 грамм на кубический сантиметр. Сплавы в горячем состоянии хорошо куются, прокатываются и прессуются. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), хорошо шлифуются и полируются. Удовлетворительно свариваются контактной и дуговой сваркой в среде защитных газов.

К недостаткам магниевых  сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью и малым модулем упругости  следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при  их приготовлении.

По механическим свойствам  магниевые сплавы подразделяют на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные, по склонности к упрочнению с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые.

Деформируемые магниевые  сплавы. В сплавах МА1 и МА8 основным легирующим элементом является марганец. Термической обработкой эти сплавы не упрочняются, обладают хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Сплавы МА2-1 и МА5 относятся к системе Mg-Al-Zn-Mn. Алюминий и цинк повышают прочность сплавов, придают хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготовлять из них кованные и штампованные детали сложной формы (крыльчатки и жалюзи капота самолета). Сплавы системы Mg-Zn, дополнительно легированные цирконием (МА14), кадмием, редкоземельными металлами (МА15, МА19 и др.) относят к высокопрочным магниевым сплавам. Их применяют для несвариваемых сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и др.).