2.2 Цветные металлы.

Достаточно широко в машиностроении используются цветные металлы - алюминий, магний, цинк, медь и сплавы на их основе, которые подразделяются на деформируемые обработкой и прессованием и литейные.

Алюминий и алюминиевые сплавы в целом обладают высокой прочностью, малой плотностью и, как следствие, высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, высокими тепло- и электропроводностью. Механические свойства алюминия и его сплавов существенно зависят от состояния материала (отожженный или нагартованный) и могут быть повышены введением в состав сплава легирующих элементов: меди, магния, цинка, марганца и др. Медь увеличивает твердость, хрупкость алюминиевых сплавов, ухудшает их коррозионную стойкость. Кремний способствует повышению твердости сплава. Марганец вводят преимущественно для повышения коррозионной стойкости алюминиевых сплавов. Цинк способствует упрочнению алюминиевых сплавов, но уменьшает их коррозионную стойкость. Добавки никеля способствуют большей стабильности и повышению теплопроводности сплавов. Железо для большинства алюминиевых сплавов является вредной примесью, ухудшает их коррозионную стойкость, но в некоторые алюминиевые сплавы вводят до 1,5 % железа для повышения жаропрочности. Эксплуатационные свойства алюминиевых сплавов делают их незаменимым материалом для авиационной промышленности.

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы отличаются хорошей пластичностью (относительное удлинение δ до 40%), но невысокой прочностью. Это сплавы с магнием (до 6%) и марганцем (до 1.6%), например, АМц2, АМц5. К прессованным сплавам относят сплавы с добавками меди и магния (дуралюмины). Наибольшее применение нашли сплавы Д16 и Д18. С целью повышения надежности были разработаны высокопрочные алюминиевые деформируемые сплавы с лигатурой из цинка, лития, циркония.

Алюминиевые литейные сплавы обозначают буквами АЛ и подразделяют на 5 групп. Группа 1 – силумины – сплавы системы Al-Si, иногда с добавкой Na для измельчения структуры (АЛ2, АЛ9). Группа 2 – сплавы системы Al-Cu-Si (АЛ3, АЛ5,АЛ6, АЛ32). Группа 3 – сплавы системы AL-Cu с повышенным содержанием меди (АЛ7, АЛ19). Группа 4 – Сплавы системы Al-Mg, обладающие хорошей коррозионной стойкостью и механической прочностью (АЛ8,АЛ13,АЛ22). И группа 5 – сплавы на основе алюминия и других компонентов, например, кадмия, цинка и титана. Это высокопрочные сплавы с пределом прочности на растяжение от 350 до 580 МПа (ВАЛ-12, ВАЛ-16).

В медных сплавах используют буквенные обозначения: С – свинец, О – олово, Б – бериллий, Т – титан, Ф – фосфор, Ж – железо, Мц – марганец, К – кремний, Ц – цинк, А – алюминий, Н – никель. Медь имеет высокую электро- и теплопроводность, высокую пластичность и достаточную прочность. Механические свойства меди зависят от предварительной термической обработки. Предел прочности нагартованной меди в 2 раза выше, чем у отожженной. Медь хорошо смачивается маслом, сопротивляется контактному схватыванию, особенно в пассивированном состоянии. Антифрикционные свойства меди недостаточно высоки и не допускают ее применения при трении скольжения и действии больших нагрузок. В атмосферных условиях она корродирует незначительно; растворяется в азотной и серной кислотах; в щелочах и соляной кислоте растворяется медленно.

Сплавы меди с цинком (обычно до 38%) и различными добавками называются латунями. Латуни обладают высокой прочностью (особенно в наклепанном состоянии), хорошей пластичностью (в отожженном состоянии), высокой коррозионной стойкостью. Различают латуни обрабатываемые давлением и литейные. Латуни выпускают восьми марок (Л60, Л96, ЛМцА-57-3-1).

Сплавы на основе меди и олова называются бронзами (например, БРОСЦ5-5-5). Бронзы выпускаются с добавками олова, алюминия, кремния, бериллия. Оловянные бронзы обладают хорошими антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Чисто оловянные бронзы в настоящее время не применяют из-за дефицита и высокой стоимости олова. При ограничении содержания олова до 10 % в оловянные бронзы добавляют фосфор, цинк для улучшения их механических свойств. Введением свинца улучают главным образом антифрикционные свойства бронз. Безоловянные бронзы обладают также высокими механическими свойствами, имеют хорошие антикоррозионные и антифрикционные свойства. Широкое распространение получили бронзы алюминиевые (БрА5, БрАЖМц-10-3-1), бериллиевые (БрБ2), цинковые (БрОЦС-4-4-4), кремниевые (БрКН-1-3).

Необходимо отметить, что технически чистая медь также нашла применение в машино- и приборостроении (М00, М1, М3).

В тех областях, где к коррозионной стойкости и прочности изделий предъявляются высокие требования, используются титановые сплавы. Важнейшим преимуществом титана и титановых сплавов относительно конструкционных сталей является высокая удельная прочность, жаропрочность в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, практическое отсутствие хладноломкости. Кроме того применение титана позволяет уменьшить вес изделия на 40%. Титан и его сплавы, несмотря на относительно низкую обрабатываемость резанием, хорошо свариваются, обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии, термически упрочняются, что имеет особое значение для их применения в машиностроении.

Температура плавления титана 1672 С. Титан имеет высокие механические свойства: предел прочности _В= 300 МПа, относительное удлинение =40%. Кроме того, титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью за счет мгновенного формирования на его поверхности чрезвычайно плотной термодинамически устойчивой оксидной пленки TiO₂,

Механические свойства титана определяются составом: чем меньше легирующих элементов, тем ниже прочность и выше пластичность. Характерной особенностью титана и его сплавов является необычайно высокая чувствительность к примесям атмосферных газов – водороду, кислороду, азоту и углероду. Так небольшие количества кислорода, азота и углерода повышают его твердость и прочность, но при этом значительно уменьшаются пластичность и коррозионная стойкость, ухудшаются свариваемость.

В промышленности применяют в основном чистый технический титан марок ВТ1-00 и ВТ1-0, различающиеся по чистоте. Несмотря на высокую температуру плавления, чистый технический титан не обладает жаропрочностью, поэтому чаще применяют разные сплавы на его основе, обладающие более высокими характеристиками прочности и жаропрочности при сохранении достаточно высоких пластичности и коррозионной стойкости. В табл.4.22 показаны механические свойства титановых сплавов. Наибольшее применение нашли сплавы на основе титана, легированного алюминием, оловом, марганцем, хромом и ванадием.

Для легирования титана используют алюминий, повышающий жаропрочность и жаростойкость, но существенно снижающий пластичность. Легирование марганцем, хромом, ванадием и молибденом позволяет примерно вдвое увеличить прочность при использовании при температуре ниже 430 ^ОС. Широкое применение имеют сплавы ВТ3-1, ВТ-5, ВТ-6, ВТ-9. Наиболее широко применяют титановый лист толщиной до 5 мм, но также поставляются плиты, трубы и поковки. Для снижения себестоимости часто применяют вторичные титановые сплавы ВТВ1 – ВТВ-4, выпускаемые в виде листа и плит. В качестве шихтовых материалов для них применяют отходы производства титановых сплавов.

Таблица 2.4. Механические свойства титановых сплавов

Марка сплава	В, МПа	, %	KCU, кДж/м2	Вид полуфабриката
ВТ5	750…950	10	500	Отливки, профили, поковки
ВТ5-1	800…1 000	10	400	Литы, профили, трубы
ВТ4	700…900	11	400	Листы, полосы, ленты
ВТ6	950…1 700	8	400	Поковки, листы, трубы
ВТ8	1 050…1250	11	300	Поковки

Существенно снизить массу конструкции без значительной потери прочности позволяют магниевые сплавы. Кроме магния в них содержится железо, кремний, медь, алюминий, никель, марганец и хлор в незначительном количестве. Магний среди технических металлов имеет минимальную плотность, однако из-за плохого комплекса эксплуатационных свойств как конструкционный материал в чистом виде не применяется. Магниевые сплавы прочны, имеют малую плотность, высокую удельную прочность, удовлетворительную коррозионную стойкость к атмосферным воздействиям, однако они не устойчивы в морской воде, в среде органических и минеральных кислот.

Важнейшими легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий, цинк, марганец. Алюминий вводят для увеличения прочности и пластичности сплава, однако с увеличением содержания алюминия увеличивается склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. Цинк способствует повышению коррозионной стойкости сплава. Марганец вводят для повышения коррозионной стойкости и увеличения прочности магниевого сплава.

Различают литейные (МЛ) и обрабатываемые давлением (МА) магниевые сплавы. Из литейных сплавов наиболее широко используются марки МЛ2, МЛ4, МЛ5, МЛ10. Из деформируемых – МА1, МА2, МА8.

Для повышения ресурса и эксплуатационных характеристик авиационных и ракетных двигателей используют никелевые сплавы. Такие литейные жаропрочные сплавы, как ЖС6К и ВЖЛ12У применяют для изготовления литьем рабочих лопаток турбин. Такие изделия предназначены для работы при температуре до 1100 ^ОС. Никелевые деформируемые жаропрочные сплавы используют для изготовления дисков турбин компрессоров газотурбинных двигателей (ЭИ698, ЭП648, порошковый сплав ЭП741нп). Эти сплавы, как правило, сильно легированы такими элементами, как Ni, Co, Cr, Al, Ti, W, Mo.

Таблица 2.5. Состав никелевых жаропрочных сплавов, %

Марки	Cr	Ti	Al	Fe	C	Прочие
ХН77ТЮ	19-22	2,3-2,7	0,55-0,95	4,0	0,06	≤0,01Сe
ХН77ТЮР	19-22	2,3-2,7	0,55-0,95	4,0	0,06	≤0,01Сe
ХН70ВМТЮ	13-16	1,8-2,3	1,7-2,3	5,0	0,12	5-7 W, 2-4 Mo, 0,1-0,5 V, ≤0,02Сe

Таблица 2.6. Жаропрочные свойства никелевых жаропрочных сплавов

Марка сплава	Кратковременная прочность, МПа			Длительная прочность, МПа
	600°С	700°С	800°С	600°С	700°С	800°С
ХН77ТЮ ХН77ТЮР ХН70ВМТЮ	880 950 990	680 850 900	550 560 750	580 680 -	360 420 500	140 200 290

Однако, следует отметить, что с течением времени прочность данных сплавов уменьшается, хотя и довольно медленно (на 200-300 МПа за 100-200 часов нагружения в зависимости от марки сплава). Таким образом, при лезвийной обработке данных сплавов можно спрогнозировать высокую температуру в зоне резания и незначительное изменение прочности обрабатываемого материала.

Таблица 2.7. Назначение некоторых цветных металлов и сплавов
Марка	Назначение
Алюминий и сплавы алюминиевые, деформируемые, ГОСТ 4784-97
АМц	Малонагруженные изделия и элементы конст­рукции, изготовляемые обработкой давлени­ем, обладающие высокой коррозионной стой­костью: бензо- и маслопроводы, патрубки, фланцы.
АМг,	Средненагруженные детали и элементы свар­ных конструкций, обладающие высокой кор­розионной стойкостью.
АМг6	Детали авиационной техники.
Д1	Детали каркасов авиационной техники, штам­пованные узлы креплений, лопасти винтов, заклепки.
АК6	Детали сложной формы, изготовляемые обра­боткой давлением, обладающие средней прочностью.
Д16	Детали каркаса, об­шивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюр са­молетов.
Сплавы алюминиевые литейные
АЛ2	Детали агрегатов и приборов авиатехники.
АЛ9	Детали сложной конфигурации при требова­ниях герметичности и коррозионной стойко­сти: кронштейны, качалки, педали.
АК5М	Крупные и средние детали, подверженные значительным нагрузкам: корпуса форсунок, фермы, картеры головок цилиндров и другие детали.
АМ5	Детали агрегатов, эксплуатирующиеся при умеренных нагрузках и температурах не выше 175...300°С.
АМг10(АЛ27)	Силовые детали, эксплуатирующиеся при температурах от -60 до +60 °С в морской воде и под действием водяного тумана.
Сплавы магниевые деформируемые
МА5	Изготовление высоконагруженных деталей (кронштейнов, качалок и др.) обработкой давлением.
МА11	Детали, нагревающиеся в процессе эксплуатации.
МА14	Высоконагруженные детали.
Сплавы магниевые литейные
МЛ5	Высоконагруженные детали сложной конфи­гурации, корпуса приборов и аппаратуры.
МЛ9	Средненагруженные детали сложной конфи­гурации.
МЛ11	Средненагруженные детали, эксплуатирую­щиеся при температурах до 300 °С.
Сплавы цинковые литейные
ЦА4	Литые детали средней прочности со стабиль­ными размерами.
ЦАМ4-1	Литые детали средней прочности: корпусы карбюраторов, насосов
ЦАМ4-3	Детали повышенной прочности
Сплавы цинковые антифрикционные
ЦАМ10-5	Моно- и биметаллические детали в конструк­циях подшипников скольжения: вкладыши, втулки
ЦАМ9-1,5	То же, что и ЦАМ10-5, а также прокатаные полосы, предназначенные для направляющих скольжения металлорежущих станков
Медь
Ml	Детали электротехнических устройств. Мас­лопроводы, прокладки, уплотнительные коль­ца, шайбы и др.
Латунь (сплав медно-цинковый), обрабатываемая давлением,
Л68	Радиаторы, шайбы, прокладки, втулки.
ЛС59-1	Трубы, корпуса кранов, заглушки, тройники, жиклеры и др.
Латунь литейная
ЛЦ40С	Фасонное литье, втулки, сепараторы подшип­ников
ЛЦ30А3	Мелкие и средние, умеренно нагруженные детали, эксплуатирующиеся в коррозионно-активных средах
ЛЦ16К4	Детали арматуры и детали, эксплуатирую­щиеся в морской среде
Бронза оловянная, обрабатываемая давлением
БрОФ7-0,2;	Детали с высокой коррозионной стойкостью. Упругие элементы (контакты, мембраны) при­боров
Бронза безоловянная, обрабатываемая давлением
БрАМц9-2	Нагруженные детали: червяки, шестерни, втулки
БрАЖ9-4	Детали, работающие на изнашивание: втулки и вкладыши подшипников, червячные колеса, сопряженные с термически обработанными червяками; детали насосов.
БрБ2	Упругие элементы, эксплуатирующиеся при повышенной температуре: пружины, клеммы, контакты
БрАЖН10-4-4	Ответственные детали, эксплуатирующиеся в условиях интенсивного изнашивания: направ­ляющие, втулки, клапаны, шестерни
Бронза оловянная литейная
БрО8Ц4	Детали, изготовляемые из отливок, эксплуа­тирующиеся в пресной и морской воде, в па­ровоздушных и масляных средах
БрО3Ц12С5,	Детали, эксплуатирующиеся в условиях ин­тенсивного изнашивания: подшипники шпин­делей, венцы червячных колес в сопряжении с незакаленным червяком, литые вкладыши подшипников
Бронза безоловянная литейная
БрА10Ж3Мц2	Гребные винты судов, тяжелонагруженные зубчатые колеса, корпуса насосов