МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БРАТСКИЙ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫЙ КОЛЛЕДЖ
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Специальность 151031
«Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по
отраслям)»
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
по дисциплине «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»
Братск 2014
Составил (разработал)
Лобанова С.В., преподаватель кафедры химико-механических дисциплин
Рассмотрено на заседании кафедры ХМД
«_____»_____________20__г.
_______________________
(Подпись зав. кафедрой)
Одобрено и утверждено редакционным советом
____________________
(Подпись председателя РС)
«_____»_____________20__г.
№_____________________
2
Содержание
Введение....................................................................................................... 4
1. Алюминий и алюминиевые сплавы ...................................................... 5
1.1. Области применения алюминия ...................................................... 5
1.2. Свойства алюминия .......................................................................... 6
1.3. Маркировка алюминия ..................................................................... 7
1.4. Деформируемые алюминиевые сплавы ......................................... 7
1.5. Литейные алюминиевые сплавы ................................................... 10
2. Магний и его сплавы ............................................................................ 14
3. Медь и медные сплавы ......................................................................... 15
3.1. Медь ................................................................................................. 15
3.2. Латунь .............................................................................................. 17
3.3. Бронзы .............................................................................................. 21
3.4. Медно-никелевые сплавы .............................................................. 25
4. Титан и его сплавы………………………………………………..26
5. Контрольные вопросы .......................................................................... 29
Заключение ................................................................................................ 31
Список используемых источников......................................................... 32
3
Введение
Современное
машиностроение
является
основным
потребителем
производимых металлов. В станкостроении, судостроении, автомобильной и
авиационной промышленности из металлов изготавливают огромное число
деталей и машин. Важное значение в технике имеют цветные металлы.
Предлагаемое пособие охватывает основные вопросы, касающиеся
свойств, классификации и маркировки цветных металлов и их сплавов,
применение их в промышленности.
Оно может быть использовано для организации самостоятельной работы
учащихся на уроке, при подготовке к экзамену, повторении материала, при
проведении лабораторно-практических работ.
Пособие по теме «Цветные металлы и сплавы» состоит из одной главы,
разделённое на разделы информации, представляющие логически законченную
часть учебного материала. В информационной части сообщатся основные
сведения по изучаемому вопросу. Чтобы обеспечить самоконтроль, после
информационной части следуют контрольные вопросы.
Методическое пособие может быть использовано учащимися дневного и
заочного
отделений
эксплуатация
эксплуатация
специальностей
промышленного
и
обслуживание
151031
Монтаж
и
оборудования,
140448.52
электрического
и
оборудования при изучении предмета материаловедение.
4
техническая
Техническая
электромеханического
1. Алюминий и алюминиевые сплавы
1.1 Области применения алюминия
Алюминий и алюминиевые сплавы были первыми конструкционными
металлами, которые были использованы в самолётостроении. Своё значение в
самолётостроении алюминий сохранил и в наше время, занимая первое место
среди применяемых металлов.
Практически нет ни одной отрасли
машиностроения, в которой бы не использовали в той или иной мере
алюминиевые
сплавы.
Их
применяют
в
строительных
конструкциях,
судостроении, железнодорожном и автомобильном транспорте, нефтяном и
химическом машиностроении, электротехнике и т.д.
Алюминий
применяют
при
отделке
железнодорожных
вагонов,
изготовлении корпусов и дымовых труб судов, спасательных лодок, трапов.
Активно
используют
алюминий
и
его
сплавы
в
электротехнической
промышленности для изготовления кабельной продукции, шино-проводов,
конденсаторов.
Высокая коррозионная стойкость в органических кислотах обусловила
широкое применение алюминия для бытовой посуды, для транспортировки и
хранения продуктов питания.
Активно применяется алюминий и его сплавы в промышленном и
гражданском строительстве при изготовлении каркасов зданий, ферм, оконных
рам, лестниц и др. конструкций.
Из всех лёгких металлов алюминий характеризуется наибольшим
объёмом производства, занимая в мировой промышленности второе место
после производства стали. До конца 80-х г.г. 18 века алюминий почти не
производился и был немногим дешевле золота. Сохранилось описание банкета,
данного Наполеоном ІІІ, на котором только гости королевской крови были
5
удостоены чести есть алюминиевыми ложками и вилками. Остальные
пользовались обычными золотыми и серебряными приборами.
В 1886 американский студент Чарльз Холл и молодой французский
инженер Поль Эру разработали способ производства алюминия электролизом
криолитно - глиноземистого расплава. После этого производство алюминия
стало расти, а цена его начала резко падать. Теперь это металл ХХ века.
Весомый вклад в развитие нашей алюминиевой промышленности внесли
такие заводы как Красноярский алюминиевый завод, Иркутский алюминиевый
завод и Братский алюминиевый завод.
1.2 Свойства алюминия
Алюминий занимает третье место в земной коре после кислорода и
кремния. Кристаллическая решётка алюминия – гранецентрированный куб.
Температура плавления 660°С. Он устойчив против атмосферной коррозии
благодаря образованию на его поверхности плотной плёнки окиси алюминия.
Алюминий
хорошо
обрабатывается
давлением,
сваривается газовой
и
контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Литейные свойства
алюминия не высоки, так как усадка затвердевания его около 6%. Алюминий
стоек в органических кислотах (лимонной, винной, уксусной и др.). Он
обладает
высокой
электро-
и
теплопроводностью.
Малой
плотностью
(плотность 2,7 г/см3).
В отожжённом состоянии алюминий имеет малую прочность (σв = 80100 МПа), низкую твёрдость (НВ 20-40), но обладает высокой пластичностью
(δ= 35-40%).
6
1.3 Маркировка алюминия
По ГОСТ 11069-74 алюминий маркируется буквой «А» и делится на три
группы; имея постоянные примеси железа, кремния, меди, цинка, титана:
а) алюминий особой чистоты А999.
Содержание алюминия в этой марке не менее 99, 999%.
Алюминий особой чистоты используется в качестве раскислителя для
производства сталей, для алитирования стальных деталей с целью повышения
их жаропрочности;
б) алюминий высокой чистоты А995, А99, А97, А95.
Содержание алюминия в них соответственно: 99, 995%,
99,99%,
99,97%, 99,95%.
Алюминий высокой чистоты идёт для конденсаторов, проводов, шин,
кабельной продукции, проводников тока;
в) алюминий технической чистоты А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е,
А0.
Содержание алюминия в них соответственно: 99,85%, 99,8%,
99,7%,
99,6%, 99,5%, 99%.
Алюминий
технической
чистоты
идёт
на
листы,
профили,
трубопроводы, штамповку, поковку, а также слитки.
Е
–
гарантируемые
электрические
характеристики
(повышенное
содержание железа и пониженное кремния.
А85 – алюминий технической чистоты, с содержанием алюминия
99,85%.
1.4 Деформируемые алюминиевые сплавы
Алюминиевые
сплавы,
которые
получаются
при
добавлении
к
алюминию различных металлов (меди, магния, цинка, кремния, лития),
7
обладают высокими показателями механических свойств, малой плотностью,
высокой электро - и теплопроводностью и хорошей коррозионной стойкостью.
По техническому использованию алюминиевые сплавы разделяются на
деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются:
а) алюминемарганцевые и алюминемагниевые сплавы
Эти сплавы хорошо свариваются, обладают высокой пластичностью и
коррозионной стойкостью, обрабатываемость резанием неудовлетворительная.
Они нашли широкое применение в качестве листового материала,
используемого для изготовления сложных форм изделий, получаемых горячей
штамповкой и прокаткой. Из этих сплавов путём прессования изготавливают
трубы, сварные детали, ёмкости для жидкостей, проволока для заклёпок.
АМц, АМг2, АМг3, АМг5
АМг3 – алюминемагниевый сплав, с содержанием магния 3%,
алюминия 97%.
б) дюралюмины
Дюралюмины – сплавы алюминия с медью (до 5,2%), магнием (до 2,7), и
марганцем (до 1%).
Медь и магний повышают прочность, марганец- коррозионную
стойкость.
Дюралюмины маркируются буквой «Д» и числом, обозначающим номер
сплава.
Д16 – дюралюминий, с порядковым номером сплава 16.
Дюралюмины- от французского слова dur- твёрдый, трудный и
aluminium – твёрдый алюминий.
Дюралюмины – наиболее прочные и наименее коррозионно-стойкие из
алюминиевых сплавов. Имеют склонность к межкристаллитной коррозии. Для
защиты листового дюралюминия от коррозии его поверхность плакируют
чистым алюминием. Они не обладают хорошей свариваемостью, но благодаря
своим остальным характеристикам применяются везде, где необходима
8
прочность и лёгкость. Наибольшее применение нашли в авиастроении для
изготовления некоторых деталей турбореактивных двигателей.
в) деформируемые алюминиевые сплавы для ковки и штамповки
Марки АК4, АК6, АК8.
По химическому составу очень близки к дюралюминиевым сплавам.
Они применяются для изготовления поршней авиационных двигателей,
лопастей винтов и др.
Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и не
упрочняемые термической обработкой.
Термически не упрочняемые сплавы – сплавы алюминия с марганцем
(АМц) и алюминия с магнием (АМг).
Термически упрочняемые сплавы приобретают высокие механические
свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате
термической обработки.
Термическая обработка дюралюминия состоит в закалке, естественном
или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500 °С и
охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной
температуре в течении 5-7 суток. Искусственное старение проводят при 150180 °С в течении 2-4 часов. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при
закалке является строгое поддержание температуры (±5°С), чтобы не допустить
пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки.
г) алюминиевые сплавы повышенной прочности
Маркируют буквой В, например: В95, В96, В93.
В этих сплавах преобладают цинковые включения (до 7%) от общего
объёма, что обеспечивает необходимый запас твёрдости внутренней структуры
и поверхности.
Таблица 1 – Назначение алюминиевых деформируемых сплавов
Марка
Д1
Назначение
Листы, трубы, прутки, профили, различные детали и
элементы конструкций средней прочности, лопасти
воздушных винтов.
9
Д16
Д18
Д19
АМц, АМг1,
АМг2, АМг3
АК4
АК6, АК8
В95
Детали каркаса, обшивка, тяги управления для силовых
конструкций.
Для изготовления заклёпок, лент, труб
Для деталей работающих в эксплуатационных условиях до
температуры 200-250°С
Сварные детали, трубопроводы, радиаторы, ёмкости для
жидкости
Детали двигателей
Детали средне- и сильно нагруженные, изготовляемые
обработкой давлением.
Силовые элементы конструкций, деталей, каркасов,
шпангоуты, тяги управления и пр.
1.5 Литейные алюминиевые сплавы
Из литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 2685-75) наибольшее
распространение получили силумины.
Силумин – сплав алюминия с кремнием (от 5 до 13%).
АЛ2, АЛ4, АЛ5, АЛ8, АЛ9
АЛ2 – силумин, с порядковым номером сплава 2
Для повышения прочности в некоторые силумины вводят медь, магний
и другие элементы.
Силумины обладают хорошей жидкотекучестью, высокими литейными
свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, коррозионной стойкостью
Сплавы на основе алюминий – медь (АЛ7, АЛ19) имеют пониженные
литейные свойства и коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость
резанием. Из этих сплавов отливают мало- и средненагруженные детали
самолётов, машин, приборов, работающих при температуре не выше 300°С.
Сплавы
на
основе
алюминий
–
магий
(АЛ8,
АЛ27)
имеют
удовлетворительные литейные свойства, высокую коррозионную стойкость,
хорошую обрабатываемость резанием, низкую жаропрочность. Рабочие
температуры деталей из этих сплавов не должны превышать 100°С.
10
Сплавы
широко
применяют
в
судостроении,
транспортном
машиностроении, строительстве для изготовления деталей, от которых
требуется повышенная коррозионная стойкость в морской воде и атмосфере.
Литейные
алюминиевые
сплавы
имеют
более
грубую
и
крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их
термической обработки.
Таблица 2 –Свойства алюминиевых деформируемых сплавов
Марка
σв, МПА
δ, %
НВ
γ, г/см3
λ,
α·106 ,
Вт/(м·°С) 1/°С
АМц
128
23
29,5
2,73
188
24,0
АМг2
186
23
44,1
2,67
143
23,8
АМг3
186
15
49,0
2,67
147
23,8
АМг5
265
22
63,3
2,65
117
24,3
АМг6
295
18
78,6
2,63
293
24,0
Д11
372
15
98,0
2,8
117
22,0
Д161
441
17
103,0
2,78
117
22,7
АК42
421
10
117,8
2,8
180
22,0
АК62
411
13
98,0
2,75
176
21,4
АК82
470
10
132,2
2,8
160
25,5
В952
451
8
147
2,8
117
3,6
Примечания
1 Для закалённого и естественно состаренного сплава.
2 Для закалённого и искусственно состаренного сплава.
Для закалки силумины нагревают до температуры 520-540 °С и дают
длительную выдержку (5-10ч), для того чтобы полнее растворить включения.
Искусственное старение проводят при 150-180 °С в течении 10-20 часов.
11
Таблица 3 – Назначение алюминиевых литейных сплавов
Марка
Назначение
АЛ1
Детали средней нагруженности, работающие при повышенных
температурах (поршни, головки двигателей и др.)
АЛ2
Тонкостенные детали сложной конфигурации, работающие при
ударных нагрузках (корпусные детали, рычаги, кронштейны,
крышки и др.)
АЛ3
Детали, не несущие больших нагрузок и работающие при
повышенных температурах (крышки, кронштейны и др.)
АЛ4
Крупные детали сложной формы, несущие статические и
ударные нагрузки (картеры и блоки цилиндров двигателей
внутреннего сгорания и т.п.)
АЛ5
Крупные детали, несущие повышенные статические нагрузки
(корпуса, блоки, рубашки, головки двигателей внутреннего
сгорания и др.)
АЛ7
Небольшие детали простой конфигурации, несущие большие
статические нагрузки (кронштейны, упоры, подвески и т.п.)
АЛ8
Детали простой формы, работающие в агрессивных средах и
несущие большие нагрузки (арматура, корпуса приборов на
морских судах).
АЛ9
Сложно-профильные нагруженные детали, работающие в
агрессивных средах и требующие сварки (корпуса насосов,
редукторов, картеры двигателей и др.)
АЛ25
Поршни двигателей внутреннего сгорания.
АЛ34
Корпусные детали, работающие под высоким давлением.
АЛ27
Детали морских судов.
АЛ19
Силовые и клепаные детали, работающие при температурах до
300°С.
Детали, работающие при температуре до 350°С.
АЛ33
12
Таблица 4 –Свойства литейных алюминиевых сплавов
Марка
σв, МПА
δ, %
НВ
γ, г/см3
λ,
α·106 ,
Вт/(м·°С) 1/°С
АЛ1
206
1,0
93,2
2,78
168
22,3
АЛ2
147
2,0
49,0
2,64
176
21,1
АЛ3
167
0,5
63,8
2,7
151
22,1
АЛ4
196
1,5
68,6
2,65
159
21,7
АЛ5
157
0,5
63,8
2,68
151
23,1
АЛ6
147
1,0
44,1
2,7
146
22,9
АЛ7
206
6,0
58,8
2,8
138
23,0
АЛ8
285
9,0
58,8
2,6
84
24,5
АЛ9
206
2,0
58,8
2,66
151
23,0
АЛ11
245
1,5
88,4
2,94
-
24,0
АЛ13
157
1,0
54,0
2,63
105
22,0
АЛ34
295
3,0
88,4
-
-
-
АЛ23
216
6,0
58,8
-
-
-
АЛ27
343
15,0
13,5
-
-
-
АЛ19
333
40
88,4
-
-
-
13
2. Магний и его сплавы
Содержание магния в земной коре составляет 2,5%. Магний самый
лёгкий из всех металлов. Его плотность 1,740 кг/м3. Лёгкость могла бы сделать
этот металл прекрасным конструкционным материалом. Но, увы, - чистый
магний мягок и непрочен. Поэтому конструкторы вынуждены использовать
сплавы магния с другими металлами. Особенно широко применяют сплавы
магния с алюминием, цинком и марганцем.
Магний придаёт сплаву лёгкость. Деталь из магниевого сплава на 2030% легче алюминиевых и на 50-75% легче чугунных и стальных.
Магний имеет гексагональную кристаллическую решётку, температура
плавления 650°С, окисляется на воздухе. В морской и минеральной воде
магний разрушается. Он широко используется в фото и пиротехнике, в военной
технике- для изготовления осветительных и сигнальных ракет, трассирующих
пуль и снарядов. Магний имеет хорошую теплопроводность.
В соответствии с ГОСТ 804-72 первичный магний выпускают трёх
марок – МГ90, МГ95, МГ96 (магния не менее 99,9%;
99,95%;
99,96%
соответственно) в виде чушек массой от 8 до 10кг.
Широкое распространение получили магниевые сплавы: литейные- МЛ
и деформируемые – МА.
Они
хорошо
работают
на
изгиб
и
обрабатываются
резанием,
немагнитны, не искрят при ударах, легко свариваются и упрочняются
термической обработкой.
Таблица 5 – Литейные магниевые сплавы согласно ГОСТ 2856-79
Марка
МЛ2
МЛ3
Применение
Для деталей, от которых требуется повышенная
коррозионная стойкость и герметичность (горловины,
бензобаки)
Для деталей с высокой герметичностью (в арматуре корпусов
14
насосов и др.).
Для деталей двигателя и других агрегатов, работающих в
условиях высокой коррозионной стойкости, статических и
динамических нагрузок.
Для тормозных барабанов, кронштейнов, штурвалов.
Для деталей приборов, аппаратуры, корпусов и др.
Для барабанов колёс и других конструкций.
Для деталей двигателя и приборов.
МЛ4
МЛ5
МЛ6
МЛ8
МЛ9
Таблица 6 – Свойства магниевых литейных сплавов (ГОСТ 2856-79)
Марка
λ
σв,
δ
НВ
Вт/м∙ 0С
МПа
%
МЛ3
105
157
6
39,1
МЛ4
80
216
2
58,6
МЛ5
78
147-216
1-2
49,0- 58,6
МЛ6
78
147-205
1-3
49,0- 63,6
Таблица 7 – Применение деформируемых магниевых сплавов
Марка
МА1
МА2
МА5
МА8
МА11
МА15
Применение
Для сварных деталей несложной конструкции, деталей
арматуры, маслосистем, не имеющих больших нагрузок
Для кованных и штампованных деталей сложной
конфигурации, для сварных конструкций.
Для нагруженных деталей
Для листов, плит, штамповок, поковок сложной
конфигурации, для сварных конструкций.
Для деталей, нагревающихся в процессе эксплуатации.
Для деталей сварных конструкций, требующих повышенного
предела текучести при сжатии.
Таблица 8 – Свойства магниевых деформируемых сплавов
Марка
МА1
МА2
МА5
МА8
λ
Вт/м∙°С
126
97
76-97
134
σв,
МПа
206
254
294
264
σв,
МПа
116
157
216
156-195
15
δ,
%
НВ
8
8
8
11
44,0
54,0
73,5
49,0
3. Медь и медные сплавы
3.1 Медь
Медь вместе с золотом, серебром, железом, оловом, свинцом, ртутью
входит в «великолепную семёрку» металлов, известных людям с древнейших
времён: полагают, что человек знаком с медью приблизительно десять
тысячелетий.
Медь – металл красновато – розового цвета, кристаллизируется в
решётку гранецентрированного куба, аллотропических превращений не имеет.
Температура плавления меди – 1083˚С.
Медь обладает высокой стойкостью против атмосферной коррозии, она,
благодаря высокой пластичности, хорошо обрабатывается давлением в
холодном и горячем состоянии. Литейные свойства меди низкие. На свойства
меди большое влияние оказывают примеси. Все примеси, кроме серебра и
бериллия, значительно ухудшают электропроводность. Особенно нежелательны
примеси
висмута,
вызывающего
красноломкость
меди,
и
кислорода,
являющегося причиной возникновения « водородной» болезни меди –
растрескивание слитка. Свинец почти не растворим в меди и при температуре
270-326˚С вызывает резкое падение механических свойств при горячей
пластичной деформации. Медь удовлетворительно обрабатывается резанием.
Важнейшее свойство меди – её отличная электропроводность
и
теплопроводность. Только один металл обладает ещё более высокими
показателями этих свойств – серебро. Но этот металл дорог и не может широко
применяться в технике. По способности проводить электрический ток медь в 5
раз превосходит железо, в 1,5 раз – алюминий, в 3 раза – цинк, в 35 раз – титан.
Вот почему медь по праву называют главным металлом в электротехнике.
Медь маркируется буквой М, после которой стоят цифры 00, 0, 1, 2, 3,
а также буквами: к – катодная, б – бескислородная, р – раскислённая.
16
Например: М1к – медь катодная, содержание меди не менее 99,
Таблица 9 – Примерное назначение меди
Марка
М00
Медь в %
99,99
М0
99,95
М1
99,9
М2
99,7
М3
99,5
Примерное назначение
Проводники тока и сплавы высокой
чистоты, катоды.
Проводники тока и сплавы высокой
чистоты.
Проводники тока, прокат,
высококачественные сплавы.
Высококачественные полуфабрикаты и
сплавы на медной основе.
Прокатываемые сплавы на медной основе
обыкновенного качества и литейные
сплавы.
3.2 Латунь
Латунь – сплав меди с цинком, когда цинка содержится до 45%.
Латунь дешевле меди и превосходит её по прочности, вязкости и
коррозионной стойкости, она обладает хорошими литейными свойствами.
Латуни, содержащие до 38% цинка, обладают высокой пластичностью и
несколько большей прочностью, чем медь.
При содержании цинка свыше 38% твёрдость латуней повышается,
улучшаются литейные свойства, но понижается пластичность.
Латуни, содержащие более 45% цинка, не применяются из-за
повышенной хрупкости.
В зависимости от числа компонентов различают простые и специальные
латуни.
Простые латуни состоят из меди и цинка. Принцип маркировки их
следующий: впереди марки стоит буква «Л», за ней стоят цифры, указывающие
содержание меди в процентах.
Например: Л96 – простая латунь, с содержанием меди 96%, цинка 4%.
17
Специальные латуни, кроме меди и цинка, содержат от 1до 8%
различных легирующих элементов, улучшающих механические свойства и
коррозионную стойкость. В специальных латунях в качестве легирующих
компонентов применяются:
А – алюминий;
О – олово;
К – кремний;
С – свинец;
Н – никель;
Мц – марганец;
Ж – железо и др.
Алюминий, марганец, никель повышают механические свойства и
коррозионную
стойкость
латуней.
Свинец
улучшает
антифрикционные
свойства и обрабатываемость латуней резанием. Кремнистые латуни обладают
хорошей жидко- текучестью, обрабатываемостью резанием и свариваемостью.
Олово повышает коррозионную стойкость латуней в морской воде. Железо в
сочетании с марганцем или алюминием придаёт латуни повышенную твёрдость
и прочность.
Специальные латуни в зависимости от назначения делятся на две
группы:
– литейные, из которых изделия получают способом литья;
– обрабатываемые давлением (деформируемые), из которых получают
различные полуфабрикаты путём прокатки, ковки, штамповки.
Литейные латуни маркируются буквами и цифрами (Л – латунь, Ц –
цинк, числа после буквы Ц – процентное содержание цинка, последующие
буквы и числа обозначают легирующие компоненты и их процентное
содержание)
Например: ЛЦ16К4 – литейная латунь, с содержанием цинка 16%,
кремния 4%, меди 80%.
18
Деформируемые латуни при маркировке за буквой «Л» ставят буквы
легирующих компонентов. Первая цифра указывает среднее содержание меди в
процентах,
следующие
цифры,
указывают
содержание
легирующих
компонентов в процентах.
Например: ЛАЖ 60-1-1 – деформируемая латунь, с содержанием меди
60%, алюминия 1%, железа 1%, цинка 38%
Таблица 10 – Свойства и назначение латуней
Л96
Свойства
σв*,
НВ** ан,
МПа
кДж/
м²
235
59,0 22
Л90
Л85
Л80
275
295
343
59,0
60,8
64,0
18
16
Детали машин, приборов
теплотехнической и химической
аппаратуры, змеевики, сильфоны и
др.
Л70
Л68
Л63
343
343
441
64,0
64,0
67,0
16
17
-
Л60
412
68,6
-
Гильзы химической аппаратуры
Штампованные изделия
Гайки, болты, детали автомобилей,
конденсаторные трубы
Толстостенные патрубки, гайки,
детали машин
ЛА77-2
441
54,0
20
ЛАЖ60-1-1
ЛАН59-3-2
441
540
54,0 117,8 4,1
ЛЖМц59-1-1
470
93,5
12,0
ЛН65-5
441
64,0
-
ЛМц58-2
ЛМцА57-3-1
441
490
88,4
93,5
12,0
13,5
Конденсаторные трубы морских
судов
Детали морских судов
Детали химической аппаратуры,
электромашин, морских судов
Вкладыши подшипников, детали
самолётов, морских судов
Манометрические и
конденсаторные трубки
Гайки, болты, арматура
Детали морских и речных судов
ЛО90-1
ЛО70-1
302
373
60,0
63,8
7,5
12
Конденсаторные трубы
теплотехнической аппаратуры
Марка
19
Назначение
Радиаторные и капиллярные трубки
Продолжение таблицы 10
σв*,
МПа
Марка
Свойства
НВ** ан,
кДж/
м²
83,5 8
80,4 7,5
Назначение
ЛО62-1
ЛО60-1
420
441
Конденсаторные трубы
теплотехнической аппаратуры
ЛС63-3
ЛС74-3
392
392
54,0
58,8
-
Детали часов, втулки
ЛС64-2
373
58,8
-
Полиграфические матрицы
ЛС60-1
ЛС59-1
392
392
68,6
78,4
5,0
Гайки, болты, зубчатые колёса,
втулки
ЛЖС58-1-1
ЛК80-3
ЛАНКМц75-22,5-0,5-0,5
441
393
582
83,5 Детали, изготовляемые резанием
103,0 12-16 Коррозионно-стойкие детали машин
Пружины, манометрические трубы
ЛЦ16К4
ЛЦ23А6Ж3Мц2
294
686
ЛЦ30А3
ЛЦ40С
294
215
98,0 12,0
156,5 1,382,76
78,5 8-10
68,8 2,6
ЛЦ40Мц3Ж
441
89,1
3,5
ЛЦ25С2
146
58,8
-
Детали арматуры
Массивные червячные винты, гайки
нажимных винтов
Коррозионно-стойкие детали
Литые детали арматуры, втулки,
сепараторы, подшипники
Детали ответственного назначения,
работающие при температуре до
300 °С
Штуцера гидравлической системы
автомобилей
Примечание: * Деформируемые латуни в мягком состоянии.
** После деформации с обжатием 50% и старения при 350°С.
20
3.3 Бронзы
Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, свинцом, бериллием
называют бронзами.
В зависимости от введённого элемента бронзы называют оловянными,
алюминиевыми и т.д.
Бронзы
обладают
хорошими
литейными
и
антифрикционными
свойствами, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в газовой
атмосфере
при
высоких
температурах
и
др.
Сравнительно
высокие
механические свойства некоторых бронз могут ещё быть повышены путём
термообработки (закалки и старения). Изделия из бронз получают литьём,
обработкой давлением и резанием.
По способу изготовления изделий бронзы делятся на деформируемые и
литейные. Из деформируемых бронз получают пружины и пружинящие
материалы.
Из литейных бронз изготавливают подшипники скольжения
ответственного назначения (работают при высоких скоростях и больших
давлениях), арматуру, детали с высокой тепло- и электропроводностью в
сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, фасонное и художественное
литьё.
Литейные бронзы маркируются буквами и цифрами (Бр – бронза, число
после буквы легирующего компонента – процентное содержание данного
легирующего компонента).
Например: БрО3Ц12С5 – литейная бронза, с содержанием олова 3%,
цинка 12%, свинца 5%, меди 80%.
Деформируемые бронзы при маркировке за буквами «Бр» ставят буквы
легирующих компонентов, цифры указывают последовательно процентное
содержание легирующих компонентов.
Например: БрАЖ 9-4 – деформируемая бронза, с содержанием
алюминия 9%, железа 4%, меди 87%.
21
Оловянные бронзы применялись ещё в глубокой древности (бронзовый
век) для изготовления оружия, предметов труда и обихода. Позднее из них
отливали пушки, колокола и т.д.
Оловянные бронзы легируют с целью повышения механических
свойств -никелем, цинком, фосфором; технологических - свинцом, цинком,
никелем; антифрикционных - свинцом, фосфором свойств; коррозионной
стойкости -никелем.
Оловянные бронзы подвергают термообработке. Так, деформируемые
бронзы для повышения технологической пластичности отжигаются при 700750˚С (охлаждение быстрое), а отливки для снятия внутренних напряжений
подвергают отжигу при 550˚С. В связи с дефицитностью олова были
разработаны специальные бронзы, которые по ряду свойств даже превосходят
оловянные.
Наиболее распространены (прежде всего как заменители оловянных)
алюминиевые бронзы (5-11% алюминия) ; они обладают высокими
антикоррозионными и механическими свойствами, но уступают оловянным в
литейных
свойствах.
Алюминиевые
бронзы
относятся
к
термически
упрочняемым. Например, бронза БрАЖН 10-4-4 после закалки с 980˚С в воде и
отпуска при 400˚С приобретает прочность σв =600-650МПа и твёрдость 400 НВ
вместо 170-250НВ.
Кремнистые
бронзы
(1-4%
кремния),
легированные
никелем,
марганцем, цинком, по механическим свойствам приближаются к сталям и
являются заменителями дорогостоящих оловянных и бериллиевых бронз. Они
используются для изготовления деталей, работающих при температуре до
500ºС в условиях трения.
Свинцовые
антифрикционными
бронзы
(25-30%
свойствами,
свинца)
хорошо
обладают
высокими
обрабатываются
резанием,
воспринимают ударные нагрузки и работают на усталость. Применяются для
изготовления
тяжело
нагруженных,
высокоскоростных
авиационных двигателей, дизелей турбин и др.
22
подшипников
Всё большее распространение, несмотря на дороговизну, получают
бериллиевые бронза (до 3% бериллия). Они характеризуются чрезвычайно
высокими
механическими
свойствами
(после
закалки
и
старения),
износостойкостью, коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением
усталости, ползучести, высокими тепло- и электропроводностью, высокой
теплостойкостью: при температуре 500ºС их прочность такая же, как
алюминиевых
бронз
при
20ºС.
Из
них
изготовляют
детали
особо
ответственного назначения (упругие элементы точных приборов – мембраны,
скользящие контакты, пружины, кулачки, шестерни, червячные передачи,
плоские электроды
сварочных
машин, высокоскоростные подшипники,
работающие при повышенных температурах, и др.).
Бериллиевые бронзы после термической обработки (закалка в воде при
температуре 760-780ºС, старение при температуре 300-350ºС) приобретают
высокие механические свойства (σв=1250МПа) и ещё более высокие в случае
предварительного холодного наклёпа: σв=1400МПа.
Таблица 11 – Свойства и назначение бронз
Марка
НВ
δ, %
σв, МПа
Назначение
БрОФ 8-0,3
88,4 - 98,0
55- 65
392- 490 Сетки
бумагоделательных
машин
БрОФ 7-0,2
83,5- 93,5
55- 65
372-442
Зубчатые колёса, втулки,
прокладки
БрОФ 6,5-0,4
68,6- 88,4
60- 70
343-442
Пружины, детали машин
БрА7
63,8- 73,5
65-75
432-490
Пружины, мембраны,
сильфоны
БрАМц9-2
108,0- 127,6
392- 488 Зубчатые колёса, втулки,
20- 40
винты
БрАЖ9-4
98,0- 117,8
392- 488 Зубчатые колёса, гайки
35-45
23
Продолжение таблицы 11
БрАЖН10-4-4 127,6-147,0
442- 540 Направляющие втулки,
35-40
клапаны, зубчатые колёса
БрБ2
127,6- 147.0
40-50
392-588
Пружины, упругие
детали
БрКН1-3
78,6- 98,0
392- 442 Антифрикционные
25-30
детали, баки, резервуары
БрО3Ц12С5
58,8
5
206
Арматура общего
назначения
БрО3Ц6С5Н1 58,8
8
206
Детали, работающие в
масле, паре и пресной
воде
БрО8Ц4
73,5
10
196
Части трубопроводов,
насосов, работающих в
морской воде
БрО10Ф1
88,2
3
245
Узлы трения,
высоконагруженные
детали приводов
БрО10Ц2
73,5
10
275
Антифрикционные
детали, вкладыши
подшипников
Бр О10С10
73,5
6
196
Подшипники
скольжения, работающие
при больших удельных
давлениях
БрА10Ж3Мц2 127,6
10-14
490
Арматура,
антифрикционные детали
24
3.4 Медно-никелевые сплавы
Добавка никеля значительно повышает механические свойства и
коррозионную стойкость меди. По назначению медно-никелевые сплавы
условно подразделяются на коррозионно-стойкие (мельхиор, нейзильбер,
куниаль) и электротехнические (манганин, константан). Недостаток сплавов –
расходуется много дефицитного никеля.
Мельхиоры – двойные и более сложные сплавы меди, отличаются
высокой коррозионной стойкостью в морской воде, в органических кислотах,
растворах солей и т.д. , имеют высокую пластичность, применяются в морском
судостроении,
для
изготовления
разменной
монеты,
медицинского
инструмента, деталей в точной механике, изделий ширпотреба, в установках
для опреснения морской воды. Наиболее распространены мельхиоры марок
МН19 (19% никеля), МНЖМц30-1-1 (30% никеля, 1% железа, 1% марганца).
Дополнительное легирование железом и марганцем повышает коррозионную
стойкость.
Нейзильберы – тройные (5-35% никеля, 13-45%цинка) и более сложные
сплавы меди. Легирование цинком повышает их прочность по сравнению с
мельхиором.
Они
имеют
красивый
серебристый
цвет,
хорошую
технологическую пластичность (холодную и горячую), не окисляются на
воздухе, в растворах солей и органических кислот. Наиболее распространены
марки МНЦ 15-20 (15% никеля, 20% цинка) и
никеля,
29%
цинка,
1,8%
свинца).
МНЦС 16 -29- 1,8 (16%
Введение
свинца
улучшает
обрабатываемость резанием, но снижает горячую пластичность. Эти сплавы
применяются для изготовления монет, деталей точной механики, работающих в
агрессивных средах, изделий ширпотреба (ложки, вилки) и т.д.
Куниали – тройные (медь-никель-алюминий) сплавы меди, отличаются
коррозионной стойкостью, высокими механическими и упругими свойствами.
Куниали могут значительно упрочняться термической обработкой: закалка при
температуре 900- 1000ºС с последующим отпуском при температуре 500-600ºС.
25
Холодная деформация закалённых куниалей позволяет повысить их прочность
с 250-350МПа до 800-900 МПа. Применяются для изготовления деталей машин
повышенной прочности, полос для пружин.
Манганин (МНМц3-12) имеет очень малое значение термоЭДС в паре с
медью, высокую стабильность удельного сопротивления во времени, что
позволяет
широко
использовать
его
при
изготовлении
резисторов
и
электроизмерительных приборов самых высоких классов точности.
Константан (МНМц 40- 1,3) – название сплава свидетельствует о
независимости его удельного электрического сопротивления от температуры.
По нагревостойкости константан превосходит манганин, что позволяет
использовать его в реостатах и нагревательных элементах, работающих при
температуре до 500ºС.
Высокие механические характеристики, сочетающиеся с пластичностью,
позволяют изготовлять из этого сплава тончайшую проволоку, ленты, полосы и
фольгу. Высокое значение термоЭДС в паре с медью и железом исключает
применение константана в электроизмерительных приборах высокой точности,
но он с успехом используется при изготовлении термопар. Наличие в составе
константана достаточно большого количества дорогого и дефицитного никеля
ограничивает его использование в изделиях массового производства.
4. Титан и его сплавы
Титан- парамагнитный полиморфный металл серебристо-белого цвета,
температура плавления 16680С, имеет низкую теплопроводность, высокое
удельное электрическое сопротивление, низкие значения модуля упругости,
плохую обрабатываемость резанием, низкие антифрикционные свойства.
Титан и его сплавы – перспективные конструкционные материалы.
Специфические свойства (низкая плотность, высокая удельная прочность,
очень высокая коррозионная стойкость, жаропрочность) обеспечивает их
26
широкое применение в отраслях техники, где важен выигрыш в массе. Так,
титановые сплавы широко (почти 90% выплавляемого в мире титана)
применяются в авиации и ракетостроении (обшивка самолётов, детали
двигателей и различных агрегатов, работающих при температуре 200-5000С).
Алюминиевые и магниевые сплавы при этих температурах работать уже не
могут, а стали и никелевые сплавы имеют меньшую, чем титановые сплавы,
удельную прочность. Применение титановых сплавов позволяет экономить до
40% металла по массе детали.
Высочайшая коррозионная и химическая стойкость титана обусловлена
образование на его поверхности в атмосферных условиях очень плотной и
прочной
оксидной
плёнки
ТiО2,
которая
обеспечивает
их
высокое
сопротивление коррозии более чем в 130 агрессивных средах. Так, технический
титан ВТ1-1 не корродирует в пресной и морской воде, не растворяется в
царской водке при 200С, очень стоек в большинстве органических кислот, в
растворах азотной и хромовых кислот, во влажном хлоре, газообразной среде и
др. Очень ценным качеством является стойкость против кавитационной
коррозии и под напряжением. Однако наличие надрезов или усталостных
трещин делает титан склонным к коррозионному растрескиванию. Плохо
противостоит титан воздействию ортофосфорной, плавиковой, муравьиной и
щавелевой кислот, смесей фтористых и хлористых соединений и других сред,
разрушающих его оксидную плёнку.
Технический титан широко применяется в химической промышленности
(компрессоры и насосы для перекачки серной и соляной кислот, их солей), в
судостроении (обшивка судов, подводных лодок, гребные винты и др.), для
изготовления тонкостенных теплообменников.
Титан – химически активный элемент, при высоких температурах
( выше 5000С) он растворяет в себе соприкасающиеся с ним вещества, образует
с ними интерметаллиды, более активно, чем другие металлы, поглощает газы.
Во избежание газового насыщения титан выплавляют в вакууме или в среде
защитных газов, сварку титана ведут в аргоне или контактным способом.
27
Выпускают технический титан марок ВТ1-00 (99,53% Тi), ВТ1-0 (99,48%
Тi) и ВТ1-1 (менее 0,8% примесей). Чистый титан ВТ1-00 пластичен (δ=4070%, ψ=70-80%), обладает малой прочностью (σв=230-250МПа).
Легирование позволяет значительно повысить механические свойства
титана: прочность легированных сплавов достигает значений σв= 700-1500МПа
при достаточно хорошей пластичности. Для получения сплавов титан легируют
алюминием, молибденом, хромом, ванадием, марганцем и др. Как правила
такие сплавы технологичны: хорошо обрабатываются давлением, легко
свариваются в аргоне, имеют высокие литейные свойства.
По
технологическому
назначению
титановые
сплавы
делят
на
деформируемые и литейные, а по прочности – на три группы: низкой (σв= 300700МПа), средней (σв= 700-1000МПа) и высокой (более 1000МПа) прочности.
К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй ВТ3, ВТ4, ВТ5 и
др., к третьей – ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).
Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым
сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литейные
сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответствующие
деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в
виде прутков, листов и слитков.
28
5. Контрольные вопросы
1. Какими свойствами обладает алюминий?
2. Какие постоянные примеси находятся в алюминии?
3. На какие группы делится алюминий?
4. Каков принцип маркировки деформируемых алюминиевых сплавов?
5. Назовите основные компоненты дюралюминиевых сплавов.
6.
Какими
способами
можно
обрабатывать
деформируемые
алюминиевые сплавы?
7. Какими свойствами обладают силумины?
8. Какую кристаллическую решётку имеет магний?
9. Почему магний не находит применение, как конструкционный
материал, а сплавы его широко применяются в технике?
10. Какие сплавы называют силуминами?
11. Какими свойствами обладает медь?
12. Какую кристаллическую решётку имеет медь и из скольких атомов
она состоит?
13. Какой металл превосходит медь по электропроводности?
14. Почему из марки М3 не изготовляют проводников электрического
тока?
15. Какой материал называется латунью?
16. Какое различие между простыми и специальными латунями?
17. Как влияет на свойство латуней процентное содержание цинка?
18. С какой целью к оловянным бронзам добавляют цинк, свинец,
фосфор?
19. Какие марки меди применяют для изготовления проводников тока?
20. Расшифровать: Л70, ЛАН59-3-2, ЛЦ14К3С3.
21. Расшифровать: МГ90, МЛ3, МА5.
22. Расшифровать: БрО3Ц7С5Н, БрАМц10-2, БрАЖ9-4.
23. Расшифровать: А7, Д18, АЛ9.
29
24. Расшифровать: М2к, АМг2, БрМц5.
25. Выберите и обоснуйте выбор марок сплавов для следующих деталей:
а) шестерни; б) подшипники; в) радиаторные трубки.
26. Выберите из предложенных марок АМц, А95, Д16, АЛ8
а) сплав, который обладает наибольшей твёрдостью;
б) сплав, который обладает наибольшей прочностью;
в) наилучшей электропроводностью.
27. Какие легирующие элементы улучшают антифрикционные свойства
и обрабатываемость латуней резанием?
28. Какие бронзы применяют для изготовления деталей, работающих
при повышенных температурах (до 2500С) и в морской воде? Укажите их марки
состав и свойства.
29. Какое влияние оказывает никель на свойства меди?
30. Какими свойствами обладают мельхиоры?
30
Заключение
Теоретический материал курса лекций выполнен в соответствие с
требованиями Федерального образовательного государственного стандарта
(третьего поколения).
В данном пособии подробно рассмотрены свойства, маркировка и
применение алюминия, меди, магния, титана и их сплавов.
Изложенный в лаконичной форме материал поможет студентам среднего
профессионального образования подготовится к лабораторно- практическим
занятиям, зачёту.
Задания, представленные в пособии, помогают закрепить материал,
изученный на уроках, а затем применить полученные знания на практике,
прививают умение пользоваться справочной литературой.
31
Список используемых источников
1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение и технология материалов:
учебное пособие. – М.: ФОРУМ, 2013, с.336
2. Моряков О.С. Материаловедение. – М.: Академия, 2008, с.235
3. Власов В.С. Металловедение: учебное пособие. – М.: Альфа-М, НИЦ
ИНФРА-М, 2012, с.336
4. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов. – М.:
ОНИКС, 2008, с.617
5. Козлов Ю.С. Материаловедение. – М.: Агар, 1999, с.180
6. Адаскин А.М. Материаловедение. – М.: Академия, 2008, с. 285
7. Чумаченко Ю.Т. Материаловедение. – Ростов- на- Дону: Феникс,
2005, с.313
8. Заплатин В.Н. Основы материаловедения (металлообработка). – М.:
Академия, 2008, с.249
9. Арзамасов Б. Н. Макарова В.И.Материаловедение. – М.: Изд-во
МГТУ, 2005, с.646
10. Чумаченко Ю.Т. Материаловедение и слесарное дело. – Ростов-наДону: Феникс, 2009, с.395
32