Классификация и маркировка цветных сплавов

Алюминиевые, магниевые и титановые сплавы широко применяются в авиационной промышленности. Изделия из легких сплавов используют в строительстве, транспортном машиностроении, приборостроении, судостроении и других отраслях промышленности. Медь обладает высокой электрической проводимостью и широко применяется в электротехнике; она является также основой многих важных промышленных сплавов (например, латуней, бронз и др.). Основой многих жаростойких, жаропрочных и электротехнических сплавов является никель. Одновременно он часто используется как легирующий элемент в специальных сталях. В качестве конструкционных материалов для новой техники широко используют тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, ниобий, хром и др.), а также сплавы на их основе.

Медь – химический элемент I группы Периодической системы, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь – металл красного цвета, в изломе розового цвета, температура плавления 1083ºС, обладает ценными техническими и технологическими свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, достаточной коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением, сваривается всеми видами сварки, легко поддается пайке, прекрасно полируется. У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность.

По характеру взаимодействия с медью легирующие элементы и примеси разделяют на три группы:

1 Элементы (Аg, А1, Аs, Аu, Сd, Fе, Ni, Рt, Р, Sb, Sn, Zn), взаимодействующие с медью с образованием твердых растворов. Они повышают ее прочность, но при этом существенно уменьшаются значения (в первую очередь, из-за присутствия сурьмы и мышьяка) тепло- и электропроводности.

2 Элементы (Вi, Рb), практически нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики. Возникновение эвтектик по границам зерен приводит к разрушению слитков меди в процессе их горячей прокатки (явление красноломкости). Повышенное (более 0,005%) содержание висмута вызывает хладноломкость меди.

3. Элементы (Sе, S, O, Те и др.), образующие с медью хрупкие химические соединения (например, Сu₂0, Сu₂S). Увеличение содержания серы в меди, с одной стороны, обеспечивает повышение качества ее механической обработки (резанием), с другой стороны, вызывает хладноломкость меди. Присутствие кислорода в меди является причиной ее «водородной болезни», проявляющейся в образовании микротрещин и разрушении при отжиге (t>400°С) в водородсодержащей среде. В данном случае водород, активно диффундирующий в металл, отнимает кислород у закиси меди Сu₂O с образованием паров воды. В металле возникают области с высоким давлением, вызывающим разрушение материала.

Различают две основные группы медных сплавов: 1) латуни – сплавы меди с цинком; 2) бронзы – сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими механическими и технологическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

Латуни обозначают буквой Л и цифрой, указывающей массовое содержание меди в сплаве в процентах (например, Л96, Л63). Если латунь легирована наряду с цинком другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов: С – свинец; О – олово; Ж – железо; А – алюминий; К – кремний, Мц – марганец; Н – никель. Числа после букв показывают массовое содержание меди и последующих (согласно буквам) легирующих элементов, кроме цинка (например, ЛАН59-3-2 содержит – 59% Сu, 3% Аl, 2% Ni, Zn – остальное).

Маркировка литейных латуней начинается также с буквы Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего (как в сталях) ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. По сравнению с медью латуни обладают большей прочностью, твердостью, коррозионной стойкостью и жидкотекучестью.

Бронзы маркируют буквами Бр; затем буквами последовательно указывают легирующие элементы и в конце их содержание в сплаве. Обозначение элементов в бронзах то же, что и при маркировке латуней. Кроме того, фосфор обозначают буквой Ф, цинк – Ц, хром – Х, бериллий – Б, цирконий – Цр.

Оловянные бронзы по структуре бывают однофазными (α-твердый раствор олова в меди) и двухфазными, состоящими из α- и δ(Сu₃₁Sn₈)-фаз. Обычно δ-фаза выделяется при содержании олова, большем 7–9%. Она повышает твердость и хрупкость бронз.

Деформируемые оловянные бронзы (БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5) имеют однофазную структуру (α-твердый раствор), поскольку содержат до 7% Sn. Их дополнительно легируют фосфором (до 0,4%), цинком (до 4%) и свинцом (до 2,5%). Полуфабрикаты (лента, проволока, прутки) поставляются как в нагартованном, так и отожженном виде. Из них изготавливают упругие элементы (пружины, мембраны и др.). По усталостным характеристикам они уступают лишь бериллиевой бронзе.

Литейные оловянные бронзы (БрО3Ц12С5, БрОЗЦ7С5Н1, БрО5Ц5С5, БрО5С25, БрО10Ф1) имеют двухфазную структуру (α и δ). По сравнению с деформируемыми литейные бронзы содержат большее количество легирующих элементов (цинка, свинца, фосфора). Оловянные бронзы склонны к образованию усадочной пористости, что вызвано широким интервалом (150–200°С) кристаллизации сплавов. Для них характерна невысокая жидкотекучесть, но в то же время малая линейная усадка. Оловянные бронзы коррозионностойки и обладают высокими антифрикционными свойствами.

Алюминиевые бронзы могут быть как двойными (например, ВрА5), так и дополнительно легированными никелем, марганцем, железом и др. Содержащие до 4–5% А1 бронзы характеризуются высокой пластичностью. Алюминиевые бронзы бывают деформируемыми и литейными.

Кремнистые бронзы (БрКМц3-1) характеризуются хорошей прочностью и пластичностью. Они немагнитны, морозостойки. Никель и марганец повышают механические и коррозионные свойства кремнистых бронз. Сплавы свариваются, подвергаются пайке.

Бериллиевые бронзы обладают высокими механическими (в частности, упругими) свойствами, стойкостью против коррозии и удовлетворительной электро- и теплопроводностью, хорошо свариваются. Широко известны бронзы, содержащие 1,6–2,6% Ве, 0,2–0,5% Ni, 0,1–0,25% Тi/

Хромовые бронзы (БрХО 0,5) обладают высокими механическими свойствами, хорошей электро- и теплопроводностью, повышенной температурой рекристаллизации (450–500°С). Бронзы содержат 0,4–1% Сr, 0,2% Аg. Серебро повышает механические свойства и температуру рекристаллизации бронз. Бронзы упрочняются закалкой (~950°С) в воде и последующим старением (400 °С, 6 ч).

Циркониевые бронзы сочетают в себе высокую тепло- и электропроводность, близкую к меди, и жаропрочность (в частности, сопротивление ползучести), Бронзы содержат 0,1–0,8% Zr (БрЦр0,2–БрЦр0,7). Упрочняются они комплексной обработкой: закалкой (~920°С), последующей холодной пластической деформацией (степень деформации до 75%) и старением (~450°С, 1 ч). При старении из α-твердого раствора выделяется упрочняющая фаза (Сu₃Zr).

Области применения меди и ее сплавов весьма разнообразны. Чистая медь широко используется в электротехнике, в различного рода теплообменниках. Из высокотехнологичных латуней получают изделия глубокой вытяжкой (радиаторные и конденсаторные трубки, сильфоны, гибкие шланги). Латуни, содержащие свинец, используют при работе в условиях трения (в часовом производстве, в типографских машинах).

Оловянные бронзы применяют для литья художественных изделий. При дополнительном легировании фосфором их используют для изготовления деталей, работающих на трение в коррозионной среде: подпятники, подшипники, уплотняющие втулки, пояски поршневых колец, клапаны. Алюминиевые бронзы прежде всего используются в качестве заменителей оловянных. Высокопрочные алюминиевые бронзы идут на изготовление шестерен, втулок, подшипников, пружин, деталей электрооборудования. Из бериллиевой бронзы делают детали точного приборостроения, упругие элементы электронных приборов и устройств, мембраны. Для менее ответственных деталей используют кремнистые бронзы. Хромовые и циркониевые бронзы применяют в двигателестроении.

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки А1₂О₃. Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возникают осложнения, одной из причин которых является налипание металла на инструмент.

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах - Сu, Zn, Мg, Ni, Fе, Мn. Они формируют упрочняющие зоны и фазы. Марганец одновременно повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики. Ni, Тi, Сr, Fе повышают жаропрочность сплавов, затормаживая процессы диффузии и образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло- и электропроводность алюминия, а железо – его коррозионную стойкость.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время одновременно «сосуществуют» две маркировки сплавов: старая буквенно-цифровая (табл. 6) и новая цифровая (рис. 68). Наряду с этим имеется буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава (табл. 7).

Классификация алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы в основном подразделяются на деформируемые и литейные, поскольку в производстве порошковых (в том числе и гранулируемых) сплавов и композиционных материалов в той или иной мере используются процессы пластической деформации и литья.

Рисунок 68 – Принципы цифровой маркировки алюминиевых сплавов

Таблица 6 – Буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов

Принцип классификации	Сплав
Название	Обозначение
По химическому составу По названию сплава По технологическому назначению По свойствам По методу получения полуфабрикатов и изделий По виду полуфабрикатов	– Дуралюмин Ковочный Высокопрочный Спеченный литейный Проволочный	АМг, АМц Д1, Д6 АК6, АК8 В95, В96 САП, САС, АЛ2 Амг5П

Таблица 7 – Буквенно-цифровая маркировка технологической обработки деформируемых и литейных сплавов

Обозначение	Вид обработки, характеристика свойств материала
Деформируемые сплавы	Литейные сплавы
М Т Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8 Н П НI ТН Т1Н ТПП ГК А У	Мягкий, отожженный Закаленный и естественно состаренный Закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность Закаленный и искусственно состаренный по смягчающему режиму для повышения вязкости разрушения Закаленный и искусственно состаренный по смягчающему режиму для повышения сопротивления коррозии под напряжением – – – – – Нагартованный (5–7%) Полунагартованный Усиленно нагартованный (20%) Закаленный, естественно состаренный и нагартованный Закаленный, нагартованный и искусственно состаренный Закаленный и естественно состаренный, повышенной прочности Горячекатаные (листы, плиты) Нормальная плакировка Утолщенная плакировка (8% на сторону)	Модифицированный – Состаренный Отожженный – Закаленный Закаленный и частично состаренный Закаленный и полностью состаренный на максимальную твердость Закаленный с последующим стабилизирующим отпуском Закаленный с последующим смягчающим отпуском – – – – – – – – –

Титани сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью (сопротивлением межкристаллиткной, щелевой и другим видам коррозии), удельной прочностью. Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан, снижают его пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно – давлением, сваривается в защитной атмосфере; широко распространено вакуумное литые, в частности вакуумно-дуговой переплав с расходуемым электродом. Легирующие элементы подразделяют в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения титана (882,5°С) на две основные группы: α-стабилизаторы (элементы, расширяющие область существования α-фазы и повышающие температуру превращения – Аl, Gа, Gе, Lа, С, O, N) и β-стабилизаторы (элементы, суживающие α-область и снижающие температуру полиморфного превращения, – V, Nb, Та, Zr, W, Мо, Сr, Мn, Fе, Со, Si, Аg и др.). В то же время легирующие элементы (как α-, так и β-стабилизаторы) можно разделить на две основные группы: элементы с большой (в пределе – неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Последние могут образовывать с титаном интерметаллиды, силициды и фазы внедрения.

Классификация титановых сплавов. Структура промышленных сплавов титана это твердые растворы легирующих элементов в α- и β-модификациях титана. Поскольку легирующие элементы влияют на стабилизацию той или иной аллотропической модификации титана, то сплавы титана в зависимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной температуре подразделяют на три основные группы: α -сплавы, (α+β)-сплавы (двухфазные) и β-сплавы.

Титановые сплавы классифицируют также по технологии производства (деформируемые, литейные, порошковые), по физико-химическим, в том числе механическим, свойствам (высокопрочные, обычной прочности, высокопластичные, жаропрочные, коррозионностойкие).

Деформируемые титановые сплавы. Большинство титановых сплавов легировано алюминием, повышающим жесткость, прочность, жаропрочность и жаростойкость материала, а также снижающим его плотность.

α-Титановые сплавы (с чисто α-структурой) термической обработкой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией

(α+β)-Титановые сплавы характеризуются смешанной структурой (α- и β-твердые растворы) и упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Они хуже свариваются, чем α -сплавы.

Псевдо-β-титановые сплавы характеризуются высоким содержанием β-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в заявленном состоянии и высокой прочностью – в состаренном они удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми литейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТ3-1Л по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополнительно содержит Fe и Cr).

Порошковые сплавы титана. Применение методов порошковой металлургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же эксплуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50% стоимости и времени изготовления изделий. Титановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прессованием (ТИП), обладает теми же механическими свойствами, что и деформируемый сплав после отжига (σ_в = 970 МПа, δ = 16%). Заявленному и состаренному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит в пластичности.

Из сплавов титана изготавливают: обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок; корпуса ракет и двигателей; диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребные винты; баллоны для сжиженных газов; емкости для агрессивных химических сред и др.

Магний является химически активным металлом: образующаяся на воздухе оксидная пленка МgО в силу более высокой плотности, чем у самого магния, растрескивается и не обладает защитными свойствами; магний в виде порошка, стружки или пыли легко воспламеняется при контакте расплавленного или горячего магния с водой происходит взрыв. Магний и его сплавы плохо сопротивляются коррозия, обладают пониженной жидкотекучестью при литье, пластически деформируются лишь при повышенных температурах (225°С и более). В то же время магниевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, не взаимодействуют с ураном. Они хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Основными легирующими элементами в магниевых сплавах являются Мn, А1 и Zn. Марганец повышает коррозионную стойкость и свариваемость сплавов магния. Алюминий и цинк оказывают большое влияние на прочность и пластичность магниевых сплавов.

По технологии изготовления изделий магниевые сплавы разделяют на литейные (маркировка «МЛ») и деформируемые («МА»).

Литейные сплавы магния. Механические свойства литого магния следующие: σ_в= 115 МПа, δ = 8%, 30 НВ (кгс/мм²). В литых магниевых сплавах повышения механических свойств добиваются измельчением зерна посредством перегрева расплава или его модифицирования добавками мела или магнезита. Среди литейных магниевых сплавов широкое применение нашли сплавы МЛ5 и МЛ6, отличающиеся повышенными литейными и механическими свойствами.

Деформируемые сплавы магния. Деформированный (прессованный) магний обладает более высоким комплексом механических свойств, чем литой: σ_в=200МПа, δ=11,5%, 40НВ. Деформируемые сплавы производят в виде поковок, штамповых заготовок, горячекатаных полос, прутков и профилей. Хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью и технологической пластичностью отличается сплав МА1, относящийся к группе сплавов низкой прочности. Сплав МА2-1 сочетает в себе оптимальный комплекс механических и технологических свойств (хорошо сваривается, штампуется), но подвержен коррозии под напряжением.

Из сплавов магния изготавливают корпуса ракет, насосов, приборов, топливные и кислородные баки, рамы двигателя, кожухи. Так, сплавы МЛ5 и МЛ6 используются для литья тормозных барабанов, штурвалов, коробок передач, МЛ10 – деталей приборов высокой герметичности. Деформируемые сплавы МА1 применяют для изготовления арматуры, бензо- и маслосистем, а также сварных деталей, МА14 – для высоконагруженных деталей. Для обеспечения коррозионной стойкости деталей из магниевых сплавов их поверхности оксидируют с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

Вопросы для самоконтроля по разделу:

1. Какие параметры характеризуют режим термической обработки?

2. Каково назначение термической обработки сталей?

3. Дайте определение перегреву и пережогу и чем они отличаются.

4. В чём состоит отличие отжига, отпуска и закалки?

5. Дайте определение мартенсита.

6. Что такое отпускная хрупкость?

7. В чём заключается процесс химико-термической обраюотки?

8. Для чего предназначено борирование стали?

9. Процесс азотирования проводится до или после окончательной термической обработки стали?

10.Расшифруйте марки следующих сталей: АСт0кп, У9А. 5Х2НМ. Р9.

11. Чем отличаются латуни, бронзы и мельхиоры?

12. Расшифровать марки сплавов ЛС59-1, ЛМцАЖКС

13. Чем отличаются алюминиевые сплавы Д6 и В96?

14. Каковы отличительные особенности строения титановых сплавов?

15. Каковы отличительные особенности и области применения магниевых сплавов?