Методические указания. Для изготовления деталей машин и механизмов используют медные, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы.

Для изготовления деталей машин и механизмов используют медные, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы.

При решение задач рекомендуется использовать учебные пособия, ГОСТы, справочники и справочные данные, приведенные в конце методических указаний в Приложении.

Цветные сплавы. Сплавы на основе цветных металлов (медь, алюминий, магний, титан, олово, свинец, цинк) обладают лучшими механическими и технологическими свойствами, чем чистые металлы, поэтому они нашли широкое применение в промышленности.

Алюминий и алюминиевые сплавы.

Получение алюминия. Из руд промышленного получения алюминия используют преимущественно бокситы и нефелины. Химический состав бокситов выражается формулой Na₂(K₂)O-Al₂O₃-SiO₂. Бокситы содержат в своём составе 30-70% глинозема Al₂O₃, 2-20% кремнезема SiO₂, 2-50% окиси железа Fe₂O₃ и 0,1-10% окиси титана TiO₂. Производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозёма Al₂O₃ из бокситов и восстановления металлического алюминия электролизом из раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆). Электролитом служит криолит с добавлением 8-10% глинозема, а также AlF₃ и NaF. Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называет алюминием-сырцом. Алюминий сырец содержит металлические (Fe, Cu, Zn и др.) и неметаллические (С, Al₂O_3, Si и др.) примеси, а также газы – кислород, водород, окись и двуокись углерода и др. Эти примеси удаляют, например, хлорированием (продувкой хлором) жидкого алюминия-сырца в ковше. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий AlCl₃, проходя через расплавленный алюминий, обволакивает пузырьками частицы примесей и выносит их вместе с газами, растворенными в алюминии. После рафинирования хлором алюминий отливают в слитки и направляют потребителям.

Первичный алюминий делят на 3 группы: алюминий особой чистоты (марка А999), высокой чистоты (четыре марки) и технической чистоты. Предусмотрено восемь марок, допускающих содержание примесей 0,15-1%. Название марки указывает ее чистоту. Например, марка А8 обозначает, что в металле содержится 99,8% алюминия, а в марке А99 – 99,99% алюминия. Алюминий технической чистоты получают в электролизных ваннах. Путем электролитического рафинирования алюминия-сырца получают алюминий марок высокой чистоты.

Алюминий – легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопроводностью; плотность его 2700 кг/м³, температура плавления в зависимости от чистоты колеблется в пределах 660-667 °С. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σ_в= 80-100 Мпа), низкую твёрдость (НВ 20-40), но обладает высокой пластичностью (δ=35-40%).

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой плотной плёнкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.

В качестве конструкционных материалов алюминий хорошо применяют в виде сплавов с другими металлами и неметаллами (медь, марганец, магний, кремний, железо, никель, титан, бериллий и др.).

Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристик легирующих добавок. Так, железо, никель, титан повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Медь, марганец, магний обеспечивают упрочняющую термообработку алюминиевых сплавов. В результате легирования и термической обработки удается в несколько раз повысить прочность (σ_в с 100 до 500 МПа) и твёрдость (НВ с 20 до 150) алюминия. Все сплавы алюминия подразделяют на деформируемы и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и различных деталей штамповки прессованием, ковкой. В зависимости от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на 7 групп; содержат 2-3 и более легирующих компонента в количестве 0,2-4% каждого. Например, сплавы алюминия с магнием и марганцем; алюминия с медью, магнием, марганцем и др.

Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Деформируемые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют буквенные обозначения, указывающие на характер обработки.

Термически не упрочняемые сплавы – это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием и марганцем (АМг). Они обладают умеренной прочностью, высокой корозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью.

Термические упрочняемые сплавы приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дюралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).

Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500 °С и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течении 5-7 суток. Изменение прочности дюралюминия при естественном старении показано на рис. Искусственное старение проводят при 150-180 °С в течении 2-4 часов. При одинаковой прочности дюралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному старению. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (±5 °С), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки.

Дюралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию. Дюралюмины выпускают в виде листов, пресованных и катанных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дюралюмины в авиационной промышленности и строительстве.

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9-13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химическому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ13, АЛ22 и др.).

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость.

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки.

Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки и скорость охлаждения её при закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы.

Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520-540°С и дают длительную выдержку (5-10 часов), для того, чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 10-20 ч.

Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5% кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1-3% от массы сплава соли натрия (⅔NaF + ⅓NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: