Сплавы цветных металлов: свойства, применение

Что это такое? Основные сплавы цветных металлов производятся на основе меди, алюминия, цинка, магния, титана. Они обладают разными свойствами и характеристиками.

Где применяются? Подобные соединения используются практически во всех сферах: машиностроении, электронике, тяжелой и легкой промышленности. Они лучше, чем просто металлы, поэтому пользуются большим спросом и довольно дорого стоят.

Общие сведения о сплавах цветных металлов

В таких отраслях экономики, как машиностроение, радиоэлектроника, энергетика, помимо черных, широко применяют цветные металлы и сплавы (включающие и различные соединения железа).

Сплавы цветных металлов отличаются ценными физико-химическими свойствами, что обеспечивает их популярность. Данные соединения обладают достаточной стойкостью к коррозии, высокой электропроводностью и теплоемкостью. Их подвергают самым разным видам механической обработки, таким как ковка и штамповка, прокатка и волочение.

По объему выработки и использования цветные металлы занимают незначительную долю по сравнению с железом (то есть со сталью и чугуном). Причина – в их скромных механических свойствах, кроме того, в природе они встречаются достаточно редко. Этим, а также сложностью добычи обусловлена и значительно более высокая стоимость данных соединений.

Руды цветных металлов содержат намного меньше искомых элементов, нежели железосодержащая порода. К примеру, для получения тонны чугуна требуется переработать всего 2–2,5 т сырья, а для получения 1 000 кг меди нужно «перелопатить» 200 000 кг вскрытой породы!

Также необходимо отметить, что подобных соединений в чистом виде практически нет. То есть основной металл оказывается разбавленным всевозможными примесями настолько, что трудно понять, ради какого именно материала производится добыча. Любой из рассматриваемых химических элементов обычно встречается только в виде оксидов (исключение составляют драгоценные металлы).

Разумеется, при производстве основного вещества сопровождающие элементы создают серьезные трудности. Пример: медная руда (помимо меди) включает платину, золото, свинец, серебро, цинк.

Цветные металлы отличаются следующими характерными особенностями:

• красным, желтым или белым цветом;
• блеском;
• высокой пластичностью;
• низкой температурой плавления;
• твердостью, а также отсутствием полиморфизма.

В соответствии с их физико-химическими свойствами (по классификации А. П. Гуляева), цветные металлы и сплавы можно разделить на три группы:

• легкие;
• благородные;
• легкоплавкие.

В первую группу входят магний, алюминий и бериллий. Они отличаются низкой плотностью, малым удельным весом, а потому широко используются в авиационной промышленности. Специалисты говорят, что Al и Mg – это металлы будущего. Однако для восстановления требуемых химических элементов из руды требуется очень много электричества, поэтому добыча и переработка подобных материалов неразрывно связаны с развитием (и удешевлением) энергетики. Алюминий и магний позволяют получать сплавы с ценнейшими физико-механическими или электрическими характеристиками.

Бериллий довольно хрупкий и обладает весьма низкой пластичностью. В обычных условиях он образует поверх массива тонкую прочную пленку, которая защищает его от коррозии и предотвращает более глубокое окисление металла. Но стоит температуре подрасти, как Be начинает активно окисляться по всей глубине. Его механические свойства находятся в зависимости от количества примесей и способа, посредством которого изготавливается деталь (может быть использовано литье, прокат, горячее прессование, штамповка из порошка и пр.).

Прочность материала, полученного путем горячего прессования порошка, составляет 320 МПа (32 кгс/мм²), в то время как сплав, полученный с помощью литья, обладает прочностью 120 МПа (12 кгс/мм²).

Бериллий используется в качестве присадки при изготовлении бронзы, которая применяется в различных сферах промышленности (электротехника, радиотехника и др.). Из нее изготавливают различные изделия и заготовки, включая фольгу, ленты, листы, трубы, поковки и штамповки. Процесс производства цветных металлов и сплавов может включать литье, ковку, штамповку, волочение и зонное прессование. Бериллиевая бронза характеризуется упругостью при повышенном температурном режиме, высокими прочностными характеристиками, устойчивостью к коррозии и отличной электро- и теплопроводностью.

Изделия, выполненные из бериллиевой бронзы, к примеру, пружины и мембраны, обладают высокой упругостью, устойчивостью к усталости и другими впечатляющими характеристиками. Это позволяет детали служить в течение множества миллионов рабочих циклов при знакопеременных нагрузках. Данный материал обладает оригинальными характеристиками, что позволяет широко применять ее в точном приборостроении, авиастроении, в ракетостроении и производстве космической техники.

Кластер благородных металлов включает в себя золото, серебро и платиновую группу (платину, палладий, иридий, радий, осмий и рутений). К ним также относится полублагородная медь.

Медь, как полублагородный металл, является надежным электрическим проводником, а потому используется в различных промышленных отраслях, таких как энергетика, электротехника, а также в производстве электрооборудования, трансформаторов, электромоторов и других устройств. Кроме того, на основе Cu производится широкий спектр сплавов цветных металлов (включая латунь и бронзу) с различными химическими и механическими характеристиками.

В группу металлов с низкой температурой плавления входят висмут, цинк, олово, сурьма, таллий, свинец и др. Эти элементы и их смеси широко используются в различных металлургических процессах, в промышленности при производстве полупроводников и электронных плат, плавких вставок и низкотемпературных припоев.

Сплавы цветных металлов на основе меди

Медь имеет красноватый оттенок на поверхности и розовый внутри. В таблице Д. И. Менделеева обозначается как Cu. В чистом виде обладает большой пластичностью, а также хорошей электро- и теплопроводностью. Кроме того, отличается высокой коррозионной стойкостью. Благодаря своим свойствам этот цветной металл и его сплавы широко применяются для кровельных работ.

Главные физические свойства меди:

• Плавление при температуре +1083 °С.
• Кристаллическая решетка имеет кубическую, гранецентрированную форму.
• Плотность – 8,94 г/см³.

Благодаря пластичности медь хорошо экструдируется, то есть легко подвергается обработке давлением, однако она неидеальна для резки. Также этот металл обладает невысокими литейными свойствами из-за сильной усадки. Любые примеси, за исключением серебра, существенно влияют на гальванические свойства материала, снижая его электропроводность.

Для маркировки данного цветного металла задействуется буква М, после которой следует численное обозначение марки. Чем она выше, тем больше в содержании сплава непосредственно меди. Пример: в М4 – 99 % меди, а в М00 – уже 99,99 %.

Более других распространены два сплава меди – латунь и бронза:

Бронза

Это сплав, основным компонентом которого является медь, в качестве примеси может включать любой металл, за исключением цинка. Самыми распространенными соединениями являются сочетания со свинцом, а также с алюминием, оловом, сурьмой и кремнием.

По составу различные виды бронзы можно поделить на два типа:

• те, что содержат олово;
• специальные (без олова).

Такие сплавы цветного металла, как оловянная бронза, отличаются высокими свойствами литья, механики и антифрикции. Так же, как и медь, данный материал устойчив к коррозионному воздействию, однако из-за высокой цены применяется редко.

Специализированные типы бронзы широко используются в качестве альтернативы оловянным и обладают лучшими характеристиками. Среди этих видов выделяются:

• Алюминиевая бронза.

Содержит 5–11 % алюминия, а также марганец, никель, железо и другие составляющие. У этого сплава более высокие механические свойства по сравнению с оловянной бронзой, но вот литейные характеристики немного хуже, а потому в большинстве случаев он используется для производства маленьких, но ответственных деталей.

• Свинцовая бронза.

Сплав содержит примерно 30 % свинца. Обладает высокими антифрикционными свойствами и широко используется при производстве подшипников.

• Кремниевая бронза.

Здесь в медь добавляется около 4 % кремния, кроме того, сплава легируется марганцем и никелем. По своим механическим свойствам данное соединение почти соответствует стали. Кремниевая бронза главным образом используется для изготовления пружинистых элементов в авиации и судостроении.

• Бериллиевая бронза.

Содержит до 2,3 % бериллия и обладают высокой степенью упругости, твердости, износостойкости. Обычно применяется для изготовления пружин, которые предназначены для работы в агрессивной среде.

Все бронзовые сплавы обладают отличными антифрикционными характеристиками, устойчивостью к коррозии и высокими литейными свойствами, что делает их идеальными для создания памятников, отливки колоколов и других декоративных изделий.

При обозначении бронзы используется сочетание «Бр», за которым следуют первые буквы наименований основных цветных металлов с указанием их процентного наполнения. Например, специальный сплав с маркировкой «БрОФ8-0,3» состоит из 8 % олова и 0,3 % фосфора.

Латунь

Это сплав меди с цинком, в котором также могут содержаться другие металлы (никель, алюминий, марганец, свинец, кремний и пр.). В обычных соединениях присутствуют только цинк и медь, в то время как многокомпонентные содержат 1–8 % различных легирующих компонентов, которые необходимы для усиления требуемых характеристик:

• Добавление марганца, никеля и алюминия увеличивает сопротивление сплава к коррозии и улучшает механические свойства.
• Присутствие кремния делает сплав более пластичным в жидком состоянии и упрощает процесс сварки.
• Наличие свинца облегчает обработку соединения при помощи режущего инструмента.

Содержание цинка в любой латунной массе не превышает половины. Такие сплавы обладают большей устойчивостью к коррозии, прочностью и вязкостью именно благодаря добавлению Zn и других легирующих элементов.

Для маркировки простой латуни задействуется обозначение буквой «Л» и цифровым индексом, указывающим на процентное содержание меди. К примеру, маркировка Л96 означает, что в данном сплаве содержится 96 % меди. Для соединений из большого количества компонентов задействуется более сложная система обозначений, включающая «Л» и первые буквы основных металлов. Число, указывающее содержание меди, и состав остальных элементов указываются в порядке их появления.

Пример: латунь с обозначением ЛАМш77–2–0,05 содержит 77 % меди, 2 % алюминия, 0,05 % мышьяка, а остальное – цинк.

Сплавы цветных металлов на основе алюминия

Алюминий является цветным металлом, имеющим серебристо-белую окраску. Плавится при температуре около +650 °C. В системе периодических элементов Менделеева обозначается Al. По распространению среди всех минералов данный элемент занимает третье место в верхней части (самой доступной) земной коры (к слову, на первом месте – кислород, на втором – кремний). В обычных условиях на поверхности алюминия сразу же образуется пленка оксида, которая и защищает массив от появления коррозии.

Приведем основные физические свойства такого цветного металла, как алюминий (и большинства его сплавов):

• Плотность – всего 2,7 г/см³ (у меди при этом – 8,94 г/см³).
• Довольно высокая электрическая проводимость (37*106 См/м, но меньше, чем у меди) и высокая теплопроводность (203,5 Вт/(м*К)).
• Прочность в чистом виде низкая – 50 МПа.
• У кристаллической решетки особая структура – кубическая, гранецентрированная.

Цветной металл подвержен обработке с помощью давления – легко экструдируется. Он находит широкое применение в электропромышленности, где алюминий и его сплавы используются для создания проводников электрического тока. Кроме того, при производстве стали данный материал применяется в целях раскисления. Некоторые стальные детали покрываются алюминием (речь идет о таком процессе, как алитирование), чтобы увеличить их экстремальную температуру.

Для маркировки алюминия применяется комбинация «А» и цифрового индекса, отражающего содержание чистого металла. К примеру, марка сплава A99 подразумевает наличие в нем 99,95 % алюминия, а марка А99 означает «пробу» алюминия на уровне 99,99 %. Марка высочайшей чистоты – А999, содержание алюминия здесь 99,999 %.

Деформируемые сплавы алюминия

Упрочняемые деформируемые сплавы алюминия классифицируются на дюралюмины (А-Сu-Mg) и высокопрочные соединения (Al-Сu-Mg-Zn). Благодаря высоким механическим свойствам и низкому удельному весу последние широко применяются при производстве бронетехники, а также в машиностроении, особенно при изготовлении компонентов для авиационной промышленности.

Основными добавками для создания дюралюминиевых соединений являются медь и магний. Эти сплавы отмечаются буквой «Д» и соответствующим номером. К примеру, легированное сочетание «Д1» применяется для изготовления винтовых лопастей, «Д16» – для создания шпангоутов, лонжеронов и для обшивки самолетов, а «Д17» используется для производства крепежных заклепок.

Кроме алюминия, меди и магния, высокопрочные сплавы содержат также и цинк. Они помечаются буквой В, сопровождающейся числом, и используются для создания сложных деталей, к примеру, лопастей вертолетов, а также конструкций, подвергаемых высоким нагрузкам.

Неотверждаемые деформируемые алюминиевые сочетания – это соединения этого элемента с добавлением магния (АМг2 и АМг3) и марганца (обозначение – АМц1). Данные цветные металлы и сплавы подвержены обработке с помощью вытяжки, сварки, прокатки и холодной/горячей штамповки. Главным образом они выпускаются в виде листов, которые уже используются для создания изделий различной сложности (к примеру, заклепок, рам и др.).

Литейные сплавы на основе алюминия

Данные соединения содержат более 4,5 % кремния и обозначаются буквами АК, за которыми следует номер марки. Силумины отличаются низкой плотностью, а также высокими механическими и литейными характеристиками. Широко используются для сложного литья автомобильных, мотоциклетных и авиационных деталей, а также для производства определенного вида бытовой техники, включая мясорубки, теплообменники, санитарно-технические арматуры и прочие изделия.

Сплавы цветных металлов на основе цинка, магния и титана

Цинковые сплавы

Цинк – это серебристый цветной металл с повышенной пластичностью и вязкостью, а также высокой устойчивостью к воздействию влаги.

Изменение формы цинковых сплавов с примесями алюминия, магния и меди происходит посредством прокатки, опрыскивания или вытягивания. Подобные соединения обладают высокой пластичностью и прочностью.

Сплавы на основе магния

Магний является металлом с серебристым оттенком, который имеет низкую температуру плавления и не подвержен окислению в окружающей среде. Однако слабые механические характеристики не позволяют использовать его для создания каких бы то ни было конструкций.

Приведем наиболее часто используемые сплавы на основе магния:

• С содержанием марганца не более 2,5 %.
• На основе комбинации марганца, магния, алюминия и цинка.
• Содержащие в основе цирконий, кадмий, цинк и магний.

Добавление примесей в состав сплава приводит к значительному повышению его механических характеристик. Благодаря этому соединение может быть успешно использовано при создании запчастей к автомобилям, судам, ракетам и самолетам.

Титановые сплавы

Приведем некоторые факты о титане и сплавах, очищенных от примесей:

• При низкой плотности титан имеет крайне высокую удельную прочность. Выше только у композитных материалов (например, у углеволокна).
• Титан устойчив к окислению, в том числе в агрессивных средах (минус – при превышении определенного уровня температуры титан горит).
• Данный металл довольно просто экструдируется (для этого требуется создать примерно такое же давление, как для алюминия). Это позволяет создавать профили сложной формы.
• Титановые детали не теряют своих физических характеристик во время работы в условиях повышенной температуры.

Существенным минусом титана и его сплавов является высокая цена. Поэтому данный металл широко применяется только в высокотехнологичных отраслях с высокой долей добавленной стоимости (к примеру, в авиастроении и прецизионном станкостроении).

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.