Легкие сплавы

Легкие сплавы

Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (3 кг/дм3), высокой теплопроводностью [λ = 0,12—0,18 Вт/(м·°С) и удовлетворительной прочностью; пластичны и хорошо обрабатываются режущим инструментом. Многие из них можно сваривать с помощью аргонодуговой или аргонной дуговой сварки с неплавящимися вольфрамовыми электродами. Применяют также газовую сварку под флюсом (LiCl, NaCl, КСl, KF). Листовые материалы сваривают контактной сваркой.

Алюминиевые сплавы противостоят коррозии в сухой атмосфере, устойчивы против действия щелочей и слабых растворов кислот, но подвержены коррозии в условиях влажного (особенно морского) воздуха; неустойчивы против действия сильных кислот, мягки (НВ 60—130). В интервале 0—100°С коэффициент линейного расширения α = (20—26)·10-6. Модуль упругости Е = (7,0—7,5)·104 МПа.

Прочность алюминиевых сплавов быстро падает с повышением температуры (хотя есть сплавы, сохраняющие удовлетворительные механические качества до 250—400°С).

Алюминиевые сплавы делятся на литейные и деформируемые.

Для литья применяют сплавы систем: Аl—Сu; Al—Zn; Al—Mg; Al—Si; Al—Cu—Si; Al—Zn—Si (табл. 11).

Алюминиевые сплавы литейные

Наиболее прочны сплавы Al—Mg; однако их литейные свойства невысокие. Сплав АЛ13 повышенной коррозионной стойкости и жаропрочности используют для изготовления термически напряженных деталей. Для отливок несложной формы широко применяют сплавы АЛ7 и АЛ19.

Наилучшими суммарными показателями обладают сплавы Al—Si (силумины). Они отличаются малой плотностью (2,6—2,7 кг/дм3), хорошими литейными свойствами, свариваемостью и повышенной коррозионной стойкостью. Силумины применяют для литья тонкостенных деталей сложной формы. Для повышения механических свойств силумины модифицируют металлическим натрием, фторидами Na и К, в результате чего включения кремния приобретают благоприятную для прочности зернистую форму.

Термообработка (нагрев до 520—530°С с выдержкой 4—6 ч, закалка в горячую воду, старение при 150—180°С в течение 10—15 ч) повышает прочность на 20—25%.

Крупногабаритные фасонные детали изготовляют из силуминов AЛ4, АЛ5, АЛ12.

Сплав АЛ9 отличается хорошей свариваемостью и применяется для сварных конструкций. Прочность его ниже, чем остальных силуминов.

Сложнолегированный сплав АЛ1 используют для литья головок цилиндров и поршней двигателей воздушного охлаждения.

Детали из алюминиевых сплавов, нуждающиеся в герметичности (картеры), пропитывают синтетическими термореактивными веществами (чаще всего бакелитом-сырцом) с последующим нагревом до температуры отверждения бакелита (140—160°С).

Из деформируемых сплавов (табл. 12) наиболее распространены дюралюмины (сплавы Аl—Cu—Mg—Mn, иногда с присадками Cr, Zn, Fe, Si).

Алюминиевые сплавы деформируемые

Дюралюмины типа Д1, Д16, В95 подвергают термообработке, заключающейся в закалке в воду с 500—520°С с последующей выдержкой при нормальной температуре в течение 75—100 ч (естественное старение) или при 175—150°С в течение 1—2 ч (искусственное старение). Дюралюмины применяют преимущественно для изготовления листового и профильного проката.

Для защиты от коррозии изделия из алюминиевых сплавов подвергают анодированию (электролитическая обработка в ванне с 20%-ным раствором H24 при плотности тока 1—2 А/дм2 и напряжении 10—12 В). Деталь является анодом; катодом служат свинцовые пластины. На поверхности детали образуется пленка окиси алюминия AI2O3, эффективно защищающая металл от коррозии и вместе с тем придающая поверхности твердость и абразивную стойкость. Для увеличения стойкости покрытие обрабатывают горячим 10%-ным раствором хромпика К2Сr2O7. Анодирование, как и всякая кислотная обработка, несколько (на 20—25%) снижает циклическую прочность.

Листовой прокат защищают также плакированием — нанесением на поверхность тонких слоев технически чистого алюминия.

Сплавы типа АК применяют для ковки и штамповки деталей (шатунов быстроходных двигателей, дисков центробежных и аксиальных компрессоров и др.). Из жаропрочного сплава АК4 изготовляют поршни двигателей внутреннего сгорания и головки цилиндров двигателей воздушного охлаждения.

Магниевые сплавы. Магниевые сплавы состоят из Mg (90% и выше) и легирующих элементов (Al, Mn, Zn, Zr и др.). Они обладают малой плотностью (1,8 кг/дм3), низким значением модуля упругости Е = (4,2—4,5)·104 МПа и малой твердостью (НВ 60—80). Коэффициент линейного расширения очень высок α = (27—30)·10-6 (в интервале 0— 100°С), теплопроводность 0,07—0,08 Вт/(м·°С).

Прочность магниевых сплавов ниже прочности алюминиевых сплавов и быстро падает с повышением температуры. Магниевые сплавы весьма чувствительны к концентрациям напряжений. Они хорошо обрабатываются (однако необходимы меры предосторожности против загорания стружки). Некоторые магниевые сплавы свариваются аргонодуговой сваркой.

Литейные сплавы по составу делятся на сплавы систем Mg—Mn, Mg—Al—Zn, Mg—Zn, Mg—Th—Zr (табл. 13).

Литейные магниевые сплавы

Наиболее распространены сплавы Mg—Al—Zn и Mg—Zn, обладающие хорошими литейными свойствами, прочностью и пластичностью и сохраняющие удовлетворительные механические свойства до 200—250°С. Сплавы Mg—Th—Zr применяют для деталей, работающих при высоких температурах (до 300—350°С).

Недостатком магниевых сплавов является низкая коррозионная стойкость, особенно во влажной атмосфере.

Детали из магниевых сплавов защищают от коррозии оксидированием, дихромизацией и селенированием.

Чаще всего применяют дихромизацию — процесс, в результате которого на поверхности металла образуется устойчивая против коррозии пленка хромовых солей магния. Деталь предварительно обрабатывают холодным 20%-ным раствором хромового ангидрида С3 с целью удаления окисных пленок. Затем следует электролитическая обработка в ванне с подкисленным водным раствором хромового ангидрида, хромпика К2Сr2O7 и персульфата аммония (NH4)2SO4. В заключение поверхность обрабатывают горячим 10%-ным раствором хромового ангидрида.

Селенирование заключается в обработке 20%-ным раствором селеновой кислоты H2SeО3 с добавкой небольшого количества хромпика. Обрабатывают детали по меньшей мере дважды: после изготовления заготовки (отливка, штамповка) и после окончательной механической обработки.

Следует избегать прямого контакта между деталями из магниевых сплавов и деталями из металлов с более высоким, чем у магния, электрохимическим потенциалом (сталь, сплавы Сu и Nr). Такие детали нужно цинковать или кадмировать. Для защиты изделий, работающих во влажной атмосфере (особенно в атмосфере морского воздуха), рекомендуется применять цинковые или кадмиевые протекторы.

Для предохранения расплавов от окисления, а также для удаления неметаллических включений и придания сплавам эвтектического строения применяют флюсы (хлориды и фториды Mg, Са, Аl, Мn, борную кислоту).

В состав формовочных смесей вводят серу, борную кислоту, фтористый аммоний. При заливке используют защитную атмосферу (например, сернистый газ).

Для измельчения зерна и улучшения механических качеств сплавы Mg—Мn и Mg—Al—Zn подвергают модифицированию (модификаторы: СаСо3, мрамор, графит, карбиды Аl, Са).

Литые магниевые сплавы МЛ4, МЛ5 упрочняют термообработкой (нагрев до 380—410°С в течение 10—18 ч, охлаждение на воздухе, старение при 175°С в течение 16—18 ч).

Состав и свойства деформируемых магниевых сплавов приведены в табл. 14.

Состав и свойства деформируемых магниевых сплавов

Магниевые сплавы применяют преимущественно для изготовления несиловых деталей (ненесущие корпуса, крышки, поддоны картеров). Известны примеры изготовления из магниевых сплавов и ответственных крупных корпусов. Из деформируемых магниевых сплавов изготовляют детали, подвергающиеся высоким центробежным нагрузкам при умеренных температурах.

Недостатки магниевых сплавов, особенно пониженная коррозионная стойкость, ограничивают область их применения только теми случаями, когда масса играет главную роль.

Конструирование деталей из легких сплавов. Пониженную прочность и жесткость легких сплавов компенсируют увеличением сечений, моментов инерции и сопротивления деталей и рациональным оребрением. Мягкость и невысокая прочность легких сплавов исключают применение ввертных крепежных болтов (рис. 87, а), так как резьба в деталях из легких сплавов при повторных завертываниях сминается и разрабатывается.

Конструирование деталей из легких сплавов

Если применение ввертных болтов необходимо по конструктивным условиям, то отверстия под резьбу армируют стальными футорками (рис. 87, б). Предпочтительнее крепление на стяжных болтах (рис. 87, в) или на шпильках (рис. 87, г). Резьбовые отверстия под шпильки следует делать длиной не менее (2—2,5)·d. Под головки болтов и гайки необходимо устанавливать стальные подкладные шайбы большого диаметра во избежание сминания опорных поверхностей.

Подшипники качения в деталях из легких сплавов следует устанавливать на промежуточных стальных гильзах (рис. 87, д, е).

В часто разбираемых соединениях отверстия под контрольные штифты целесообразно армировать стальными втулками (рис. 87, ж, з). Глубина запрессовки штифтов в детали из легких сплавов не менее (2—2,5)·d.

Недопустимо опирать на поверхность из легкого сплава пружины (рис. 87, и), особенно работающие при циклических нагрузках. В таких случаях необходимо применять опорные шайбы из твердого металла (рис. 87, к, л), предотвращающие истирание опорных поверхностей под действием многократно повторяемых нагрузок.

Не рекомендуется передавать крутящий момент с помощью шпоночных и шлицевых соединений, выполненных непосредственно в детали из легкого сплава (рис. 88, а).

Составные конструкции

Целесообразно армировать посадочные поверхности стальными втулками (рис. 88, б, в), с максимальной допускаемой конструкцией радиальной разноской элементов, передающих крутящий момент.

В случае, когда деталь должна иметь определенные качества (высокую твердость, износостойкость), которые легкий сплав обеспечить не может, корпус детали выполняют из легкого сплава и к нему крепят рабочие части, изготовленные из материала с необходимыми свойствами.

В составной конструкции кулачковой шайбы (рис. 88, г) корпус выполнен из алюминиевого сплава; к нему присоединен на заклепках венец кулачков и приводного зубчатого колеса с внутренними зубьями, выполненный из закаленной стали.

При сопряжении деталей из легких сплавов со стальными деталями следует учитывать различие их коэффициентов линейного расширения. В неподвижных сопряжениях, когда расширение деталей, выполненных из легких сплавов, ограничено смежными стальными деталями, могут возникнуть высокие термические напряжения. В подвижных соединениях, где охватываемая деталь выполнена из легкого сплава, а охватывающая из стали, например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания с алюминиевым поршнем, следует предусматривать увеличенные зазоры во избежание защемления поршня при повышенных температурах.

Титановые сплавы. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882°С существует α-титан с гексагональной атомно-кристаллической решеткой, выше — β-титан с ОЦК-решеткой. Введение легирующих элементов значительно изменяет температуру аллотропического превращения и области α- и β-фаз.

Стабилизаторами α-фазы являются Al, Zn, Sn и Zr, повышенное содержание которых приводит к образованию однофазных α-сплавов. Стабилизаторами β-фазы являются Сr, Мо, Мn, V, Сu, Со и Fe, которые снижают температуры аллотропического превращения вплоть до минусовых и способствуют образованию однофазных β-сплавов. При определенном соотношении α- и β-стабилизаторов получаются смешанные (α + β)-сплавы.

Сплавы α + β и β упрочняются термообработкой, состоящей в закалке в воду с 800—1000°С. При этом β-фаза превращается в неустойчивую β'-фазу, которая при последующем старении (длительная выдержка при 400—550°С) упрочняется выделением высоко-дисперсных частиц α-фазы в β-твердом растворе, а также интерметаллидов (титанитов). Твердость после старения повышается на 15—25 единиц HRC, а прочность на 30—50%.

Сплавы группы α + β обладают высокой прочностью при достаточной термостабильности (до 450 °C и получили наибольшее распространение. Оптимальное содержание α-фазы ~30%.

Однофазные α-сплавы имеют при нормальной температуре пониженные механические свойства, но меньше разупрочняются с повышением температуры. Устойчивы против горячей коррозии. Их применяют для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (до 600°С). Однофазные β-сплавы наименее термостабильны (~300°С) вследствие склонности к горячей коррозии под напряжением и усиленного газопоглощения при высоких температурах.

Сплавы α + β поддаются термомеханической обработке (пластическая деформация на 40—60% при 850°С, закалка и старение при 500—550°С), в результате которой дополнительно увеличивается прочность на 20—30% при сохранении и даже повышении пластичности. Плотность титановых сплавов ~4,5 кг/дм3; модуль нормальной упругости (11,5—12,0)·104 МПа; модуль сдвига (4,0—4,3) 104 МПа; коэффициент линейного расширения в интервале 0—100°С равен (8—10)·10-6 1/°С.

Титановые сплавы немагнитны, очень чувствительны к концентрации напряжений. В циклически нагруженных конструкциях целесообразно подвергать детали упрочняющей обработке холодной пластической деформацией (наклепу) с целью создания остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое.

Титановые сплавы сохраняют удовлетворительную прочность от –250°С до 500°С (рис. 89).

Прочность титановых сплавов в зависимости от температуры

Крипостойкость характеризуется следующими цифрами: предел ползучести за 300 ч при 300°С и удлинения 0,1% σ300°0,1/300 ч = 400—600 МПа; при 400°С σ400°0,1/300 ч = 200—400 МПа. Релаксационная стойкость высокая. При умеренных температурах (до (200—300°С) титановые сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью.

При более высоких температурах титан активно соединяется с газами с образованием стойких оксидов, нитридов, гидридов и карбидов, снижающих прочность и вызывающих охрупчивание металла. Процесс усиливается, если металл находится под действием напряжений.

Длительной теплостойкостью называют температуру, которую металл переносит без заметного теплового перерождения. Таким образом, кривые прочности в зависимости от температуры, определяемые на основании кратковременных испытаний, должны быть дополнены данными о коррозионной теплостойкости металла.

Титановые сплавы хорошо поддаются горячей пластической деформации (в интервале 800—1000°С), которая является основным методом изготовления полуфабрикатов. Отливка титановых сплавов крайне затруднительна, так как титан в расплавленном состоянии поглощает кислород, азот и водород и взаимодействует с формовочными материалами.

Обрабатываемость титановых сплавов резанием хуже, чем сталей. Титановая стружка при высоких скоростях резания может загораться; титановая пыль взрывоопасна.

Большинство титановых сплавов сваривают аргонной дуговой и контактной сваркой. Для снятия внутренних напряжений и восстановления пластичности материала шва применяют стабилизирующий отжиг при 700—800°С.

Антифрикционные качества сплавов Ti низкие. Детали, работающие в условиях повышенного трения, подвергают цементации или азотированию (выдержка в атмосфере аммиака при 850—870°С в течение 10—20 ч. толщина азотированного слоя 0,07—0,10 мм, твердость HV 1000—1200).

Износостойкость деталей из титановых сплавов повышают также диффузионным насыщением медью, теллурированием и селенированием.

Сочетание прочности, легкости, термостабильности и коррозионной стойкости делает титановые сплавы превосходным конструкционным материалом, особенно когда конструкции работают в широком температурном диапазоне. В сверхзвуковой авиации, где вследствие аэродинамического нагрева температура оболочек достигает 500—600°С, титановые сплавы используют для изготовления обшивок и силовых элементов. Благодаря малой плотности и хладостойкости их широко применяют в космической технике. Из них изготовляют детали, подверженные высоким инерционным нагрузкам, в частности, скоростные роторы, напряжения в которых прямо пропорциональны плотности материала. Температуростойкие титановые сплавы применяют для изготовления лопаток последних ступеней аксиальных компрессоров и паровых турбин. Высокая коррозионная стойкость при умеренных температурах обусловливает применение титановых сплавов в химической и пищевой промышленности. Для работы в сильных агрессивных средах используют сплавы особо высокой коррозионной стойкости с присадками 0,2%Pd.

Состав и свойства отечественных и зарубежных титановых сплавов приведены в табл. 15 и 16.

Титановые сплавы

Титановые сплавы зарубежные

Наиболее распространен из конструкционных титановых сплавов термически упрочняемый сплав ВТ6, обладающий при высокой прочности хорошей коррозионной и эрозионной стойкостью. Для работы при повышенных температурах наиболее широко используют сплав ВТ5—1. Сплавы ОТ4, ВТ4 повышенной пластичности применяют для изготовления листов и лент.

В связи с ростом требований к прочности и теплостойкости титановые сплавы подвергаются непрерывному усовершенствованию. Прочность увеличивают комплексным легированием V, Mo, Sn и Zn, теплостойкость — введением Со, Zn, W и Nb, сопротивление ползучести — присадками Si.

В настоящее время прочность сплавов группы α + β достигла 1500 МПа; длительная теплостойкость сплавов группы α повышена до 600°С. В ближайшие годы вероятно повышение прочности титановых сплавов до 2000 МПа.