Материаловедение

Цветные металлы и сплавы

1. Получение алюминия

Алюминий получают из бокситов и нефелинов. Химический состав бокситов выражается формулой Na2(K2) O · Al2O3 · 2SiO2. Бокситы содержат в своем составе 30…70% глинозема Аl2О3, 2…20% кремнезема SiO2, 2…50% окиси железа Fе2О3 и 0,1…10% окиси титана ТiO2.

Производство алюминия состоит из двух основных процессов:

  1. получение глинозема А12О3 из бокситов;
  2. восстановление металлического алюминия электролизом из раствора глинозема в расплавленном криолите (Na3AlF6).

Электролитом служат криолит с добавлением 8…10% глинозема, а также AlF3 и NaF. Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Алюминий-сырец содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические (С, АlО3 и др.) примеси, а также газы — кислород, водород, окись и двуокись углерода и др. Эти примеси удаляют хлорированием жидкого алюминия-сырца в ковше. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий АlСl3, проходя через расплавленный алюминий, обволакивает пузырьками частицы примесей и выносит их вместе с газами, растворенными в алюминии.

Первичный алюминий (ГОСТ 11069–2001) делят на следующие группы:

  1. алюминий особой чистоты (марка А999);
  2. алюминий высокой чистоты (4 марки);
  3. алюминий технической чистоты.

ГОСТом предусмотрены восемь марок, допускающих содержание примесей 0,15…1%. Название марки указывает ее чистоту. Например, марка А8 обозначает, что в металле содержится 99,8% алюминия, а в марке А99 — 99,99%.

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электрои теплопроводностью; плотность его 2700 кг/м3, температура плавления зависит от чистоты и колеблется в пределах 660…667°С. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σв = 80…100 МПа), низкую твердость (НВ = 20…40), но обладает высокой пластичностью (δ = 35…40%).

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, некоторые его сплавы с разным успехом свариваются. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой плотной пленкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.

2. Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой.

В зависимости от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на несколько групп; они содержат 2–3 и более легирующих компонента в количестве 0,2…4% каждого.

Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют буквенные обозначения, указывающие на характер обработки. Термически неупрочняемые сплавы (табл. 6) — это сплавы алюминия с марганцем и алюминия с магнием и марганцем. Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью.

Термически упрочняемые сплавы (табл. 7) приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки.

Таблица 6

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКИ НЕУПРОЧНЯЕМЫЕ СТАЛИ

МаркаТолщина листов, ммПредел прочности σв, МПаОтносительное удлинение δ,%Назначение
АМцМ АМr2M AMr2H AMr3M0,5…10

0,5…10

0,5…10

0,8…10

90

170

270

190…200

18…22

16…18

3…4

15

Малонагруженные детали, сварные и клепаные конструкции, детали, получаемые глубокой вытяжкой
АМr5М0,8…1028015Средненагруженные детали сварных и клепаных конструкций, конструкций с высокой коррозионной стойкостью

Таблица 7

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫЕ СТАЛИ

МаркаТолщина листов, ммПредел прочности

σв, МПа

Относительное удлинение δ,%Назначение
Д1А5…10,536012Детали и конструкции средней прочности
Д16А Д16АТ5…10,5

0,5…10

420

435

10

11

Детали и конструкции повышенной прочности, работающие при переменных нагрузках
В95А5…10,55006Детали нагруженных конструкций, работающих при температуре до 100°С

Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дуралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности). Дуралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дуралюминов 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 течение 5…7 суток. Искусственное старение проводят при температуре 150…180°С в течение 2…4 ч. При одинаковой прочности дуралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и обладают большей коррозионной стойкостью, чем подвергнутые искусственному старению.

Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (+5°С), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки. Дуралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию.

Дуралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дуралюмины в авиационной промышленности и в строительстве.

3. Литейные алюминиевые сплавы

Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9—13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок.

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава.

Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые по химическому составу можно разделить на несколько групп, например алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ13, АЛ22 и др.).

Сплавы на основе алюминия кремния называют силуминами. Силумин обладает высокими механическими и литейным свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость.

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеют скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (табл. 8).

В графе «Способы литья» введены следующие обозначения: З — в песчано-глинистые формы, В — по выплавленным моделям, К — кокиль, Д — под давлением. Буква М, следующая за первой буквой, обозначает, что сплав при литье подвергают модифицированию.

Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520–540°С и дают длительную выдержку (5…10 ч), чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150…180°С в течение 10…20 ч. Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5% кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1…3% от массы сплава соли натрия (2/3NaF + 1/3NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.

4. Получение меди и ее сплавов

Медь — цветной металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, у нее повышенная коррозионная стойкость.

Таблица 8

АЛЮМИНИЕВЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

МаркаСпособы литьяВиды обработкиПредел прочности σв, МПаТвердость, НВНазначение
АЛ2ЗМ, ВМ КМ, К, Д ЗМ, ВМ, КМ, К, Д

Отжиг

150…160

140…150

50

50

Малонагруженные детали (корпуса приборов, кронштейны и др.)
АЛ4З, В, К, Д К, Д

ЗМ, ВМ, К

Старение

Закалка и полное старение

150

200

230

50

70

70

Крупные нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеров, блоков)
АЛ9З, В, К, Д

З, В, К, Д З, В

ЗМ, ВМ

Отжиг Закалка

Закалка и полное старение

170

140

180

180

50

45

50

50

Детали средней загруженности сложной конструкции (головки цилиндров, поршни, картеры, сцепления и пр.)
АЛ10ВК, ЗСтарение150…17080…90Детали, работающие при повышенных температурах
АЛ8З, В, КЗакалка29060Детали высоконагруженные, воспринимающие вибрационные нагрузки

Медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан (CuFeS2). Содержание меди в рудах невелико (от 0,5 до 5%), поэтому медь обогащают. Обогащенный концентрат медных руд (содержащий 11…35% Сu) сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн.

Цель плавки на штейн — отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16–60% Сu. Медные штейны переплавляют в медеплавильном конверторе с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1…2% примесей железа, цинка, никеля, мышьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Содержание меди после рафинирования возрастает до 99,5…99,99% (медь первичная — технически чистая). После рафинирования медь очищают от вредных примесей, в результате чего качество меди существенно увеличивается.

Чистая медь имеет 11 марок (М00б, М0б, М1б, M1y, M1, Mlр, М1ф, М2р, М3р, М2 и М3) в зависимости от содержания вредных примесей в меди. Суммарное количество примесей в лучшей марке М00б составляет 0,01%, а в марке М3 — 0,5%.

Чистая медь — розовато-красного цвета, плотность 8,93 г/см3 и температура плавления 1083°С.

Механические свойства чистой отожженной меди:

σв= 220…240 МПа, НВ = 40…50, δ = 45…50%.

Чистую медь благодаря высокой электропроводности применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб. Из-за малой механической прочности чистую медь не используют как конструкционный материал, а применяют ее сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом.

Легирование меди обеспечивает повышение ее механических, технологических и эксплуатационных свойств. Различают три группы медных сплавов: латуни; бронзы; сплавы меди с никелем.

5. Латунь

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т.п.

В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением).

Латуни содержат до 40—45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7—9%.

Сплав обозначают начальной буквой Л. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц — цинк, О — олово, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 — алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа и 2% марганца, остальное составляет цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных металлов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни (ГОСТ 17711–93) предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек. Например, сплав ЛС59-1Л с пределом прочности σв = 200 МПа используют для изготовления втулок, арматуры, для фасонного литья; сплав ЛМцС58-2-2 с пределом прочности σв = 350 МПа используется при изготовлении антифрикционных деталей — подшипников, втулок; сплав ЛА67-2-5 с пределом прочности σв = 400 МПа служит для изготовления коррозионно-стойких деталей, а сталь ЛАЖМц-66-6-3-2 с пределом прочности σв = 650 МПа применяют при изготовлении червячных винтов, работающих в тяжелых условиях.

Деформируемые латуни выпускают (ГОСТ 15527–2004) в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1, ЛС63-3 и др. (табл. 9).

Таблица 9

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ЛАТУНЕЙ

МаркаПредел прочности

σв, МПа

Относительное удлинение δ,%Твердость, НВНазначение
Л90 Л80260

320

45

52

53

53

Детали трубопроводов, фланцы, бобышки
Л683205555Теплообменные аппаратуры, работающие при температуре до 250°С

Латуни поставляют в виде полуфабрикатов — проволоки, прутков, лент, полос, листов, труб и других видов прокатных и прессованных изделий. Их широко применяют в общем и химическом машиностроении.

6. Бронзы, сплавы меди с никелем

Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием бывают бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д. Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для повышения механических характеристик и придания особых свойств бронзы легируют. Введение марганца способствует повышению коррозионной стойкости, никеля — пластичности, железа — прочности, цинка — улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обрабатываемости (табл. 10).

Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Мц — марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное — медь (85%).

Таблица 10

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРОНЗ

МаркаПредел прочности σв, МПаОтносительное удлинение δ,%Твердость, НВНазначение
БрОЦСНЗ7-5-1210560Детали арматуры (клапаны, задвижки, краны), работающие на воздухе, в пресной воде, масле, топливе, паре и при температуре 250°С
БрОЦС55-5180460Антифрикционные детали и арматура
БрАЖ9-4 БрАЖ9-4Л500…700

350…450

4…6

8…12

160

90…100

Арматура трубопроводов для различных сред (кроме морской воды) при температуре до 250°С
БрАМц9-2Л4002080Детали, работающие в морской воде (винты, лопасти)
БрБ2900…10002…470…90Пружины, пружинящие контакты приборов и т.п.
БрАМц10-2 БрОФ10-1500

250

12

1…2

110

100

Подшипники скольжения

Оловянные бронзы содержат в среднем 4…6% олова, имеют высокие механические (σв = 150…350 МПа; δ = 3…5%; твердость НВ = 60…90), антифрикционные и антикоррозионные

свойства. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабатываемость; цинк, улучшающий литейные свойства; фосфор, повышающий литейные, механические и антифрикционные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы.

Деформируемые бронзы (ГОСТ 5017–2006) поставляются в виде полуфабрикатов (прутки, проволоки, ленты, полосы) в нагартованном (твердом) и отожженном (мягком) состояниях. Эти бронзы применяют для вкладышей подшипников, втулок деталей приборов и т.п.

Литейные оловянные бронзы содержат большее количество олова (до 15%), цинка (4…10%), свинца (3…6%), фосфора (0,4…1,0%).

Литейные бронзы (ГОСТ 614–97) применяют для получения различных фасонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова — недостаток оловянных бронз.

Алюминиевые бронзы содержат 4…11% алюминия. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Эти бронзы хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, а при содержании алюминия до 8% — и в холодном состоянии. Бронзы, содержащие 9…11% алюминия, а также железо, никель, марганец, упрочняются термической обработкой (закалкой и отпуском). Наиболее поддающаяся закалке БрАЖН10-4-4 после закалки (980°С) и отпуска (400°С) повышает твердость с НВ = 170…200 до НВ = 400.

Марганцовистые бронзы (БрМЦ5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают хорошей сопротивляемостью коррозии и высокой пластичностью, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.

Свинцовистые бронзы (БрСЗ0) отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводностью (в 4 раза большей, чем у оловянных бронз), применяются для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями.

Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие механические свойства, например у БрБ2 σв = 125 МПа, НВ = 350, высокий предел упругости, хорошая коррозионная стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения.

Кремнистые бронзы (БрКНГ-3, БрКМцЗ-1) применяют как заменители дорогостоящих бериллиевых бронз.

Медно-никелевые сплавы получают на основе меди; в них основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы.

Куниали (медь + никель + алюминий) содержат 6…13% никеля, 1,5…3% алюминия, остальное — медь. Куниали подвергают термической обработке (закалке и старению). Куниали служат для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и ряда электротехнических изделий.

Нейзильберы (медь + никель + цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное — медь. Нейзильберы имеют белый приятный цвет, близкий к цвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии. Их применяют в приборостроении и производстве часов.

Мельхиоры (медь + никель и небольшие добавки железа и марганца, до 1%) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их используют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и чеканных изделий.

Кoпель (медь + никель 43% + марганец 0,5%) — специальный термоэлектродный сплав для изготовления термопар. Манганин (медь + никель 3% + марганец 12%) — специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов.

Константан (медь + никель 40% + марганец 1,5%) имеет такое же назначение, как и манганин.

7. Получение, свойства и применение титана и магния

Титан — серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стойкостью. Для производства титана используют рутил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10…40% двуокиси титана TiO2. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% TiO2. TiO2 и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой. В процессе плавки окислы железа и титана восстанавливаются, в результате чего получают чугун и титановый шлак, в котором содержится до 80…90% TiO2. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан соединяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl4. Затем TiCl4 нагревают в замкнутой реторте при температуре 950…1000°С в среде инертного газа (аргона) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl, а твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку.

Путем сложных процессов рафинирования и переплава из титановой губки получают чистый титан. Технически чистый титан (ГОСТ 19807–91) содержит 99,2…99,65% титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит высоколегированные нержавеющие стали.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами.

Преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств (σв = 1500 МПа; δ = 10…15%) и коррозионной стойкости с малой плотностью.

Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350—500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности — на три группы: низкой в = 300…700 МПа), средней в = 700…1000 МПа) и высокой в > 1000 МПа) прочности. К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй — ВТ3, ВТ4, ВТ5 и другие, 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. Титановые сплавы применяют в авиационной и химической промышленности (табл. 11).

Таблица 11

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ЛАТУНЕЙ

МаркаТермическая обработкаПредел прочности σв, МПаОтносительное удлинение δ,%Твердость, НВ
ВТ5Отжиг при 750°С750…90010…15240…300
ВТ8Закалка 900–950°С +

+ старение при 500°С

1000…11503…6310…350
ВТ14Закалка 870°С +

+ старение при 500°С

1150…14006…10340…370

Магний — самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1,740 кг/м3, температура плавления 650°С. Технически чистый магний — непрочный, малопластичный металл с низкой теплои электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, торий, церий, цинк, цирконий и подвергают термообработке.

Для производства магния используют преимущественно карналлит (MgCl2 · КCl6 · H2O), магнезит (MgCO3), доломит (CaCО3 · МgCО3) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обогащению, в процессе которого отделяют КСl и нерастворимые примеси путем перевода в водный раствор MgCl2 и КСl. После получения в вакуум-кристаллизаторах искусственного карналлита его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который подвергают рафинированию. Технически чистый магний (первичный) содержит 99,8…99,9% магния (ГОСТ 804–93). Маркировка и химический состав магниевых сплавов для фасонного литья и слитков, предназначенных для обработки давлением, приведены в ГОСТ 2581–78. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые. Литейные магниевые сплавы (ГОСТ 2856–79) используют для изготовления деталей литьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими порядковый номер.

8. Олово, свинец, цинк и их сплавы

Олово — блестящий белый металл с низкой температурой плавления (231°С) и высокой пластичностью. Используется в составе припоев, медных и антифрикционных сплавов.

Свинец — металл голубовато-серого цвета, обладает низкой температурой плавления (327°С) и высокой пластичностью. Входит в состав медных, антифрикционных сплавов и припоев.

Цинк — серовато-белый металл с высокими литейными и антикоррозионными свойствами, температура плавления 419°С. Входит в состав медных сплавов и твердых припоев.

Припои — это металлы или сплавы, используемые при пайке в качестве связки между соединяемыми деталями. Припои имеют более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Незначительный нагрев соединяемых металлов является основным преимуществом пайки в сравнении со сваркой.

По температуре расплавления припои подразделяют на легкоплавкие (145…450°С), среднеплавкие (450…1100°С) и высокоплавкие (1100…1850°С).

К легкоплавким относят оловянно-свинцовые (ПОС), оловянные, малосурьмянистые и сурьмянистые (ПОССу) и другие припои. Медно-цинковые (латуни) припои относят к среднеплавким (905…985°С), а многокомпонентные на основе железа — к высокоплавким (1190…1480°С).

Оловянно-свинцовые припои широко применяют во всех отраслях промышленности. Для снижения охрупчивания олова при низких температурах в состав припоев вводят сурьму. Оловянно-свинцовые припои имеют низкую коррозионную стойкость во влажной среде (табл. 12).

Оловянные припои имеют высокую прочность, пластичность и коррозионную стойкость (см. табл. 12).

Медно-цинковые припои (латуни) широко применяют для пайки большинства металлов (табл. 13). Для повышения прочности паяных соединений в медно-цинковые припои вводят олово, никель и марганец. Добавки олова понижают температуру плавления латуни, повышают коррозионную стойкость и улучшают жидкотекучесть припоя.

Легкоплавкие пастообразные припои состоят из трех частей: порошкообразного припоя, флюса и загустителя. Пасту состава припой ПорПОССу-30-2 (70%), вазелин (20%), бензойная кислота (1,2%), аммоний хлористый (1,2%) и эмульгатор ОП-7 (0,6%) применяют для пайки стальных, медных и никелевых изделий.

Тугоплавкие порошкообразные припои применяют для пайки твердосплавных пластин при производстве режущего инструмента. Состав припоя: ферромарганец (40%), ферросилиций (10%), чугунная стружка (20%), медная стружка (5%), толченое стекло (15%), плавится при температуре 1190…1300°С.

Таблица 12

ОЛОВЯННО-СВИНЦОВЫЕ И ОЛОВЯННЫЕ ПРИПОИ

МаркаОсновные компоненты,% (свинец — остальное)Температура плавления,°СНазначение
ОловоДругие элементыСолидусЛиквидус
ПОС-9090183220Пайка и лужение пищевой посуды и медицинской аппаратуры
ПОС-6160183190Пайка и лужение электро- и радиоаппаратуры, печатных схем
ПОС-4040183238Пайка деталей из оцинкованного железа
ПОС-61М60Медь 2183192Пайка тонкой медной проволоки и фольги
ПОССу-500,550Сурьма до 0,5183216Пайка радиационных радиаторов
ПОССу-300,530То же183255Пайка листового цинка, радиаторов
ПОССу40-240Сурьма 1,5…2,0185229Пайка холодильных установок
ПОССу-18-218То же186270Пайка в автомобильной промышленности
ПОССу-4-64Сурьма 5…6244270Пайка и лужение в автомобильной промышленности
П250А80Цинк 20200280Пайка деталей из алюминиевых сплавов

Таблица 13

МЕДНО-ЦИНКОВЫЕ ПРИПОИ

МаркаОсновные компоненты,% (цинк — остальное)Температура плавления,°СНазначение
МедьДругие элементыСолидусЛиквидус
ПМЦ-3636800825Пайка латуней и бронз с содержанием не более 68% меди
ПМЦ-4848850865Пайка латуней и бронз с содержанием более 68% меди
ПМЦ-5454880876Пайка стали, жести, медных сплавов
Л6363905
Л6868938
ЛЖМц-57-1,5-0,7557Марганец,865872Пайка инструментов
ЛНМц-50-250железо — по 1849873
Никель,
марганец — по 2
МцН-448-1048Никель 10985Пайка чугуна

9. Требования к антифрикционным сплавам

Антифрикционные сплавы предназначены для повышения долговечности трущихся поверхностей машин и механизмов. Трение происходит в подшипниках скольжения между валом и вкладышем подшипника. Для вкладыша подшипника подбирают такой материал, который предохраняет вал от износа, сам минимально изнашивается, создает условия для оптимальной смазки и уменьшает коэффициент трения. Антифрикционный материал представляет собой сочетание достаточно прочной и пластичной основы, с опорными (твердыми) включениями. При трении пластичная основа частично изнашивается, а вал опирается на твердые включения. Трение происходит не по всей поверхности подшипника, смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы.

Антифрикционные сплавы создают на основе олова, свинца, меди или алюминия; они обладают специальными антифрикционными свойствами (табл. 14).

К ним относятся:

  1. баббит марок Б88 и БС6, применяемый для изготовления подшипников быстроходных дизелей и подшипников автотракторных двигателей;
  2. бронза БрОЦС5-5-5, используемая для изготовления подшипников электродвигателей центробежных насосов;
  3. латунь марки ЛМцЖ52-4-1, используемая для изготовления подшипников рольгангов, контейнеров, редукторов, и другие сплавы.

Антифрикционные свойства сплавов проявляются при трении в подшипниках скольжения. К ним относятся:

  1. низкий коэффициент трения;
  2. хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали;
  3. высокая теплопроводность;
  4. 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, свинцу 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.

Таблица 14

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

МатериалМаркаУсловие применениеНазначение
Давление, МПаОкружная скорость, м/с
БаббитБ882050Подшипники быстроходных дизелей

Подшипники автотракторных двигателей

БС615
БронзаБрОЦС5-5-583Подшипники электродвигателей центробежных насосов
ЛатуньЛМцЖ52-4-142Подшипники рольгангов, конвейеров, редукторов
ЧугунАЧС-1255Для работы с закаленным или нормализированным, с термически необработанным валом (в стадии подготовки)
АЧС-5201,2
АЧВ-1201,0
АЧК-1202,0
АЧС-360,7
АЧК-2121,0
МеталлокерамикаБронзо-12…180,1Подшипники конвейеров сельскохозяйственных и других машин; подшипники, работающие в

местах, труднодоступных для подачи

смазки

графит0,8…1,24,0
Железографит15

0,6…1,0

0,1

4,0

10. Антифрикционные 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 подразделяют на три группы: оловянные (Б83, Б88), оловянно-свинцовые (БС6, Б16) и свинцовые (БК2, БКА). 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 несложных условиях. В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6% олова и сурьмы, остальное — свинец.

Для 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. 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, которые обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в масляных средах и достаточно хорошими механическими и технологическими свойствами. В зависимости от химического состава различают две группы сплавов:

  1. сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими элементами, которые образуют твердые фазы в мягкой алюминиевой основе. Наибольшее распространение получил сплав АСМ, содержащий сурьму (до 6,5%) и магний (0,3…0,7%);
  2. сплавы алюминия с оловом и медью, например, АО20-1 (20% олова и до 1,2% меди) и АО9-2 (9% олова и 2% меди). Они хорошо работают в условиях сухого и полужидкого трения и по антифрикционным свойствам близки к баббитам.

Для работы в подшипниковых узлах трения применяют специальные антифрикционные чугуны. Изготовляют три типа антифрикционного чугуна: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

11. Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкими называют металлы, температура плавления которых выше 1700°С.

Наиболее тугоплавки:

  1. вольфрам (3410°С),
  2. молибден (2620°С), 3) тантал (2996°С),

4) хром (1875°С),

  1. рутений (2250°С),
  2. гафний (2222°С) и др.

Тугоплавкие металлы и их сплавы применяют как жаропрочные при строительстве ракет, космических кораблей. Эти металлы получают из порошков путем прессования и последующего их спекания в брикеты, а также плавкой заготовок в электродуговых и электронно-лучевых печах. Монокристаллы тугоплавких металлов большой чистоты получают в результате особой плавки.

Тугоплавкие металлы обладают высокой коррозионной стойкостью в среде сильных кислот, в расплавленных щелочных металлах. Тугоплавкие металлы и их сплавы во избежание окисления нагревают в вакууме или нейтральных газах (аргоне, гелии). Детали, работающие при высоких температурах, покрывают хромом, алюминием, кремнием и другими металлами. Для изготовления деталей, работающих при температурах до 1400°С, используют молибден, ниобий или их сплавы; при более высоких температурах — вольфрам и тантал, у которых значительно выше температура плавления.

Сплавы вольфрама с 20% рения и вольфрама с 5% рения применяют для изготовления термопар, измеряющих температуру до 3000°С.

Тантал применяют для изготовления пластин и проволоки, используемых в костной хирургии. Карбиды тантала (температура плавления 3880°С) применяют для наплавки на поверхность изделий в агрессивной среде.

Вольфрам и молибден в чистом виде используют в радиои электронной промышленности для изготовления нитей накаливания, пружин, нагревателей, контактов. Сплав, содержащий 85% вольфрама и 15% молибдена, пригоден для работы при температурах, близких к 3000°С.

Ниобий и его сплавы имеют важное значение в электронной и химической промышленности, а сплавы ниобия с оловом являются ценным сверхпроводящим материалом.

Большую роль играет рений, его температура плавления 3180°С, плотность в 3 раза больше, чем у железа, он немного легче осмия, платины и иридия. Жаропрочность сплава рения с вольфрамом и танталом сохраняется до температуры 3000°С, сохраняются и механические свойства. Вольфрам и молибден при низких температурах очень хрупки, а в сплаве с рением сохраняют при этих температурах пластичность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *