Медь, свойства и применение. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны человечеству с доисторических времен, когда они были единственным металлом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда (бронзовый век).
Медь имеет красновато-розовый цвет, химически мало активна, обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в парах воды. Характерными физическими свойствами меди являются ее высокие теплои электропроводность. По электропроводности медь занимает первое место среди других технических металлов. Медь — очень пластичный металл, но имеет невысокую механическую прочность.
Основная часть меди идет на приготовление сплавов и легирование других металлов. Значительная часть меди идет на изготовление электропроводов и используется в электроэнергетике, в радиоэлектронике и приборостроении, однако, большая часть меди в настоящее время поступает на экспорт в виде рафинированной, т.е. чистой меди.
Согласно ГОСТу 859-78 товарная медь выпускается с содержанием меди от 99,0% (М4) до 99,99% (М00).
Сплавы меди. Структура сплавов, свойства, применение. Обладая замечательными свойствами, медь, в то же время, как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т.е. вводят в ее состав такие металлы, как цинк, олово, алюминий, никель и др., за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства. Наиболее широко используются латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунями называются сплавы меди с цинком. Различают двухкомпонентные латуни и специальные, в которые дополнительно введены другие легирующие элементы. Цинк повышает прочность и пластичность меди, но в определенных пределах содержания цинка.
Максимальной пластичностью обладает латунь, содержащая 40% цинка. Основная масса латуни идет на изготовление катанного полуфабриката: полос, труб, проволоки и различных профилей. Латунь обрабатывается в холодном состоянии. Она дешевле меди. В обозначении марок латуней принята буквенно-цифровая система: первая буква «Л» — означает «латунь», затем — перечень символов, входящих в сплав компонентов, затем — их процентное содержание. Первая цифра указывает на содержание меди, остальные — на содержание других легирующих элементов. Содержание цинка в обозначении марки не указывается — для того чтобы его определить, необходимо от 100% вычесть процентное содержание меди и других химических элементов, входящих в данную латунь. Например: томпак Л90 — это латунь, содержащая 90% меди, остальное — цинк; латунь алюминиевая ЛА77-2 содержит 77% меди, 2% алюминия, остальное — цинк; латунь ЛАНКМц75-22,5-0,5-0,5 содержит 75% меди, 2% алюминия, 2,5% никеля,
0, 5% кремния, 0,5% марганца, остальное — цинк.
По сравнению с медью латуни обладают большей проч-ностью, коррозионной стойкостью и упругостью. Они обрабаты-ваются литьем, давлением и резанием. По технологическому назначению их подразделяют на обрабатываемые давлением и литейные.
Бронзы (название произошло от королевства Бурунди в Италии, откуда в древности поставлялась медь в Европу) — сплав меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием, свинцом, хромом и с другими элементами. Как и латуни, бронзы подразделяются на литейные и деформируемые. Марка бронзы состоит из букв «Бр.», после них — символы компонентов, затем их процентное содержание. Например, Бр. А7бронза с содержанием алюминия 7% (старые монеты), Бр.ОЦС4-4-2 содержит 4, 4 и 2% олова, цинка и свинца. Бронзы подразделяются на оловянистые — на основе олова и безоловянистые — сплавы с другими металлами. Некоторые типы бронз хорошо обрабатываются давлением и резанием. Бронзы применяются при изготовлении антифрикционных деталей (вкладышей подшипников скольжения), арматуры, работающей в пресной воде, жидком топливе и паре при температурах до 250°С; используются в химической и пищевой промышленности. Оловянистые бронзы хорошо льются и применяются в художественном литье.
Медно-никелевые сплавы маркируются буквой М, затем — по легирующим элементам аналогично бронзам. Например, мельхиор МНЖМц 30-08-1 содержит 30% никеля, 0,8% железа, 1% марганца. Он имеет высокую коррозионную стойкость, применяется для теплообменных аппаратов, работающих в морской воде, и для украшений.
Константан МНМц40-1,5 — имеет большое электрическое сопротивление и применяется в виде проволоки и лент в реостатах, электроизмерительных приборах.
Монель-металл НМЖМц29-2,5-1,5 — сплав на основе меди с высоким содержанием никеля, отличается высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, широко применяется в судостроении, электротехнике и других отраслях промышленности.
Общая схема получения меди (рис. 3.10). Медные руды представляют собой различные сернистые соединения. Наряду с медью они содержат никель, цинк, свинец, золото, серебро и другие металлы. Медь из руды получают преимущественно пирометаллургическим (с применением высоких температур) способом.
Технологическая система получения меди состоит из процессов:
1. Обогащение руды методом флотации, основанном на различной смачиваемости соединений меди и пустой породы. Размельченная руда помещается в суспензию с флотационным агентом, например, пихтовым маслом, который создает пленку на поверхности рудных частичек. При продувке воздухом образуемые пленкой пузырьки собираются на поверхности руды и увлекают ее наверх в виде пены. Пустая порода, которая не смачивается маслом, опускается на дно. Собранная и высушенная пена — концентрат содержит до 30% меди.
2. Концентрат обжигается, в результате получается сер-нистый газ, который идет на получение серной кислоты, и обожженный медный концентрат. Обожженный концентрат пе-реплавляется в отражательных печах с получением медного штейна — продукта, состоящего из меди и сульфидов железа.
3. Штейн продувается в конвертерах кислородом с полу-чением черновой меди, содержащей 1,5% примесей. При продувке в присутствии кварцевого песка сульфиды железа переходят в окись железа и уходят в шлак, а получающийся сернистый газ также идет на приготовление серной кислоты.
4. Очистка (рафинирование) черновой меди осуществляется огневым или электролитическим методом. При огневом методе в расплав меди кладутся деревянные (осиновые) жерди и пропускается воздух. Кислород воздуха в присутствии жердей окисляет и выводит примеси.
При электролитическом методе черновая медь устанав-ливается в качестве анода, катодом служат медные листы. При пропускании тока анод растворяется, и медь оседает на катоде
на дне. За 10 дней получается лист меди весом 60-90 кг. При этом примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама. Иногда в шламе содержится до 35% серебра, 6% селена, 1% золота. Поэтому шламы обычно перерабатывают для получения этих элементов.
Как видно из схемы получения меди, ее производство сопряжено с высокими затратами энергии и экологически вред-но.
Медь и ее сплавы — раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Медь Относится К Проводниковым Материалам С Малым Удельным С…
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, s в порядка 200…250МПа для мягкой отожженной меди марок ММ. В состоянии нагартовки у твердой меди марок МТ s в достигает 300МПа, увеличивается до 450 МПа у сильно деформированной, но при этом снижается ее пластичность.
По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Cu), М0 (99,97% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu). Хорошую теплопроводность меди используют в различных теплообменниках.
Из меди марок М00, М0, М1 по ГОСТ 193-79 изготавливают медные слитки. Из медных слитков этих марок и медного сплава с серебром марки МС0,1 (0,1% серебра, примесей не более 0,1%, остальное медь) для пластин коллекторов электрических машин, электроприборов изготавливают профили трапецеидальной формы со специальными размерами .
Большое практическое применение находят сплавы меди с цинком (латуни), оловом или другими металлами (бронзы), никелем (медно-никелевые сплавы).
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 s в ~ 260…420МПа; s 0,2 ~ 90…200МПа по ГОСТ 15527-70; d ~ 25…60%; для литейных – s в ~ 200…700МПа; d ~ 7…20% по ГОСТ 17711-93.
Для получения требуемых свойств латуни легируют растворимыми в меди элементами: Sn (повышает коррозионную стойкость в морских условиях); Pb (улучшает обрабатываемость резанием, повышает антифрикционных свойств); Mn, Fe, Al (повышают прочность); Al (повышают коррозионную стойкость в атмосферных условиях); Si (повышает теплостойкость), и другими.
Латуни, как и бронзы, маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов, и цифры для указания их среднего процентного содержания в сплаве. В медных (а также в алюминиевых и магниевых) сплавах буквенные обозначения отличается от принятых для сталей. Алюминий обозначают буквой А; бериллий – Б; железо – Ж; кремний – К; медь – М; магний – Мг; мышьяк – Мш; никель – Н; олово – О; свинец – С; серебро – Ср; сурьма – Су; фосфор – Ф; цинк – Ц; цирконий – Цр; хром – Х; марганец – Мц, кадмий – Кд.
Латуни маркируют буквой Л. В деформируемых латунях за буквой Л ставят цифры, показывающие среднее содержание меди : Л68, Л90 – соответственно 68% и 90% Cu, остальное цинк. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем цифры, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента, например: ЛЖМц59-1-1 (Cu-59%, Ж-1%; Мц-1%).
В марках литейных латуней указывается содержание цинка , а количество каждого легирующего элемента ставится непосредственно за буквой, обозначающий его. Например, ЛЦ40 (Zn 40%), ЛЦ14К3С3 (14% Zn; 3% Si; 3% Pb). Литейные латуни обычно содержат большее количество примесей.
К недостаткам латуни можно отнести высокую плотность, низкую износостойкость в условиях сухого трения, склонность к трещинообразованию при низких температурах (при содержании Zn>10%), коррозионное растрескивание («сезонное» растрескивание) при содержании Zn>20%. Устраняется это отжигом.
Термомеханическая обработка по схеме «закалка + пластическая деформация + старение» обеспечивает в сильно легированных латунях повышение s в до 1000МПа.
Применяют латуни для изготовления деталей арматуры, мелких деталей приборов, сильфонов, трубопроводов, осей, втулок, крепежа. Прокат выпускают как холодно-, так и горячекатаный различного сортамента. Примеры обозначения марки латуни и сортамента в технической документации:
ЛЦ40Мц3А ГОСТ 17711-80 –
латунь литейная, содержащая 40% Zn; 3% Мц; 1% Al;
Лента ДПРНП 0,18´15 Л63АМ ГОСТ 2208-75 –
лента холоднокатаная (Д), прямоугольного сечение (ПР), нормальной точности (Н), полутвердая (П), толщина 0,18 мм, ширина 15 мм, из латуни марки Л63, антимагнитная (АМ).
Примечание: если прокат изготовлен без требований к точности и состоянию материала, то после символа, указывающего форму поперечного сечения (ПР) ставится символ «Х» или «ХХ» соответственно.
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.
Оловянные бронзы легируют Zn (повышение механических свойств, жидкотекучести, плотности структуры, способности к сварке, пайке), Pb (улучшение обрабатываемости резанием, антифрикционные свойства), P (повышение жидкотекучести, износостойкости, предела упругости и выносливости, предела прочности). Оловянные бронзы имеют самую малую усадку среди медных сплавов, поэтому их используют для получения сложных фасонных отливок. Механические свойства деформируемых оловянных бронз составляют: s в ~ 350…400МПа; s 0,2 ~ 100…250МПа; d ~ 40…65%; E ~ 75…110ГПа по ГОСТ 5017-74; для литейных бронз: s в ~ 150…270МПа; s 0,2 ~ 100…200МПа; d ~ 4…10%; E ~ 80…100ГПа по ГОСТ 613-79. Используют оловянные бронзы для изготовления плоских и круглых маломоментных спиральных пружин, в электротехнике для токопроводящих деталей, растяжек, деталей часов.
Алюминиевые бронзы отличаются от оловянных высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами, меньшей стоимостью, некоторыми технологическими свойствами (например, жидкотекучестью, большей герметичностью). Но имеют большую усадку. Однофазные бронзы (БрА5, БрА7) имеют хорошую пластичность. Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. Предел прочности у них может достигать s в ~ 600МПа, и твердость HB > 100. Никель улучшает технологические и механические свойства алюминиевых бронз. Бронза БрАЖН10-4-4 имеет: s в ~ 650МПа; d ~ 35%; ~ HB450, из нее изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400…500 ◦ С): седла, направляющие втулки клапанов, шестерни, детали насосов. Часто вместо дорогостоящего никеля используют марганец.
Кремнистые бронзы характеризуются хорошими механическими, упругими антифрикционными свойствами, высокой электропроводностью (до 95% от электропроводности меди). Они хорошо свариваются и паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Выпускаются в виде лент, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок применяются редко. Кремнистые бронзы часто используют как более дешевые заменители бериллиевых бронз.
Бериллиевые бронзы характеризуются очень высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Их подвергают упрочняющей термообработке – закалке и искусственному старению. Эти бронзы относятся к дисперсионно-твердеющим сплавам, у них при понижении температуры концентрация перенасыщенного a-твердого раствора значительно уменьшается и образуется метастабильная фаза. В результате закалки при температуре 780 ° С бериллиевые бронзы приобретают пластичность, а после старения при температуре 300…350 ° С – достигается следующих значений механических свойств для бронзы БрБ2: s в ~ 1250МПа; s 0,2 ~ 1000МПа; d ~ 2,5%; твердость ~ HB700; E ~ 133ГПа. Бериллиевые бронзы теплостойки до температуры 300 ° С, обладают высокой тепло-и электропроводностью, при ударах не образуют искр. Выпускаются в виде полос, лент, проволоки, из них можно получать качественные фасонные отливки. Бериллиевые и кадмиевые бронзы применяются для изготовления упругих элементов приборов: различные пружины, пружинные контакты, мембраны, щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, коллекторных пластин; деталей, работающих на износ (кулачки, шестерни, подшипники) и другие.
Основной недостаток бериллиевых бронз – высокая стоимость. Легирование их Mg, Ni, Ti, Co позволяет снизить содержание бериллия без заметного снижения механических свойств (бронза БрБНТ1,7 и другие).
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.
Нейзильбер , сплав МНЦ15-20 (Ni 15%; Ц 20%, остальное Cu), мельхиор МН19(Ni 19%), по коррозионной стойкости превосходит латунь, в мягком состоянии пластичен, предел прочности в зависимости от термообработки колеблется в пределах s в ~ 300…1000МПа. Применяют для изготовления контактных пластин, колец скользящих токоподводов, сетки, медицинского инструмента, технических резисторов.
Монель -металл, сплав НМЖМц 28-2,5-1 (Cu 28%, Fe 2,5%, Мц 1%) обладает магнитными свойствами, коррозионностойкий (может работать без покрытий), имеет малый коэффициент трения. Применяют для изготовления магнитных шунтов в измерительных приборах, поршней цилиндров, демпферов различных устройств. Но монель не выдерживает контакта с менее благородными металлами, так как возникает электрохимическая коррозия и разрушение менее благородного металла.
Сплавы константан МНМц 40-1,5 (Ni 40%; Мц 1,5%) и манганин МНМц 3-12 (Ni 3%; Мц 12%) имеют низкий температурный коэффициент удельного сопротивления, высокое удельное сопротивление (r порядка 0,46…0,47мкОм×м для константана, и r » 0,48 мкОм×м для манганина) и находят применение при изготовлении прецизионных проволочных резисторов. Они пластичны, из них изготавливают проволоку диаметром 0,02…0,05мм и более. Манганин обладает малой величиной термоэдс в паре с медными проводами. У константана величина термоэдс в паре с медью достигает 40 мкВ/ ° С, он используется также как материал для термопар.
Медно-никелевый сплав копель (Cu 56,5%, Ni 43,5%) имеет наибольший электродный потенциал из всех Cu-Ni сплавов и применяется в качестве отрицательного электрода термопар.
Примеры обозначения марок сплавов и сортамента на основе меди в технической документации:
Пруток ДКВНХ-20НД-БрКМц3-1 ГОСТ 1628-78 –
пруток бронзовый тянутый (Д), квадратный (КВ), нормальной точности (Н), без предъявления требований к состоянию материала (Х), сторона квадрата 20 мм, немерная длина (НД), из кадмиевой бронзы марки БрКМц3-1, без особых требований (не проставляется);
Проволока ДКРНМ-0,6-КТ-Л80АМ ГОСТ 1066-80 –
проволока тянутая (Д), круглое сечение (КР), нормальной точности (Н), мягкая (М), диаметр 0,6 мм, на катушках (КТ), из латуни марки Л80, антимагнитная (АМ).
Конец работы —
Эта тема принадлежит разделу:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Министерство науки и образования РФ… Южно Уральский государственный университет… Факультет приборостроительный…
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Теоретический материал
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов, закономерности и связи между их составом, структурой и свойствами, их изменения под влиянием различных воздейств
Общие понятия и определения
Рассмотрим некоторые понятия, используемые при изучении дисциплины. Вещество – есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Вещество и физи
Требования к материалам при их выборе
Современные приборы и устройства работают в различных условиях, при действии статических, вибрационных, ударных нагрузок, при высоких и низких температурах, давлениях, влажности, в контакте с разли
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает материаловедение? 2. Объяснить понятия: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество материала. 3. Как связаны между собой понят
Тема 2. Строение металлов
Методические указания. Необходимо понять, как устроены кристаллические и аморфные структуры. Обратить внимание, что тип химической связи не только определяет делени
Кристаллические и аморфные тела
Имеются две разновидности твердых тел, различающихся по свойствам – кристаллические и аморфные. Кристаллическиетела – сохраняют свою форму, остаются тверды
Строение чистых металлов
Большинство металлов и сплавов имеют кристаллическое строение. Свойства кристаллов зависят от ряда факторов и поэтому могут рассматриваться с разных позиций: — пространственного расположен
Кристаллографические направления и индексы
Кристаллографическими направлениями являются прямые, выходящие из принятой точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы
Анизотропия
Свойства кристаллов по различным кристаллографическим направлениям неодинаковы, так как число атомов и расстояния между ними разные по этим направлениям. Анизотропи
Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы сближаются до определенного расстояния d
Дефекты кристаллического строения
Строение кристаллов отличается от идеальных, рассмотренных выше. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. В зависимости от размеров дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные
Дислокационный механизм пластической деформации
Рассмотрим механизм перемещения дислокации при пластической деформации. На рисунке 10 изображена схема передвижения одной из дислокаций под действием силы Р и возникающих при этом н
Вопросы для самоконтроля
1. Чем характеризуется кристаллическое и аморфное строение материала? 2. Виды кристаллов в зависимости от типа химической связи между микрочастицами (атомами, ионами, молекулами).
Строение сплавов
Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств
Диаграммы состояния двойных сплавов
При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на основе анализа диаграмм состояния
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое сплав и как его получают? Зачем нужны сплавы? 2. Что такое фаза сплава? 3. Как можно классифицировать сплавы? 4. Какие виды структуры при взаимодействии комп
Тема 4. Строение неметаллических материалов
Методические указания. При изучении данного раздела темы необходимо получить общее представление о многообразии неметаллических материалов, их широком применении не только как конс
Строение полимеров
Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов-звеньев, соединенных химическими связя
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое полимеры? Назовите известные вам полимеры. 2. Какие свойства отличают полимеры от металлов? 3. По каким признакам классифицируют полимеры, приведите п
Строение стекол
Стекло представляет собой изотропное твердое тело, образующееся при охлаждении расплава стеклообразующих оксидов SiO2, Ba2O3, P2O5
Строение керамики
Керамикой называют материалы, полученные спеканием (обжигом) при высоких температурах минеральных порошков и оксидов. При спекании исходные вещества взаимодействуют между собой, об
Композиционные материалы
Композиционными (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам(нерастворимые или малорастворимые один в другом) компоненты, разделенные
Вопросы для самоконтроля
1. Что представляет собой КМ? 2. Чем определяются свойства КМ? Как их можно изменить? 3. Какие материалы используют в качестве упрочнителя, и какие – матрицы?
Тема 5. Свойства материалов и их определение
Методические указания. Начать изучение темы – с классификации свойств. Можно придерживаться и другой классификации, но указанные ниже свойства свести в соответствую
Механические (прочностные) свойства материалов
Механические (прочностные) свойства характеризуют способность материала противостоять деформации или разрушению. Деформация – изменение размеров или формы тела под действием внешни
Твердость материала
Твердость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность более твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленны
Теплофизические свойства
Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойч
Изменение свойств материалов
На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств. Повышение прочности материала повышает надежн
Вопросы для самоконтроля
1. Как можно классифицировать свойства материалов? 2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их показатели при испытаниях? 3. Для че
Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
Методические указания. Задачей данной темы является ознакомление с методами обработки материалов, позволяющими изменить их структуру и фазовый состав, а, следовательно, и свойства.
Диффузия
Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров криста
Термическая обработка
Термической обработкой(ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения
Химико-термическая обработка
Химико-термической обработкой называют процесс поверхностного насыщения сплава различными элементами с целью придания ей тех или иных свойств. При ХТО происходит изменение состава и структуры повер
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое ТО, ее цели, и за счет чего они достигаются? 2. Основные элементы режима ТО и их роль. 3. Все ли виды сплавов могут подвергаться упрочняющей ТО и почему? 4.
Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают прочностью, жесткостью, надежностью, дол
Углеродистые стали
Углеродистые стали сравнительно дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, свариваемостью. Их недостаток – меньшая в сравнении с ле
Легированные стали
Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют качественными, высококачественными
Стали и сплавы с особыми свойствами
Деление сталей и сплавов с особыми свойствами на группы (классы) приводят с учетом их превалирующих свойств. Химический состав, свойства регламентированы соответствующими стандартами для каждой гру
Сортамент сталей
Большинство выплавляемого металлургическими заводами металла перерабатывается в различные продукты прокатного производства. Форма поперечного сечения прокатанного изделия называется его про
Вопросы для самопроверки
1. Назовите компоненты сплава железа и углерода. 2. Причины широкого применения сплавов Fe-C. 3. Классификация сталей. 4. Основные структуры (фазы) сплава Fe-C.
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 композ
Сплавы магния
Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими свойствами. Осно
Титан и его сплавы
Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС) − α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную −β-Ti, кото
Бериллий и сплавы на его основе
Бериллий обладает полиморфизмом и имеет низкотемпературную модификацию α-Ве до температуры 1250оС, ГП кристаллическую решетку; и высокотемпературную β
Вопросы для самоконтроля
1. Состав сплавов Fe – C и роль компонентов в нем. 2. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение. 3. Структурные составляющие сплава Fe – C. 4. Д
Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
Методические указания.. В рамках темы в основном рассматриваются конструкционные материалы на основе полимеров, пластмассы, стекла, керамика. Однако эти же материал
Термопластичные и термореактивные пластмассы
Термопластичные пластмассы (термопласты, полимеры) под нагрузкой ведут себя как вязкоупругие вещества. Стандартные испытания на растяжение и удар дают приближенную
Керамика, стекла, ситаллы
Керамика, стекла, ситаллы имеют хорошие прочностные свойства. Но их характерная особенность – хрупкость, поэтому прочность на сжатие у них в несколько раз больше прочности на изгиб
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите группы неметаллических конструкционных материалов и их свойства. Отличие неметаллических материалов, их характеристик от аналогичных параметров металлических конструкционных материалов.
Теоретические материалы
Электротехнические материалы (рисунок 1) подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти группы по значению удельного электрического сопротивления, характеру з
Энергетические зоны твердого тела
Согласно к
Понятие об электропроводности
Электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток. Закон Ома выражает зависимость плотности тока j от нап
Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов, характеризующим их свойства, можно отнести удельную электропроводность, удельное электрическое сопротивление, контактную разность
Полупроводниковые материалы
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом*м. Их отличительными особенностями от других материалов явля
Вопросы для самоконтроля
1. Сущность зонной теории. 2. В чем суть теории электропроводности Друде? 3. Основные параметры электропроводности, их размерности. 4. Классификация элект
Тема 10. Диэлектрические материалы
Методические указания. При изучении темы обратить внимание на понятие диэлектрик, их классификацию по назначению, применению и природе. Знать основные свойства диэлектриков, физиче
Поляризация диэлектриков и ее виды
В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом центры положительных и отрицательных зарядов, которые без д
Влияние температуры и частоты на поляризацию
К основным внешним факторам, влияющим на поляризацию диэлектриков, относятся температура и частота электрического поля. На рисунке 37 показаны общие закономерности влияния указанных факторов на пол
Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
Электропроводность диэлектриков связана с наличием в них свободных носителей. В отличие от металлов, в диэлектриках электропроводность может быть трех видов: электронная, ионная и молионная. Электр
Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости
Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σv и поверхностной σs проводимостью, или удельным объемным ρ
Диэлектрические потери
В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями Pназыва
Электрическая прочность диэлектриков
Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквоз
Нагревостойкость диэлектриков
Нагревостойкость диэлектриков – их способность выдерживать в течение длительного времени нагрев до определенной температуры, сохраняя свои важнейшие свойства. Нагре
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое диэлектрик и их классификация? 2. Назвать основные свойства диэлектриков. 3. Поляризация, ее основные виды и влияющие на нее факторы. Чем отличаются у
Тема 11. Магнитные материалы
Методические указания. Необходимо иметь понятие о природе магнетизма, обменной энергии между электронами недостроенных подуровней соседних атомов, доменной структуре магнитных мате
Общие положения
Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию
Основные свойства и параметры магнитных материалов
Согласно квантовой теории, все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен — макроскопическая область кристалла размером в единицы или де
Магнитомягкие материалы
МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые нелегированные стали); электротехнические стали; сплавы с высокой начальной магнитной
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значени
Вопросы для самоконтроля
1. Объясните причину магнетизма в ферро-и ферримагнетиках. 2. Как классифицируются материалы по магнитным свойствам и назначению? 3. Какие основные параметры харак
Теоретические материалы
Надежность работы машин и приборов зависит от качества их изготовления. В общем смысле под качеством понимают степень соответствия показателей изделия потребительским требованиям. Показателями каче
Точность размеров
Под точностью обработки понимают степень соответствия размеров, формы, взаимного расположения, шероховатости поверхностей и других параметров изделий после их изготовления значения
Шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности –совокупность микронеровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами. Она получается в результате взаимодействия инструмента с материалом
Список сокращений и условных обозначений
ГП – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка КМ – композиционные материалы М
13.1. Свойства меди
Медь — металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,9 Мг/м 3 и температурой плавления 1083°С, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не подвержен аллотропическим превращениям.
Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств, и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошей жидкотекучестью и др. Медь и ее сплавы обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке.
Механические характеристики чистой меди (прокатанной и отожженной): σ В = 250…270 МПа; δ= 40…50%; ψ= 75%; НВ 45.
На структуру и свойства меди существенное влияние оказывают примеси. Например, алюминий, железо, мышьяк, фосфор и сурьма снижают электро- и теплопроводность меди. Примеси, нерастворимые в меди, отрицательно сказываются на механических и технологических свойствах. Так, висмут вызывает хладноломкость меди, кислород понижает пластичность и коррозионные свойства, водород делает ее хрупкой и при деформировании вызывает растрескивание. Это явление известно под названием «водородной болезни». Свинец, взаимодействуя с медью, образует легкоплавкую эвтектику (326°С) и приводит к горячеломкости меди. Кислород с медью образует соединение Си 2 О, которое отрицательно влияет на пластические свойства, технологичность и коррозионные свойства. Сера с медью образует соединение Си 2 S, которое приводит к хладноломкости и снижает пластичность при горячей и холодной обработке давлением. Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель. Селен и теллур образуют с медью соединения Си 2 Sе и Си 2 Те, которые ухудшают свариваемость, снижают пластичность, но значительно улучшают обрабатываемость резанием.
Медь применяется для изготовления электрических проводов и кабелей, используется в качестве легирующей добавки в различные металлические сплавы; в машиностроении идет на изготовление теплообменников, сварочной проволоки, деталей и узлов подвижного состава железных дорог, судов, самолетов и т.д. На основе меди получены важные промышленные сплавы (латуни, бронзы, медно-никелевые и др.).
1. Что определяет структуру и свойства меди?
2. Что известно об основных свойствах меди?
3. Где применяется медь в промышленности?
13.2. Латунь
Латунями называют группу сплавов, где основными компонентами являются медь и цинк. В группу латуней входят томпак (90 % и более меди, остальное — цинк, если эти сплавы содержат от 79 до 86 % меди, их называют полутомпак) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди, и они хорошо обрабатываются резанием. Большим их преимуществом является их пониженная стоимость, так как цинк значительно дешевле меди. Латуни широко применяют в приборостроении, в общем и химическом машиностроении.
Наиболее широко применяют латуни, содержащие до 40 % цинка. Эти латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии,
коррозионностойкие. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса в системе медь — цинк латуни имеют хорошие литейные свойства (большая жидкотекучесть, отсутствие ликвации, малая усадка и др.). Но при их заливке в формы необходима хорошая вентиляция цеха, так как пары, выделяющиеся из жидких латуней, вредно влияют на организм человека. Все латуни по технологическому признаку делят на деформируемые, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку, и литейные — для фасонного литья.
Медно-цинковые деформируемые латуни выпускают восьми марок: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60.
В обозначениях марок латуней более сложного состава после буквы Л следует сокращенное обозначение легирующих элементов: О — олово, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — никель, К — кремний, А — алюминий и т. д., а после них цифры, указывающие содержание меди и других компонентов; Так, например, ЛС-59 обозначает: латунь свинцовистая, содержащая от 57 до 60 % меди и от 0,8 до 1,5 свинца; ЛМцА-57-3-1 — латунь марганцовистоалюминиевая, содержащая 2,5…3,5 % марганца и 0,5…1,5 % алюминия. Добавки этих металлов к латуням повышают их механически свойства, улучшают их обрабатываемость или коррозионную стойкость. Так, добавки никеля повышают прочность и коррозионную стойкость; добавки свинца ухудшают механические свойства латуней, но улучшают обрабатываемость резанием. Микроструктура латуней приведена на рис. 13.1.
Рис. 13.1 . Микроструктура латуни:
а – отожженная латунь с характерными двойниками;
б – литой α + β- латуни (светлые α -кристаллы, тёмное поле β -фаза)
В литейных латунях цифровые обозначения содержания меди и добавок ставить не принято. Так, например, латунь, содержащая 56…61 % меди и 0,8…1,5 % свинца, обозначается ЛС. Такая латунь предназначается для литья под давлением и других видов литья деталей для газовой, санитарной, гидравлической, пневматической аппаратуры и для электротехнических деталей.
Кремнистые латуни ЛК и ЛКС, содержащие 80 % меди, 3 % кремния, а последняя и 3 % свинца, применяют для изготовления литье сложных по конфигурации деталей приборов и арматуры, работающих в морской воде, шестерен и других трущихся деталей, так как это сплав имеет повышенную коррозионную стойкость и обладает антифрикционными свойствами. Латунь ЛАЖМц, содержащая 63…70 % меди, 4,0…7,0% алюминия, 1,5…3,0% марганца, 2,0…4,0 % железа предназначена для конструкционных деталей ответственного назначения, работающих при высоких знакопеременных нагрузках.
1. Какой сплав меди называется латунь?
2. Как маркируются латуни?
13.3. Бронза
Бронзами называют группу сплавов меди со всеми металлами, кроме цинка и никеля.
В настоящее время бронзы используют при изготовлении арматуры газовых, топливо- и водопроводных систем, в химическом машиностроении и многих других отраслях промышленности. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников, червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.
Бронзы маркируют русскими буквами Бр, после которых, как в латунях, указывают другие компоненты (кроме меди), а в конце — цифрами процентное содержание компонентов. Легирующие элементы обозначают: О — олово, А — алюминий, Ф — фосфор, Т — титан, Ц — цинк и др. Так, Бр.ОЦ4-3 обозначает, что в бронзе в среднем 4% олова, 3% цинка, остальное — медь.
Большинство современных бронз редко содержат больше 7 % олова и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из α -кристаллов. Микроструктура оловянной бронзы приведена на рис. 13.2.
Р
ис. 13.2 Микроструктура оловянной бронзы с 5 % олова;
слева – литая (дендритное строение);
Олово — дорогой и дефицитный металл, поэтому широкое применение нашли заменители оловянистых бронз, именуемые безоловянистыми бронзами. К ним следует отнести в первую очередь алюминиевые бронзы, например Бр.А5, и более сложные -обрабатываемые давлением, алюминиевожелезомарганцовистые, например, Бр.АЖМц10-3-1,5. Это — устойчивые против коррозии, жаропрочные и износостойкие сплавы. Они используются для изготовления деталей химической аппаратуры, а Бр.А5 — для изготовления монет.
Алюминиевые бронзы с содержанием алюминия до 10 % характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, так как эти сплавы образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Добавка никеля, железа, марганца и свинца улучшают механические г некоторые технологические свойства алюминиевых бронз. В качестве примера можно привести литейную бронзу Бр.А10Ж3 и Бр.А10ЖЗМц2.
Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремнистые бронзы; например Бр. КН-1-3 содержащая 0,6…1,1 % кремния, 2,4…3,4 % никеля, и марганцовистые бронзы, например Бр.Мц5, содержащая 4,5…5,5 % марганца.
Очень большой прочностью и упругостью обладают бериллиевая бронза Бр.Б2, в состав которой входят 1,8…2,1 % бериллия и 0,2…0,5 % никеля (остальное медь), и некоторые другие. Из них изготовляют пружины, пружинящие контакты ответственных приборов и многое другое.
В последнее время получил известность сплав меди и никеля мельхиор: белый блестящий, не окисляющийся на воздухе и в органических кислотах сплав, иногда называемый за свой вид китайским серебром. Он содержит около 80 % меди и 20 % никеля (Нередко часть никеля и меди заменяют цинком.) Из мельхиора изготовляют украшения, столовые и чайные приборы. Для изготовления монет применяют так называемый монель-металл (68 % Ni, 28 % Си и небольшие добавки марганца и железа). Высокая коррозионная стойкости этого сплава, хорошие механические свойства и легкая обрабатываемость сделали возможным его использование не только для изготовления разменной монеты, но и как материал для хирургических инструментов, деталей машин и приборов.
Вопросы и задания для повторения и закрепления:
1. Какие основные свойства бронзы?.
2. Какие свойства имеют медно-никелевые сплавы?
3. Как маркируется бронза?
Задание:
Составить план ответа по разделу «Медь. Сплавы на основе меди»
^ 14. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий — второй, самый распространенный (после железа) металл в современной технике. Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение, является его небольшая плотность (ρ= 2,7 Мг/м 3), т. е. алюминий почти в три раза легче железа.
Вторым очень важным свойством алюминия является высокая электропроводимость,- которая составляет 57 % электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения около 2500°С.
Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводностъ и теплоемкость. Алюминий очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая в отличие от окиси железа не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий, несмотря на быстрое окисление, при нормальных условиях коррозионностоек. Его кристаллическая решетка — гранецентрированный куб с параметром а = 0,404нм. Никаких аллотропических превращений у алюминия не обнаружено.
Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Предел прочности на растяжение σ В = 90…180 МПа; твердость НВ 20…40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Необходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линейную усадку — 1,8 %.
Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки. Так возникло большое количество различных сплавов алюминия, в которых эти недостатки устранены полностью или частично. В настоящее время в технике известно несколько сот различных алюминиевых сплавов.
Алюминий и его сплавы широко применяются в машиностроении изготовления различных транспортных аппаратов. В технике очень важно, чтобы собственная масса транспортной машины была минимальна, что дает возможность при той же мощности двигателя повысить грузоподъемность аппарата. Использование алюминия в авиации хорошо известно, а последнее время он стал широко применяться для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов, автомобилей и подъемных кранов, различных конструкций.
Алюминий применяется в металлургии, где используется его большие сродство к кислороду, для получения в чистом виде дорогих и редких металлов, – например хрома, ванадия и др. Низкие сорта алюминия используются для раскисления стали.
Алюминиевые сплавы принято делить на две группы: деформируемые и литейные сплавы. Иногда первую группу делят на две подгруппы: сплавы, не упрочняемые термообработкой, и сплавы, упрочняемые термообработкой.
Вопросы и задания для повторения и закрепления:
1. На какие группы и подгруппы делятся алюминиевые сплавы?
2. Какими свойствами обладает алюминий.
^ 14.1. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой,
Эти сплавы характеризуются невысокой прочностью, но хорошей пластичностью (б % марганца, и сплавы АМг2, АМг5, содержащие соответственно 1,8…2,6 и 4,8…5,8 % магния и 0,2…0,6 и 0,3…0,8 % марганца. Эти сплавы почти всегда однофазные, имеющие структуру твердого раствора. Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для слабонагруженных деталей, изготовляемых холодной штамповкой и глубокой вытяжкой, а также для сварных конструкций. Упрочнение этих сплавов возможно только путем холодной деформации.
Сплавы на алюминиево-магниевой основе с небольшими добавками титана, бериллия, например сплав АМг6, хорошо обрабатываются давлением.
^ 14.2. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой
Эти сплавы включают дюралюмины и авиаль. Эти сплавы имеют в своем составе по три-четыре, а чаще и больше компонентов. Их способность упрочняться термообработкой, так как почти во всех сплавах этой группы обычно присутствует медь. Медь образует с алюминием твердый раствор с предельной растворимостью 5,6 % при температуре 548°С.
С понижением температуры растворимость меди в алюминии быстро уменьшается. Сплавы, содержащие несколько десятых долей процента меди, обычно имеют однофазную структуру твердого раствора меди в алюминии. При высоком содержании меди (более 0,5 %) образуется химическое соединение СиА1 2 , и при низкой температуре сплав имеет двухфазную структуру твердого раствора и СиА1 2 .
Если двухфазный сплав, содержащий до 5,6 % меди, нагреть до 500…540°С, то частицы СиА1 2 растворяются в алюминии и сплав приобретет однофазную структуру твердого раствора. Быстрое охлаждение такого сплава (закалка) не дает возможности выделиться фазе СиА1 2 из. твердого раствора, что позволяет получить упрочнение сплава. Наибольший эффект упрочнения наблюдается, если происходит выделение некоторой промежуточной фазы, связанной с началом перегруппировки атомов в кристаллической решетке. Это удается достичь низким отпуском при температуре 100…120°С; более высокий отпуск. приводит к размягчению сплава и выделению фазы СиА1 2 .
Дюралюмины — сплавы на основе системы А1-Си-Мg, в которые для повышения коррозионной стойкости сплава дополнительно вводится марганец. Наиболее известны сплавы Д18, содержащий 2,2…3,0 % меди и 0,2…0,5 % магния и Д16, содержащий 3,8…4,6 % меди, 1,2…1,8 % магния и 0,3…0,9 % марганца.
Вредной примесью для дюралюминов является железо, так как оно образует соединение с медью (Си 2 А1Fе), нерастворимое в алюминии, связывающее медь и снижающее эффект упрочнения при старении. Кроме того, присутствие железа снижает прочность и пластичность дюралюмина. Содержание железа не должно превышать 0,5…0,6 %.
Дюралюмин хорошо деформируется и в горячем, и в холодном состоянии; для его упрочнения обычно применяют закалку в воде и естественное старение. Наибольшее упрочнение достигается в первые сутки после закалки и практически заканчивается в течение пяти суток.
Для защиты листового дюралюмина и других видов проката от коррозии, которая даже при добавке марганца остается значительной, широко применяют его плакирование чистым алюминием. Плакирование проводят совместной горячей прокаткой слитка дюралюмина, обложенного листами (толщиной до 6мм) чистого алюминия марок А8 и А85.
^ Сплавы авиаль (АВ и др.) уступают дюралюминам в прочности, но более пластичны как в горячем, так и в холодном состоянии. Они используются для легких конструкций, требующих гибки и других деформаций при монтаже.
Наиболее прочными алюминиевыми сплавами являются сплавы тина В95, содержащие 1,4…2,0% меди, 1,8…2,8% магния, 0,2…0,6 % марганца, 5,0…7,0 % цинка и 0,1…0,25 % хрома. Но, применяя этот сплав, следует иметь в виду, что он еще менее коррозионно-стоек, чем дюралюмин, и его прочностные характеристики сильно понижаются при температуре свыше 150°С.
Имеются много других сложных деформируемых сплавов для ковки, штамповки и работы при повышенных температурах: АК4, АК6, АК8, ЛК4-1.
Вопросы для повторения и закрепления:
1. Что лежит в основе упрочнения алюминиевых сплавов?
2. Как маркируются деформируемые алюминиевые сплавы?
Основными достоинствами медных сплавов являются высокая коррозионная стойкость в паровоздушной среде, обычной и морской воде, а также хорошие антифрикционные свойства, связанные с низкими значениями коэффициента трения. Кроме того, эти сплавы имеют сравнительно высокие механические свойства, хорошо обрабатываются резанием. Однако медь — дефицитный и дорогой металл, поэтому сплавы на ее основе значительно дороже чугуна и стали.
Самыми распространенными медными сплавами являются бронзы и латуни, обозначаемые в марках этих сплавов соответственно буквами Бр и Л. Содержащиеся в бронзах и латунях легирующие элементы обозначаются начальными буквами их наименований: О — олово, А — алюминий, Ц — цинк, Н — никель, Ж-железо. После буквы следует цифра, указывающая среднее содержание данного элемента в сплаве (% мае.). Так, маркой Бр05Ц5С5 обозначают бронзу, содержащую по 5% олова, цинка и свинца, остальное-85% медь.
Бронзы — это сплавы меди с оловом (оловянные), а также с алюминием, марганцем, железом, свинцом и другими элементами (безоловянные). Оловянные бронзы применяют для литья антифрикционных деталей (подшипников, втулок и др.), а также арматуры и деталей, работающих в пресной и морской воде, в паровоздушной атмосфере и маслах в условиях повышенного давления. Оловянные бронзы (ГОСТ 613-79) обладают хорошими литейными свойствами, что позволяет получать сложные по конфигурации отливки. Однако недостаточная прочность, высокая стоимость и дефицитность олова ограничивают их применение.
Безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79), используемые как заменители оловянных, не содержат олова и в зависимости от основного легирующего элемента их подразделяют на алюминиевые, свинцовые и др. Они отличаются повышенными механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами. Однако литейные свойства их значительно хуже, обладают большой (до 2,2%) усадкой, склонны к окислению и трещинообразованию.
Наиболее широко применяют алюминиевые бронзы для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения с повышенными антифрикционными свойствами: червячных шестерен, втулок, вкладышей (БрА10ЖЗМц2Л) или деталей, работающих в условиях повышенной коррозии, в морской воде, нефти (БрА10Ж4Н4Л), а также для литья различной ответственной арматуры (БрА10Мц2Л).
Латуни — этой сплавы меди с цинком. Латуни подразделяют по составу на двойные (простые) и специальные, содержащие добавки Fe, Mn, Ni, Si, Sn, Pb, повышающие их механические и эксплуатационные свойства. В зависимости от содержания основного легирующего элемента (кроме Zn) латуни называют (ГОСТ 17711-80) свинцовыми, алюминиевыми, кремнистыми и т. п.
Латуни обладают повышенной коррозионной стойкостью, что позволяет использовать их для изготовления деталей и арматуры, работающих в условиях агрессивных сред, например в морской воде (ЛЦ16К4, ЛЦ40МцЗЖ), ответственных деталей, работающих при высоких нагрузках (ЛЦ23А6ЖЗМц2), а также при повышенных давлениях и как антифрикционный материал (ЛЦ38Мц2С2).
Латуни имеют удовлетворительные литейные свойства. Отливки из них получаются плотными с небольшой пористостью и значительной сосредоточенной усадочной раковиной. Усадка латуней выше, чем у оловянных бронз, и примерно такая же, как у алюминиевых бронз — 1,6-2,1%.
Медь – металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,94 г/см 3 , имеющий кристаллическую решетку ГЦК, без полиморфных превращений и температурой плавления 1083°С.
Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью. Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Медь обладает высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью, удовлетворительной жидкотекучестью. Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На поверхности меди образуется плотная оксидная пленка, поэтому медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, в атмосферных условиях и различных химических средах (органических кислотах, едких щелочах). Однако медь не противостоит воздействию азотной и соляной кислот, концентрированной серной кислоты, аммиака. Недостатком меди является сравнительно плохая обрабатываемость резанием.
Электрическая проводимость меди зависит от содержания примесей. При наличии даже небольшого количества примесей электрическая проводимость резко падает. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99% Сu), М0 (99,97% Сu), М1 (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), М3 (99,5% Сu). Наиболее чистую медь марок М00, М0, М1, содержащую не более 0,1% примесей, применяют для проводников тока различных теплообменников. Медь остальных марок, более загрязненная примесями, пригодна только для производства сплавов различного состава и качества (М3, М4).
Наиболее часто встречающиеся в меди элементы подразделяют на две группы:
1. Растворимые в меди элементы алюминий (Al), железо (Fe), никель (Ni), стронций (Sr), цинк (Zn), серебро (Ag) повышают прочность и твердость меди и используются для легирования сплавов на медной основе.
2. Нерастворимые элементы свинец (Pb), висмут (Bi) ухудшают механические свойства меди. Висмут и свинец даже в тысячных долях процента резко ухудшают способность меди обрабатываться путем прокатки или волочения. С этими элементами медь образует легкоплавкие эвтектики, которые, располагаясь по границам зерен, при нагреве расплавляются и вызывают красноломкость меди, т.е. приводят к разрушению металла при горячей деформации. Висмут, будучи хрупким металлом, охрупчивает медь и ее сплавы. Свинец, обладая низкой прочностью, снижает прочность медных сплавов, однако вследствие хорошей пластичности не вызывает их охрупчивание. Кроме того, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием медных сплавов, поэтому его применяют для легирования.
Механические свойства меди в большей степени зависят от ее состояния и в меньшей от содержания примесей. В отожженном виде медь весьма пластична (δ = 50%, HB50, σ в = 240 МПа). В деформированном состоянии (при наклепе) пластичность меди понижается, но прочность повышается (δ=2-5 %, HB120, σ в = 500 МПа). Исходные свойства меди восстанавливают путем отжига при температуре 600…700°С.
12.1. Общая характеристика и классификация медных сплавов.
Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (цинк, алюминий) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям. Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов.
По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Из деформируемых медных сплавов изготавливают трубы, листы, ленту, проволоку, из литейных путем литья различные фасонные детали.
По способности упрочняться с помощью термической обработки медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.
Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для указания их массовых долей. В медных сплавах буквенные обозначения отличаются от обозначений, принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, марганец – Мц, медь – М, мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.
12.2. Латуни.
Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества других элементов. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.
По назначению и технологическим признакам латуни подразделяются на деформируемые и литейные.
Латуни маркируются буквой Л . В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставиться число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное цинк. Латунь ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца, остальное – цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставиться непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь.