Сплавы цветных металлов. Сплавы на медной основе. Легкие сплавы. Антифрикционные сплавы.

Сплавы цветных металлов

Сплавы на медной основе. Легкие сплавы. Антифрикционные сплавы.

Медь относится к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением, характеризуется высокой электропроводимостью, теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Медь обладает хорошими технологическими свойствами, прокатывается в тонкие листы и ленту, паяется, сваривается, из нее получают тонкую проволоку, монтажные и обмоточные провода. Недостатки – большая плотность, низкая жидкотекучесть, относительно низкие прочностные свойства, в порядка 200…250МПа для мягкой отожженной меди марок ММ. В состоянии нагартовки у твердой меди марок МТ в достигает 300МПа, увеличивается до 450 МПа у сильно деформированной, но при этом снижается ее пластичность.

Латуни по структуре представляют твердый раствор цинка в меди, и подразделяют на однофазные (до 30% Zn) и двухфазные. С увеличением доли цинка в сплаве прочность его повышается, но снижается пластичность, улучшается обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшается теплопроводность и электропроводность, которые составляют от 20…50% от характеристик меди. Примеси повышают твердость и снижают пластичность. При 45% Zn латунь отличается высокой хрупкостью.

Латуни, сохраняя положительные свойства меди (высокую тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость) обладают хорошими механическими, технологическими свойствами. По технологическим свойствам латуни подразделяются на: деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные; на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Прочностные параметры деформируемых латуней определяются значениями в ~ 260…420МПа; 0,2 ~ 90…200МПа по ГОСТ 15527-70;  ~ 25…60%; для

литейных– в ~ 200…700МПа;  ~ 7…20% по ГОСТ 17711-93.

Бронзой первоначально называли сплав меди с оловом. В настоящее время бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые. С увеличением содержания олова в бронзе повышается твердость и хрупкость, снижается пластичность.

Практическое значение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn. Оловянные бронзы применяют редко, так как они дорогие.

Бронзы обладают высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной устойчивостью, немагнитны, у них высокая тепло-и электропроводность, хорошие антифрикционные, литейные свойства. Для получения тех или иных превалирующих свойств бронзы легируют. Бронзы также подразделяют на деформируемые и литейные. Их обозначают буквами Бр, за которыми ставят буквы и цифры. В марках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем цифры, указывающие их процентное содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% Al, 4% Fe, остальное Cu. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО3Ц12С5 содержит 3% Sn, 12% Zn, 5% Pb, остальное Cu.

Медно-никелевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, механической прочностью, высоким удельным электрическим сопротивлением. Применяются в приборостроении как конструкционный материал, и как сплавы с высоким удельным сопротивлением – не менее 0,3 мкОмм.

Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы относятся к группе материалов с малой плотностью и высокой удельной прочностью и жесткостью. К этой же группе относятся Mg, Be, Ti и их сплавы, а также композиционные материалы. Их применение позволяет снизить массу изделий при одновременном повышении их прочности и жесткости.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все названные свойства алюминия. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999, где цифра показывает процентное содержание алюминия после запятой (99,999% Al, примесей 0,001%); высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (примесей от 0,005 до 0,05%); и технической чистоты А85, А8 (примесей от 0,15 до 1%). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и другие.), маркируют АД0, АД1. С увеличением содержания примесей и после пластической деформации прочность алюминия повышается, а пластичность падает. Например, для алюминия А999: в = 50 МПа;  = 45%, а для марки А0 (1% примесей) - в = 90МПа;  = 25%.

Алюминий особой и высокой чистоты применяют для изготовления оксидных конденсаторов, химической посуды, в микроэлектронике, для изготовления фольги, поверхностей с высокой отражающей способностью, и другие.

Сплавы магния

Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими свойствами. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn и другие элементы. Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры дает возможность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Однако термическая обработка сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16…30 час.) для растворения вторичных фаз, поэтому такие сплавы можно закаливать на воздухе. Временное сопротивление и предел текучести магниевых сплавов значительно повышаются с помощью термомеханической обработки. Магниевые сплавы очень хорошо обрабатываются резанием, легко шлифуются и полируются, удовлетворительно свариваются.

К недостаткам магниевых сплавов наряду с низкой коррозионной стойкостью, малыми значениям модуля упругости, и ограничением по контактированию с другими металлами и сплавами следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их изготовлении, а также склонность к самовозгоранию при нарушении режимов резания при обработке деталей. Добавки бериллия (0,02…0,05%) уменьшают склонность к окислению, а кальция (до 0,2%) – к образованию пор в отливках.

Титан и его сплавы

Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС)

− α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную −β-Ti, который при 900оС имеет ОЦК решетку. Титан легкий, прочный, тугоплавкий, более коррозионностойкий, чем нержавеющие стали, металл. Титан обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, но плохо обрабатывается резанием. Механические свойства Ti определяются содержанием в нем примесей: чем меньше примесей, тем ниже прочность и выше пластичность. Воздействие примесей на титан многообразно. Алюминий, кислород, азот повышают температуру полиморфного превращения и расширяют α - область. Молибден, ванадий, марганец, хром, железо понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область β -фазы. Марганец, железо, кремний и другие образуют с титаном металлические соединения (интерметаллиды).

Отличительными особенностями титана и его сплавов являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая удельная прочность, хорошие технологические свойства, отличная коррозионная стойкость, теплостойкость, что предопределяет его применение в различных отраслях промышленности.

К недостаткам титана можно отнести малую жесткость (Е = 100ГПа), низкую теплопроводность (~ 7 % от теплопроводности алюминия), плохую или удовлетворительную обрабатываемость резанием, высокую химическую активность, поэтому плавление, сварку титана необходимо вести в защитной среде или вакууме. В приборостроении благодаря высокому газопоглощению титан нашел применение в качестве геттерного материала. Требования к сплавам. Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механизмов. Трение происходит в подшипниках скольжения между валом и вкладышем подшипника. Поэтому для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает трение. Исходя из этих требован и и, антифрикционный материал представляет собой сочетания достаточно прочной и пластичной основы, в которой имеются опорные (твердые) включения. При трении пластичная основа частично изнашивается, а вал опирается на твердые включения. В этом случае трение происходит не по всей поверхности подшипника, а смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы,

Антифрикционными сплавами служат сплавы на основе олова, свинца, меди или алюминия, обладающие специальными антифрикционными свойствами. Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. Это, в первую очередь, низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, высокая теплопроводность, способность удерживать смазку и др. Из антифрикционных сплавов наиболее широко применяют баббит, бронзу, алюминиевые сплавы, чугун и металлокерамические материалы.

Антифрикционные сплавы хорошо прирабатываются в парах трения благодаря мягкой основе— олову, с винцу или алюминию. Более твердые металлы (цинк, медь, сурьма), вкрапленные в мягкую основу, способны выдерживать большие нагрузки. После приработки и частичной деформации мягкой основы в ней образуются углубления, способные удерживать смазку, необходимую для нормальной работы пары.

Сплавы. Баббиты— антифрикционные материалы на основе олова или свинца. Их применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках. По химическому составу баббиты классифицируют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцовые (БК.2, БКА). Последние не имеют в своем составе олова.

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты.

Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны. Свинцовые баббиты применяют в подшипниках, работающих в легких условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное - свинец.

Дня оловянных и оловянно-фосфористых бронз характерны высокие антифрикционные свойства: низкий коэффициент трения, небольшой износ, высокая теплопроводность, что позволяет подшипникам, изготовленным из этих материалов, работать при высоких окружных скоростях и нагрузках.

Алюминиевые бронзы, используемые в качестве подшипниковых сплавов, отличаются большой износостойкостью, но могут вызвать повышенный износ вала. Их применяют вместо оловянных и свинцовых баббитов и свинцовых бронз.

Свинцовые бронзы в качестве подшипниковых сплавов могут работать в условиях ударной нагрузки.

Латуни по антифрикционным свойствам уступают бронзам. Их используют для подшипников, работающих при малых скоростях и умеренных нагрузках.

Из-за дефицитности олова и свинца применяют сплавы на менее дефицитной основе, например алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. Их применяют в виде тон кого слоя, нанесенного на стальное основание, т.е. в виде биметаллического материала..

Металлокерамические сплавы получают прессованием и спеканием порошков бронзы или железа с графитом (1-4%). Пористость сплава 15-30%. После спекания сплавы пропитывают минеральными маслами, смазками или маслографитовой эмульсией. Сплавы хорошо прирабатываются к валу, а наличие смазки в порах способствует снижению износа подшипника.