Цветные металы и их сплавы

Цветные металлы  и их сплавы 

  Цветные  металлы и их сплавы широко  применяются в технике. К наиболее  важным цветным металлам относятся  алюминий, медь, магний, никель, титан  и (в меньшей степени) мягкие  металлы - олово, свинец и цинк. В сплавах часто используются такие металлы, как сурьма, висмут, кадмий, ртуть, кобальт, хром, молибден, вольфрам и ванадий. Последние четыре металла условно относят к ферросплавам, хотя они могут содержать железо лишь в виде примеси.

   Алюминий. Чистый алюминий широко применяется там, где важное значение имеет высокая электропроводность, например в проводах для линий электропередачи (ЛЭП). Алюминиевые сплавы пригодны также для опор ЛЭП, поскольку конструкции, выполненные из таких сплавов, стойки к атмосферной коррозии.

   Алюминиевые сплавы можно разделить на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Сплавы, упрочнение которых термической обработкой не удается, обычно содержат кремний, магний и марганец. Сплавы же, упрочняемые термической обработкой, содержат медь, цинк и определенные сочетания магния с кремнием. Предел текучести сплавов, не упрочняемых термообработкой, составляет 50-280 МПа, а их прочность на растяжение лежит в пределах от 100 до 350 МПа. Предел текучести термообрабатываемых сплавов может превышать 500 МПа, а прочность на растяжение - 550 МПа. Термообрабатываемые сплавы (из которых наиболее известны дуралюмины и авиаль) чаще всего применяются в аэрокосмической промышленности, где требуется высокая прочность при малой массе. Но алюминиевые сплавы широко применяются и практически во всех транспортных средствах - легковых автомобилях, автобусах, железнодорожных вагонах и даже морских и речных судах.

   Медь. Поскольку  медь довольно легко восстанавливается  из руды, она явилась одним  из первых металлов, которыми научился пользоваться человек. Это произошло, по-видимому, раньше 4000 до н.э. У меди высокая электропроводность, и она была первым материалом, примененным для передачи электричества. Она до сих пор широко применяется в бытовой электропроводке и электрооборудовании. Предел текучести чистой меди составляет около 170 МПа, а прочность на растяжение - около 280 МПа; относительное удлинение обычно превышает 35%. Холодная прокатка и волочение повышают указанные характеристики меди. Жесткость меди примерно вдвое меньше, чем стали.

   Медь  чаще всего применяется в виде  сплавов, в первую очередь с  цинком и оловом. В сплавах  с цинком, называемых латунями, содержание  цинка составляет от 2 до 40%. Прочность  латуней, как правило, повышается  с увеличением содержания цинка. Весьма распространена т.н. патронная латунь с 30% цинка. Ее предел текучести составляет ок. 280 МПа, а прочность на растяжение - ок. 530 МПа. Сплавы меди с оловом, называемые бронзами, были одними из первых медных сплавов, использовавшихся человеком. Содержание олова в бронзах - от 2 до 30%. Используются также тройные сплавы меди с оловом и цинком. Другие широко применяемые сплавы меди - с никелем или с никелем и цинком. Такие сплавы типа нейзильбера отличаются высокой коррозионной стойкостью, а также прочностью.

   Высокопрочные  медные сплавы содержат алюминий, кремний или бериллий. Путем термической  обработки их предел текучести  можно повысить до 1000 МПа и  более, а прочность на растяжение - до 1300 МПа. Эти сплавы применяются  там, где требуются коррозионно-стойкие, немагнитные, неискрящие материалы с высокими электропроводностью и прочностью. Многие медные сплавы, особенно с оловом и никелем, предпочитаются инженерами за их коррозионную стойкость в таком оборудовании, как теплообменники, перегонные аппараты, испарители, конденсаторы и трубопроводы. В бытовых системах для горячей воды часто используются медные трубки.

   Магний. Как и алюминий, магний широко  применяется в промышленности  благодаря своей низкой относительной  плотности (около 1,7, меньше, чем  у алюминия). Он часто применяется  в виде отливок, и в этом  случае его предел текучести  составляет от 85 до 140 МПа, а прочность на растяжение - от 140 до 280 МПа. У магниевого проката (прутка, профилей, листа) предел текучести и прочность на растяжение несколько выше. Магниевые сплавы менее пластичны, чем алюминиевые и медные (относительное удлинение составляет 4-15%). Наиболее важная область их применения - аэрокосмическая промышленность, где большие преимущества дает их легкость. Аэрокосмические магниевые материалы - это по большей части термообрабатываемые специальные сплавы. В сплавах с магнием чаще всего используются алюминий, марганец и цинк (обычно в малых количествах, хотя содержание алюминия может достигать 10%). После термообработки предел текучести таких сплавов может составлять до 310, а прочность на растяжение - до 390 МПа.

   Титан.  Титановые сплавы начали применяться в качестве конструкционных материалов лишь после Второй мировой войны. Производство титана затрудняется тем, что он очень активно взаимодействует с кислородом, водородом и азотом, а также (при высоких температурах) почти со всеми материалами плавильных тиглей. Тем не менее в настоящее время выпускается и применяется целый ряд титановых сплавов. Благодаря своей легкости (плотность ок. 4,5 г/см3) и высокой прочности, превышающей прочность алюминиевых и магниевых сплавов, титановые сплавы находят применение в ответственных деталях аэрокосмической техники. Но титан довольно дорог, что ограничивает его применение. Технический титан имеет предел текучести более 400 МПа, прочность на растяжение от 500 до 630 МПа, относительное удлинение ок. 20%. Почти весь производимый титан используется в виде сплавов, улучшаемых термической обработкой. Обычные легирующие элементы титана - алюминий, ванадий, молибден и олово. Самый распространенный титановый сплав - с 6% алюминия и 4% ванадия - применяется в аэрокосмической промышленности. Его предел текучести составляет ок. 900 МПа, а прочность на растяжение - более 1000 МПа. Прочность этого сплава можно повысить путем сложной термообоработки. Будучи стойкими к некоторым кислотам, титановые сплавы применяются в соответствующей аппаратуре. Кроме того, такие сплавы находят применение как материалы трубных коммуникаций и арматуры, деталей корпуса и обшивки высокоскоростных военных самолетов.

   Никель. Никель редко применяется в  чистом виде, но его сплав с  хромом и молибденом широко используется для высокотемпературных деталей и элементов конструкций. Такой сплав характеризуется высоким сопротивлением ползучести и высокой коррозионной стойкостью в диапазоне температуры от 800 до 1100. C. Типичное применение хромомолибденовых сплавов никеля - лопатки турбин и другие высокотемпературные компоненты. Никель применяется также в некоторых медно-никелевых сплавах для повышения коррозионной стойкости меди.

   Другие  металлы. Олово, цинк и свинец  используются главным образом  для повышения коррозионной стойкости сплавов, причем олово и цинк - чаще всего в виде антикоррозионных покрытий для стальных изделий. Принцип такой "протекторной" защиты в том, чтобы корродировало покрытие, а не сталь. Цинковые "гальванические" покрытия наносят электролитическим осаждением. Свинец без дополнительных компонентов используется в качестве коррозионно-стойкого материала в виде труб и листов. Свинец применяется вместе с оловом в виде припоев, особенно в электронной промышленности. Содержание свинца в таких припоях может составлять от 50 до близкого к 100%. Цинк используется в легкоплавких сплавах для литья под давлением в некоторых отраслях промышленности, особенно в автомобильной. Прочность этих сплавов невысока, зато они пригодны для литья в сложные формы.