Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al2O3, предохраняет его от коррозии.
Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.
Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).
Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Алюминий и его сплавы – первые конструкционные металлы, которые были использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохранил в наше время, занимая первое место среди применяемых металлов. Из алюминия изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов, в химической промышленности, как материал для ректификационных колонн и др.
Алюминиевые сплавы
Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.
Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный.
В настоящее время наряду с рассмотренной выше буквенно- цифровой маркировкой используется цифровая маркировка, например, 1160. Первая цифра обозначает основу сплава (1 – алюминиевый сплав), вторая соответствует основным легирующим элементам (1. Сu-Мg, Сu-Мg -Fe-Ni; 2. Сu-Li-Cd-Mn, Сu-Mn; 3. Fe-Ni – Si; 4.Сr, Ni, Be.), следующая цифра обозначает порядковый номер сплава, в конце указывается содержание (0 или нечетная цифра – деформируемый сплав, четная цифра – литейный сплав, 9 – металлокерамический, 7 – проволочный).
По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:
-деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:
-деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;
-литейные сплавы.
Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой
Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).
Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.
Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой
К таким сплавам относятся дюралюмины ( сложные сплавы систем алюминий – медь –магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.
Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.
Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.
Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).
Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450oС, подвергаются закалке от температуры 500…560oС и старению при 150…165oС в течение 6…15 часов.
В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300oС.
Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.
Литейные алюминиевые сплавы
К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.
Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.
Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.
11.2. Медь и ее сплавы
Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см3, температура плавления 1083oС.
Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).
Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.
Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.
Латуни
Латунями называются медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Содержание цинка в сплаве может колебаться от 4 до 45%. Чем больше цинка в латуни, тем выше ее механическая прочность. Для повышения механических и других свойств сплава в состав латуни могут также входить олово, кремний, марганец, никель, алюминий, железо и др. Такой сплав называется специальной латунью. Олово, марганец и алюминий увеличивают прочность и коррозионную стойкость (так называемые «морские латуни»). Кремний повышает твердость и прочность, улучшает литейные свойства.
Деформируемые латуни маркируются буквой Л, следующие за ней цифры указывают содержание меди в сплаве в процентах. Например, маркой Л63 обозначается латунь, содержащая 63% меди. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся и начальные буквы их названий: О- олово; Ц- цинк; Мц – марганец; А – алюминий; Ж- железо; Ф-фосфор; Б – бериллий; Х- хром; Н-никель и др. Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, Например, ЛЖМц59-1-1 - деформируемая латунь, содержащая 59% меди, 1% железа и 1% марганца. Остальное – цинк (39%).
Литейные латуни также маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – литейная латунь, содержащая 23% цинка, 6% алюминия; 3% железа; 2% марганца, остальное – медь (66%).
В автомобильной технике для изготовления бачков и трубок радиаторов систем охлаждения применяют латунь Л68, деталей электрооборудования латунь Л72. Латунь используют также для производства различных трубок системы питания и т.д.
Из деформируемых латуней изготавливают трубы, прутки, полосы, проволоку, из литейных – болты, втулки, подшипники.
Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.
Бронзы
Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими добавками, среди которых цинк не является основной добавкой. Бронза обладает высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, коррозионной стойкостью, хорошими литейными качествами, обрабатываемостью и т.д. Она идет на изготовление арматуры и деталей механизмов, работающих во влажной атмосфере и в других агрессивных средах.
Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные. В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности.
При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, деформируемая бронза БрОФ 6,5-0,15 содержит: олова – 6,5%, фосфора 0,15%, остальное – медь, т.е. 93,35%. Обозначение элементов в бронзе то же, что и при маркировке латуней.
Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, литейная бронза БРО5Ц5С5 содержит 5% свинца, 5% цинка; 5% олова, остальное – медь, т.е. 85%. Маркировка литейных бронз производится аналогично обозначению литейных латуней.
Различают оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, хромовые, циркониевые бронзы.
В автомобильной технике бронзы применяются для изготовления топливно-подающей аппаратуры, втулок шатунов, плоских пружин в системах питания, шайб и т.д. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.
11.3. Магний, титан и их сплавы
Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см3. Температура плавления – 650oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.
Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.
Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения.
Их достоинством являются: хорошая обрабатываемость резанием, свариваемость, высокая удельная прочность. К недостаткам магниевых сплавов относятся меньшая прочность, чем алюминиевых, меньшая коррозионная стойкость и легкая воспламеняемость при нагревании. Снижение коррозионной стойкости объясняется тем, что пленка MgO имеет большую плотность, чем Mg и легко растрескивается.