По химическому составу медные сплавы делятся на бронзы и латуни. Бронзы. Их можно разделить на две основные группы: оловянные, в которых основной добавкой (легирующим элементом) является олово, и безоловянные с основной добавкой в виде алюминия, железа, марганца, никеля и др. В оловянные бронзы, кроме олова, вводятся цинк, свинец и иногда никель.
Основное преимущество бронз состоит в том, что они имеют высокую стойкость против воздействия атмосферы и агрессивных сред, а также низкий коэффициент трения; поэтому бронзовые детали хорошо работают в условиях коррозии и трения.
Для особо ответственных отливок применяются бронзы марок БрОЦ1О-2, БрОФ1О-1 и некоторые другие, выплавляемые из чистых исходных материалов.
Бронза БрОЦ1О-2 имеет повышенный предел прочности при растяжении 20 - 25 кГ/мм² (200 - 250 МПа) и применяется для сильно нагруженных отливок и арматуры высокого давления. Бронза БрОФ1О-1, содержащая кроме 9 - 11% олова примерно 1% фосфора, отличается высокой износоустойчивостью и применяется для подшипников, червячных колес и т. д. В промышленности также используются вторичные бронзы, называемые паспортными. Эти бронзы получаются переплавом отходов соответствующего состава на специализированных заводах.
Оловянные бронзы марок БрОЦС 5-5-5 и БрОЦС 6-6-3 применяются для изготовления антифрикционных деталей, работающих в условиях трения. Из бронзы БрОЦСН 3-7-5-1 изготовляют арматуру для морской и пресной воды, а также для пара.
(В обозначениях марок приняты условные сокращения: Бр - бронза; ОЦС и ОЦСН - состав бронзы: олово, цинк, свинец и никель; первая цифра показывает среднее содержание олова, вторая - цинка, третья - свинца, четвертая - никеля).
Оловянную бронзу ввиду высокой стоимости олова заменяют другими сплавами, в состав которых входят более дешевые элементы. Большинство безоловянных бронз является сплавом меди с алюминием и некоторыми другими элементами.
Железо способствует размельчению структуры, повышает предел прочности и твердость сплава; марганец повышает не только прочностные, но и антикоррозионные свойства сплава; никель улучшает антифрикционные, антикоррозионные и механические свойства. При содержании свинца до 1 - 1,5% улучшаются обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.
Безоловянные бронзы марок БрАМц 9-2 и БрАЖМц 10-3-1,5, имеют более высокие показатели механических свойств, чем оловянные, и вполне заменяют их в эксплуатации.
Бронза БрАЖН 10-4-4 отличается не только большой прочностью, но и жаростойкостью, т. е. способностью работать при повышенных температурах. Она применяется для изготовления деталей, работающих в условиях значительной коррозии и эрозии. Высокой прочностью, коррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами обладает бериллиевая бронза Бр2; после упрочнения и закалки имеет предел прочности при растяжении до 140 кГ/мм² (1372 МПа). Латуни. Латуни разделяются на простые и сложные (специальные).
Для производства фасонного литья применяют только сложные латуни, в которых, кроме меди и цинка, содержится в определенных количествах алюминий, кремний, марганец, свинец, олово и соответственно этому различают латуни алюминиевые (ЛА67-2,5), кремнистые (ЛК80-3), алюминиево-железо-марганцовые (ЛАЖМц 66-6-3-2) и др. Перечисленные элементы улучшают механические, физические и химические свойства латуни. При введении в сплав алюминия повышается прочность и коррозионная стойкость латуни; из такой латуни отливаются коррозионностойкие детали, применяемые в морском и общем машиностроении.
Кремний повышает механические свойства сплава и придает ему хорошую жидкотекучесть, что обеспечивает хорошее заполнение формы и получение плотных отливок сложной конфигурации. Добавка в кремнистую латунь свинца придает сплаву хорошие антифрикционные свойства. Из кремнистой латуни изготовляют отливки для арматуры и судовых деталей, работающих в морской воде, а из кремнисто-свинцовой латуни - подшипники, втулки, сальники.
Марганцовые латуни имеют высокие механические свойства, значительную коррозионную стойкость и сохраняют прочность при повышенных температурах. Из марганцовой латуни изготовляют отливки для деталей, работающих с большой нагрузкой: массивные червячные винты, гайки нажимных винтов и т. и.
§ 43. Сплавы легких металлов
Алюминиевые сплавы. Для улучшения механических свойств большинство алюминиевых отливок подвергается термической обработке.
Алюминиево-кремнистые сплавы, содержащие более 5% кремния, носят общее название силуминов. К этой группе сплавов относятся сплавы марок АЛ2, АЛ4, АЛ8, АЛ9 и АЛ9В.
Для повышения прочности в эти сплавы (за исключением сплава АЛ2) вводится небольшое количество магния, что придает им способность к термической обработке. Алюминиево-магниевые сплавы, применяемые в промышленности, содержат до 12% магния. Эти сплавы обладают высокой прочностью, но по сравнению с алюминиево-кремниевыми сплавами имеют значительно более низкую жидкотекучесть.
В сплаве АЛ8 содержится 9,5 - 11,5 % магния, а в сплаве АЛ13 - 4,5 - 5,5% магния. Сплав АЛ8 после закалки приобретает высокие механические свойства: предел прочности выше 28 кГ/мм² (274 МПа) и относительное удлинение более 9%. Новые алюминиево-магниевые сплавы, содержащие незначительное количество бериллия, титана, циркония, после закалки имеют предел прочности при растяжении не менее 35 кГ/мм² (343 МПа), относительное удлинение 15 % и значительную коррозионную стойкость.
Алюминиевые сплавы марок АЛ7, АЛ7В и АЛ12 (выплавляются из вторичных сплавов) содержат 3 - 5% меди (сплавы АЛ7 и АЛ7В) и 9 - 11% меди (сплав АЛ12). Эти сплавы подвергаются термической обработке, что значительно улучшает их механические свойства.
Алюминиево-медно-кремнистые сплавы марок АЛЗ, АЛЗВ, АЛ5, АЛ6, АЛ10В, АЛ14В и АЛ15В содержат 3 - 8% кремния и 1,0 - 5% меди.
К алюминиевым сплавам различного состава относятся сплавы марок АЛ1, АЛ11, АЛ16В, АЛ17В, АЛ18В, содержащие кремний, никель, цинк или железо. Магниевые сплавы. Сплавы магния с кремнием, марганцем, алюминием, цинком и некоторыми другими элементами имеют широкое применение в приборостроительной, авиационной и других отраслях машиностроения.
Сплавы МЛ5 и МЛ6 обладают хорошими литейными свойствами и применяются для изготовления деталей с заливкой в песчаные и металлические формы.
Сплавы МЛ5 и МЛ6 подвергаются упрочняющей термической обработке - длительному отжигу (гомогенизации) и старению, благодаря чему предел их прочности при растяжении значительно возрастает. Цинковые сплавы. Сплавы цинка с алюминием и медью широко применяются как заменители оловянных бронз для изготовления различных деталей, работающих в условии трения (втулки, вкладыши). Для этих деталей наиболее часто применяют сплав ЦАМ10-5, в котором содержатся в среднем 10% алюминия и 5% меди, остальное - цинк. Для литья под давлением применяют сплав, содержащий 3,5 - 5% алюминия и 0,6 - 4% меди, остальное - цинк.
Главные преимущества цинковых сплавов: хорошие литейные свойства, легкоплавкость и сравнительно низкая стоимость. Титановые литейные сплавы. Титановые сплавы - высококачественные конструкционные материалы; обладают высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, удовлетворительными технологическими свойствами: подвергаются литью, обработке давлением, сварке и механической обработке. Недостатки титановых сплавов: высокая температура плавления и окисляемость при нагреве.
В машиностроении применяют большое количество титановых сплавов, содержащих Аl, Сr и др.
Сплав ВТЗ-1 (4 - 6,2% Аl, 1,5 - 2,5% Сr; остальное - Тi) имеет при 20°С предел прочности при растяжении 95 - 120 кГ/мм² (950 - 1200 МПа), относительное удлинение 10 - 16%, обладает высокой стойкостью к растворам кислот. Примером эффективности применения титановых сплавов может быть следующее: детали для насоса перекачки растворов серной и азотной кислот, изготовленные из титанового сплава ВТ3-1, имеют в несколько раз большую стойкость, чем детали из нержавеющей стали.
Для получения отливок расплавленный титановый сплав заливают в бронзовые, керамические или графитовые формы; последние покрывают гарнисажем во избежание насыщения металла углеродом.
Титановые сплавы используют для производства отливок в ракетостроении, электротехнической, химической, металлургической промышленности, в ядерной технике и др.
§ 44. Шихтовые материалы
В состав шихты для плавки сплавов цветных металлов применяют: чистые металлы, вторичные (паспортные) сплавы, возврат литейного производства в виде литников, прибылей, брака, скрапа, стружки; различные лигатуры - сплавы двух или нескольких элементов, у которых температура плавления ниже температуры плавления тугоплавких элементов, входящих в данный сплав.
Находящаяся в печи шихта в процессе расплавления взаимодействует с атмосферой рабочего пространства печи, футеровкой и флюсами. В результате этого происходят окисление элементов, входящих в состав шихты, восстановление окислов этих элементов и переход их в расплавленный сплав или в шлак и т. п. Поэтому сплав перед разливкой должен быть подвергнут раскислению, рафинированию и модифицированию.
Раскислением сплава называется процесс восстановления окислов, находящихся в жидком сплаве, с помощью активных веществ- раскислителей, способных отнимать кислород у окислов. Раскислители для медных сплавов делятся на две группы: одни раскислители, находясь на поверхности сплава, не растворяются в нем, другие растворяются в жидком металле и действуют внутри сплава. К числу поверхностных раскислителей относится карбид кальция, борид магния, углерод и жидкий борный шлак. К растворимым раскислителям медных сплавов относятся фосфор, цинк, марганец, кремний, титан, алюминий, свинец, кадмий, магний и др.
Рафинированием называется процесс очистки жидкого сплава от твердых окислов, частиц шлака и газов. Очистка может производиться отслаиванием жидкого сплава при высокой температуре, флотацией (выносом неметаллических включений на поверхность жидкого сплава газами, образующимися в ванне) и флюсованием.
Более эффективный способ рафинирования - флотация заключается в том,что через жидкий сплав продувают нейтральные газы или вводят в сплав различные вещества, дающие при взаимодействии со сплавом газообразные продукты. Прочностные свойства медных сплавов значительно возрастают при продувке азотом. Так, предел прочности при растяжении латуни ЛК80-3 после продувки азотом повысился с 31 до 43,5 кГ/мм² (310 - 435 МПа) и относительное удлинение - с 12 до 19%.
Модифицирование сплава (алюминиевых и магниевых) применяют с целью измельчения структуры и повышения механических свойств сплава. В качестве модификаторов применяют: при литье из алюминиевых сплавов смеси солей фтористого натрия (67 %) и хлористого натрия (33%), а при литье из магниевых сплавов- мел, магнезит и др.
При плавке магния и магниевых сплавов во избежание возгорания магния применяют различные составы покровных флюсов, представляющих в основном смеси фтористых и хлористых солей, и вводят в состав сплава в незначительном количестве бериллий, устраняющий горение сплава.
§ 45. Плавильные печи
Для выплавки небольших количеств медных сплавов и лигатур применяют тигельные стационарные или поворотные печи. При выплавке больших количеств сплавов применяют электрические и пламенные печи.
Для плавки медных сплавов наибольшее распространение получили дуговые печи косвенного нагрева типа ДМК. Электрическая дуга в этих печах образуется между двумя горизонтальными электродами и находится на некотором расстоянии от поверхности сплава, нагрев которого происходит за счет тепла, получаемого как электрической дугой, так и раскаленной поверхностью футеровки.
Дуговая печь типа ДМК, состоящая из горизонтального стального кожуха, футерованного внутри динасовым или шамотным кирпичом. На концах кожуха укреплены два зубчатых обода, предназначенные для качания и поворота печи. В съемные торцевые стенки кожуха вставлены два графитовых водоохлаждаемых электрода. Поворот и покачивание печи осуществляется приводным механизмом. Угар металла составляет 1 - 4%.
После удаления из печи электродов и засыпки на дно печи двух-трех лопат сухого прокаленного древесного угля загружают шихтовые материалы. На дно печи помещают мелочь - литники, скрап и в последнюю очередь крупные куски. Шихта должна загружаться на расстоянии не более чем на 50 мм от электродов. После установки электродов закрывают загрузочную дверцу и включают электрическую дугу. По истечении 20 - 30 мин для предупреждения местного перегрева сплава и футеровки включается реверсивный механизм покачивания,- что способствует более быстрому расплавлению шихты вследствие соприкосновения сплава с нагретой футеровкой. Кроме того, при покачивании печи сплав непрерывно перемешивается. Дальнейшие операции ведутся в зависимости от марки выплавляемого сплава в обычном порядке, т. е. сплав раскисляют, присаживают легкоплавкие добавки, рафинируют, подогревают до требуемой температуры и выпускают из печи. Такие печи строятся емкостью от 0,1 до 1,0 т; продолжительность плавки 40-60 мин.
Индукционные печи подразделяются на печи промышленной частоты со стальным сердечником и высокочастотные.
Для плавки алюминиевых сплавов большое распространение имеют поворотные тигельные печи, работающие на нефти или газе. Печь состоит из стального кожуха с футеровкой, внутрь которого вставляют чугунный тигель, который широким фланцем прикрепляется к стальному кольцу, что обеспечивает полную изоляцию расплавляемого сплава от печных газов. Печь установлена с помощью цапф на сварную или литую раму; поворот ее осуществляется штурвалом.
Форсунку для сжигания топлива устанавливают так, чтобы поток газов шел по касательной к боковой поверхности тигля. Продукты сгорания топлива омывают стенки тигля и выходят через боров в трубу.
Производительность тигельных поворотных печей 120 - 150 кг/ч.
Для приготовления алюминиевых сплавов в больших количествах применяются электрические печи сопротивления типа САН (сопротивления - алюминиевые - наклоняющиеся) емкостью 300 - 3000 кг.
Печь типа САН состоит из металлического удлиненного корпуса, установленного на катках, укрепленных на фундаменте. Корпус изнутри выложен кирпичом; в торцах печи имеются две наклонные форкамеры, а в середине - металлосборник. Шихта плавится в форкамерах, и металл стекает по наклонным плоскостям в ванну печи. Слив металла из печи осуществляют через летку, поворачивая печь на опорных катках штурвалом или электроприводом. В своде печи установлены нагревательные спирали. Недостаток печи - разрушение нагревательной спирали при модифицировании и рафинировании сплава.
Магниевые сплавы в зависимости от объема производства выплавляют в тигельных печах с нефтяным или газовым обогревом, в электрических печах сопротивления, индукционных, вакуумных и в печах с нейтральной средой.
Плавка в печах с выемным тиглем производится следующим образом. Очищенный тигель устанавливают в печь, нагревают до температуры 400 - 500° С и посыпают дно и стенки тигля флюсом из смесей хлористых и фтористых солей магния, калия, бария и кальция. После расплавления флюса загружают шихту, которую сверху засыпают тем же флюсом. Сплав нагревают до 700 - 720° С, рафинируют, снимают шлак с поверхности, снова засыпают ее флюсом и нагревают сплав для модифицирования кальцием, цирконием или хлористым железом.
После модифицирования снимают шлак, засыпают снова флюс и выдерживают сплав в течение 10 - 15 мин. Удельный вес флюса при 710°С больше удельного веса сплава; флюс опускается вниз и осаждает на дно тигля все неметаллические включения. Для разливки металла в формы вынимают из печи тигель и очищают носок его от шлака и флюса. Корку флюса отодвигают от носка тигля, и на освобожденную поверхность насыпают смесь серы и борной кислоты. Этим же припылом тушат очаги загорания, возникающие в местах нарушения корки флюса. Струю металла припыливают порошком серы (серным цветом).
§ 46. Особенности процесса плавки сплавов цветных металлов
Плавка меди должна происходить очень быстро под слоем хорошо просушенного и прокаленного древесного угля. Печь перед загрузкой меди надо хорошо разогреть. Качество раскисления можно проверить по технологической пробе: залитый и охлажденный брусок при загибе не должен давать трещин в месте изгиба.
Технология плавки для большинства алюминиевых сплавов в основном имеет общий характер, и поэтому она применима при загрузке шихты и плавки в печах различных конструкций. Сначала загружают и расплавляют алюминий, первичные металлы, силумин, затем лигатуры и в последнюю очередь вводят в сплав легковыгорающие элементы (цинк, магний и т. д.).
Если для приготовления сплава применяют, кроме первичных металлов и лигатур, также первичные сплавы, то их загружают в первую очередь. При плавке с использованием отходов сначала загружают в печь часть чушковых материалов, затем отходы и только после расплавления их - остальное количество чушковых металлов и лигатур.
Шихтовые материалы перед загрузкой в печь надо подогреть до температуры 100 - 150° С для удаления влаги. Отходы (литники и брак), применяемые в качестве шихтовых материалов, следует предварительно тщательно очистить и проверить их химический состав.
§ 47. Особенности изготовления и заливки форм
Для изготовления форм и стержней при производстве отливок из цветных сплавов применяют мелкозернистые кварцевые или глинистые пески, обеспечивающие получение отливок с гладкой поверхностью. Содержание влаги в формовочной смеси должно быть минимальное (4%), иначе могут образоваться газовые раковины. Во избежание образования трещин в отливках из сплавов, имеющих значительную усадку, в формовочные и стержневые смеси добавляют древесные опилки. Стержни, а также сухие формы окрашивают огнеупорной краской - графитовой или тальковой.
При производстве отливок из магниевых сплавов для предотвращения взрыва в формовочные и стержневые смеси добавляют (в порошках) 0,25 - 1,0% борной кислоты и 0,25 - 3,0% серы или 6-10% фтористых присадок. При реакции магния с водой из формы выделяется газ. Борная кислота при сушке формы, стержней и при заливке формы магниевым сплавом образует на поверхности формы и стержня глазурь, отделяющую сплав от влаги формовочной смеси, а следовательно, предотвращает взрыв.
Для получения качественных отливок из цветных сплавов и особенно их алюминиево-магниевых необходимо обеспечить спокойное заполнение формы металлом, без завихрения, чтобы уменьшить окисление металла. С этой целью применяют литниковые системы с сифонным подводом металла (снизу) или через вертикальные щелевидные литники, а при изготовлении малогабаритных отливок - по разъему формы. Сечения питателей при подводе их к форме должны быть увеличены, что позволит уменьшить скорость истечения металла и дает спокойное заполнение формы. Для устранения усадочных раковин применяют прибыли и холодильники.
§ 48. Термическая обработка отливок из алюминиевых и магниевых сплавов
Большинство отливок из алюминиевых и магниевых сплавов подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и улучшения механических свойств. Термической обработкой увеличивается предел прочности при растяжении более чем на 30%. В зависимости от конфигурации, размеров отливки, марки сплава и назначения отливки применяют закалку, старение и отжиг.
Закалка отливок из алюминиевых сплавов улучшает их механические свойства. Отливки нагревают до 510 - 540°С, длительно выдерживают 5 - 45 ч при этой температуре и затем охлаждают в зависимости от назначения и сложности отливки, в различных закалочных средах: на воздухе, струей холодного воздуха, струей водяного пара, в воде, нагретой до температуры 20 - 70' С. Отливки из магниевых сплавов нагревают до 410 - 420° С, выдерживают 12 - 18 ч при этой температуре и охлаждают на воздухе.
Старение применяется для получения мелкозернистой структуры. Отливки из алюминиевого сплава нагревают до 175 - 290° С, выдерживают при этой температуре 5 - 15 ч, а отливки из магниевых сплавов нагревают до 170 - 180° С, выдерживают при этой температуре в течение 16 - 18 ч и медленно охлаждают.
Отжиг применяется для устранения коробления отливок и придания им повышенной пластичности. Отжиг состоит в следующем. Отливки из алюминиевого сплава нагревают до температуры 360 - 400° С, а отливки из магниевых сплавов - до 350 - 380° С и затем медленно охлаждают на воздухе.
Нагрев под закалку магниевых сплавов производят в камерных печах с защитной атмосферой или в вакуумных.
