Практическая работа № 6

Практическая работа № 6

Тема: Микроанализ цветных металлов и их сплавов.

Цель: изучить структуру цветных металлов и сплавов.

Время: 4 часа.

1. 230-249

Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде сплавов широко используются алюминий, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.

1. Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, харак­теризуется низкой плотностью 2,7 г/см³, высокой элек­тропроводностью, температура плавления 660°С. Меха­нические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применя­ется ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологи­ческих свойств алюминий легируют различными эле­ментами Cu, Mg, Si, Zn. Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия.

В зависимости от содержания постоянных примесей различают:

- алюминий особой чистоты марки А 999 (0,001 % примесей);

- алюминий высокой чистоты — А 935, А 99, А 97, А 95 (0,005-0,5 % примесей);

- технический алюминий — А 85, А 8, А 7, А 5, А 0 (0,15-0,5% примесей).

Технический алюминий выпускают в виде полуфаб­рикатов для дальнейшей переработки в изделия. Алю­миний высокой чистоты применяют для изготовления фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы:

- алюминия с марганцем марки АМц;

- алюминия с магнием марок АМг, АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокой пластичностью, кор­розионной стойкостью, хорошо штампуются и сварива­ются, но имеют невысокую прочность. Из них изготов­ляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуары для жидкостей и газов, детали ва­гонов.

К упрочняемым термической обработкой относятся несколько групп сплавов.

Сплавы нормальной прочности. К ним относятся спла­вы системы Алюминий + Медь + Магний (дюралимины), которые маркируются буквой «Д». Дюралимины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокой прочностью, доста­точной твердостью и вязкостью.

Дюралимины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д16 — несущие элементы фюзеляжей самолетов, сплав Д18 — один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) от­носятся к системе Алюминий + Цинк + Магний + + Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава.

Высокопрочные сплавы по своим прочностным по­казателям превосходят дюралимины, однако менее пла­стичны и более чувствительны к концентраторам напря­жений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные наружные конструкции в авиа­строении — детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы алюминия (АК 4-1, Д 20) име­ют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами. Детали из жаропрочных сплавов используются после закалки и искусственного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300°С.

Сплавы для ковки и штамповки (АК 2, АК 4, АК 6, АК 8) относятся к системе Алюминий + Медь + Маг­ний с добавками кремния. Сплавы применяют для изготовления средненагружен­ных деталей сложной формы (АК 6) и высоконагружен­ных штампованных деталей — поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и др.

Литейные сплавы. Для изготовления деталей методом литья применяют алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Для улучшения механических свойств сплавы титаном, бором, ванадием. Главным достоинством литейных сплавов является вы­сокая жидкотекучесть, небольшая усадка, хорошие механические свойства.

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) получили наибольшее распространение среди алюминиевых ли­тейных сплавов в силу своих высоких литейных свойств и хороших механических и технологических характери­стик. Силумины (марок АЛ2, АЛ4, АЛ9) обладают до­статочной прочностью, хорошо обрабатываются резанием, легко свариваются, сопротивляются коррозии и устойчивы к образованию горячих трещин. Из этих сплавов изготавливают: корпуса агрегатов и приборов, компрессоров, блоки двига­телей, поршни цилиндров.

Сплавы алюминия с магнием (магналины) - АЛ 8, АЛ13, АЛ27, АЛ29 обладают наиболее высокой коррозионной стойкостью и более высокими механическими свойствами после термической обработки по сравнению с другими алюминиевыми сплавами, но литейные свой­ства их низкие.

Из сплавов АЛ 8 и АЛ 13 изготавливают подверженные кор­розионным воздействиям детали морских судов, а так­же детали, работающие при высоких температурах (головки цилиндров мощных двигателей воздушного охлаждения).

Сплавы алюминия с медью – АЛ7, АЛ12, АЛ19 обла­дают невысокими литейными свойствами и понижен­ной коррозионной стойкостью, но высокими механи­ческими свойствами.

Сплав АЛ7 применяют для изготовления отливок несложной формы, работающих с большими напряжениями (головки цилиндров маломощных двигателей воздушного охлаждения).

Сплавы алюминия, меди и кремния - AJI3, АЛ4, АЛ6 характеризуются хорошими литейными свойствами, но коррозионная стойкость их невысокая.

Эти сплавы широко применяют для изготовления от­ливок корпусов, арматуры и мелких деталей, корпусов карбю­раторов и арматуры бензиновых двигателей.

Сплавы алюминия, цинка и кремния — типичный пред­ставитель сплав АЛ11 (цинковый силумин), обладаю­щий высокими литейными свойствами. Используется для изготовления отливок сложной формы — картеров, блоков двигателей внутреннего сго­рания.

Подшипниковые алюминиевые сплавы.

Сплавы алюминия с сурьмой, медью и другими эле­ментами. Сплав САМ, содержащий сурьму до 6,5 % и 0,3-0,7% магния - хорошо работает при высоких нагрузках и больших скоростях в ус­ловиях жидкостного трения. По антифрикционным свойствам он близок к свинцовой бронзе, но превосходит ее по коррозионной стойкости и технологичности. Сплав приме­няют для изготовления вкладышей подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей.

Сплавы алюминия с оловом и медью А020-1 (20 % олова и до 1,2 % меди) и А09-2 (9 % олова и 2 % меди). Они хорошо работают в условиях полужидкостного и сухого трения и по своим анти­фрикционным свойствам близки к баббитам. Их используют в автомобилестроении и общем машиностроении.

Сплав алюминия с сурьмой и свинцом - АСС-6-5 содержит в своем составе 5 % свин­ца, что придает ему высокие противозадирные свойства. Подшипники скольжения из сплавов АСМ и АСС-6-5 применяют взамен бронзовых в дизельных двигателях. Из алюминиевых сплавов, легированных оловом, изготовляют тяжелонагруженные подшипники сколь­жения.

Алюминиевые сплавы характеризуются более высо­ким коэффициентом теплового расширения, чем чугу­ны и стали. Поэтому более широкое распространение получили биметаллические материалы, представляющие собой слой алюминиевого сплава, нанесенный на стальное основание. Такие биметаллы обеспечивают надежную работу узлов трения при больших нагрузках 30 МПа) и высоких скоростях скольжения (до 20 м/с).

Материалы из спеченных алюминиевых порошков (САП) состоят из мельчайших частичек алюминия и его оксида Al₂O₃. Порошок для спекания получают из тех­нически чистого алюминия, распылением с последую­щим измельчением гранул в шаровых мельницах.

Технологический процесс получения изделий из САП состоит из операций изготовления заготовок и последующей механической обработки. Заготовки полу­чают брикетированием (холодным или с подогревом) порошка с последующим спеканием при и давлениях 260—400 МПа.

Спеченные алюминиевые порошки (марок САП-1 - САП-4) применяют для изготовления деталей повышен­ной прочности и коррозионной стойкости, эксплуати­руемых при рабочих температурах до 500°С.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают из порошков алюминия с небольшим содержанием легированных железом, никелем, хромом, марганцем, медью и другими элементами. Представителем этой группы материалов является САС-1, содержащий 25—30 % Si и 7 % Ni, применяемый взамен более тяжелых материалов в приборо- и маши­ностроении.

2. Медь и ее сплавы.

Медь в чистом виде имеет красный цвет, темпе­ратура плавления меди 1083°С, плотность 8,92 г/см³.

Выпускают медь следующих марок:

- катодная - МВ4к, МООк, МОку, М1к;

- бескислородная - МООб, МОб, М1б;

- катодная переплавленная – М1у;

- раскисленная — М1р, М2р, МЗр, МЗ.

По содержанию примесей различают марки меди:

- МОО (99,99 % Сu),

- МО (99,95 % Сu),

- M1 (99,9 % Сu),

- М2 (99,7 % Сu),

- МЗ (99,50 % Сu).

Главными достоинствами меди являются высокие тепло- и электропро-водность, пластичность, коррозионная стойкость в сочетании с достаточно высокими механическими свойствами. К недостаткам меди относят низкие литей­ные свойства и плохую обрабатываемость резанием.

Легирование меди осуществляется с целью придания сплаву требуемых механических, технологических, ан­тифрикционных и других свойств.

Химические элементы­, используемые при легировании, обозначают в мар­ках медных сплавов следующими индексами:

А — алюминий; Внм — вольфрам; Ви — висмут; В — ванадий; Км — кадмий; Гл галлий; Г— германий; Ж — железо; Зл — золото; К — кобальт; Кр — кремний; Мг - магний; Мц — марганец; М — медь; Мш — мы­шьяк; Н -никель; О — олово; С — свинец; Сн - селен; Ср серебро; Су — сурьма; Ти — титан; Ф — фосфор; Ц — цинк.

Широкое применение получи­ли следующие сплавы на основе меди.

Латуни — сплавы меди, в которых главным легирую­щим элементом является цинк. В зависимости от содер­жания легирующих компонентов различают:

- простые (двойные) латуни;

- многокомпонентные (легированные) латуни.

Простые латуни маркируют буквой «Л» и цифрами, показывающими среднее содержание меди в сплаве. Например, сплав Л 90 — латунь, содержащая 90 % меди, остальное — цинк.

В марках легированных латуней группы букв и цифр, стоящих после них, обозначают легирующие элементы и их содержание в процентах. Например, сплав ЛАН КМц 75-2-2,5-0,5-0,5 — латунь алюминиевоникелькремнисто-марганцевая, содержащая 75 % меди, 2 % алю­миния, 2,5 % никеля, 0,5 % кремния, 0,5 % марганца, остальное - цинк.

В зависимости от основного легирующего элемента различают следующие виды латуней.

Алюминиевые латуни — ЛА 85-0,6, ЛА 77-2, ЛАМш 77-2-0,05 обладают повышенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью.

Кремнистые латуни — ЛК 80-3, ЛКС 65-1,5-3 и дру­гие отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в морской воде, а также высо­кими механическими свойствами.

Марганцевые латуни — ЛМц 58-2, ЛМцА 57-3-1, де­формируемые в горячем и холодном состоянии, облада­ют высокими механическими свойствами, стойкие к коррозии в морской воде и перегретом паре.

Никелевые латуни —ЛН 65-5 и другие имеют высо­кие механические свойства, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.

Оловянистые латуни —ЛО 90-1, ЛО 70-1, ЛО 62-1 отличаются повышенными антифрикционными свой­ствами и коррозионной стойкостью, хорошо обрабаты­ваются.

Свинцовые латуни — ЛС 63-3, ЛС 74-3, ЛС 60-1 ха­рактеризуются повышенными антифрикционными свойствами и хорошо обрабатываются резанием. Сви­нец в этих сплавах присутствует в виде самостоятельной фазы, практически не изменяющей структуры сплава.

Бронзы — это сплавы меди с оловом и другими эле­ментами (алюминий, кремний, марганец, свинец, бе­риллий).

Бронзы маркируют буквами «Бр», правее ставятся буквенные индексы элементов, входящих в состав. За­тем следуют цифры, обозначающие среднее содержание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержа­ние меди в бронзе, не ставят). Например, сплав марки БрОЦС 5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5 %, остальное — медь (85 %).

Оловянные бронзы обладают высокими антифрикци­онными свойствами, нечувствительны к перегреву, мо­розостойки, немагнитны.

Для улучшения качества оловянные бронзы легиру­ют. Легирование фосфором повышает механи­ческие, технологические, антифрикционные свойства оловянных бронз. Введение никеля способствует повы­шению механических и противокоррозионных свойств. При легировании свинцом увеличивается плотность бронз, улучшаются их антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием, однако заметно снижают­ся механические свойства. Легирование цинком улуч­шает технологические свойства. Введение железа (до 0,09 %) способствует повышению механических свойств бронз, однако с увеличением степени легирования рез­ко снижаются их коррозионная стойкость и технологи­ческие свойства.

Деформируемые оловянные бронзы содержат до 8 % олова. Эти бронзы используют для изготовления пру­жин, мембран и других деформируемых деталей. Литей­ные бронзы содержат свыше 6 % олова, обладают высо­кими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью; их используют для изготовления ответ­ственных узлов трения (вкладыши подшипников сколь­жения).

Специальные (безоловянные) бронзы включают в свой состав алюми­ний, никель, кремний, железо, бериллий, хром, свинец и другие элементы. Алюминиевые бронзы обладают высокими механиче­скими, антифрикционными и противокоррозионными свойствами.

Кремнистые бронзы характеризуются высокими анти­фрикционными и упругими свойствами, коррозионной стойкостью. Кремнистые бронзы применяют взамен оловянных для изготовления антифрикционных дета­лей, пружин, мембран приборов и оборудования.

Свинцовые бронзы используют в парах трения, экс­плуатируемых при высоких относительных скоростях перемещения деталей.

Бериллиевые бронзы отличаются высокими прочнос­тными свойствами, и к воздействию коррозионных сред. Они обеспечивают работоспособность изделий при повышенных темпера­турах (до 500°С).

Сплавы меди с никелем подразделяют на конструкци­онные и электротехнические.

Куниали (медь-никель-алюминий) содержат 6—13 % Ni, 1,5—3 % А1, остальное — медь. Куниали служат для изготовления деталей повышенной прочно­сти, пружин и ряда электротехнических изделий.

Нейзильберы (медь-никель-цинк) содержат 15 % Ni, 20% Zn, остальное - медь. Они имеют белый цвет, близкий к цвету серебра. Нейзильберы хорошо сопро­тивляются атмосферной коррозии. Их применяют в приборостроении и производстве часов.

Мельхиоры (медь-никель и небольшие добавки железа и марганца - до 1 %) обладают высокой коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления теплооб­менных штампованных и чеканных изделий.

Копель (медь-никель-марганец) содержат 43 % Ni, 0,5Mn, остальное — медь. Это специальный сплав с вы­соким удельным электросопротивлением, используемый для изготовления электронагревательных элементов.

3. Титан и его сплавы

Титан — серебристо-белый металл низкой плотнос­ти (4,5 г/см³) с высокими механической прочностью, коррозионной и химической стойкостью. Температура плавления титана 1660 ⁰С, с углеродом он образует очень твердые карбиды. Титан удовлетворительно куется, про­катывается и прессуется.

Для получения сплавов титана с заданными механи­ческими свойствами его легируют различными элемен­тами. Алюминий повышает жаропрочность и механи­ческую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов.

Деформируемые титановые сплавы по механической прочности выпускаются под марками:

- низкой прочности — ВТ 1;

- средней прочности — ВТ 3, ВТ 4, ВТ 5;

- высокой прочности ВТ 6, ВТ 14, ВТ 15.

5. Магний и его сплавы

Магний— самый легкий (плотность 1,74 г/см³) из технических цветных металлов, серебристого цвета, тем­пература плавления 650⁰С. При температуре, немногим более температуры плавления, легко воспламеняется и горит ярко-белым пламенем.

Главным достоинством магния как машинострои­тельного материала являются низкая плотность, техно­логичность. Однако его коррозионная стойкость во влажных средах, кислотах, растворах солей крайне низ­ка. Чистый магний практически не используют в каче­стве конструкционного материала из-за его недостаточ­ной коррозионной стойкости. Он применяется в качестве легирующей добавки к сталям и чугунам и в ракетной технике при создании твердых топлив.

Эксплуатационные свойства магния улучшают леги­рованием марганцем, алюминием, цинком и другими элементами. Легирование способствует повышению коррозионной стойкости (Zr, Mn), прочности (Al, Zn, Mn, Zr), жаропрочности (Th) магниевых сплавов, сни­жению окисляемости их при плавке, литье и термооб­работке.

Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответственно сплав (М), буквы, ука­зывающей способ технологии переработки (А — для де­формируемых, Л — для литейных), а также цифры, обо­значающей порядковый номер сплава.

Деформируемые магниевые сплавы МА1, MA2, МАЗ, МА5, МА8 применяют для изготовления полуфабрика­тов — прутков, труб, полос и листов, а также для штам­повок и поковок.

Литейные магниевые сплавы МЛ1, МЛ2, МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6 нашли широкое применение для производ­ства фасонных отливок. Некоторые сплавы МЛ приме­няют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной и автомобильной промышленности: кар­теры, корпуса приборов, колесные диски, фермы шас­си самолетов.

Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них подвергают оксидиро­ванию с последующим нанесением лакокрасочных по­крытий.

6. Баббиты и припои

6.1. Баббиты — антифрикционные материалы на основе олова и свинца. В состав баббитов вводятся легирующие элементы, придающие им специфические свойства: медь увеличивает твердость и ударную вязкость; ни­кель — вязкость, твердость, износостойкость; кадмий — прочность и коррозионную стойкость; сурьма — проч­ность сплава.

Баббиты применяют для заливки вкладышей подшип­ников скольжения, работающих при больших окружных скоростях и при переменных и ударных нагрузках.

Обозначения баббитов зависит от их химического состава:

- оловянные (Б83, Б88);

- оловянно-свинцовые (БС6, Б16);

- свинцовые (БК2, БКА).

В марках баббитов цифра показывает содержание олова. Например, баббит БС6 содержит по 6 % олова и сурьмы, остальное — свинец.

Лучшими антифрикционными свойствами обладают оловянные баббиты. Баббиты на основе свинца имеют несколько худшие антифрикционные свойства, чем оловянные, но они дешевле и менее дефицитны.

Подшипники скольжения из баббитов изготовляют в виде биметаллических деталей (вкладышей). Для уско­рения приработки на их рабочую поверхность наносят слой (0,007—0,05 мм) сплава на оловянной или свинцо­вой основах. Повышение темпе­ратуры в рабочей зоне свыше 70°С вызывает резкое па­дение износостойкости баббитовых – это определяет температурный режим работы двигателей.

6.2. Припои — это металлы или сплавы, используемые при пайке в качестве промежуточного металла (связки) между соединяемыми деталями.

Припои имеют более низкую температуру плавления, чем соединяемые ме­таллы. Незначительный нагрев, а вследствие этого от­сутствие изменения структуры соединяемых металлов являются основным преимуществом пайки в сравнении со сваркой.

По температуре расплавления припои подразделяют:

а)- легкоплавкие (140-450 ⁰С):

Оловянно-свинцовые припои (ПОС-30, ПОС-61) широко применяются во всех отраслях промышленности. Однако они имеют низкую коррозионную стойкость во влажной среде. В таких случаях паяные соединения необходимо защи­щать лакокрасочными покрытиями.

Сурьмянистые припои (ПОССу-4-6) применяются при пайке и лужении в автомобильной промышленно­сти.

Легкоплавкие пастообразные припои обычно состоят из трех частей: порошкообразного припоя, флюса и за­густителя. Например, паста ПорПОССу-30-2 имеет со­став: 70% непосредственно припоя; 20% вазелина; 1,2% бензойной кислоты; 1,2% хлористого аммония и 0,6% эмульгатора ОП-7. Такие пастообразные припои применяют для пайки стальных, медных и никелевых изделий сложной формы и имеющих вертикальные швы.

б) - среднеплавкие (450-110 ⁰С):

Медно-цинковые припои (латуни) широко применяют для пайки большинства металлов. Припоями марок ПМЦ-54, Л63, Л68 пользуются при пайке стали, жести, медных сплавов. Припой Мц-48-10 - для пайки чугуна.

в) - тугоплавкие (1100 -1480 ⁰С):

Тугоплавкие порошкообразные припои применяют для закрепления твердосплавных пластин на режущем ин­струменте (сверла, резцы и т. п.). Припой состава: 40 % ферромарганца; 10% ферросилиция; 20 % чугунной и 5 % медной стружки; 15 % толченого стекла — плавит­ся при температуре 1190-1300 ⁰С.

Выводы:

7