19.5. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.

Сплав АМц представляет собой  - твердый раствор марганца в алюминии и частиц соединения Al₆Mn. Магний сильно повышает прочность сплавов. Сплавы АМг добавочно легируют марганцем, который, образуя дисперсные частицы, упрочняет сплав и способствует измельчению зерна. Эффект от закалки и старения невелик и поэтому их применяют в отожженном состоянии.

Таблица 42. Температура отжига и среда охлаждения для деформируемых алюминиевых сплавах, не упрочняемые ТО.

Марка	температура отжига, ^0С	среда охлаждения
АМц , АМг 2	350-410	воздух
АМг3	270-280	воздух
МАМг5	310-335	воздух

Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой, снимается в зоне сварки.

Сплавы хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высоко коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы АМц, АМг2, АМг3 применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. Для средне нагруженных деталей и конструкций используют сплавы АМг5 и АМг6.

19.6. Литейные алюминиевые сплавы.

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошей механическими свойствами, сопротивлением коррозии. Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику. (Al-Si, Al-Cu, Al-Mg).

Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработке. В зависимости от характера отливки и условий ее работы используют один из видов термической обработке:

1. Искусственное старение (Т1) при (175 5) ⁰ С в течение 5-20 ч без предварительной закалки, при литье многих сплавов (АЛ4, АЛ5, АЛ3) в сырую песчаную форму или в кокиль происходит частичная закалка, поэтому старение повышает прочность и улучшает обработку резанием.

2. Отжиг (Т2) при 300 ⁰С в течение 5 - 10 ч. Охлаждение при отжиге проводят на воздухе. Отжиг применяют для снятия литейных напряжений, а также остаточных напряжений, вызванных механической обработкой. Отжиг несколько повышает пластичность.

3. Закалка и естественное старение (Т3, Т4) Температура закалки 510 -520 ⁰ С для сплавов АЛ1, АЛ7 и 535-545 ⁰ С для сплавов АЛ4, АЛ9, АЛ19 и др. Так как после закалки отливки выдерживают достаточно длительное время при нормальной температуре, режим (Т3) практически соответствует закалке и естественному старению (Т4).

4. Закалка и кратковременное (2-3 ч.) искусственное старение обычно при 150-175 ⁰С (Т5). При данной температуре и продолжительности процесс старения полностью не заканчивается, поэтому после такой обработки отливки приобретают высокую прочность при сохранении повышенной пластичности.

5. Закалка и полное искусственное старение (Т6) при 200 ⁰ С 3 - 5 ч. Старение при повышенной температуре по сравнению с режимом Т5 придает наибольшую прочность, но пластичность снижается.

6. Закалка и стабилизирующий отпуск (Т7) при 230 ⁰ С для сплавов АЛ9, АЛ5, АЛ1 и при 250 ⁰ С для сплава АЛ19 в течение 3-10 ч. Этот вид обработки используют для стабилизации структуры и объемных изменений отливки при сохранении достаточной прочности. 7. Закалка и смягчающий отпуск (Т8) при 240-260 ⁰ С в течении 3-5 ч. Высокая температура отпуска заметно снижает прочность, но повышает пластичность и стабильность размеров.

Сплавы Al-Si . Эти сплавы, получившие название силумины, отличаются высокими литейными свойствами. Наиболее распространен сплав, содержащий 10-13% Si (АЛ2), обладающий высокой коррозионной стойкостью.

Кремний при затвердевании эвтектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль грубых надрезов в пластичном - твердом растворе. Такая структура обладает низкими механическими свойствами. Для измельчения структуры и устранение избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05-0,08 %).

Таблица 43. Химический состав и типичные механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов.

Сплав	Содержание элементов, %					Вид термической обработки	Механические свойства
	Mg	Si	Mn	Cu	Другие элементы		в , МПа	0,2 , МПа	
Сплавы Al-Si (силумины)
АЛ2	-	10-13	-	-	-	Т2	180	90	5
АЛ4	0,17-0,3	8- 10, 5	0,25- 0,5	-	0,15 Ti 0,1 Be	T1 T6	180 260	140 200	2 4
АЛ9	0,2- 0,4	6-8	-	-	0,15 Ti 0,1 Be	T4 T5	200 220	140 160	5 3
Сплавы Al-Сu
АЛ7	-	-	-	4-5	0,2Ti	T4 T5	240 260	160 200	7 3
АЛ19	-	-	0,6-0,1	4,5-5,3	0,15-0,35 Ti	T4 T5	320 360	180 250	9 5
Сплавы Al-Mg
АЛ8	9,5- 11,5	-	-	-	0,07 Ti 0,07 Be	T5	350	170	10
АЛ27	9,5- 11,5	-	-	-	0,05-0,15 Ti 0,05-0,22 Zr 0,05-0,15 Be	T4	360	180	18
Жаропрочные сплавы
АЛ1	1,25- 1,75	-	-	3,75- 4,5	1,75-2,25 Ni	T5 T7	260 220	200 180	0,6 1,2
АЛ21	0,8-1,3	-	0,15-0,25	4,6- 6	0,1-0,25 Cr 2,6-3,6 Ni	T2 T7	210 220	- 200	1,2 1,5
АЛ33	-	-	0,6-1,0	5,5- 6,2	0,8-1,2 Ni 0,05-0,2 Zr 0,15-0,3 Ge	T7	280	180	2,0

В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na ₂ Si, который затрудняет их рост. Такие изменения улучшают механические свойства сплава. Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке. Сплавы сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплавы Al - Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ9) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов низкие. Сплав АЛ7 используют для отливок небольших деталей простой формы. Склонен к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl ₂ и Al ₇ Cu ₂ Fe поэтому применяют в закаленном состоянии, если требуется повышенная прочность, то их после закалки подвергают искусственному старению. В сплаве АЛ19 кроме CuAl ₂ образуются фазы Al₁₂Mn₂Cu и A_l2Ti, располагающие по границам зерен твердого раствора. Присутствие в твердом растворе марганца и образование по границам интерметаллидных фаз повышает жаропрочность сплава. Титан измельчает зерно. Упрочнение достигается закалкой и старением. Сплавы малоустойчивы против коррозии и поэтому отливки обычно анодируют. Сплавы Al-Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплаву модифицирующих присадок титана и циркония улучшают механические свойства, а бериллия - уменьшают окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.

Структура состоит из -твердого раствора и грубых включений частиц Al₃Mg₃ , которые располагаются по границам зерен, охрупчивая сплав. Сплавы предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которых изготовляют поршни, головки цилиндров и других деталей, работающих при 275-300 ⁰С. Структура литого сплава АЛ1 состоит из - твердого раствора, содержащего медь, магний и никель и избыточных фаз A_l2CuMg и Al₆Cu₃Ni. Отливки применяют после закалки и кратковременного старения при 175⁰С (Т5); поршни подвергаются закалке и старению 200⁰С (Т7).

Более жаропрочны сплавы АЛ33 и АЛ19.

Таблица 44. Длительная прочность жаропрочных алюминиевых сплавов

Сплав	АЛ7	АЛ1	АЛ19	АЛ33
^300100 , МПа	30	45	65	90

Высокая жаропрочность обусловлена введением (таблица 43) нерастворимых интерметаллидов. Сплав АЛ33 упрочняют закалкой от высокой температуры 545 ⁰С и старением при 175 ⁰ С.

Для крупногабаритных деталей, работающих при 300-350 ⁰С, применяют сплава АЛ21. Отливки сложной формы подвергают отжигу при 300 ⁰С. Для получения высоких механических свойства отливки закаливаются от 525 ⁰ С в горячей воде и подвергают стабилизирующему отпуску при 300 ⁰ С (Т7).

20. Магний и сплавы на его основе

20.1. Магний

Магний - металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1,74 г/см ³). Температура плавления магния 650⁰С. Кристаллическая решетка ГПУ.

Технический магний выпускают трех марок МГ90, МГШ95 и МГ96. На воздухе магний легко воспламеняется. Используются магний в пиротехнике и химической промышленности.

Сплавы на основе магния обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрацию, что предопределило их широкое использование в авиационной и ракетной технике. Однако сплавы имеют низкий модуль нормальной упругости и низкую коррозионную стойкость. Недостаток трудность обработки давлением или литьем, но хорошо свариваются.

Таблица 45. Механические свойства магния

Механические свойства литого магния
 , МПа	0,2 , МПа	,%	НВ
115	25	8	30
Механические свойства деформированного (прессованные прутки) магния
200	90	11,5	40

20.2. Сплавы на основе магния

Чаще применяют сплав магния с алюминием (до 10 %), цинком (до 5-6- %), марганцем (до 2,5 %) , цирконием (до 1,5 %) Алюминий и цинк повышают механические свойства магния. Марганец не улучшает механических свойств, но зато повышает сопротивление коррозии и свариваемость сплавов магния.

Цирконий измельчает зерно, что повышает механические свойства и повышает сопротивляемость коррозии. Редкоземельные металлы и торий повышают жаропрочность, а бериллий уменьшает окисляемость магния при плавке, литье и термической обработке. Магниевые сплавы, как и алюминиевые, по технологии изготовления подразделяются на две группы:

литейные сплавы - для получения деталей методом фасонного литья, маркируемые буквами "МЛ";

деформируемые сплавы, подвергаемые прессованию, прокатке, ковке, штамповке и другими видами обработке давлению, маркируются буквами "МА".

Магниевые сплавы как и алюминиевые подвергают термической обработке - диффузионному отжигу, отжигу, закалке и старению.

Ряд магниевых сплавов может быть упрочнен закалкой и старением. Особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузионных процессов, поэтому фазовые превращения протекают медленно. Закалка 4-24 ч, искусственное старение - 15 -20 ч.

Прочность магниевых сплавов в процессе старения можно повысить только на 20-35 %. Пластичность сплавов при этом уменьшается, поэтому нередко ограничивается только гомогенизацией (закалкой), улучшающая механические свойства сплавов.

Литейные сплавы. Широко применяют сплав МЛ5, в котором сочетаются высокие механические и литейные свойства. Он используется для литья нагруженных крупногабаритных деталей. МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами чем МЛ5. Механические свойства можно повысит применив соответствующие термообработки. Сплав МЛ10 относится к группе жаропрочных, работающих при температуре 300⁰С. Сплав МЛ12 наряду с высокими механическими свойствами обладает большой коррозионной стойкостью и хорошими литейными свойствами. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства, которые достигаются перегревом расплава или модифицированием его добавкой мела или магнезита. В обоих случаях образуются нерастворимые частицы, играющие роль зародышей для кристаллизации твердого раствора.

Таблица 46. Химический состав, типичные механические свойства и назначение магниевых сплавов.

Сплав	Содержание элементов, %				Вид термической обработки	Механические свойства			Назначение
	Al	Zn	Mn	Другие элементы		 , МПа	0,2 , МПа	
Литейные сплавы
МЛ5	7,5-9,0	0,2-0,8	0,15- 0,5	-	Т4	226	85	5	Для нагруженных деталей двигателей, тормозных барабанов, штурвалов, кронштейнов, деталей приборов, аппаратуры, корпусов и.т.д.
МЛ6	9-10,2	0,6-1,2	0,1- 0,15	-	Т6	216	137	1
МЛ10	-	0,1-0,7	-	0,4-1,0 Zr 2,2-2,8 Nd	T6	230	140	3	Для нагруженных деталей двигателей и приборов, требующих высокой герметичности и стабильности размеров
МЛ12	-	4 - 5	-	0,6-1,1 Zr	T1	225	130	5	Для нагруженных деталей (реборды, барабаны колес)
Деформируемые сплавы
МА1	-	-	1,3-2,5	-	-	190- 220	120- 140	5 - 10	Для сварных деталей, арматуры, бензо- и маслосистем, не несущих больших нагрузок.
МА2-1	3,8-5,0	0,8-1,5	0,3-0,7	-	-	270- 330	160- 230	8 - 20	Для панелей, сложных штамповых заготовок, сварных конструкций
МА14	-	5 - 6	-	0,2-0,9 Zr	T5	320- 340	220- 290	6 -14	Для высоконагруженных деталей
Т1 - старение; Т4 - гомогенизация и закалка на воздухе; Т6 - гомогенизация, закалка на воздухе и старение.

Деформируемые сплавы. Эти сплавы изготавливают в виде горячих прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповых заготовок. Чем меньше скорость деформации, тем выше технологическая пластичность магниевых сплавов. Прессование в зависимости от состава сплава ведут при 300 - 480⁰С, а прокатку в интервале температур от 340 - 440⁰ (начало) до 225 - 250⁰С (конец).

Штамповку проводят в интервале температур 480 - 280⁰С в закрытых штампах под прессами.

Сплав МА1 обладает сравнительно высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью. По механическим свойствам он относится к сплавам низкой прочности. Введение в сплав марганца дает мелкое зерно, что повышает механические свойства и улучшает деформацию в холодном состоянии. Сплава МА2-1 обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей технологической свариваемостью, однако склонен к коррозии под напряжением, поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается. Сталь МА14 отличается повышенными механическими свойствами, жаропрочен (до 250⁰С) и не склонен к коррозии под напряжением.

К недостатком сплава относится его склонность к образованию трещин при горячей прокатке, сплав упрочняется в процессе искусственного старения при 160-170⁰С. Предварительной закалкой служит охлаждение на воздухе от температур прессования. В связи с малой устойчивостью к коррозии изделия из магниевых сплавов оксидируют. На оксидную поверхность наносят лакокрасочные покрытия.

21. Медь и сплавы на ее основе.

21.1. Медь.

Медь - металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083⁰С. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 0,31607 нм. Плотность меди 8,94 % г/см³. Медь обладает высокими электропроводимостью и теплопроводностью. Удельное электрическое сопротивление меди 0,0175 мкОм*м. В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00, М0, М1, М2 и М3. Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на три группы:

1. Примеси, образующие с медью твердые растворы: Ni, Zn, Sb, Sn, Al; As, Fe, P и др.; эти примеси (особенно Sb и As ) резко снижают электропроводимость и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь М0 и М1, содержащую  0,002 Sb и  0,002 As . Сурьма, кроме того, затрудняет горячую обработку давлением.

2. Примеси Pb, Bi и другие, практически не растворимые в меди, образуют в ней легкоплавкие эвтектики, которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением. При содержании 0,005 % Bi медь разрушается при горячей обработке давлением; при более высоком содержании висмута медь становится, кроме того, хладноломкой; на электропроводимость эти примеси оказывают небольшое влияние.

3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu₂O и Cu₂S, входящие в состав эвтектики. Кислород, находясь в растворе, уменьшает электропроводимость, а сера не влияет на нее. Сера улучшает обрабатываемость меди резанием, а кислород, если он присутствует в меди, образует закись меди и вызывает "водородную" болезнь.

Таблица 47. Механические свойства

Механические свойства меди в литом состоянии
 , МПа	0,2 , МПа	,%	Е , МПа
160	35	25	115000
Механические свойства меди в горячедеформированном состоянии
240	95	45	115000
Механические свойства меди в холоднодеформированном состоянии
450	-	3	115000

Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, а так же в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

В электротехнической промышленности, электронике и электровакуумной технике применяют бескислородную М0 ( 0,001 % O2) и раскисленную М1 (0,01 %О2).

21.2. Сплавы на основе меди.

Различают две основные группы медных сплавов:

- латуни - сплавы меди с цинком;

- бронзы - сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть цинк.

Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии.

Принята следующая маркировка медных сплавов. Сплавы обозначаются буквами "Л" - латунь или "Б" - бронза, после чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав. Например, О - олово, Ц - цинк, Мц - марганец, Ж- железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, Х - хром и. т. д. Цифры, следующие за буквами, указывают количество легирующего элемента.

Порядок цифр для бронз и латуней различен. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы "Л" указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 - латунь, содержащая 70 % меди.

В случае легируемых деформируемых латуней указывают еще буквы и цифры, обозначающее название и количество легирующего элемента, например ЛАЖ60-1-1 означает латунь с 60 % меди, легированную алюминием (А) в количестве 1 % и железом в количестве 1 %. Содержание цинка определяется по разности от 100%.

В деформированных бронзах содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделенные друг от друга через тире, указывают среднее содержание легированных элементов в процентах; цифры расположены в том порядке, как и буквы, указывающие присутствие в бронзе того или иного элемента, например, бронза - БрОЦ4-3 - имеет следующий состав: олово (О) - 4 %, цинка (Ц) - 3 %. Содержание меди определяется по разности.

В литейных латунях и бронзах среднее содержание компонентов сплава в процентах становится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5, содержит 40 % цинка (Ц) и 1,5 % марганца (Мц). Бронза БрА10Ж3Мц2 содержит алюминия (А) 10 %, железа (Ж) - 3 % и марганца (Мц) - 2 %.

Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. Все латуни по структуре можно разделить на две группы.

1. Сплав с содержанием до 39% Zn являются однофазными, со структурой  - твердого раствора. Под микроскопом в зернах твердого раствора наблюдается большое количество двойников, как во многих других отожженных металлах и сплавах с гранецентрированной кубической решеткой.

2. Сплав содержащие до 45 % Zn, имеют двухфазную структуру  +. Фаза  с большим содержанием цинка обычно после травления бывает более темной, чем  - фаза.

При повышении содержания цинка в  - латуни до 39% возрастает ее прочность и пластичность. При дальнейшем содержании цинка до 45% прочность продолжает расти, а пластичность снижается, особенно с появлением в структуре  - фазы.

Ввиду малого расстояния между линиями ликвидус и солидус на диаграмме Cu-Zn дендритная ликвация у латуни выражена слабо, но эти сплавы склонны к образованию концентрированных усадочных раковин.

Поэтому латуни применяются, главным образом, как деформированные, а не литейные сплавы. Деформируемость  - латуни достаточно высока, независимо от температуры. Значительные количества примесей (Bi и Pb ) затрудняют деформацию  - латуни в горячем состоянии. Благодаря наличию хрупкой составляющей  латуни  + лучше деформируются в горячем состоянии. Висмут и свинец в данном случае способны растворяться в  - фазе и не образует легкоплавких эвтектик.

Кроме простых латуней, т.е. сплавов меди с цинком, в технике широко применяются специальные латуни с лучшими механическими и химическими свойствами, в состав которых входят: алюминий, кремний, железо, никель, олово и др.

Таблица 48. Механические свойства и назначение специальных латуней.

Латунь	 МПа		НВ	Назначение
Деформируемые латуни^1
ЛАЖ60-1-1	450 (750)	45 (8)	-	Трубы, прутки
ЛЖМц59-1-1	450 (700)	50 (10)	-	Полосы, прутки, трубы, проволока
ЛС59-1	400 (650)	45 (6)	-	То же
Литейные латуни^2
ЛЦ40С	215	12 (20)	70 (80)	Арматура, втулки, сепараторы шариковых и роликовых подшипников и др.
ЛЦ40Мц3Ж	441(490)	18 (10)	90 (100)	Сложные по конфигурации детали, арматура, гребные винты и их лопасти и др.
ЛЦ30А3	294 (392)	12 (15)	80 (90)	Коррозионностойкие детали
^1 Без скобок приведены свойства латуней после отжига при 600^0С, а в скобках - свойства после деформации (степень деформации 50 %). ^2 Без скобок даны свойства латуней при литье в песочную форму, а в скобках - свойства при литье в кокиль.

Некоторые из них обладают хорошими литейными свойствами и поэтому применяются для отливки деталей.

Латуни, предназначенные для фасонного литья, содержат большое количество присадок, улучшающих их литейное свойства. Эти латуни отличаются и лучшей коррозионной стойкостью.

Оловянные бронзы. Бронзами называют сплавы меди с оловом или другими металлами (за исключением цинка). В зависимости от основного легирующего элемента бронзы разделяются на оловянистые, алюминиевые, бериллиевые и т.п.

Особенностью оловянистых бронз является их большая склонность к ликвации (большое расстояние между линиями ликвидус и солидус) и медленно проходящий процесс диффузии. Ранее широко применялась однофазная бронза с 5% Sn, обладающая очень высокой пластичностью. В настоящее время она вытеснена более дешевой и с лучшими свойствами алюминиевой (с 5% Al ) бронзой.

В настоящее время также широко применяется бронза с 10 % Sn для литых вкладышей подшипников, работающих при больших давлениях и скоростях. Литая бронза имеет хорошие антифрикционные свойства.

Таблица 49. Механические свойства и применение некоторых литейных оловянистых бронз.

Бронза	 МПа		Назначение
Деформируемые бронзы^1
БрОФ6,5-0,4	400 (750)	65 (10)	Пружины, барометрические коробки, мембраны, антифрикционные детали
БрОЦ4-3	330 (550)	40 (4)	Плоские и круглые пружины
БрОЦС4-4-2,5	350 (650)	35 (2)	Антифрикционные детали
Литейные бронзы^2
БрО3Ц12С5	200 (170)	5 (8)	Арматура общего назначения
БрО5ЦНС5	175 (150)	4 (6)	Антифрикционные детали, вкладыши подшипников и арматура
БрО4Ц4С17	150 (150)	12 (5)	Антифрикционные детали ( втулки, подшипники, вкладыши, червячные пары и. т. д.)
^1 В скобках приведены свойства бронз после холодной прокатки ( наклепа), без скобок - свойства после отжига. ^2В скобках указаны свойства бронз при литье в песчаную форму, и без скобок - свойства при литье в кокиль.

Бронзы с высоким содержанием олова обладают хорошими литейными свойствами, они отличаются равномерно распределенной пористостью и малой усадкой. Однако с целью уменьшения содержания олова они заменяются более дешевыми сплавами сложного состава.

Алюминиевые бронзы. Наиболее часто применяют алюминиевые бронзы двойные и добавочно легированные никелем, марганцем, железом и др. Алюминиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере, имеют высокие механические и технологические свойства. Однофазные бронзы, обладающие высокой пластичностью, применяют для глубокой штамповки. Двухфазные бронзы подвергают горячей деформации, или применяют в виде фасонного литья.

Литейные свойства алюминиевых бронз ниже, чем литейные свойства оловянных бронз, но они обеспечивают высокую плотность отливок.

Кремнистые бронзы. При легировании меди кремнием (до 3,5%) повышается прочность, а так же пластичность.

Таблица 50. Механические свойства* и назначение безоловянных бронз

Бронза	 МПа		НВ	Назначение
Алюминиевые бронзы
БрАЖ9-4	600	40	110	Для обработки давлением ( прутки, трубы, листы)
БрАЖН10-4-4	650	35	150
БрА9Ж3Л	490 (392)	12 (10)	98 (98)	Арматура, антифрикционные детали
БрА10Ж3Мц2	490 (392)	12 (10)	117(98)
Кремнистые бронзы
БрКМц3-1	380	35	80	Прутки, ленты, проволока для пружин
Бериллиевая бронза
БрБ2**	500(950)	45 (1-2)	100 (250)	Полосы, прутки, лента, проволока для пружин
Свинцовая бронза
БрС30	600	4	24,5	Антифрикционные детали

Никель и марганец улучшает механические и коррозионные свойства кремнистых бронз, эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются. Благодаря высоким механическим свойствам, упругости и коррозионной стойкости их применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей приборов и радиооборудования, работающих при температуре до 250⁰С, а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Бериллиевые бронзы. Эти бронзы относятся к сплавам, упрочняемые термической обработкой. Предельная растворимость бериллия в меди при температуре 866⁰С составляет 2,7 %, при температуре 600⁰С 2,5 %, а при температуре 300⁰С всего 0,2 %. Это указывает на возможность упрочнения бериллиевой бронзы методом дисперсного твердения. При нагреве бронзы БрБ5 до 760-780⁰С образуется однородный  - раствор, который сохраняется результате быстрого охлаждения в воде при нормальной температуре.

При закалке бронза обладает малой прочностью (_ = 450 МПа), высокой пластичностью ( = 40%) и способностью упрочняться при старении как непосредственно после закалки, так и после пластической деформации в закаленном состоянии. Старение проводят при 300-350⁰С. При старении из перенасыщенного  - раствора выделяются дисперсные частицы - фазы (CuBe), что сильно повышает прочность бронзы. Предварительно наклепанная бронза при старении упрочняется сильнее и быстрее. Так, бронза БрБ2 в состоянии после закалки и старения имеет _ = 1250 МПа и  = 3-5 %, а после закалки, холодной пластической деформации с обжатием 30 % и старение - _ = 1400 МПа, пластичность после старения невелика. ( = 2 %). Бронзу нередко легируют также титаном (0,1-0,25 %): БрБНТ1,9 и БрБНТ1,7. Обладая высокими значениями временного сопротивления, пределами текучести и упругости, бериллиевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на износ, в электронной технике.

Свинцовые бронзы. Свинец практически не растворяется в жидкой меди. Поэтому сплавы после затвердевания состоит из кристаллов меди и включения свинца. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение бронзы БрС30 для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводность бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении. Из-за невысоких механических свойств (_ = 60 МПа и  = 4 %,) бронзу БрС30 наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Такие биметаллические подшипники просты в изготовлении и легко заменяются при изнашивании. Вследствие большой разности значения плотности меди (8,94 г/см³) и свинца (11,3 4 г/см³) и широкого интервала кристаллизации бронза склонна к ликвации по плотности. Нередко свинцовые бронзы легирую никелем и оловом, которые растворяются в меди, повышают механические и коррозионные свойства.

В промышленности применяются безоловянные бронзы с особыми свойствами: кремнистые, обладающие высокой упругостью, марганцовистые с повышенной жаропрочностью, бериллиевые с высокой прочностью _  130 кгс/ мм², свинцовистые для ответственных подшипников и др.

22. Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще алюминий, магний, никель и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица) составляют ту или иную композицию, получили название композиционные материалы (КМ).

Волокнистые КМ. На рис. 24 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Они делятся, по механизму армирующего действия, на дискретные l/d  10-10³ и с непрерывным волокном l/d = .

Рис. 24. Схема структуры (а) и армирование непрерывными (б) волокнами композиционных материалов

Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. Чаще КМ представляет слоистую структуру, в котором каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. КМ отличаются от обычных сплавов высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 - 100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонности к трещинообразованию. Применение КМ повышают жесткость конструкций при одновременном снижении металлоемкости. Прочность КМ определяется свойствами волокон, которые должны обладать более высокими прочностными характеристиками и модулем упругости.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют материалы, свойства которых приведенные в таблице 64.

Таблица 51. Механические свойства композиционных материалов в зависимости от вида наполнителя.

Материал	 , Мпа	Е, ГПа
борные волокна	2500-3500	38-420
углеродные волокна	1400-3500	160-400
волокна из тугоплавкого соединения карбид кремния с  100 мкм	2500-3500	450

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Для повышения жаропрочности армируют вольфрамовой проволокой.

Таблица 65. Высокопрочные и высокомодульные волокнистые КМ

Материал	 , МПа	Е, ГПа
Нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора.	15000 - 28000	400 - 600

Таблица 52. Механические свойства КМ на металлической основе.

Материалы	B, МПа	0,2 , МПа	, ГПа	B, МПа	Е, ГПа
Бор-алюминий (ВКА-1А)	1300	600	220	500	84,6
Бор- магний (ВКМ-1)	1300	500	220	590	100
Алюминий- углерод (ВКУ-1)	900	300	220	450	100
Алюминий- сталь (КАС-1А)	1700	350	110	370	24,40
Никель-вольфрам (ВКН-1)	700	150	-	-	-

КМ на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они мало пластичны. Однако волокна в КМ уменьшают скорость распространения трещин, заражающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых КМ является анизотропия механических свойств вдоль и поперек и малая чувствительность к концентраторам напряжений.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУ КМ). В отличие от волокнистых КМ в ДУ КМ матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят развитие трещин. Высокая прочность достигается при размере частиц 10 - 500 нм при среднем расстоянии между ними 100 - 500 нм и равномерном распределении их в матрице. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5 - 10 об. %.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющиеся в матричном металле, позволяет сохранять высокую прочность до 0,9-0,95 Т_пл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок), содержащий в себе дисперсные чешуйки Al₂O₃, содержание которых колеблется от 6 - 9 % (САП-1) и до 13 – 18 %(САП-3). Прочность при этом увеличивается от 300 МПа до 400 МПа соответственно.

Большие перспективы у никелевых ДУ КМ. Они обладают высокой жаропрочностью ВДУ-1 (никель упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20 % Cr) упрочненная окисью тория). При температуре 1200⁰С сплав ВДУ-1 имеет _  а и _  6а и сплав.

ВД-3 - _  6а. ДУ КМ, так же как и волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительной выдержки при данной температуре.

Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов и двигателе, в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, в горной промышленности, в гражданском строительстве и других областях народного хозяйства. Технология получения полуфабрикатов и изделий из КМ достаточно хорошо отработана.

23. Конструкционные порошковые материалы

Порошковые материалы, изготовленные путем прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0,75-0,8 Т_пл.

Различают пористые и компактные порошковые материалы.

Пористые называют материалы, в которых после окончательной обработки сохраняются 10 -30 % остаточной пористости. Эти сплавы используют главным образом для изготовления антифрикционных изделий (подшипников, втулок) и фильтров.

Подшипники из порошковых сплавов могут работать без принудительного смазывания за счет выделения масла, находящегося в порах.

Подшипники изготовляются из сплавов железа и 1-7% графита (ЖГр1, ЖГр3, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8-10 % Sn и 2-4 % графита (БрОГр10-2, БрОГр8-4). Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07 - 0,09. Подшипники из железографита применяют при допустимой нагрузке не более 1000 - 1500 МПа и максимальной температуре 100 - 200⁰С. Коэффициент терния бронзографита по стали без смазывания 0,04 0,07 и со смазкой 0,05 - 0,007. Допустимая нагрузка 400 - 500 МПа и рабочая температура 200 - 250⁰С.

Таблица 53. Механические свойства подшипниковых материалов.

Материалы	 , МПа	НВ
Железографит	180-300	60-120
Бронзографит	30-50	25-50

Они могут использоваться и как фрикционные материалы, только при этом для повышения коэффициента трения в состав вводят карбид кремния, бора, тугоплавкие оксиды. Компоненты твердого смазочного материала служат графит, свинец, сульфиды и др. Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного материала) для материала на железной основе составляет 0,18- 0,40, а медной основе - 0,17-0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для условий жидкостного трения в паре с закаленными стальными деталями при давлении до 400 МПа и скорости скольжения до 40 м/с с максимальной температурой 300 - 350⁰С. Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплава МК5.Для работы в условиях трения без смазочного материала применяют материалы на железной основе ФМК-11.

Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков никеля, железа, титана, алюминия, коррозионной стали, бронзы и других материалов с пористостью 45 - 50 % (размер пор 2 - 20 мкм) используют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе Fe-Ni-Al - сплавы. Все больше порошковая металлургия применяется для изготовления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсно-упрочненных на основе никеля, алюминия, титана и хрома. Методом порошковой металлургии получают различные материала на основе карбидов вольфрама, молибдена и циркония.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья трудно получить соответствующий сплав с особыми физическими свойствами, содержащий большое количество легирующих элементов, из которых делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20 -2000С, требующие сочетание низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

В оптико-механических приборах применяют высокопрочные порошковые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (ПВ90, ПВ90Т1). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релаксационной стойкостью.

Все более широкое применение получают компактные материалы (1-3% пористости) из порошков углеродистой и легированной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, корпусов подшипников, деталей автоматических передач.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих случаях уступают свойствам деталей, полученных обычными металлургическими методами и поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоконагруженных стальных деталей нельзя.

Сплавы на основе цветных металлов нашли широкое применение в приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. Так же как и обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и электропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитные, хорошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда. Применение порошковых материалов рекомендуются при изготовлении деталей простой симметрической формы, малых масс и размеров. Конструктивные формы деталей не должны содержать отверстия под углом к оси заготовки, выемок и внутренних полостей и выступов. Конструкция и форма детали должны позволять равномерно заполнять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распределение напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

141