9.3. Магній і його сплави

Магній – дуже легкий метал, його щільність – 1,74 г/см³. Температура плавлення – 650 ^oС. Магній має гексагональну щільноупаковану кристалічну решітку. Дуже активний хімічно, аж до самозагорання на повітрі. Механічні властивості технічно чистого магнію (Мг1): межа міцності – 190 МПа, відносне видовження – 18 %, модуль пружності – 4500 МПа.

Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм. Сплави діляться на деформаційні і ливарні.

Сплави зміцнюються після гартування і штучного старіння. Гартування проводять за температури 380–420 ^oС, старіння – за температури 260–300 ^oС протягом 10–24-х годин. Особливістю є тривала витримка під час гартування – 4–24 години.

Магнієві сплави деформаційні

Магній погано деформується за нормальної температури. Пластичність сплавів значно збільшується за гарячої обробки тиском (360–520 ^oС). Сплави деформаційні, маркують Ма1, Ма8, Ма9, ВМ 5-1.

Із магнієвих деформаційних сплавів виготовляють деталі автомашин, літаків, прядильних і ткацьких верстатів. У більшості випадків ці сплави мають задовільну зварюваність.

Ливарні магнієві сплави

Ливарні сплави маркуються Мл3, Мл5, ВМЛ-1. Останній сплав є жароміцним, може працювати за температур до 300 ^oС.

Відливки виготовляють литтям у землю, у кокіль, під тиском. Необхідно проводити заходи, що запобігають загорянню сплаву під час плавлення, в процесі лиття.

Із ливарних сплавів виготовляють деталі двигунів, приладів, телевізорів, швейних машин.

Завдяки високій питомій міцності магнієві сплави широко використовуються в літако- і ракетобудуванні.

9.4. Мідь і її сплави

Мідь має гранецентровані кубічні ґрати. Щільність міді – 8,94 г/см³, температура плавлення – 1083 ^oС.

Характерною властивістю міді є її висока електропровідність, тому вона знаходить широке застосування в електротехніці. Технічно чиста мідь маркується: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 і М4 (99 % Cu).

Механічні властивості міді відносно низькі: межа міцності складає 150–200 МПа, відносне видовження – 15–25 %. Тому у якості конструкційного матеріалу мідь застосовується рідко. Підвищення механічних властивостей досягається створенням різних сплавів на основі міді.

Розрізняють дві групи мідних сплавів: латунь – сплави міді з цинком, бронза – сплави міді з іншими (окрім цинку) елементами.

Латунь

Латунь може мати в своєму складі до 45 % цинку. Підвищення вмісту цинку до 45 % приводить до збільшення межі міцності до 450 МПа. Максимальна пластичність має місце за вмісту цинку близько 37 %.

За способом виготовлення виробів розрізняють латунь деформаційну і ливарну.

Деформаційна латунь маркується буквою Л, за якою слідує число, що показує вміст міді у відсотках, наприклад, у латуні Л62 міститься 62 % міді та 38 % цинку. Якщо окрім міді й цинку є інші елементи, то ставляться їх початкові букви (О – олово, С – свинець, Же – залізо, Ф – фосфор, Мц – марганець, А – алюміній, Ц – цинк). Кількість цих елементів позначається відповідними цифрами після числа, що показує вміст міді, наприклад, сплав ЛАЖ60-1-1 містить 60 % міді, 1 % алюмінію, 1 % заліза і 38 % цинку.

Однофазна латунь використовується для виготовлення деталей шляхом деформації в холодному стані. Виготовляють стрічки, гільзи патронів, радіаторні трубки, теплообмінники.

Для виготовлення деталей шляхом деформації за температури вище 500 ºС використовують (α+β)-латунь. Із двофазної латуні виготовляють листи, прутки й інші заготовки, з яких подальшою механічною обробкою виготовляють деталі. Оброблюваність різанням поліпшується присадкою до складу латуні свинцю, наприклад, латунь марки ЛС59-1, яку називають «автоматною латунню».

Латунь має хорошу корозійну стійкість, яку можна підвищити додатково присадкою олова. Латунь ЛО70-1 стійка проти корозії в морській воді і називається «Морською латунню».

Додавання нікелю і заліза підвищує механічну міцність до 550 МПа.

Ливарна латунь також маркується буквою Л. Після літерного позначення основного легуючого елементу (цинк) і кожного подальшого ставиться цифра, що вказує його середній вміст у сплаві. Наприклад, латунь Лц23а6ж3мц2 містить 23 % цинку, 6 % алюмінію, 3 % заліза, 2 % марганцю. Найкращу рідкотекучість має латунь марки ЛЦ16К4. До ливарної латуні належать латуні типу ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, Лажмц. Ливарна латунь не схильна до ліквації, має зосереджену усадку, відливки отримуються з високою щільністю.

Латунь є хорошим матеріалом для конструкцій, що працюють за низьких температур.

Бронза

Сплави міді з іншими елементами, окрім цинку, називають бронзою. Бронза поділяється на деформаційну і ливарну.

У маркуванні деформаційної бронзи на першому місці ставлять букви Бр, потім літери, що вказують елементи, окрім міді, які входять до складу сплаву. Після літер йдуть цифри, що вказують вміст компонентів у сплаві. Наприклад, марка Броф10-1 означає, що в бронзу входить 10 % олова, 1 % фосфору, все інше – мідь.

Маркування ливарної бронзи також починається з букв Бр, потім вказуються літерні позначення легуючих елементів і ставиться цифра, що вказує його середній вміст у сплаві. Наприклад, бронза Бро3ц12с5 містить 3 % олова, 12 % цинку, 5 % свинцю, все інше – мідь.

Олов'яна бронза

Сплавом міді з оловом утворюють тверді розчини. Ці сплави дуже схильні до ліквації через великий температурний інтервал кристалізації. Завдяки ліквації сплави із вмістом олова вище 5 % мають у структурі евтектоїдну складову Е (α+β), що складається з м'якої і твердої фаз. Така будова є сприятливою для деталей типу підшипників ковзання (тверді частинки створюють зносостійкість). Тому олов'яна бронза є хорошими антифрикційними матеріалами.

Олов'яна бронза має низьку об'ємну усадку (близько 0,8 %), тому використовуються в художньому литві.

Наявність фосфору забезпечує хорошу рідкотекучість.

Олов'яна бронза поділяється на деформаційну і ливарну.

У деформаційні бронзі вміст олова не повинен перевищувати 6 %, для забезпечення необхідної пластичності (Броф6,5-0,15).

Залежно від складу, бронза відрізняється високими механічними, антикорозійними, антифрикційними і пружними властивостями, тому використовується в різних галузях промисловості. З цих сплавів виготовляють прутки, труби, стрічку.

Ливарна олов'яна бронза (Бро3ц7с5н1, Бро4ц4с17) застосовується для виготовлення пароводяної арматури і для відливків антифрикційних деталей типу втулок, вінців черв'ячних коліс, вкладишів підшипників.

Алюмінієва бронза (Браж9-4, Браж9-4л, Бражн10-4-4).

Бронза із вмістом алюмінію до 9,4 % має однофазну будову твердого розчину. За вмісту алюмінію 9,4–15,6 % сплави системи «мідь – алюміній» двофазні.

Оптимальні властивості має алюмінієва бронза, що містить 5–8 % алюмінію. Збільшення вмісту алюмінію до 10–11 % веде до різкого підвищення міцності і значного зниження пластичності. Додаткове підвищення міцності для сплавів із вмістом алюмінію 8–9,5 % можна досягти гартуванням.

Позитивні особливості алюмінієвої бронзи в порівнянні з олов'яними:

• менша схильність до внутрішньокристалічної ліквації;

• велика щільність відливків;

• вища міцність і жароміцність;

• менша схильність до холоднокрихкості.

Основні недоліки алюмінієвої бронзи:

• значна усадка;

• схильність до утворення стовпчастих кристалів (за кристалізації) і зростання зерна (за нагрівання), що робить його крихким;

• сильний газопоглинач рідкого розплаву;

• самовідпуск за повільного охолодження;

• недостатня корозійна стійкість у перегрітій водяній парі.

Для усунення цих недоліків сплави додатково легують марганцем, залізом, нікелем, свинцем.

З алюмінієвої бронзи виготовляють відносно дрібні, але високовідповідальні деталі типу шестерень, втулок, фланців литтям і обробкою тиском. Із бронзи Бра5 штампуванням виготовляють медалі і дрібну розмінну монету.

Крем'яниста бронза (Бркмц3-1, Брк4) застосовується як замінник олов'яної бронзи. Вони немагнітна і морозостійка, перевершує олов'яну бронзу за корозійною стійкістю і механічними властивостями, має високі пружні властивості. Сплави добре зварюються і піддаються паянню. Завдяки високій стійкості до лужних середовищ і сухих газів, їх використовують для виробництва стічних труб, газо- і димопроводів.

Свинцева бронза (Брс30) використовується як високоякісний антифрикційний матеріал. У порівнянні з олов'яною бронзою, вона має нижчі механічні і технологічні властивості.

Берилієва бронза (Брб2) є високоякісним пружинним матеріалом. Розчинність берилію в міді з пониженням температури значно зменшується. Це явище використовують для набуття високих пружних властивостей виробів методом дисперсійного твердіння. Готові вироби з берилієвої бронзи піддають гартуванню за температури понад 800 ^oС, завдяки чому фіксується за кімнатної температури пересичений твердий розчин берилію в міді. Потім проводять штучне старіння за температури 300–350 ^oС, у ході чого відбувається виділення дисперсних частинок, зростають міцність і пружність. Після старіння межа міцності досягає 1100–1200 МПа.