Кольорові метали та їх сплави

Зрезарцев. Товарознавство сировини та матеріалів

Кольорові метали відзначаються  унікальними властивостями: жароміцністю, тугоплавкістю, високою електропровідністю, пластичністю, корозійною стійкістю, малою питомою вагою, твердістю, здатністю утворювати різноманітні сплави і т.д. Вони широко використовуються у машинобудуванні, електротехніці, приладобудуванні, радіотехніці, електроніці, хімічній промисловості, в атомній та космічній техніці, у побуті. Надзвичайно широкий асортимент вироблюваних кольорових металів (більше 70) і їх сплавів пояснюється їх використанням.  
Кольорові метали і сплави використовують у вигляді напівфабрикатів (листи, стрічки, фольга, труби, прутки, дріт, профілі) або відливок чи поковок. Розвиток і створення нових галузей промисловості викликали необхідність використання кольорових металів високої чистоти та надчистих, які володіють властивостями недосяжними для технічно чистих металів. 
Кольорові метали класифікують за ознаками: 
— за щільністю (легкі, важкі); 
— за температурою плавлення (легкоплавкі, тугоплавкі); 
— за схильністю до окислення (звичайні, благородні); 
— за поширеністю (поширені, рідкісноземельні, розсіяні). 
Легкі метали та їх сплави 
До них відносять метали з щільністю до 4500кг/м3. Найбільш поширені алюміній, магній, титан. 
Алюміній — сріблясто-білий метал (щільність 2,7г/см3, температура плавлення 660°С) з високою електро- та теплопровідністю, морозостійкістю, корозійною та хімічною стійкістю який добре піддається обробці. Він найбільш поширений у земній корі, але в чистому вигляді не зустрічається. Основні руди — боксити які містять до50% А1203. 
Після хімічної переробки отримують напівпродукт — глинозем. З нього шляхом електролізу отримують первинний алюміній (табл. 3.8). Технічний алюміній поставляють у чушках. 
Таблиця 3.8 
Первинний алюміній 
 
Алюміній особливої чистоти використовують у напівпровідниковій та ядерній техніці, високої чистоти — для виготовлення електролітичних конденсаторів, хімічної апаратури, а технічної чистоти — для виготовлення кабельної продукції, проката, посуду, алюмінієвого порошку та сплавів. Як конструкційний матеріал алюміній переважно використовують у вигляді сплавів, бо він володіє низькими механічними властивостями та важко обробляється різанням. Основні компоненти алюмінієвих сплавів — мідь, марганець, кремній, магній, титан, хром. 
Алюмінієві сплави поділяють на деформуємі (для виготовлення листів, стрічок, труб, профілів, дроту), ливарні (для виготовлення відливок) та підшипників (табл.3.9). 
Деформуємі алюмінієві сплави характеризуються невисокою міцністю, але високою пластичністю та стійкістю проти корозії. Вони добре зварюються і легко піддаються обробці тиском. Вони поділяються на сплави зміцнювані та незміцнювані термічною обробкою. 
Таблиця 3.3 
Сплави на основі алюмінія 
 
До сплавів зміцнюваних термічною обробкою відносять: 
— дюоалюміни (дуралюміни) — для виготовлення деталей середньої та підвищеної міцності які сприймають змінні навантаження (будівельні конструкції, деталі автомобілів та літаків); 
— авіалі для виготовлення деталей середньої міцності які деформуються при експлуатації (деталі двигунів, трубопроводи); 
— високоміцні мають низьку корозійну стійкість і не придатні для роботи при температурах вищих за 150°С; 
— ковочні для виготовлення куванням або штампуванням деталей складної форми, середньої та підвищеної міцності, невисокої корозійної стійкості; 
— жароміцні для виготовлення деталей що працюють при температурах до 350°С (головка блока циліндрів, поршні, обшивка надзвукових літаків). 
До сплавів не зміцнюваних термічною обробкою відносять 
— магналії (Al+Mg) та сплави з марганцем. Вони зміцнюються тільки холодним деформуванням і використовуються для зварних та клепаних конструкцій які експлуатують при невеликому навантажені в корозійно-активному середовищі. 
Ливарні алюмінієві сплави характеризуються високою рідкотекучістю, хорошими механічними властивостями та корозійною стійкістю. В залежності від основних компонентів їх поділяють на групи. Найбільш поширені сілуміни (Al+Si). Для поліпшення показників міцності та технологічності ливарні сплави рафінують (видаляють гази та неметалічні вкраплення) або модифікують (для поліпшення структури). 
Підшипникові алюмінієві сплави використовуються замість оловянистих бронз і баббітів при р

Класифікація кольорових металів

Оснач. Товарознавство

Кольорові метали і  сплави широко застосовуються в різних галузях завдяки своїм властивостям, таким як: 
низька щільність при задовільній міцності; 
висока тепло- і електропровідність; 
корозійна стійкість і таке інше. 
Однак використання кольорових металів залежить не тільки від їх властивостей, а й від наявності в земній корі, доступності і рентабельності процесу добування, обробки і виробництва. 
За фізичними і хімічними властивостями кольорові метали діляться на чотири групи: 
— легкі: алюміній, магній, титан, цезій, калій, берилій, кальцій та інші; 
— важкі: мідь, олово, нікель, свинець, кобальт, ртуть; 
— благородні: золото, срібло, платина, паладій, осмій; 
— рідкісні: тугоплавкі — вольфрам, молібден, ванадій, титан; 
легкі — стронцій, рубідій, цезій; 
радіоактивні — уран, радій, торій, актиній; 
розсіяні і рідкісноземельні — германій, галій, індій тощо. 
Значення кольорових металів весь час підвищується, тому що розвиваються такі галузі, як електроніка, ракетобудування, атомна енергетика, швидкісна авіація, медицина, харчова промисловість та ін. Найширшого використання набули такі метали, як мідь, алюміній, цинк, хром, нікель, олово, свинець, магній, титан.

Алюміній. Властивості, класифікація

Оснач. Товарознавство

Алюміній — метал  білого кольору, щільність дорівнює 2,7 г/см3, температура плавлення 660°С, твердість після прокатки і випалювання 20 - 25 НВ, відносне подовження 30—40 %, межа міцності при розтягуванні 80 - 100 МПа, висока тепло-, електропровідність. Це пластичний метал срібно-сірого кольору, добре обробляється тисненням і зварюванням; на повітрі покривається тонкою оксидною плівкою, що надає йому корозійну стійкість, особливо до азотної кислоти. Недоліками алюмінію є погана здатність до обробки на металорізальних верстатах і низькі ливарні властивості. Нараховують 250 мінералів, які містять алюміній (боксити, алуніти, каоліни). Алюміній — це найбільш розповсюджений метал у земній корі (8 %). 
Залежно від домішок, промисловість отримує 30 марок первісного алюмінію, який становить три групи: 
особливої чистоти; 
високої чистоти; 
технічної чистоти. 
Марки алюмінію і вміст домішок показано в табл. 4.1. 
Таблиця 4.1 
марки алюмінію

 
Буква Е в марках алюмінію АЕ показує, що даний алюміній призначається для виготовлення електричного дроту. 
Алюміній поставляється в чушках вагою 515 і 1000 кг і у вигляді плоских зливків різноманітної довжини і ширини. 
Алюміній знаходить широке використання в промисловості. Значна його частина іде на виготовлення електричного дроту, також використовується в електроніці і ядерній техніці, в харчовій промисловості та в будівництві, в машинобудуванні і космічній галузі, для виготовлення цистерн, трубопроводів. Його використовують як антикорозійне покриття, а також як легуючий елемент при виплавленні сталі.

Сплави алюмінію. Властивості. Маркування

Оснач. Товарознавство

Сплави алюмінію діляться на дві групи: деформовані і ливарні. Деформовані сплави — це сплави алюмінію з міддю, марганцем, магнієм, залізом, цинком, кремнієм та іншими елементами. Мають високу пластичність, випускаються у вигляді листів, дротів, труб, прутків і таке інше. Діляться на зміцнюючі і незміцнюючі. 
Зміцнюючі алюмінієві сплави можуть підвищувати свою міцність при термічній обробці. Найбільш популярним зміцнюючим сплавом є дюралюміній — сплав алюмінію з міддю, кремнієм і залізом, а можливо і з марганцем і магнієм. Дюралюміній маркується літерою Д і цифрою, що показує номер сплаву. Випускається п'ять основних марок дюралюмінію: Д1; Діб; Д18; Д19; Д20. Дюралюміній має низьку корозійну стійкість, і для захисту від корозії здійснюється його плакування — нанесення на поверхню металу тонкого захисного шару чистого алюмінію. Такий плакувальний метал позначається буквою П в марці алюмінію — Д18П. 
Дуже міцними зміцнюючими алюмінієвими сплавами є авіалі, які використовуються для виготовлення стійких конструкцій. Маркування: АВ; високоміцні алюмінієві сплави: В95; ВАД23; В93 використовують для виготовлення стрингерів, лонжеронів літаків, кузовів автомобілів й т. ін. 
Жароміцні сплави використовують для виготовлення деталей методами гарячої обробки тисненням — куванням, штампуванням. Приклади марок цих сплавів: АК2; АК4; АК8. 
Найбільш використовуваними незміцнюючими сплавами алюмінію є сплави на основі алюмінію і магнію, алюмінію і марганцю (магналі). Ці сплави характеризуються не дуже високою міцністю (σв = 200 — 320 МПа), але доброю пластичністю і високою корозійною стійкістю. Підвищення їх міцності можливе способом пластичного деформування. З них виготовляють палубні надбудови і корпуси морських та річкових суден, вікна і двері, зварюють цистерни для пального, азотної й інших кислот. Вони маркуються літерами АМгІ; АМг2 (сплав алюмінію і магнію); АМц5; АМцЗ (сплав алюмінію і марганцю). Цифра просто кодує номер сплаву. 
Особливим класом є спечені алюмінієві порошки: САПІ; САП2; САС1; САС2. Виготовляють з них лопаті вентиляторів, турбін, обмотки трансформаторів. 
Ливарні алюмінієві сплави призначені для отримання виливок, які мають добрі ливарні властивості, достатню пластичність, здатністю чинити опір корозії, добре оброблятися різанням: AJI 1; АЛ 2; АЛ 7. 
Основними легуючими елементами є кремній, мідь, марганець, цинк. Найбільше розповсюдження знайшли сплави алюмінію та кремнію (силуміни АЛ2) — домішки кремнію досягають Ю—13 %. Характеризуються найкращими ливарними властивостями, але недостатньо міцні. Для підвищення міцності до їх складу додають домішки міді, марганцю і магнію та зменшують вміст кремнію. 
Жаростійкі алюмінієві сплави отримують за рахунок сплаву з титаном, нікелем, хромом. 
Ливарні алюмінієві сплави поставляються як у вигляді виливок готових виробів, так і в чушках. 

Мідь та її сплави

Оснач. Товарознавство

Мідь — це метал  рожево-червоного кольору, щільність  дорівнює 8,96 г/см3, температура плавлення 1083°С, твердість — 85—115 НВ, σв = 200—250 МПа, δ = 40—50 %. 
Мідь має високу електро- та теплопровідність, не набагато посту- поступаючись за цими властивостями сріблу. Електропровідність міді в 1,7 разів вища за електропровідність алюмінію. Мідь відзначається високою корозійною стійкістю в прісній і морській воді, різних хімічних середовищах, кислотах, лугах, але реагує з аміаком. Розчиняється в гарячій сірчаній та азотній кислотах. Мідь дуже технологічна і пластична, добре обробляється штамповкою, прокаткою, добре прокатується в листи, дріт, стрічку, добре зварюється та паяється. 
Мідь отримують з мідних руд — сульфідних, оксидних. Усі мідні руди відносно бідні. Мідь у природі найчастіше зустрічається у вигляді мідних самородків. 
Домішками міді є сурма, срібло, залізо, які впливають на її властивості та електропровідність. У залежності від вмісту домі- шків виготовляються декілька видів первинної міді, що показано в табл. 4.2. М006, М06, М00 — найбільш чиста мідь — використовується для виготовлення провідникових матеріалів, в електротехніці. Друга група — чиста мідь Ml, М2 — для виробництва деформованих та ливарних сплавів високої якості. Третя група — менш чиста мідь МЗ, М4 — для сплавів звичайної якості, яка використовується у продовольчому машинобудуванні, 
Таблиця 4.2 
марки міді

 
Її основні марки: катодна —  МВ4к, МООк, МОку, МОк; безкиснева — МООб, МОб; катодна переплавлена — Міу, МІ і т. ін.

Класифікація мідних сплавів

Оснач. Товарознавство

Сплави з міді класифікуються у три групи: латуні, бронзи, мідно-нікелеві сплави. 
Латуні — це сплав міді з основним легуючим елементом цинком, також з іншими елементами. Вміст цинку може досягати 45%. Латуні маркуються літерою «Л» та цифрою, яка вказує вміст міді, а залишок — цинк. З них виробляють медалі та ордени. Наприклад, Л70 означає: Л - латунь, 70 - вміст міді, решта 30 % — цинк. 
У легованих латунях після букви «Л» показується буквене позначення основних домішок і цифри, які свідчить про вміст міді і домішок. 
Наприклад, ЛС 59-1 — латунь, яка вміщає 59 % міді і 1 % свинцю, решта 40 % — цинк. Латуні твердіші за мідь, мають високу корозійну стійкість, теплопровідність і електропровідність, добре обробляються різанням. 
Бронзи — сплав міді зі всіма елементами (олово, свинець, берилій, крім цинку) і в залежності від вмісту конкретного елемента вони поділяються на олов'янисті, кремнисті та інші. Вміст елемента позначається українською літерою; поділяються на деформовані та ливарні, мають добрі антифрикційні властивості. 
Деформовані маркуються літерами «Бр», після яких ідуть цифри, що показують вміст легуючих елементів у сплаві, наприклад, БрОЦС-8-4-3, де О — олово (8%), Ц — цинк (4%), С — свинець (3%), все інше — мідь (85%). У марках ливарних бронз вміст кожного легуючого елемента ставиться одразу після літери, що визначає його назву. Наприклад, Бр04Ц4С17, включає 4% олова, 4% цинку, 17% свинцю. 
Із сплавів на основі міді поширення одержали мідно-нікелеві сплави — мельхіори (МНЖМц 30-1-1, МН19), нейзильбери, копелі, константани, монелі, хромелі. Наприклад, із мельхіору МН-19 виготовляють медичні інструменти, деталі в точній механіці й т. ін.

Протигальмові сплави

Оснач. Товарознавство

Протигальмові сплави відзначаються малим коефіцієнтом тертя, тому призначені для виготовлення втулок, підшипників ковзання, вузлів тертя. До матеріалів цих виробів висуваються такі вимоги: добра в'язкість, низький коефіцієнт тертя, достатня пластичність, добра теплопровідність, мікропористість (для змащування) й т. ін. 
Для виробництва втулок, підшипників використовують металічні і біметалічні матеріали. Металічні виготовляють із сірого чавуну, а якщо біметалічний вузол, то сталь і чавун покривають бабітами. 
Бабіти — протигальмові сплави, основу яких становить олово чи свинець, тому вони поділяються за хімічним складом на олов'яні, олов'яно-свинцеві, свинцеві бабіти. Найкращими властивостями відзначаються олов'яні бабіти. Крім олова, до їх складу входить сурма, мідь, а іноді й свинець. Основними марками олов'яних бабітів є Б83, Б88, Б89, Б83С. Бабіт Б83 включає 83% олова, 10—12% — сурми, 5,5—6,5% міді. 
Олов'яні бабіти дорогі, використовуються для 'виготовлення підшипників для механізмів великої потужності (парові турбіни, гідравлічні преси, дизелі й т. ін.). 
Олов'яно-свинцові бабіти використовуються як замінники олова (для його економії) при виготовленні підшипників, що працюють в умовах навантажень (електропотяги, паропотяги, гідротурбіни й т. ін.). 
Прикладами марок олов'яно-свинцевих бабітів є: БН, БС6; Б - бабіт, Н - нікель (легований нікелем, для підвищення корозійної стійкості). БС6 вміщує 6 % олова, а також домішки свинцю.Свинцеві бабіти є найдешевшими. їх виготовляють із свинцю та домішок кальцію, натрію та інших металів. Наприклад, БКА вміщує майже 1 % кальцію, близько 1 % натрію та алюмінію, решта — свинець. Із цих бабітів виготовляють підшипники для залізничного, міського транспорту й іншого обладнання. 
Останнім часом широко використовуються порошкові метали. Протигальмувові сплави постачаються в чушках різних форм з пройомами чи поперечними пережимами вагою 20 28 кг.