Цветные металлы и сплавы § К цветным

Цветные металлы и сплавы

§ К цветным металлам и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение. Выражение «цветной металл» объясняется цветом некоторых тяжёлых металлов: так, например, медь имеет красный цвет.

§ Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие группы: § - тяжёлые металлы — медь, никель, цинк, свинец, олово; § - лёгкие металлы — алюминий, магний, титан, бериллий, кальций, стр онций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цез ий; § - благородные металлы — золото, серебро, платина, осмий, рутений, родий, палладий; § - малые металлы — кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

§ - тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий, хром, марганец, цирконий; § - редкоземельные металлы — лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, иттербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, лютеций, прометий, скандий, иттрий; § - рассеянные металлы — индий, германий, таллий, рений, гафний, селен, теллур; § - радиоактивные металлы — уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий

§ Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, за счёт искусственного и естественного старения и т. д. § Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением — ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке. § Из цветных металлов изготовляют литые детали, а также различные полуфабрикаты в виде проволоки, профильного металла, круглых, квадратных и шестигранных прутков, полосы, ленты, листов и фольги. Значительную часть цветных металлов используют в виде порошков для изготовления изделий методом порошковой металлургии, а также для изготовления различных красок и в качестве антикоррозионных покрытий.

§ Цветные металлы в чистом виде применяются в производстве очень редко. Широкое применение имеют сплавы цветных металлов, так как они дают необходимые сочетания свойств. Свойства сплавов тем резче отличаются от свойств входящих в них металлов, чем прочнее их соединение (механические смеси, твердые растворы одного металла в другом и химические соединения).

§ К общим свойствам сплавов следует отнести: § 1) более низкую температуру плавления, чем температура плавления входящих в сплав металлов, и даже часто более низкую, чем у самого легкоплавкого из них. Например, оловяно-свинцовый припой, содержащий 90% олова и 10% свинца, плавится при температуре около 190°, тогда как t° плавления олова 231°, 9, свинца 327°; § 2)удельное сопротивление электрическому току более высокое, чем у составляющих сплав металлов. Поэтому проволоку для реостатов и нагревательных приборов делают очень часто из сплавов (нихром, никелин и др. ); § 3)высокую механическую прочность, которая часто бывает выше прочности входящих в состав сплава металлов, что также широко используется во многих областях техники. § Наиболее распространенными сплавами являются латунь, бронза, дуралюмин, баббиты.

Латунь — сплав меди с цинком. В качестве добавок применяются и другие металлы: железо, марганец, свинец, кремний. Латунь маркируется буквой Л и цифрой, которая указывает со-, держание меди в %. Процентное содержание легирующих частей указывается цифрами через черточку, а содержание цинка не указывается совершенно. Например, марка Л МЦ 55 -3 обозначает марганцевую латунь1, содержащую 55% меди, 3% марганца и 42% цинка. Из латуней изготовляют трубки автомобильных радиаторов, краны, детали часовых механизмов и т. п. Бронза — сплав меди с оловом или алюминием и кремнием с добавками свинца, цинка, марганца, железа. Маркируют бронзы буквами Бр, к которым добавляют начальные буквы названий других металлов, входящих в сплав, и цифры, указывающие процентное их содержание. Например, Бр. А 5 означает алюминиевую бронзу, содержащую 5%, алюминия. Бронза идет на изготовление монет, лент, полос. Из бронз, обладающих антифрикционными качествами, изготовляют вкладыши подшипников, а из бронз, обладающих стойкостью против воздействия морской воды, отливают винты морских судов. '

§ Дуралюмин — сплав алюминия с медью, обладающий легкостью и прочностью. Из дуралюмина, обрабатываемого литьем, изготовляют поршни и другие детали автомобильных и авиационных двигателей. Сплавы алюминия, обрабатываемые только литьем, обозначают буквой Л, например, АЛ 12, АЛЮ. Сплавы, обрабатываемые давлением, обозначаются буквой Д, например, Д 16. § Баббиты — сплавы олова и свинца с сурьмой (10— 17%) и медью (1, 5— 6%, ). Баббитами заливают подшипники, работающие при больших нагрузках. Благодаря своей мягкости и низкому коэффициенту трения они предохраняют шейки валов от износа и облегчают смазку трущихся поверхностей. Цифры в обозначении баббитов показывают процент содержания самого ценного компонента — олова. Например, в баббите Б 83 содержится 83% олова.

§ Наибольшее применение в технике низких температур нашли сплавы алюминия с магнием – магналии – благодаря удачному сочетанию в них прочности, пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости. Применяемые термически неупрочняемые сплавы содержат не более 7 % Mg. Из магналиев как за рубежом, так и в СНГ предпочтение в машиностроении отдается сплаву АМг 5. В холодильной и криогенной технике также используют тер-моупрочняемые алюминиевые сплавы, легированные медью, магнием, марганцем и другими элементами. Оптимальные механические свойства эти сплавы приобретают после термической обработки, состоящей из закалки в воде от температуры около 500°С и последующего естественного или искусственного старения за счет дисперсионного выделения при старении интерметаллидных фаз. Прочность термоупрочняемых алюминиевых сплавов приближается к прочности аустенитных сталей, и поэтому во многих случаях они могли бы их заменить. Их недостатком является склонность к коррозии под напряжением. Кроме того, эти сплавы разупрочняются в зоне сварного шва.

§ Титан и его сплавы. Титановые сплавы относятся к числу наиболее перспективных материалов для техники низких температур. Титановые сплавы определенных марок обладают удовлетворительной пластичностью и вязкостью вплоть до 4 К. Благодаря низкой плотности в сочетании с высокой прочностью и достаточной пластичностью применение титановых сплавов при низких температурах позволяет уменьшить массу конструкций в сравнении с коррозионностойкими Cr – Ni сталями на 20 – 25 % и алюминиевыми сплавами – на 40 – 45 %. Поэтому титановые сплавы все чаще применяют для изготовления деталей и узлов, работающих при низких температурах в летательных аппаратах. Химическая активность титана требует определенной осторожности при использовании титановых сплавов в конструкциях, где рабочей средой является газообразный или жидкий кислород. Наиболее перспективными конструкционными материалами для использования в холодильной и криогенной технике являются сплавы со структурой a-фазы типа ВТ 5 -1, легированные 4 – 6 % А 1, 2 – 3 % Sn, и ОТ 4 -1, содержащие 1, 5 – 2, 5 % А 1 и 0, 7 – 2, 0 % Мn. Они хорошо свариваются и сохраняют высокую пластичность при низких температурах. Сплавы с двухфазной (a + B)-структурой типа ВТЗ-1, содержащие 5, 5 – 7, 0 % А 1, 0, 8 – 2, 0 % Сr, 2 – 3 % Мо, 0, 2 – 0, 7 % Fe, имеют более высокую прочность, но несколько меньшую пластичность. Поэтому их реже используют при криогенных температурах.

§ Медь и ее сплавы являются материалами, одними из первых нашедшими применение в холодильном и криогенном оборудовании. Медь не имеет порога хладноломкости, и нижний температурный предел ее использования близок к абсолютному нулю. Медь и ее сплавы имеют высокое значение температурного коэффициента линейного расширения. С понижением температуры до 120 К этот коэффициент уменьшается, но это уменьшение выражено значительно слабее, чем у коррозионностойких сталей и алюминиевых сплавов. Технически чистая медь имеет невысокие прочностные свойства. При снижении температуры от 293 до 20 К прочность и твердость меди повышаются почти в два раза, пластичность сохраняется на том же уровне. Ударная вязкость даже увеличивается, сохраняя при 20 К столь высокие значения, что надрезанные образцы не разбиваются копром, а протягиваются между его опорами. Усталостная прочность меди и ее сплавов с понижением температуры растет так же, как модуль упругости и модуль сдвига.

§ Технически чистую медь используют в установках разделения газов методом глубокого охлаждения для изготовления различных трубчатых конст-рукций: витых и прямотрубных теплообменников, трубчатых конденсаторов и др. Листовую медь используют для изготовления внутренних емкостей и экранов сосудов Дьюара, в которых хранятся и транспортируются жидкие газы, для изготовления обечаек ректификационных колонн жидкого воздуха. Широкое применение в холодильном и криогенном машиностроении находят сплавы меди – латуни марок Л 63, Л 68, ЛЖМц59 -1 -1, ЛЦ 59, ЛК 80 -ЗЛ и бронзы марок Бр. АЖМц. Ю-3 -1, 5; Бр. КМц. З-1; Бр. Б 2. § Латунь Л 68 применяют для изготовления различных трубопроводов, сеток, прокладок, работающих при температурах 520 – 20 К. § Латунь марки ЛС 59 -1 применяется для изготовления различных крепежных изделий, работающих в интервале температур 520 – 20 К. Для более ответственных крепежных деталей в этом же температурном диапазоне применяют латунь марки. ЛЖМц59 -1 -1. § Из литейной латуни ЛК 80 -3 изготавливается арматура, корпуса трубопроводов и другие литые детали, работающие при температурах 520 – 20 К.

§ Бронза марки Бр. АЖМц. Ю-3 -1, 5 применяется для изготовления втулок, шестерен, вентилей, деталей клапанной арматуры, эксплуатируемых при тем- пературах 520 – 77 К. § Наибольшую прочность имеют меднобериллиевые сплавы, временное сопротивление которых в термообработанном состоянии более 1000 МПа при удовлетворительной вязкости и пластичности при низких температурах. Поэтомубронза Бр. Б 2, сочетающая высокую прочность с высокой релаксационной стойкостью, нашла применение для изготовления пружинящих элементов криогенной арматуры; они хорошо работают вплоть до 4 К.