книги / Основы металловедения и термообработки

Ставы на основе W могут быть однофазные (систем W-Nb и W-Mo) и гетерофазные (системы W-Ta-C); дополнительные легирующие Zr, Hf, Re и др.

Сплавы на основе Nb Вн-2, ВН-3, ВН-4 содержат Mo и Zr, а сплавы 5ВМЦУ, РН-6С, ИРМН-3 содержат W, Mo, Zr и карби­ ды; дополнительные легирующие Ti, Та, V, Hf. Ниобиевые спла­ вы относительно пластичны.

Ставы на основе Та также относительно пластичны (электродуговая и электронно-лучевая плавка), однако упрочнение их легированием W, Zr, Hf снижает пластичность.

Ставы на основе Сг обладают стойкостью к окислению до температур 1000-1100 °С; легирующие элементы - W, V, Ni, Ti, Y, Mo, Hf, Zr, Ta. Малолегированные сплавы BX-1, ВХ-1И, BX-2, ВХ-2И пластичны. Достаточно пластичен и высоколегированный сплав ВХ-4. Сплавы М-140, М-142, М-146 малопластичны, но обеспечивают высокие значения длительной прочности.

Свойства сплавов тугоплавких металлов можно повысить пластической деформацией методом гидроэкструзии, в резуль­ тате которой создается тонкая полигонизационная структура металла.

Механические свойства некоторых тугоплавких сплавов приведены в табл. 15.

11.ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

11.1.Медь и ее сплавы

Медьметалл красного цвета, плотность меди 8,9 г/см3, температура плавления 1083 °С. Медь кристаллизуется в гране­ центрированную кубическую решетку (ГЦК) и не имеет поли­ морфных превращений при охлаждении.

Медь обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химиче­ ских сред. Очень важным потребительским качеством меди яв­ ляется ее высокая электропроводность (уступает только сереб­ ру), от которой электропроводность Al, Mg и Fe составляет только 60,40 и 17 % соответственно. Около половины произво­ димой меди используется в электро- и радиотехнике.

Для проводов применяют электролитическую медь марок MOO, МО, Ml, М2, М3, содержащую соответственно 99,99; 99,95; 99,9; 99,7; 99,5 % Си. Для повышения прочности прово­ дов и их износостойкости (трамвайные, троллейбусные) медь легируют кадмием (1 %), что уменьшает электропроводность на 10 %, но повышает прочность в 2 раза.

Медь и ее сплавы хорошо деформируются, свариваются

ипаяются, но сравнительно плохо обрабатываются резанием. Вредными примесями, снижающими механические и техноло­ гические свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, сера, кислород.

Применение меди и ее сплавов в машиностроении обусловле­ но их высокой коррозионной стойкостью, теплопроводностью и высокими механическими свойствами при низких температурах.

По технологичности различают деформируемые и литейные медные сплавы. По химическому составу их делят на латуни

(сплавы меди с цинком) и бронзы (сплавы меди с другими эле­ ментами). Сплавы обозначают начальной буквой (Л - латунь, Бр - бронза), после чего следуют обозначения основных элемен­ тов сплава: О - олово, А - алюминий, Мц - марганец, Ц - цинк, Ж - железо, Ф —фосфор, Б - бериллий, X - хром и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего эле­

мента в сплаве. Например, ЛАН59-3-2 - латунь, содержащая, %:

59 Си, 3 А1, 2 Ni и 36 Zn; БрОФ6,5-0,15 - бронза, содержащая, %: 6,5 Sn, 0,15 Р, остальное - медь.

Латуни (сплавы системы Си - Zn) могут быть однофазными

(а)- и двухфазными (а + Р)-латунями.

Однофазная а-латунь представляет собой твердый раствор цинка в ГЦК решетке меди и может содержать до 39 % Zn (рис. 96, а). Однофазные латуни весьма пластичны при низких и высоких температурах кроме интервала температур хрупкости (300-700 °С). При содержании более 39 % Zn в сплаве образует­ ся хрупкая P-фаза с кристаллической решеткой ОЦК. Двухфаз­ ные латуни деформируют при температурах выше 700 °С, когда их структура становится однофазной. Влияние химического со­ става на свойства латуни приведено на рис. 96, б. Однофазные а-латуни хорошо деформируются в холодном состоянии, а двухфазные (а + Р)-латуни - при температуре несколько выше 700 °С. Состав, механические свойства и применение деформи­ руемых и литейных латуней приведены в табл. 16. В маркировке литейных латуней указывается содержание цинка.

Легирование латуней алюминием, кремнием, железом, мар­ ганцем, никелем увеличивает их прочность и улучшает обраба­ тываемость резанием. Деформированные латуни, содержащие более 20 % Zn, склонны к растрескиванию во влажной атмосфе­ ре со следами аммиака. Для снижения этого дефекта проводят отжиг при температуре около 250 °С (ниже температуры рекри­ сталлизации).

a Zn, % б

Рис. 96. Диаграмма состояния Си - Zn (а) и влияние цинка на механические свойства меди (б)

Алюминиевые латуни, дополнительно легированные Ni, Fe, Mn, Si, подвергают термоупрочнению (закалка + старение) до Ств « 700 МПа, а с пластической деформацией (перед старени­ ем) —до Ов « 1000 МПа.

Кремнистые латуни типа ЛК80-3 характеризуются высокой прочностью и сохраняют достаточную пластичность и вязкость при низких температурах (до -183 °С).

Высокой коррозионной стойкостью обладают легирован­ ные оловом латуни ЛО70-1, Л062-1, называемые морскими.

Бронзами называют двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, берил­ лием, хромом и другими элементами.

Состав и механические свойства некоторых латуней

	Марка	Содержание элементов, %		СГв,	8 ,	Вид полуфабриката
		Си	Легирующие	МПа	%	и назначение
			Деформируемые латуни
	Л90	88-91	-	260	45	Ленты, листы, трубы
	Л80	79-81	-	320	52	Ленты, проволока
	Л63	62-65	—	330	50	Ленты, проволока,
						прутки
	ЛС59-1	57-60	0,8-1,9 Sb	400	45	Полосы, прутки
	ЛЖМц59-1-1	57-60	0,6-1,2 Fe; 0,1-0,4 Al;	450	50	Проволока, трубы
			0 ,3 -О, 7 Sn; 0,5-0,8 Mn
	ЛАЖ60-1-1	58-61	0,75-1,5 Al;	450	45	Трубы, прутки
			0,75-1,5 Fe
			Литейные латуни
	ЛЦ16К4	78-81	3,0-4,5 Si	300	15	Арматура, детали
	ЛЦ40МцЗЖ			500		приборов
		53-58	3,0-4,0 Mn; 0,5-1,5 Fe		1 0	Детали ответствен­
						ного назначения,
						гребные винты
	ЛЦ12А6ЖЗМц2	64-68	4,0-7,0 Al; 2,0-4,0 Fe;	700	7	Гайки нажимных
			l,5-3,0Mn			винтов, «червячные»
						винты

Особенно широко применяют в машиностроении оловян­ ные бронзы с добавками Zn, Pb, Ni, Р. В a -твердом растворе системы Си - Sn (рис. 97) олово упрочняет сплав, но при кон­ центрации 10 % резко снижает его пластичность. Двойные оло­ вянные бронзы применяют редко из-за дороговизны олова. Его частичная замена цинком, полностью растворимом в твер­ дом растворе, повышает технологические и механические свой­ ства сплава: жидкотекучесть, свариваемость, обрабатываемость резанием. Свинец улучшает антифрикционные свойства и обра­ батываемость резанием оловянных бронз. Фосфор, являясь раскислителем, повышает жидкотекучесть и, образуя твердые включения Си3Р, повышает износостойкость, прочность и пре-

дел упругости бронз. Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую малую усадку (0,8-1,4 %) и широко используются для отливок сложной формы. Состав и механические свойства оловянных бронз приведены в табл. 17.

I—	1-1-------	1----------	1-------	U	I___ и		г---------	- I	1
Си	10	20	30	Sn, %	о	10	20	30	Sn,%
		а					6

Рис. 97. Диаграмма состояния Си - Sn (а )

ивлияние олова на механические свойства меди (б)

Деформируемые оловянные бронзы содержат 3-7 % Sn, до 5 % Zn и РЬ и до 0,4 % Р. Однофазная и однородная (после диф­ фузионного отжига при 700-750 °С) структура обеспечивает вы­ сокую пластичность. При холодной пластической деформации бронзы подвергают промежуточным отжигам при 550-700 °С.

Хорошая электропроводимость, коррозионная стойкость, антифрикционные и упругие свойства и сопротивление устало­ сти позволяет использовать деформируемые бронзы для изго­ товления пружин в точной механике, электротехнике, химиче­ ском машиностроении и других областях техники.

Состав и механические свойства некоторых бронз

	Содержаниелеги­				ов,	6,		Вид полуфабриката,
Марка	рующихэлементов,%						н в
	Sn	Pb	Zn	прочие	МПа	%		назначение
			л еформируемые бронзы
БрОФ6,5-0,15	6,5	-	-	0,15Р	400	65	800	Ленты, полосы, прутки
БрОФ4-0,25	4	-	—	0,25Р	340	52	650	Трубки аппаратов
								и приборов
БрОЦ4-3	4	-	3	-	350	40	600	Ленты, прутки, прово­
								лока пружин
БрОЦС4-4-2,	4	2,5	4	-	350	40	600	Прокладки втулок
5				2Ве		2		и подшипников
БрБ2	-	-	-		1150		-	Мембраны, пружины
				Литейные бронзы
Бр05Ц5С5	5	5	5	-	180	4	600	Водяная и паровая ар­
		2						матура, шестерни
Бр06Ц6С2	5		5	-	-	-	-	Художественное литье
БрО10Ф1	10	—	—	1Р	250	7	800	Сложное литье, под­
								шипники, пшстерни
БрСЗО	30	-	-	-	60	4	-	Точное литье в кокиль
БрА10ЖЗМц2	-	-	-	10А1	400	10	-	Литье в песчаную форму
				3Fe
				2Мп

При концентрации более 10 % Sn в структуре бронзы образу­ ется хрупкий эвтекгоид, исключающий возможность пластической деформации. Литые оловянные бронзы, благодаря твердым вклю­ чениям эвтектоида, являются одним из лучших антифрикционных материалов для подшипников. В их состав вводят свинец.

Литые оловянные бронзы применяют в качестве арматуры, работающей в агрессивных средах и обладающей высокой элек­ тро- и теплопроводностью.

Алюминиевые бронзы отличаются высокими механически­ ми, антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

Однофазные бронзы (БрА5, БрА7) относятся к деформи­ руемым и обладают наилучшим сочетанием прочности и пла­ стичности (ств = 400-450 МПа при S = 60 %).

Двухфазные бронзы применяют после горячей обработки давлением или в фасонных отливках. Они отличаются высокой прочностью (ств = 600 МПа) и твердостью (НВ > 1000), подверга­ ются упрочняющей термообработке. Их недостатки (большая усадка, склонность к газонасыщению, крупнокристаллическая столбчатая структура, трудность пайки) в значительной степени устраняются при легировании железом, никелем, марганцем: БрФЖ9-4, БрФЖН10-4-4, БрФЖМц10-3-1,5. В отожженном со­ стоянии БрФЖН10-4-4 имеет: а в = 650 МПа, 5 = 35 %, НВ 1500. После закалки от 980 °С и старения при 400 °С (2 ч) твердость бронзы увеличивается до НВ 4000. Из таких бронз изготовляют детали, работающие в условиях износа при повышенных темпера­ турах (400-500 °С): седла клапанов, направляющие втулки выпу­ скных клапанов, части насосов и турбин, шестерни и т.п.

Кремнистые бронзы (до 3 % Si) характеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются давлением, свариваются и паяются. Дополнительное легирование марганцем и никелем повышает их прочность и твердость (БрКН1-3, БрКМцЗ-1). Так, после за­ калки от 800 °С и старения при 500 °С эти бронзы имеют ств > 700 МПа и 5 « 8 %. Добавки свинца улучшают антифрикци­ онные свойства и обрабатываемость резанием кремнистых бронз.

Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прут­ ков, проволоки. Их часто используют вместо более дорогих оло­ вянных бронз в антифрикционных деталях, а также вместо бериллиевых бронз при изготовлении пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.

Бериллиевые бронзы (до 2,5 % Be) представляют интерес сочетанием высокого предела упругости (а0,оо2 = 600, 650, 800 МПа для БрБ2, БрБНТ1,9 и БрБНТ1,9Мц соответственно) и низкого модуля упругости (Е = 1,25 105 МПа), получаемого 188

Алюминиевые сплавы применяют для хранения и транс­ портировки жидких грузов: кислорода, азота, водорода, гелия; для низкотемпературной арматуры и трубопроводов; для крио­ генного оборудования, используемого в космосе.

Алюминий имеет кристаллическую решетку гранецентриро­ ванного куба, не претерпевает полиморфных превращений. Тем­ пература плавления алюминия 660 °С, плотность 2,7 г/см3, мо­ дуль упругости £ = 70 ГПа, алюминий обладает низкой прочно­ стью (ав = 100 МПа) и высокой пластичностью (ô = 35 %). Алюминий отличает также высокая электропроводность (65 % от электропроводности меди) и теплопроводность. Высокая корро­ зионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тонкой, но плотной пленки оксида А120з.

Технический алюминий широко применяется в электротех­ нике в качестве проводникового материала. Он хорошо дефор­ мируется до толщины фольги, сваривается, но плохо обрабаты­ вается резанием. Применяется в бытовой посуде и емкостях для хранения продуктов, в консервных банках, в упаковках продук­ тов питания и т.п.

Металлургические заводы выпускают алюминий трех сор­ тов: особой чистоты (А999 содержащие < 0,001 % примесей), высокой чистоты (А995, А99, А97, А95) и технической чисто­ ты (А85, А8, А7, А6, А5, АО - содержащие примесей 0,15; 0,20; 0,30; 0,40; 0,5 и 1 %). Основные примеси в первичном алюми­ нии - железо и кремний.

Сплавы на основе алюминия широко применяются в качест­ ве конструкционного материала. Прочность алюминиевых спла­ вов достигает ав = 500-700 МПа, что при низкой плотности (у < 2850 кг/м3) дает высокую удельную прочность (ств/у) до 23 км, близкую удельной прочности высокопрочных сталей (29 км).

Основными легирующими элементами алюминиевых спла­ вов являются Си, Si, Mg, Mn, Zn. Они образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости (рис. 98), что делает возможной упрочняющую термообработку 190