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. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химиче­скому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюми­ний с магнием (АЛ8,АЛ13,АЛ22 и др.).

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими меха­ническими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, неболь­шой усадкой, достаточно высокой прочностью и 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 имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки и скорость ох­лаждения ее при 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.

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.), для того чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150—180°С в течение 10—20ч.

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+1/3NaCI). При этом снижается тем­пература кристаллизации сплава и измельчается его структура.

МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

Получение меди и еесплавов. В настоящее время медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан (CuFeS2). 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 конвертере 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). Чистая медь имеет 11 марок (МООб, МОб, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2 и МЗ). Суммарное количество примесей в лучшей марке МООб - 0,01%, а в марке МЗ - 0,5%

Механические свойства чистой отожженной меди: σв=220-240 МПа НВ 40-50,δ=45-50%. Чистую медь 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.

Латуни. 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 - латунь. Затем следуют пер­вые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц-цинк 0-олово, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий и т.д. Цифры

следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМцбб-6-3-2 алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное - цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных ме­таллов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек (таб. 11).

Деформируемые латуни выпускают в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1,

Табл. 11.

Механические свойства латуней

Марка	Предел прочно­- сти растя- жения σв,МПа	Относи­ тельное удлине­ние δв,%	Твер­ дость, НВ	Назначение
Деформируемые латуни Деформиии ируемые е латуни
Л90 Л80   Л68			53'	Детали трубопроводов, фланцы, бобышки Теплообменные аппараты, работающие при температуре 250°C
		Литейные л.а т у н и
ЛС59-1Л				Втулки, арматура, фасонное литье
ЛМцС58-2-2				Антифрикционные детали — подшипники, втулки
ЛМцЖ55-3-1				Гребные винты, лопасти, их обтекатели, арматура, работающая до 300 °С
ЛА67-2,5				Коррозионностойкие детали
ЛАЖМц-66- 6-3-2				Червячные винты, работающие в тяжелых условиях

Примечание. Механические свойства литейных латуней даны применительно к литью в кокиль

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

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют 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 железом, никелем, титаном, цин­ком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррози­онной стойкости, никеля - пластичности, железа — прочности, цинка -улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обрабатываемости (табл. 12).

Табл. 12.

Механические свойства бронз

Марка	Предел прочно­сти σв, МПа	Относи-­ тельное удлине­ ние δв, %	Твер-­ дость, НВ	Назначение
БрОЦНЗ- 7-5-1				Детали арматуры (клапаны, задвижки, краны), работающие на воздухе, в пресной воде, масле, топливе, паре и при температуре 250˚С
БрОЦС5- 5-5				Антифрикционные детали и арматура
БрАЖ9-4 БрАЖ9-4Л	500-700 350-450	4-6 8-12	90-100	Арматура трубопроводов для различных сред (кроме морской воды) при температуре до 250°С
БрАМц9-2Л				Детали, работающие в морской воде (винты, лопасти)
БрБ2	900-1000	2-4	70-90	Пружины, пружинящие контакты приборов и т.п.
БрАМц10-2 БрОФ10-1		1-2		Подшипники скольжения

Примечание. Механические свойства литейных бронз даны применительно к литью в кокиль

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%).

Оловянные бронзы содержат в среднем 4—6% олова, имеют высокие механические (δв= 150-350 МПа; δ=3-5%; твердость НВ 60-90), анти­фрикционные и антикоррозионные свойства; хорошо отливаются и об­рабатываются резанием. Для улучшения качества в оловянные бронзы вводят свинец, повышающий антифрикционные свойства и обрабаты­ваемость; цинк, улучшающий литейные, механические и антифрикци­онные свойства.

Различают деформируемые и литейные оловянные бронзы. Деформи­руемые бронзы 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.д. Литейные оловянные бронзы содержат боль­шое количество олова (до 15%), цинка (4-1.0%), свинца (3-6%), фосфора (0,4—1,0%). Литейные бронзы применяют для получения различных фа­сонных отливок. Высокая стоимость и дефицитность олова – основной недостаток оловянных бронз.

Безоловянные бронзы содержат алюминий, железо, марганец, бериллий, кремний, свинец или различное сочетание этих элементов.

Алюминиевые бронзы содержат 4— 11% алюминия. Алюминиевые бронзы 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 (за­калка и отпуск). Наиболее поддающаяся закалке БрАЖН 10-4-4 после закалки (980°С) и отпуска (400°С) повышает твердость с НВ 170-200 до НВ 400.

Марганцовистые бронзы (БрМ Ц5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.

Свинцовистые бронзы (БрСЗО) отличаются высокими антикоррозион­ными свойствами и теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у оловянных бронз); применяют для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями.

Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие меха­нические свойства, например у БрБ2 σв= 1250 МПа, НВ350, высокий пре­дел упругости, хорошую коррозионную стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения.

Кремнистые бронзы (БрКН1-3, БрКМцЗ-1) применяют как замените­ли дорогостоящих бериллиевых бронз.

Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы — это сплавы на ос­нове меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и элект­ротехнические сплавы.

Куниалu (медь -никель -алюминий) содержат 6—13% никеля, 1,5-3%

алюминия, остальное — медь. Куниали подвергают термической обработ­ке (закалка - старение). Куниали служат для изготовления деталей повы­шенной прочности, пружин и ряда электромеханических изделий.

Нейзильберы (медь - никель - цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное - медь. Нейзильберы имеют приятный белый цвет, близкий кцвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии; 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 применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штам­пованных и чеканных изделий.

Капель (медь - никель 43% — марганец 0,5%) - 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.

ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ

Получение титана. 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 . ТiO2 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 четыреххло­ристый титан нагревают в замкнутой реторте при температуре 950—1000°С в среде инертного газа (аргон) вместе с твердым магнием. Магний от­нимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl2, а твердые частицы восста­новленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку. Путем сложных процессов рафинирования и переплава их тита­новой губки получают чистый титан. Технически чистый титан содер­жит 99,2-99,65% титана.

Свойства и применение титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных кон­струкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.

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

Табл. 13.

Механические свойства титановых сплавов

Марка	Термическая обработка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение δв,%	Твер­дость, НВ
ВТ5	Отжиг при 750°С	750-900	10-15	240-300
ВТ8	Закалка 900-950°С + старение при 500°С	1000-1150	3-6	310-350
ВТ 14	Закалка 870°С + старение при 500°С	1150-1400	6-10	340-370

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 - натри группы: низкой (σв =300-700 МПа), средней (σв=700-1000 МПа) и высокой (σв более 1000 МПа) прочности . К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй - ВТЗ, ВТ4, ВТ5 и др., к третьей - ВТ6, ВТ14, ВТ15(после закалки и старения).

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литей­ные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответству­ющие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые сплавы (табл. 13) применяют в авиационной и химической промышленности.

Получение магния. Магний - самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1740 кг/м³, температура плавления 650°С. Тех­нически чистый магний - непрочный металл с низкой тепло- и электро­проводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавля­ют алюминий, кремний, марганец, тори и, церий, цинк, цирконий и под­вергают термообработке.

Для производства магния используют преимущественно карналлит

(MgCl2* КС1*6Н20), магнезит (MgCO3), доломит (CaCO3-MgCO3) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обога­щению, в процессе которого отделяют КС1 и нерастворимые примеси путем перевода в водный MgC12 и КС1. После получения в вакуумкристаллизаторах искусственного карналлита его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который затем подвергают рафинированию. Технически чистый магний (первичный) содержит 99,8-99,9% магния. Маркировка и химический состав магниевых спла­вов для фасонного литья и, слитков, предназначенных для обработки давлением, регламентируются стандартами.

Свойства и применение магния. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные магниевые сплавы применяют для изготовления деталей ли­тьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими поряд­ковый номер сплава, например МЛ5. Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной промышленности: картеры, корпуса приборов, фермы шасси и т.п.

Деформируемые магниевые сплавы предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Их маркируют буквами МА и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МА5. Сплавы МА применяют для изготовления различных деталей в авиационной промышленности. Ввиду низкой кор­розионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них под­вергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.