Цветные металлы и сплавы

13.1. Медь и ее сплавы

Медь используется человеком с давних времен и отмечена в истории культуры бронзовым веком. Наи­более важное свойство меди, обеспечившее ей широкое применение, — хорошие электропроводимость и тепло­проводность, высокая пластичность и способность образо­вывать технологичные сплавы, которые отлично обраба­тываются и обладают хорошими механическими свой­ствами.

Температура плавления меди 1083 °С, кипения 2360 °С. Предел прочности чистой меди не очень высок и состав­ляет 220 МПа. Ее кристаллическая решетка—кубическая гранецентрированная с параметрами а = 0,361 нм. Плот­ность меди 8,93 г/см³, твердость почти в 2 раза меньше, чем у железа.

Рис. 57. Диаграмма состояния медь—цинк

Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы. Латунями называют группу сплавов меди с цинком. В группу латуней входят томпак (90 % Сu и более, остальное — цинк) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо обрабатываются резанием. Латуни широко используют в приборостроении, общем и химиче­ском машиностроении.

Наибольшее применение нашли латуни, содержащие до 38 % Zn, так как до этого предела (согласно диаграмме состояния) существует твердый раствор замещения меди цинком и, следовательно, сохраняется кристаллическая решетка куба с центрированными гранями (рис. 59).

Эти латуни пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, коррозионностойки. Вследствие близкого расположения линий ликвидуса и солидуса в системе медь — цинк латуни имеют хорошие литейные свойства (большую жидкотекучесть, отсутствие ликва­ции, малую усадку и др.). Но при их заливке в формы необходима хорошая вентиляция цеха, так как пары, выделяющиеся из жидких латуней, вредно влияют на организм человека.

Медно-цинковые латуни выпускают восьми марок и обозначают русской буквой Л; следующая за буквой цифра указывает средний процент меди в этом сплаве. Марка с максимальным содержанием меди Л96, с мини­мальным — Л60. Латуни более сложного состава в обо­значении имеют после буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни. Например, ЛС59-1 означает латунь свинцовая, содержащая 57— 60 % Сu и 0,8—1,5 Pb; ЛМцА-57-3-1 — латунь марганцово-алюминиевая, содержащая 55,0—58,5%Сu, 2,5—3,5 % Мn и 0,5—1,5 % А1. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — ни­кель, К — кремний, А — алюминий и т.д.

Добавки этих металлов к латуням необходимы для улучшения их механических свойств или обрабатывае­мости, а также повышения коррозионной стойкости. Микроструктура латуни при­ведена на рис. 60.

Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами (рис.61). Из бронзы еще в древности делали оружие и инструменты, сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь.

Рис.60. Микроструктура латуни, х200:

а - α-латунь, б - α+β-латунь

Благодаря отличным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали отливать пушки и колокола. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшип­ников, червяков и червячных колес, шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Рис.61. Структура литой бронзы с 6% Sn, х200

а) после отжига, б) до отжига

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, А — алюминий, Ф — фосфор, Т — титан и другие, обозначае­мые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за бук­вами, обозначают среднее содержание добавок этих до­полнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят). На­пример, БрОЦ4-3 означает, что в бронзе содержится в среднем 4 % Sn, 3 % Zn, остальное медь. Сплавы, со­держащие небольшое количество олова, образуют твер-

дый раствор замещения меди оловом, имеющим кристаллическую решетку куба с центрированными гранями, т. е. решетку, аналогичную решетке чистой меди.

Большинство современных бронз редко содержат больше 7 % Sn и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из твердого раствора олова в меди. Олово дороже и дефицитнее меди. Поэтому широкое применение нашли заменители — в первую очередь алюминиевые бронзы как простые БрА5, так и более сложные БрАЖМцЮ-3-1,5.

Сплавы меди с небольшими добавками алюминия (до 10 %) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, так как эти сплавы образуют однофазный твердый раствор алюминия в меди. Добавки никеля, железа, марганца и свинца улучшают механические и не­которые технологические свойства алюминиевых бронз.

Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремниевые бронзы, например БрКН-1-3, содержащая 0,6—1,1 % Si; 2,4—3,4 % Ni и 0,1—0,4 % Мn. Антифрикционными свойствами обладают бронзы БрОЦС4-4-4, содержащие по 3—5 % олова и цинка, и 3,5—4,5 % свинца.

Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы БрБ2, в состав которых входят 1,8—2,1 % Be, 0,2—0,5 % Ni (остальное медь) и др. Из них изготовляют пружины, пружинящие контакты ответственных приборов и пр.

13.2. Алюминий и его сплавы

Алюминий — второй (после железа) металл со­временной техники. Наиболее важное свойство алюми­ния, определяющее его широкое применение, — это его плотность, равная 2,7 г/см³ (т. е. алюминий почти в 3 раза легче железа), а также хорошая электрическая прово­димость, составляющая 65% электрической проводи­мости меди. Кроме того, алюминий имеет высокую тепло­проводность и теплоемкость, химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздей­ствию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой оксида, которая, в отличие от оксида железа, не пропускает кислород в толщу металла, делая его стойким против коррозии. Его кристаллическая решетка — куб с центрированными гранями с параметром а = 0,404 нм. Никаких аллотропи­ческих превращений у алюминия не обнаружено.

Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения ~2500°С. Механические свойства алюминия невысоки. Предел проч-

ности при разрыве составляет 90—180 МПа, НВ 20—40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Однако чистый алюминий трудно обрабатывается резанием, а также имеет значительную линейную усадку (1,8 %). Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки, поэтому широко распространены сплавы алюминия.

Сплавы алюминия принято делить на две группы: первая — сплавы, деформируемые обработкой, и вто­рая — литейные сплавы.

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы ха­рактеризуются невысокой прочностью, но хорошей пла­стичностью (от 6 до 40 %). К ним относятся сплавы алюми­ния с марганцем и магнием, содержащие до 6 % Mg. Из этих сплавов широко применяют сплав АМц, содержа­щий 1—1,6 % Мn, и сплавы АМг2, АМг5, содержащие соответственно 2,6—1,8 Mg, 0,2—0,6 Мn и 4,8—5,8 Mg, 0,3—0,8 Мn. Эти сплавы почти все однофазные, имеющие структуру твердого раствора. Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для мало­нагруженных деталей, изготовляемых холодной штам­повкой, и для сварных конструкций. Упрочнение этих сплавов возможно только путем холодной деформации, так как их упрочнение термической обработкой не удается.

Из группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, наиболее известны дуралюмины и авиаль.

Рис.62. Диаграмма состояния сплавов алюминия с медью

Эти современные сплавы имеют в своем составе по три-четыре, а чаще и больше состав­ляющих. Их способность упрочняться термической обра­боткой хорошо иллюстрируется двойной диаграммой Аl— Сu (рис. 62); почти во всех сплавах этой группы обычно присутствует медь, образующая с алюминием твердый раствор с предельной растворимостью 5,6 % при тем­пературе 548 °С. С понижением температуры раствори­мость меди в алюминии быстро уменьшается.

Дуралюмины — сплавы на основе Al—Cu—Mg, в ко­торые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости сплава. Наиболее известны сплавы Д18, содержащий 2,2— 3 % Сu, 0,2 — 0,5 о/о Mg, и Д16, содержащий 3,8 — 4,6 % Сu, 1,2— 1,8 % Mg и 0,3 — 0,9 % Мn. Микроструктура дуралюмина показана на рис.63.

Рис.63. Микроструктура дуралюминия: а - отожженное состояние, х200; б - закаленное состояние, х100

Дуралюмины хорошо деформируются и в горячем, и в холодном состояниях: для их упроч­нения обычно применяют закалку в воде и естествен­ное старение. Наибольшее упрочнение достигается в те­чение первых суток после закалки и практически за­канчивается в течение пяти суток. Наиболее проч­ные алюминиевые сплавы — сплавы типа В95, содер­жащие 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Сu, 0,4 % Mn, 0,2 %Cr. Но, применяя их, следует иметь в виду, что эти сплавы еще менее коррозионностойки, чем дуралюмины, и не пригодны для работы при температурах выше 150 °С, так как их прочностные характерис­тики сильно понижаются при повышенной темпера­туре.

Известно много других сложных деформируемых спла­вов для ковки, штамповки и работы при повышенных температурах: АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Литейных алюминиевых сплавов очень много: их принято маркировать двумя буквами: АЛ (алюминиевый сплав, литейный). В соответствии с ГОCТ их принято делить на пять групп.

Группа I — сплавы на основе системы алюминий — кремний (АЛ2, АЛ4, АЛО). Эти сплавы часто называют силуминами, и они представляют интерес с точки зрения металловедения.

Группа II объединяет много сплавов, имеющих основу алюминий—кремний—медь (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, а также АЛ32, содержащий, кроме трех основных компонентов, еще марганец и титан).

Группа III — сплавы на основе системы алюминий — медь (АЛ7 и АЛ 19), которые из-за наличия значительного количества меди более дефицитны и дороги.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий — магний (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.), обладающие низкой плотностью (почти в 3 раза легче стали), высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Двой­ные сплавы начали широко использовать для получе­ния легких отливок различного оборудования для транс­портных машин.

К группе V относят сплавы на основе алюминия и дру­гих компонентов. Эта группа особенно велика: наиболее популярны из этой группы сплавов АЛ1, содержащий медь, никель и магний, сплав АЛ11, включающий кроме алюминия и кремния большое количество цинка (7— 12 %) и немного магния. В эту группу входит также сплав АЛ24, содержащий магний, марганец, цинк, ти­тан и др.

Литейные сплавы алюминия с магнием, медью, а также многие другие более сложные сплавы на основе алюминия подвергают термической обработке, так как их основные прочностные и технологические свойства изменяются при этом в очень широких пределах. Многие алюминиевые сплавы с добавками меди и магния подвержены старению, т. е. изменяют свои свойства при хранении. Например, у сплава АЛ8, содержащего 9,5 — 11 % Mg, в литом состоянии относительное удлинение δ = 10 %; если этот сплав нагреть под закалку и медленно охладить с печью, то δ = 2 %, а после пяти суток выдержки при 20 °С δ увеличится до 20 %.

Наибольшей известностью пользуются силумины и сплавы алюминия с медью. Микроструктура силумина показана на рис.64. Ти-

пичный силумин — сплав АЛ2 содержит 10—13 % Si, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Кроме того, он устойчив про­тив коррозии и относительно легкоплавок. Удовлетвори­тельные механические свойства и структуру силумин приобретает только после модифицирования. Немодифи­цированный силумин имеет грубую игольчатую структуру и очень хрупок; после модифицирования эвтектика ста­новится мелкозернистой, в результате чего сплав при­обретает пластичность. Модифицирование проводят до­бавкой в жидкий сплав незначительного количества ме­таллического натрия.

Рис.64. Микроструктура литейных сплавов алюминия, х200: а - немодифицированный силумин, б - модифицированный силумин

Однако эффект такого модифицирования сохраняется в жидком сплаве только 10—15 мин, и поэтому модифи­цирование необходимо непосредственно перед разливкой сплава. Более удобно модифицировать силумин смесью солей ²/з NaF и ¹/з NaCI, которая, будучи загружена в заливочный ковш, сохраняет эффект модифицирования около 1 ч.

Титан и его сплавы

Титан — металл серебристого цвета с голубо­ватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см³, плавится при температуре 1660 °С, кипит при 3260 °С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α-титан, имеющий гексагональную решетку с параметрами а₀ = 0,295 нм и с₀ = 0,468 нм, и при более высоких температурах — (β-титан с кубической объемно центрированной решеткой с параметром и а = 0,304 нм.

Механические свойства титана изменяются от содержа­ния в нем примесей. Чистый титан ковок, имеет невысо­кую твердость (НВ 70);

технический титан хрупок и тверд (НВ 180—280).

Вредные примеси титана — азот и кислород резко снижают его пластичность, а углерод при содержании более 6,15 % снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость. Во­дород в большой степени повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водо­родной хрупкостью.

На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротив­ляемостью коррозии в некоторых кислотах, морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изме­няет свои механические свойства при нагреве до 400 °С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кис­лород, ухудшаются его механические свойства, а выше 540 °С — становится хрупким. При нагреве выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии при производстве леги­рованной стали.

Титан образует ряд оксидов. Из них наиболее изучены ТiO₂ , ТiО₃. Двуокись титана TiO₂ — амфотерный по­рошок белого цвета, практически не растворимый в воде и разбавленных кислотах. Двуокись титана является основным продуктом переработки титанового сырья.

Технический титан, применяемый промышлен­ностью, делят на две марки: ВТ 1-00 и ВТ 1-0; в них допускается следующее содержание примесей, %: 0,05—0,07С; 0,1 — 0,12 О₂; до 0,04 N₂; 0,08—0,01 H₂; до 0,2 Fe; 0,008 — 0,1 Si. Однако механические свойства ВТ 1-0 несколько выше за счет увеличения суммы перечисленных примесей в нем.

Для повышения механических свойств титана его почти всегда легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α↔β, поэтому алюминий часто называют α-стабилизатором титана. Наоборот, элементы, понижающие эту температуру, называют β-стабилизаторами. К ним отно­сятся: молибден, ванадий, хром, марганец, железо и некоторые другие металлы.

В промышленности применяют титановые сплавы либо со структурой α - твердого раствора, либо смешанной структурой (α+β)-твердого раствора.

Микроструктура титанового сплава показана на рис.65.

Алюминий, образуя с титаном твердый раствор, заме­щая и стабилизируя α-фазу, увеличивает прочность ти­тана, жаропрочность и со-

противляемость окислению при высоких температурах, хотя и понижает пластичность. Поэтому алюминий является наиболее важной состав­ляющей титановых сплавов и всегда входит в их состав (сплав ВТ5 и др.).

Рис.65. Микроструктура титановых сплавов, х400:

а - твердый раствор α (сплав ВТ1); б - фаза α` (мартенсит, полученный после закалки сплавов ВТ1 с 1075^o С).

Для получения сплавов смешанной структуры титан, кроме алюминия, легируют дополнительно хромом, мар­ганцем, молибденом, а иногда и другими β-стабилизаторами.

Сплавы смешанной структуры (α+β) обладают почти удвоенной прочностью по сравнению с чистым титаном. Однако эта повышенная прочность сохраняется до температуры 430°С. Большинство этих сплавов обладает хорошей пластичностью даже при низких температурах, и поэтому легче куются, штампуются и прокатываются, чем однофазные титановые сплавы. Сварка этих сплавов затруднена, так как они при сварке теряют пластичность, а швы приобретают хрупкость.

Наиболее технологичным, дешевым и поэтому широко распространенным в этой группе является сплав ВТЗ-1 (5,5—7 % Аl; 0,8—2,3 % Cr; 2—3 % Мо; 0,2—0,4 % Si). Он обладает термической стабиль­ностью, не становится хрупким при длительном нагреве (до 10 000 ч) до температуры 400°С, а при кратковремен­ной работе — до 450 °С; σ_в = 900—1150 МПа; δ = 10— 16 %.

Сплав ВТ9 (6—7 % Al; 3 — 4 % Мо; 0,3 % Si; 0,8 — 2 % Zr) можно применять при изготовлении конструкций и деталей, длительно работающих при нагреве до темпе­ратуры 450 °С, σ_в = 980—1150 МПа, δ = 8—16 %. Эти сплавы штампуются и куются, из них прокатывают-

ся и прессуются прутки и фасонные профили.

Сплавы, содержащие в основном алюминий и поэтому обладающие α-структурой (например, сплав ВТ5, содер­жащий 4,3—6,2 % Al), хорошо свариваются, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до температуры 1090 °С, сохраняют высокую прочность при нагреве до 650 °С. Однако их пластичность ниже пластичности двухфазных сплавов, имеющих α- и β-фазу. Все деформируемые сплавы титана можно приме­нять и для фасонного литья, но делают это редко, так как титан легко взаимодействует с газами и формовочными материалами.

Сплавы титана со структурой, имеющей одну β-фазу, в промышленности почти не применяют, хотя они обла­дают отличной пластичностью. Причиной служит их чувствительность к загрязнению атмосферными газами при нагреве, неизбежному в процессе производства.

13.4. Антифрикционные сплавы

Наряду с подшипниками качения в машинах широко используются подшипники скольжения. Поскольку вкладыши под­шипников скольжения непосредственно соприкасаются с валами, их изготовляют из сплавов достаточно пластичных, чтобы было легко прирабатываться к поверхности вращающегося вала, и до­статочно прочных, чтобы служили опорой для вала; кроме того, сплавы должны иметь малый коэффициент трения с материалом вала и достаточно низкую температуру плавления, что необходимо для заливки подшипников. Сплавы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются подшипниковыми или антифрикцион­ными.

Антифрикционные сплавы имеют пластичную основу, в которой равномерно рассеяны более твердые частицы. При вращении в под­шипнике вал опирается на эти твердые частицы, а мягкая основа сплава по поверхности соприкосновения с валом изнашивается, в результате чего образуется сеть микроканалов, по которым пере­мещается смазка. Подшипниковые материалы делят на следующие группы: белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца (баббиты) и алюминия; сплавы на основе меди, чугуны серые, моди­фицированные и ковкие; металлокерамические пористые материалы; пластмассы.

Баббиты.В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой является твердый раствор сурьмы и меди в олове, а твер­дыми частицами — соединения SnSb и Cu₃Sn. Микроструктура баб­бита Б83 приведена на рис. 66.

Рис.66. Микроструктура баббита: а - Б83, б - Б16

Баббиты Б83 применяют для заливки подшипников особо нагруженных машин. Оловянные баббиты дороги, поэтому по возможности их заменяют баббитами, состоящими преимущественно из свинца (например, баббитом марки Б16).

В свинцовых баббитах с сурьмой (марки Б16) твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu₃Sn, рассеянные в мягкой основе — растворе сурьмы и олова в свинце. Эти баббиты уступают по качеству оловянным, однако с успехом применяются для под­шипников средней нагруженности (например, в тракторных и авто­мобильных двигателях).

Резюме

Медь.Свойства-хорошие электропроводимость и тепло­проводность, высокая пластичность и способность образо­вывать технологичные сплавы

Температура плавления меди 1083 °С, кристаллическая решетка — ГЦК. Предел прочности чистой меди 220 МПа. Плот­ность меди 8,93 г/см³.

Сплавы меди - латуни и бронзы. Латуни - сплавы меди с цинком. В группу латуней входят томпак (90 % Сu и более, остальное — цинк) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов. Механическая прочность латуней выше, чем меди; они хорошо обрабатываются резанием. Латуни используют в приборостроении, общем и химиче­ском машиностроении.

Наибольшее применение нашли латуни, содержащие до 38 % Zn.

Медно-цинковые латуни выпускают восьми марок и обозначают русской буквой Л. Следующая за буквой цифра указывает средний процент меди в этом сплаве. Марка с максимальным содержанием меди - Л96, с мини­мальным — Л60. Латуни более сложного состава в обо­значении имеют после

буквы Л другую букву, а цифры, размещенные после цифры, показывающей процент меди, указывают процент добавок в марке латуни. Все добавляемые к латуни элементы обозначают русскими буквами: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, Ж — железо, Мц — марганец, Н — ни­кель, К — кремний, А — алюминий.

Сплавы меди с оловом - бронзы.

Свойства - коррозионностойки, отличные литейные качества, малый коэффициент трения и устойчивость к износу.

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, А — алюминий, Ф — фосфор, Т — титан и другие, обозначае­мые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за бук­вами, обозначают среднее содержание добавок этих до­полнительных элементов в бронзе (цифры, обозначающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят).

Алюминиевые бронзы (сплавы меди с алюминием) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремниевые бронзы. Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы.

Алюминий. Свойства - плотность 2,7 г/см³, высокая тепло­проводность и теплоемкость, высокая пластичность, химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздей­ствию азотной кислоты, кристаллическая решетка — ГЦК. Температура плавления алюминия 660°С. Предел прочности при разрыве 90—180 МПа. Сплавы алюминия делят на две группы: первая — сплавы, деформируемые обработкой, и вто­рая — литейные сплавы. Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые холодной деформацией (сплавы алюми­ния с марганцем и магнием) и упрочняемых термической обработкой (дуралюмины и авиаль).

Дуралюмины — сплавы на основе Al—Cu—Mg, в ко­торые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости сплава. Наиболее известны сплавы Д18 и Д16. Дуралюмины хорошо деформируются и в горячем, и в холодном состояниях: для их упроч­нения обычно применяют закалку в воде и естествен­ное старение.

Литейные алюминиевые сплавы на основе системы алюминий — кремний (АЛ2, АЛ4, АЛО). Немодифи­цированный силумин имеет грубую игольчатую структуру и очень хрупок; после модифицирования сплав при­обретает пластичность. Модифицирование проводят до­бавкой в жидкий сплав незначительного количества ме­таллического натрия. Модифицируют силумин смесью солей ²/з NaF и ¹/з NaCI перед разливкой.

Титан. Свойства - плотность 4,507 г/см³, плавится при температуре 1660 °С, две аллотропические модификации: до 882 °С существует α -титан (ГПУ решетка), и при более высоких температурах — (β-титан с ОЦК решеткой. Высокая сопротив­ляемость коррозии в некоторых кислотах, морской и пре-

сной воде. Технический титан, применяемый промышлен­ностью, делят на две марки: ВТ 1-00 и ВТ 1-0. Для повышения механических свойств титана его легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α↔β, поэтому алюминий часто называют α-стабилизатором титана. Для получения сплавов смешанной структуры титан, кроме алюминия, легируют дополнительно хромом, мар­ганцем, молибденом.

Сплавы, обладающие такими свойствами как высокая прочность, хорошая прирабатываемость, малый коэффициент трения, низкая температура плавления, называются подшипниковыми или антифрикцион­ными.

Баббиты.В оловянном баббите марки Б83 пластичной основой является твердый раствор сурьмы и меди в олове, а твер­дыми частицами — соединения SnSb и Cu₃Sn. В свинцовых баббитах с сурьмой (марки Б16) твердые частицы образуют кристаллы соединений SnSb и Cu₃Sn, рассеянные в мягкой основе — растворе сурьмы и олова в свинце.

Вопросы для повторения

1. Расскажите о свойствах меди, используемых в технике.

2. Какие сплавы меди Вы знаете?

3. Как называются сплавы меди с цинком? Какими свойствами они обладают? Для чего используются?

4. Как называются сплавы меди с оловом? Какими свойствами они обладают? Для чего используются?

5. Расскажите о свойствах алюминия, используемых в технике.

6. Какие сплавы алюминия Вы знаете?

7. Каковы свойства и применение дуралюминов?

8. Каковы свойства и применение силуминов?

9. Назовите свойства и применение титана и его сплавов.

10. Какими свойствами должны обладать антифрикционные сплавы?

11. Назовите типичные антифрикционные сплавы.

14. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы, органические и неорганические; различные виды пластических масс; композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффектив-

ность при использовании. Эти материалы находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров (1826—1886 гг.). Промышленное производство пер­вых пластмасс (фенопластов) — результат работ, проведенных Г. С. Петровым (1907—1914 гг.). С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н, Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие термостойких по­лимеров связано с именем К. А. Андрианова.

В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зарубежными учеными: К. Циглером (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.

14.1. Понятие о неметаллических материалах и классификация полимеров

Полимерами называют вещества, макромолекулы кото­рых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1 000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы в полимере представляют собой цепочки, со­стоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в несколько тысяч раз больше их поперечного сечения, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов — жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химических связей составляет 330-360 кДж/моль, силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно меньше (5-40 кДж/моль). Наиболее сильные межмолекулярные взаимодействия осуществляются посредством водородных связей (до 50 кДж/моль). Сцепление моле-

кул материала за счет сил притяжения называется когезией. Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров (полимеры) или разнородных звеньев (сополимеры).

Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-механические свойства (по сравнению с нерегулярными полимерами).

Полимеры встречаются в природе — натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры.

Классификация полимеров. Для удобства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву).

По составу все полимеры подразделяют на: органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами.

В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемость, атомы фтора, даже в виде радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Аl), сочетающиеся с органическими радикалами (СН₃, С₆Н₅, СН₂). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречается. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

В силикатах существуют два типа связей: атомы в цепи со­единены ковалентными связями (Si—О), а цепи между собой — ионными связями. Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью, высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо переносят динамиче­ские нагрузки. К неорганическим полимерам относится также графит, представляющий собой карбоцепной полимер.

В технических материалах используют отдельные виды поли­меров и сочетание различных групп полимеров; такие материалы называют композиционными (например, стеклопластики).

Классификация по структуре макромолекул.

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на: линей­ные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестнич­ные), пространственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или за­крученные в спираль цепочки (рис.67, а).

Рис.67. Формы молекул полимеров: а - линейная, б - разветвленная, в - лестничная, г - пространственная, сетчатая, д - паркетная

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность мате-

риала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы (рис.67, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен). Макромолекула лестничного полимера (рис.67, в) состоит из двух цепей, соединенных, химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую основную цепь, и обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки (рис.67, г). Редкосетчатые (сетчатые) полимеры теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры отличаются твердостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры (рис.67, д, графит).

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

Впервые в работах В. А Каргина, А.И. Китайгородского и Г.Л. Слонимского (1957 г.) показано, что макромолекулы в полимерах расположены не хаотично, а имеют упорядоченное взаимное расположение. Структуры, возникающие в результате различной укладки молекул, называют надмолекулярными. Упорядоченность в структурообразовании определяется гибкостью линейных и разветвленных макромолекул, способностью их менять форму, перемещаться по частям; большое влияние оказывают жесткость цепи и силы межмолекулярного притяжения.

Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом.

Некоторые аморфные полимеры могут быть также построены из свернутых в клубки цепей, так называемых глобул. Глобулярная структура дает невысокие механические свойства.

Кристаллические по­лимеры образуются в том случае, если их макромолекулы доста­точно гибкие и имеют регулярную структуру. Тогда при соответствующих условиях возможен фазовый переход в пачки, и образование пространственных решеток кри­сталлов.

Гибкие пачки складываются в ленты путем многократного поворота пачек на 180^о. Затем ленты, соединяясь друг с другом своими плоскими сторонами, образуют пластины (рис. 68, а). Эти пластины наслаиваются, в результате чего получаются пра­вильные кристаллы.

Рис. 68. Надмолекулярные структуры полимеров: а - схема пластинчатого единичного кристалла, б - схема сферолита, в - схема фибриллы, состоящей из трех микрофибрилл

В том случае, когда образование из более мелких структурных элементов правильных объемных кристаллов затруднено, воз­никают сферолиты (рис. 68, б). Сферолиты состоят из лучей, образованных чередованием кристаллических и аморфных участ­ков.

В процессе ориентации гибкоцепных полимеров получаются фибриллярные структуры, состоящие из микрофибрилл (рис. 68, в). Между кристаллитами находятся аморфные участки.

Кристаллические структуры являются дискретными, органи­зованными, термодинамически стабильными. Кристаллизация происходит в опреде­ленном интервале температур. В обычных условиях полной кри­сталлизации не происходит, и структура получается двухфазной. Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и твер­дость, а