Тема 12. Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы – промышленное название всех металлов, за исключением железа. По физическим и химическим свойствам и характеру залегания в земной коре цветные металлы можно подразделить на следующие группы: легкие (алюминий, магний, титан, бериллий, литий и др.), тяжелые (медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк и др.), тугоплавкие (вольфрам, молибден, хром, ниобий, тантал, цирконий и др.), благородные, или драгоценные (золото, серебро, платина и платиновые металлы), рассеянные (галлий, индий, таллий), редкоземельные (скандий, иттрий, лантан и все лантаноиды), радиоактивные (технеций, радий, полоний и др).

Алюминий и сплавы на его основе

Важнейшие свойства алюминия – низкий удельный вес, высокая электро- и теплопроводность, пластичность, хорошая коррозионная стойкость в атмосфере и ряде агрессивных сред – обусловливают широкое использование в технике как чистого металла, так и его сплавов.

Сплавы на основе алюминия классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные и спеченные) и по способности упрочняться при термической обработке (упрочняемые и неупрочняемые). Большинство сплавов имеют диаграмму с эвтектикой и ограниченной переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (рис. 28).

К деформируемым относятся сплавы, в которых может быть получена однофазная структура -твердого раствора. Хорошее сочетание характеристик прочности и пластичности имеют дуралюмины – наиболее распространенные алюминиевые сплавы, являющиеся типичными представителями группы деформируемых сплавов, упрочняемых термической обработкой. Они относятся к системе Al–Cu–Mg, маркируются буквой Д, например, Д1, Д16. Упрочняющая термическая обработка дуралюминов состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного (без нагрева) или искусственного (с нагревом) старения.

Согласно диаграмме состоянияAl–Cu (рис. 29) структура сплавов в исход-ном равновесном состоянии представляет собой -твердый раствор с включе-ниями частиц интерметаллидов CuAl₂.

После закалки (нагрева выше линии переменной растворимости аб и быстрого охлаждения) образуется пересыщенный твердый раствор замещения меди в алюминии, однако твердость и прочность сразу после закалочного охлаждения возрастают незначительно. Упрочнение дуралюмина происходит во время последующего старения.

Сущность старения состоит в распаде неустойчивого пересыщенного твердого раствора с образованием большого количества дисперсных частиц CuAl₂, равномерно распределенных в объеме. Это превращение проходит через несколько промежуточных состояний, каждое из которых можно зафиксировать, подобрав соответствующую температуру и продолжительность старения. Максимальное упрочнение достигается на ранней стадии процесса, когда скопление атомов меди в локальных участках еще не приводит к образованию частиц CuAl₂, но вызывает сильные искажения кристаллической решетки матричного твердого раствора. При комнатной температуре старение прекращается именно на этом этапе через 5…7 суток. Повышение температуры увеличивает скорость процесса и может привести к перестариванию из-за образования и последующей коагуляции частиц фазы CuAl₂, поэтому на практике чаще применяют естественное старение.

Пример. Опишите возможные виды брака при термической обработке дуралюминов.

Решение. Проведение закалки дуралюминов требует нагрева на строго определенную температуру (например, для сплава Д16 t_ЗАК =5005С) и резкого охлаждения в воде. Нагрев под закалку должен обеспечить полное растворение частиц интерметаллидов и образование однородного-твердого раствора меди в алюминии. При более высоких температурах происходитпережог(окисление и частичное оплавление металла по границам зерен), что резко снижает прочность и пластичность.При недогревечасть интерметаллидов не растворится, концентрация меди в твердом растворе будет меньше, следовательно, старение не приведет к максимальному упрочнению. Резкое охлаждение в воде при закалке необходимо для того, чтобы зафиксировать высокотемпературное состояние, полученное при нагреве, и предотвратить выделение частицCuAl₂по границам зерен во время охлаждения.

Температуру и продолжительность старения назначают в зависимости от требуемых свойств. В том случае, когда одинаковый уровень прочности можно получить разными способами старения, предпочтительнее естественное старение, которое обеспечивает более высокую пластичность и коррозионную стойкость, кроме того, нет опасности перестаривания.

Вупрощенном виде изменение структуры при термической обработке дуралюмина, содержащего 4 %Cu, показано на рис. 30.

К литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы, содержащие в структуре эвтектику (см. рис. 28). Наличие большого количества эвтектики, кристаллизующейся при постоянной температуре, обеспечивает высокую жидкотекучесть, малую усадку и, как следствие, точность формы и размеров отливки. Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (Al–Si; Al–Cu; Al–Mg).

Лучшими литейными свойствами обладают силумины (система Al–Si). Основным способом повышения механических свойств силуминов является измельчение структуры путем модифицирования. Для доэвтектических литейных сплавов, кроме того, применяют термическую обработку, состоящую из закалки и старения.