| Тип сплава | Марка сплава | Средний химический состав, % | Уровень прочности | Механич. свойства | Технология получения | |
| σВ, МПа | δ, % | |||||
| α -сплавы | ВТ1–0 | 99,28 % Ti | М.п. | 350–500 | 30 | деформируемый |
| ВТ5 | 5 % А1 | С.п. | 750–900 | 10 | ||
| ВТ5–1 | 5 % А1; 2,5 % Sn | С.п. | 750–900 | 12 | ||
| ВТ5Л | 5 % А1 | М.п. | 700–900 | 9 | литейный | |
| псевдо- α -сплавы | ОТ4–1 | 1,5 % А1; 1 % М n | М.п. | 600–750 | 20 | деформируемый |
| АТ–2 | 2 % Zr; 1 % Мо | М.п. | 600–750 | 20 | ||
| ВТ20 | 6 % А1; 1 % Мо; 1 % V | С.п. | 950–1150 | 8 | ||
| ТС5 | 5 % А1; 2 % Zr; 3 % Sn; 2 % V | В.п. | 950–110 | 8 | ||
| ВТ20Л | 6 % А1; 2 % Zr; 1 % Мо | С.п. | ≥1000 | ≤4 | литейный | |
| (α+β)-сплавы | ВТ6С | 5 % А1; 4 % V | С.п. | 850–1000 | 12 | деформируемый |
| ВТЗ–1 | 6 % А1; 2,5 % Мо; 2 % С r; 0,3 % Si; 0,5 % Fe | В.п. | 1000–1200 | 10 | ||
| ВТ14 | 4,5 % А1; 3 % Мо; 1 % V | В.п. | 900–1070 | 8 | ||
| ВТ22 | 5 % А1; 5 % Мо; 5 % V; 1 % (F е, С r) | В.п. | 1100–1250 | 8 | ||
| ВТ14Л | 5 % А1; 3 % Мо; 1 % V; 0,5 % (Cr, Fe) | В.п. | 900 | 5 | литейный | |
| псевдо- | ВТ–15 | 3 % А1; 7 % Мо; 11 % С r | В.п. | 1350–1500 | 4 | деформируемый |
| ТС6 | 3 % А1; 5 % Мо; 6 % V,11 % С r | В.п. | 1400–1500 | 4 | ||
| β -сплавы | 4201 | 33 % Мо | С.п. | 800–850 | 10 | деформируемый, коррозионно-ст. |
Примечание. М.п. – малопрочные (высокопластичные), С.п. – среднепрочные, В.п. – высокопрочные
Титановые сплавы подвергаются следующим видам термической обработки: отжигу для снятия напряжений, рекристаллизационному отжигу, упрочняющей термической и химико-термической обработке.
Упрочняющая термическая обработка (α+β) -сплавов состоит из закалки с температур нагрева до β - или (α+β)- области с последующим искусственным старением. После закалки образуется α’ -фаза (мартенситная фаза) игольчатого строения, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α -фазе. При старении из α’ -фазы выделяется β -фаза, понижающая твердость сплава, или интерметаллидная фаза, вызывающая охрупчивание.
При закалке из β -области структура сплавов состоит из переохлажденного β’ -твердого раствора. При старении из такого раствора выделяется мелкодисперсная α -фаза, повышающая прочность и твердость сплава.
Для повышения жаростойкости детали из титановых сплавов подвергают различным видам диффузионной металлизации, а для повышения износостойкости – азотированию.
Медь и её сплавы
Медь действительно цветной металл: в зависимости от чистоты и состояния поверхности цвет изменяется от розового до красного. Её порядковый номер 29, имеет кристаллическую решетку ГЦК с периодом решетки 0,3608 нм. Медь плавится при температуре 1083 °С, не имеет полиморфных превращений, её удельный вес составляет 8,94 г/см3. Медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, имеет высокие технологические свойства: хорошо паяется, сваривается, легко обрабатывается давлением. В отожженном состоянии предел прочности меди составляет 200–250 МПа при относительном удлинении 40–50 %. По ГОСТ 859–78 производится 11 марок меди в зависимости от содержания примесей, например: М00 содержит 99,99 % Cu, М0 – 99,97 % Cu, М2 – 99,7 % Cu и т. д. Благодаря высокой электропроводности медь нашла широкое применение в электротехнике. Из меди изготавливают шины, ленты, кабели, обмотки электродвигателей и др. Примеси изменяют свойства меди. Понижают электропроводность примеси, которые образуют с медью твёрдые растворы: фосфор, мышьяк, алюминий, олово.
Высокая теплопроводность меди делает её пригодной для водоохлаждаемых тиглей, кристаллизаторов, поддонов и изложниц для отливки титана и др.
На механические свойства меди примеси влияют незначительно, в большей мере они зависят от состояния (литое или деформированное). Для повышения прочности медь легируют цинком, алюминием, оловом, никелем, железом или подвергают холодной пластической деформации. В результате холодной пластической деформации медь наклёпывается и её временное сопротивление разрыву может достигать 400–450 МПа, при одновременном снижении пластичности и электропроводности на 2–4 %.
Восстановить пластичность меди можно рекристаллизационным отжигом при температуре 500–600 °С.
Медные сплавы по технологическим свойствам подразделяются на деформируемые (при получении листов, полос, профилей, проволоки) и литейные (при получении отливок в песчаные или металлические формы). По способности упрочняться в результате нагрева медные сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По химическому составу более широко известно деление медных сплавов на латуни и бронзы.
В латунях главным легирующим элементом является цинк. Латуни получили широкое распространение благодаря сочетанию высоких механических и технологических свойств. Структура и свойства латуней определяются диаграммой состояния «Cu – Zn» (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Диаграмма состояния системы «Cu – Zn»
Содержание цинка в кристаллической решетке может достигать 39 %. Латуни, состоящие из меди и цинка, называют простыми. Они могут быть однородными (до 39 % цинка) и двухфазными (более 39 % цинка). Однофазные латуни имеют высокую пластичность, так как состоят из однофазного α -твёрдого раствора. Двухфазные латуни при наличии β -фазы имеют более высокую прочность, но пластичность при этом снижается (рис. 6.4).
Простые латуни маркируются буквой «Л» и цифрой, показывающей процентное содержание меди. Латунь Л80 содержит 80 % меди и 20 % цинка. Простые латуни поставляются в виде листов, ленты, прутков, проволоки и согласно ГОСТ 15527–70 имеют обозначение Л96, Л90, …, Л59.
Рис. 6.4. Влияние содержания цинка на свойства латуней
Специальные (многокомпонентные) латуни содержат и другие легирующие элементы: Al, Ni, Mn, Sn и др. Алюминий, кремний, марганец и никель повышают механические свойства латуни и сопротивление коррозии, а свинец улучшает обрабатываемость резанием. В специальных латунях после буквы «Л» следуют буквы русского алфавита, обозначающие легирующий элемент: А – Al, Н – Ni, К – Si, С – Pb, О – Sn, Ж – Fe, Mu – М n, Ф – Р, Б – Ве, Ц – Zn. Цифры после букв показывают среднее содержание меди и легирующих элементов в процентах. Например: ЛК 80–3 содержит 80 % меди, 3 % кремния, 17 % цинка.
Простые и специальные латуни относятся к деформируемым сплавам и используются как конструкционный материал там, где требуются высокая прочность и коррозионная стойкость: в трубопроводной арматуре, в химическом машиностроении и особенно в судостроении. Изготавливают из латуней листы, ленту, проволоку, а затем из этого проката – радиаторные трубки, снарядные гильзы, трубопроводы, шайбы, гайки, втулки, уплотнительные кольца, токопроводящие детали электрооборудования.
Кроме деформируемых латуней, применяются и литейные латуни, которые содержат большое количество добавок для улучшения литейных свойств. Их обозначение отличается от обозначения деформируемых латуней. В них содержание компонента указывается после буквы: ЛЦ40Мц3Ж – содержит 40 % Zn, 3 % Mn, 1 % Fe, остальное медь.
Механические свойства литейных латуней существенно зависят от способа получения отливок – песчано-глинистые формы, керамические или кокиль. Из литейных латуней изготавливают паровые и воздушные клапаны, корпуса кранов, пробки топливной и воздушной аппаратуры.
Бронзы – это сплавы меди со всеми другими элементами: оловом, алюминием, кремнием, бериллием и др. Бронзы различают по химическому составу и состоянию обработки. В некоторых случаях прочность таким способом может быть повышена до 750 МПа, по сравнению с обычной прочностью двухкомпонентных бронз – 400–500 МПа.
Бронзы называют по наличию легирующего элемента в их составе: алюминиевые, оловянистые, кремнистые, бериллиевые и т. д. Бронзы маркируют буквами «Бр» (бронза), за которыми следуют буквы и цифры, указывающие на состав и содержание легирующих элементов в процентах, например: Бр ОЦС 4–4–2,5 содержит 4 % олова, 4 % цинка, 2,5 % свинца, остальное медь; Бр КМц 3–1 содержит 3 % кремния, 1 % марганца, остальное медь.
Оловянистые бронзы известны с бронзового века. Они, как и другие сплавы, делятся на деформируемые (<10 % Sn) и литейные (>10 % Sn). В прошлом бронзы получили название в зависимости от их назначения: колокольная (20–30 % олова), зеркальная (30–35 % олова), монетная (4–10 % олова), пушечная (8–18 % олова). Оловянистые бронзы отличаются хорошими литейными свойствами – высокой жидкотекучестью и малой усадкой. С целью экономии олова в бронзы добавляют цинк в таком количестве, чтобы он полностью растворялся в меди, образуя твёрдый раствор, тем самым повышая механические свойства. Для улучшения обрабатываемости резанием в оловянистые бронзы добавляют свинец (например, БрО6Ц4С17: 6 % Sn, 4 % Zn, 17 % Pb, остальное Cu). Литейные оловянистые бронзы, обладая высокой коррозионной стойкостью в воде и на воздухе, применяются для пароводяной арматуры.
Деформируемые оловянистые бронзы характеризуются более низким содержанием олова (например: Бр ОЦ4–3 содержит 4 % Sn, 3 % Zn, остальное медь) и имеют однофазную структуру твёрдого раствора. После холодной обработки давлением бронзы подвергаются отжигу при 600–700 °С. Они пластичны и более прочны, чем литейные. Кроме того, деформируемые оловянистые бронзы обладают высокими упругими свойствами, поэтому их используют для получения пружин, мембран и др.
Алюминиевые бронзы обычно содержат от 5 до 10 % алюминия. Механические и коррозионные свойства этих бронз выше, чем у оловянистых. Алюминиевые бронзы можно подвергать закалке и старению. Однофазные алюминиевые бронзы (Бр А7) более пластичны, чем двухфазные, и относятся к деформируемым. Они обладают высокой прочностью и пластичностью (σВ = 400–450 МПа, δ = 60 %).
Легируют алюминиевые бронзы железом, никелем, марганцем и др. для устранения литейных недостатков и увеличения механических свойств после упрочняющей термической обработки (закалки с последующим старением). Например, у бронзы Бр АЖН10–4–4 (10 % Al, 4 % Fe, 4 % Ni, остальное медь) твёрдость увеличивается от 1500 до 4000 НВ; из неё изготавливают седла клапанов, направляющие втулки, шестерни и др.
Кремнистые бронзы содержат до 3 % кремния и являются заменителями оловянистых бронз, для улучшения механических свойств их дополнительно легируют никелем и марганцем. Обладая высокой упругостью и антикоррозионными свойствами, эти бронзы применяются для изготовления упругих элементов различных механизмов. Из бронзы Бр КМц3–1 (3 % Si, 1 % Mn, остальное медь) изготавливают стопорные и упорные кольца насосов, мембраны датчиков давления.
Свинцовые бронзы обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошей теплопроводностью (например, Бр С30), поэтому из этих бронз изготавливают вкладыши подшипников, работающих при больших давлениях и скоростях.
Бериллиевые бронзы содержат не более 2,5 % бериллия (например, Бр Б2: 2 % Be, остальное медь). Бериллий образует с медью твёрдый раствор переменной растворимости, следовательно, такие бронзы можно подвергать упрочняющей термической обработке (закалке от 780 °С с последующим старением от 320 °С). После термической обработки повышаются как прочностные, так и упругие свойства: σВ = 1500 МПа, τУПР = 600––740 МПа. Бериллиевую бронзу применяют в виде пружин в часовых механизмах, электроаппаратуре, в качестве упругих контактов.
Алюминий и его сплавы
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет кристаллическую ГЦК решетку, температура плавления 660 °С, удельный вес 2,7 г/см3. Обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, коррозионно-стойкий за счет образования на поверхности защитной оксидной плёнки. Имеет малую прочность (σВ = 60–80 МПа) и твёрдость (250 НВ), пластичен (δ = 35–50 %). При пластической деформации значительно наклёпывается (σВ = 150–180 МПа, δ = 1,5 %, 450 НВ).
Технический алюминий выпускается в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.).
Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твёрдость алюминия (табл. 6.2). Ввиду низкой прочности применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется лёгкость, свариваемость, пластичность. Изготавливают рамы, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др.
Свойство высокой теплопроводности используют для изготовления теплообменников в промышленных и бытовых холодильных установках. Свойство высокой электрической проводимости используют при изготовлении конденсаторов, проводов, кабелей, шин и т. п.
Таблица 6.2
