Кольорові метали

3

Учебное пособие разработано к.т.н. Кобзаруком Александром Васильевичем, к.т.н. Шамовым Алексеем Владимировичем, Смажило Богданом Васильевичем – доцентом кафедры "Технология материалов" Одесского национального морского университета и Котенко Русланом Витальевичем – старшим преподавателем этой же кафедры.

Учебное пособие одобрено кафедрой "Технология материалов" от 30.03.2017 г. (протокол № ).

4

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение ………………………………………………………………. 5

2.Сплавы на медной основе ……………………………………………. 6

5

Введение

Цветные металлы составляют не более 10 % всех металлов, применяемых в промышленности. Это объясняется тем, что они, за исключением алюминия, реже встречаются в природе, труднее добываются и дороже стоят, чем черные. Поэтому везде; где это возможно, цветные металлы стараются заменить черными металлами или пластмассами. Однако, в ряде случаев осуществить это нельзя, так как цветные металлы обладают следующими ценными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью (золото, серебро, медь и алюминий); высокой коррозионной стойкостью (золото, серебро, платина, олово, свинец, медь, никель, титан); высокой пластичностью (медь, свинец, олово, алюминий, магний); низкой температурой плавления (ртуть, цезий, олово, свинец); высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден, ниобий); низкой плотностью (литий, магний, бериллий, алюминий и титан).

Кроме того, они способны образовывать сплавы, обладающие более высокими свойствами, чем входящие в них элементы. Именно этим объясняется их использование в электро- и радиотехнике, космической технике, самолетостроении, судостроении и т.д.

В судостроении находят применение почти все цветные металлы в чистом виде или в виде сплавов. Рассмотрим некоторые группы металлов.

Медь – пластичный, хорошо обрабатывающийся давлением в холодном и горячем состоянии металл. Наиболее ценными свойствами меди являются высокая электро- и теплопроводность.

На свойства меди большое влияние оказывают примеси висмута, свинца, серы, кислорода, фосфора, мышьяка, сурьмы и др. Мышьяк, сурьма и, особенно,

фосфор снижают электропроводность. Содержание фосфора в меди недопустимо, если она идет на изготовление электропроводников. Висмут, свинец и сера вызывают красноломкость и хрупкость. Кислород при нагревании меди в присутствии водорода вызывает появление трещин, так называемую водородную болезнь.

Медь маркируется в зависимости от степени чистоты шестью основными марками: М00, М0, М1, М2, М3, М4. Механические свойства меди изменяются при нагреве. Так, при нагреве до температур более 250 °С они резко ухудшаются. При понижении температуры до – 190 °С изменения механических свойств не происходит, поэтому медь можно использовать для изготовления изделий, эксплуатирующихся в условиях глубокого холода.

Всудостроении чистую медь используют при изготовлении судовых электрокабелей, шин, контактных и токопроводящих деталей, а также труб судовых систем эксплуатирующихся при давлении до 25 МПа и температуре до 250 °С. Медные трубы предназначены для подачи свежего и отработанного пара, пресной и морской воды, масла, топлива и.т. д.

Внастоящее время для изготовления труб, работающих в условиях высоких температур, применяют медь марки МЗр (р – раскисленная). Применение чистой меди в промышленности ограничено вследствие ее низкой

6

прочности, плохой обрабатываемости резанием, плохих литейных свойств, высокой стоимости и т. д. Медь используют в основном в виде сплавов с другими элементами, которые лишены вышеперечисленных недостатков.

Сплавы на медной основе

Латунь – сплав меди с цинком. По химическому составу ее делят на

простую и специальную а по назначению – на литейную и обрабатываемую давлением.

Литейные латуни поставляются в виде чушек и служат сырьем для получения латуней определенных марок, а также фасонных отливок, из которых изготовляют различную арматуру, работающую при температурах до 250 °С, и детали, работающие в морской воде.

Простая латунь состоит из двух элементов: меди и цинка. Она содержит не более 37 % цинка, так как с увеличением его содержания увеличивается твердость и хрупкость латуни. Существует семь основных марок простой латуни: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63. Буква Л обозначает латунь, а цифра – среднее содержание меди в процентах, остальное – цинк. Например, Л70 – простая латунь, содержит 70 % меди и 30 % цинка. Литейная латунь имеет букву Л в конце марки. Латунь марок Л96 и Л90, содержащая наибольшее количество меди, называется томпаком, а марок Л85 и Л80 – полутомпаком; В судостроении применяют в основном четыре марки простой латуни: Л63, Л68, Л90 и Л96.

Специальная латунь кроме меди и цинка содержит легирующие элементы: алюминий, железо, олово, свинец, кремний, никель, марганец и др., улучшающие ее свойства. Все латуни по наличию в них основного легирующего элемента, определяющего ее свойства, делятся на свинцовые, оловянные, марганцевые, кремнистые и др.

Марка специальной латуни состоит из букв и цифр. Первая буква Л обозначает латунь, последующие буквы – легирующие элементы: О – олово, С – свинец, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, К – кремний, А – алюминий. Первые две цифры, стоящие за буквенным обозначением, указывают среднее содержание меди, а последующие – содержание легирующих элементов в процентах. Для определения количества цинка необходимо из 100 % вычесть суммарное содержание меди и легирующих элементов в марке. Например, ЛАЖМц66-6-3-2 – специальная алюминиево-железо-марганцевая латунь, содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца и остальное до 100 % – цинка. В судостроении специальную латунь применяют довольно широко.

Медно-цинковые сплавы используют, также в качестве твердых припоев при паянии стали, меди и ее сплавов.

Припоем называется присадочный металл или сплав, применяемый для паяния. Медно-цинковые припои маркируются буквами ПМЦ, которые обозначают припой медно-цинковый, и цифрами, которые указывают содержание меди

7

в процентах (остальное цинк). Например, ПМЦ36 – припой медно-цинковый, содержит 36 % меди и 64 % цинка.

Наибольшее распространение получили припои «марок ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54. Они имеют температуру плавления соответственно 800; 860 и 870 °С и обеспечивают удовлетворительную прочность соединений.

Бронзой называется сплав меди с оловом и другими элементами, за исключением цинка. Бронзу делят в зависимости от наличия в сплаве олова на оловянную и безоловянную (специальную), а по назначению – на литейную и деформируемую.

Оловянные бронзы имеют высокие литейные, антифрикционные свойства, хорошо обрабатываются резанием. Введение легирующих элементов (фосфора, цинка, свинца и никеля) способствует улучшению этих свойств. Фосфор, например, повышает антифрикционные и литейные свойства, цинк – износостойкость. Свинец повышает плотность и улучшает обрабатываемость резанием, облегчая стружколомание. Никель способствует улучшению пластичности. Основными недостатками оловянных бронз являются их недостаточная прочность и высокая стоимость, поэтому их применяют только в тех случаях, когда другие сплавы по своим свойствам непригодны.

Безоловянные (специальные) бронзы – сплавы меди с алюминием,

кремнием, марганцем, свинцом, бериллием и другими элементами Они не содержат дефицитного олова и, следовательно, являются более дешевыми, чем оловянные. В зависимости от содержания основного легирующего элемента безоловянные бронзы делятся на алюминиевые, бериллиевые, кремнистые, свинцовистые, марганцовистые и др.

Алюминиевые бронзы содержат до 11 % алюминия и имеют более высокие механические и антикоррозионные свойства, чем оловянные. Они обладают также высокой кавитационной стойкостью, теплопроводностью и морозостойкостью.

Бериллиевые бронзы – обладают высокой механической прочностью износостойкостью, электропроводностью, коррозионной стойкостью в агрессивных средах, упругостью и немагнитностью. Они предназначены для изготовления деталей приборов, элементов точных и ответственных механизмов.

Кремнистые бронзы содержат легирующие элементы: никель, марганец, цинк, свинец. По механическим свойствам они приближаются к сталям, обладают хорошими литейными и антикоррозионными свойствами, упругостью и немагнитностью.

Марганцовистые бронзы высокопластичны и коррозионно-стойки, но имеют невысокую прочность. Эти бронзы сохраняют механические свойства при температуре нагрева до 400 °С.

Свинцовистые бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и применяются для изготовления вкладышей высоконагруженных подшипников скольжения.

8

Хромистые бронзы содержат до 1 % хрома. Они в 2 – 3 раза тверже электролитической, меди, но менее электропроводны, чем медь (80 % от электропроводности меди). Кроме хрома, в эти бронзы могут входить небольшие количества (до 0,1 %) кремния, серебра и других элементов.

Циркониевые бронзы содержат до 0,15 % циркония. Они обладают хорошей электропроводностью (до 96 % электропро-водности электролитической меди), а также высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Циркониевые бронзы сохраняют прочность при нагреве до 500 °С и легко поддаются холодной обработке, штамповке и ковке.

Оловянно-никелевые бронзы – в них до 50 % олова заменено никелем. Они обладают высокой антикоррозионной стойкостью в различных средах, износостойки и хорошо обрабатываются.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, создающих сплав, и цифры, указывающие количество элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонента сплавов: А – алюминий, Мц – марганец,

С – свинец, Б – берилий, Мг – магний, Ср – серебро, Ж – железо, Мш – мышьяк, Су – сурьма, К – кремний, Н – никель, Т – титан, Кд – кадмий, О – олово, Ф – фосфор, X – хром, Ц – цинк.

3 Никель, медно-никелевые и никелевые сплавы

Никель технически чистый содержит не менее 99 % никеля и применяется в основном для изготовления деталей в точных электротехнических приборах, а также для покрытия металлов (никелирования). Он имеет очень высокие антикоррозийные свойства и высокое электрическое сопротивление. Электропроводность никеля составляет всего 15 % электропроводности меди. Наибольшее значение никеля – его использование как легирующего элемента.

Сплавы никеля с металлами обладают ценными механическими и физическими свойствами: жаростойкостью, кисло-стостойкостью, электросопротивлением и т. д. Сплавы меди с никелем называются медно-никелевыми.

Наиболее широкое применение получили сплавы марок МНМц 43-0,5 (копель), МНМц 40-1,5 (константон) МН19 и МНЖМцЗО-0,8-1 (мельхиор), МНМцЗ-12 (манганин), МНА13-3 (куниаль А), МНА-6-1,55 (куниаль Б) и др.

Марка сплава состоит из букв и цифр. Первые буквы МН указывают на принадлежность сплава к медно-никелевым. Последующие буквы и цифры показывают среднее содержание элементов в сплаве. Чтобы определить количество меди, необходимо из 100 % вычесть суммарное процентное содержание этих элементов. Например, МНМц53-05 – медно-никелевый сплав, содержащий 53 % никеля, 0,5 % марганца и 46,5 % меди.

9

В судостроении медно-никелевые сплавы применяют в основном для изготовления труб теплообменных аппаратов и различных судовых систем, так как они имеют наибольшую стойкость против коррозии в морской воде и в среде пара из всех используемых для этих целей медных сплавов.

Никелевые сплавы, основной составной частью которых является никель, имеют высокое электрическое сопротивление и коррозионную стойкость, а

и НХ9 (хромель) и др. Буква Н в начале марки указывает на принадлежность сплава к никелевым. Последующие буквы и цифры показывают среднее содержание элементов в сплаве. Для того чтобы определить, количество никеля, необходимо из 100 % вычесть суммарное процентное содержание элементов в марке. Например, НМЖМц28'-2,5-1,5 – никелевый сплав, содержащий 28 % меди, 2,5 % железа, 1,5 % марганца и 68 % никеля.

Всудостроении широко применяют монель-металл (НМЖМц28-;'-2,5-1,5)

свысокой прочностью и антикоррозионной стойкостью. Из него изготовляют детали теплообменных аппаратов, работающих в среде, воздуха и пара при температуре до 500 °С. Высокая антикоррозионная стойкость монель-металла сохраняется в том случае, если нет контакта с другими металлами. Если этот контакт имеется, например, при креплении деталей из монель-металла стальными изделиями, то коррозионное разрушение этих деталей произойдет быстрее, чем разрушение соединений, выполненных полностью из обыкновенной углеродистой стали.

Алюмель и хромель с высоким электросопротивлением и жаропрочностью. применяются в основном для изготовления термопар.

10