Материаловедение. Раздел Сплавы цветных металлов





А. А. РАУБА, А. А. РАЖКОВСКИЙ, С. В. ПЕТРОЧЕНКО














МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»






















ОМСК 2014
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения




А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко






МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.
РАЗДЕЛ «СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»


Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия к изучению дисциплин «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Электротехническое и конструкционное материаловедение»





















Омск 2014
УДК 620.22 (075.8)
ББК 34.651я73
Р25

Материаловедение. Раздел «Сплавы цветных металлов»: Учебно-методическое пособие / А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. 35 с.

В учебно-методическом пособии представлены три лабораторные работы, в которых рассмотрены состав, структура, термическая обработка, свойства и области применения меди, алюминия и основных сплавов на их основе, а также антифрикционные материалы.
Учебно-методическое пособие написано в соответствии с учебной прог-раммой и содержит задания для контрольно-самостоятельных занятий. В описание каждой лабораторной работы входят цель выполнения, краткие теоретические сведения, порядок выполнения и содержание отчета, вопросы для самоконтроля, которые могут быть использованы при подготовке к занятиям и проверке усвоения учебного материала.
Варианты заданий для самостоятельной работы рекомендуется применять в контрольных работах для студентов заочной формы обучения.
Предназначено для студентов 1-го, 2-го и 3-го курсов очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Электротехническое и конструкционное материаловедение».

Библиогр.: 2 назв. Табл. 1. Рис. 9.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор А. П. Моргунов;
доктор техн. наук, профессор А. В. Бородин.



_________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение....
5

Лабораторная работа 1. Алюминий и его сплавы.
6

Краткие теоретические сведения.
6

Порядок выполнения работы...
16

Содержание отчета...
16

Вопросы для самоконтроля..
17

Лабораторная работа 2. Медь и ее сплавы
17

2.1. Краткие теоретические сведения.
18

Порядок выполнения работы...
26

Содержание отчета...
27

Вопросы для самоконтроля..
27

Лабораторная работа 3. Антифрикционные (подшипниковые) сплавы.............
27

3.1. Краткие теоретические сведения.
28

Порядок выполнения работы...
33

3.3. Содержание отчета
33

3.4. Вопросы для самоконтроля..
34

Библиографический список
34




ВВЕДЕНИЕ

Цветные металлы обычно имеют характерный цвет, повышенную плас-тичность, невысокую твердость, относительно низкую температуру плавления. Наиболее типичными цветными металлами являются медь и алюминий, которые в связи с относительно невысокой стоимостью, высокой электропроводнос-тью и теплопроводностью получили самое широкое распространение в технике в чистом виде. Цветные металлы подразделяются на легкие – с малой плотнос-тью (менее 3
·103 кг/м3): магний, бериллий, алюминий; легкоплавкие: цинк, олово, свинец, висмут, сурьма и т. п., температура их плавления – менее 1000 (С; тугоплавкие: медь, титан; благородные: серебро, золото, платина, палладий, иридий, осмий и др.
Часто под словом «металл» понимают не только чистый химический элемент, но и сплав, состоящий из химического элемента – металла с другим металлом или неметаллом. Сплавы характеризуются разнообразными свойствами, которых нет у чистых металлов. Входящие в сплав химические элементы называются компонентами сплава. Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Металлокерамические сплавы получают путем прессования и спекания порошков металлов (например, порошковый дюралюмин Д16П).
В данном издании рассмотрены основные вопросы о структуре, свойс-твах, термической обработке и маркировке цветных металлов и их сплавов.


Лабораторная работа 1

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Цель работы: изучить состав, свойства, маркировку алюминия и его сплавов, особенности их термической обработки и применение в технике.

Краткие теоретические сведения

Алюминий. Состав, структура, свойства

Алюминий
· серебристо-белый металл с плотностью 2700 кг/м3; температура плавления 660 °С, имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), полиморфизмом не обладает. Электро- и теплопроводность его высокие (
· = 2,8
·10–8 Ом
·м – 65 % от электропроводности меди). Обладает высокой коррозионной стойкостью за счет образования на поверхности защитной оксидной пленки Al2O3, хорошо сваривается, легко деформируется в холодном состоянии, плохо обрабатывается на металлорежущих станках и имеет низкие литейные свойства (большая усадка – 6 %). Отличается невысокой прочностью (
·в = 60 МПа) и твердостью (НВ = 250 МПа), пластичен (
· = 40 %). При холодной пластической деформации значительно наклёпывается (
·в = 180 МПа,
· = 1,5 %, НВ = 450 МПа). Отжиг для снятия наклёпа и восстановления пластичности проводится при температуре 350 °С.
В зависимости от содержания примесей (железо, кремний, медь, марганец, цинк, титан) различают алюминий особой, высокой и технической чистоты. Первичный алюминий (ГОСТ 11069-74) маркируется буквой «А», после которой указывается только дробная часть содержания основного металла в весовых процентах после запятой числа «99»: особой чистоты (осч) – А999; высокой чистоты (вч) – А995, А99, А97, А95 и технически чистый – А85, А8, А7, А7Е, А5, А5Е, А0. Если в конце марки стоит буква Е – металл предназначен для получения проволоки, если стоит буква Р – рафинированный. Например, А995 – первичный алюминий с содержанием основного металла 99,995 %; А7Е – первичный алюминий с содержанием основного металла 99,7 % для проволоки.
Деформируемый алюминий технической чистоты маркируется (ГОСТ 4784-74) буквами АД (алюминий деформируемый) и порядковым номером: АД00, АД0, АД1, АДШ (Ш – металл для изготовления пищевой посуды).
Сплавы алюминия

Сплавы алюминия классифицируются по технологии изготовления изде-лий: деформируемые, литейные и спеченные (порошковые). Деформируемые и литейные сплавы делятся на неупрочняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой.
1.1.2.1. Деформируемые коррозионно-стойкие сплавы, не упрочняемые термической обработкой, – сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием (АМг). Названные сплавы хорошо свариваются, а структура твердого раствора обеспечивает им высокую пластичность (легко обрабатываются давлением в холодном состоянии).
Сплав АМц (1,0
· 1,6 % Мn; 1,8
· 6,8 % Mg) превосходит чистый алюминий по прочности и коррозионной стойкости. Магний значительно повышает прочность, не снижая пластичности. Структура магния состоит из
·-твердого раствора и вторичных выделений фазы (Мn, Fе)Аl6, которая не растворяется в алюминии, поэтому данные сплавы не упрочняются термической обработкой. В отожженном состоянии указанные сплавы обладают высокой пластичностью (сплав АМц-М:
· = 18 – 22 %) и низкой прочностью (
·в = 130 МПа), а нагартованный АМц-Н:
· = 2 %;
·в = 200 МПа.
Сплавы типа АМг относятся к системе Аl – Мg, их маркируют содержанием магния в весовых процентах после букв АМг, Например: алюминиевый сплав АМг2 (ГОСТ 4784-74) – алюминиевый сплав с содержанием 2 % магния. Магний образует с алюминием
·-твердый раствор и труднорастворимую фазу Мg2Аl3. Сплав АМг в отожженном состоянии имеет
·в = 190 МПа,
· = 23 %.
Сплавы типа АМц и АМг упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном АМц-Н (80 % наклёпа) и полунагартованном АМц-П (40 % наклёпа) состоянии. Применение наклёпа ограничено из-за резкого снижения пластичности, поэтому в большинстве случаев указанные сплавы используют в отожженном состоянии. Температура отжига – 350 – 420 °С. Их используют при изготовлении бензо- и маслопроводов, емкостей для жидкостей, в авиа- и судостроении, в строительстве (витражи, двери, оконные рамы) и для изделий, получаемых прессованием и глубокой вытяжкой при штамповке из листового материала.

1.1.2.2. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, – сплавы, в состав которых входят медь, магний, цинк, марганец, кремний и др. Названные элементы образуют с алюминием твердые растворы переменной растворимости, зависящей от температуры, и ряд химических соединений (CuА12; Al2CuMg; Mg2Si и др.), что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой – закалкой и последующим старением (дисперсионным твердением).
Целью закалки является получение структуры однородного пересы-щенного твердого раствора. Нагрев для закалки ведут до температуры, при которой избыточные фазы растворяются в алюминии. После выдержки охлаж-дением в воде фиксируется структура пересыщенного твердого раствора.
Старение – распад пересыщенного твердого раствора с выделением избыточных фаз и упрочнением сплава. Старение при комнатной температуре называют естественным, с нагревом – искусственным. Существует «инкубаци-онный» период, при котором в течение 1 – 2 часов после закалки нет заметного упрочнения и повышения твердости. Сплав сохраняет пластичность, позволяю-щую подвергнуть его холодной обработке давлением (правка, гибка и т. п.).
Медь – основной компонент в сплавах рассматриваемой группы, по-этому для обоснования температуры нагрева под закалку сплава, соответствующего дуралюмину (~4 % меди), можно в первом приближении воспользоваться диаграммой состояния А1 – Cu, часть которой изображена на рис. 1.1.
На диаграмме (см. рис. 1.1) данный сплав представлен вертикалью аbс. Растворимость меди в алюминии пере-менная: от 0,3 (20 °С) до 5,65 % (548 °С), а ее содержание в сплавах – 2,5 – 4,5 %. Следовательно, структура таких сплавов в отожженном или литом состоянии:
·-твердый раствор замещения меди в алюминии и крупные кристаллы CuА12. Нормальная температура нагрева под закалку определяется точкой а (490 – 500 °С), при которой сплав приобретает строение однородного твердого раствора и максимальную пластичность, сохраняемую в течение 3 – 5 часов. Недогрев до этой температуры связан с нежелательным сохранением в структуре нерастворившихся частиц CuА12; перегрев выше точки а является еще более вредным, так как сопровождается ростом зерен твердого раствора (перегрев) и даже окислением их границ (пережог), что резко увеличивает хрупкость сплава.
После закалки при естественном старении (ниже 100 °С) атомы меди перемещаются в решетке пересыщенного твердого раствора и собираются в пластинчатые образования толщиной 1 – 2 атомных слоя (0,5 – 1,0 нм) – зоны Гинье – Престона (ГП-1). Эти зоны равномерно распределены в каждом кристалле твердого раствора и в прилегающих областях вызывают сильное искажение его кристаллической решетки, что является причиной упрочнения сплава. По истечении 4 – 7 суток старение заканчивается, при этом распада твердого раствора и образования новых фаз не происходит – «зонное» старение. Сплав приобретает максимальную прочность, которая в дальнейшем постоянна.
С повышением температуры (100 – 150 °С) при искусственном старении ускоряются процессы диффузии, зоны ГП укрупняются (1,0 – 4,0 нм), и в них увеличивается концентрация меди (образование зон ГП-2). Нагрев до 150
· 200 °С и выдержка в несколько часов приводят к возникновению в местах зон ГП мелкодисперсных частиц СuА12, не отделившихся от кристаллической решетки твердого раствора. Повышение температуры до 200 – 250 °С вызывает отделение и укрупнение (коагуляцию) этих частиц. Искусственное старение связано с распадом пересыщенного твердого раствора и образованием избыточных фаз
· «фазовое» старение.
При более высокой температуре старения в процессе коагуляции образовавшихся фаз прочность и твердость сначала возрастают, достигают максимальных значений, а затем снижаются. Такое старение, вызывающее разупрочнение сплавов, называют коагуляционным – «перестариванием».
После естественного старения сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. После искусственного старения у большинства сплавов ударная вязкость (сопротивле-ние хрупкому разрушению) и коррозии под напряжением снижаются при возрастании предела прочности.

Если сплав после естественного старения кратковременно нагреть до 230 – 270 °С и быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и восстанавливается пластичность. Эту операцию называют обработкой «на возврат». При нагреве зоны ГП растворяются в твердом растворе, атомы меди и других компонентов равномерно распределяются в пределах кристаллов твердого раствора, степень искажения кристаллического строения соответ-ствует структуре в закаленном состоянии. После инкубационного периода процесс естественного старения возобновляется, но у сплава снижается сопротивление коррозии. Это ограничивает применение обработки «на возврат».
Некоторые сплавы с марганцем, хромом, никелем имеют температуру рекристаллизации выше температуры их горячей деформации или температуры закалки, поэтому после закалки и старения у них сохраняется нерекристал-лизованная (нагартованная) структура, что на 30 – 40 % повышает их прочность. Это явление называется структурным упрочнением, или пресс-эффектом (для прессованных полуфабрикатов, прутков, труб).
Отжиг для разупрочнения сплавов (полный) проводят при температуре 350 – 450 °С с выдержкой в 1
· 2 часа. Скорость охлаждения – не более 30 °С/ч. При этом происходят полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих избыточных фаз. Сплавы имеют низкую прочность, но приобретают высокую пластичность и сопротивляемость коррозии под напряжением.
Дюралюмины – сплавы на основе системы «алюминий – медь – магний», в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости и механических свойств. Структура сплавов в равновесном (отожженном) состоянии: твердый раствор и кристаллы CuAl2, Al2CuMg – основных упрочняющих фаз. Дюралюмины маркируют буквой «Д» с цифрой, указывающей номер сплава. После цифры часто ставится буква, характеризу-ющая состояние сплава: М
· мягкий (отожженный), Т
· термически обработан-ный, Н
· нагартованный. Дюралюмины хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Механические свойства сплава Д16 в отожженном состоянии:
·в = 200 МПа,
· = 18 %, НВ = 500 МПа.
Для термического упрочнения сплавов проводят закалку при температуре 490 – 500 °С и естественное старение, которое практически заканчивается за пять суток, после этого свойства сплавов стабилизируются. Для изделий, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться нагреву выше 100 – 150 °С, применяют искусственное старение при 190 °С в течение 6 – 8 часов. Прессованные полуфабрикаты из сплавов Д1 и Д16 прочнее катаных вследствие пресс-эффекта.
Пайка и сварка дюралюминов не создают шов равной прочности с основным металлом, поэтому клёпаные соединения более надежны. Для заклёпок используются сплавы Д1 и Д18, последний получил название «заклёпочный».
Дюралюмины характеризуются пониженной коррозионной стойкостью, и поэтому листовой и другие виды проката подвергают «плакированию», т. е. покрытию слоем чистого алюминия при горячей прокатке. Прессованные профили защищают от коррозии анодной поляризацией (анодированием) с последующим лакокрасочным покрытием. Дюралюмины широко используются в авиастроении для деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности в моторо- и ракетостроении, авто- и вагоностроении и т. п.
Высокопрочные сплавы в сответствии с требованиями ГОСТ 4784-74 маркируют буквой «В» (В95, В96). Цифры показывают номер сплава. Состав В95 соответствует системе «алюминий – цинк – магний – медь» с добавками марганца и хрома, которые повышают коррозионную стойкость и усиливают эффект старения. Структура сплава состоит из
·-твердого раствора и фаз: MgZn2; Al2CuMg; Al2Zn3Mg3. После закалки (460 – 475 °С) и искусственного старения при 120 – 140 °С в течение 16 – 24 часов из пересыщенного твердого раствора выделяются тонкодисперсные частицы этих фаз. Сплав приобретает высокую прочность при сохранении высокой пластичности (
·в = 500 – 600 МПа,
· = 18 %). Эти свойства сплав сохраняет и при длительном нагреве до 100 – 120 °С. Естественное старение для высокопрочных сплавов не проводят. Сплав В95 применяют для средне- и тяжелонагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия.
Ковочные сплавы отличаются высокой пластичностью при температуре ковки и горячей штамповки 450 – 475 °С, они относятся к системе «алюминий – медь – кремний – магний – марганец» и маркируются буквами «АК» с порядковым номером; их подвергают закалке и искусственному старению при 150 – 165 °С в течение 4
· 12 часов.
Сплавы типа АК, в которых после буквы К стоят другие цифры и буквы, в соответствии с ГОСТ 1583-93 относятся к литейным, например: сплав АК6М2 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 6 % кремния и 2 % меди.
Сплав АК6 широко применяется для изготовления многих штампованных и кованых деталей сложной формы (картеры, крыльчатки компрессоров двигателей, кронштейны и др.). Жаропрочные ковочные сплавы используют для деталей, работающих при повышенной до 200 – 300 °С температуре. К ним относятся АК2, АК4, АК4-1, Д20 и др., они дополнительно легированы железом, никелем, титаном
· элементами, затрудняющими диффузию при нагреве в процессе эксплуатации и тем самым замедляющими разупрочнение сплавов. В результате закалки и искусственного старения из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющих фаз слож-ных химических составов. Эти частицы устойчивы против коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность, из них изготавливают лопатки, крыльчатки, диски компрессоров и другие детали турбореактивных двигателей, а также листы и панели конструкций фюзеляжей сверхзвуковых самолетов.
Сплавы «алюминий – магний – кремний (авиали)» АД31, АД33, АД35, АВ, САВ-1 – разработаны для авиационной промышленности. Для них характерно сочетание высокой прочности с малой плотностью. Высокая пластичность после закалки облегчает обработку сплавов давлением.
1.1.2.3. Литейные алюминиевые сплавы. Для получения отливок используется большое количество сплавов, которые делятся на группы в зависимости от состава, условий использования (литье в землю, в кокиль, под давлением) и получаемых свойств. До 1989 г. эти сплавы маркировали буквами «АЛ» (алюминиевый литейный) и номером, например: АЛ20.
В новой маркировке этих сплавов по ГОСТ 1583-93 после буквы А стоят буквы, обозначающие легирующие элементы, и сразу после нее – количество весовых процентов данного элемента (середина марочного интервала). В конце марки могут быть строчные буквы, указывающие на количество примесей в сплаве: ч – чистый; пч – повышенной чистоты; оч – особой чистоты; р – рафинированный, например: сплав АК9пч по ГОСТ 1583-93 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 9 % кремния (К9) повышенной чистоты; сплав АМ5 по ГОСТ 1583-93 – алюминиевый литейный сплав с содержанием 5 % меди.
В зависимости от условий получения и применения отливки подвергают термической обработке по одному из восьми режимов, которые обозначают буквой «Т» и номером (Т1, Т2, ТЗ ... Т8), например: Т2 – отжиг при 300 °С для снятия внутреннего напряжения и стабилизации размеров, Т6 – закалка и полное искусственное старение.
Силумины
· сплавы алюминия с кремнием – характеризуются хороши-ми литейными свойствами. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. Силумины имеют высокую коррозионную стойкость, низкую плотнос-ть, хорошо свариваются.
Сплав АК12 содержит 10 – 13 % кремния, по диаграмме – заэвтектический (рис. 1.2). Структура данного сплава состоит из эвтектики и крупноигольчатых кристаллов кремния (рис. 1.3, а), которые снижают пластичность и прочность сплава. Для улучшения структуры и повышения механических свойств силу-мины модифицируют фтористыми и хлористыми солями натрия. Натрий сдвигает эвтектическую точку диаграммы вправо и вниз, сплав становится до-эвтектическим (см. рис. 1.2).
Строение эвтектики измельчается, а вместо кристаллов кремния в структуре появляются кристаллы «мягкой» пластичной фазы – твердого раствора (рис. 1.3, б). Это приводит к увеличению относительного удлинения до 10 – 12 % и предела прочности – до 180 – 200 МПа.
а б
Рис. 1.3. Структура сплава АК12: до модифицирования (а) и после него (б)

Сплав АК12 термическому упрочнению не подвергается, из него отливают тонкостенные детали сложной формы и детали, испытывающие ударные нагрузки, к которым предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости.
Силумины легируют магнием, медью, марганцем, титаном и др. Наибольшее применение получили силумины с магнием (АК9), магнием и марганцем (АК9ч). Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения (корпусы компрессоров, картеры, головки цилиндров и т. п.). Их используют для литья под давлением тяжело-нагруженных деталей (блоков цилиндров, головок блоков автомобильных двигателей).
Сплавы алюминия с медью АМ5 характеризуются высокой прочностью при обычной и повышенной (до 300 °С) температуре, хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Литейные свойства у этих сплавов низкие (большая усадка, низкая герметичность), что объясняется отсутствием в их структуре эвтектики. Литейные и механические свойства данных сплавов улучшаются при легировании титаном и марганцем (АМ5Мц). Эти сплавы используются для отливок простой формы, их часто анодируют, так как сплавы имеют низкую коррозионную стойкость.
Магналины – сплавы алюминия с магнием (АМг10) – характеризуются высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свойства у этих сплавов низкие, их легирование титаном, цирконием и бериллием устраняет склонность к окислению и росту зерна, повышает вязкость и пластичность. Магналины широко применяют для деталей, работающих в условиях высокой влажности в судо-, ракето-, приборо- и авиастроении.
Жаропрочные литейные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АМ4,5Кд («алюминий – магний – медь – никель с добавками кадмия»), из которого изготавливают головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275 – 300 °С. Отливки используют после закалки и кратковремен-ного старения при 175 °С (Т5), поршни подвергают закалке и старению при 290 °С (Т7).
Легирование кремнием улучшает литейные свойства (сплав АК5М4). Для измельчения структуры и повышения жаропрочности сплав дополнительно легируют железом, марганцем, титаном. Предел прочности при режиме Т6 (закалка и полное искусственное старение) – 300 МПа, при режиме Т7 (закалка и стабилизирующий отпуск) – 230 МПа.
1.1.2.4. Порошковые сплавы алюминия – спеченные алюминие-вые порошки (САПы) и спеченные алюминиевые сплавы (САСы).
САПы – деформируемые жаропрочные материалы, получают их путем прессования и спекания алюминиевого порошка и окиси алюминия. Из брикетов изготавливают листы, прутки, трубы, профили и другие полу-фабрикаты. САПы хорошо обрабатываются резанием, свариваются, имеют вы-сокую коррозионную стойкость и термическую стабильность. По жаро-прочности они значительно превосходят другие алюминиевые сплавы при температуре до 300 – 500 °С, а максимальная температура кратковременной эксплуатации – 700 – 1000 °С.
Высокая жаропрочность САПов обеспечивается наличием окисной пленки на поверхности мелкодисперсных (0,1 – 0,01 мкм) частиц алюминиевого порошка. Содержание окиси алюминия в сплавах от 6 – 9 (САП1) до 18 – 22 % (САП4). С увеличением количества частиц окиси алюминия повышаются предел прочности сплава от 320 до 460 МПа и его жаропрочность.
САП1 хорошо обрабатывается давлением (ковка, штамповка, прессова-ние, прокатка) при температуре 450 – 570 °С. Предел прочности САП1 можно значительно увеличивать от 320 до 410 МПа нагартовкой (наклёпом). САП2, САПЗ, САП4 удовлетворительно прессуются, хуже прокатываются и штампуются при высокой температуре. САПы рекомендуется применять для деталей, работающих в условиях сильных коррозионных воздействий (паровоздушная среда при температуре 350 °С).
САСы – спеченные алюминиевые сплавы – получают брикетированием и деформированием порошков алюминия с порошками кремния, никеля, хрома и т. д. Иногда количественное соотношение порошков соответствует составу стандартных алюминиевых сплавов, но до 200 – 300 °С они обладают жаро-прочностью. Так, сплавы Д16П, АК4П (П – порошковый) имеют более высокую длительную прочность при нагреве по сравнению с Д16 и АК4.
САСы могут иметь особые физические свойства за счет изменения их состава. САС1 (25 – 30 % кремния, 5 – 7 % никеля, остальное
· алюминий) характеризуется сочетанием низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности. Это позволяет использовать его для изготовления деталей, работающих при 20 – 200 °С в паре со стальными. В таком сочетании не возникает большого термического напряжения при нагреве.
Изделия из САСов не имеют технологических дефектов, связанных с литьём (окисные и шлаковые включения, ликвация) и обработкой давлением (анизотропия свойств, плёны и др.), и не требуют гомогенизации.

Порядок выполнения работы

1) Изучить состав, структуру, свойства, маркировку и области применения чистого алюминия в зависимости от степени его чистоты.
2) Ознакомиться с классификацией алюминиевых сплавов по способам получения изделий и по способу их упрочнения.
3) Изучить состав, структуру, свойства, маркировку, способы упрочнения и области применения деформируемых алюминиевых сплавов.
4) Провести анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Cu) и влияния меди на структуру этих сплавов. Обосновать возможность упрочнения указанных сплавов закалкой с последующим старением. Кратко описать структурный механизм этих стадий термической обработки (структура сплава после закалки, после «зонного» и «фазового» старения).
5) Изучить особенности обработки дюралюмина «на возврат».
6) Изучить состав, структуру, свойства, маркировку, способы упрочнения и области применения литейных алюминиевых сплавов.
7) Провести анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Si) и влияния кремния на структуру этих сплавов. Обосновать возможность упрочнения данных сплавов модифицированием (структура сплава до и после модифицирования).
8) Ознакомиться со способами производства, с составом, структурой, свойствами, маркировкой и областями применения, преимуществами и недос-татками спеченных порошковых сплавов алюминия.

1.3. Содержание отчета

1) Свойства и маркировка алюминия. Классификация и маркировка его сплавов.
2) Краткая характеристика и группы деформируемых сплавов алюминия.
3) Анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Cu). Описание термичес-кой обработки (ТО) этих сплавов и механизма их упрочнения при естественном и искусственном старении.
4) Литейные сплавы алюминия, их группы по составу. Обозначение марок согласно ГОСТ 1583-93.
5) Анализ диаграммы состояния сплавов (Al – Si). Особенности упрочнения этих сплавов модифицированием.
6) Краткая характеристика порошковых сплавов алюминия (САПов и САСов).
7) Области применения алюминия и его сплавов.

1.4. Вопросы для самоконтроля

1) Какие марки алюминия применяются в качестве проводниковых материалов?
2) По каким признакам классифицируются и как маркируются алюминиевые сплавы?
3) Почему сплавы АМц и АМг не упрочняются термообработкой?
4) Чем объяснить возможность упрочнения ТО сплавов (Al – Cu)?
5) Как выбирается температура нагрева под закалку дюралюмина, с какой целью проводится закалка?
6) Почему при естественном старении фазовый состав дюралюмина не изменяется?
7) С чем связаны повышение прочности и снижение пластичности сплавов (Al – Cu) при искусственном старении?
8) Чем объясняется повышение прочности и пластичности силумина при модифицировании его фтористыми и хлористыми солями натрия?
9) В чем преимущества сплавов САП и САС перед литейными и деформируемыми сплавами алюминия?

Лабораторная работа 2

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Цель работы: изучить состав, свойства, маркировку меди и ее сплавов, их особенности и применение в технике.
2.1. Краткие теоретические сведения

2.1.1 Медь

Медь – металл красновато-розового цвета с плотностью 8940 кг/м3, температура плавления 1083 °С, кристаллическая решетка ГЦК, полиморфизмом не обладает. По тепло- и электропроводности медь занимает второе место после серебра (
· = 1,72
·10–8 Ом
·м).
Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной, морской воде и в атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц-1).
Механические свойства меди в прокатанном отожженном состоянии: предел прочности – 220 – 240 МПа, относительное удлинение – 45 – 50 %, твердость НВ – 350 – 450 МПа. Холодная пластическая деформация (наклёп) увеличивает предел прочности до 450 МПа и понижает относительное удлинение до 2 – 3 %. При наклёпе несколько снижается электропроводность. Для снятия наклёпа проводится отжиг при температуре 550 – 650 °С. Для подвесных проводов, где требуется прочность, применяют нагартованную медь или медь с упрочняющими добавками (например, около 1 % кадмия). Медь хорошо обрабатывается давлением (прокатывается в лист и ленту, протягивается в проволоку), легко полируется, хорошо паяется и сваривается, плохо обрабатывается резанием на станках и имеет низкие литейные свойства.
Согласно стандарту (ГОСТ 859-78) медь маркируется числом, стоящим после буквы М. Чем меньше число, тем более чистый металл (00 – высокочис-тая, 0 – чистая, 1, 2, 3 – технически чистая), например: М00 (99,99 % Cu), М4 (99,0 % Cu). Строчные буквы в конце марки обозначают технологию обработки металла: к – катодная; б – бескислородная; р, ф – раскисленная. Пример: медь М1к – медь технически чистая № 1 по ГОСТ 859-78 катодная.
Все примеси снижают тепло- и электропроводность меди, пластичность и коррозионную стойкость. Более других снижает электропроводность меди ее раскислитель фосфор. Кислород ухудшает пайку и лужение меди, вызывает при нагреве «водородную болезнь».
Медь применяется главным образом в электротехнике как проводник тока (марки М00 – M1), а также для различных теплообменников и в значительных количествах – для производства сплавов (марки М2 – M4).
Различают две основные группы сплавов: латуни (сплавы меди с цинком) и бронзы (сплавы меди с другими элементами, в состав которых в качес-тве рядового компонента может входить и цинк).

2.1.2. Латуни

Латуни подразделяются на простые – сплавы системы «медь – цинк» и сложные, содержащие другие элементы (никель, олово, алюминий и др.). Латуни широко применяются в приборостроении, в общем и химическом машиностроении. Их прочность выше, чем у меди, и они дешевле.
При концентрации цинка до 39 % латуни однофазны, их структура – кристаллы
·-твердого раствора цинка в меди (рис. 2.1, а; 2.2, а). С большим содержанием цинка латуни двухфазны, и их структура – кристаллы
·-твердого раствора и кристаллы
·'-фазы твердого и хрупкого соединения CuZn (рис. 2.1, б; 2.2, а).
а б
Рис. 2.1. Микроструктура двойных латуней (200-кратное увеличение): а – однофазных
·-латуней; б – двухфазных (
· +
·)-латуней

Максимальное относительное удлинение до 55 % имеют однофазные латуни при содержании 30 % цинка, с увеличением содержания цинка пластичность однофазных латуней понижается. Прочность латуней повышается с увеличением содержания цинка до 45 %, а затем под влиянием твердой и хрупкой
·'-фазы резко снижается (рис. 2.2, б). Такие сплавы в технике не используются.
Однофазные латуни со структурой
·-твердого раствора обрабатываются давлением только в холодном состоянии. Они применяются в виде труб, проволоки, холоднокатаных полуфабрикатов (листов, полос, лент, прутков для изготовления штампованных деталей). Однофазные латуни могут упрочняться наклёпом. Рекристаллизационный отжиг для снижения твердости и восстановления пластичности проводят при температуре 600 – 700 °С.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
а б
Рис. 2.2. Влияние цинка на структуру и свойства простых латуней:
а – диаграмма состояния системы Cu – Zn; б – влияние содержания цинка на механические свойства латуней

Двухфазные латуни (более 39 % цинка) обрабатываются давлением только в горячем состоянии при температуре выше 454 °С, когда твердая и хрупкая
·'-фаза переходит в пластичную
·-фазу, а примеси вследствие перекристаллизации находятся не по границам, а внутри зерен (см. рис. 2.2, а).
Маркировка латуней начинается с буквы Л. В зависимости от назначения и метода обработки латуни делят на литейные (ГОСТ 17711-80) и обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-70). В марке латуни, обрабатываемой давлением, после буквы Л указывается содержание меди в весовых процентах. Затем идет перечень всех букв легирующих элементов, входящих в состав сплава. Содержание этих элементов (в весовых процентах) указывается в конце марки через тире в том же порядке, что и указанные легирующие вещества. Содержание главного легирующего элемента в латуни (цинка) получается как остаток до 100 %. Пример: латунь ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 – обрабатываемая давлением латунь содержит 75 % меди, легирована 2 % алюминия, 2 % никеля, 0,5 % кремния, 0,5 % марганца, остальное – цинк. ГОСТ 15527-70.
В марке литейной латуни после буквы Л стоит буква Ц и сразу указывается содержание цинка (в весовых процентах). Далее в таком же порядке приводятся остальные легирующие элементы (табл. 1) с указанием их содержания. Медь – остальное. Пример: латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 – литейная латунь с содержанием 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца, остальное – медь. ГОСТ 17711-80.
Алюминиевые латуни. Латуни с содержанием алюминия до 4,5 % однофазны (например, ЛА77-2), хорошо обрабатываются давлением, применяются для конденсаторных трубок. Латуни марок ЛАН59-3-2, ЛАЖ60-1-1 и ЛЖМц50-1-1 используются для изготовления труб, листов, полос, прутков, проволоки.
Никелевая латунь ЛН65-5 характеризуется высокими антикоррозионными свойствами, высокой прочностью и вязкостью. Хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Широко применяется в морском судостроении. Оловянистые латуни имеют высокую коррозионную стойкость в морской воде, их называют морскими, корабельными, или адмиралтейскими, например, ЛО 70-1, ЛО 62-1.
Свинцовистые латуни получили название «автоматные» (ЛС74-3, ЛС59-1, ЛЖС58-1-1), их применяют для изготовления деталей горячей штамповкой с последующей обработкой на станках. Свинец вводят в двухфазные латуни для улучшения обрабатываемости резанием.
Кремнистые латуни характеризуются хорошей свариваемостью и легко обрабатываются резанием (ЛК80-3). Однако чаще эти латуни используются как литейные (повышенная жидкотекучесть), например, ЛЦ14К3С3. Литейные латуни, от которых не требуется высокой пластичности, содержат больше легирующих элементов с повышенной концентрацией, что улучшает их свойства (например, ЛЦ30А6Ж3Мц2).

2.1.3. Бронзы

Бронзы – сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами.
Маркировка бронзы начинается с букв Бр. В зависимости от состава, назначения и метода обработки бронзы делят на литейные оловянные (ГОСТ 613-79) и безоловянные (ГОСТ 493-79); обрабатываемые давлением оловянные (ГОСТ 5017-74) и безоловянные (ГОСТ 18175-78).
В марке литейной бронзы после обозначения Бр стоят буквы, обозначающие легирующие элементы, и сразу после них указывается число весовых процентов данного элемента (середина марочного интервала). Примеры: бронза БрО5Ц5С5 – литейная бронза с содержанием 5 % олова, 5 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь. ГОСТ 613-79; бронза БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 – литейная бронза с содержанием 7 % алюминия, 15 % марганца, 3 % железа, 2 % никеля, 2 % цинка, остальное – медь. ГОСТ 493-79.
Обрабатываемые давлением бронзы имеют в марке после Бр обозначение всех букв легирующих элементов, входящих в состав сплава. Содержание всех этих элементов (в весовых процентах) указывается в конце марки через тире в том же порядке, что и указанные легирующие компоненты. Примеры: бронза БрОЦС4-4-4 – обрабатываемая давлением бронза с содержанием 4 % олова, 4 % цинка, 4 % свинца, остальное – медь. ГОСТ 5017-74; бронза БрАЖНМц 9-4-4-1 – обрабатываемая давлением бронза с содержанием 9 % алюминия, 4 % железа, 4 % никеля, 1 % марганца, остальное – медь. ГОСТ 18175-78.
Оловянные бронзы – сплавы меди с оловом с добавлением фосфора, цинка, свинца. В деформированном и отожженом состоянии при содержании олова до 5 – 6 % бронзы однофазны, их структура – кристаллы
·-твердого раствора олова в меди (рис. 2.3, а). Эти бронзы пластичны, используются как деформируемые. При содержании олова более 6 % в структуре литейных бронз появляется вторая фаза –
· (Cu31Sn8) в составе эвтектоида (
· +
·) (рис. 2.3, б). Пластичность оловянной бронзы резко снижается, возрастают прочность и твердость. Двухфазные бронзы не деформируются и применяются для получения отливок, они имеют малую литейную усадку (менее 1 %) и используются для получения сложных отливок (в том числе художественного литья), но отличаются пониженной жидкотекучестью и низкой плотностью отливок (пористостью).
Для улучшения свойств двухфазные бронзы легируют фосфором, цинком, свинцом, никелем. Фосфор повышает жидкотекучесть, твердость, прочность и антифрикционные свойства. Наиболее распространена бронза Бр О10Ф1. Цинк удешевляет бронзу (как заменитель олова), растворяясь в меди, на структуру не влияет, предупреждает пористость отливок. Свинец нерастворим в меди, улучшает антифрикционные свойства бронз и, главное, улучшает обрабатываемость резанием (облегчает дробление стружки). Такие бронзы используют для деталей, работающих в узлах трения, а также для водяной и паровой арматуры (Бр О6Ц6С3, Бр О3Ц11С5, Бр О5Ц5С6 и др.). Для арматуры, работающей под давлением до 25 атмосфер, применяют бронзу с никелем (Бр О3Ц7С5Н1), который повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок, уменьшает ликвацию.


а б
Рис. 2.3. Микроструктура оловянной бронзы с 5 % олова:
деформированная и отожженная (а); литая (б)

Алюминиевые бронзы – сплавы меди с алюминием, в которые для улучшения свойств вводят железо, никель, марганец. Эти бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными свойствами и повышенной жаропрочностью. Растворимость алюминия в меди до 9,5 %, но в реальных условиях охлаждения бронзы имеют однофазную структуру с содержанием алюминия только до 6 – 8 %. При большем его содержании структура будет двухфазна:
·-твердый раствор и
·-фаза (Cu32AI19). Эта фаза характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, поэтому содержание алюминия в бронзах редко превышает 10 %, так как снижается не только их плас-тичность, но и прочность.
Однофазные деформируемые бронзы (Бр А5, Бр А7) обладают наилучшим сочетанием прочности и пластичности, хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии и могут упрочняться наклёпом. Двухфазные бронзы используются в литейном производстве. Их легируют железом, которое оказывает модифицирующее действие на структуру, повышает прочность, снижает хрупкость, улучшает антифрикционные свойства (Бр А9Ж4). Никель улучшает механические и технологические свойства бронз, повышает жаропрочность и коррозионную стойкость бронз (Бр А10Ж4Н4), а главное, вследствие переменной растворимости позволяет подвергать бронзы термическому упрочнению (закалка + старение).
Жаропрочность и коррозионную стойкость придает бронзам марганец, который дешевле никеля. Бронза Бр А9Мц2 используется для деталей арматуры, работающей при температуре до 250 °С, а бронза Бр АЖМц 10-3-1,5 применяется для ответственных деталей, работающих в условиях трения (втулки, шестерни, червячные колеса и т. п.).
Алюминиевые двухфазные бронзы при закалке с 950 – 980 °С в воде претерпевают бездиффузионное превращение по типу мартенситного. «Медный мартенсит» (решетка ГПУ) имеет низкую твердость (220 – 200 НВ). В период старения при температуре 400 °С «медный мартенсит» распадается на мелкодисперсный эвтектоид (типа троостита в сталях) с твердостью 350 – 400 НВ. Старение при температуре 600 – 650 °С обеспечивает получение структуры эвтектоида с твердостью 280 – 300 НВ (типа сорбита в сталях). Например, твердость бронзы Бр АЖН 10-4-4 после закалки с 980 °С и старения (отпуска) при температуре 400 °С в течение двух часов увеличивается с 160 до 400 НВ. Алюминиевые бронзы используются как кавитационно-стойкие. Наибольшую устойчивость к кавитации имеют закаленные бронзы.
Бериллиевая бронза содержит 2 % бериллия (Бр Б2). Из всех бронз бериллиевая обладает наилучшим комплексом свойств. Структура бронзы состоит из
·-твердого раствора и эвтектоида: смеси
·- и
·-фаз. Гамма-фаза – химическое соединение CuBe. Растворимость бериллия в меди резко меняется в зависимости от температуры, и это позволяет подвергать бронзу термическому упрочнению. После закалки с 780 °С в воде бронза имеет высокую пластичность (
· = 40 %). Старение при температуре 300 – 350 °С в течение 2 – 3 часов увеличивает предел прочности до 140 МПа и твердость до 350 – 400 НВ. Бериллиевая бронза отличается высоким пределом прочности и упругости, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенным сопротивлением усталости и изнашиванию, хорошими антифрикционными свойствами, она относится к теплостойким материалам и устойчиво работает при температуре до 300 °С, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, не дает искры при ударах, хорошо обрабатывается резанием и сваривается контактной сваркой. Недостаток бериллиевой бронзы – ее высокая стоимость. Бериллиевая бронза поставляется в виде деформированных полуфабрикатов (полос, лент, прутков, проволоки), используется для качественных фасонных отливок. Из нее изготавливают упругие элементы точных приборов (плоские пружины, пружинящие электроконтакты, мембраны), детали, работающие на изнашивание (кулачки, шестерни, ударники, втулки), детали ударных механизмов и ударный инструмент для взрывоопасных условий.
Кремнистые бронзы применяются как заменители дорогостоящих оловянных и бериллиевых бронз. Они содержат до 3 % кремния, имеют хорошие литейные и высокие механические свойства, устойчивы против коррозии, обладают теплостойкостью до 500 °С, легируются марганцем и никелем. Марганец повышает упругость кремнистых бронз. Бронза Бр КМц 3-1 поставляется в виде листов, лент, прутков, проволоки; используется для пружин, втулок, клапанов и т. п. Ответственные детали, работающие в тяжелых условиях (высокотемпературное изнашивание), изготавливают из бронзы Бр КН 1-3. Эти бронзы упрочняются термической обработкой – закалкой с 850 °С в воде с последующим старением при температуре 450 °С.
Свинцовые бронзы. Свинец не растворяется в меди, поэтому сплавы двухфазны и состоят из зерен меди и включений свинца. Такая гетерогенная структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства свинцовых бронз. Для вкладышей подшипников, работающих с большой скоростью трения и при повышенном давлении, в основном применяется бронза Бр С30, по теплопроводности она значительно превосходит оловянную бронзу, но имеет низкие механические свойства. При изготовлении вкладышей эту бронзу часто наплавляют ровным слоем на стальные ленты (на основу). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.
Кадмиевая бронза (Бр Кд0,9) при небольшом снижении удельной электропроводности обладает высокими механическими свойствами: прочностью, твердостью, износостойкостью. Эту бронзу применяют в качестве контактного провода для электрифицированного транспорта и для изготовления коллекторных пластин в электрических машинах.

2.1.4. Сплавы меди с никелем и другими металлами

Эти сплавы однофазны, со структурой твердых растворов, поставляются они в виде полуфабрикатов – листов, полос, проволоки. Медно-никелевые сплавы (ГОСТ 492-73) характеризуются особыми физическими и химическими свойствами. Коррозионностойкими сплавами являются мельхиоры (система Cu – Ni), нейзильберы (система Cu – Ni – Zn, 5 – 35 % никеля и 13 – 45 % цинка) и куниали (система Cu – Ni – Al). Марка таких сплавов начинается с буквы М (медь), затем идут буквы легирующих элементов и в конце в том же порядке – среднее содержание этих веществ в весовых процентах.
Мельхиор – МН19 (19 % никеля) и нейзильбер – МНЦ15-20 (15 % никеля, 20 % цинка) обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, применяются в приборостроении, для бытовых изделий, посуды и украшений. Для изделий высокой прочности и коррозионной стойкости (кроме азотной кислоты) используется сплав монель МНЖМц 68-2,5-1,5 (68 % никеля; 2,5 % железа; 1,5 % марганца).
Сплавы меди с никелем и марганцем применяются как реостатные. В измерительных схемах и для прецизионных сопротивлений с рабочей температурой до 200 °С используется манганин – МНМц 3-12 (3 % никеля, 12 % марганца). Максимальным электросопротивлением и термоЭДС обладают константан – МНМц 40-1,5 (40 % никеля; 1,5 % марганца) и копель – МНМц 45-0,5 (45 % никеля; 0, 5 % марганца), которые используются в основном для изготовления термопар с рабочей температурой до 500°С.

2.2. Порядок выполнения работы

1) Ознакомиться с составом, маркировкой, свойствами и областью применения меди и ее сплавов.
2) Изучить состав, маркировку, свойства и применение простых и сложных латуней.
3) Изучить влияние содержания цинка на структуру и механические свойст-ва латуней.
4) Изучить влияние содержания олова и других элементов на структуру и механические свойства бронз.
5) Ознакомиться с упрочняющей термической обработкой алюминиевых, кремнистых и бериллиевых бронз и получаемыми при этом свойствами указанных бронз.
6) Изучить состав, маркировку, свойства и применение сплавов меди с никелем.


2.3. Содержание отчета

1) Структура меди, расшифровка и область применения марок меди.
2) Структура латуни, расшифровка и область применения марок латуней.
3) Структура бронзы, расшифровка марки, химический состав, механи-ческие свойства бронз и область их применения.
4) Графики режима термообработки алюминиевых, кремнистых и бериллиевых бронз. Структура и свойства этих бронз после термической обработки.

2.4. Вопросы для самоконтроля

1) Медь. Основные свойства (физические, химические, технологические, механические).
2) Методы повышения прочности меди без существенного снижения электропроводности.
3) Маркировка меди, влияние примесей на электропроводность и другие ее свойства.
4) Простые латуни (одно- и двухфазные), маркировка деформируемых и литейных латуней, их применение.
5) Характеристика сложных латуней (алюминиевых, никелевых, свинцовистых, кремнистых). Влияние легирующих элементов на их структуру и свойства.
6) Бронзы – классификация, состав, структура, маркировка, применение.
7) Бронзы, упрочняемые термообработкой, режимы, получаемые свойст-ва, области применения.
8) Характеристика сплавов меди с никелем (состав, структура, маркировка, применение).

Лабораторная работа 3

АНТИФРИКЦИОННЫЕ (ПОДШИПНИКОВЫЕ) СПЛАВЫ

Цель работы: изучить требования, предъявляемые к сплавам для подшипников скольжения, их состав, структуру, маркировку, свойства и применение антифрикционных сплавов.
3.1. Краткие теоретические сведения

Опорами вращающегося вала или оси являются подшипники. Несмотря на широкое применение подшипников качения (шариковых, роликовых, игольчатых) подшипники трения скольжения часто используются в ответственных тяжелонагруженных узлах трения. Подшипник может быть цельным – втулочным или состоять из двух половин – вкладышей.
Сплавы, из которых изготавливают вкладыши (или только их рабочую часть), называются подшипниковыми. Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие минимальный коэффициент трения между поверхностью вкладыша подшипника и шейкой вала.
Основные требования к подшипниковым сплавам:
низкий коэффициент трения при работе в паре с валом;
высокая теплопроводность для отвода теплоты из зоны контакта поверхностей трения;
достаточно высокие прочность (способность выдерживать повышенное удельное давление – сопротивление выдавливанию), ударная вязкость, циклическая прочность (сопротивление выкрашиванию) и теплостойкость (способность работать при повышенной «рабочей» температуре);
хорошая прирабатываемость к шейке вала (способность за короткое время принимать форму поверхности шейки), что снижает удельное контактное давление, способность поглощать продукты изнашивания;
наименьшая интенсивность изнашивания поверхностей подшипника (твердость ниже, чем у вала) и особенно вала (подшипник сменить легче);
хорошая удерживаемость смазки (способность в процессе приработки образовывать на поверхности трения «маслоудерживающий» рельеф);
сопротивление коррозии (в состав смазки могут входить кислоты, щелочи и другие агрессивные присадки);
удовлетворительные технологические свойства: низкая температура заливки, высокая адгезия к поверхности вкладыша, хорошая обрабатываемость резанием и др.;
невысокая стоимость (стоимость изготовления и замены вкладыша должна быть дешевле, чем стоимость замены вала).
Для выполнения большинства эксплуатационных требований структура антифрикционного сплава может быть только неоднородной (гетерогенной), она должна состоять из «мягкой» основы, которая обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к шейке вала, задиростойкость, ударную вязкость, поглощение продуктов изнашивания и образование при ее изнашивании «маслоудерживающего рельефа» с равномерно распределенными в ней твердыми включениями – опорными частицами, обеспечивающими прочность, теплостойкость, износоустойчивость, образование зазора между изношенной мягкой основой и шейкой вала, который заполняется смазкой (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема работы антифрикционного сплава

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы можно разделить на группы:
1) металлические – черные (стали и чугуны), желтые (латуни и бронзы), белые (баббиты, сплавы алюминия и цинка);
2) неметаллические – полимерные, древесные, графитовые и др.;
3) композиционные – металлополимерные, графитометаллические и др.
Черные сплавы – медистые и графитизированные стали, порошковые композиции на железной основе и антифрикционные чугуны, которые в свою очередь делятся на серые (АЧС-1; АЧС-2), ковкие (АЧК-1; АЧК-2) и высокопрочные (АЧВ-1; АЧВ-2). Они имеют невысокую стоимость, выдерживают значительные удельные давления, износостойкие. Основной их недостаток – высокий коэффициент трения. Рекомендуются для изготовления подшипников с малой скоростью вращения вала.
Желтые подшипниковые сплавы – латуни и бронзы – применяются в ответственных подшипниках, работающих с большим удельным давлением, с ударными нагрузками, при большой скорости. Основной их недостаток – высокая стоимость. В качестве подшипниковой в основном используется свинцовая бронза, содержащая 30 % свинца (БрС30), структура которой такова: твердая основа – твердый раствор (практически чистая медь), мягкие включения – поры, заполненные свинцом (рис. 3.2).
Белые антифрикционные сплавы на основе олова и свинца называются баббитами. Применение мягких легкоплавких подшипниковых сплавов обеспечивает лучшую сохранность шейки вала. Баббиты имеют минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку, ввиду низкой прочности этих сплавов их наносят заливкой на рабочую поверхность стального или бронзового вкладыша.
Оловянный баббит Б83 – сплав сис-темы Sn–Sb–Cu (таблица). С целью упрочнения слишком мягкого (НВ 50 МПа) и пластичного (
· = 40 %) олова в сплав добавляют сурьму (11 %), и структура его становится гетерогенной.

Характеристики подшипниковых сплавов
Марка сплава
Среднее содержание элементов, %
Структура
Свойства



«мягкая» основа
«твердые» включения

·в, МПа

·, %
НВ, МПа
KCU, КДж/м2
Коэф. трения
со смазкой
Рабочая температура, °С

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

БрС30
Cu – 70;
Pb – 30
Pb
Cu
75
5
28
76,5
0,009
120

Б83
Sn – 83;
Sb – 11; Cu – 6
Твердый раствор
Sn Sb
Cu3Sn
90
6
30
60
0,005
70

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Б16
Pb – 66;
Sn – 16;
Sb – 16;
Cu – 2
Эвтектика
Sn Sb
Cu2Sb
78
0,2
30
14
0,006
70

БКА
Pb – 97;
Са – 1,15;
Na – 0,9;
А1 – 0,2;
Zn – 0,1
Твердый раствор
Pb3Ca, Pb3Na
95
2,5
32
80
0,004
70

ЦАМ10-5
Zn – 85;
А1 – 10;
Cu – 5
Эвтектика
CuZn3
250
0,4
100

0,007
80


Одна фаза – «мягкая» основа баббита – твердый раствор сурьмы (и частично меди) – в олове обладает большой твердостью и прочностью при сохранении высокой пластичности. Другая фаза – химическое соединение олова и сурьмы – SnSb. Крупные кристаллы этого соединения – «твердые» включения – имеют высокую твердость. Таким образом, сурьма упрочняет «мягкую» основу баббита и способствует образованию «твердых» включений.
Сплавы «олово – сурьма» характеризуются свойством неоднородности (ликвации по удельному весу). Для предупреждения этого явления вводится медь, которая, практически не растворяясь в олове, образует кристаллы Cu3Sn (Cu6Sn5). Эти кристаллы игольчатой формы, зарождаясь первыми при кристаллизации из жидкости, создают как бы «скелет» сплава и препятствуют его расслоению (рис. 3.3, б). Кроме того, в структуре баббита указанные кристаллы выполняют роль «твердых» включений.
Сравнительные характеристики некоторых фрикционных материалов приведены в таблице.
Баббит Б83 характеризуется наилучшим сочетанием антифрикционных и механических свойств, высокой коррозионной стойкостью. Из-за дефицитности олова баббит Б83 используется только в особо ответственных скоростных узлах трения для вкладышей тяжелонагруженных подшипников (мощные паровые турбины, турбокомпрессоры, турбонасосы и т. п.).
Для изготовления подшипников более широкого применения (в прокатных станах, автотракторных двигателях – машинах средней нагруженности) в баббитах основным компонентом является свинец.
Свинцово-оловянно-сурьмяный баббит Б16 – сплав системы Рb–Sn–Sb–Cu. Олово частично растворяется в свинце. Свинец (точнее, твердый раствор) и сурьма образуют эвтектику (НВ18). Олово с сурьмой, как и в Б83, образуют кристаллы SnSb, а медь с сурьмой – химическое соединение Cu2Sb (рис. 3.3, а) Это соединение играет ту же роль, что и Cu3Sn в оловянном баббите, т. е. предупреждает ликвацию по плотности.
«Мягкую» основу структуры сплава составляет эвтектика: кристаллы свинца (точнее, твердого раствора) и кристаллы твердого раствора олова и свинца в сурьме. Крупные кристаллы SnSb и кристаллы Cu2Sb – «твердые» включения. Баббит Б16 отличается пониженной пластичностью, так как «мягкая» основа структуры – эвтектика.
На железнодорожном транспорте сплав Б16 используется для заливки вкладышей моторно-осевых подшипников тяговых двигателей локомотивов.





а б в
Рис. 3.3. Структура баббитов (300-кратное увеличение): а – Б16; б – Б83; в – БКА

Наиболее дешевым является свинцовый баббит, который часто называют по второму компоненту кальциевым: БКА – сплав системы Pb–Са–Na–А1–Zn (см. таблицу). Кальций практически не растворяется в свинце и образует с ним химическое соединение Pb3Са. Натрий (до 0,4 %), весь алюминий и цинк, растворяясь в слишком мягком (НВ = 40 МПа) и пластичном (
· = 45 %) свинце, повышают его твердость и прочность, тем самым улучшают механические и антифрикционные свойства сплава. Нерастворившаяся часть натрия образует со свинцом химическое соединение Pb3Na. Структура кальциевого баббита: «мягкая» основа – твердый раствор натрия, алюминия и цинка в свинце: «твердые» включения – Pb3Ca, Pb3Na (рис. 3.3, в).
Свинцовые баббиты имеют невысокую стоимость, так как не содержат дефицитных элементов. Сплав БКА быстрее прирабатывается к шейке оси и не требует тщательной пригонки «по месту», имеет б
·льшие, чем оловянный, твердость и прочность, используется в тяжелонагруженных узлах трения (вагоно-, судо-, дизелестроение и т. п.).
К белым антифрикционным сплавам относятся также сплавы ЦАМ системы Zn–А1–Cu. «Мягкая» основа структуры этих сплавов – эвтектика [Zn + + Al + CuZn3], а «твердые» включения – кристаллы химического соединения CuZn3. Сплавы ЦАМ10-5 и ЦАМ5-10 уступают баббитам на оловянной основе по пластичности, коэффициентам трения и линейного расширения. Они примерно равноценны свинцовым баббитам, но в три раза превосходят их по прочности.
Металлокерамические композиционные подшипниковые сплавы получают прессованием и спеканием порошков, например, смеси порошка бронзы или железа с графитом (1 – 4 %). Пористость сплава после спекания составляет 15 – 30 %. Сплавы пропитывают смазками, что способствует снижению коэффициента трения и износа подшипникового узла.

3.2. Порядок выполнения работы

1) Ознакомиться с условиями эксплуатации подшипников трения скольжения.
2) Изучить требования, предъявляемые к подшипниковым сплавам.
3) Уяснить классификацию подшипниковых сплавов, их химический сос-тав и применение.
4) Исследовать под микроскопом структуру сплавов, определить их структурные составляющие («мягкую» основу и «твердые» включения).

3.3. Содержание отчета

1) Требования к подшипниковым сплавам.
2) Классификация подшипниковых сплавов (привести примеры).

3) Зарисовка наблюдаемой структуры сплава (указать структурные сос-тавляющие).
4) Марка определяемого сплава, его химический состав и область при-менения.

3.4. Вопросы для самоконтроля

1) Какие требования предъявляются к подшипниковым сплавам?
2) Какой из подшипниковых сплавов имеет наименьшую стоимость и используется при малой скорости трения?
3) Какой из подшипниковых сплавов может выдерживать значительные удельные давления при большой скорости трения?
4) Какой подшипниковый сплав обеспечивает меньший износ шейки вала, минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживает смазку?
5) Химический состав и структура баббита Б83 («мягкая» основа, «твердые» включения).
6) Химический состав и структура баббита Б16 («мягкая» основа, «твердые» включения).
7) Химический состав и структура баббита БКА («мягкая» основа, «твердые» включения).
8) Какие сплавы используются для изготовления изделий железнодорожного транспорта?
9) Каковы особенности сплавов ЦАМ?
10) Характеристика металлокерамических композиционных сплавов.

Библиографический список

Бычков Г. В. Материаловедение: Конспект лекций / Г. В. Бычков, А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. Ч. 2. 54 с.
Солнцев Ю. П. Материаловедение: Учебник / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин. СПб : Химиздат, 2007. 784 с.



Учебное издание

РАУБА Александр Александрович,
РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,
ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ «СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ»
Учебно-методическое пособие
_______________________________


Редактор Н. А. Майорова
Корректор И. А. Сенеджук

***

Подписано в печать .01.2015. Формат 60 ( 84 1/16.
Офсетная печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,2. Уч.-изд. л. 2,5.
Тираж 250 экз. Заказ .


**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа


*


644046, г. Омск, пр. Маркса, 35











13PAGE 142115


13PAGE 14815


Рис. 1.1. Выбор температуры нагрева под закалку дюралюмина (4 % Cu)

Рис. 1.2. Диаграмма состояния Al – Si до (–––) и после (--------) модифицирования




·-твердый раствор



·-твердый раствор

эвтектика


включения кремния



· - фаза


· - фаза

Двойники

Микрокапилляры для смазки

Твердые опорные частицы

Мягкая
основа

Подшипник

Вал

Cu

Pb

Рис. 3.2. Структура свинцовистой бронзы БрС30


Cu6Sn5

Pb3Ca

твердый
раствор

тройная
эвтектика

эвтектика

SnSb



Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 4 Заголовок 5 Заголовок 6 Заголовок 7 Заголовок 8 Заголовок 915

Приложенные файлы

  • doc 5805329
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий