Черные материалы широко используются в машиностроении из-за их превосходства, диапазона механических свойств и более низкой стоимости. Тем не менее, материалы цветных металлов также используются в различных областях применения из-за их особых свойств по сравнению со сплавами железа, несмотря на их, как правило, высокую стоимость. Желаемые механические свойства могут быть получены в этих сплавах путем наклепа, старения и т. д., но не с помощью обычных процессов термообработки, используемых для ферросплавов. Некоторые из основных цветных металлов, представляющих интерес, — алюминий, медь, цинк и магний.
1. Алюминий
Из всех цветных-сплавов железа алюминий и его сплавы являются наиболее важными из-за их превосходных свойств. Некоторые свойства чистого алюминия, благодаря которым он используется в машиностроении:
1) Отличная теплопроводность (0,53 кал/см/К).
2) Отличная электропроводность (376 600/Ом/см)
3) Низкая массовая плотность (2,7 г/см3)
4) Низкая температура плавления (658С).
5) Отличная коррозионная стойкость. Фактически, Al имеет большее сродство к кислороду. В результате, когда алюминий подвергается воздействию воздуха, поверхность легко окисляется, образуя оксид алюминия. Эта оксидная пленка имеет хорошую связь с основным металлом и, таким образом, защищает его от дальнейшего окисления.
6) Он нетоксичен.
7) Он имеет один из самых высоких коэффициентов отражения (от 85 до 95%) и очень низкий коэффициент излучения (от 4 до 5%).
8) Он очень мягкий и пластичный, в результате чего имеет очень хорошие технологические свойства.
Таблица 1. Свойства литейных алюминиевых сплавов
Некоторые из областей применения, где обычно используется чистый алюминий, - это электрические проводники, материалы ребер радиаторов, кондиционеры, оптические и световые отражатели, а также фольга и упаковочные материалы.
Несмотря на вышеупомянутые полезные применения, чистый алюминий не находит широкого применения из-за следующих проблем:
1) Имеет низкую прочность на разрыв (65 МПа) и твердость (20 БХН).
2. Очень сложно сваривать или паять.
Таблица 2. Некоторые алюминиевые сплавы:
Механические свойства алюминия можно существенно улучшить путем легирования. Основными легирующими элементами являются медь, марганец, кремний, никель и цинк.
Алюминий и медь образуют химическое соединение CuAl2. При температуре выше 548°С он полностью растворяется в жидком алюминии. При закалке и искусственном старении (длительная выдержка при 100 - 150C) получается закаленный сплав. Несостаренный CuAl2 не успевает выпасть из твердого раствора алюминия и меди и поэтому находится в нестабильном положении (сверх-насыщенном при комнатной температуре). В процессе старения выделяются очень мелкие частицы CuAl2, что приводит к упрочнению сплава. Этот процесс называется твердением раствора.
В качестве других легирующих элементов используются до 7% магния, до 1. 5% марганца, до 13% кремния, до 2% никеля, до 5% цинка и до 1,5% железа. Помимо этого, в небольших количествах также могут быть добавлены титан, хром и нимбий. Состав некоторых типичных алюминиевых сплавов, используемых при постоянном формовании и литье под давлением, приведен в таблице 2. 10 с указанием их применения. Механические свойства, ожидаемые от этих материалов после их отливки с использованием постоянных форм или литья под давлением, показаны в Таблице 2.
2. Медь
Подобно алюминию, чистая медь также находит широкое применение благодаря своим следующим свойствам:
1) Электропроводность чистой меди высока (5,8 х 105 Ом/см) в чистом виде. Любая небольшая примесь резко снижает проводимость. Например, 0. 1% фосфора снижает проводимость на 40%.
2) Имеет очень высокую теплопроводность (0. 92 кал/см/Кл).
3) Это тяжелый металл (удельный вес 8,93).
4) Его можно легко соединить пайкой.
5) Устойчив к коррозии,
6) Имеет приятный цвет.
Таблица 3. Некоторые медные сплавы:
Чистая медь используется при производстве электрических проводов, шин, кабелей передачи данных, трубок для холодильников и трубопроводов.
Механические свойства меди в чистом виде не очень хорошие. Он мягкий и относительно слабый. Его можно выгодно легировать для улучшения механических свойств. Основными легирующими элементами являются цинк, олово, свинец и фосфор.
Сплавы меди и цинка называются латунями. При содержании цинка до 39% медь образует однофазную (-фазную) структуру. Такие сплавы обладают высокой пластичностью. Цвет сплава остается красным до содержания цинка 20%, но далее он становится желтым. Второй структурный компонент, называемый -фазой, содержится от 39 до 46% цинка. На самом деле за повышенную твердость отвечает интер-металлическое соединение CuZn. Прочность латуни еще больше увеличивается при добавлении небольших количеств марганца и никеля.
Сплавы меди с оловом называются бронзами. Твердость и прочность бронзы увеличиваются с увеличением содержания олова. Пластичность также снижается с увеличением процентного содержания олова выше 5. При добавлении алюминия (от 4 до 11%) полученный сплав называется алюминиевой бронзой, которая имеет значительно более высокую коррозионную стойкость. Бронзы сравнительно дороги по сравнению с латунями из-за присутствия олова, который является дорогим металлом.
Некоторые медные сплавы с их составом и применением представлены в таблице 3.
3. Другие материалы
Цинк- Цинк в основном используется в технике из-за его низкой температуры плавления (419,4 C) и более высокой коррозионной стойкости, которая увеличивается с увеличением чистоты цинка. Устойчивость к коррозии обусловлена образованием на поверхности защитного оксидного покрытия. Основные области применения цинка — цинкование для защиты стали от коррозии, полиграфическая промышленность и литье под давлением.
Недостатками цинка являются сильная анизотропия, проявляющаяся в условиях деформации, отсутствие стабильности размеров в условиях старения, снижение ударной вязкости при более низких температурах и подверженность меж-коррозии. Его нельзя использовать для эксплуатации при температуре выше 95°C, поскольку это приведет к существенному снижению прочности на разрыв и твердости.
Его широкое использование при литье под давлением объясняется тем, что для него требуется более низкое давление, что приводит к увеличению срока службы матрицы по сравнению с другими сплавами для литья под давлением. Кроме того, он имеет очень хорошую обрабатываемость. Отделка, полученная литьем под давлением цинка, часто достаточна, чтобы гарантировать любую дальнейшую обработку, за исключением удаления заусенца, присутствующего в плоскости разъема.
Магний- Благодаря легкому весу и хорошей механической прочности магниевые сплавы используются при очень высоких скоростях. Для той же жесткости магниевые сплавы требуют всего лишь 37. 2% веса стали С25, что позволяет экономить вес. Двумя основными используемыми легирующими элементами являются алюминий и цинк. Магниевые сплавы могут быть отлиты в песчаную форму, отлиты в постоянной форме или отлиты под давлением. Свойства компонентов из магниевого сплава, отлитых в песке,-сопоставимы со свойствами компонентов, отлитых в постоянной форме или-под давлением. Сплавы для литья под давлением-обычно имеют высокое содержание меди, что позволяет изготавливать их из вторичных металлов и снижать затраты. Их используют для изготовления автомобильных колес, картеров и т. д. Чем выше их содержание, тем выше механическая прочность деформируемых сплавов магния, таких как прокатные и кованые детали. Магниевые сплавы можно легко сваривать большинством традиционных сварочных процессов. Очень полезным свойством магниевых сплавов является их высокая обрабатываемость. Для обработки им требуется всего около 15% мощности по сравнению с низкоуглеродистой сталью.
