ПРИМЕНЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

В авиационной технике широко используются цветные металлы и сплавы.

В технике к цветным относят все нежелезные металлы. На их основе создано большое число сплавов, обладающих широким диапа­зоном свойств, соответствующих требованиям к авиационным мате­риалам. К ним относятся: значительная механическая прочность, высокий предел выносливости в сочетании с малой плотностью. Для авиастроения очень важна также стоимость материала. На современном этапе развития авиации экономичность часто имеет решающее значение. Уже сегодня многие новые модели агрегатов, двигателей и самолетов не внедряются по экономическим соображениям. С учетом неотвратимо надвигающегося истощения природных запасов энергоносителей земли (уголь, нефть, газ) затраты на производство материалов оказывают значительное влияние на стоимость каждой единицы авиатехники.

Как правило, такие металлы, как Al, Ti и др. в чистом виде в авиатехнике применяют крайне редко. На основе каждого металла создают, большое число сплавов, обладающих самым широким спект­ром свойств. Цветные металлы и их сплавы широко применяют для армирования.

В авиастроении широко применяют алюминиевые сплавы, а также сплавы магния, титана, меди. Находят применение бериллиевые сплавы, сплавы никеля и некоторые тугоплавкие сплавы. Практичес­ки весь каркас самолета или вертолета, во многих случаях корпус авиадвигателя, корпуса большинства агрегатов различных систем, многие трубопроводы изготовлены из цветных сплавов. На самолетах новых поколений многие силовые элементы авиационных конструкций будут изготавливать только из высокопрочных алюминиевых сплавов.

В электронных схемах, электротехнических устройствах для изготовления электропроводов широко применяют благородные металлы, сплавы алюминия, никеля, меди, кобальта и др.

Цветные сплавы систематизируют как по технологическим свойствам, так и по механическим характеристикам.

Цветные металлы, на основе которых создают сплавы, чаще всего разделяют на легкие, обладающие малой плотностью (например, Al, Mg), тяжелые (например, Си, Рв), тугоплавкие (W, Мо и др.), благород­ные (например, Au, Pt). Сплавы, полученные на основе перечисленных металлов, могут быть разделены на группы по функциональному назначению, например антифрикционные, жаропрочные и жаростойкие сплавы, конструкционные и коррозионно-стойкие сплавы.

Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие в под­вижных соединениях низкий коэффициент трения. Это повышает срок службы машины. Кроме того, антифрикционные сплавы обладают высокой износостойкостью.

Жаропрочные сплавы относятся к материалам, обладающим способностью сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием механических нагрузок при высокой температуре. Кроме того, жаропрочные сплавы обладают высоким сопротивлением ползучести.

Жаростойкими называют сплавы, способные сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Конструкционные сплавы служат для изготовления самых разно­образных деталей самолетов, вертолетов и авиадвигателей. В авиатехнике могут использоваться только те материалы, которые сочетают в себе качества, обеспечивающие выносливость, прочность, надеж­ность и долговечность при низкой плотности и малых затратах на изготовление.

Коррозионностойкие сплавы способны сопротивляться коррозион­ному воздействию окружающей среды и не подвергаться внезапному разрушению из-за высокой скорости коррозионных повреждений. Цветные сплавы по технологическому исполнению могут быть разде­лены на следующие группы: деформируемые, литейные, спеченные и др. Такое деление позволяет представить себе, как получить детали из этих сплавов, например штамповкой, ковкой или литьем.

Большую группу цветных металлов и сплавов на их основе состав­ляют проводниковые материалы, обеспечивающие наименьшее электрическое сопротивление. В этой группе металлов используют чистую медь с суммарным содержанием примесей 0,01 %, чистый и техничес­кий алюминий с содержанием примесей 0,02 - 0,5%. Цветные сплавы на основе Sn, Рв, Zn, Ag используют для изготовления припоев.

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий - серебристо-белый металл. Он не имеет полимерных превращений и кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба.

Широкое применение алюминия обусловлено его малой плот­ностью (2,7 г/см³), высокой пластичностью, т.е. способностью обраба­тываться давлением, высокой коррозионной стойкостью. Она получается за счет того, что алюминий быстро покрывается окисной плен­кой (Al₂O₃), предотвращая проникновение агрессивных веществ к основному металлу. Кроме того, алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью.

Но распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди конструкционных металлов. В земной коре содержится около 7,5 % Аl, в то время как железа - всего 5,1 %. Алюминий входит в состав всех глин, полевого шпата, боксита и других горных пород.

Сплавы на основе алюминия

Вследствие большого разнообразия свойств алюминиевые сплавы получили весьма широкое распространение, особенно в авиастроении. Все алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые, литейные, спеченные порошковые.

Деформируемые алюминиевые сплавы обладают хорошей пластич­ностью. Из них изготавливают прутки, трубы, листы, профили различных сечений, проволоку, поковки, штамповки. Для изготовления деталей и полуфабрикатов применяют различные методы обработки давлением: прессование, ковку, горячую штамповку, гибку, прокатку, волочение. Пластическую деформацию используют также для упрочнения алюминиевых сплавов, поскольку при этом возникает анизотропия свойств.

Все алюминиевые сплавы можно сваривать различными спосо­бами. При этом в местах сварки устраняется анизотропия свойств, чтo необходимо учитывать. Все деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на упрочняе­мые и неупрочняемые термичес­кой обраоткой (старением).

По химическому составу деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на группы, которые строят по наличию основных элементов, входящих в химический состав сплавов. Наиболее употребительна группа сплавов AI - Си - Mg (дуралюмины). Высокопрочные сплавы имеют в основе Аl - Zn - Mg - Си. Сплавы для ковки, штам­повки содержат Аl - Mg - Si - Си. Широко применяют сплавы Al - Мп и Al - Mg. Деформируемые алюминиевые сплавы маркируют буквой Д, высокопрочные - буквой В, ковочные - АК.

Литейные алюминиевые сплавы выделены в отдельный класс сплавов, поскольку их объединяет наличие основных свойств: жидко- текучесть, объемная и литейная усадка, склонность к образованию усадочных трещин и ликвации.

Среди литейных алюминиевых сплавов наиболее широко расп­ространены силумины системы Аl - Si. Для литья деталей сложной формы, кроме силуминов, применяют сплавы на основе Аl - Си - Mg, Al - Си и др. Эти сплавы отличаются от соответствующих по составу деформируемых сплавов более высоким содержанием меди и магния, а также тугоплавких добавок: титана, никеля, железа, хрома и др.

Такие сплавы могут быть использованы как жаропрочные. Как правило, отливки из этих сплавов подвергают термической обработке. Маркируют литейные алюминиевые сплавы буквами AЛ.

Имеются два класса алюминиевых сплавов, разделяемых по признаку влияния термообработки на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой. Эти сплавы широко применяются в авиастроении.

Неупрочняемые термообработкой алюминиевые сплавы создают на основе систем Аl - Mg и Аl - Мn. В структуре этих сплавов растворимость компонентов в алюминии не изменяется и фазовые превращения при нагревании и выдержке не происходят.

Упрочняемые термообработкой алюминиевые сплавы - наиболее широко распространенный класс сплавов.

                                   Термообработка алюминиевых сплавов

Она позволяет получить большое разнообразие структур. В этом случае можно добиться значи­тельного упрочнения, что и обеспечило самое широкое применение термообработки алюминиевых сплавов. Физический смысл термообработки сплавов алюминия состоит в том, что при этом изменяется и концентрация твердого раствора легирующих элементов в алюминии, При этом меняется фазовый состав, что повышает прочность сплайн при сохранении достаточной пластичности. Рассмотрим это положение на конкретном примере. В сплаве системы Аl - Си образуется интерметаллическое соединение CuAI₂. Если этот сплав нагреть до 500 - 540°С, то частицы СuАl₂растворятся в алюминии. При быстром охлаждении фаза СuАl₂ не успевает выделиться из твердого раствора и остается в нем, в результате чего получается упрочнение сплава (закалка). Фазовые изменения в алюминиевых сплавах могут происходить не только при нагреве, но и при комнатной температуре. Для алюминиевых сплавов наиболее широкое распространение получили следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение.

Отжиг применяют для улучшения пластичности. При этом полу­чается более равновесное фазовое состояние. В зависимости от поставленной цели отжиг разделяют на три вида: гомогенизирую­щий, рекристаллизационный, а также для разупрочнения.

Гомогенизирующий отжиг проводят, как правило, для устранения неоднородностей структуры сплава. Температура нагрева при этом 450 - 520°С. Время выдержки при этой температуре 4 - 40 ч. После этого сплав охлаждают.

Рекристаллизационный отжиг выполняют для обеспечения высо­кой пластичности и снижения прочности деталей после пластической деформации. Алюминиевые сплавы нагревают до 300 - 500°С, соот­ветствующих температуре окончания первичной рекристаллизации. Длительность такого отжига 0,5 - 2 ч.

Отжиг для разупрочнения применяют для снижения прочности перед последующей обработкой давлением, например штамповкой.

Закалка может быть применена только для тех сплавов, которые в твердом состоянии могут претерпевать фазовые превращения. Цель закалки - получить в сплаве предельно неравномерную структуру - пресыщенный твердый раствор с максимальным содержанием леги­рующих элементов. Такая структура обеспечивает возможность даль­нейшего упрочнения старением. Сразу после закалки алюминиевые сплавы не становятся более прочными. Они приобретают заданные характеристики прочности после завершения процесса старения, т.е. после окончания фазовых превращений в твердом состоянии.

Таким образом, если в сплаве находятся только компоненты, не растворимые в твердом алюминии, его закалка невозможна.

Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве их до температуры, при которой легирующие элементы частично или пол­ностью растворяются в алюминии. При этой температуре сплав выдер­живают, а затем быстро охлаждают до весьма низкой температуры (10 - 20 °С). Выдержка нужна для прохождения процесса растворения. Кик правило, охлаждение алюминиевых сплавов производят в воде.

Алюминиевые сплавы могут подвергаться процессам старения при нагреве (обычно 100 - 200 °С) или при комнатной температуре. Старение с нагревом называют искусственным старением. Старение при комнатной температуре называют естественным старением.

Состояние алюминиевых сплавов сразу после закалки называют свежезакаленным. Поскольку при этом существенное повышение прочности еще не началось, деталь или заготовку можно легко обрабатывать (например, гнуть) в течение нескольких часов. Затем твердость и прочность возрастают. В самолетостроительном производстве это свойство используется очень широко.

                          Сплавы алюминия, применяемые в авиастроении.

  В авиастроении наиболее широко применяют деформируемые алюминиевые сплавы - дуралюмины Д1, Д16, Д18. Цифры после буквы Д обозначают номер I марки и никакой другой информации не содержат. Эти сплавы относятся к системе Аl - Cu - Mg. Из этих сплавов изготавливают прессованные прутки, листы, профили, плиты и поставляют в промышлен­ные предприятия.

Дуралюмин Д1 - наиболее старый сплав, предложенный еще в 1906 г. немецким исследователем А. Вильмом - относится к сплавам повышенной прочности. Дуралюмин Д16 относится к сплавам повышенной прочности. Он отличается от Д1 более высоким содержанием магния. Дуралюмины повышенной жаропрочности - Д19, ВАД-1, ВД-17. В них больший процент содержания Mg, Мп. Кроме того, в сплав ВАД-1 введены Ti и Zг.

Дуралюмины повышенной пластичности (Д18 и В65) отличаются пониженным содержанием Cu и Mg, Это и придает им большую плас­тичность. Вот почему заклепки для авиационных конструкций изго­тавливают часто из дуралюмина В65 или Д18.

Изделия из дуралюмина обычно подвергают закалке и после­дующему естественному старению. При этом необходимо жестко соблюдать рекомендованную температуру нагрева дуралюминов под закалку. Например, нагрев под закалку должен соответствовать температуре 505 'С (Д1, Д19, ВАД-1) или 500 °С (Д16, ВД17, Д18) с допуском всего 5 °С. Если осуществить нагрев до более высоких температур, то произойдет оплавление легкоплавких структурных составляющих, которые при охлаждении дадут усадку, что приведет к растрескиванию. Брак при этом получается неисправимым. При закалке дуралю­минов необходимо обеспечить высокую скорость охлаждения, так как могут произойти фазовые изменения за период переноса детали из печи в охлаждающую ванну, наполненную холодной водой.

Все дуралюмины интенсивно упрочняются при естественном старении. Для сплавов Д1 и Д16 максимальная прочность достигается через 4 суток, а для сплава ВАД1 через 10 суток. Алюминиевые сплавы подвергают различным видам термической обработки.

Приведем некоторые буквенные обозначения, которые ставятся после обозначения марки сплава. Буква А, поставленная сразу после марки, обозначает, что полуфабрикат плакирован. Плакирование представляет собой покрытие с помощью прокатки фольгой из техни­ческого алюминия. За очень короткое время он покрывается пленкой окисла Аl₂O₃ и предотвращает проникновение веществ окружающей среды к основному металлу.

Далее, как правило, ставят вид термообработки: Т - твердый, закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искус­ственно состаренный; М - мягкий; МО - мягкий, отожженный; Н - нагартованный, т.е. пластически деформированный для упрочнения после закалки и естественного старения. Режимы закалки и старения обозначаются после буквы Т: Т1, Т2,..., Т7, например лист Д16АТ. Этот лист плакирован, закален и естественно состарен.

Все дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стой­костью. Вот почему их всегда защищают либо плакировкой, либо анодированием.

Промышленностью выпускаются высокопрочные алюминиевые сплавы.

Наиболее широко применяют сплавы В95 и В96. Прочность у сплава В95 δ_b = 550 МПа, В-96 имеет δ_b = 630 МПа, Д16 - δ_b = 440 МПа. Сплавы В95 и В96 относятся к системе Аl - Си - Mg. Кроме указанных компонентов, в сплав В95 добавлен Zn, а в сплав В96 - еще Сг.

Алюминиевые сплавы, применяющиеся для ковки и штамповки и отличающиеся высокой пластичностью при температурах обработки 450 - 475°С, подвергают закалке и старению. Наиболее характерными представителями этой группы являются сплавы АК6 и АК8 (алюминий ковкий № 6 или 8). Они относятся к системе Аl - Mg - Si - Си. В сплаве АК8 содержится значительно больше меди, чем в АК6. Вот почему для АК8 δ_b  = 440 МПа, в то время как для АК6 δ_b = 380 МПа.

Сплав АК4-1, получающий в настоящее время широкое распрост­ранение, относится к деформируемым алюминиевым сплавам. Однако он обладает еще и свойством жаропрочности, т.е. способностью рабо­тать при температурах до 300 °С без существенных изменений механических свойств. Жаропрочность этого сплава достигается засчет добавки в сплав Fe, Ni, Ti.

Широко применяют деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы систем Аl - Mg (АМг) и Аl - Мn(АМц). В сплавах АМц содержится 1 - 1,6% марганца. В сплавах АМг содержится 2 - 6 % магния. Содержа­ние Mg обозначено в марке сплава, например АМгб (6 % Mg). Эта группа сплавов обладает прекрасными технологическими свойствами. Они хорошо деформируются и свариваются.

Деформируемые алюминиевые сплавы - основа самолето- и вертолетостроения. Из них изготавливают каркас самолета, вертолета, многие элементы управления, большое число агрегатов, отдельные узлы авиадвигателей. Эти сплавы применяют также в космической технике.

Литейные алюминиевые сплавы обладают тем преимуществом, что Вез дорогостоящей, с большими отходами механической обработки можно получить детали самой сложной пространственной формы.

В авиастроении широко применяют сплавы Ал-9 системы Al-Si-Mg N Л л-19 системы Al-Cu-Mn-Ti. Временное сопротивление сплава Ал-19 достигает 360 МПа. Он обладает устойчивостью против коррозии, Юрошими показателями выносливости.

В настоящее время производят группу сложнолегированных литейных алюминиевых сплавов (Ал-20, Ал-21 и др.) системы Al-Cu-Mg с небольшими добавками Ni, Сг, Fe,Ti. Их используют как жароропрочные сплавы для работы при температурах 300 - 350 °С.

Широкое распространение получили спеченные алюминиевые сплавы (САС) и спеченные алюминиевые пудры (САП).

САС - сплавы, спеченные из легированного алюминиевого по­рошка. Такой порошок может быть изготовлен из легированных алюминиевых сплавов. Порошковые сплавы САС-1 и САС-2 применяют В приборостроении и других отраслях промышленности.

CAП - пудры, представляющие собой спеченный алюминий с равномерно распределенными в нем частицами окиси алюминия AI₂O₃. САП имеет более высокие показатели прочности, жаропрочности и жаростойкости, чем чистый алюминий. Изделия из САП применяют в некоторых узлах самолетов и энергетических атомных установках.

 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Медь - один из первых металлов, с которыми познакомился человек. Хотя в земной коре меди немного (до 0,01%), однако извест­ны ее богатые месторождения, в которых встречаются даже самородки. Медь и ее сплавы обладают многими ценными свойствами, что определило ее широкое применение.

Медь - металл красновато-розового цвета с кристаллической структурой в виде ГЦК. По электропроводности медь занимает второе место после серебра. Поэтому она - важнейший материал для изго­товления электропроводников (провода, шины, кабеля и т.п.). Медь имеет также высокую теплопроводность, в связи с чем ее широко используют в теплообменниках (радиаторы, холодильники и т.п.). Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На основе меди получены сплавы с очень ценными свойствами. Однако медь относится к тяжелым металлам, ее плот­ность 8,94 г/см³. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высо­кой пластичностью. Медь отлично обрабатывается, давлением, но плохо - резанием и имеет плохие литейные свойства, поскольку дает большую усадку. Чистую медь и ее малолегированные сплавы широко используют в электротехнике и других видах производства.

Сплавы на основе меди

Медь имеет кристаллическую решетку ГЦК, в ней не обнаружено полиморфных превращений. Она находит широкое применение в промышленности и обозначается буквой М. Наиболее высокую чистоту имеет медь MB (медь высокой очистки), в ней содержится всего до 0,01 % примесей. Еще меньше примесей (до 0,005 %) в меди МЭ, получаемой электронно-лучевой плавкой.

Широко применяют сплавы меди с различными элементами, наиболее распространены следующие легирующие элементы для меди: цинк, алюминий, олово, железо, кремний, марганец, бериллий, никель. Большая часть этих элементов образует с медью твердые растворы.

Медные сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Они могут быть термически упрочняемыми и неупрочняемыми. В промыш­ленности это деление применяют редко. Как правило, медные сплавы делят на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим |лементом является цинк. Их маркируют буквой ЛI и цифрами, харак­теризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, Латунь Л196 содержит около 96% Си и 4% Zn. Если латунь легирована, кроме цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное Обозначение легирующих элементов: С - свинец, О - олово, Ж - железо, А - алюминий, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, Ф - фосфор, Б - бериллий, X - хром. Цифры, поставленные после букв, обозначают процентное содержание соответствующего элемента. Например, латунь ЛАЖ60-1-1 содержит 60% Си, 1% Al, 1% Fe, остальное цинк (38%).

Все латуни хорошо свариваются и паяются, обладают высокими литейными свойствами, легко обрабатываются резанием. Латунь применяют для трубок теплообменников (например, радиаторов), различных деталей арматуры (например, штуцеры), трубопроводов. Легированные латуни применяют также для изготовления деталей приборов, различных патрубков. Вследствие высокой коррозионной стойкости из латуни изготавливают детали, работающие в морской воде.

Бронзы представляют собой все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам бронзы подразделяют на оловянные, бериллиевые, свинцовые, кре­мнистые и т.п. Бронзы маркируют буквами Бр. Легирующие элементы обозначают так же, как и для латуни. Например, в бронзе БрАЖН 10-4-4 содержится 10% Аl, 4% Fe и 4% Ni, остальное Сu. Бронзы разделяют также по технологическим признакам на литейные и деформируемые.

По областям применения они могут подразделяться на жаропрочные, антифрикционные. В обозначениях марок бронз эти свойства не отражаются. Выделяют также группу конструкционных бронз.

Из бронз в авиастроении изготавливают самые разнообразные детали, работающие на трение, пружинящие детали приборов, различные направляющие, шестерни, гайки, втулки, детали подшипник - скольжения и др.

Наиболее широко применяемые бронзы и латуни

Бронзы оловяно-фосфористые БрОФб, 5-0,15; Бр0Ф7-0,2 хорошо обрабатываются резанием и давлением, паяются и свариваются. Применяют эти бронзы для изготовления деталей приборов, подшипников, работающих н небольших нагрузках.

Бронза оловянносвинцовоцинковая БрОЦС5-5-5 весьма корозионностойка в атмосферных условиях и пресной воде, хорошо обрабатывается резанием. Ее применяют для изготовления различии» втулок, прокладок и других деталей.

Конструкционная алюминиевожелезная бронза БрАЖ9-4 обладавет высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давя» нием. Такую бронзу широко применяют для изготовления шестерен, ниппелей, гаек, шайб и других деталей.

Бронза алюминиевожелезоникелевая БрАЖН10-4-4 обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде. Ее используют для изготовления шестерен, гаек, втулок и других деталей, работающих при высоких температурах.

Бронза алюминиевожелезомарганцовистая БпАЖМц10-3-1,5 также обладает высокой коррозионной стойкостью. Из нее изготавливают гайки, направляющие ниппели, шестерни и другие детали.

Существует группа жаропрочных бронз. К ним относится крем­нисто-никелевая бронза БрКН1-3. Она идет на изготовление деталей, работающих при высоких температурах

В последние годы большое распространение получили бериллиевые бронзы, обладающие высокими износостойкостью, прочностными показателями и высоким пределом выносливости. Они могут работать при температуре от – 299 до +250 °С. Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью и токсичностью бериллия. Бериллиевые бронзы БрБ2 и др. применяют для изготовления особо ответственных плоских пружин, мембран, трубок и других деталей приборов, работающих при знакопеременных температурах и знакопеременных нагрузках. Их используют также для изготовления нагруженных деталей подшипников.

Кроме бронз, в авиастроении используются некоторые марки латуней. Широко применяют латунь Л96, обладающую высокой кор­розионной стойкостью. Из нее изготавливают трубопроводы, радиа­торные трубки. Латунь Л68 имеет меньшую коррозионную стойкость, но хорошо обрабатывается давлением.

Большое распространение получила латунь свинцовая ЛC59-1. Она коррозионностойка даже в морской воде. Ее применяют для изготовления труб шпилек, ниппелей, втулок. Трубопроводы для топлива и корозионноактивных жидкостей изготавливают из оловянных латуней Л70-1 и Л62-1.

Весьма коррозионностойка латунь алюминиевожелезная ЛАЖ1-1. Она служит для изготовления деталей, работающих в контакте с пресной и морской водой и для изготовления фасонных деталей приборов.