Сплавы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Окружающие  нас металлические предметы редко  состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами. Сплавы - это системы, состоящие из двух или нескольких металлов, а также из металлов и неметаллов, обладающие свойствами, присущи металлическому состоянию.  Так, различные виды железа и стали содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специльную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

      Для изготовления сплавов применяют  различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Простые конструкционные стали состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07—0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные — кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

      Никель  наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.

      Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав -нейзильбер -содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде.. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

      Для деталей машин используют сплавы меди с цинком , оловом, алюминием, кремнием и др. (а не чистую медь) из-за их большей прочности: 30-40 кгс/мм^2 у сплавов и    25-29 кгс/мм^2 у технически чистой меди .

      Медные  сплавы (кроме бериллиевой бронзы и некоторых алюминиевых бронз) не принимают термической обработки, и их механические свойства и износостойкость определяются химическим составом и его влиянием на структуру. Модуль упругости медных сплавов (900-12000 кгс/мм^2 ниже , чем у стали).

      Основное  преимущество медных сплавов - низкий коэффициент трения (что делает особенно рациональным применением их в парах скольжения), сочетающийся для многих сплавов с высокой пластичностью и хорошей стойкостью против коррозии в ряде агрессивных сред и хорошей электропроводностью.

      Марки обозначаются следующим образом.

      Первые  буквы в марке означают: Л - латунь и Бр. - бронза.

      Буквы, следующие за буквой  Л в латуни или Бр. В бронзе, означают:

А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец,

Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор.

  Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное

содержание элементов. Порядок расположения цифр, принятый для латуней,

отличается от порядка, принятого для бронз.

  В марках латуни первые две цифры (после буквы) указывают

содержание основного  компонента - меди. Остальные цифры, отделяемые друг

от друга через  тире, указывают среднее содержание легирующих элементов.

Эти цифры расположены  в том же порядке, как и буквы, указывающие

присутствие в  сплаве того или иного элемента. Таким образом содержание

цинка в наименовании марки латуни не указывается  и определяется по

разности. Например, Л86 означает латунь с 68% Cu  (в среднем) и не имеющую других  легирующих элементов, кроме цинка; его содержание составляет (по разности) 32%. ЛАЖ 60-1-1 означает латунь с 60% Cu , легированную алюминием  (А) в количестве 1% , с железом (Ж) в количестве 3% и марганцем (Мц) в количестве 1%. Содержание цинка (в среднем) определяется вычетом из 100% суммы процентов содержания меди, алюминия, железа и марганца.

  В марках бронзы (как и в сталях) содержание основного компонента -

меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры  после букв,

отделяемые друг от друга через тире, указывают  среднее содержание

легирующих элементов; цифры расположенные в том  же порядке, как и

буквы, указывающие  на легирование бронзы тем или  иным компонентом.

Например, Бр.ОЦ10-2 означает бронзу с содержанием олова (О) ~ 4% и цинка (Ц) ~ 3%.Содержание меди определяется по разности (из 100%). Бр.АЖНЮ-4-4 означает бронзу с 10% Al , 4% Fe и 4% Ni  (и 82% Cu). Бр. КМц3-1 означает бронзу с 3% Si , и 1% Mn (и 96% Cu).

1. Медно-цинковые  сплавы. Латуни .

  По химическому составу различают латуни простые и сложные,

а по структуре - однофазные и двухфазные. Простые  латуни легируются одним компонентом: цинком. Однофазные простые латуни имеют высокую пластичность; она наибольшая у латуней с 30-32% цинка (латуни Л70 , Л67). Латуни с более низким содержанием цинка (томпаки и полутомпаки) уступают латуням Л68 и Л70 в пластичности, но превосходят их в электро- и теплопроводности. Они поставляются в прокате и поковках.

        Двухфазные простые латуни имеют  хорошие ковкость (но главным

образом при  нагреве) и повышенные литейные свойства и используются  не

только в виде проката, но и в отливках. Пластичность их ниже чем у однофазных  латуней, а прочность и износостойкость выше за счет влияния

более твердых  частиц второй фазы.

      2. Оловянные бронзы .

      Однофазные  и двухфазные бронзы превосходят  латуни в прочности и

сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).

        Однофазные бронзы в катаном  состоянии, особенно после зачительной  холодной пластической деформации, имеют повышенные прочностные  и упругие свойства .

        Для двухфазных бронз характерна  более высокая износостойкость.

Важное преимущество двухфазных оловянистых бронз - высокие литейные

свойства; они  получают при литье наиболее низкий коэффициент усадки по

сравнению с  другими металлами, в том числе  чугунами. Оловянные бронзы

применяют для  литых деталей сложной формы. Однако для арматуры котлов и подобных деталей они используются лишь в случае небольших давлений пара. Недостаток отливок из оловянных бронз - их значительная микропористость. Поэтому для работы при повышенных давлениях пара они все больше заменяются алюминиевыми бронзами.

        Из-за высокой стоимости олова чаще используют бронзы, в которых

часть олова  заменена цинком (или свинцом).

      3. Алюминиевые бронзы (табл. 37).

      Эти бронзы   все более широко заменяют латуни и оловянные бронзы.

У алюминиевых  бронз литейные свойства (жидкотекучесть)

ниже, чем у  оловянных; коэффициент усадки больше, но они не образуют

пористости, что  обеспечивает получение более плотных  отливок.Литейные

свойства улучшаются введением в указанные бронзы небольших количеств

фосфора.

      Кроме того, алюминиевые двухфазные бронзы, имеют более высокие

прочностные свойства, чем латуни и оловянные бронзы.

      Алюминиевые бронзы используют в судостроении, авиации, и т.д..В

виде лент, листов, проволоки их применяют для упругих  элементов, в

частности для  токоведущих пружин.

4. Кремнистые  бронзы (табл. 38)

      Применение  кремнистых бронз ограниченное. Используются

однофазные бронзы как более пластичные. Они превосходят  алюминиевые

бронзы и латуни в прочности и стойкости в  щелочных (в том числе сточных)

средах. Эти бронзы применяют для арматуры и труб, работающих в указанных средах.

      Кремнистые  бронзы, дополнительно легированные марганцем, в результате сильной  холодной деформации приобретают повышенные прочность и упругость и в  виде ленты или проволоки используются для различных упругих элементов.

                                 5. Бериллиевые бронзы. 

      Бериллиевые бронзы сочетают очень высокую прочность  и коррозионную стойкость с повышенной электропроводностью.

Однако эти  бронзы из-за высокой стоимости бериллия используют лишь для

особо ответственных  в изделиях небольшого сечения в виде лент, проволоки

для пружин, мембран, сильфонов и контактах в электрических  машинах,

аппаратах и  приборах.

      Бериллиевые бронзы после закалки и старения, т.к. растворимость бериллия  в  меди уменьшается с понижением температуры.

Выделение при старении частиц химического соединения CuBe повышает

прочность и  уменьшает концентрацию бериллия в  растворе меди. 

По следующим  рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!