Мікроструктура кольорових металів (2 к)

Інструкція до лабораторної роботи розробив доцент ОНМУ Смажило Богдан Васильович – доцент кафедри «Технологія матеріалів» ОНМУ і Шамов Олексій Володимирович – викладач тієї ж кафедри.

Інструкція до лабораторної роботи схвалена кафедрою «Технологія матеріалів» ОНМУ 29 січня 2015 р. (протокол № 5).

Мета роботи: Ознайомитися з характерними структурами кольорових металів і сплавів. Вивчити зв'язок їх будови з властивостями.

Завдання роботи: Навчитися по мікроструктурі самостійно проводити мікроаналіз кольорових сплавів, встановлювати зв'язок їх властивостей з будовою матеріалів, усвідомити області застосування кольорових сплавів.

В в е д е н н я Всі метали, крім заліза, зазвичай називають кольоровими.

Кольорові метали дорожче чорних і більш дефіцитні. Проте, вони мають цілу низку особливих фізичних, механічних та хімічних властивостей, завдяки чому знаходять широке застосування.

М і д ь т а ї ї с п л а в и

Мідь досить тугоплавкий (1083 °С) і важкий (щільність 8,93 г/см3) метал, має високу теплопровідність, електропровідністю, пластичністю і корозійною стійкістю.

Мідь у відпаленого стані володіє низькою міцністю (σв = 25 кГ/мм2). Шляхом легування можна значно зміцніть мідь, але при цьому знижується електропровідність.

Підвищення механічних і технологічних характеристик може бути досягнуто зплавленням міді з іншими металами:

Zn, Sn, Al, Be та інш.

Шкідливими домішками мідних сплавів є Bi, O, S, Pb та інш. Bi і Pb утворюють з міддю легкоплавкі евтектики, що утрудняють обробку міді в гарячому стані.

Латуні. Сплави міді з цинком називають латунями. Латуні за структурою діляться на дві групи:

1.Сплави із вмістом до 39 % цинку є однофазними і мають структуру α- твердого розчину (рис. 1).

2.Сплави, що містять більше 39 % цинку, мають двофазну структуру α + β' (рис. 2). Фаза β' з великим вмістом цинку, після травлення зазвичай темніше, ніж α-фаза.

При підвищенні вмісту цинку до 39 % в α-латуні зростають її міцність і пластичність. При подальшому підвищенні вмісту цинку від 39 до 45 % міцність продовжує зростати, а пластичність знижується, особливо з появою в структурі β'-фази.

Латуні застосовуються головним чином як деформуються, а не як ливарні сплави, так як вони схильні до утворення концентрованих усадочних раковин.

Крім простих латуней в техніці широко застосовуються спеціальні латуні

збільш високими механічними і хімічними властивостями, до складу яких входять алюміній, кремній, залізо, нікель, олово та ін. Деякі з них володіють

хорошими ливарними властивостями і тому застосовуються для відливання деталей.

Мідноцінкові латуні позначаються літерою "Л" (латунь). Далі ставиться цифра, яка показує вміст міді, решта цинку, наприклад, Л80, Л62, Л59 и т.д.

У спеціальних латунях букви позначають присутні легуючі елементи (Ж – залізо, Мц – марганець і т.д.). Цифри вказують вміст міді і присутніх легуючих елементів у відсотках. Наприклад, ЛЖМц59-1-1 містить 59 % міді, 1 % заліза та 1 % марганцю, а інше до 100% – цинк.

Хімічний склад, механічні властивості та призначення деяких латуней дані у таблицях 1 і 2.

Бронзи. Сплави міді з оловом і іншими металами (крім цинку) називаються бронзами.

Залежно від основного легуючого елемента бронзи діляться на олов′яністі, алюмінієві, берилієві і т.д.

Маркуються бронзи буквами "Бр" і далі йдуть літери, що показують наявність певних легуючих елементів. Цифри послідовно вказують вміст кожного елемента.

Наприклад, БрОЦ 10-2 містить 10 % олова, 2 % цинку, решта – мідь.

При вмісті в литий олов′яністій бронзі менше 8 % олова вона має дендритну структуру (рис. 3). При більш високому вмісті олова структура складається з α-твердого розчину і евтектоіду α + δ. δ-фаза має склад Cu31Sn8

(рис. 4).

Гетерогенна структура двохфазної бронзи забезпечує їй високу антифрикційність.

В даний час широко застосовується бронза з 10 % олова для заливки вкладишів підшипників, що працюють при великих тисках і швидкостях.

Бронзи з високим вмістом олова володіють хорошими ливарними властивостями.

Свинець не розчинний в міді. Тому в свинцевою бронзі він виявляється у вигляді темних включень. На рис. 5 представлена структура свинцевої бронзи марки БРС-30. Свінцевиста бронза є прекрасним антифрикційним матеріалом. Хімічний склад, механічні властивості і призначення деяких бронз дані в таблицях 3, 4 та 5.

А л ю м і н і й т а й о г о с п л а в и

Залежно від способу обробки всі алюмінієві сплави поділяються на дві групи: ливарні і що оброблювані тиском (що деформуються).

До числа найбільш поширених алюмінієвих ливарних сплавів відносяться силуміни, тобто сплави алюмінію з кремнієм (5 – 14 % Si).

Всі силуміни мають високу рідкотекучість, малою усадкою задовільною корозійною стійкістю і малою щільністю – 2 г/см3. Ці сплави застосовують для виготовлення литих деталей складної форми.

Розчинність кремнію в рідкому алюмінії мізерно мало. При вмісті 11,7 % кремнію утворюється евтектика. Структура силумінів сильно подрібнюється

під дією модифікування (рис. 6). Роздрібнення структури помітно поліпшує механічні властивості сплавів.

Силуміни позначаються літерами "АЛ" (алюміній, ливарний) і далі йде порядковий номер. Наприклад, АЛ2.

Хімічний склад і технічні властивості деяких силумінів наведені в таблиці 6.

Типовим оброблюваним тиском алюмінієвим сплавом є дюралюмін. Його середній хімічний склад такий: Си – 4,5 %, Mg – 0,5 %, Мп – 0,5 %, Si – 0,5 %, решта алюміній.

Дюралюмін позначається буквою "Д", наприклад, Д1, Д15. Цифра – порядковий номер сплаву, не вказує на хімічний склад.

На рис. 7 наведена структура відпаленого дюралюміну. Темні виділення являють собою хімічні сполуки СиAl2 ; Mg2 Si; CuMgAl2 .

Термічна обробка дюралюмінію складається в загартуванні і природному старінні. Загартування проводиться з температур 490 – 510 °. Нагрівання до більш низьких температур не забезпечує максимальних механічних властивостей. Нагрівання до більш високих температур викликає перевитрата, тобто окислення і часткове розплавлення металу по межах зерен, що різко знижує міцність і пластичність. Охолодження – при загартуванню у воді.

Після гарту для забезпечення високої корозійної стійкості дюралюмін піддають природному старінню. Природне старіння найбільш інтенсивно протікає у першу добу після гарту і практично закінчується протягом 4 – 5 діб. Зниження температури гальмує старіння, а підвищення, навпаки, збільшує швидкість процесу, але знижує пластичність і опір корозії.

Б а б і т и

Бабіти відносяться до спеціальних антифрикційним сплавів. Бабіти застосовуються для заливки вкладишів підшипників. Вони повинні бути одночасно твердими, для зменшення коефіцієнта тертя, і м'якими, даючи можливість вкладишу припрацьовуватися до валу. Для цього їм надають структуру, що складається з м'якої основної маси і твердих кристалів.

Найбільш високими властивостями володіє олов′янистий бабіт марки Б-83, хоча він і дорогий. Олов′янистий бабіт містить 83 % Sn, 11 % Sb, 6 % Cu.

Сплав Б-83 характеризується структурними складовими сильно відрізняються за твердістю: м'якою основою його є α-твердий розчин сурми в олові, а твердими кристалами – β-фаза, твердий розчин на базі хімічної сполуки

SnSb.

Для усунення ліквації до складу даного бабіту вводять 5 – 6 % Си. Мідь утворює з оловом хімічну сполуку Sn5Си, що кристалізується першим у вигляді розгалужених дендритів, на яких осідають кристали сполуки SnSb.

Під мікроскопом кристали α-твердого розчину виглядають у вигляді основного темного фону, SnSb – у вигляді квадратних великих білих кристалів, Sn5Си6 – у вигляді білих голочок і зірочок (рис. 8).

Свинцевисті бабіти, як більш дешеві, є замінниками олов′янистих бабітів.

Таблиця 4 – Хімічний склад і механічні властивості олов'яних бронз, оброблюваних тиском

Таблиця 6 – Хімічний склад і типові механічні властивості деяких ливарних алюмінієвих сплавів (силумінів)