Лекція 4. Тема: «Кольорові метали та сплави

Тема: «Кольорові метали та сплави

План

1. Фізичні властивості титану.

2. Титанові сплави.

3. Мідь.

4. Латуні.

Титан є одним з найпоширеніших елементів земної кори (0,57 %), і займає з цього приводу четверте місце серед металів після А1 (8,13 %), Fе (5 %), Мg (2,1 %). Він був відкритий у 1791 р. англійським аматором-мінерологом У. Грегором і довгий час не знаходив практичного застосування. Вважали, що це крихкий і маломіцний метал, який не може бути використаний у конструкціях. Практично титан почали застосовувати лише в 1948 р. Температура плавлення титану 1668 °С, Переваги титану порівняно з іншими металами такі: мала густина 4505 кг/м³, надзвичайно висока корозійна стійкість (більша, ніж нержавіючої сталі), значна жароміцність і велика питома міцність: відношення границі міцності до густини (), де ρ — густина в кг/м³, g — коефіцієнт переводу кг/м³ в н/м³. За питомою міцністю титанові сплави перевищують конструкційні сталі й алюмінієві сплави (табл. 1).

Таблиця 1 – Питома міцність матеріалів

Матеріал	Титановий сплав ВТ15	Алюмінієвий сплав В96	Сталь 03Н18К9М5Т

Завдяки своїм властивостям титан і його сплави с цінним конструкційним матеріалом в авіаційній промисловості, ракетобудуванні, хімічній промисловості.

Титан — поліморфний матеріал та існує у двох алотропічних видозмінах — α і β. Температура поліморфного перетворення α⇄β становить 882 °С. α-титан нижче 882 °С має гексагональну решітку, β- титан понад 882 °С має решітку об'ємоцентрованого куба.

Технічний титан виготовляють у вигляді листів, прутків, дроту, труб і т.д. Він буває трьох марок, а саме: ВТ1-00, що містить 99,53 % Ті, ВТ1-0 - 99,48 % Ті, ВТ1-1 - 99,44 % Ті. Його механічні показники: σ_в = 294-490 МПа, δ = 20—30%.

Для отримання титанових сплавів з більш високими характеристиками, титан легують різними металами — А1, Сr, Fе, Мп, Мо, Sп, V (рис. 1). Легування змінює положення температури алотропічного перетворення титану (α→β) (рис. 2). Елементи, що підвищують температуру (α→β) — перетворення (рис. 2, а) і сприяють стабілізації α-твердого розчину, називають α-стабілізаторами (А1, О, N), Елементи, що понижують температуру (α→β) — перетворення (рис. 2, б, в) та сприяють стабілізації β-твердого розчину, називають β-стабілізаторами (Мо, V, Сr, Fе, Мп).

Рис. 1 Вплив легуючих елементів і домішок на механічні властивості Ті:

а — елементи, що утворюють тверді розчини проникнення;

6 — елементи, що утворюють тверді розчини заміщення

У сплавах Ті з Сr, Мп, Fе відбувається евтектоїдний розпад β-фази (рис. 2, в) з утворенням хімічних сполук — інтерметалідів (титанідів).

Залежно від будови титанові сплави класифікують на три групи: сплави із структурою α-твердого розчину, сплави з мішаною структурою (α + β)-твердого розчину і сплави із структурою β-твердого розчину.

Рис. 2 – Вплив концентрації (с) легуючих елементів на алотропічні перетворення

У промисловості найчастіше застосовують в основному сплави із структурою α і (α + β). Усі промислові сплави титану, як правило, містять алюміній. Система Ті—АІ для сплавів титану має таке саме значення, як для сплавів заліза система Fе—Fе₃С. Алюміній підвищує границю міцності, але зменшує пластичність сплавів.

Титан і α-сплави титану не зміцнюються термічною обробкою і їх піддають лише рекристалізаційному відпалу. Температура відпалу має бути вищою за температуру рекристалізації, але не повинна перевищувати температуру перетворення α + β→β, оскільки в β-області відбувається сильний ріст зерна. Рекристалізаційний відпал проводять переважно при температурі 750—850 ⁰С, (α+ β)-сплави на відміну від α-сплавів можуть бути зміцнені гартуванням з наступним старінням. Загартовують ці сплави

Рис.3 – Фазовий склад сплавів титану після гартування із β – області в залежності від кількості β-стабілізатора

здебільшого від температур, які відповідають (α + β)-області (рис. 3). При охолодженні із швидкістю вище критичної сплавів, що нагріті до області β- фази, протікає мартенситне перетворення в інтервалі температур М_п—М_к. При цьому утворюється голчаста структура мартенситного типу, яку позначають α'. Решітка α'-фази, як і α-фази, гексагональна і являє собою пересичений твердий розчин на основі α-фази. У процесі подальшого старіння формується структура із суміші α' α-фаз. При цьому міцність дещо знижується, але зростає пластичність.

У сплавах з β-ізоморфними стабілізаторами при гартуванні β-фаза змінюється титановим мартенситом α"із ромбічною решіткою. Фаза α "відноситься до самостійних мартенситних фаз. Збільшення кількості α"-фази супроводжується зменшенням міцності і твердості сплавів та підвищенням їхньої пластичності. В більшості випадків гартування використовують як попередню стадію перед старінням.

α + β - сплави: ВТ6, ВТ8, ВТ14, що містять 5,5 % АІ, 1 % V, 3 % Мо.

ВТ14 — гартування з 860—880 ⁰С у воді і наступне старіння при 480— 500 °С 12-16 год.

α-сплави: ВТ5, ВТ5-1 та ін.

Мідь відноситься до числа металів, відомих ще з глибокої давнини. Ранньому знайомству людини з міддю сприяло те, що вона зустрічається в природі у вільному стані у вигляді самородків.

Мідь — пластичний метал. Густина міді 8960 кг/м³, температура плавлення 1083 °С, кристалічна решітка — гранецентрований куб (ГЦК). Мідь є важливим провідниковим матеріалом, за електропровідністю лише незначно поступається сріблу. Тому приблизно половину всієї міді споживає електрорадіотехнічна промисловість для виготовлення різних провідників. Широке застосування вона знаходить в електровакуумній техніці. Мідь добре протидіє корозії, легко обробляється тиском, але погано обробляється різанням.

Електропровідність міді суттєво понижується при наявності навіть дуже невеликої кількості домішок. Тому як провідниковий матеріал використовують електролітичну мідь марок МІ (99,9 % Си), М0 (99,97 % Си) і особливо чисту мідь М00 (99,99 % Си). Залежно від механічних властивостей розрізняють мідь тверду, нагартовану (мідь МГ) і мідь м'яку, відпалену (мідь ММ).

Міцність і технічні властивості міді сильно понижуються при наявності Ві, РЬ, S та О, які є шкідливими домішками. Дія Ві та РЬ аналогічна дії S у сталі: вони утворюють з Си легкоплавкі евтектики, розташовані по межах зерен, що спричиняє руйнування міді під час обробки тиском у гарячому стані. Тому допустимим вважають вміст не більше 0,002 % Ві та 0,005 % РЬ. S та О знижують пластичність міді.

Через недостатню міцність міді = 160 МПа у відпаленому стані чисту мідь як конструкційний матеріал використовують рідко. Широке застосування в промисловості мають сплави з іншими елементами — латуні та бронзи.

Латуні — сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. У системіСи—Zn(рис. 1) утворюється шість твердих розчинів: та ін. Практичне значення мають сплави, що містять приблизно до 46 % Zn, тобто -латуні і -латуні. Вартість латунних сплавів порівняно з міддю менша, оскільки цинк значно дешевший за мідь. Латуні застосовують у приладобудуванні, машинобудівній промисловості і найширше в хімічному машинобудуванні. Механічна міцність латуні вища, ніж міді; вона добре обробляється різанням.

При вмісті до 36 % Zn утворюється -фаза ( -латуні), яка є твердим розчином заміщення міді цинком, а при концентрації 39 — 46 % Zn двофазні ()-латуні. Однофазні латуні характеризуються високою пластичністю. Вони добре деформуються і в холодному, і в гарячому станах. Двофазні латуні більш міцні і менш пластичні, ніж однофазні завдяки -фазі, яка є твердішою та крихкішою. Ці латуні звичайно піддають гарячій обробці тиском. Усі латуні за технологічною ознакою ділять на деформовні, з яких роблять листи, стрічки, труби, дріт, і ливарні — для фасонного лиття.

Для підвищення механічних показників і хімічної стійкості латуні до них часто вводять легуючі елементи: алюміній, нікель, марганець, кремній та ін.

Латуні маркують буквою «Л» і цифрою, що відповідає середньому вмісту міді. Наприклад, Л80 — латунь, що містить 80 % Си і 20 % Zn, У марках латуні складнішого складу за буквою «Л» іде скорочена назва легуючих елементів; «О» — олово, «С» — свинець, «Ж» — залізо, «Мц» — марганець, «К» — кремній, А — алюміній і т. д., а після цього цифри, що вказують на вміст Си та інших компонентів. Так, у латуні ЛМцС58-2-2 міститься 58 % Си, 2 % Мn і 2 % РЬ (решта Zп). Крім названих латуней широко застосовуються ще й такі латуні, як Л70, Л90, Л96 тощо.

Рис. 1 - Діаграма стану Сu-Zn(а) і залежність механічних властивостей

литої латуні від вмісту Zn (б)

Негативною властивістю латуней, що містять понад 20 % Zn, а особливо, якщо — понад 30 % Zn, є їх схильність розтріскуватися при витримці у вологій атмосфері.

Алюміній — другий, широко поширений (після заліза) метал у сучасній техніці. Датський учений X. Ерстед у 1825 році, діючи амальгамою калію на безводний хлористий алюміній А1С1₃, і потім відганяючи ртуть, дістав відносно чистий алюміній. Температура плавлення алюмінію 660 °С, його кристалічна решітка — гранецентрований куб ( ГЦК ), густина 2699 кг/м³. Аl має високу електропровідність, яка складає 65 % від електропровідності Си. Залежно від чистоти розрізняють алюміній особливої чистоти А999 (99,99 % Аl), високої чистоти А995 (99,995 % АІ) і технічної чистоти А8, А7, А5 і т. д. Чистий Аl важко піддається обробці різанням.

Технічний АІ виготовляють у вигляді листів, профілів, прутків, дроту та інших напівфабрикатів і маркують АД0, АД0. Алюміній має високу корозійну стійкість внаслідок утворення на його поверхні оксидної плівки А1₂О₃. Механічні властивості відпаленого алюмінію високої чистоти такі: σ_в= 50 МПа, δ= 50%, а технічного алюмінію σ_в= 80 МПа, δ=35%. Технічний алюміній застосовують для виготовлення трубопроводів, палубних надбудов морських та річкових суден, кабелів, електропроводів, шин, корпусів годинників, фольга, посуду тощо. Ще ширше використовують сплави алюмінію.

Найбільше застосовують сплави Аl—Сu, Аl—Sі, Аl—Мg, Аl—Сu— Мg, Аl—Сu—Мg—Sі, Аl—Zп—Мg—Сu. Усі сплави алюмінію можна розділити на дві групи:

— деформовні, призначені для виготовлення напівфабрикатів (листів, прутків, профілів, труб і т, ін.), а також поковок і штамповок.

— ливарні, призначені для фасонного литва.

У свого чергу, деформовні сплави ділять на сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, і сплави, які термічною обробкою зміцнюються. Деформовні алюмінієві сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, характеризуються невисокою міцністю, але доброю пластичністю δ = 40%. До них відносяться сплави алюмінію з Мп та Мg (вміст останнього до 6 %). Поміж сплавів алюмінію з Мп і Мg широкого застосування набули сплав АМц, що містить 1,0—1,6 % Мп і сплави АМг2, АМг5, які містять відповідно 1,8—2,6 і 4,8— 5,8 % Мg та 0,2-0,6 % і 0,3-0,8 % Мп. Ці сплави майже завжди однофазні і мають структуру твердого розчину (рис. 1). Вони добре зварюються, стійкі проти корозії і застосовуються для малонавантажених деталей, які виготовляють холодним штампуванням та глибокою витяжкою, а також для зварних конструкцій. Зміцнення сплавів можливе лише шляхом холодного деформування. Сплави на алюмінієво-магнієвій основі з невеликими добавками титану, берилію, наприклад сплав АМг6 добре оброблюється тиском.

Деформовні алюмінієві сплави, що зміцнюються термічною обробкою, це передусім дюралюміни, авіаль що містить 0,45—0,9 % Мg, 0,5-1,2 % Sі, 0,2-0,6 % Сu, 0,15-0,35 %Мп, Fе<0,5%, Zп<0,1 %. Такі сплави мають у своєму складі по три-чотири_; а деколи і більше компонентів. їх здатність зміцнюватись термообробкою можна пояснити на прикладі подвійної діаграми стану системи Аl—Сu (див. рис. 81), бо майже в усіх сплавах даної групи звичайно присутня мідь. Сu утворює з Аl твердий розчин з граничною розчинністю 5,6 % при температурі 548 °С. З пониженням температури розчинність міді в алюмінії швидко зменшується. Сплави, що містять кілька десятих часток відсотка міді, як правило, мають однофазну структуру твердого розчину міді в алюмінії.

Якщо двофазний сплав з 5,6 % Сu нагріти понад 548 °С, то частинки СuАl₂ розчиняться в алюмінії і сплав набуде однофазної структури твердого розчину. Швидке охолодження такого сплаву (гартування) не дає можливості виділитися фазі СuАl₂ з твердого розчину, внаслідок чого сапав зміцнюється.

Деформівні алюмінієві сплави піддаються гартуванню та старінню. Температура гартування сплавів Аl—Сu (рис. 2) визначається лінією аbс, яка проходить вище лінії межової розчинності для сплавів, що містять < 5,6 % Сu, і нижче евтектичної лінії (548 °С) для сплавів, що містять понад 5,6% Сu. При нагріванні лід гартування сплавів з вмістом до 5,6 % Сu залишкова фаза СuАl₂ повністю розчиняється і при подальшому швидкому охолодженні фіксується лише пересичений α-твердий розчин, який містить стільки міді, скільки її взагалі є у сплаві, При вмісті понад 5,6% Сu у структурі загартованих сплавів утворюється пересичений α- твердий розчин, який відповідає точці b, і нерозчинні при нагріванні

Рис. 1 - Діаграма стану сплавів системи А1-Мg а і залежність механічних властивостей алюмінію від вмісту магнію б

Рис. 2 - Діаграма стану і температура гартування сплавів системи Аl—Сu

по масі

кристали інтерметалідів (тобто сполуки СuАl₂). Тривалість витримки при температурі гартування, необхідна для розчинення інтерметалідних фаз, залежить від структурного складу сплаву, типу печі і товщини виробу (загалом від 10 хв. до 3,5 год, для фасонних відливок 2—15 год).

Після гартування сплави піддають старінню — витримці при кімнатній температурі кілька діб (природне старіння) або 10—24 год. при підвищеній температурі (штучне старіння).

Дюралюміни — сплави на основі системи Аl—Си—Мg, куди з метою підвищення корозійної стійкості вводять Мп. Найбільшвідомі сплави Д18, що містить 2,2-3,0 % Сu, 0,2-0,5 % Мg та Д16, що містить 3,8-4,6 % Сu, 1,2-1,5% Мg, 0,3-0,5 % Мп.

Шкідливою домішкою для дюралюмінів є Fе, вміст якого не повинен перевищувати 0,5—0,6 %.

Дюралюміни добре деформуються і в гарячому, і в холодному стані; зміцнюють їхзвичайно у воді та природним старінням.

Для захисту листового дюраіюміну від корозії, яка навіть при додаванні Мп є значною, широко застосовують плакування чистим алюмінієм. Плакування здійснюють сумісним гарячим прокатуванням злитків дюралюміну, обкладеного листами (товщиною до 6 мм) чистого алюмінію марок А8, А85. Сплави авіаль (АВ та ін.) поступаються дюралюмінам у міцності, проте вони пластичніше як в гарячому, так і в холодному стані. Використовують сплави для легких конструкцій, які зазнають гнуття та інших деформацій при монтажі. Ці сплави містять такі самі елементи, що і дюралюміни, проте у меншій кількості, і додатково леговані кремнієм.

Найміцнішими алюмінієвими сплавами є сплави типу В95, що містить 1,4-2,0 % Сu, 1,8-2,8 % Мg, 0,2-0,6 % Мп, 5-7 %Zп і 0,01-0,25 % Сr. Але вони менш корозійностійкі, ніж дюралюміни, йїхні характеристики міцності сильно понижуються при температурі 150 °С.

Відомо багато інших складних деформовних сплавів для кування, штампування та роботи в умовах підвищених температур АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Ливарні алюмінієві сплави прийнято маркувати двома літерами АЛ (алюміній ливарний).

Ливарні сплави алюмінію з магнієм, міддю та іншими елементами, піддають термічній обробці, оскільки їх властивості при цьому змінюютьсяв дуже широких межах. Ливарних сплавів досить багато, але найбільш відомі серед них силуміни Аl—Sі і сплави алюмінію з міддю Аl—Сu. Типовим силуміном є сплав АЛ2, який містить 10—13 % Sі. Він має високу рідкотекучість, малу усадку, стійкий проти корозії.

Спечені алюмінієві стави. Широко використовуванні сплави на основі Аl — Аl₂О₃ дістали назву САП (спечений алюмінієвий порошок). Ці сплави отримують шляхом холодного брикетування алюмінієвого порошку ( пудри ), вакуумного відпалу і подальшого спікання нагрітих брикетів під тиском. САП складається з дисперсних лусок оксиду А1₂О₃. Частинки А1₂О₃ ефективно гальмують рух дислокацій і підвищують міцність сплаву. Вміст оксиду А1₂О₃ в САП коливається від 6—9 % (САП-1) до 18—22 % (САП—4). Із збільшенням вмісту А1₂О₃ границя міцності підвищується від 30—32 кг/мм² (САП-1)до 44 —46 кг/мм² (САП-4), а відносне видовженнявідповіднознижуєтьсявід 5—6 до1,5—2,0 %.

ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ:

1 Охарактеризувати фізичні властивості титана.

2 Що виготовляють з технічного титану?

3 Які легуючі елементи використовують для отримання титанових сплавів?

4 Які елементи підвищують температуру перетворення?

5 Які елементи понижують температуру перетворення?

6 Як класифікують титанові сплави залежно від будови?

7 Яку термообробку використовують для титанових сплавів? Охарактеризувати фізичні властивості міді.

8 Як класифікуються алюмінієві сплави?

9 Що необхідно зробити для підвищення механічних показників латуні?

10 Привести приклади використання латуні.

11 Яку термообробку проводять для латуні? Охарактеризувати фізичні властивості алюмінію.

12 Як класифікуються алюмінієві сплави?

13 Як класифікуються деформовані сплави?

14 Привести приклади використання деформованих сплавів.

15 Яку термообробку проводять для деформованих алюмінієвих сплавів?

16 Охарактеризувати дюралюміни.

17 Охарактеризувати ливарні алюмінієві сплави.

18 Охарактеризувати спечені алюмінієві сплави.