Основні відомості про структури кольорових металів і сплавів

Сплави на основі алюмінію характеризуються малою густиною та підвищеною корозійною стійкістю (сплави без міді), добре оброблюються і мають високу питому міцність. Відомі деформовані й ливарні сплави. Деформовані, у свою чергу, поділяють на термічно незміцнені та зміцнені. До перших відносять чистий алюміній і його сплави з магнієм або з марганцем, до других — сплави систем Аl-Сu-Мg, Al-Cu-Mg-Zn, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Si та ін. Ці сплави зміцнюють гартуванням у воді з наступним природним чи штучним старінням. При цьому їх міцність може бути на порядок вища за міцність відпаленого алюмінію. Найбільш розповсюдженим термічно зміцненим алюмінієвим сплавом є дюралюміній. Це сплав системи Аl-Сu-Мg. У структурі дюралюмінію у зрівноваженому (відпаленому) стані на фоні зерен твердого α-розчину присутні точкові включення фаз CuAl₂, Al₂Mg, а також MgSi та Cu₂FeAl (рис. 13.1, а). Після гартування і старіння видно зерна α-розчину і включення частинок заліза та кремнію (рис. 13.1, б).

Силуміни — ливарні сплави алюмінію з кремнієм (вміст Si — 5–14%). Структура цих сплавів за вмістом кремнію до 11,3% (доевтектичні сплави) складається з первинних кристалів твердого α-розчину й евтектики (α + Si) (рис. 13.1, г). За більшої концентрації кремнію (заевтектичні сплави) у структурі, крім евтектики, з'являються первинні кристали кремнію у вигляді пластинок. При модифікуванні силуміну натрієм структура евтектики стає більш дисперсною, а кількість первинних кристалів кремнію зменшується, що сприятливо відображається на властивостях сплаву. У спеціальних силумінах у присутності міді й магнію утворюються частинки Al₂CuMg і Mg₂Si, які розчиняються за гартування і виділяються за старіння в дисперсній формі, викликаючи зміцнення литих деталей.

 

Рисунок 13.1 - Структура алюмінієвих сплавів: а - Д16 після відпалюванням; б - Д16 після гартування; в - Д16 після гартування з перепалювання; г - литий силумін АЛ2

Характерна особливість термічно зміцнених алюмінієвих сплавів — вузький температурний інтервал нагрівання під гартування (див. рис. 12.2). Відносно невелике перевищення температури при нагріванні під гартування може призвести до перепалювання, тому на практиці постійно контролюють загартовані вироби на перепалювання, за яким межі зерен потовщуються (окиснені) або навіть сплавляються. На мікроструктурі видно потовщення межі, інколи з краплеподібними ділянками сплавлення (рис. 13.1, в).

Мідні сплави поділяють на латуні й бронзи. Вони бувають деформовані й литі. Латунями називають сплави міді з цинком, а бронзами — сплави міді з оловом та іншими металами (алюмінієм, свинцем, кремнієм, берилієм).

У структурі технічної міді на фоні рівновісних зерен можуть зустрічатися включення домішок оксиду міді Сu₂O, сульфіду міді CuS та ін. (рис. 13.2, в). У литій міді домішки свинцю і вісмуту розміщені по межах зерен (рис. 13.2, а); у деформованій міді зерна витягнуті в напрямку деформації (рис. 13.2, б).

Рисунок 13.2 - Структура міді: а - лита; б - деформована; в - відпалена після деформації

Латуні залежно від умісту цинку бувають однофазні (Zn £ 35%) або двофазні. У структурі однофазної α-латуні присутні зерна твердого α-розчину (рис. 13.3, а), в структурі двофазної латуні після травлення поряд із зернами α-розчину видно темніші включення фази β' (рис. 13.3, б). Латуні добре обробляються тиском, особливо пластичні α-латуні. Міцніші α +β'-латуні, що добре обробляються різанням, малопластичні. Легування міді цинком до 35% супроводжується підвищенням пластичності, до 46% — зростанням їх міцності. З подальшим підвищенням умісту цинку пластичність і міцність різко знижуються.

Рисунок 13.3 - Структура латуні: а - однофазної; б - двофазної

Олов'яні бронзи бувають литі й деформовані. Вони коштовні й мають низькі ливарні властивості. З метою поліпшення властивостей бронзи легують цинком, свинцем, нікелем, фосфором. Деформовані бронзи звичайно містять 3–7% Sn, до 5% Zn і Рb, до 0,4% Р. Таким бронзам притаманні добрі ливарні властивості, у відпаленому стані вони мають однофазну структуру (рис. 13.4, а) й легко оброблюються тиском. При масовій частці олова 9–11% у структурі утримується евтектоїд у сполуці Cu₃₁Sn₅ (рис. 13.4, б), що виключає можливість пластичної деформації. Такі бронзи використовуються як ливарні. Присутність твердого евтектоїду забезпечує високу стійкість проти стирання, а м'яка основа полегшує припрацювання й утворює на поверхні дрібні канали, по яких циркулює мастило. Тому бронзи з 9–10% Cu₃₁Sn₅ є одними з кращих антифрикційних матеріалів і використовуються для виготовлення підшипників.

Алюмінієві бронзи, наприклад БрАЖ9-4, містять 5–11% Al, вони дешевші від олов'яних, мають задовільну рідкотекучість, високі механічні властивості й корозійну стійкість. За вмістом Al до 9,8% у структурі простежуються зерна твердого α-розчину, при 9,8–15,2% Al поряд з α-розчином з'являються ділянки евтектоїду (α + d). Після гартування двофазної бронзи з температури відповідної області твердого β-розчину її структура буде складатись із голчастих кристалів мартенситної β-фази (рис. 13.4, в).

 

Рисунок 13.4 - Структура бронзи: а - однофазної; б - двофазної; в - загартованої на мартенсит

Бабіти — це антифрикційні сплави на основі олова або свинцю. Структура бабітів, як і інших антифрикційних сплавів, повинна відповідати певним вимогам: складатись із м'якої пластичної основи і твердих частинок, включених у цю основу. М'яка основа потрібна для прироблення вкладиша до вала, а тверді частинки — для зменшення тертя. При цьому кількість твердих частинок має бути значно меншою, ніж м'якої основи. Найкращим бабітом на олов'яній основі є сплав Б83, який складається із 83% Sn, 11% Sb і 6% Cu. Структура такого сплаву (рис. 13,5) включає в себе м'яку основу твердого α-розчину (темний фон) і невелику кількість кристалів β' кубічної форми.

Рисунок 13.5 - Структура бабіту Б83

Мідь уведена в сплав для попередження ліквації β'-кристалів за питомою вагою. Мідь з оловом утворює хімічну сполуку Cu₃Sn, що кристалізується першою, складає скелет, на якому кристали β' затримуються і не спливають. На мікрошліфі кристали Cu₃Sn видно як світлі крапки, голочки й зірочки.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити за діаграмою стану можливий фазовий склад алюмінієвих і мідних сплавів.

2. Розглянути класифікацію, хімічний склад, структуру, властивості, маркування й використання сплавів на основі алюмінію та міді.

3. Обміркувати структурні особливості антифрикційних сплавів.

4. Вивчити під мікроскопом структури ливарних та деформованих сплавів алюмінію, міді й бабітів.

5. Уважно розглянути під мікроскопом особливості структури алюмінієвого сплаву, загартованого з перепалюванням.

6. Замалювати розглянуті під мікроскопом структури в зошиті, відмітити характерні особливості надписами з лініями-виносками.

7. Зробити висновки за виконаною роботою.

 

Таблиця 13.1 - Мікроструктура кольорових металів і сплавів

№ з/п	Позначення	Характеристика матеріалів	Особливості мікроструктури
	М1 (відп.)	Мідь марки М1 у відпаленому стані	Рівновісне зерно переважно з прямолінійними межами
	М1 (деф.)	Мідь марки М1 деформована з наклепом	Зерна видовжені у напрямку дії деформації
	Л80	Однофазна α-латунь (80% Cu + 20% Zn), відпалена	Рівновісне зерно, в окремих зернах помітно штрихи - смуги зсуву від деформації перед відпалюванням
	ЛС59-1	Двофазна α + β -латунь (59% Cu + 1% Pb + 40% Zn)	Світлі зерна - α-фаза, темні - β-фаза
	БрОЗЦ12С5	Олов’яниста бронза (3% Sn + 5% Pb + 12% Zn)	На сірому фоні α-фази, помітні темні зерна β-фази та довгасті зерна евтектоїда
	АЛ2	Алюмінієвий ливарний сплав (силумін) (Al + 9 - 12% Si)	На фоні α-фази помітні видовжені кристали кремнію (α + Si евтектика)
	АК6	Алюмінієвий деформівний кувальний сплав системи Al-Cu-Mg-Si, сильний перепал	Межі зерен потовщені (окиснені), на стику 3-4 зерен помітно краплеподібні оплавлення
	Б83	Антифрикційний олов’янистий сплав (бабіт) (Sn +11% Sb + 6% Cu)	На темному фоні твердого розчину α-фази, помітні кубічні кристали Sn, Sb та голчасті кристали Cu3Sn

Запитання для самоперевірки

1. Наведіть класифікацію алюмінієвих сплавів.

2. Як розрізняють за кількістю фаз термічно зміцнені алюмінієві сплави?

3. Як визначається присутність перепалу в сплавах?

4. Яку структуру мають силуміни після лиття?

5. Схарактеризуйте латуні та бронзи.

6. Опишіть структури латуней та олов'яних бронз.

7. Які особливості алюмінієвих та берилієвих бронз?

8. Опишіть структури антифрикційних сплавів.

9. Навіщо в бабіти додають мідь?

Література: [1, с. 384; 3, с. 342; 4, с. 232].

Лабораторна робота №14