Краткие сведения из теории. Цель работы:изучить классификацию, микроструктуру, свойства и назаначение типовых цветных сплавов машиностроения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

МИКРОСТРУКТУРА ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Цель работы: изучить классификацию, микроструктуру, свойства и назаначение типовых цветных сплавов машиностроения.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

К цветным относится обширная группа металлов следующих классов:

- легкие металлы являются основой сплавов для машиностроения, судостроения, самолетостроения. Это преимущественно алюминий и титан, реже магний;

- легкоплавкие металлы преимущественно используются для изготовления антифрикционных сплавов: это свинец, олово, цинк. Такие сплавы часто в виде тонкого слоя наносятся на рабочую поверхность стальной основы подшипников скольжения машин и механизмов;

- редкоземельные металлы применяются в качестве добавок к различным сплавам (сталям и др.) с целью улучшения их свойств;

- благородные металлы (золото, серебро, платина и др.) используются в электротехнике, электронике, радиотехнике;

- урановые металлы получили применение в атомной энергетике;

- тугоплавкие металлы (ниобий, тантал, молибден, вольфрам) применяются для изготовления изделий, работающих при особо высоких температурах до 1500...2000 °С.

Из цветных металлов наибольшее использование имеет алюминий, содержание которого в земной коре равно 8,8 %. Алюминиевые сплавы применяют для кузовов, рам, элементов дверей, радиаторов, колес автомобилей, блоков цилиндров, головок блоков, поршней двигателей внутреннего сгорания и других деталей машин.

Алюминиевые сплавы остаются одним из основных конструкционных материалов в производстве летательных аппаратов. Из них изготовляют элементы конструкций самолетов, воспринимающие действие механических сил: шпангоуты, лонжероны, нервюры и др. Сплавы в виде листов применяют для обшивки корпусов ракет и самолетов, изготовления топливных и масляных баков (сплав алюминий-магний, дуралюмин, алюминий - литиевые сплавы и др.). Поковки и штамповки получают из ковочных сплавов марок 1360 (АК6) и 1380 (АК8). В серийном производстве освоены новые алюминиевые сплавы, имеющие в два раза меньшее содержание вредных примесей и повышенное сопротивление к образованию трещин. Из этих сплавов промышленность производит листы длиной до 9 метров и плиты длиной до 25 метров.

Расширяется применение титановых сплавов преимущественно в судостроении и авиационной технике. Сплавы обычно получают способом вакуумно-дуговой плавки с расходуемым электродом. Выплавляемые титановые слитки имеют диаметр 500...800 мм, массу 5...8 тонн и далее подвергаются обработке давлением: ковке на молотах, прокатке на станах и др. Основными видами деформируемых титановых полуфабрикатов являются поковки, штамповки, прутки, профили, трубы.

На основе алюминия, меди, магния, титана и некоторых других цветных металлов разработаны сплавы, перечень основных видов которых по государственным стандартам приведен в табл. 16.

Таблица 16. Перечень основных разновидностей промышленных

цветных материалов но государственным стандартам

 

№ ГОСТа	Наименование стандарта
493-79	Бронзы безоловянные литейные. Марки
613-79	Бронзы оловянные литейные. Марки
1320-74	Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия
1583-89Е	Сплавы алюминиевые литейные. Марки
2856-79	Сплавы магниевые литейные. Марки
4784-74	Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки
5017-74	Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки
14957-76	Сплавы магниевые деформируемые. Марки
15527-70	Сплавы медноцинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки
17711-80	Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки
18175-78	Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. Марки
19807-91	Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки
28873-90	Сплавы на основе тяжелых цветных металлов, обрабатываемые давлением. Унифицированные марки.

Описание микроструктур цветных сплавов лабораторной коллекции шлифов дано в табл. 17, а схемы микроструктур приведены на рис. 14. Применяемые в современной технике цветные материалы на основе алюминия, меди, титана и других металлов подразделяются на деформируемые и литейные. Из деформируемых сплавов получают различными способами горячей и холодной обработки давлением кованые и штампованные заготовки, прутки, листы и прочие полуфабрикаты. Основу их структуры составляют твердые растворы.

Детали из литейных сплавов не обрабатываются давлением и ставятся в конструкцию машин в литом состоянии в виде фасонных отливок. Для изготовления из них отливок они должны обладать хорошими литейными технологическими свойствами: высокой способность жидких сплавов к заполнению полостей литейной формы (жидкотекучестью), малой усадкой, небольшой склонностью к образованию трещин и др.

 

Таблица 17. Перечень лабораторной коллекции микрошлифов цветных сплавов

 

№ шлифа	Наименование	Марка	ГОСТ	Химический состав, %	Обработка сплава	Структурные составляющие
	Дуралюмин		4784-74	Al-основа; 3,8…4,8Cu; 1,2…1,8Mg; 0,3…0,9Mn.	Отжиг	a-раствор и частицы интерметаллидов
	Медно-цинковый сплав (латунь)	Л68	15527-70	Cu – основа 30-33 Zn	Холодная деформация и отжиг	Зерна a-раствора с двойнико-выми кристаллами (светлые и темные)
	Титановый сплав	ВТ3-1	19807-91	Ti-основа; 5,5…7Al; 2…3Мо;1; 2…5Cr; 0,15…0,4 Si; 0,2…0,7 Fe.	Отжиг	a-раствор (светлый) и b-раствор (темный)
	Силумин	АК12	1583-89Е	Al-основа; 10…13 Si	Литьё без модифицирования	Эвтектика (a+Si) и крупные кристаллы Si.
	Силумин	АК12	1583-89Е	Al-основа; 10…13 Si	Литьё с модифицированием	Дисперсная эвтектика (a+Si) и a-раствора (светлый)
	Магниевый сплав	МЛ5	2856-79	Mg – основа 7,5…9 Al; 0,2…0,8 Zn; 0,15…0,5 Mn.	Литьё и закалка	Перенасыщенный a-раствор и Mg4Al3
	Бронза оловянная	БрО10Ф1	-	Cu – основа 9…11 Sn; 0,8…1,2 Р	Литьё	Дендриты a-раствора (темные), эвтектоид (светлый) и Cu3Р
	Баббит	Б83	1320-74	Sn – основа; 10…12 Sb; 5,5…6,5 Cu	Литьё	a-раствор, светлые крупные кристаллы b и мелкие Cu3Sn

 

Рис. 14. Схемы микроструктур цветных сплавов.

Широкое использование получили материалы алюминий – медь – магний, дополнительно легированные марганцем (дуралюмины). В отожженном состоянии при содержании 3,8…4,8 % меди микроструктура дуралюминов состоит из a - твердого раствора меди в алюминии и вторичных дисперсных включений интерметаллических соединений CuAl₂, Al₂CuMg (S-фазы).

Наиболее распространенными деформируемыми медными сплавами
являются медно-цинковые сплавы (латуни). Двухкомпонентные сплавы медь-
цинк при содержании до 39 % цинка имеют микроструктуру из одного a-твердого раствора цинка в меди (латунь Л68). Микроструктура образца, подвергнутого холодной деформации и рекристаллизационному отжигу, состоит из равновесных зерен твердого раствора a, имеющих вследствие анизотропии (зависимости свойств от направления) различный цвет от светлого до разных оттенков темного. Эти латуни применяются для получения ленты, трубок.

У латуней с содержанием 39…46 % цинка микроструктура состоит из зерен a - твердого раствора и фазы b' (упорядоченный твердый раствор на основе соединения CuZn). Такие двухфазные латуни имеют повышенную прочность при пониженной пластичности и изготовляются в виде прутков и других полуфабрикатов.

Большинство деформируемых промышленных титановых сплавов получают после отжига микроструктуры из a - раствора или a+b - растворов на основе титана. Твердый раствор a на основе Tia имеет гексагональную кристаллическую решетку, b- раствор на основе Tib - решетку объемно-центрированного куба. Титановые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, хорошей сопротивляемостью коррозии.

Широкое применение имеют литейные сплавы алюминий-кремний (силумины). У заэвтектического сплава микроструктура состоит из эвтектики и первичных более крупных кристаллов кремния, например, у силумина АК12. Эвтектика представляет собой смесь a - твердого раствора кремния в алюминии и грубых игольчатых кристаллов кремния, играющих роль внутренних надрезов (концентраторов напряжения). При модифицировании жидкого силумина натрием в количестве 0,05…0,08 % эвтектика измельчается и состоит из a раствора и мелких зерен кремния. Микроструктура модифицированного доэвтектического силумина имеет первичные светлые дендриты твёрдого раствора a и мелкозернистую эвтектику. Измельчение эвтектики и отсутствие в микроструктуре грубых кристаллов первичного хрупкого кремния позволяет несколько повысить прочность и пластичность силумина. Силумины применяют для изготовления фасонных отливок сложной формы.

Из литейных сплавов меди используются наиболее широко бронзы. Литая оловянная бронза с содержанием олова до 5…6 % имеет структуру a - твердого раствора олова в меди с развитой дендритной ликвацией. Микроструктура литой бронзы, содержащей более 6 % олова, состоит из дендритов твердого раствора a и извилистых светлых включений хрупкого эвтектоида (дисперсной смеси двух фаз: a - раствора и Cu₃₁Sn₈ (d-фазы)).

Оловянная бронза, раскисленная фосфором, дополнительно имеет в микроструктуре небольшие включения химического соединения Cu₃Р светло-голубого цвета, например, бронза марки БрО10Ф1. Оловянные бронзы применяются для изготовления сложных по форме отливок, подшипников скольжения, арматуры.

Из магниевых литейных сплавов наиболее широко используются сплавы магний – алюминий – цинк, например, марки МЛ5. В литом состоянии микроструктура сплава МЛ5 состоит из a -твердого раствора алюминия и цинка в магнии и включений хрупкого химического соединения Mg₄A1₃. Применение длительного нагрева отливок при 400 °С приводит к растворению части включений химического соединения в твердом растворе, что позволяет повысить пластические свойства. Охлаждение в воде дает перенасыщенный a -раствор с частицами Mg₄A1₃ (закалка). Магниевые сплавы характеризуются небольшой плотностью (1,7 г/см³).

Для заливки вкладышей подшипников скольжения широкое применение получили сплавы олово – сурьма – медь, например, оловянный баббит Б83. Микроструктура баббита состоит из мягкого a -твердого раствора сурьмы в олове и крупных светлых кристаллов упорядоченной b¢-фазы на основе химического соединения SnSb с высокой твердостью. Введение небольшого количества меди обеспечивает кристаллизацию в жидком растворе олова с сурьмой разветвленных дендритов ранее затвердевающего химического соединения Cu₃₁Sn₈, которые препятствуют ликвации в сплаве по плотности ("всплыванию") кристаллов b¢- фазы.

Наличие в микроструктуре баббита мягкой, пластичной основы из раствора a и включений кристаллов химических соединений с высокой твердостью обеспечивает сочетание прирабатываемости подшипника к валу с износостойкостью и небольшой коэффициент трения между валом и подшипником при наличии жидкостного трения.