ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТИТАНУ І СПЛАВІВ НА ЙОГО ОСНОВІ

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 11

ВИБІР МАРКИ КОЛЬОРОВОГО СПЛАВУ, МЕТОДА ОДЕРЖАННЯ ЗАГОТОВКИ У ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД УМОВ РОБОТИ

Практична робота передбачає вибір і обгрунтування вибору необхідного кольорового сплаву і вибору метода виготовлення заданої деталі.

Для того, щоб вирішити цю задачу, необхідно уважно вивчити умови роботи заданої деталі. Згідно умов роботи визначитися щодо вимог необхідного сплаву.

Наприклад: за умовами експлуатації деталь працює при підвищених температурах у навантаженому стані – тобто вимогами до сплаву є жароміцність т.і. якщо деталь працює на літаку, то основна вимога є – це мала вага.

Для того, щоб вибрати необхідний кольоровий сплав необхідно ознайомитися із класифікацією кольорових сплавів, складом, призначенням, властивостями т.і. сплавів, які використовуються у промисловості.

Якщо для покращення властивостей вибраного кольорового сплаву необхідно термічна або хіміко-термічна обробка, необхідно вибрати режими, вказати одержані властивості.

У залежності від технологічних властивостей вибраного кольорового сплаву, необхідно вибрати метод виготовлення конкретної деталі. Для цього необхідно ознайомитися із технологією виготовлення заготовок, які застосовуються у промисловості.

Порядок виконання завдання

1. Вивчив умови роботи заданої деталі, сформулювати вимоги до сплаву, із якого необхідно виготовляти деталь. На цій підставі вибираємо марку потрібного сплаву. Вказати хімічний склад та технічні властивості. При цьому, обов'язково обгрунтувати свій вибір.

2. Описати вплив легуючих елементів на властивості вибраної марки кольорового сплаву.

3. Вибрати і обгрунтувати метод виготовлення заготовки. Обов'язково пояснити, чому саме цей метод підходить для виготовлення заготовки. Послідовно описати метод виготовлення, його позитивні та негативні якості.

4. Вибрати та вказати режими попередньої та заключної термообробки деталі, зв'язав їх з методом одержання та обробки заготовки.

5. Описати мікроструктуру та механічні властивості сплаву після заключної термообробки.

Методичні пояснення

Сплави на основі кольорових металів (мідь, алюміній, магній, титан та інші) мають кращі механічні властивості, ніж чисті метали, тому вони знайшли широке застосування у промисловості.

Загальна характеристика алюмінію і сплавів на його основі.

Алюміній – метал сріблясто-білого кольору з температурою плавлення t^о=660^оС.

У відпаленому стані він має велику пластичність d=3545%, міцність s=78-98 МПа, твердість НВ25, високу корозійну стійкість, високі тепло- і електропровідність (65% від електропровідності міді), добру зварюваність. Холодне пластичне деформування підвищує міцність алюмінію s=150 МПа, але при цьому зменшується пластичність d=6%. Алюміній легко обробляється тиском, але обробка різання утруднена.

Застосовують технічний алюміній для елементів конструкцій і деталей, які не навантажені, тонких листів, дроту, фольги, хімічної і харчової апаратури, посуду, речей домашнього вжитку, а також для покриття інших металів.

Основну масу алюмінію, що виробляється, використовують для виготовлення сплавів.

Алюмінієві сплави мають суттєві переваги перед іншими сплавами – малу питому вагу, високі тепло- та електропровідності, високий опір корозії у атмосфері та інших середовищах, задовільні механічні та зворотні властивості. Виготовлення із них різних виробів методами лиття, тиском не викликає труднощів.

За технологічними властивостями сплави алюмінію поділяються на деформівні та ливарні.

Деформівні алюмінієві сплави. У свою чергу поділяються на зміцнювані і незміцнювані термічною обробкою.

До сплавів, які зміцнюють ТО належать дюралюміни, високоміцні, ковочні.

Дюралюмінами називають сплави алюмінію з міддю (2,25-5,2%), магнієм (0,2-1,8%) та манганом (0,1-1%). Вони мають достатньо високу міцність, пластичність та поділяються на 3 групи: нормальні дюралюміни, дюралюміни підвищеної пластичності, дюралюміни підвищеної міцності.

Термічна обробка дюралюмінів полягає у гартуванні до температури t^о=495-510^оС. Нагрівання до більш високих температур призводить до перепаду, тобто окислення і часткове оплавлення металу по межі зерен, що знижує міцність. Гартування дюралюмінів проводять у холодній воді. Після гартування дюралюміни піддають природному старінню при кімнатній температурі протягом 5-7 діб, або штучному старінню – нагріванням до температури t^о=100-150^оС. Зниження температури гальмує процес старіння, а підвищення – прискорює швидкість процесу старіння, але знижує пластичність та опір корозії.

Після гартування у дюралюмінію створюється структура перенасиченого a-твердого розчину на основі алюмінію. Тому після загартування дюралюміни мають малу міцність, але високу пластичність, яка сприяє значному деформуванню при обробці тиском. Маркують сплави літерою Д (дюралюмін) і цифрою, яка є умовним номером сплаву. У таблиці 1 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості дюралюмінів, які використовують у промисловості.

Таблиця 1

Сплав Д1 належить до категорії сплавів середньої міцності і пластичності і застосовується для виготовлення силових елементів конструкцій металів, деталей каркасів, стрингерів, лонжеронів, лопаток повітряних гвинтів.

Сплав Д17 має підвищену пластичність, краще обробляється холодним штампуванням, пресуванням, волочінням завдяки зменшенню кількості міді. Із цього сплаву виготовляють обшиття літаків, деталей каркасу, лонжеронів та інших силових елементів літаків.

Обробка різанням сплавів Д1 і Д17 після гартування та старіння не викликає труднощів, у відпаленому стані – утруднена.

Сплави марки Д6 мають підвищену кількість міді, магнію та марганцю, тому пластичність цього сплаву не дуже висока, що утруднює процес холодного штампування. Але механічна міцність вище ніж у інших дюралюмінів. Тому цей сплав використовують де потрібні високі механічні властивості. До недоліків сплаву Д6 належить дуже вузький інтервал загартованих температур і небезпека перепалу при невеликих температурах (508-510^оС), а також низька корозійна стійкість. Тому сплав Д6 використовують дуже рідко.

Сплав Д16 вміщує меншу кількість Mn ніж сплав Д6, але більшу кількість Mg. Таке сполучення елементів сприяє підвищеній міцності та кращій пластичності у відпаленому стані. Із сплаву Д16 виготовляють вироби та елементи конструкцій в середньої та підвищеної міцності від яких вимагають довготривалості при змінних навантаженнях, будівельні конструкції, від яких не вимагають високої корозійної стійкості.

Високо міцні алюмінієві сплави окрім міді та магнію вміщують цинк. Міцність цих сплавів більша ніж у дюралюмінів але менша пластичність, менша межа витривалості та опірність повторному статичному навантаженню.

Сплави загартовують при температурі t^о=465-475^оС (з охолодженням у холодній або гарячій воді) і піддають штучному старінню при температурі t^о=135-145^оС, на протязі 16 годин.

Маркують сплави літерою В (високоміцний з цифрою, яка є умовним номером сплаву).

У таблиці № 2 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості високоміцних сплавів, які використовують у промисловості.

Таблиця 2

Високоміцні сплави гарно обробляються різанням та точковим зварюванням.

Сплав В-95 використовують для виготовлення навантажених конструкцій, лонжеронів літаків, лопаток, шпангоутів.

Сплав В-96 використовують у вигляді пресованих та кованих виробів для стиснутих зон конструкції або для деталей без концентраторів напружень.

Сплави для кування та штампування поряд з елементами, що містяться у дюралюмінах, до складу цих сплавів входить нікель, та інколи титан.

Кування та штампування сплавів провадить при температурі t^о=450-475^оС. Для підвищення міцності поковки та штамповки піддають гартуванню при температурі t^о=510-530^оС з охолодженням у воді, а потім штучному старінню при температурі 150-160^оС протягом 6-15 годин.

Маркують сплави літерами АК і цифрою, яка є умовним № сплаву.

У табл. 3 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості ковочних сплавів, які використовують у промисловості.

Таблиця 3

Таблиця 3а

Сплав АК1 використовують для виготовлення деталей двигунів, лопаток, крильчаток.

Сплав АК2 зберігає свою міцність при підвищених температурах. Тому його використовують для виготовлення поршнів та інших деталей, які працюють при підвищених температурах.

Сплави АК3 та АК4 використовують при виготовленні деталей, які працюють при нормальній температурі – шатуни, гвинти для літаків, картери двигунів.

Сплав АК4 також як і сплав АК2 має високу міцність при підвищених температурах, але меншу схильність до ліквації, більшу жаростійкість при температурах до 350^о, менше зношення при експлуатації.

Сплав АК5 має достатньо високу міцність у сполученні з високою пластичністю. Тому його використовують для кування та штампування складних фасонних деталей-картера, зіркоподібних двигунів та іншого.

Сплав АК6 має пластичність з достатньо високою міцністю, тому із нього штампують повітряні гвинти, картери, крильчатки та інші складні деталі.

Сплав АК7 має високу пластичність, що дозволяє обробку у гарячому стані і дозволяє робити процес штампування з малим припуском. Високі пластичні властивості обумовлюються відсутністю магнію. Тому для зміцнення сплаву використовують тільки штучне старіння. Високі пластичні властивості дозволяють використовувати його для виготовлення повітряних гвинтів, крильчаток. До недоліків сплаву АК7 належить велика схильність до ліквації, неоднорідність механічних властивостей, схильність до інтеркристалітної корозії.

Сплав АК8 має обмежене використовування тому, що має низьку пластичність та схильність до інтеркристалітної корозії.

Сплав АК9 має малий коефіцієнт термічного розширення і його використовують для виготовлення поршнів.

Деформовані алюмінієві сплави, які не зміцнюються термічною обробкою мають у своєму складі манган або магній. Для підвищення міцності їх додатково легують ванадієм або титаном разом із берилієм. Ці сплави мають високу пластичність, легко прокатуються, штампуються, гарно зварюються тиском, корозійностійкі. Ці сплави використовують для виготовлення елементів конструкцій, на які діють невеликі навантаження і від яких вимагається високий опір корозії – баки для палива, вітражі, перегородки, двері, віконні рами. Маркують сплави літерами АМц, АМг та цифрами.

У таблиці 4 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості деяких деформованих сплавів.

Таблиця 4

Алюмінієві ливарні сплави крім алюміній вміщують кремній, мідь, цинк. Ці сплави використовують для фасонного лиття і мають високу рідкотекучість, невелику усадку, малу схильність до утворення гарячих тріщин і пористості у сполученні з високими механічними властивостями, опору корозії.

Найбільш відомі ливарні сплави системи Al – Si одержали назву "сілуміни". Маркують сплави літерами АЛ (алюміній ливарний) та цифрами, які є умовним номером сплаву. Сілуміни, крім ливарних властивостей, добре зварюються газовим зварюванням, задовільно обробляються різанням. Добре опираються корозії у вологій атмосфері.

Механічні властивості ливарних сплавів підвищуються термічно обробкою – гартуванням при температурі t^о=510-545^оС та охолодженням у гарячій воді, а потім природному старінню.

Для деталей, які повинні витримувати підвищені навантаження, дію морської води і повітряної атмосфери використовують ливарні сплави, до складу яких входить магній. Після гартування при температурі t^о=430С структура сплаву стає однорідним твердим розчином магнію у алюмінію, що дає високу корозійну стійкість. Ці сплави добре обробляються різанням, зварюванням, але мають знижені ливарні властивості. У розплавленому вигляді сплав легко окислюється. Для зменшення здатності до окислення в нього вводять берилій, а для одержання дрібнозернистості структури – титан.

У таблиці 5 приведені марки, хімічний склад, механічні властивості ливарних сплавів.

Таблиця 5

Сплав АЛ1 має задовільні ливарні властивості. Тривалий час зберігає механічні властивості при високих температурах t^о=275-320^оС, непогано обробляється різанням, але герметичність та корозійна стійкість низька. Застосовують сплав для виготовлення литих поршнів, головок циліндрів до двигунів повітряного охолодження, які гріються до температури t^о=275^оС.

Сплав АЛ2 застосовують після модифікування для виливок навантажених деталей складної конфігурації (гальмувальні колеса), арматури, обладнання літаків, а також деталей, які працюють у несприятливих атмосферних умовах. Сплав має високі ливарні властивості (температура лиття t^о=680-780^оС), але схильний до шпаристості, тому лиття необхідно проводити у автоклаві. Обробляється різанням та зварюється сплав АЛ2 задовільно.

Сплав АЛ4 застосовують для виготовлення високонавантажених деталей авіаційних двигунів (картери авіаційних двигунів водяного охолодження, циліндрові блоки, блоки головок). Ливарні властивості сплав АЛ4 має задовільні – схильний до утворення шлаку і шпаристості, тому виливки необхідно проводити у автоклаві. Сплав гарно обробляється різанням і має високий опір корозії.

Сплав АЛ5 має у своєму складі Mg, Cu, що підвищує міцність, але знижує пластичність. Після ТО із цього сплаву виготовляють навантажені деталі авіаційних двигунів, картери, блоки головок, сорочки двигунів рідинного охолодження, а без ТО – арматуру. Сплав АЛ5 зберігає високі механічні властивості при температурах до 200 С. Має задовільні корозійні та зварювальні властивості, гарно обробляється різанням.

Сплави АЛ7 і АЛ12, які вміщують Cu. Завдяки великій кількості міді дефіцитні та дорого коштують. Ці сплави мають велику однорідність та щільність, корозійні властивості задовільні, але завдяки ТО їх можливо підвищити. Сплави гарно обробляються тиском, до того ж механічні властивості деталей, які одержують тиском вищі ніж у тих, що одержують литвом. Механічні властивості можна підвищити ТО.

Сплави АЛ8, АЛ13, АЛ22 вміщують у своєму складі Mg, має низьку цільність (майже у 3 рази легше ніж сталь), високі механічні властивості та корозійну стійкість. Їх використовують для виготовлення різного обладнання транспортних машин. ТО обробка покращує механічні властивості цих сплавів.

Спечені алюмінієві сплави САП одержують методом порошкової металургії. Вони складаються з алюмінію діференних часток оксиду алюмінію Al₂O₃, який не розчиняється у алюмінії, рівномірно розподіляється у алюмінієвій матриці. Така будова гальмує рух дислокацій та запобігає повзучості, знижує пластичність, підвищує міцність. У різних марках САПів оксиду алюмінію вміщується від 6 до 22 %, що визначає межу міцності від 300 до 460 МПа, та відносного подовження від 8 до 1,5 %. По жароміцності САПи перевищують усі алюмінієві сплави. САПи також добре обробляються тиском, різанням, задовільно зварюється контактним та аргонно-дуговим зварюванням. Із САПів виготовляють різні напівфабрикатні листи, профілі, штамповні заготовки, труби, фольгу. Цей матеріал використовують для виготовлення деталей, які працюють при температурі 300-500^оС, від яких вимагають високу питому міцність і корозійну стійкість – поршневі штоки, лопатки компресорів, лопасті вентиляторів і турбін, у хімічній на нафтовій промисловості, конденсатори, обмотки трансформаторів.

У таблиці 6 приведені марки, хімічний склад, механічні властивості спечених алюмінієвих порошків.

Таблиця 6

Спечені алюмінієві сплави САС

Виготовляють з тією ж технологією, що і САП із порошків, які одержують розпилюванням сплавів заданого сплаву. До складу САС1 входить до 25-30 % Si; 5-7% Ni, решта алюмінію. САС застосовують у тих випадках, коли шляхом лиття і обробки тиском важко одержати відповідний вироб. Із САС1 виготовляють деталі приладів, які працюють у парі із сталлю при температурі 20-200 ^оС, коли необхідні поєднання низького коефіцієнту лінійного розширення і малої теплопровідності.

В оптико-хімічних та інших приладах знайшли застосування високоміцні порошкові сплави, системи Al – Zn – Mg – Co (ПВ90, ПВ90Т). Ці сплави мають високі механічні властивості, гарну обробляємість різанням і релаксаційні стійкість. Вироби з цих сплавів піддають ТО – відпал та штучне старіння.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТИТАНУ І СПЛАВІВ НА ЙОГО ОСНОВІ

Титан – метал сріблясто-білого кольору, густина g=4.5 Г/см³, має значну міцність - міцніший від заліза. Особливість титану в тому, що він легкий, його міцність майже не змінюється за умов нагрівання до 400^оС, високоміцний у агресивних середовищах, тобто корозійностійкий у морській воді, багатьох кислотах і лугах. Ці властивості є наслідком утворення на поверхні титану стійкої оксидної плівки. Температура плавлення титану t^о=1665^оС. Титан має дві алотропні модифікації: до t^о=882 ^оС, існує a-титан (густина 4.505 Г/см³), який кристалізується у гексогальну гратку; а при більш високих температурах t^о=900^оС існує b-титан (густина 4.32 Г/см³), який кристалізується у об'ємний куб.

Шкідливими домішками до титану є N₂, C₂, O₂, H₂, які знижують пластичність, погіршують зварюваність, підвищують твердість і міцність, знижують опір корозії. Особливо шкідливий є водень, який дуже підвищує крихкість титану.

Технічно чистий титан містить незначну кількість домішок Fe, Mn, Al, Si, Ni. Виробляють титан марок ВТ 1-00 (99,53% Ti); ВТ1-0 (99,46% Ti); ВТ-1 (99,44% Ti), які мають s_мц=300-500 МПа, d=20-30 %. Чим більше домішок, тим вище міцність і нижче пластичність.

Технічний титан обробляється тиском, зварюється у атмосфері захисних газів, але обробка різанням важка. Поставляють у вигляді листів, труб, прутків, дроту, напівфабрикатів.

Сплави на основі титану. Основними легуючими елементами є Cr, Mn, Zn, Ni, Co, Mo, W, Al, Cu, Be. Легування титану призводять до значного підвищення міцності, але при цьому знижується пластичність. Титанові сплави мають вищу питому міцність, стійкість до повзучості, корозії, руйнування за високих температур і властивості зберігати пластичність за низьких, тому їх можливо використовувати у криогенній техніці.

Титанові сплави поділяються на такі групи: сплави, які мають a+b структуру; сплави які мають b-структуру.

Сплави, які мають a-структуру. До їх складу входить Al, Sn, O, N, С. Такі сплави зберігають достатню міцність до t=650^оС, не утворюють крихкість при термообробці, гарно зварюються. До негативних властивостей сплавів належить низька пластичність і необхідність застосування високого тиску при обробці деформацій.

Сплави, які мають a+b структуру. Крім Al до їх складу входять Cr, Mo, Fe. Ці сплави мають високу міцність при кімнатній температурі при гарній пластичності. Вони гарно піддаються термічній обробці. Негативною властивістю є те, що сплави зберігають міцність тільки до температури t^о=430^оС.

Сплави, які мають b-структуру утворюються при легуванні Ti, Zr і деякими іншими елементами. Сплави відрізняються високо пластичністю і зберігають міцність до температури t^о=40 ^оС. Для змінення цих сплавів не потрібна термічна обробка, ці сплави у промисловості застосовуються дуже рідко тому, що вони чутливі до забруднення атмосферними газами при нагріванні, що неминуче у процесі виробництва.

Титанові сплави піддають зварюванню, пайці, обробляють різанням і тиском. Пайку проводять за допомогою срібних або мідних припоїв. Зварювання проводять у захисному або нейтральному середовищі (наприклад, у аргоні), щоб не було окислювання або нітріровання шову. Такі елементи, як Cr, Mn, Fe, Al, Si погіршують зварювання.

Обробка титану і його сплавів мають деякі особливості. Вони пов'язані з тим, що титан та його сплави налипають на інструмент. Щоб запобігти цьому у матеріал інструмента необхідно додавати сульфідні домішки, провадити обробку у спеціальному газовому середовищі (наприклад, CO₂) або у охолоджувальну рідину додають спеціальні сернисті мастила, жирні кислоти.

У таблиці 7 приведені деякі марки, хімічний склад, механічні властивості титанових сплавів.

Таблиця 7

Сплав ВТ5 гарно деформується у гарячому стані і зварюється; має високий опір корозії, але схильний до водневої крихкості. Додаткове легування оловом (ВТ5-1) покращує технологічні властивості.

Сплави типу ОТ4 гарно обробляються тиском у гарячому та холодному станах, зварюються усіма видами зварювання, але схильні до водневої крихкості.

Найкращі сполучення властивостей досягаються у (a+b) сплавах.

Сплав ВТ6 має гарні механічні та технологічні властивості і зміцнюється ТО.

Сплав ВТ8 застосовують у відпаленому та термічно зміцненому станах. Сплав гарно деформується у гарячому стані і застосовується для виготовлення виробів, які працюють при t^о=450-500^оС.

Сплав ВТ14 застосовують для виготовлення важко навантажених деталей, а також деталей, які тривалий час працюють при t^о=400^оС, або за малий час при t^о=500^оС. Сплав зміцнюється гартуванням із t^о=850-800^оС у воді із подальшим старінням при t=480-500^оС, 12-16 годин. Повний відпал проводять при t до 800^оС, а неповний при t^о=600-650^оС.

Сплав ВТ9 застосовують при виготовленні конструкцій та деталей, які тривалий час працюють при температурі t^о=450^оС. Цей сплав штампується, кується, із них прокатують і пресують прутки, фасонні профілі.

Для виготовлення виробів литтям застосовують ливарні сплави ВТ5Л; ВТ14Л; ВТ21Л, які мають гарні ливарні та технічні властивості.

Титан та його сплави використовують там, де необхідна велика питома міцність і гарний опір корозії. Їх використовують у авіації, ракетній техніці, хімічному машинобудуванні та інших.