СПЛАВЫ
СПЛАВЫ, материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.
Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.
Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.
Сталь.
Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.
Чугун.
Чугуном называется сплав железа с 2–4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала. См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ.
Сплавы на основе меди.
В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.
Свинцовые сплавы.
Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (~70° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.
Легкие сплавы.
Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.
Алюминиевые сплавы.
К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.
Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.
Магниевые сплавы.
Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.
Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также СВАРКА.
Титановые сплавы.
Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.
Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.
В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.
Бериллиевые сплавы.
Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.
| Таблица 1. НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЫЕ СПЛАВЫ (состав и механические свойства) | |||||
| Типичные механические свойства | |||||
| Сплавы | Состав (основные элементы, %) | Состояние | Предел текучести (деформация 0,2%), МПа | Предел прочности на растяжение, МПа | Удлинение (на длине 5 см), % |
| Алюминиевые | |||||
| 3003 | 1,2 Mn, 98,8 Al | Отожженный | 40 | 110 | 30 |
| Холоднокатаный1 | 186 | 200 | 4 | ||
| 2017 | 4,0 Cu, 0,5 Mn, 0,5 Mg, 95 Al | Отожженный | 69 | 179 | 22 |
| Термообработанный2 | 275 | 427 | 22 | ||
| 5052 | 2,5 Mg, 0,25 Cr, 97,25 Al | Отожженный | 90 | 193 | 25 |
| Холоднокатаный1 | 255 | 290 | 7 | ||
| 6053 | 1,3 Mg, 0,7 Si, 0,25 Cr, 97,75 Al | Отожженный | 55 | 110 | 35 |
| Термообработанный3 | 220 | 255 | 15 | ||
| Альклед 2024 | Сердцевина: 2024 (4,5 Cu, 0,60 Mn, 1,5 Mg, 94,4 Al). Покрытие: 99,75 Al | Отожженный | 76 | 179 | 20 |
| Термообработанный3 | 310 | 448 | 18 | ||
| Термообработанный4 | 365 | 462 | 11 | ||
| 7075 | 5,6 Zn, 2,1 Cu, 3,0 Mg, 0,3 Cr, 89,0 Al | Отожженный | 100 | 228 | 17 |
| Термообработанный3 | 517 | 572 | 11 | ||
| 13 | 12–13 Si, 87–88 Al | Литой под давлением | 145 | 296 | 2,5 |
| 43 | 5,3 Si, 94,7 Al | Литой в песч. форму | 55 | 130 | 8 |
| Литой под давлением | 110 | 228 | 9 | ||
| 214 | 4 Mg, 96 Al | Литой в песч. форму | 82 | 170 | 9 |
| Медные | |||||
| Красная латунь | 85 Cu, 15 Zn | Отожженный | 100 | 310 | 43 |
| Холоднокатаный1 | 450 | 550 | 4 | ||
| Патронная латунь | 69 Cu, 31 Zn | Отожженный | 100 | 317 | 58 |
| Холоднокатаный1 | 450 | 586 | 10 | ||
| Желтая латунь (выс.) | 65 Cu, 35 Zn | Отожженный | 100 | 310 | 60 |
| Холоднокатаный1 | 480 | 620 | 5 | ||
| Адмиралтейская латунь | 70 Cu, 29 Zn, 1 Sn | Отожженный | 124 | 365 | 60 |
| Холоднокатаный1 | 676 | 689 | 3 | ||
| Судостроительная латунь | 60 Cu, 39 Zn, 0,75 Sn, 0,25 Pb | Отожженный | 100 | 372 | 40 |
| Холоднокатаный1 | 270 | 427 | 30 | ||
| Мунца металл | 60 Cu, 40 Zn | Отожженный | 100 | 393 | 48 |
| Холоднокатаный1 | 410 | 552 | 9 | ||
| Алюминиевая бронза | 92 Cu, 8 Al | Отожженный | 206 | 524 | 55 |
| Холоднокатаный1 | 689 | 924 | 13 | ||
| Марганцовистая бронза | 68 Cu, 29 Zn, 1 Fe, 1 Mn, 1 Al | Отожженный | 172 | 414 | 45 |
| Холоднокатаный1 | 344 | 586 | 20 | ||
| Фосфористая бронза | 95 Cu, 5 Sn, следы P | Отожженный | 124 | 310 | 50 |
| Холоднокатаный1 | 517 | 620 | 4 | ||
| Кремнистая бронза | 96 Cu, 3 Si, остальное Mn, Sn, Ni или Zn | Отожженный | 150 | 379 | 35 |
| Холоднокатаный1 | 620 | 758 | 5 | ||
| Бериллиевая бронза | 97,6 Cu, 2,05 Be, 0,35 Ni или 0,25 Co | Отожженный | 210 | 483 | 42 |
| Холоднокатаный5 | 1100 | 1310 | 2 | ||
| Нейзильбер | 60 Cu, 20 Zn, 20 Ni | Отожженный | 138 | 310 | 35 |
| Холоднокатаный1 | 517 | 620 | 3 | ||
| Купроникель | 70 Cu, 30 Ni | Отожженный | 228 | 440 | 35 |
| Холоднокатаный | 503 | 552 | 5 | ||
| Магниевые | |||||
| AZ 92 (дауметалл C) |
9 Al, 2 Zn, 0,1 Mn, 88,9 Mg | Литой в песч. форму3 | 150 | 275 | 3 |
| AZ 90 (дауметалл R) |
9 Al, 0,6 Zn, 0,2 Mn, 90,2 Mg | Литой под давлением | 150 | 228 | 3 |
| AZ 80X (дауметалл 01) | 8,5 Al, 0,5 Zn, 0,2 Mn, 90,8 Mg | Экструдированный | 228 | 338 | 11 |
| Никелевые | |||||
| Монель-металл | 67 Ni, 30 Cu, 1,4 Fe, 1 Mn | Отожженный | 240 | 517 | 40 |
| Холоднокатаный1 | 689 | 758 | 5 | ||
| Инконель | 77,1 Ni, 15 Cr, 7 Fe | Отожженный | 241 | 586 | 45 |
| Холоднокатаный1 | 758 | 930 | 5 | ||
| Железные | |||||
| Кованое железо | 2,5 шлак, остальное в осн. Fe | Горячекатаный | 206 | 330 | 30 |
| Технически чистое железо | 99,9 Fe | Отожженный | 130 | 260 | 45 |
| Углеродистая сталь SAE 1020 | 0,2 C, 0,25 Si, 0,45 Mn, 99,1 Fe | Отожженный | 276 | 414 | 35 |
| Литая углеродистая сталь | 0,3 C, 0,4 Si, 0,7 Mn, 98,6 Fe | Литой6 | 276 | 496 | 26 |
| Литой7 | 414 | 620 | 25 | ||
| Нержавеющая сталь типа 302 | 18 Cr, 8 Ni, 0,1 C, 73,9 Fe | Отожженный | 207 | 620 | 55 |
| Нержавеющая сталь типа 420 | 13 Cr, 0,35 C, 86,65 Fe | Отожженный | 414 | 676 | 28 |
| Термообработанный | 1380 | 1724 | 8 | ||
| Чугун | 3,4 C, 1,8 Si, 0,5 Mn, 94,3 Fe | Литой | — | 174 | 0,5 |
| Нитенсил | 2,7 C, 1,8 Si, 0,8 Mn, 2,3 Ni, 0,3 Cr, 92,1 Fe | Литой8 | 278 | 552 | — |
| Нирезист типа 2 | 2,8 C, 1,8 Si, 1,3 Mn, 20 Ni, 2,5 Cr, 71,6 Fe | Литой | — | 207 | 2 |
| Нихард | 2,7 C, 0,6 Si, 0,5 Mn,4,5 Ni, 1,5 Cr, 90,2 Fe | Литой в песч. форму | — | 379 | — |
| Литой в кокиль | — | 517 | — | ||
| 1Отпуск на макс. твердость. 2Термообработка на твердый раствор. 3Термообработка на твердый раствор и старение. 4Термообработка на твердый раствор, старение и наклеп. 5Отпуск на макс. твердость и старение. 6Литье и отжиг. 7Литье, закалка в воду, отпуск с 677° С. 8Литье и термообработка. | |||||
| Таблица 2. НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЫЕ СПЛАВЫ (физические свойства, характеристика и применение) | |||||||||||
| Физические свойства | |||||||||||
| Сплавы | Плотность | Точка (диапазон) плавления, °С | Коэфф. теплового расширения (0–100° С), 10–6/К |
Теплопро-водность (0–100° С), 106 Вт/(мЧК) | Удельное электро- сопротивление (0° С), 10–9 ОмЧм |
Модуль упругости при растяжении, 103 МПа | Характеристика и применение | ||||
| Алюминиевые | |||||||||||
| 3003 | 2,73 | 645–655 | 22,9 | 8,32 6,70 |
98,9 125 |
68,9 | Пластичный и легкий материал. Баки, трубы, заклепки и т.п. | ||||
| 2017 | 2,79 | 535–640 | 23,2 | 7,41 5,23 |
111 169 |
71,7 | Самолетостроение и др. отрасли техники, где требуется высокая удельная прочность | ||||
| 5052 | 2,67 | 590–650 | 23,6 | 6,00 | 144 | 70,3 | Хорошая прочность, легкий, коррозионностойкий материал | ||||
| 6053 | 2,69 | 580–650 | 23,2 | 7,41 6,70 |
111 125 |
69,0 | То же | ||||
| 2024 | — | 500–640 | 23,0 | — | — | — | По прочности превосходит 2017 | ||||
| 7075 | 2,80 | 480–640 | 23,2 | 5,23 | 169 | 71,7 | По прочности превосходит 2024. Самолетостроение | ||||
| 13 | 2,66 | 576–620 | 19,8 | 6,14 | 140 | 71,0 | Хорошие литейные свойства. Превосходный материал для сложных отливок | ||||
| 43 | 2,66 | 576–630 | 22,0 | 6,32 6,32 |
136 122 |
71,0 71,0 |
Хорошие литейные свойства, газоплотный материал.Литейный сплав общего назначения | ||||
| 214 | 2,63 | 580–640 | 23,8 | 5,98 | 144 | 71,0 | Хорошие механические свойства. Превосходная коррозионная стойкость. Кухонная и молочная посуда | ||||
| Медные | |||||||||||
| Красная латунь | 8,75 | 1023 | 17,6 | 6,85 | 143 | 103 | Коррозионностойкий. Водопроводные трубы, арматура | ||||
| Патронная латунь | 8,50 | 938 | 20,0 | 5,17 | 204 | 97 | Патронные гильзы и др. изделия глубокой вытяжки | ||||
| Желтая латунь (выс.) | 8,47 | 932 | 18,9 | 5,17 | 204 | 97 | Латунь широкого назначения. Хорошие механические характеристики. | ||||
| Адмиралтейская латунь | 8,54 | 934 | 18,4 | 4,73 | 214 | 103 | Коррозионностойкий. Конденсаторные трубы | ||||
| Судостроительная латунь | 8,42 | 885 | 20,1 | 5,00 | 214 | 103 | Стойкий к соленой воде. Судостроение | ||||
| Мунца металл | 8,40 | 904 | 19,4 | 5,42 | 184 | 90 | Хорошие высокотемпературные свойства и коррозионная стойкость | ||||
| Алюминиевая бронза | 7,78 | 1040 | 16,6 | 3,00 | 357 | 103 | Сплав повышенной прочности, коррозионностойкий. Гребные винты, зубчатые колеса | ||||
| Марганцовистая бронза | 8,36 | 896 | 20,1 | 4,36 | 214 | 103 | Повышенная прочность. Арматура трубопроводов | ||||
| Фосфористая бронза | 8,86 | 1050 | 16,9 | 3,52 | 290 | 103 | Высокая усталостная прочность. Пружины, мембраны | ||||
| Кремнистая бронза | 8,54 | 1018 | 17,1 | 1,40 | 816 | 103 | Высокие прочность и сопротивление усталости, коррозионная стойкость | ||||
| Бериллиевая бронза | 8,23 | 954 | 16,6 | 4,00 | — | — | Исключительно высокая усталостная прочность. Пружины, мембраны | ||||
| Нейзильбер | 8,75 | 1110 | 16,2 | 1,45 | 893 | 128 | Коррозионностойкий белый металл. Основной материал для посеребренной посуды | ||||
| Купроникель | 8,94 | 1227 | 15,3 | 1,25 | 1122 | 139 | Коррозионная стойкость. Конденсаторные трубы, трубопроводы для соленой воды | ||||
| Магниевые | |||||||||||
| AZ 92 (дауметалл C) | 1,82 | 599 | 25,2 | 2,89 | 490 | 44,8 | Легкий сплав для литья в песчаные и многократные формы | ||||
| AZ 90 (дауметалл R) | 1,81 | 604 | 25,2 | 2,98 | 520 | 44,8 | Легкий сплав для литья под давлением | ||||
| AZ 80X (дауметалл 01) | 1,80 | 610 | 25,2 | 3,30 | 444 | 44,8 | Легкий сплав для экструдирования | ||||
| Никелевые | |||||||||||
| Монель-металл | 8,84 | 1299–1349 | 14,0 | 1,12 | 1480 | 179 | Коррозионностойкий. Кухонное и больничное оборудование | ||||
| Инконель | 8,51 | 1393–1427 | 11,5 | 0,64 | 3000 | 214 | Термо- и коррозионностойкий сплав | ||||
| Железные | |||||||||||