книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

ном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа.

Рассматриваемые сплавы наряду с повышенной прочностью сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.

Среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений. Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), сварных деталей

иузлов, штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20)

идр. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до

400 °С и кратковременно – до 750 °С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 – длительно работают при температурах до 450–500 °С и кратковременно – до 800–850 °С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С

81

также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике.

Высокопрочные титановые сплавы. К этой группе отно-

сятся сплавы с пределом прочности σв > 1000 МПа, а именно (α+β)-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет σв > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (σв ≥ 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

82

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С,

ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению. Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения – на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 – до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (α+β)-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения».

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна β-фазы при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку – снижению прочности

ипластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (α+β)- сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой

ирегистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой

ирегистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.

Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные

83

конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 °С и кратковременно – до 750 °С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала – их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т.п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

Литейные титановые сплавы. Для фасонного литья применяют технический титан и титановые сплавы ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТЗ-1Л, которые по химическому составу почти совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами. В литейных сплавах допускается большее содержание примесей. Механические свойства литейных сплавов ниже, чем деформируемых.

Сплавы на основе титана имеют хорошие литейные свойства. Небольшое значение температурного интервала кристаллизации обеспечивает им хорошую жидкотекучесть и достаточно высокую плотность отливок. Сплавы титана обладают незначительной склонностью к образованию горячих трещин и малой линейной усадкой (2–3 %).

Недостатками титановых литейных сплавов являются: склонность расплавленного титана к быстрому поглощению газов, содержащихся в атмосфере; высокая активность при взаимодействии со всеми известными формовочными и огнеупорными материалами. В связи с этим плавка и разливка сплавов ведется в вакууме, а формы изготавливают из графита, корунда или магнезита – материалов, минимально взаимодействующих с расплавленным металлом. Наиболее широко для фасонного литья используется α-сплав ВТ5Л. Он имеет хорошие литейные свойства, отличается простотой химического состава, удовлетворительной пластичностью и ударной вязкостью отливок. Литейные дефекты сплава хорошо завариваются

84

аргонно-дуговой сваркой. Недостаток сплава – невысокая прочность отливок (700 МПа). Сплав применяется без термической обработки (отжига) и используется для изготовления отливок, длительно работающих при температурах до 400 °С.

Наиболее прочен промышленный литейный сплав ВТЗ-1Л. Микроструктура его в литом состоянии представляет собой смесь α- и β-фаз. Литейные свойства и пластичность сплава ниже, чем у α-сплава ВТ5Л. Для стабилизации структуры отливки отжигают при 650 °С в течение 1–2 ч. Сплав обладает высокой жаропрочностью, отливки из него могут длительно работать при температурах до 450 °С. Прочность литого сплава приближается к прочности деформируемого, однако предел выносливости в литом состоянии ниже, чем в деформируемом. Отливки также менее пластичны по сравнению с деформированными полуфабрикатами из того же сплава. Сплав ВТ9Л – литейный вариант жаропрочного сплава ВТ9. Он предназначен для работы при температурах до 560 °С.

Применение титана и его сплавов. Титан и его сплавы благодаря высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии используются в самых различных отраслях промышленности.

Широкое применение сплавы титана нашли в авиа- и ракетостроении. В конструкциях самолетов из сплавов титана делают панели (в том числе сотовые), лонжероны, шпангоуты, рули поворота, детали шасси, монорельсы, топливные баки, крепежные детали и т.п. Из сплавов титана изготавливают также обшивку фюзеляжа и крыльев сверхзвуковых самолетов. В конструкциях авиационных реактивных двигателей сплавы титана применяются для изготовления деталей воздухосборника и направляющего аппарата, корпуса, дисков и лопаток компрессора и т.д.

В ракетной технике из титановых сплавов делают корпусы двигателей, баллоны и шаробаллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и т.д. Титан и его сплавы являются перспективным

85

материалом для объектов, монтируемых непосредственно в космическом пространстве.

Широкое применение титан и его сплавы нашли в химической промышленности (теплообменники, выпарительные аппараты, реакторы для агрессивных сред, разделительные колонны, насосы, емкости, трубопроводы для агрессивных жидкостей, опреснительные установки и т.д.) и в цветной металлургии (насосы по перекачке агрессивных сред, трубопроводы, вентиляционные трубы для выброса агрессивных газов, запорная арматура на трубопроводах по перекачке агрессивных растворов, автоклавы, теплообменники для агрессивных растворов и пара, холодильники и другое оборудование на предприятиях никель-кобальтовой и титано-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов).

Титан и его сплавы применяются в пищевой промышленности (аппаратура для переработки пищевых продуктов, варочные котлы, холодильники, бочкотара, резервуары для органических кислот и ряда пищевых сред – рассолов, маринадов и др.).

Титан и его сплавы используются в судостроении (обшивка корпуса и подводных крыльев морских и речных судов, гребные винты, насосы, детали морских гидротурбинных двигателей и др.); в энергомашиностроении (диски и лопатки турбин и мощных компрессоров); в нефтяной промышленности (трубы, теплообменники и другие узлы плавучих платформ, облицовка стальных эстакад на морских нефтепромыслах и т.д.); в радиоэлектронике и вакуумной технике (газопоглотители, детали электронно-вакуумных приборов, конденсаторы, металлокерамические лампы); в медицинской промышленности (аппаратура для изготовления медикаментов; внутренние протезы, хирургические инструменты).

Титан и его сплавы применяются также в криогенной технике, приборостроении. Титан используется для приготовления

86

титановых белил; в качестве легирующего элемента в цветной

ичерной металлургии. Карбид титана входит в состав спеченных твердых сплавов. Более широкое применение титана и его сплавов в промышленности сдерживается пока их относительно высокой стоимостью.

2.5.Алюминий и его сплавы

Вмировой промышленности алюминиевые сплавы характеризуются наибольшим объемом производства среди цветных металлов и уступают только стали. Практически нет ни одной отрасли, в которой не использовались бы алюминиевые сплавы. Алюминий и алюминиевые сплавы – первые конструкционные металлы, которые были использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохраняет

исейчас. Алюминиевые сплавы также применяют в строительных конструкциях, судостроении, железнодорожном и автотранспорте, электротехнике и т.д. В химическом машиностроении алюминиевые сплавы используют для изготовления хранилищ жидких газов (кислорода, азота природного и др.), ректификационных колонн и трубопроводов.

Алюминий

Алюминий – химический элемент III группы Периодической системы элементов. Серебристо-белый металл, при обычных условиях покрытый тонкой оксидной пленкой. Во всех устойчивых соединениях алюминий трехвалентен, но при высоких температурах может быть одновалентен.

По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре составляет около 8 %. В свободном состоянии в природе не встречается из-за высокой химической активности. Наиболее ценной алюминиевой рудой являются бокситы, где содержится около 50 % Al2O3. Производство алюминия заключается

87

в получении Al2O3 из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированным способами, а затем проводится электролиз Al2O3 на получение первичного металла. Производство энергоемкое, до 30 % стоимости алюминия составляет электроэнергия, поэтому производства располагают вблизи мощных электростанций.

Алюминий обладает гранецентрированной кубической решеткой; низкой плотностью γ = 2,7 г/см3; низкой температу-

= 60 МПа; δ = 40 %; 25 НВ. После холодной прокатки механические свойства меняются: σв = 180–240 МПа; δ = 3–5 %; 45–60 НВ.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе и в кислых средах за счет образования на поверхности оксидной пленки Al2O3. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях, но плохо обрабатывается резанием, хорошо сваривается.

В зависимости от способа получения и химического состава различают: алюминий особой чистоты, алюминий высокой чистоты и алюминий технической чистоты.

Алюминий особой чистоты марки А999 содержит менее 0,001% примесей. Получают его зонной плавкой и применяют для научно-исследовательских целей и в полупроводниковой и ядерной технике.

Алюминий высокой чистоты марок А995, А99, А97, А95 содержит от 0,005–0,05 % примесей. Используют при производстве электрических конденсаторов и другой аппаратуры.

Алюминий технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5 и других содержит от 0,15–1,00 % примесей. Применяют

88

для изготовления фольги, токопроводящих изделий и получения алюминиевых сплавов. Технический алюминий, поступающий в виде листов, профилей, прутков и других полуфабрикатов, маркируется АД и АД1.

Как конструкционный материал алюминий применять нецелесообразно из-за низкой прочности, а вот сплавы на основе алюминия обладают необходимыми механическими свойствами.

Сплавы на основе алюминия

В качестве основных легирующих элементов при производстве алюминиевых сплавов используют Cu, Mn, Mg, Si, Zn и др.

Большинство легирующих элементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и интерметаллидные фазы с алюминием и между собой (CuAl2, Mg2Si, Al3Mg2 и др.).

Все алюминиевые сплавы можно разделить на три группы: 1) деформируемые сплавы, предназначенные для получения полуфабрикатов прокаткой и волочением или ковкой

иштамповкой;

2)литейные сплавы, предназначенные для получения изделий методом фасонного литья;

3)сплавы, получаемые методом порошковой металлургии (САП – спеченные алюминиевые порошки, САС – спеченные алюминиевые сплавы).

В зависимости от способности сплавов упрочняться

впроцессе термической обработки их подразделяют:

•на упрочняемые термической обработкой;

•не упрочняемые термической обработкой.

89

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или магнием. Структура этих сплавов после медленного охлаждения включает только твердый раствор марганца или магния в алюминии. Никаких структурных изменений в этих сплавах при нагревании и охлаждении не происходит, поэтому применение термической обработки с целью повышения прочности невозможно. Упрочнение этих сплавов возможно только за счет холодной пластической деформации, т.е. наклепа.

Маркируются эти сплавы буквами АМц (алюминий с марганцем) или АМг (алюминий с магнием), а цифра, стоящая после буквы легирующего элемента, показывает среднее его содержание в целых долях процента. Если же цифра отсутствует, то содержание легирующих элементов менее 1,5 %. Например: АМг2 содержит 2 % Mg, остальное – алюминий.

Химический состав и механические свойства некоторых марок этих сплавов представлены в табл. 14.

Таблица 14

Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой

* Без скобок приведены свойства сплавов в отожженном состоянии, а в скобках – в полунагартованном состоянии.

90