Магний и титан и их сплавы.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Проведения лекционного занятия

по дисциплине «Материаловедение и технология материалов»

для курсантов 2 курса по специальности 20.05.01

«Пожарная безопасность»

ТЕМА № 4

«ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ»

Обсуждена на заседании МС

протокол №__ от «___»________2015 г.

 

Владивосток

2015 г.

I. Учебные цели

1. Изучить структуру, основные свойства цветных металлов и их сплавов.

2. Рассмотреть области применения (в том числе в автомобилестроении, при производстве пожарного и аварийно-спасательного инструмента) цветных металлов.

3. Получить представление о влиянии добавок на свойства цветных металлов.

II. Воспитательные цели

Формировать у обучаемых знания, умения и навыки, позволяющие решать задачи, стоящие перед ГПС. Морально-психологическая подготовка курсантов, студентов и слушателей для ведения работ на опасных объектах.

 

III. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Учебные вопросы 1. Алюминий и его сплавы 2. Медь и ее сплавы 3.Магний и титан и их сплавы ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

IV. Литература

Основная:

1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие / Под ред. В.С. Артамонова – СПбУ ГПС МЧС России, 2011. – 312 с.

2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для вузов. Под ред. Чередниченко В. С. – 4-е изд., стер. – М.: Омега-Л, 2008. – 752 с.

3. Материаловедение и технология материалов: курс лекций. Под ред. Артамонова В.С.; МЧС России. – СПб.: СПбУ ГПС МЧС России, 2008. – 112 с.

 

Дополнительная:

1. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. Учебник. – М.: Высш. шк., 2001. – 637 с.

2. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология материалов. – М.: Металлургия, 1994. – 622 с.

3. Материаловедение и технология материалов. Под ред. Солнцева Ю.П. – М.: Металлургия, 1988. – 512 с.

 

V. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, портативный компьютер.

2. Слайды, плакаты.

 

VI. Текст лекции

Введение.

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Более высокие требования (например, по массе, высокой удельной прочности и устойчивости) заставляют в ряде случаев использовать цветные металлы и сплавы. Из всего многообразия цветных металлов нами будут рассмотрены лишь наиболее широко применяемые, такие как алюминий, медь, магний и титан.

Далее преподаватель объявляет тему, цели и учебные вопросы лекции.

Алюминий и его сплавы.

Алюминий и его сплавы – первые конструкционные металлы, которые были использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохранил в наше время, занимая первое место среди применяемых металлов (до ¾ массы пассажирских самолетов типа ИЛ-62, ТУ-134).

Практически нет ни одной отрасли машиностроения, в которой бы не использовались алюминиевые сплавы. Их применяют в строительных конструкциях, судостроении; на железнодорожном и автомобильном транспорте, для изготовления деталей холодильной и криогенной техники; для создания хранилищ и емкостей для транспортировки жидких газов: кислорода, азота, водорода, гелия и.др. Алюминиевые сплавы используются как материал для ректификационных колонн, в химической промышленности, так как для алюминия не характерно взаимодействие с органическими кислотами, концентрированной азотной кислотой и продуктами пиши;

Технически чистый алюминий в электротехнике в качестве проводникового материала. Его удельная электропроводность составляет 65% от электропроводности меди. Однако при расчете алюминиевых проводов эквивалентного сечения при заданной силе тока алюминиевый провод получается примерно в 2 раза легче медного.

Из всех легких металлов алюминий характеризуется наибольшими объемами производства, занимая в мировой промышленности по производству второе место после стали.

До конца 80-х годов 19 века алюминий почти не производился и был немного дешевле золота. Так, на банкете, данном Наполеоном III, только гости королевской крови были удостоены чести есть алюминиевыми ложками и вилками, остальные пользовались золотыми и серебряными приборами.

В 1886 году американский студент Чарльз Холл и французский инженер Поль Эру разработали современный способ производства алюминия – электролизом криолитоглиноземного расплава. После этого производство алюминия стало расти, а цена его начала резко падать.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Он один из наиболее легких конструкционных металлов, его плотность 2,7 г/ см³. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб. Алюминий не имеет полиморфных превращений.

Технически чистый алюминий имеет относительно невысокую температуру плавления (657^оС), незначительную прочность, низкую твердость, но очень высокую пластичность. В отожженном состоянии σ_в = 100 МПа, твердость НВ~25, δ= 40%.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью к воздействию влаги, растворов азотной кислоты и многих других агрессивных сред, что объясняется наличием на его поверхности защитной пленки Аl₂О₃.

Ценными технологическими свойствами алюминия является его хорошая деформируемость и свариваемость – алюминий легко подвергается горячей, а также холодной обработке давлением и сваривается всеми видами сварки. Их него прокаткой можно получать тонкую фольгу, применяемую в качестве оберточного материала. Однако алюминий плохо обрабатывается резанием.

В проводниковом алюминии количество примесей должно быть минимальным. Маркируется алюминий буквой А и цифрами, указывающими чистоту (наличие примесей) алюминия. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (алюминий, содержащий 99,999% алюминия и 0,001% примесей), высокой чистоты: А995 (99,995% алюминия), А99 (99,99% алюминия), А97 (99,97% алюминия) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99 % алюминия).

Из-за низкой прочности и незначительной упрочняемости при пластической деформации в холодном состоянии технически чистый алюминий как конструкционный материал используется сравнительно редко. Для этих целей используются алюминиевые сплавы.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы содержат меньше, чем литейные, легирующих элементов, находящихся в твердом растворе. Они обладают высокой пластичностью, хорошо обрабатываются давлением. К ним относятся дуралюмины, ковочные сплавы алюминия.

Дуралюмины (от французского dur твердый) это сплав алюминия с медью (2,2 – 4,8%), магнием (0,4 – 2,4%) и марганцем (0,4 – 0,8%). Маркируется буквой Д и цифрами, которые являются условными номерами сплава. Например Д1, Д6, Д16 и т.д. Дуралюмины повышенного качества (более чистый по примесям, с более узкими пределами содержания легирующих элементов) обозначают буквой А, например, Д16А.

Сплавы типа дуралюмин имеют невысокую коррозионную стойкость. Основным способом защиты листов дуралюмина от коррозии является плакирование – нанесение защитного слоя из чистого алюминия на обе поверхности листа из дуралюмина, затем совместная прокатка листов. Толщина этого слоя составляет 3-5% от толщины листа. Возможно также проведение анодной поляризации для образования защитной оксидной пленки на поверхности.

Достоинством дуралюминов является высокая удельная прочность, благодаря чему они относятся к числу наиболее широко применяемых материалов в самолетостроении. Дуралюмины используют во многих областях техники. Их также применяют в пищевой, холодильной промышленности для изготовления емкостей, поплавковых камер, арматуры, трубопроводов и.т.д.

Ковочные сплавы алюминия содержат медь (2,2 – 5,2%), магний (0,2 – 1,6%), марганец (0,6 – 11%), кремней (0,4 – 1,3%), железо до 0,7%. Применяется для изготовления деталей методом горячей обработки давлением – ковкой, штамповкой. Эти сплавы маркируются буквами АК и цифрой, обозначающей номер сплава. Например АК1, АК8 и т.д.

Литейные алюминиевые сплавы плохо обрабатываются давлением, но обладают высокими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористостью). К ним относятся силумины.

Силумины – наиболее распространенные литейные сплавы алюминия с кремнием (4 – 13%). Кремний имеет плотность 2,4 г/см₃, поэтому его добавка не увеличивает массы алюминиевых сплавов.

Маркируются литейные алюминиевые сплавы буквами АЛ и порядковый номер от 1 до 19. Например АЛ1, АЛ2, АЛ4 и т.д.

Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов, корпусов турбонасосных агрегатов и других мало и средненагруженных деталей, в том числе и тонкостенных отливок сложной формы. Из силуминов изготавливают поршни двигателей, головки и блоки цилиндров, корпуса и рабочие колеса центробежных насосов и т.д.

В настоящее время наряду с рассмотренной выше буквенно- цифровой маркировкой используется цифровая маркировка, например, 1160. Первая цифра обозначает основу сплава (1 – алюминиевый сплав), вторая соответствует основным легирующим элементам (1. Сu-Мg, Сu-Мg -Fe-Ni; 2. Сu-Li-Cd-Mn, Сu-Mn; 3. Fe-Ni – Si; 4.Сr, Ni, Be.), следующая цифра обозначает порядковый номер сплава, в конце указывается содержание (0 или нечетная цифра – деформируемый сплав, четная цифра – литейный сплав, 9 – металлокерамический, 7 – проволочный).

Примеры обозначения сплавов с помощью буквенно-цифровой и цифровой маркировок приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Примеры маркировок алюминиевых сплавов

Легирующие элементы	Маркировка	Легирующие элементы	Маркировка
буквенная	цифровая	буквенная	цифровая
Аl чистый	АД00		Сu, Мg, Mn, Si	АК6 АК8
Mn	АMn		Сu, Мg, Fe, Ni, Si	АК4 АК4-1
Мg -Mn	АМг1 АМг5		Zn-Мg	-
Мg - Si	АВ		Zn-Мg-Сu	В95 В95Ц1
Сu-Мg	Д1 Д16 ВАД! Д18		Сu - Mn	Д20 -

 

Медь и ее сплавы.

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении. Она стоит на втором месте (после алюминия) по объему производства среди цветных металлов.

Медь – пластичный металл красного, в изломе розового цвета. Плотность меди 8,9 г/см³, tпл = 1083^оС. У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность: σ_в ~ 200÷250 МПа, твердость НВ~85÷115, δ= 50%. Теплопроводность меди ~1428 кДж/(м·град·ч). Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб.

Медь является важнейшим проводниковым материалом, уступая по электропроводности лишь серебру. Поэтому примерно половину всей меди потребляет электрорадиотехническая промышленность для изготовления монтажных и обмоточных проводов, шин коллекторов и электрощитов, в электровакуумной промышленности. Медь и ее сплавы используют в технике низких температур, так как они обладают высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Медь хорошо обрабатывается резанием, сваривается всеми видами сварки, легко поддается пайке, прекрасно полируется. Недостатками меди являются ее высокая стоимость, значительная плотность, большая усадка при литье, ломкость, сложность обработки резанием.

Маркируется медь буквой М и порядковым номером (М00, МО, Ml, М2, МЗ, М4). Чем больше цифра в марке меди, тем больше в ней примесей

Электропроводность меди существенно понижается при наличии даже небольшого количества примесей. Поэтому в качестве проводникового материала используют электролитическую медь марок М1 (99,9%), М0 (99,95%), и особо чистую медь М00 (99,99%).

Прочность и технологические свойства меди сильно понижаются при наличии висмута, свинца, серы, кислорода, которые являются вредными примесями.

Для увеличения прочности проводов, например, трамвайных, их легируют кадмием (около 1%). Электрическая проводимость при этом снижается на 10%, но прочность увеличивается в 2 раза.

В пожарной технике медь находит применение для обмотки генераторов, стартеров, катушки зажигания, реле – регулятора, электропроводки. Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь применяют в качестве конструкционного материала весьма редко. Более широкое распространение в промышленности имеют сплавы меди.

По технологическим характеристикам медные сплавы делятся на деформируемые и литейные. По химическому составу – на латуни и бронзы.

Латунями называется медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Содержание цинка в сплаве может колебаться от 4 до 45%. Чем больше цинка в латуни, тем выше ее механическая прочность. Для повышения механических и других свойств сплава в состав латуни могут также входить олово, кремний, марганец, никель, алюминий, железо и др. Такой сплав называется специальной латунью. Олово, марганец и алюминий увеличивают прочность и коррозионную стойкость (так называемые «морские латуни»). Кремний повышает твердость и прочность, улучшает литейные свойства.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, следующие за ней цифры указывают содержание меди в сплаве в процентах. Например, маркой Л63 обозначается латунь, содержащая 63% меди. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся и начальные буквы их названий: О- олово; Ц- цинк; Мц – марганец; А – алюминий; Ж- железо; Ф-фосфор; Б – бериллий; Х- хром; Н-никель и др. Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, Например, ЛЖМц59-1-1 - деформируемая латунь, содержащая 59% меди, 1% железа и 1% марганца. Остальное – цинк (39%).

Литейные латуни также маркируются буквой Л. После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – литейная латунь, содержащая 23% цинка, 6% алюминия; 3% железа; 2% марганца, остальное – медь (66%).

В пожарной технике для изготовления бачков и трубок радиаторов систем охлаждения применяют латунь Л68, деталей электрооборудования латунь Л72. Латунь используют также для производства различных трубок системы питания и т.д.

Из деформируемых латуней изготавливают трубы, прутки, полосы, проволоку, из литейных – болты, втулки, подшипники.

Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими добавками, среди которых цинк не является основной добавкой. Бронза обладает высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, коррозионной стойкостью, хорошими литейными качествами, обрабатываемостью и т.д. Она идет на изготовление арматуры и деталей механизмов, работающих во влажной атмосфере и в других агрессивных средах.

Различают 2 группы бронз: оловянные и безоловянные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, деформируемая бронза БрОФ 6,5-0,15 содержит: олова – 6,5%, фосфора 0,15%, остальное – медь, т.е. 93,35%. Обозначение элементов в бронзе то же, что и при маркировке латуней.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, литейная бронза БРО5Ц5С5 содержит 5% свинца, 5% цинка; 5% олова, остальное – медь, т.е. 85%. Маркировка литейных бронз производится аналогично обозначению литейных латуней.

В пожарной технике бронзы применяются для изготовления топливно-подающей аппаратуры, втулки шатунов, плоских пружин в системах питания, шайб и т.д.

 

Магний и титан и их сплавы.

Магний – металл светло-серого цвета. Имеет низкую плотность (1,73 г/см³) и t_пл = 650^оС. Кристаллическая решетка – многогранная призма (гексагональная) плотноупакованная. Он не имеет полиморфных превращений. Временное сопротивление разрыву чистого магния в деформированном состоянии σ_в ~ 180 МПа, относительное удлинение δ~5%.

Из-за низких механических характеристик магний в чистом виде для изготовления деталей не применяется. Для этих целей используются магниевые сплавы. Их достоинством являются: хорошая обрабатываемость резанием, свариваемость, высокая удельная прочность. К недостаткам магниевых сплавов относятся меньшая прочность, чем алюминиевых, меньшая коррозионная стойкость и легкая воспламеняемость при нагревании. Снижение коррозионной стойкости объясняется тем, что пленка MgO имеет большую плотность, чем Mg и легко растрескивается.

Основными легирующими добавками в магниевых сплавах являются: алюминий, марганец, цинк, которые могут давать твердые растворы с магнием.

Детали из магниевых сплавов изготавливают обработкой давлением (прокаткой, штамповкой, прессованием), а также литьем. В соответствии с этим магниевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы маркируются буквами МА и порядковым номером: например МА-2; МА-4; МА-10; и т.д. МА-2 содержит в % 3-4.0 Аl; 0.2-0.8 Zn; 0.15-0.5 Mn. Алюминий и цинк повышают прочность сплава, а марганец способствует увеличению его коррозионной стойкости. Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получил МА-10 содержащий 8-9% Al; 7-8% Cd, 2.0-2.5% Аg. После термообработки он имеет прочность _в=430 МПа при =6%.

Литейные магниевые сплавы маркируются буквами МЛ и далее порядковый номер. Например, МЛ5, содержащий 7.5-9.0 Al, 0. 15-0.5 Mn, 0.2-0.8 Zn. МЛ5 после термообработки имеет: _в=250МПа, =6%.

Благодаря высокой удельной прочности магниевые сплавы нашли широкое применение (самолёто и ракетостроении). В автостроении они применяются для изготовления картеров двигателей, коробок передач. Применяются также в электротехнике и радиотехнике. Благодаря высокой теплоёмкости (в 2.5 выше, чем у стали), они не успевают перегреваться при кратковременных полётах.

Для защиты от коррозии детали из магниевых сплавов подвергаются оксидированию, нанесению лакокрасочных покрытий.

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 0,6%, по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его изготовления был разработан лишь в 40 – х годах 20 века. Благодаря прогрессу в ракето- и самолетостроении производство титана и его сплавов интенсивно развиваось.

Титан – металл серебристо-белого цвета, имеет t_пл=1660-1680^оС (зависит от чистоты металла) при плотности 4.5 г/см³. Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляет 0,05…0,1 %, имеет низкий модуль нормальной упругости Е=112 000 МПа, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение δ~65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.

Титан является полиморфным металлом. При нагреве до 882^оС a-титан, имеющий гексагональную кристаллическую решетку, переходит в b-титан с решеткой объемноцентрированого куба. Теплопроводность титана низкая ~630 кДж/(м·град·ч), что иногда используют в технике. Титан имеет высокую коррозионную стойкость при нормальной температуре даже в сильно агрессивных средах (в азотной кислоте, в морской воде и др.), так как на его поверхности образуется стойкая пассивирующая пленка TiO₂. Нередко он превосходит по коррозионной стойкости хромо-никелевые нержавеющие стали. Есть такие среды, в которых ни один металл, кроме титана, не может быть применен.

Но при нагреве выше 500^оС он становится очень активным элементом. При высокой температуре титан либо растворяет все соприкасающиеся с ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы, по сравнению с другими сплавами имеют ряд преимуществ:

1. Сочетание высокой прочности, достигающей _в=800-1500МПа с хорошей пластичностью =12-25%.

2. Малая плотность. Как следствие этого титановые сплавы имеют наиболее высокую удельную прочность по сравнению с другими металлами и сплавами. Так, если удельная прочность _в/g для легированных сталей 18-22, алюминиевых 18-22, то для титановых сплавов _в/g=25-30 и даже у ВТ14 она составляет 40.

3. Относительно высокая жаропрочность. Их можно использовать до t^оС=600-700^оС.

4. Высокая коррозионная стойкость.

Упрочнение титановых сплавов достигается легированием или термообработкой. Наиболее часто для этих целей применяется алюминий. Одним из недостатков титановых сплавов является их плохая обрабатываемость режущим инструментом.

По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ9, ВТ18) и литейные (ВТ21Л, ВТ31Л) сплавы.

Области применения титановых сплавов:

· авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

· химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

· оборудование для обработки ядерного топлива;

· морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

· криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС).

Преподаватель отвечает на вопросы по материалам лекции и объявляет задание на самоподготовку: повторить материалы лекции и самостоятельно проработать вопрос:

Классификация сплавов из цветных металлов.