Рекомендована література

[1. с. 315 –336; 2. с. 215 – 249; 4. с. 85 – 129; 5. с. 564 – 627; 6. с. 124 – 132; 8. с. 25 - 28]

Класифікація кольорових металів

Кольорові метали, як правило, мають характерне кольорове забарвлення (червоне, жовте, біле), значну пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Вони поділяються умовно на такі групи: легкі, важкі, дорогоцінні, лужні та лужноземельні, рідкісні (рідкісноземельні). Класифікація кольорових металів за густиною показана на рисунку 7.1.

К ольорові метали

(з характерним кольоровим

забарвленням)

Легкі

(з густиною ρ < 5 г/см³)

Літій – 0,543 г/см³

Калій – 0,862 г/см³

Натрій – 0,971 г/см³

Кальцій – 1,54 г/см³

Магній – 1,68 г/см³

Берилій – 1,8 г/см³

Алюміній – 2,7 г/см³

Титан – 4,5 г/см³

Важкі

(з густиною ρ > 5 г/см³)

Сурма – 6,62 г/см³

Цинк – 7,10 г/см³

Хром – 7,14 г/см³

Олово – 7,29 г/см³

Мідь – 8,90 г/см³

Вісмут – 9,84 г/см³

Свинець – 11,3 г/см³

Ртуть – 13, 6 г/см³

Рисунок 7.1 – Класифікація кольорових металів за густиною

До легких металів з густиною менше 5,0 г/см³ належать: магній, берилій, алюміній, титан, літій, калій, натрій, кальцій та ін. На практиці ці метали (за винятком алюмінію) застосовуються у вигляді сплавів. Алюміній і сплави на його основі є найпоширенішими.

До важких кольорових металів належать метали з густиною, що перевищує 5,0 г/см³, зокрема: свинець, вісмут, мідь, олово, хром, цинк, сурма та ін. Найважчими елементами є осмій (22,48 г/см³), іридій (22,46 г/см³), золото (19,3 г/см³) і вольфрам (19,3 г/см³).

За температурою плавлення кольорові метали підрозділяють на:

- легкоплавкі, що мають Т_пл. до 600 °C (цинк, свинець, кадмій, вісмут, олово й ін.);

- середню Т_пл. (600 – 1600 °C) має мідь;

-  тугоплавкими вважаються метали, що плавляться при температурах вище 1 600 ºC – титан, хром, ванадій, цирконій і ін.

Серед кольорових металів є маломіцні, з межею міцності при розтягу σ_в < 50 МПа (олово, свинець, вісмут, кадмій). Практично всі метали, що є основою сучасних конструкційних сплавів (алюміній, магній, мідь, цинк, нікель і інші) мають σ_в до 500 МПа.

За пластичністю кольорові метали підрозділяють на пластичні (з відносним видовженням δ більше 3 – 5 %) і крихкі. Більше кольорових металів є пластичними. До крихких металів відносяться вісмут, сурма, марганець. Пластичність металів сильно залежить від концентрації в них природних домішок. Чим чистіше метал, тим він більш пластичний.

За електропровідністю:

- більшість кольорових металів мають високу електропровідність (срібло, мідь, золото, алюміній).

За корозійною стійкістю:

- корозійностійкими є золото, хром, ніобій, тантал, свинець.

Кольорові метали є дорогими. І все ж таки, кольорові метали і сплави, незважаючи на їх більш високу вартість у порівнянні з чорними, використовуються в техніці також дуже широко. Це пояснюється тим, що вони характеризуються рядом унікальних природних властивостей: високими тепло- та електропровідністю, достатньою корозійною стійкістю, більш високою пластичністю ніж чорні метали та сплави, меншою густиною тощо.

У техніці найчастіше застосовують такі кольорові метали як алюміній, мідь, магній, титан, цинк та ін.

Властивості і застосування міді

Одним з найпоширеніших важких кольорових металів є мідь. Це червоно-рожевого кольору мономорфний метал з питомою густиною γ = 8,96 г/см³ і температурою плавлення t_пл. = 1083 °С, утворює ГЦК решітку, має високу електричну провідність, тому широко застосовується в електротехніці. У відпаленому стані мідь має міцність σ_в ≈ 250 МПа, твердість НВ 45, значну пластичність (δ ≈ 50%). Завдяки значній пластичності міді з неї виготовляють листи, стрічки, прутки, дріт.

Характеристика сплавів на основі міді

Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічною ознакою вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це деформований сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.).

У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад, ЛС60-1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn). Для підвищення міцності та корозійної стійкості, покращення технологічних властивостей у склад латуней вводять Ni, Pb, Sn, Si та інші елементи. З латуні виготовляють листи, прокат, труби, сильфони, втулки тощо.

Легуючі елементи (Sn, Al, Mn, Pb, Si, Fe), що входять до складу складних латуней, змінюють їх структуру і властивості, а самі латуні відповідно називаються олов’янистими, алюмінієвими, марганце- вистими, свинцевистими, кременистими або алюмінієвозалізо-марганцевистими тощо.

Так, латунь ЛА77- 2 – стійка до ударної корозії і застосовується в морському суднобудуванні для виготовлення конденсаторних труб. Латунь ЛАН59 - 3 - 2 застосовується в морському суднобудуванні, в електричних машинах і в хімічному машинобудуванні для високоміцних і хімічно стійких виробів, що працюють при кімнатній температурі.

Бронза – це, як правило, ливарний сплав міді з усіма елементами (оловом, алюмінієм, берилієм та ін.), крім цинку. Здебільшого до складу бронзи входить олово. Частка олова у бронзах може становити від 1,25 до 10 %. Серед неметалічних елементів найчастіше до складу бронзи входить фосфор. Типова бронза має склад: 94,65 % – мідь, 5 % – олово, 0,35 % – фосфор. Фосфор надає бронзам додаткової пружності, твердості, та збільшує корозостійкість. Бронза має достатньо високі ливарні та антифрикційні властивості, корозійну стійкість у прісній і морській воді, а також у газовій атмосфері при високих температурах. Із бронзи виготовляють пружини, підшипники ковзання, арматуру, деталі з високою тепловою та електричною провідністю у поєднанні з достатньо значною корозійною стійкістю, фасонне та художнє литво.

У нагартованому стані кременисті бронзи застосовується для виготовлення пружин і пружних деталей, а також замість олов'янофосфористих і олов'яноцинкових бронз для деталей різного призначення. З кременистої бронзи Бр К1Н3, Бр К3Мц1 виготовляються зносостійкі деталі всіх видів для хімічних апаратів, пружини і пружні деталі, деталі для суднобудування, а також зварних конструкцій, що працюють при підвищених температурах. Кременисті бронзи, додатково леговані марганцем, в результаті значної холодної деформації набувають підвищеної міцності та пружності і у вигляді стрічок чи дроту використовуються для виготовлення різноманітних пружних елементів.

Бронза Бр А10Ж3Мц2 має міцність 578 МПа, твердість HB 98...118 і застосовується для виготовлення зубчастих коліс, втулок, клапанів; Бр С30, Бр С30Н2 – має міцність 490 МПа, твердість HB 25 і використовується для виготовлення важконавантажених підшипників.

Однофазні бронзи добре оброблюються тиском, двохфазні бронзи володіють добрими ливарними властивостями. В залежності від вмісту легуючих елементів бронзи виготовляють олов’янистими (4...14 % Sn), алюмінієвими (5...11 % Al), кременистими (1...4 % Si), свинцевистими (25...30 % Pb), берилієвими (до 3 % Ве).

Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний вміст. Наприклад, Бр 08Ц4С3 (Sn-8 %, Zn-4 % , Pb-3% , решта – мідь).

Властивості і застосування алюмінію

Алюміній (Al) – це метал сріблясто-білого кольору, що має малу густину γ = 2,7 г/см³ і температуру плавлення t_пл.≈ 660 ºС, має високі електро- та теплопровідність. Алюміній має кубічну гранецентровану кристалічну ґратку. У відпаленому стані має незначну міцність на розтяг σ_в = 80...100 МПа, невисоку твердість (НВ 25...30) та достатню пластичність (δ ≈ 45 %). Висока електрична провідність (60 % від міді) та низька густина чистого алюмінію обумовили його застосування в електротехніці як провідникового матеріалу, а корозійна стійкість – застосування в хімічному машинобудуванні. Для легування алюмінію застосовують Cu, Si, Mg, Mn, Zn, рідше – Ni, Ti, Cr та ін.

Характеристика сплавів на основі алюмінію

Характеристика сплавів на основі алюмінію. Алюмінієві сплави за технологічною ознакою поділяються на деформовані та ливарні. Серед деформованих розрізняють такі, що зміцнюються термообробкою (дюралюміній, авіаль, алюміній кувальний тощо), та такі, що не зміцнюються (сплави алюмінію з марганцем, магнієм).

Одним з основних деформованих сплавів є дюралюміній – сплав в системі елементів (Al, Cu, Mg) з домішками Мn. Маркується дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16. Д1 – класичний дюралюміній (3,5…4,5% Cu; 0,4…0,8% Mg; 0,4…1,0 Mn). Дюралюміній часто застосовується у літакобудуванні як такий, що має значну міцність у поєднанні з малою густиною (деталі каркасу, обшивка, шпангоути, тяги керування, лопаті повітряних гвинтів тощо). Вітчизняна металургійна промисловість постачає суднобудуванню значний асортимент деформованих алюмінієвих сплавів, придатних для виготовлення суднових корпусних конструкцій, що працюють в умовах та середовищі мореплавання.

Алюміній і сплави на його основі знаходять все більш широке застосування в суднобудуванні. З алюмінієвих сплавів виготовляють корпуси суден, палубні надбудови, комунікацію і різного роду суднове устаткування. Основною перевагою при використанні алюмінію та його сплавів у суднобудуванні порівняно зі сталлю є суттєве зниження маси суден, яке досягає 50…60 %. В результаті цього представляється можливість значно підвищити вантажопідйомність суден та поліпшити їх техніко-економічні показники, зокрема, швидкість, маневреність і ін.

Найбільш широке застосування серед алюмінієвих сплавів для виготовлення конструкцій річкового і морського флоту знаходять сплави з магнієм АМгЗ, АМг5, АМг61 – магналії (сплави алюмінію (основа) з магнієм (5-13%) та ін. елементами – мають високу корозійну стійкість, хорошу зварюваність, високу пластичність: з них виготовляють фасонні відливки (ливарні магналії) та листи, дріт, заклепки і ін. (магналії, що деформуються), а також сплави з марганцем АМц і Д16.

Корпус судна підвищеної вантажопідйомності виготовляють зі сталі, тоді як надбудови та інше допоміжне обладнання з алюмінієвих сплавів. Має місце виготовлення риболовецьких баркасів зі сплаву АМг5 (обшивка). Магналії використовують у світовій воєнній справі – танкову броню – Амг6.

Ливарні сплави алюмінію відрізняються достатньо високою рідкотекучістю, малою усадкою, досить високою механічною міцністю.

Кращі властивості мають так звані силуміни (сплави алюмінію з кремнієм). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви означають, що це – алюмінієвий ливарний сплав). Із силуміну виготовляють арматуру, кронштейни, литі деталі приладів, фасонне литво тощо. Разом з тим, силуміни завдяки кремнію більш крихкі , ніж, скажімо, алюміній або дюралюміній.

Титан і характеристика сплавів на його основі

Титан – парамагнітний поліморфний метал сталевого кольору з температурою плавлення t_пл.≈ 1660 ± 20 ºС і густиною γ = 4,5 г/см³, володіє межею міцності σ_в = 250 МПа, відносним видовженням δ ≈ 20...30 %, твердістю НВ ≈ 100...140, високою корозійною стійкістю.

Титан існує в двох кристалічних модифікаціях: α-Ti – з гексагональною щільно-упакованою кристалічною граткою, та β-Ti – з кубічною об’ємноцентрованою решіткою, температура поліморфного перетворення α↔β становить 883 ºС.

Титан володіє високою в’язкістю. При звичайній температурі покривається захисною плівкою TiO₂, тому корозійностійкий. Титановий пил має властивість вибухати. Температура спалаху 400 ºС.

Покращення механічних властивостей досягається легуванням деякими елементами: Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Sn, Ga, Ge, La, Nb, Ta, Zr, W, Mo, Co, Si та ін. Ці сплави мають підвищену міцність, корозійну стійкість тощо. Практично всі сплави титану містять алюміній, який підвищує межу міцності сплавів та зменшує їх пластичність.

Легування і його термічна обробка дозволяє одержати сплави на основі титану з межею міцності на розтяг до 1300…1600 МПа.

Завдяки малій густині, високій міцності, корозійній стійкості, низькому коефіцієнту теплового розширення, можливості роботи в широкому діапазоні температур титан та його сплави знаходять широке застосування в суднобудуванні, авіаційній та хімічній промисловості. З титанових сплавів виготовляють обшивки літаків, морських судів, підводних човнів, корпусу ракет, двигунів, деталей турбін, компресорів, гребні гвинти, балони для зріджених газів, місткості для хімічних засобів і багато інших виробів.

Титан і його сплави (ГОСТ 19807-91) маркують буквами "ВТ" і порядковим номером. Серед найбільш популярних титанових сплавів, варто відмітити наступні з відповідним маркуванням:

• ВТ5 і ВТ5 - 1 – зварюваний сплав з вмістом алюмінію 4 % - 6 %;

• ОТ4, ОТ4 - 0 і ОТ4 - 1 – алюмінієво-магнієвий титановий сплав, що відрізняється відмінною зварюваністю;

• ВТ18, ВТ20 – жаростійкі сплави з підвищеним вмістом алюмінію до 8 %;

• ВТ22 – титановий сплав, що не містить алюмінію, легований ванадієм (біля 5 %) і молібденом (близько 5%);

• ВТ8, ВТ9 – термостійкі алюмінієві титанові сплави з вмістом алюмінію в межах від 4,5 % до 7 %;

• ВТ6, ВТ6С – алюмінієві сплави з включенням ванадію (3,5 – 6 %);

• ВТ15 – один з найпрогресивніших титанових сплавів, у складі якого – хрому (~ 10 %), молібдену (7 % - 8 %) і алюмінію (~ 3, 5 %).

Характеристика сплавів на основі магнію

Магній - сріблясто - білий мономорфний метал з температурою плавлення t_пл = 651 ºС та густиною γ = 1,74 г/см³ (10³ кг/м³) – найменшою серед конструкційних матеріалів, невисокою міцністю σ_в = 100 МПа, пластичністю δ = 8 % і малою корозійною стійкістю; у чистому вигляді, як конструкційний матеріал, не використовується. Магній має гексагональну щільно-упаковану кристалічну решітку. Дуже активний хімічно, аж до самозаймання на повітрі.

Проте магнієві сплави міцні, поглинають вібрацію, неактивні з ураном, добре обробляються різанням, зварюються. Легується магній Mn, Al, Zn, Zr, Ti, Ca, Cе, La, Nd, Th для подрібнення зерна, загартованості, підвищення механічних властивостей.

Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм, які мають покращені властивості порівняно з чистим магнієм. Магнієві сплави бувають ливарні і такі, що деформуються, і маркуються наступним чином.

Магнієві сплави, що деформуються, МА1 і МА8 з основним легуючим елементом – марганцем (Mn) мають добру рідкотекучість і володіють міцністю в межах 200..350 МПа, а також – добру корозійну стійкість і здатність до зварювання.

Сплави МА2-1 і МА5 – є сплавами системи Mg-Al-Zn-Mn. Al і Zn підвищують міцність сплавів, їх технологічну пластичність: з них виготовляють ковані і штамповані деталі складної форми (крильчатки і жалюзі капота літака і ін.).

Сплави системи Mg-Zn, додатково леговані Zr (МА14), кадмієм та РЗМ (МА15, МА19) відносять до високоміцних магнієвих сплавів.

Ливарні магнієві сплави системи Mg-Al-Zn (МЛ5, МЛ6, де Л – означає ливарний) використовуються для: суднобудування (обшивки морських суден, підводних човнів, торпед, гребні гвинти, теплообмінники), літакобудування (корпуси приладів, насосів, коробок передач, двері кабін), ракетної техніки (корпуси ракет, обтічники, паливні й кисневі баки, стабілізатори), конструкцій автомобілів (корпусів, коліс, помпи).

Високими технологічними і механічними властивостями володіють сплави магнію з Zn і Zr (МЛ 12) та леговані кадмієм (МЛ8) і РЗМ (МЛ9, МЛ10) – для навантажених деталей літаків і авіадвигунів.

З магнієвих сплавів виготовляють корпуси ракет, обшивки суден, торпед, підводних човнів, насосів, приладів, баки, кожухи, конструкцій автомобілів та ін. Поверхню після термообробки оксидують, просочують лаком.

Бабіти

Антифрикційні (підшипникові) сплави на олов'яній та свинцевій основі (бабіти) – це досить широко розповсюджені легкоплавкі антифрикційні сплави на основі олова (олов'яні бабіти) та свинцю (свинцеві бабіти). Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними (мають добру припрацьованість та невеликий коефіцієнт тертя). Їх використовують для виготовлення вкладишів підшипників ковзання. Вони недостатньо міцні, тому зазвичай їх наносять тонким шаром на міцнішу основу (частіше сталеву). Як антифрикційні матеріали використовуються також чавуни, олов’янисті та свинцевисті бронзи, порошкові матеріали.

Ці сплави застосовують для заливання вкладишів підшипників ковзання. Вони повинні мати достатню твердість, але не дуже високу, порівняно легко деформуватися під впливом місцевих напружень, мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником.

Крім того, температура плавлення цих сплавів не повинна бути високою, і сплави повинні мати гарну теплопровідність і стійкістю до корозії.

Олов'яні та свинцеві бабіти. Олов'яні бабіти використовують в підшипниках турбін великих суднових дизелів, турбонасосу, турбокомпресорів, електричних та інших важконавантажених машин. Свинцеві бабіти застосовують для менш навантажених підшипників.

Марки бабітів позначають літерою Б. В олов'яних бабітах за літерою наведені цифри, що вказують середню кількість олова у відсотках (Б83, Б88). Наприклад, сплав марки Б83 містить: 10-12 мас. % Sb; 5,5-6,5 мас. % Cu; решта – Sn. Марки свинцевих бабітів також позначають літерою Б, після якої можуть стояти літера, яка позначає певний легувальний елемент (А – алюміній, К – кальцій, Н – нікель та ін.) та цифри, які вказують на його кількість.