Материаловедение

4. При сварке латуней  возможно испарение цинка (температура  кипения 907 град. С, т. е. ниже  температуры плавления меди). Образующийся  окисел цинка ядовит, поэтому  при сварке требуется хорошая  вентиляция. Испарение цинка может  привести к пористости металла  шва. Это осложнение удается  преодолеть предварительным подогревом  металла до температуры 200 -300 град. С и повышением скорости сварки, уменьшающим растекание жидкого  металла и испарение цинка.

Высокий коэффициент  линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать  при сварке повышенные температурные  и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких  температурных напряжений со снижением  механических свойств может способствовать образованию трещин. Для уменьшения деформации конструкции сварку ведут  в жестком закреплении, по прихваткам. При повышенной толщине металла  регулируют величину зазора.

5. Медь в расплавленном  состоянии поглощает значительные  количества водорода. При кристаллизации  металла сварочной ванны с  большой скоростью ввиду высокой  теплопроводности меди и резким  уменьшением

растворимости водорода в металле атомарный водород  не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом  с образованием паров воды, что  приводит к образованию в шве  пор и трещин.

В околошовной зоне диффузионно-подвижный водород взаимодействует с Сu2О, располагающейся по границам зерен; образующиеся пары воды, которые не растворяются в меди и не могут из нее выйти, создают в металле значительные напряжения, приводящие к образованию большого числа микротрещин. Это явление получило название водородной болезни меди. Для предупреждения водородной болезни меди следует снижать количество водорода в зоне сварки (прокалка электродов и флюсов, применение осушен-ных защитных газов). Окись углерода также может участвовать в раскислении меди, что также способствует образованию пор. Сродство меди к азоту весьма мало, поэтому азот можно использовать при сварке меди в качестве защитного газа.

6. Повышенная жидкотекучесть расплавленной меди и ее сплавов (особенно бронзы) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, поэтому чаще всего сварку ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необходимы подкладки.

Для меди и сплавов  на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением. 

Сплавы  на основе меди. В чистом виде медь практически не находит применения в строительстве, используют ее в виде латуни и бронзы. Латунь — это сплав меди с цинком (до 40%), а бронза — сплав меди с оловом или каким-либо другим металлом, кроме цинка. Наиболее распространены оловянистые бронзы, содержащие 10...20% олова; применяют также алюминиевые, марганцовистые, свинцовистые и другие виды бронз.

Латуни и бронзы обладают многими очень важными  для техники свойствами — достаточно прочны (до 300...600 МПа), могут быть получены высокой твердости (НВ_ 200...250), обладают хорошими антифрикционными свойствами, благодаря чему они широко используются в подшипниках, имеют высокую  коррозионную стойкость. Однако по экономическим  причинам сплавы на основе меди в строительстве  применяют лишь для изготовления санитарно-технической аппаратуры (кранов, вентилей), в отдельных случаях — для отделочных и декоративных целей. Основное же использование латунь и бронза находят в машино- и приборостроении. 

•          Сплавы на основе олова и свинца с добавкой меди, сурьмы называют баббитами  и широко применяют для подшипников. Баббиты сравнительно дороги, и по этой причине их стремятся заменять другими, более дешевыми антифрикционными материалами: серыми чугунами, сплавами на основе алюминия, метал-локерамическими сплавами. Последние получают путем сплавления сильно спрессованных тонкоизмельченных минеральных порошков (графита, кремнезема) с порошком металла (медью, железом, висмутом, молибденом). 

•          Цинк и свинец значительно шире применяют  в строительстве. Цинк в основном используют для кровельных покрытий, карнизов и водосточных труб, свинец — для футеровки кислотостойких устройств химических аппаратов, для  особых видов гидроизоляции, для  зачеканки швов и стыков элементов строительных конструкций, например швов между тюбингами в туннелях метрополитена. 

•        Магний, титан и их сплавы благодаря их низкой плотности и

высоким механическим свойствам применяют в основном в само

летостроении и для специальных целей. Так, при плотности

магниевых сплавов  около 2000 кг/м3 (это самый легкий мате

риал) твердость сплава достигает НВ 60...70, а прочность  на

Разрыв — 250...300 МПа. Магниевые сплавы получают, добавляя

к магнию алюминий, марганец, цинк. Титанистые сплавы обладают   очень   высокой   жаростойкостью,   твердостью   до   350 прочностью до 1500 МПа. Эти сплавы получают путем  добавок к титану хрома, алюминия, ванадия. 

11.  Сплавы на основе алюминия и их характеристика

Легирование

Алюминий применяют  для производства из него изделий  и сплавов на его основе.

Легирование — процесс  введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного  материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения

металлического материала  с целями повышения качества металлургической продукции.

Введение различных  легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые  специфические свойства.

Прочность чистого  алюминия не удовлетворяет современные  промышленные нужды, поэтому для  изготовления любых изделий, предназначенных  для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.

При различном легировании  повышаются прочность, твердость, приобретается  жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные  изменения: неизбежно снижается  электропроводность, во многих случаях  ухудшается коррозионная стойкость, почти  всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование  марганцем, который не только не снижает  коррозионную стойкость, но даже несколько  повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную  плотность, так как он легче, чем  алюминий. 

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий  делят на две группы:

1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),

2) литейные (имеют  хорошую жидкотекучесть).

Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств  в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.

Сырьем для получения  сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также  и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.

Основными легирующими  элементами в различных деформируемых  сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также  кремний, железо, никель и некоторые  другие элементы.

Дуралюминии — сплавы алюминия с медью

Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии —  сплавы алюминия с медью, которые  содержат постоянные примеси кремния  и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при  комнатной температуре и 5,7% при  эвтектической температуре, равной 548 C.

Термическая обработка  дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии  предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его  структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют  при комнатной температуре. При  этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии  закалки, дюралюминий очень мягок  и пластичен.

Структура закаленного  дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре  в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение  первых нескольких часов, полностью  же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение. В этом случае процесс совершается  быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при  более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.

Сравнение результатов  старения дюралюминия при различной  температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней. 

Сплавы алюминия с марганцем и магнием

Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся  при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.

В случае системы  Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы — химического соединения Mg Al .

Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а  затем и образующиеся включения  не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.

Другие легирующие элементы 

Также для улучшения  некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов  используются:

Бериллий добавляется  для уменьшения окисления при  повышенных температурах. Небольшие  добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют  в алюминиевых литейных сплавах  для улучшения текучести в  производстве деталей двигателей внутреннего  сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для повышения  электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые  сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.