Краткие теоретические сведения

Стр 1 из 2Следующая ⇒

А. А. РАУБА, А. А. РАЖКОВСКИЙ, С. В. ПЕТРОЧЕНКО

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ

СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»

ОМСК 2013

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Омский государственный университет путей сообщения

__________________

А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ

«СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к лабораторным работам

для студентов очного и заочного обучения

Омск 2013

УДК 620.22 (076.5)

ББК 34.651 я7

Р 95

Материаловедение. Раздел «Сплавы цветных металлов»: Методические указания к лабораторным работам для студентов очного и заочного обучения / А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 35 с.

В методических указаниях представлены три лабораторные работы, в которых рассмотрены состав, структура, термическая обработка, свойства и области применения меди, алюминия и основных сплавов на их основе, а также антифрикционные материалы.

Указания написаны в соответствии с учебной программой и предназначены для активизации самостоятельной проработки студентами информации путем ее конкретизации и целенаправленности. Содержат задания для контрольно-самостоятельных занятий. В описание каждой лабораторной работы входят цель выполнения, краткие теоретические сведения, порядок выполнения и содержание отчета, вопросы для самоконтроля, которые могут быть использованы при подготовке к занятиям и проверке усвоения учебного материала.

Варианты заданий для самостоятельной работы рекомендуется применять в контрольных работах для студентов заочной формы обучения.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов 1-го, 2-го и 3-го курсов, изучающих дисциплины «Материаловедение» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов», очной и заочной форм обучения.

Библиогр.: 3 назв. Табл. 1. Рис. 9.

Рецензенты: доктор техн. наук А. В. Бородин;

доктор техн. наук В. В. Акимов

________________________

путей сообщения, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................................................5

Лабораторная работа 1.Алюминий и его сплавы……………………....................6

Лабораторная работа 2. Медь и ее сплавы……...............……………..................10

Лабораторная работа 3. Антифрикционные (подшипниковые) сплавы..............18

Библиографический список.....................................................................................33

ВВЕДЕНИЕ

Цветные металлы обычно имеют характерный цвет, повышенную пластичность, невысокую твердость, относительно низкую температуру плавления. Наиболее типичными цветными металлами являются медь и алюминий, которые в связи с относительно невысокой стоимостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью получили самое широкое распространение в технике в чистом виде. Цветные металлы подразделяются на легкие – с малой плотностью (менее 3∙10³ кг/м³): магний, бериллий, алюминий; легкоплавкие: цинк, олово, свинец, висмут, сурьма и т. п., температура их плавления – менее 1000°С. Тугоплавкие цветные металлы, к которым относятся медь титан и благородные: серебро, золото, платина, палладий, иридий, осмий и др.

Часто под словом «металл» понимают не только чистый химический элемент, но и сплав, состоящий из химического элемента – металла с другим металлом или неметаллом. Сплавы обладают разнообразными свойствами, которых нет у чистых металлов. Входящие в сплав химические элементы называются компонентами сплава. Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Металлокерамические сплавы получают путем прессования и спекания порошков металлов (например, порошковый дюралюмин Д16П).

Лабораторная работа 1

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Цель работы: изучить состав, свойства, маркировку алюминия и его сплавов, знать особенности их термической обработки и применение в технике

Краткие теоретические сведения

1.1.1. Алюминий. Состав, структура, свойства

Алюминий − серебристо-белый металл с плотностью 2700 кг/м³; температура плавления 660°С, имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), полиморфизмом не обладает. Электро- и теплопроводность его высокие (ρ = 2,8∙10^–8 Ом∙м – 65% от электропроводности меди). Обладает высокой коррозионной стойкостью за счет образования на поверхности защитной оксидной плёнки Al₂O₃, хорошо сваривается, легко деформируется в холодном состоянии, плохо обрабатывается на металлорежущих станках и имеет низкие литейные свойства (большая усадка − 6%). Отличается низкой прочностью (σ_в = 60 МПа) и твёрдостью (НВ 250 МПа), пластичен (δ = 40%). При холодной пластической деформации значительно наклёпывается (σ_в = 180 МПа, δ = 1,5%, НВ = = 450 МПа). Отжиг для снятия наклёпа и восстановления пластичности проводится при температуре 350°С.

В зависимости от содержания примесей (железо, кремний, медь, марганец, цинк, титан) различают алюминий особой, высокой и технической чистоты Первичный алюминий (ГОСТ 11069–74) маркируется буквой «А», после которой указывается только дробная часть содержания основного металла в весовых % после запятой числа «99»: особой чистоты (осч) – А999; высокой чистоты (вч) – А995, А99, А97, А95 и технически чистый – А85, А8, А7, А7Е, А5, А5Е, А0. Если в конце марки стоит буква Е – металл предназначен для получения проволоки, если стоит буква Р – рафинированный. Например, А995 – первичный алюминий с содержанием основного металла 99,995 %.; А7Е – первичный алюминий с содержанием основного металла 99,7 % для проволоки.

Деформируемый алюминий технической чистоты маркируется (ГОСТ 4784–74) буквами АД (алюминий деформируемый) и порядковым номером: АД00, АД0, АД1, АДШ (Ш – металл для изготовления пищевой посуды).

1.1.2. Сплавы алюминия

Они классифицируются по технологии изготовления изделий: деформируемые, литейные и спеченные (порошковые). Деформируемые и литейные сплавы делятся на неупрочняемые термической обработкой и упрочняемые термической обрабткой.

1.1.2.1 Деформируемые коррозионностойкие сплавы, неупрочняемые термической обработкой, – сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием (АМг). Они хорошо свариваются, а структура твердого раствора обеспечивает им высокую пластичность (легко обрабатываются давлением в холодном состоянии).

Сплав АМц (1,0 − 1,6% Мn; 1,8 − 6,8% Mg) превосходит чистый алюминий по прочности и коррозионной стойкости. Магний значительно повышает прочность, не снижая пластичности. Структура его состоит из α-твёрдого раствора и вторичных выделений фазы (Мn, Fе)Аl₆, которая не растворяется в алюминии, поэтому эти сплавы не упрочняются термической обработкой. В отожженном состоянии обладают высокой пластичностью, сплав АМц-М: (δ = 18 – 22%) и низкой прочностью (σ_в= 130 МПа), а нагартованный АМц-Н: δ = 2 %; σ_в= 200 МПа.

Сплавы типа АМг относятся к системе Аl − Мg. Их маркируют содержанием магния в весовых % после букв АМг, Например, алюминиевый сплав АМг2 (ГОСТ 4784-74) – алюминиевый сплав с содержанием 2 % магния. Магний образует с алюминием α-твёрдый раствор и труднорастворимую фазу Мg₂Аļ₃. Сплав АМг в отожженном состоянии имеет σ_в = 190 МПа, δ = 23%.

Сплавы типа АМц и АМг упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном АМц-Н (80% наклёпа) и полунагартованном АМц-П (40% наклёпа) состояниях. Применение наклёпа ограниченно из-за резкого снижения пластичности, поэтому в большинстве случаев их используют в отожженном состоянии. Температура отжига – 350 – 420°С. Их используют при изготовлении бензо- и маслопроводов, ёмкостей для жидкостей, в авиа- и судостроении, в строительстве (витражи, двери, оконные рамы) и для изделий, получаемых прессованием и глубокой вытяжкой при штамповке из листового материала.

1.1.2.2 Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, – сплавы, в состав которых входят медь, магний, цинк, марганец, кремний и др. Эти элементы образуют с алюминием твердые растворы переменной растворимости, зависящей от температуры, и ряд химических соединений (CuА1₂; Al₂CuMg; Mg₂Si и др.), что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой – закалкой и последующим старением (дисперсионным твердением).

Целью закалки является получение структуры однородного пересыщенного твердого раствора. Нагрев для закалки ведут до температуры, при которой избыточные фазы растворяются в алюминии. После выдержки охлаждением в воде фиксируется структура пересыщенного твердого раствора.

Старение – распад пересыщенного твердого раствора с выделением избыточных фаз и упрочнением сплава. Старение при комнатной температуре называют естественным, с нагревом – искусственным. Существует «инкубационный» период, при котором в течение 1 – 2 часов после закалки нет заметного, упрочнения и повышения твердости. Сплав сохраняет пластичность, позволяющую подвергнуть его холодной обработке давлением (правку, гибку, клёпку и т. п.).

Медь – основной компонент в сплавах этой группы. Поэтому для обоснования температуры нагрева под закалку сплава, соответствующего дуралюмину (~4% меди), можно в первом приближении воспользоваться диаграммой состояния А1 – Cu, часть которой изображена на рис.1.

Рис. 1. Выбор температуры нагрева под закалку дюралюмина (4 % Cu)

На этой диаграмме данный сплав представлен вертикалью а b с. Растворимость меди в алюминии переменная: от 0,3 (20°С) до 5, 65 % (548°С), а ее содержание в сплавах – 2,5 – 4,5 %. Следовательно, структура таких сплавов в отожженном или литом состоянии α-твёрдый раствор замещения меди в алюминии и крупные кристаллы CuА1₂. Нормальная температура нагрева под закалку определяется точкой а (490 – 500 °С), при которой сплав приобретает строение однородного твердого раствора и максимальную пластичность, сохраняемую в течение 3 – 5 часов. Недогрев до этой температуры связан с нежелательным сохранением в структуре нерастворившихся частиц CuА1₂; перегрев выше точки а является еще более вредным, так как сопровождается ростом зерен твердого раствора (перегрев) и даже окислением их границ (пережог), что резко увеличивает хрупкость сплава.

После закалки при естественном старении, (ниже 100° С) атомы меди перемещаются в решетке пересыщенного твердого раствора и собираются в пластинчатые образования толщиной 1 – 2 атомных слоя (0,5 – 1,0 нм) – зоны Гинье-Престона (ГП-1). Эти зоны равномерно распределены в каждом кристалле твердого раствора и в прилегающих областях вызывают сильное искажение его кристаллической решетки, что является причиной упрочнения сплава. По истечении 4 – 7 суток старение заканчивается, при этом распада твердого раствора и образование новых фаз не происходит – «зонное» старение. Сплав приобретает максимальную прочность, которая в дальнейшем постоянна.

С повышением температуры (100 − 150° С) при искусственном старении ускоряются процессы диффузии, зоны ГП укрупняются (1,0 – 4,0 нм), и в них увеличивается концентрация меди (образование зон ГП-2). Нагрев до 150 −
− 200°С и выдержка в несколько часов приводят к возникновению в местах зон ГП мелкодисперсных частиц СиА1₂, не отделившихся от кристаллической решетки твердого раствора. Повышение температуры до 200 − 250° С вызывает отделение и укрупнение (коагуляцию) этих частиц. Искусственное старение связано с распадом пересыщенного твердого раствора и образованием избыточных фаз − «фазовое» старение.

При более высоких температурах старения, в процессе коагуляции образовавшихся фаз, прочность и твердость сначала возрастают, достигают максимальных значений, а затем снижаются. Такое старение, вызывающее разупрочнение сплавов, называют коагуляционным – «перестариванием».

После естественного старения сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. После искусственного старения у большинства сплавов ударная вязкость (сопротивление хрупкому разрушению) и коррозии под напряжением снижаются при возрастании предела прочности.

Если сплав после естественного старения кратковременно нагреть до
230 − 270°С и быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и восстанавливается пластичность. Эту операцию называют обработкой «на возврат». При нагреве зоны ГП растворяются в твердом растворе, атомы меди и других компонентов равномерно распределяются в пределах кристаллов твердого раствора, степень искажения кристаллического строения соответствует структуре в закаленном состоянии. После инкубационного периода процесс естественного старения возобновляется, но у сплава снижается сопротивление коррозии. Это ограничивает применение обработки «на возврат».

Некоторые сплавы с марганцем, хромом, никелем имеют температуру рекристаллизации выше температуры их горячей деформации или температуры закалки. Поэтому после закалки и старения у них сохраняется нерекристаллизованная (нагартованная) структура, что на 30 – 40 % повышает их прочность. Это явление называется структурным упрочнением или пресс-эффектом (для прессованных полуфабрикатов, прутков, труб).

Отжиг -для разупрочнения сплавов (полный) проводят при температуре 350 – 450° С с выдержкой в 1 − 2 часа. Скорость охлаждения не более 30°С/ч. При этом происходят полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих избыточных фаз. При этом сплавы имеют низкую прочность, но приобретают высокую пластичность и сопротивляемость коррозии под напряжением.

Дюралюмины – сплавы на основе системы «алюминий – медь – магний», в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости и механических свойств. Структура сплавов в равновесном (отожженном) состоянии: твердый раствор и кристаллы CuAl₂, Al₂CuMg – основных упрочняющих фаз. Дюралюмины маркируют буквой «Д» с цифрой, указывающей номер сплава. После цифры часто ставится буква, характеризующая состояние сплава: М − мягкий (отожженный), Т − термически обработанный, Н − нагартованный. Дюралюмины хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Механические свойства сплава Д16 в отожженном состоянии: σ_в = 200 МПа, δ = 18 %, НВ = 500 МПа.

Для термического упрочнения сплавов проводят закалку при температуре 490 – 500° С и естественное старение, которое практически заканчивается за 5 суток, и свойства стабилизируются. Для изделий, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться нагреву выше 100 – 150°С, применяют искусственное старение при 190°С в течение 6 – 8 часов. Прессованные полуфабрикаты из сплавов Д1 и Д16 прочнее катаных вследствие пресс-эффекта.

Пайка и сварка дюралюминов не создают шов равной прочности с основным металлом. Поэтому клёпаные соединения более надежны. Для заклёпок используются сплавы Д1 и Д18, последний получил название «заклёпочный».

Дюралюмины обладают пониженной коррозионной стойкостью, и поэтому листовой и другие виды проката подвергают «плакированию», т. е. покрытию слоем чистого алюминия при горячей прокатке. Прессованные профили защищают от коррозии анодной поляризацией (анодированием) с последующим лакокрасочным покрытием. Дюралюмины широко используются в авиастроении для деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности в моторо- и ракетостроении, авто- и вагоностроении и т. п.

Высокопрочные сплавы маркируют буквой «В» (В95, В96) ГОСТ 4784-74. Цифры показывают номер сплава. Состав В95 соответствует системе «алюминий − цинк – магний – медь» с добавками марганца и хрома, которые повышают коррозионную стойкость и усиливают эффект старения. Структура сплава состоит из α-твердого раствора и фаз: MgZn₂; Al₂CuMg; Al₂Zn₃Mg₃. После закалки (460 − 475° С) и искусственного старения при 120 – 140 °С в течение 16 − 24 ч из пересыщенного твердого раствора выделяются тонкодисперсные частицы этих фаз. Сплав приобретает высокую прочность при сохранении высокой пластичности (σ_в = 500 – 600 МПа, δ = 18 %). Эти свойства сплав сохраняет и при длительных нагревах до 100 − 120° С. Естественное старение для высокопрочных сплавов не проводят. Сплав В95 применяют для средне- и тяжелонагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжений сжатия.

Ковочные сплавы отличаются высокой пластичностью при температурах ковки и горячей штамповки (450 – 475 °С). Они относятся к системе «алюминий − медь − кремний − магний − марганец» и маркируются буквами «АК» с порядковым номером. Их подвергают закалке и искусственному старению при 150 − 165° С в течение 4 − 12 часов.

Примечание: сплавы типа АК, в которых после буквы К стоят другие цифры и буквы, относятся к литейным по ГОСТ 1583-93. Пример. Сплав АК6М2 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 6 % кремния и 2 % меди по ГОСТ 1583-93.

Сплав АК6 широко применяется для изготовления многих штампованных и кованых деталей сложной формы (картеры, крыльчатки компрессоров двигателей, кронштейны и др.). Жаропрочные ковочные сплавы используют для деталей, работающих при повышенных температурах до 200 − 300° С. К ним относятся АК2, АК4, АК4-1, Д20 и др. Они дополнительно легированы железом, никелем, титаном − элементами, затрудняющими диффузию при нагреве в процессе эксплуатации и тем самым замедляющими разупрочнение сплавов. В результате закалки и искусственного старения из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющих фаз сложных химических составов. Эти частицы устойчивы против коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность. Из них изготавливают лопатки, крыльчатки, диски компрессоров и другие детали турбореактивных двигателей, а также листы и панели конструкций фюзеляжей сверхзвуковых самолетов.

Сплавы алюминий-магний-кремний (авиали): АД31, АД33, АД35, АВ, САВ-1 разработаны для авиационной промышленности. Для них характерно сочетание высокой прочности с малой плотностью. Высокая пластичность после закалки облегчает обработку сплавов давлением.

1.1.2.3. Литейные алюминиевые сплавы. Для получения отливок используется большое количество сплавов, которые делятся на группы в зависимости от состава, условий использования (литье в землю, в кокиль, под давлением) и получаемых свойств. До 1989 г. их маркировали буквами «АЛ» (алюминиевый литейный) и номером, например, АЛ20 – старая маркировка.

В новой маркировке этих сплавов по ГОСТ 1583-93 после буквы А стоят буквы, обозначающие легирующие элементы, и сразу после нее – количество весовых процентов данного элемента (середина марочного интервала). В конце марки могут быть строчные буквы, указывающие на количество примесей в сплаве: ч – чистый; пч – повышенной чистоты; оч – особой чистоты; р – рафинированный. Например. Сплав АК9пч ГОСТ 1583-93 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 9 % кремния (К9) повышенной чистоты. Сплав АМ5 ГОСТ 1583–93 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 5 % меди.

В зависимости от условий получения и применения отливки подвергают термической обработке по одному из восьми режимов, которые обозначают буквой «Т» и номером (Т1, Т2, ТЗ ... Т8). (Т2), где Т2 – отжиг при 300 °С для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров, Т6 – закалка и полное искусственное старение.

Силумины − сплавы алюминия с кремнием, обладают хорошими литейными свойствами. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. Силумины обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо свариваются и имеют низкую плотность.

Сплав АК12 содержит 10 v 13% кремния, по диаграмме (рис. 2) – заэвтектический. Структура состоит из эвтектики и крупноигольчатых кристаллов кремния (рис. 3, а), которые снижают пластичность и прочность сплава. Для улучшения структуры и повышения свойств силумины модифицируют фтористыми и хлористыми солями натрия. Натрий сдвигает эвтектическую точку диаграммы вправо и вниз, сплав становится доэвтектическим (см. рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма состояния Al – Si:

––– – до модифицирования; --------- после модифицирования

Строение эвтектики измельчается, а вместо кристаллов кремния в структуре появляются кристаллы «мягкой» пластичной фазы — твердого раствора (рис. 3, б). Это приводит к увеличению относительного удлинения до 10 − 12% и предела прочности – до 180 − 200 МПа.

Сплав АК12 термическому упрочнению не подвергается. Из него отливают тонкостенные детали сложной формы и детали, испытывающие ударные нагрузки, к которым предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости.

Силумины легируют магнием, медью, марганцем, титаном и др. Наибольшее применение получили силумины с магнием (АК9), магнием и марганцем (АК9ч). Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения (корпусы компрессоров, картеры, головки цилиндров и т. п.). Их используют для литья под давлением тяжелонагруженных деталей (блоков цилиндров, головок блоков автомобильных двигателей).

Сплавы алюминия с медью АМ5 характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных (до 300° С) температурах, хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Литейные свойства низкие (большая усадка, низкая герметичность), что объясняется отсутствием в их структуре эвтектики. Литейные и механические свойства улучшаются при легировании титаном и марганцем (АМ5Мц). Эти сплавы используются для отливок простой формы. Их часто анодируют, так как сплавы имеют низкую коррозионную стойкость.

а б

Рис. 3. Структура сплава АК12, x 200: а – до модифицирования; б – после модифицирования

Магналины – сплавы алюминия с магнием (АМг10) − обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свойства низкие. Легирование его титаном, цирконием и бериллием устраняет склонность к окислению и росту зерна, повышает вязкость и пластичность. Магналины широко применяют для деталей, работающих в условиях высокой влажности в судо-, ракето-, приборо- и авиастроении.

Жаропрочные литейные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АМ4,5Кд (алюминий – магний – медь – никель с добавками кадмия), из которого изготавливают головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275 – 300 °С. Отливки используют после закалки и кратковременного старения при 175 °С (Т5), поршни подвергают закялке и старению при 290 °С (Т7).

Легирование кремнием улучшает литейные свойства (сплав АК5М4). Для измельчения структуры и повышения жаропрочности сплав дополнительно легируют железом, марганцем, титаном. Предел прочности при режиме Т6 (закалка и полное искусственное старение) – 300 МПа, при режиме Т7 (закалка и стабилизирующий отпуск) – 230 МПа.

1.1.2.4. Порошковые сплавы алюминия – спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС).

САП – деформируемые жаропрочные материалы, получают их путем прессования и спекания алюминиевого порошка и окиси алюминия. Из брикетов изготавливают листы, прутки, трубы, профили и другие полуфабрикаты. САПы хорошо обрабатываются резанием, свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью. По жаропрочности они значительно превосходят другие алюминиевые сплавы при температуре до 300 – 500 °С, а максимальная температура кратковременной эксплуатации – 700 – 1000 °С.

Высокая жаропрочность САП обеспечивается наличием окисной пленки на поверхности мелкодисперсных (0,1 – 0,01 мкм) частиц алюминиевого порошка. Содержание окиси алюминия в сплавах от 6 – 9 (САП1) до 18 – 22 % (САП4). С увеличением количества частиц окиси алюминия повышаются предел прочности сплава от 320 до 460 МПа и его жаропрочность.

САП1 хорошо обрабатывается давлением (ковка, штамповка, прессование, прокатка) при 450 – 570 °С. Предел прочности его можно значительно увеличивать с 320 до 410 МПа нагартовкой (наклёпом). САП2, САПЗ, САП4 удовлетворительно прессуются, хуже прокатываются и штампуются при высокой температуре. САП рекомендуется также применять для деталей, работающих в условиях сильных коррозионных воздействий (паровоздушная среда при 350° С).

САС − спечённые алюминиевые сплавы, получают брикетированием и деформированием порошков алюминия с порошками кремния, никеля, хрома и т. д. Иногда количественное соотношение порошков соответствует составу стандартных алюминиевых сплавов, но до 200 – 300 °С они обладают жаропрочностью. Так, сплавы Д16П, АК4П (П – порошковый) имеет более высокую длительную прочность при нагревах по сравнению с Д16 и АК4.

САС, могут обладать особыми физическими свойствами за счет изменения их составов. САС1 (25 – 30 % кремния, 5 – 7% никеле, остальное − алюминий) обладает сочетанием низкого коэффициента линейного расширения с малой теплопроводностью. Это позволяет использовать его для деталей, работающих при 20 – 200 °С в паре со стальными. В таком сочетании не возникает больших термических напряжений при нагревах.

Изделия из САС не имеют технологических дефектов, связанных с литьём (окисные и шлаковые включения, ликвация) и обработкой давлением (анизотропия свойств, плёны и др.). Они не требуют гомогенизации.

Порядок выполнения работы

1) Изучить состав, структуру, свойства, маркировку и области применения чистого алюминия в зависимости от степени его чистоты.

2) Ознакомиться с классификацией алюминиевых сплавов по способам получения изделий и по способу их упрочнения.

3) Изучить состав, структуру, свойства, маркировку, способы упрочнения и области применения деформируемых алюминиевых сплавов.

4) Провести анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Cu) и влияния меди на структуру этих сплавов. Обосновать возможность их упрочнения закалкой с последующим старением. Кратко описать структурный механизм этих стадий термической обработки (структура сплава после закалки, после «зонного» и «фазового» старения).

5) Изучить особенности обработки дюралюмина «на возврат».

6) Изучить состав, структуру, свойства, маркировку, способы упрочнения и области применения литейных алюминиевых сплавов.

7) Провести анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Si) и влияния кремния на структуру этих сплавов. Обосновать возможность их упрочнения модифицированием (структура сплава до и после модифицирования).

8) Ознакомиться со способами производства, с составом, структурой, свойствами, маркировкой и областями применения, преимуществами и недостатками спеченных порошковых сплавов алюминия.

Содержание отчета

1) Свойства и маркировка алюминия. Классификация и маркировка его сплавов.

2) Краткая характеристика деформируемых сплавов алюминия, их группы.

3) Анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Cu). Описание ТО этих сплавов и механизма их упрочнения при естественном и искусственном старении.

4) Литейные сплавы алюминия, их группы по составу. Обозначение марок.

5) Анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Si). Особенности упрочнения этих сплавов модифицированием.

6) Краткая характеристика порошковых сплавов САП и САС.

7) Указать области применения алюминия и его сплавов.

Вопросы для самоконтроля

1) Какие марки алюминия применяются в качестве проводниковых материалов?

2) По каким признакам классифицируются и как маркируются алюминиевые сплавы?

3) Почему сплавы АМц и АМг не упрочняются термообработкой?

4) Чем объяснить возможность упрочнения ТО сплавов системы (Al – Cu)?

5) Как выбирается температура нагрева под закалку дюралюмина, с какой целью она проводится?

6) Почему при естественном старении фазовый состав дюралюмина не изменяется?

7) С чем связано повышение прочности и снижение пластичности сплавов (Al – Cu) при искусственном старении?

8) Чем объясняется повышение прочности и пластичности силумина при модифицировании его фтористыми и хлористыми солями натрия?

9) В чем преимущества сплавов САП и САС перед литейными и деформируемыми сплавами алюминия?

Лабораторная работа 2

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Цель работы: изучить состав, свойства, маркировку меди и её сплавов, особенности и применение их в технике.

Краткие теоретические сведения

2.1.1 Медь – металл красновато-розового цвета с плотностью 8940 кг/м³, температура плавления 1083 °С, кристаллическая решетка ГЦК, полиморфизмом не обладает. По тепло- и электропроводности медь занимает второе место после серебра (ρ = 1,72∙10^–8 Ом∙м).

Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной, морской воде и в атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц-1).

Механические свойства меди в прокатанном отожженном состоянии: предел прочности – 220 – 240 МПа, относительное удлинение – 45 – 50 %, твердость НВ – 350 – 450 МПа. Холодная пластическая деформация (наклеп) увеличивает предел прочности до 450 МПа и понижает относительное удлинение до 2 – 3 %, При наклепе несколько снижается электропроводность. Для снятия наклепа проводится отжиг при 550 – 650 °С. Для подвесных проводов, где требуется прочность, применяют нагартованную медь или медь с упрочняющими добавками (например, около 1% кадмия). Медь хорошо обрабатывается давлением (прокатывается в лист и ленту, протягивается в проволоку), легко полируется, хорошо паяется и сваривается, плохо обрабатывается резанием на станках и имеет низкие литейные свойства.

Согласно стандарту (ГОСТ 859-78) медь маркируется числом, стоящим после буквы М. Чем меньше число, тем более чистый металл (00 – высокочистая, 0 – чистая, 1, 2, 3 – технически чистая), например: М00 (99,99 % Cu), М4 (99,0 % Cu). Строчные буквы в конце марки обозначают технологию обработки металла: к – катодная; б – безкислородная; р, ф – раскисленная. Пример. Медь М1к – медь технически чистая № 1 по ГОСТ 859–78 катодная.

Все примеси снижают тепло- и электропроводность меди, пластичность и коррозионную стойкость. Более других снижает электропроводность меди ее раскислитель – фосфор. Кислород ухудшает пайку и лужение меди, вызывает при нагреве «водородную болезнь».

Медь применяется главным образом в электротехнике как проводник тока (марки М00 – M1), а также для различных теплообменников и в значительных количествах – для производства сплавов (марки М2 – M4).

Различают две основные группы сплавов: латуни (сплавы меди с цинком) и бронзы (сплавы меди с другими элементами, в состав которых может входить и цинк в качестве рядового компонента).

2.1.2. Латуни подразделяются на простые – сплавы системы «медь – цинк» и сложные, содержащие другие элементы (никель, олово, алюминий и др.). Латуни широко применяются в приборостроении, в общем и химическом машиностроении. Их прочность выше, чем у меди, и они дешевле.

При концентрации цинка до 39 % латуни однофазны, их структура − кристаллы α-твердого раствора цинка в меди (рис. 4, а, рис. 5, а). С большим содержанием цинка латуни двухфазны, и их структура – кристаллы α-твердого раствора и кристаллы β'-фазы – твердого и хрупкого соединения CuZn (рис. 4, б, рис. 5, а).

а б

Рис. 4. Микроструктура двойных латуней, х 200: а – однофазных α-латуней;
б – двух фазных α + β латуней

Максимальное относительное удлинение до 55% имеют однофазные латуни при содержании 30% цинка, с увеличением содержания цинка пластичность понижается, Прочность латуней повышается с увеличением содержания цинка до 45%, а затем под влиянием твердой и хрупкой β'-фазы резко падает (рис. 5, б). Такие сплавы в технике не используются.

Однофазные латуни со структурой α-твердого раствора обрабатываются давлением только в холодном состоянии. Они применяются в виде труб, проволоки, холоднокатаных полуфабрикатов (листов, полос, лент, прутков для изготовления штампованных деталей). Однофазные латуни могут упрочняться наклепом. Рекристаллизационный отжиг для снижения твердости и восстановления пластичности проводят при 600 − 700° С.

Двухфазные латуни (более 39 % цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии при температуре выше 454 °С, когда твердая и хрупкая β'-фаза переходит в пластичную β-фазу, а примеси вследствие перекристаллизации находятся не по границам, а внутри зерен (рис. 5, а).

Маркировка латуней начинается с буквы Л. В зависимости от назначения и метода обработки латуни делят на литейные (ГОСТ 17711-80) и обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-70). В марке латуни, обрабатываемой давлением, после буквы Л стоит содержание меди в весовых процентах. Затем идёт перечень всех букв легирующих элементов, входящих в состав сплава. Содержание этих элементов (в вес. %) указывается в конце марки через тире в том же порядке, что и указанные легирующие вещества. Содержание главного легирующего элемента в латуни (цинк) получается как остаток до 100 %. Пример. Латунь ЛАНКМц75–2–2,5–0,5–0,5 – обрабатываемая давлением латунь содержит 75 % меди, легирована 2 % алюминия, 2 % никеля, 0,5 % кремния, 0,5 % марганца, остальное – цинк. ГОСТ 15527-70.

В марке литейной латуни после буквы Л стоит буква Ц и сразу указывается содержание цинка (в весовых %). Далее в таком же порядке приводятся остальные легирующие элементы (табл. 1) с их содержанием. Медь – остальное. Пример. Латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 – литейная латунь с содержанием 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца, остальное – медь. ГОСТ 17711-80.

а б

Рис. 5 Влияние цинка на структуру и свойства простых латуней:

а – диаграмма состояния системы Cu – Zn; б – влияние содержания цинка на механические свойства латуней

Алюминиевые латуни. Латуни с содержанием алюминия до 4,5% однофазны (например, ЛА77-2), хорошо обрабатываются давлением, применяются для конденсаторных трубок. Латуни марок ЛАН59-3-2, ЛАЖ60-1-1 и ЛЖМц50-1-1 используются для изготовления труб, листов, полос, прутков, проволоки.

Никелевая латунь ЛН65-5 обладает высокими антикоррозионными свойствами, высокой прочностью и вязкостью. Хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Широко применяется в морском судостроении. Оловянистые латуни обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Их называют морскими, корабельными, или адмиралтейскими. Например, ЛО 70-1, ЛО 62-1.

Свинцовистые латуни получили название «автоматные» (ЛС74-3, ЛС59-1, ЛЖС58-1-1). Их применяют для изготовления деталей горячей штамповкой с последующей обработкой на станках. Свинец вводят в двухфазные латуни для улучшения обрабатываемости резанием.

Кремнистые латуни обладают хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием (ЛК80-3). Однако чаще эти латуни используются как литейные (повышенная жидкотекучесть), например, ЛЦ14К3С3. Литейные латуни, от которых не требуется высокой пластичности, содержат больше легирующих элементов с повышенной концентрацией, что улучшает их свойства (например, ЛЦ30А6Ж3Мц2).

2.1.3. Бронзы − сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами.

Маркировка бронзы начинается с букв Бр. В зависимости от состава, назначения и метода обработки бронзы делят на литейные оловянные (ГОСТ 613-79) и безоловянные (ГОСТ 493-79); обрабатываемые давлением оловянные (ГОСТ 5017-74) и безоловянные (ГОСТ 18175-78).

В марке литейной бронзы после обозначения Бр стоят буквы, обозначающие легирующие элементы, и сразу после них – число весовых процентов данного элемента (середина марочного интервала). Примеры. Бронза БрО5Ц5С5 – литейная бронза с содержанием 5 % олова, 5 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь. ГОСТ 613-79. Бронза БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 – литейная бронза с содержанием 7 % алюминия, 15 % марганца, 3 % железа, 2 % никеля, 2 % цинка, остальное – медь. ГОСТ 493-79.

Обрабатываемые давлением бронзы имеют в марке после Бр перечень всех букв легирующих элементов, входящих в состав сплава. Содержание всех этих элементов (в вес. %) указывается в конце марки через тире в том же порядке, что и указанные легирующие компоненты. Примеры. Бронза БрОЦС4–4–4 – обрабатываемая давлением бронза с содержанием – 4 % олова, 4 % цинка, 4 % свинца, остальное – медь. ГОСТ 5017-74. Бронза БрАЖНМц9–4–4–1 – обрабатываемая давлением бронза с содержанием – 9 % алюминия, 4 % железа, 4 % никеля, 1 % марганца, остальное – медь. ГОСТ 18175-78.

Оловянные бронзы − сплавы меди с оловом с добавлением фосфора, цинка, свинца. В деформированном и отожженом состоянии при содержании олова до 5 − 6%, бронзы однофазны, их структура – кристаллы α-твердого раствора олова в меди (рис. 6, б). Эти бронзы пластичны, используются как деформируемые. При содержании олова более 6 % в структуре литейных бронз появляется вторая фаза – δ (Cu₃₁Sn₈) в составе эвтектоида (α + δ) (рис. 6, а). Пластичность резко снижается, возрастают прочность и твердость. Двухфазные бронзы не деформируются и применяются для получения отливок. Они имеют малую литейную усадку (менее 1%) и используются для получения сложных отливок (в том числе художественного литья), но отличаются пониженной жидкотекучестью и низкой плотностью отливок (пористостью).

а б

Рис. 6 Микроструктура оловянной бронзы с 5% олова:

а) литая, б) деформированная и отожжённая

Для улучшения свойств двухфазные бронзы легируют фосфором, цинком, свинцом, никелем. Фосфор повышает жидкотекучесть, твердость, прочность и антифрикционные свойства. Наиболее распространена бронза Бр О10Ф1. Цинк удешевляет бронзу (как заменитель олова), растворяясь в меди, на структуру не влияет, предупреждает пористость отливок. Свинец нерастворим в меди, улучшает антифрикционные свойства бронз и, главное, улучшает обрабатываемость резанием (облегчает дробление стружки). Такие бронзы используют для деталей, работающих в узлах трения, а также для водяной и паровой арматуры
(Бр О6Ц6С3, Бр О3Ц11С5, Бр О5Ц5С6 и др.). Для арматуры, работающей под давлением до 25 атмосфер, применяют бронзу с никелем (Бр О3Ц7С5Н1), который повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок, уменьшает ликвацию.

Алюминиевые бронзы − сплавы меди с алюминием, в которые для улучшения свойств вводят железо, никель, марганец. Они обладают высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными свойствами и повышенной жаропрочностью. Растворимость алюминия в меди до 9,5%, но в реальных условиях охлаждения бронзы имеют однофазную структуру с содержанием алюминия только до 6 − 8%. При большем его содержании структура будет двухфазна: α-твердый раствор и γ-фаза (Cu₃₂AI₁₉). Эта фаза обладает высокой твердостью и низкой пластичностью. Поэтому содержание алюминия в бронзах редко превышает 10%, так как снижается не только пластичность, но и прочность.

Однофазные деформируемые бронзы (Бр А5, Бр А7) обладают наилучшим сочетанием прочности и пластичности, хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии и могут упрочняться наклепом. Двухфазные бронзы используются в литейном производстве. Их легируют железом, которое оказывает модифицирующее действие на структуру, повышает прочность, снижает хрупкость, улучшает антифрикционные свойства (Бр А9Ж4). Никель улучшает механические и технологические свойства, повышает жаропрочность и коррозионную стойкость бронз (Бр А10Ж4Н4), а главное, вследствие переменной растворимости позволяет подвергать бронзы термическому упрочнению (закалка + старение).

Жаропрочность и коррозионную стойкость придает бронзам марганец, который дешевле никеля. Бронза Бр А9Мц2 используется для деталей арматуры, работающей при температуре до 250 °С, а бронза Бр АЖМц 10-3-1,5 применяется для ответственных деталей, работающих в условиях трения (втулки, шестерни, червячные колеса и т. п.).

Алюминиевые двухфазные бронзы при закалке с 950 – 980°С в воде претерпевают бездиффузионное превращение по типу мартенситного. «Медный мартенсит» (решетка ГПУ) имеет низкую твердость (220 – 200 НВ). В период старения при 400 °С он распадается на мелкодисперсный эвтектоид (типа троостита в сталях) с твердостью 350 – 400 НВ. Старение при температуре 600 −
− 650°С обеспечивает получение структуры эвтектоида с твердостью 280 – 300 НВ (типа сорбита в сталях). Например, твердость бронзы Бр АЖН 10-4-4 после закалки с 980 °С и старения (отпуска) при 400 °С в течение двух часов увеличивается с 160 до 400 НВ. Алюминиевые бронзы используются как кавитационно-стойкие. Наибольшей устойчивостью к кавитации обладают закаленные бронзы.

Бериллиевая бронза содержит 2 % бериллия (Бр Б2). Из всех бронз обладает наилучшим комплексом свойств. Структура бронзы состоит из α-твердого раствора и эвтектоида: смеси α- и γ-фаз. Гамма-фаза − химическое соединение CuBe. Растворимость бериллия в меди резко меняется в зависимости от температуры, и это позволяет подвергать бронзу термическому упрочнению. После закалки с 780°С в воде бронза имеет высокую пластичность (δ = 40%). Старение при 300 – 350°С в течение 2 – 3 часов увеличивает предел прочности до 140 МПа и твердость до 350 – 400 НВ. Бериллиевая бронза отличается высоким пределом прочности и упругости, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости и изнашиванию, хорошими антифрикционными свойствами. Она относится к теплостойким материалам и устойчиво работает при температуре до 300 °С, обладает хорошей электро- и теплопроводностью; не дает искры при ударах, хорошо обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой. Недостаток бериллиевой бронзы – ее высокая стоимость. Она поставляется в виде деформированных полуфабрикатов (полос, лент, прутков, проволоки), используется для качественных фасонных отливок. Из нее изготавливают упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинящие электроконтакты, мембраны), детали, работающие на изнашивание (кулачки, шестерни, ударники, втулки), детали ударных механизмов и ударный инструмент для взрывоопасных условий.

Кремнистые бронзы применяются как заменители дорогостоящих оловянных и бериллиевых бронз. Они содержат до 3% кремния, имеют хорошие литейные и высокие механические свойства, устойчивы против коррозии, обладают теплостойкостью до 500 °С, легируются марганцем и никелем. Марганец повышает упругость. Бронза Бр КМц 3-1 поставляется в виде листов, лент, прутков, проволоки; используется для пружин, втулок, клапанов и т. п. Ответственные детали, работающие в тяжелых условиях (высокотемпературное изнашивание), изготавливают из бронзы Бр КН 1-3. Эти бронзы упрочняются термической обработкой – закалкой с 850 °С в воде с последующим старением при 450 °С.

Свинцовые бронзы. Свинец не растворяется в меди, поэтому сплавы двухфазны и состоят из зерен меди и включений свинца. Такая гетерогенная структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Для вкладышей подшипников, работающих с большими скоростями трения и при повышенных давлениях, в основном применяется бронза Бр С30. По теплопроводности она значительно превосходит оловянную бронзу, но имеет низкие механические свойства. При изготовлении вкладышей эту бронзу часто наплавляют ровным слоем на стальные ленты (на основу). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.

Кадмиевая бронза (Бр Кд0,9) при небольшом снижении удельной электропроводности обладает высокими механическими свойствами: прочностью, твердостью, износостойкостью. Эту бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и для изготовления коллекторных пластин в электрических машинах.

2.1.4. Сплавы меди с никелем и другими металлами однофазны, со структурой твердых растворов, поставляются они в виде полуфабрикатов – листов, полос, проволоки. Медно-никелевые сплавы (ГОСТ 492-73) обладают особыми физическими и химическими свойствами. Коррозионностойкими сплавами являются мельхиоры (система Cu–Ni), нейзильберы (система Cu–Ni–Zn, 5 – 35 % Ni и 13 – 45 % Zn) и куниали (система Cu–Ni–Al). Марка таких сплавов начинается с буквы М (медь), затем идут буквы легирующих элементов и в конце в том же порядке среднее содержание этих веществ в весовых процентах.

Мельхиор – МН19 (19 % никеля) и нейзильбер − МНЦ15-20 (15 % никеля, 20 % цинка) обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Применяются в приборостроении, для бытовых изделий, посуды и украшений. Для изделий высокой прочности и коррозионной стойкости (кроме азотной кислоты) используется сплав монель – МНЖМц 68-2,5-1,5 (68 % никеля; 2,5 % железа; 1,5 % марганца).

Сплавы меди с никелем и марганцем применяются как реостатные. В измерительных схемах и для прецизионных сопротивлений с рабочей температурой до 200 °С используется манганин − МНМц 3-12 (3 % никеля, 12 % марганца). Максимальным электросопротивлением и термо-ЭДС обладают константан − МНМц 40-1,5 (40 % никеля; 1,5 % марганца) и копель − МНМц 45-0,5 (45 % никеля; 0,5 % марганца). Они используются в основном для изготовления термопар с рабочей температурой до 500 °С.

Порядок выполнения работы

1) Ознакомиться с составом, маркировкой, свойствами и областью применения меди и ее сплавов.

2) Изучить состав, маркировку, свойства и применение простых и сложных латуней.

3) Изучить влияние содержания цинка на структуру и механические свойства латуней.

4) Изучить влияние содержания олова и других элементов на структуру и механические свойства бронз.

5) Ознакомиться с упрочняющей термической обработки (ТО) алюминиевых, кремнистых и бериллиевых бронз и получаемыми свойствами.

6) Изучить состав, маркировку, свойства и применение сплавов меди с никелем.

Содержание отчета

1) Зарисовка наблюдаемой под микроскопом структуры меди, расшифровка марки, область применения данной марки меди.

2) Зарисовка наблюдаемой под микроскопом структуры латуни, расшифровка марки, область применения данной латуни.

3) Зарисовка наблюдаемой под микроскопом структуры бронзы, расшифровка марки, химический состав, механические свойства исследуемой бронзы и область ее применения.

4) Графики режима термообработки алюминиевых, кремнистых и бериллиевых бронз. Указать структуру и свойства этих бронз после ТО.

Вопросы для самоконтроля

1) Медь. Основные свойства (физические, химические, технологические, механические).

2) Методы повышения прочности меди без существенного снижения электропроводности.

3) Маркировка меди, влияние примесей на электропроводность и другие ее свойства.

4) Простые латуни (одно и двух фазные) − маркировка деформируемых и литейных латуней, их применение.

5) Характеристика сложных латуней (алюминиевых, никелевых, свинцовистых, кремнистых). Влияние легирующих элементов на их структуру и свойства.

6) Бронзы, классификация, состав, структура, маркировка, применение.

7) Бронзы, упрочняемые термообработкой, режимы, получаемые свойства, области применения.

8) Характеристика сплавов меди с никелем (состав, структура, маркировка, применение).

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 195; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!