Цветные металлы и сплавы

Введение

Цветные сплавы – это сплавы на основе любых металлов, кроме железа. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.
Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путем термической обработки, нагартовки, за счет искусственного и естественного старения и т.д.
Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением – ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке.
Из цветных металлов изготовляют литые детали, а также различные полуфабрикаты в виде проволоки, профильного металла, круглых, квадратных и шестигранных прутков, полосы, ленты, листов и фольги. Значительную часть цветных металлов используют в виде порошков для изготовления изделий методом порошковой металлургии, а также для изготовления различных красок и в качестве антикоррозионных покрытий.
Цветные металлы и сплавы условно подразделяются на легкие (плотность не более 5 г/см3) и тяжелые, плотность которых более 5 г/см3. Легкие сплавы – это сплавы на основе магния, алюминия, титана. Тяжелые сплавы в машиностроении – это в основном сплавы на основе меди – бронзы и латуни.

1. Сплавы на основе алюминия
Из-за низкой прочности технический алюминий применяется для изготовления малонагруженных элементов конструкций. Широкое применение в качестве конструкционных материалов имеют сплавы на основе алюминия. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью на всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкой применение в авиации, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.
Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:
деформируемые алюминиевые сплавы – предназначены для получения полуфабрикатов, а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. Эти сплавы в свою очередь могут быть упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые термической обработкой;
литейные алюминиевые сплавы – предназначенные для фасонного литья. Литейные сплавы также могут упрочняться в результате термической обработки, но степень упрочнения тем меньше, чем больше легирован литейный сплав, т.е. чем больше эвтектики в структуре.
К деформируемым сплавам, подвергаемым механической и термической обработке, относят сплавы системы Al-Cu-Mg. Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дюралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).
Высокопрочные сплавы алюминия относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава. Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные наружные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.
Термически не упрочняемые алюминиевые сплавы включают различные марки алюминия и другие сплавы, у которых повышение прочностных свойств достигается или за счет легирования твердого раствора, или за счет деформационного упрочнения путем пластического деформирования от отожженного состояния

. Главными легирующими элементами этих сплавов являются: магний, марганец и кремний. Дополнительные легирующие элементы – это хром, медь, железо и цинк. Алюминиевые сплавы, которые не восприимчивы к термической обработке, имеют следующие общие свойства: сравнительно невысокую прочность, высокую пластичность и высокую коррозионную стойкость.
Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористостью в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.
Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своем составе эвтектику. Эвтектика образуется во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. Чаще применяются сплавы Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, которые дополнительно легируют небольшим количеством меди и магния (Al-Si), марганца, никеля, хрома (Al-Cu).

2. Медные сплавы
Медные сплавы, сохраняя многие положительные свойства меди, обладают более высокими механическими и антифрикционными свойствами, лучшей технологичностью. Различают две основные группы медных сплавов:
латуни – сплавы меди с цинком;
бронзы – сплавы меди с другими элементами.
По технологическим свойствам различают деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные сплавы. По способности восприятия термической обработки сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.
Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом. По сравнению с медью они обладают более высокой прочностью (в том числе при повышенных температурах), коррозионной стойкостью, упругостью, технологичностью (литье, обработка давлением, резание). Это наиболее дешевые и распространенные в машиностроении медные сплавы.
Латуни содержат до 40…45% цинка. При большем содержании цинка снижается прочность латуни и увеличивается ее хрупкость. Содержание легирующих элементов в специальных (многокомпонентных) латунях не превышает 7…9%.
Двойные латуни по структуре разделяются на две группы: однофазные со структурой α-твердого раствора и двухфазные со структурой α- и β-фаза. Наибольшей пластичностью обладают однофазные латуни, содержащие 30…32% цинка, но при этом снижается электропроводность сплава. Однофазные латуни хорошо деформируются в холодном состоянии, однако при этом образуется наклеп (повышение твердости при одновременном снижении пластичности). Для восстановления пластичности сплавы подвергают отжигу при температуре 500…700°С. Двухфазные латуни менее пластичны и деформируются только в нагретом состоянии.
Для легирования латуней используют алюминий, марганец, железо, никель, олово, кремний, свинец. Марганец, например, повышает прочность и коррозионную стойкость, особенно в сочетании с алюминием, оловом и железом. Олово повышает прочность и сильно повышает сопротивление коррозии в морской воде. Никель повышает прочность и коррозионную стойкость в различных средах. Свинец ухудшает механические свойства, но улучшает обрабатываемость резанием