Стали с особыми свойствами

Высокопрочные сталии сплавы (предел прочности 1500 МПа и более) должны иметь достаточный запас пластичности и вязкости.

Среднеуглеродистые комплексно-легированные стали. Наибольшее применение в самолетостроении находит сталь 30ХГСН2А, которая называется хромансил, улучшенная за счет добавки 1,6 % Ni. Изготавливаются детали фюзеляжа, шасси, силовые сварные конструкции и др. Применяется как после низкого отпуска, так и после изотермической закалки, которая обеспечивает меньшую чувствительность к надрезу и более высокое сопротивление разрушению. Термомеханическая обработка, совмещающая пластическую деформацию аустенита и закалку, обеспечивает сталям высокую прочность (до 2500 МПа) при достаточной пластичности (δ = 8–6 %) и вязкости (KCU = 0,3–0,1 МДж/м²).

Мартенситостареющие стали (МСС) типа 03Н18К9М5Т по прочности и технологичности превосходят среднеуглеродистые стали. Они представляют безуглеродистые сплавы железа с никелем (8–25 %), легированные Со, Mo, Ti, Al, Cr и другими элементами. Никель повышает растворимость многих элементов по типу замещения в аустените и уменьшает их растворимость в мартенсите. После закалки сплавы имеют структуру высокопластичного железоникелевого мартенсита, пересыщенного легирующими элементами. Упрочнение происходит при старении при 450–550 °С за счет выделения из мартенсита когерентных мелкодисперсных фаз (NiTi, Ni₃Ti, NiAl, (Ni,Fe)Al, Fe₂Mo и др.). Хром (5–12 %) повышает коррозионную стойкость, кобальт – жаропрочность. МСС-стали обладают высокой прочностью от криогенных температур до 500 °С. Изготавливают корпуса ракетных двигателей и подводных лодок, стволы артиллерийского и стрелкового оружия, катапульты самолетов, шасси, батискафы, зубчатые колеса, шпиндели и т. д.

Метастабильные аустенитные высокопрочные стали повышенной пластичности получили название трип-сталей (Transformation induced plasticity) или ПНП-сталей (пластичность, наведенная превращением). После закалки сталь марки 30Х9Н8М4Г2С2 имеет аустенитную структуру, так как точка начала мартенситного превращения М_Н лежит в области отрицательных температур. Пластическая деформация (степень обжатия 50–80 %) при 450–600 °С (ниже температуры рекристаллизации) вызывает явления наклепа аустенита, обеднение его углеродом и легирующими элементами за счет выделения карбидов (дисперсионное упрочнение). Вследствие этого повышается температура начала образования мартенсита деформации. В процессе охлаждения аустенит становится метастабильным и при повторной деформации претерпевает мартенситное превращение. В результате закалки, наклепа и деформационного старения аустенита трип-стали приобретают оптимальные механические свойства: высокую прочность (s_в = 1800–2000 МПа), хорошую пластичность (δ > 20 %) и трещиностойкость. Область применения: силовые детали авиационных конструкций, тросы, броневой лист и др.

Жаропрочные сталии сплавы, работающие в нагруженном состоянии при температурах выше 600 °С, должны иметь достаточную прочность и плотные окисные пленки, защищающие от окисления. В зависимости от металла основы различают жаропрочные сплавы на основе железа (аустенитные стали, стали с карбидным и стали с интерметаллидным упрочнением), никеля и кобальта. Особое место занимают сплавы на основе тугоплавких металлов.

Для увеличения жаропрочности необходимо ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузионные процессы путем: 1) повышения прочности межатомных связей; 2) увеличения размеров зерен, 3) торможения движения дислокаций внутри зерен и на границах.

Прочность межатомных связей тем больше, чем выше температура плавления чистого металла, меньше скорость самодиффузии (ползучести). Прочность межатомных связей металлов увеличивается при добавлении тугоплавких металлов, таких как хром, никель, молибден. Для упрочнения границ зерен и замедления процессов диффузии вводят в небольших количествах (0,1–0,01 %) бор и церий. Эти элементы имеют малый диаметр, располагаются по границам зерен (в местах скопления дефектов) и в 10 раз замедляют процессы диффузии.

Крупнозернистость – характерная особенность структуры жаропрочных сплавов. Чем меньше протяженность границ, тем слабее межзеренное скольжение и диффузионные перемещения.

Формирование гетерофазной структуры с мелкодисперсной упрочняющей фазой – важное направление повышения жаропрочности. Максимальной жаропрочностью обладают сплавы, содержащие в основе практически не взаимодействующие с ней частицы: карбиды, оксиды и бориды. В сталях, легированных карбидообразующими элементами тугоплавких металлов (хром, ванадий, вольфрам и др.), формируется карбидный каркас, который резко тормозит движение дислокаций. Гетерофазная структура может быть сформирована при термической обработке. Для никелевых дисперсионно-стареющих сплавов закалка с последующим старением происходит с выделением интерметаллидов. Мелкие частицы располагаются по всему объему металла и тормозят движение дислокаций. Большую роль играет морфология выделений: жаропрочность тем выше, чем дисперснее частицы, меньше расстояния между ними, больше частиц на межзеренных границах.

Из жаропрочных сплавов изготавливают детали топливной аппаратуры, паровых котлов, турбин, ракет, двигателей внутреннего сгорания. Для деталей, работающих под нагрузкой при температурах до 650 °С, применяются стали, легированные хромом, молибденом, ванадием (15ХН, 12Х2МФБ). Изделия, работающие при 650–750 °С, изготавливают из высоколегированных сталей марок 40Х14Н14В2Н, 40Х12Н8Г8МФБ. При температурах выше 750 °С в качестве жаропрочных материалов используются сплавы на основе никеля или кобальта, до 1500 °С – на основе молибдена, до 2500 °С – на основе вольфрама.

Жаростойкие сталии сплавы – материалы, работающие в ненагруженном состоянии при высоких температурах. От них требуется хорошее сопротивление окислению в газовых средах при высоких температурах. Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной (чистые металлы, твердые растворы). Термическая обработка (отжиг, нормализация) приводит к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкости материала. Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, так как приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла.

До 560–600 °С окалина состоит из плотного слоя оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄. Выше 600 °С происходит их растрескивание. Высокотемпературный оксид FeO вюстит имеет рыхлую структуру, что облегчает доступ кислорода к металлу. Для обеспечения жаростойкости вводят элементы, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо: хром, алюминий, кремний, никель. Эти металлы образуют на поверхности изделий прочные окисные пленки (Сr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, FeO×Сr₂O₃, FeO×Al₂O₃). Стали, легированные Cr и Si, называют сильхромами, Cr и А1 – хромалями; Cr, А1 и Si – сильхромалями. Количество вводимых элементов зависит от требуемого уровня жаростойкости и определяется рабочими температурами изделий. Основной легирующий элемент – хром. Рабочие температуры стали 15Х5М (5 % хрома) – до 650 °С, 12Х17 (17 %) – до 900 °С. Высокохромистые стали с ферритной структурой (15Х25Т, 15Х28 и др.) и аустенитные хромоникелевые стали (20Х23Н18 и др.) имеют более высокую жаростойкость.

Для повышения жаростойкости также используются защитные покрытия, состав которых выбирается с учетом условий работы изделия и состава агрессивной среды.

Коррозионностойкие (нержавеющие) сталии сплавы – материалы, устойчивые к воздействию агрессивных сред: влажной атмосферы, морской воды, пара, растворов солей, щелочей, кислот и т. п. Под действием окислительной среды поверхностный слой металла разрушается (ржавеет). Хром – основной легирующий элемент, защищающий сталь от коррозии. При концентрации хрома более 12,5 % электрохимический потенциал железа повышается и становится положительным, что препятствует электролитическому растворению (коррозии). Стали с 13 % хрома (20Х13, 40Х13 и др.) имеют хорошую коррозионную стойкость в таких средах, как водяной пар, вода, некоторые органические кислоты. Для повышения коррозионной стойкости количество хрома увеличивается до 17–28 % (стали марок 95Х18, 15Х25Т).

Для уменьшения склонности к межкристаллитной коррозии стали аустенитного класса дополнительно легируют титаном и ниобием или уменьшают содержание углерода ниже 0,1 % (08Х18Н10Т). Тогда после закалки они имеют однофазную аустенитную структуру. После холодного деформирования на 70 % предел прочности сталей увеличивается в 2–3 раза, а пластичность сохраняется на уровне 8–12 %. Стали, содержащие более 30–40 % Ni, стойки к коррозионному растрескиванию. Безникелевые аустенитные стали (05Х18А120, 05X21А120) содержат 18–24 % Сг и 1,0–1,3 % N. По уровню предела текучести эти стали в 3–4 раза превосходят закаленную хромоникелевую сталь 08Х18Н10.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

 

Как указывалось выше, все металлы и сплавы на их основе делятся на две группы – черные и цветные. К черным относится железо и сплавы на основе железа – это стали и чугуны, остальные металлы и сплавы на их основе относятся к цветным. Самыми распространенными являются сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди. Они являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами. Область их применения в технике непрерывно расширяется. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при повышении прочности и жесткости. Высокая коррозионная стойкость цветных металлов обусловлена образованием на поверхности металла плотной пленки оксида. Эта пленка обладает хорошим сцеплением с металлом благодаря близости их удельных объемов и предохраняет металл от дальнейшей коррозии. При нагреве цветных металлов выше некоторой предельной температуры они становятся химически активными элементами.

 

Титан и его сплавы

 

Титан – легкий металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1671 °С. Имеет полиморфные модификации: до 882 °С устойчива a-фаза с ГПУ решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм; выше 882 °С – b-фаза с ОЦК решеткой (а = 0,332 нм при 900 °С). Плотность a-фазы при комнатной температуре – 4,5 г/см³. Механические свойства титана (s_в = 300 МПа, твердость 100 НВ) сильно зависят от его чистоты и состояния (табл. 8.1).

Таблица 8.1

 

Зависимость твердости титана от его чистоты

Ti, %	99,99	99,8	99,6	99,5	99,4
НВ

 

Чистый титан сохраняет высокую пластичность (δ = 20 %) при охлаждении до температуры жидкого гелия (–269 °С), но при попадании в него всего 0,03 % водорода, 0,2 % азота или 0,7 % кислорода теряет способность к пластической деформации.

Титановую губку (полуфабрикат для получения титана и его сплавов) маркируют буквами ТГ, затем следует число, показывающее твердость выплавленных из нее эталонных образцов (ТГ100, ТГ110 и т. д.). Очевидно, чем больше число твердости, тем больше в титане примесей.

Титановые сплавы. Примеси образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру a®b превращения.

Элементы, повышающие температуру a®b превращения, называются a-стабилизаторами (рис. 8.1, а). Практическое значение имеет только легирование алюминием. Это сплавы средней прочности, они не упрочняются термической обработкой, имеют отличные литейные свойства, хорошо свариваются. Низколегированные a-сплавы и технический титан поддаются листовой штамповке в холодном состоянии.

Элементы, понижающие температуру превращения a®b, называются b-стабилизаторами (рис. 8.1, б). Некоторые b-стабилизаторы образуют интерметаллические соединения. При охлаждении b-фаза претерпевает эвтектоидное превращение:

b ® a + TiМе

(рис. 8.1, в). Сплавы на основе b-структуры пластичны (поддаются холодной листовой штамповке), хорошо свариваются. После старения приобретают высокую прочность, но выше 300 °С становятся хрупкими. Нейтральные стабилизаторы (рис. 8.1, г) не влияют на фазовый состав сплавов.

Двухфазные сплавы (a + b) – большая группа промышленных сплавов, отличающихся более высокой пластичностью, чем a-сплавы.

Двойные сплавы могут термически упрочняться, обладают высокой жаропрочностью, но плохо свариваются. Рекристаллизационный отжиг титана и его сплавов проводят при 700–800 °С, что значительно превосходит температуру рекристаллизации (500 °С). Эта температура достаточна для быстрого устранения наклепа. Наиболее важна термическая обработка, в результате которой измельчаются зерна при фазовой перекристаллизации и повышаются пластические свойства. Механические свойства закаленного сплава определяются соотношением a и β-фаз, причем упрочнение достигается главным образом за счет a-фазы (искаженная a'-фаза тоже мартенситного происхождения). Количество a-фазы зависит от температуры нагрева под закалку, скорости охлаждения и количества легирующих элементов (β-стабилизаторов). Однако упрочнение закаленных сплавов, по сравнению с отожженными, невелико.

Основной прирост прочности создается за счет отпуска (старения) закаленного сплава или изотермической обработки.

Для повышения износостойкости сплавы подвергают цементации или азотированию. Основной недостаток титановых сплавов – плохая обрабатываемость резанием и низкие антифрикционные свойства.

По способу получения изделий различаются деформируемые и литейные сплавы. Титановые сплавы широко применяются в ракето- и авиастроении (корпуса двигателей, сопла, детали крепежа), в химическом производстве (компрессоры, клапаны, криогенная техника), в судостроении (гребные винты, обшивка морских судов).

Алюминий и его сплавы

 

Алюминий – легкий (r = 2,7 г/см³) металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 660 °С. Полиморфных превращений не имеет, кристаллизуется с образованием ГЦК решетки (а = 0,404 нм). Механические свойства отожженного алюминия невысоки (s_в = 60 МПа, твердость 20–25 НВ) и сильно зависят от чистоты и состояния материала. Постоянные примеси, присутствующие в алюминии: Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Алюминий особой чистоты содержит менее 0,001 % примесей и предназначен для исследовательских целей. Из алюминия высокой чистоты (0,005–0,05 % примесей) изготавливают фольгу, токопроводящие и кабельные изделия, изделия для химической промышленности. Алюминий технической чистоты (0,15–1 % примесей) применяется для элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки. Алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью, легко обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, плохо обрабатывается резанием, имеет большую усадку (6 %).

Алюминий слабо растворяет легирующие элементы, поэтому он образует сплавы с эвтектикой и одной или, реже, двумя областями твердых растворов. Обобщенная диаграмма сплавов алюминия представлена на рис. 8.2. По технологическим свойствам сплавы подразделяются на деформируемые 1 (не упрочняемые 1а или упрочняемые термической обработкой 1б) и литейные 2.

Алюминиевые сплавы. Механические свойства алюминия можно повысить за счет легирования основными элементами: Cu, Mg, Mn, Zn, Si, а также Ti, Be, Ni, Fe. Легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и химические соединения. Алюминиевые сплавы маркируются следующим образом: сначала указывается тип сплава (Д – дуралюмин; А – технический алюминий; АК – ковочный алюминиевый сплав; АЛ – литейный сплав; В – высокопрочный сплав). Далее указывается условный номер сплава в ГОСТе и обозначение, характеризующее состояние сплава: Т – термически обработанный (закалка плюс старение); М – мягкий (отожженный); Н – наклепанный.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Сплавы систем Al–Mn и Al–Mg применяются вместо чистого алюминия, когда его прочность недостаточна. Магний (0,5–5 %) действует только как упрочнитель, добавка марганца и хрома (1 %) повышает коррозионную стойкость. Дополнительное упрочнение сплавы могут получать в результате наклепа (деформации в холодном состоянии). Для повышения пластичности проводят термическую обработку. Сплавы типа АМц, АМг (s_в = 110 МПа, δ = 20 %) применяются в отожженном состоянии и после наклепа для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, средненагруженных конструкций, требующих высокого сопротивления коррозии.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Это многокомпонентные сплавы (табл. 8.2). В состав вводят различные элементы для повышения механической прочности (Cu, Mg, Zn), жаропрочности (Fe), коррозионной стойкости (Mn). Термическая обработка сплавов – закалка и старение (естественное или искусственное). Старение – выдержка при комнатной или повышенной температуре с целью распада пересыщенного твердого раствора.

Линия DF на рис. 8.2 – линия предельной растворимости компонентов. Закалка проводится с температуры выше DF, охлаждение – со скоростью выше критической; результат – образование пересыщенного твердого раствора легирующего элемента в решетке основы. На этапе старения, за счет процессов диффузии, атомы легирующего элемента образуют зоны с повышенной концентрацией компонента и мелкодисперсные частицы интерметаллидов, которые играют роль барьеров для движения дислокаций. Таким образом, упрочнение сплавов происходит как за счет легирования основы, так и распада пересыщенного твердого раствора. Для дополнительного упрочнения используют наклеп, выполняя его между закалкой и старением.

Дуралюмины – сплавы системы Al–Cu–Mg, в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости. Например, сплав Д16 (s_в = 540 МПа, δ = 11 %). Дуралюмины применяются для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности, требующих высокой надежности и долговечности при переменных нагрузках. Особенно широкое применение они находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Таблица 8.2

 

Химический состав термически упрочняемых алюминиевых сплавов

Сплавы	Марка	Химический состав, %
Cu	Mg	Si	Zn	Fe	Mn	Ni
Дуралюмин	Д16	3,8–4,9	1,2–1,8	< 0,5	< 0,3	< 0,5	0,3–0,9	0,1
Авиаль	АВ	0,2–0,6	0,4–0,9	0,5–1,2	< 0,2	< 0,5	0,1–0,3	–
Ковочные	АК6	1,8–2,6	0,4–0,8	0,7–1,2	< 0,3	< 0,7	0,4–0,8	< 0,1
Жаропрочные	АК2	3,5–4,5	0,4–0,8	0,5–1,0	< 0,3	0,5–1,0	< 0,2	1,8-2,3
Высокопрочные	В95	1,4–2,0	1,8–2,8	–	5-7	–	0,2–0,6	–

 

Авиаль – сплавы системы Al–Mg–Si уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Например, сплав АВ (s_в = 260 МПа, δ = 15 %) обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой, обладает высокой сопротивляемостью коррозии. Из него изготовляют элементы конструкций (листы, трубы, профили и т. д.), несущие умеренные нагрузки.

Ковочные сплавы системы Al–Mg–Si–Cu отличаются высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки для последующей обработки давлением. Сплав АК6 используют для деталей сложной формы со средней прочностью, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 (s_в = 480 МПа, δ = 10 %) применяется для изготовления тяжело нагруженных штампованных деталей.

Жаропрочные алюминиевые сплавы имеют сложный химический состав, их дополнительно легируют железом, никелем и титаном. Например, сплав Д20 (s_в = 400 МПа, δ = 12 %) используется для изготовления деталей, работающих при температуре до 300 °С.

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu. При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, пластичность и коррозионная стойкость снижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозионную стойкость. Например, сплав В95 (s_в = 560–600 МПа, δ = 8 %) хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Применяется в самолетостроении и судостроении для тяжело нагруженных конструкций.

Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы для фасонного литья должны иметь высокую жидкотекучесть, небольшую усадку, малую склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами и сопротивлением коррозии.

Силумины – сплавы систем Al–Si, Al–Si–Mg, содержащие 10–13 % кремния, отличаются высокими литейными свойствами, при этом получают отливки большой плотности. Силумины делятся на двойные (легированные только Si) и специальные (с небольшими добавками Mg, Cu, Mn, Ni и др.). Легирование магнием и медью повышает эффект упрочнения при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность. Сплавы системы Al–Si типа АЛ2, АЛ9 (s_в = 200 МПа) легко обрабатываются резанием. Термической обработкой упрочняются только специальные силумины, которые применяются для изготовления средне- и крупногабаритных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания.

Высокопрочные жаропрочные сплавы систем Al–Cu–Mn, Al–Cu–Mn–Ni, Al–Si–Cu–Mn. Широко применяется сплав АЛ1 (s_в = 260 МПа). Из него изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при повышенных температурах. Из сплава AЛ19 системы Al–Cu изготавливают детали, работающие в условиях высоких статических и ударных нагрузок при температурах до 300 °С.

Коррозионно-стойкие сплавы систем Al–Mn и Al–Mn–Zn имеют низкие литейные, повышенные механические свойства и хорошую обрабатываемость резанием. Сплавы АЛ8 (s_в = 350 МПа, δ = 10 %), АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере (судостроение, авиация).

Гранулированные алюминиевые сплавы. Плавлением трудно, а иногда невозможно получить сплавы из металлических и неметаллических компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде (Fe–Pb, W–Cu и др.). Метод порошковой металлургии позволяет изготовить материалы с особыми физическими характеристиками и структурой, не только в виде заготовок и полуфабрикатов, но и в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей обработки резанием. Эти материалы имеют более высокие механические свойства, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС)получают методом порошковой металлургии. Частицы имеют диаметр от нескольких микрон до миллиметров и характеризуются малой ликвацией. Высокая скорость охлаждения частиц (100 °С/с) достигаемая, например, распылением жидкого металла струей нейтрального газа, позволяет получать аномально пересыщенные твердые растворы: предельная растворимость легирующих элементов увеличивается в 2,5–5 раз. Особый интерес представляют САС с элементами, которые практически нерастворимы в алюминии при обычных условиях. Сплавы представляют собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными включениями второй фазы. В процессе технологической операции горячего прессования (400–450 °С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз, которые и увеличивают прочность при нормальных и повышенных температурах. Прочность материалов при повышенном содержании переходных металлов достигает 800 МПа, предел текучести – 330 МПа.

Спеченная алюминиевая пудра (САП) упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. При размоле пудры в шаровых мельницах (в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода) на ее частицах образуется тончайшая пленка окислов алюминия. Различают САП по содержанию Al₂O₃. Марки САП, применяемые в России, содержат 6–23 % Al₂O₃. Различают САП-1 с содержанием 6–9, САП-2 – 9–13, САП-3 – 13–18 % Al₂O₃. С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1: σ_в = 280 МПа, σ_0,2 = 220 МПа; САП-3 – σ_в = 420 МПа, σ_0,2 = 340 МПа. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания происходит сращивание мелких частиц в более крупные конгломераты, в результате образуется не воспламеняющаяся на воздухе тяжелая пудра. Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации – прессованию, прокатке, ковке. По коррозионной стойкости САП не уступает чистому алюминию. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20 %, при большем содержании снижается. САП обладает высокой прочностью при температурах 300–500 °С и не изменяет своих свойств даже после длительного (до 10000 часов) прогрева при 500 °С. При добавлении небольшого количества железа и никеля (до 1,5 %) САП способна длительно работать в паровоздушной среде при температурах до 350 °С. Например, предел прочности при повышении температуры снижается с 380 МПа при комнатной до 105 МПа при 500 °С. Листовая САП сваривается контактной (точечной и роликовой) и аргонодуговой сваркой, легко обрабатывается резанием.

 

Магний и его сплавы

 

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

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

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

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

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

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

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

 

Медь и ее сплавы

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: