Цветные металлы и сплавы

Металлы в технике принято делить на черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы — различные стали и чугуны. Все другие металлы — медь, алюминий, титан, магний, никель, цинк, свинец, олово и др., а также их сплавы относят к цветным металлам. К ним же относят и драгоценные металлы: платину, золото и серебро.

Большинство технических цветных металлов по их плотности можно разделить на две группы:

1) тяжелые — медь, никель, цинк, свинец, олово;

2) легкие — алюминий, магний и титан.

Ряд ценных свойств делает цветные металлы во многих случаях незаменимыми, однако сравнительно высокая стоимость и иногда дефицитность обязывают очень бережно расходовать их. По указанным причинам в машиностроении и в других отраслях промышленности стремятся широко использовать всевозможные заменители. Например, вместо цветных металлов при изготовлении подшипников и шестерен часто применяют текстолит, пластмассы и дерево; в аппарато- и приборостроении применяют наряду с пластмассами железо и сталь, покрывая их никелем или хромом; в военном деле вместо латунных гильз пользуются железными; вместо свинца в травильных баках применяют особые смолы, покрывая ими внутреннюю поверхность баков и т. п.

Наиболее широко используются в народном хозяйстве следующие цветные металлы: медь, алюминий, магний, никель, титан, свинец, олово. Они применяются как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Ценной особенностью сплавов является то, что они как правило, приобретают свойства, отличные от свойств исходных металлов. Пример сплавления свинца с сурьмой (см. рис. 8) показывает, как меняется температура плавления сплава в зависимости от его состава. Сплавы из других металлов также обнаруживают изменения не только температуры плавления, но и других свойств.

Например, рассматривая группу медноцинковых сплавов латуней (табл. 3), можно заключить, что с уменьшением количества меди и соответственным увеличением содержания цинка в сплаве механические свойства этого сплава резко изменяются. Действительно, если предел прочности у меди в литом состоянии равен 17 кГ/мм2, а твердость HB = 40 кГ/мм2, то у латуни Л59 предел прочности увеличивается до 38 кГ/мм2, а твердость до 77 кГ/мм2. Характер изменения относительного удлинения несколько иной, а именно: вначале оно с 18% возрастает до 48% при 68% меди, а затем снижается до 25%. От добавки 1% свинца сплав приобретает свойство давать мелкую сыпучую стружку при обработке его резанием на станках-автоматах, чем облегчается отвод стружки из зоны обработки.

Необходимо, однако, заметить, что не все сплавы меди с цинком представляют практический интерес. Например, сплавы, содержащие более 43% цинка, настолько хрупки, что применяются весьма ограниченно.

Медноцинковые сплавы, помимо высоких механических свойств, имеют еще то преимущество, что удешевляют стоимость изделия. Стоимость 1 т цинка в два раза ниже стоимости 1 т меди, поэтому медноцинковый сплав стоит дешевле того же количества меди.

Примером изменения свойств может служить сплав дуралюмин марки Д6. Основа этого сплава — алюминий, предел прочности которого после отжига составляет 8—11 кГ/мм2, а относительное удлинение 40%. От добавки же к алюминию меди, марганца и других элементов предел прочности полученного сплава в отожженном состоянии возрастает до 24 кГ/мм2, а относительное удлинение снижается до 10—12%,

Наряду с улучшением механических свойств у некоторых алюминиевых сплавов отмечается резкое снижение стойкости против коррозии: они быстро разрушаются во влажной атмосфере и от соприкосновения с влагой, насыщенной кислотами, углекислым газом, различными солями и пр. Чистый алюминий при этих условиях значительно более стоек, поэтому его применяют для защиты алюминиевых сплавов способом плакировки.

В состав металлов и сплавов могут входить в незначительных количествах некоторые случайные примеси. Так же как и специальные присадки, они оказывают определенное влияние на качество сплавов. Поэтому во избежание ухудшения механических, физических и других свойств сплавов количество примесей в них ограничивается тем или иным пределом.

Наиболее часто встречающимися вредными примесями в меди и ее сплавах являются висмут, сурьма, сера, свинец и др. Висмут и свинец, загрязняя медь, образуют с ней легкоплавкую эвтектику, которая при горячей обработке давлением приводит к разрушению меди. Вредными примесями в алюминевых сплавах являются железо, кремний, медь, снижающие коррозионную стойкость сплава, хотя в ряде случаев они служат необходимыми компонентами сплавов.

Иногда предъявляется требование, чтобы сплавы обладали антимагнитными свойствами. Для достижения этого в них ограничивается содержание железа. Так, если в обычной латуни марки ЛС59-1 содержание примеси железа допускается до 0,5%, то в антимагнитном сплаве этой марки содержание железа ограничивается 0,03%.

Приведенные примеры характеризуют изменение только некоторых свойств металлов при их сплавлении. Вообще же часто изменяются электропроводность, теплопроводность, цвет, плотность и т. д. Промышленность выпускает сплавы с самыми разнообразными свойствами.

Ниже рассматриваются наиболее употребительные цветные металлы и сплавы и их основные свойства.

Медь — мягкий металл розово-красного цвета. Плотность ее 8,93 г/см3, температура плавления 1083° С. Пo сравнению с другими металлами медь отличается высокими электропроводностью и теплопроводностью. По сравнению с железом медь при обычной температуре более стойка против ржавления (коррозии) на воздухе. При нагреве на воздухе выше 185° С медь покрывается слоем закиси меди Сu2О, которая затем переходит в окись меди CuO. Как говорилось выше, медь склонна к водородной болезни.

Медь хорошо обрабатывается резанием на токарных, сверлильных и других станках. Обработкой давлением из нее изготовляют трубы, прутки, листы и т. п. При сплавлении с другими металлами она образует различные сплавы.

Области применения меди весьма разнообразны. Благодаря высокой электропроводности до 60% получаемой меди применяется в электротехнике в чистом виде. Много ее применяется также в теплообменных аппаратах, радиаторах и т. д. Остальная часть меди используется для производства различных сплавов.

В зависимости от состава медные сплавы условно делят на латуни, бронзы и мельхиоры.

Латуни — это сплавы меди с цинком. Содержание меди в них колеблется в пределах 57—96%, а цинка — в пределах 4—43%. Чтобы увеличить прочность, улучшить антифрикционные свойства, повысить сопротивление разрушению в морской воде, улучшить обрабатываемость на станках-автоматах и т.д. в состав некоторых латуней вводят в небольших количествах алюминий, железо, марганец, никель, олово, свинец, мышьяк.

Сплав, состоящий из 96% меди и 4% цинка, отличается значительной пластичностью и хорошей теплопроводностью, поэтому он широко применяется для изготовления радиаторных и конденсаторных трубок, употребляемых авиационной и автотракторной промышленностью.

Бронзы — это сплавы меди с алюминием, железом, никелем и другими металлами или неметаллами. Это присадки делают сплавы прочными, упругими, хорошо сопротивляющимися истиранию, стойкими против коррозии и т.д. Благодаря этим свойствам бронзы применяются для изготовления подшипников, пружин и деталей машин, работающих при больших нагрузках и в условиях окислительной среды. Хромистые бронзы применяют в электровакуумной промышленности для электродов.

Мельхиоры — это сплавы меди с никелем, отличающиеся большой прочностью и пластичностью, а также высокой стойкостью против коррозии. Некоторые мельхиоры, помимо меди и никеля, содержат цинк, железо. Мельхиоровые трубы применяются в конденсаторах морских судов.

Алюминий — мягкий металл серебристо-белого цвета. Плотность алюминия равна 2,72 г/см3, температура плавления составляет 660° С. Алюминий, несколько уступая меди, обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. На воздухе алюминий покрывается тончайшей пленкой окиси, которая защищает его от дальнейшего окисления.

Алюминий, так же как и медь, хорошо обрабатывается резанием и давлением.

Чистый алюминий ввиду его высокой электропроводности, пластичности и способности покрываться защитной пленкой окиси применяется в большом количестве в электротехнике как токопроводящий материал и для наложения оболочек на электрические кабели. Благодаря своей легкости, алюминий в виде сплавов находит широкое применение в конструкциях и сооружениях, где масса имеет существенное значение, например в авиации, судостроении, на транспорте.

В зависимости от состава и назначения алюминиевые сплавы делятся на следующие группы.

Сплавы AMг — сплавы алюминия с 2 — 6% магния и с добавками до 0,6% марганца, отличающиеся хорошей коррозионной стойкостью. При малом содержании магния имеют высокую пластичность, при большом содержании — удовлетворительную.

Сплавы АМц — сплавы алюминия с 1,0—1,5% марганца, обладают примерно теми же свойствами.

Дуралюмины Д1, Д6, Д16 и др. — сплавы алюминия с медью (3—5%), магнием и марганцем, имеющие повышенную прочность, среднюю пластичность и невысокое сопротивление коррозии.

Ковочные сплавы АК2, АК4, АК6, АК8 — сплавы алюминия с медью (2—5%), магнием, марганцем и добавками железа, никеля и кремния. Последние три компонента вводят для повышения жаропрочности сплавов, так как их широко применяют для штамповки таких деталей как поршни двигателей внутреннего сгорания. Технологические свойства в основном схожи со свойствами дуралюминов.

Высокопрочный сплав В95 — сплав алюминия с цинком (5—7%), магнием, медью, марганцем и хромом. Сплав имеет высокую прочность и пониженную коррозионную стойкость; применяется преимущественно в конструкциях сильно нагруженных узлов самолетов.

За последние годы промышленность начала выпускать полуфабрикаты, прессованные из спеченной алюминиевой пудры, получившей название САП. Особенность этой пудры заключается в том, что каждая ее частица специальной обработкой покрыта пленкой окиси алюминия Al2O3 значительной толщины. Общая масса окиси алюминия в такой пудре достигает 15—20%. Температура плавления окиси алюминия достигает ~2000° С, тогда как у алюминия она равна 660° С. Поэтому изделия из САПа отличаются от алюминия и его сплавов более высокой теплопрочностью. Например, если у алюминия предел прочности при комнатной температуре составляет 9 кГ/мм2, а при 500° С — 0,6 кГ/Мм2, то у полуфабриката, прессованного из САПа с высоким содержанием Al2O3, предел прочности при указанных температурах составляет соответственно 40 и 12 кГ/мм2. Такие свойства изделий имеют большое значение в авиационной и ракетной технике.

Для получения прессованных полуфабрикатов из САПа пудру предварительно брикетируют в алюминиевых стаканах. Затем брикеты подвергают вакуумному высокотемпературному спеканию, после чего прессуют.

Магний — малопластичный в холодном состоянии металл. По внешнему виду несколько напоминает алюминий. Плотность магния 1,74 г/см3, температура плавления составляет 650° С. Стойкость против коррозии у магния заметно ниже, чем у алюминия, поэтому изделия из магния и его сплавов требуют применения защитных мер (окраски, лакировки и пр.).

Магний, а также его сплавы хорошо обрабатываются резанием, но обработка давлением в холодном состоянии затруднена из-за пониженной пластичности.

Характерная особенность магния и его сплавов — способность загораться при нагревании до 450—650° С, что заставляет быть осторожным при их обработке.

По плотности магний как промышленный металл не имеет себе равных: он в 5 раз легче меди и в 4 раза легче железа. Благодаря этому основному преимуществу магниевые сплавы широко применяются там, где масса конструкции имеет решающее значение, например в авиации. Магний находит также применение в производстве титана и в военном деле при изготовлении сигнальных ракет и зажигательных бомб.

Магниевые сплавы делятся на две группы:

а) сплавы магния с марганцем и иногда с добавкой церия, не склонные к коррозионному растрескиванию под напряжением; сплавы применяются для изготовления малонагруженных деталей арматуры в самолетостроении;

б) сплавы магния с алюминием и цинком, менее коррозионностойкие, но более прочные, чем сплавы первой группы; сплавы применяются для изготовления нагруженных деталей самолетов.

К недостаткам магниевых сплавов по сравнению с другими сплавами надо отнести их пониженную коррозионную стойкость во влажной атмосфере. По этой же причине не допускается применение их в конструкциях, соприкасающихся с морской водой.

Никель — твердый, прочный и весьма пластичный металл серебристо белого цвета. Плотность его 8,9 г/см3, температура плавления 1452° С. Ценным свойством никеля является его высокая химическая стойкость и тугоплавкость. Поэтому он применяется для изготовления кислотоупорных и жаростойких сплавов и сплавов, работающих в контакте с морской водой, например мельхиора, из которого изготавливают конденсаторные трубы. Никель входит составной частью во многие электротехнические сплавы с высоким электросопротивлением, которые используются для нагревательных и измерительных приборов и в некоторых специальных сталях

Благодаря свойству сохранять красивый внешний вид никель широко применяется для покрытия других металлов (никелировка).

Титан — прочный и достаточно пластичный металл серовато белого цвета. Плотность его 4,5 г/см3, температура плавления составляет 1725° С. Титан при обычных температурах отличается высокой коррозионной стойкостью во многих растворах, влажной атмосфере и морской воде. В отличие от других металлов, титан имеет низкие электропроводность и теплопроводность.

При нагревании до 400—500° С титановые сплавы сохраняют достаточно высокую прочность, но выше этих температур начинает сказываться исключительная способность титана поглощать в большом количестве кислород, азот и другие газы, резко снижающие пластичность металла. Для устранения вредного влияния газов при горячей обработке титановых сплавов приходится нагревать их в нейтральной среде или в индукционных печах, обеспечивающих ускоренный нагрев.

Обработка титана и его сплавов резанием и давлением представляет значительные трудности. Например, вследствие плохой теплопроводности титана режущая кромка резца перегревается и поэтому быстро затупляется, а высокая прочность титана заметно снижает стойкость прессового и волочильного инструмента.

Благоприятное сочетание некоторых свойств делает титановые сплавы ценным конструкционным материалом. В морском судостроении с успехом используется их незначительная плотность, высокая прочность и коррозионная стойкость. В авиационной технике эти сплавы находят применение благодаря их жаропрочности, что, помимо малой плотности, особенно ценно для сверхзвуковых самолетов, обшивка которых сильно разогревается от трения о воздух. В химической промышленности титановые сплавы применяются для сооружения различной аппаратуры, работающей в контакте с агрессивными веществами. Титан применяется также в производстве сталей, твердых сплавов и т.д.

Цинк — металл синевато-белого цвета, плотность его 7,13 г/см3, температура плавления 419,5° С. В обыкновенных условиях цинк — хрупкий и заметно твердый металл, а при нагреве до 100—150°С приобретает высокую пластичность. Последним свойством широко пользуются при обработке цинка давлением: прокатке листов, волочении проволоки и т. п.

Благодаря пленке окислов, образующейся на поверхности, цинк обладает хорошей коррозионной стойкостью. На этом свойстве основано оцинкование, т. е. покрытие листового железа, железных труб и проволоки цинком с целью предохранения от ржавления.

Свыше 40% всего получаемого цинка расходуется на производство латуней, нейзильбера, бронзы БрОЦ4-3 и сплавов на цинковой основе (Приложение I). Применяется он также для изготовления припоев для пайки, автомобильной арматуры, гальванических элементов, красок и т. д.

Олово — весьма мягкий металл серебристо-белого цвета. Плотность его 7,3 г/см3, температура плавления 232° С. Олово имеет высокую коррозионную стойкость и хорошо обрабатывается давлением.

Олово при переходе из жидкого состояния в твердое застывает в виде крупных кристаллов. При изгибании куска олова слышен треск, происходящий от трения кристаллов друг о друга.

Олово применяется для изготовления оловянистых бронз и латуней, подшипниковых сплавов, припоев для пайки и в пищевой промышленности — для лужения консервной жести и кухонной утвари, так как оно наиболее стойкий в отношении коррозии металл.

Свинец — синевато-серый мягкий металл; в свежем разрезе блестит, но, быстро окисляясь, тускнеет. Плотность его 11,34 г/см3, температура плавления 327,4° С. Ценное свойство свинца — его высокая коррозионная стойкость, в частности он хорошо сопротивляется действию соляной и серной кислот. Поэтому свинец применяется для изготовления камер в сернокислотном производстве, в кабельной промышленности для герметизации кабелей от влаги, а также как средство защиты от радиоактивных излучений.

За последние годы в народное хозяйство вовлекаются во все возрастающем объеме металлы, которые до недавнего времени применялись ограниченно. Сюда относятся молибден, тантал, бериллий, цирконий, уран и отчасти вольфрам, применение которого по сравнению с перечисленными металлами было более значительным. Некоторые свойства этих металлов приведены в табл. 4.

Вольфрам по механической прочности значительно превосходит другие металлы. Свою прочность он хорошо сохраняет и при высоких температурах, например прочность вольфрамовой проволоки при температурах 300, 1600, 2400 и 3150° С составляет соответственно 310, 70, 9 и 1,5 кГ/мм2. Большинство же других металлов и жаропрочных сплавов уже при температуре свыше 300—600° С мало пригодно для применения.

В горячем состоянии вольфрам удовлетворительно обрабатывается давлением: ковкой, прокаткой и волочением. Из него получают листы, прутки, проволоку и детали различной конфигурации.

Вольфрам применяется для производства жаропрочных быстрорежущих сталей и твердых сплавов, в чистом виде — для изготовления нитей электрических ламп, нагревательных элементов в высокотемпературных печах (1600—3000°С). Благодаря значительной прочности при высоких температурах вольфрам используют в авиационной технике.

Молибден — металл с ограниченной пластичностью. Прокатка лент и волочение тонкостенных труб, прутков и проволоки обычно осуществляется при температуре 350—500° С. В значительных количествах молибден применяется в производстве специальных сталей, которым он придает прочность, стойкость против коррозии и магнитные свойства. Молибденовые ленты и проволоку используют для изготовления нагревателей к высокотемпературным печам.

Тантал — металл, обладающий высокой пластичностью, благодаря которой из него легко изготавливаются в холодном состоянии трубы, прутки, листы. Вследствие высокой жаропрочности тантала из него изготовляют сопла реактивных двигателей, клапаны двигателей внутреннего сгорания и т. п. детали. Применяют его также в производстве радиоламп, выпрямителей переменного тока и т.д.

Бериллий — металл, незначительно уступающий по плотности наиболее легкому промышленному металлу — магнию (1,84 и 1,74). Особенно ценное свойство бериллия — это его способность сохранять прочность при нагреве до сравнительно высоких температур (500—600° С) и его стойкость против коррозии. Недостатками бериллия являются низкая пластичность (обработка его давлением осуществляется обычно при температуре 460—840° С) и ядовитость. Бериллий применяется для производства сплавов на медной, никелевой и отчасти алюминиевой основах, которым он придает высокую прочность, твердость и способность работать при высоких температурах.

Цирконий — высокопластичный металл, применяется для получения листов, труб, прутков и проволоки. Цирконий используют в конструкциях ядерных реакторов и при производстве некоторых сталей и алюминиевых сплавов.

Уран — в обычных условиях малопластичный металл. При нагреве до высоких температур его пластичность заметно возрастает. В отличие от других металлов уран способен сплавляться при обработке с железом и некоторыми другими металлами, поэтому при прессовании урановые слитки помещают в защитные оболочки из меди.

Ввиду повышенной окисляемости урана, а также бериллия и циркония их нагревают перед обработкой в защитной атмосфере, а прессуют в защитных оболочках.

Уран вследствие его радиоактивности вредно действует на организм человека. Поэтому при работе с ураном применяются специальные меры защиты.

Из урана прессованием получают прутки, профили и трубы, которые с аналогичными изделиями из бериллия и циркония применяются в ядерных реакторах атомных электростанций. Из урана делают тепловыделяющие элементы, из циркония — оболочки тепловыделяющих элементов, а из бериллия — замедлители тепловыделения.

Помимо сплавов, получаемых расплавлением, имеются так называемые порошковые, или металлокерамические, и минералокерамические сплавы. Получают их прессованием различных металлических порошков с последующим спеканием при высокой температуре.

Из порошков металлов изготовляют такие сплавы, которые получить расплавлением практически весьма трудно или невозможно. Например, из-за высокой температуры плавления вольфрама (3380° С), молибдена (2625° С), тантала (3000° С) изделия из них изготовляют спеканием соответствующих порошков. В другом случае порошки металлов применяют для получения сплавов с особыми свойствами, отличными от свойств обычного металла.

Порошки металлов применяются для изготовления подшипников скольжения, тормозных дисков, жаропрочных деталей машин, проволоки для электрических ламп, режущего инструмента и т. д.

Из порошковых металлов получают твердые сплавы, широко применяемые при обработке металлов резанием и давлением. В состав металлокерамических твердых сплавов входит весьма твердое химическое соединение вольфрама с углеродом — карбид вольфрама. Порошок карбида вольфрама смешивают с порошком кобальта, затем смесь прессуют при давлении до 100 кГ/мм2 и спекают при температуре 1400—1600° С. Высокую твердость сплаву придает карбид вольфрама, а кобальт является связующим веществом и придает сплаву вязкость. В другой группе твердых сплавов, помимо карбида вольфрама, содержится карбид титана, также имеющий высокую твердость.

В зависимости от содержания кобальта и карбидов вольфрама и титана твердым металлокерамическим сплавам присвоены соответствующие марки. Например, сплаву, содержащему 6% кобальта и 94% карбида вольфрама, присвоена марка ВК6, где буква В обозначает присутствие в сплаве карбида вольфрама. В Приложении VII приведены составы и свойства некоторых твердых сплавов и области их применения.

К числу твердых сплавов относят также минералокерамический сплав марки ЦМ332, состоящий в основном из окиси алюминия (Аl2O3).

Недостатком твердых сплавов является их хрупкость; изделия из них при ударах растрескиваются. Металлокерамические твердые сплавы очень дороги. Так, если килограмм инструментальной стали У8 или У10 стоит 15 коп., то килограмм заготовок для волочильного инструмента из металлокерамического сплава стоит 25 руб.

С целью снижения стоимости инструмента из твердого сплава делают только его рабочую часть, а остальную часть делают из обычной углеродистой стали.

В заключение остановимся на маркировке сплавов.

При обозначении чистых металлов марка содержит первую букву названия металла и цифру, отвечающую сорту металла, т. е. его чистоте. Например, медь первого сорта обозначается маркой Ml.

В обозначение деформированного — обработанного давлением алюминия вводится, кроме обозначения сортности, буква Д. Например, деформированный алюминий чистотой 99,3% обозначается маркой АД1.

Марки сплавов состоят из условного названия типа сплавов и примерного содержания входящих в них металлов. Например, сплав, состоящий из 63% меди и 37% цинка, принято обозначать Л63 Буква Л указывает на название — латунь, а число 63 — на содержание меди. Зная, что латунь — сплав меди с цинком, легко определить, чему равно содержание последнего.

Рассмотрим другой пример —сплав Бр.АЖМц10-3-1,5 (или как его называют БАЖМ). Первые две буквы Бр обозначают слово бронза. Буквы А, Ж и Мц являются буквами названий металлов: алюминия, железа и марганца. Цифры 10, 3 и 1,5 указывают на процентное содержание этих металлов в сплаве.

Сплавы алюминия с магнием обозначают буквами АМг, а сплавы с марганцем — АМц. Буквой Д обозначают сплавы типа дуралюмин, а буквами AK — алюминиевые ковочные сплавы. Цифры, стоящие рядом с буквами Д и AK, как например Дб, Д16, АК8 и др., являются номерами сплавов.

Для маркировки латунных прутков, согласно ГОСТ 2060—60, допускается применять следующие условные обозначения: