Сплавами называют материалы, обладающие физическими свойствами металлов и состоящие из нескольких химических элементов. Для их создания используются различные технологии, одной из которых является порошковая металлургия. Наиболее распространен способ производства, подразумевающий создание однородной смеси из расплавленных компонентов и дальнейшее отвердевание. Чистые металлы имеют случайные незначительные химические примеси, сплавы же получают целенаправленным включением нужного количества элементов.
Особенности классификации
В отличие от неметаллических металлические смеси характеризуются повышенными технологическими и механическими свойствами. В структуре всегда присутствует хотя бы один металл (может быть два и более). Их классифицируют следующим образом:
- По методу производства заготовок. Могут быть литейными и деформируемыми. К первой группе относятся силумины и чугуны, ко второй – стали.
- По технологии изготовления. Различают порошковые и литые варианты. В первом случае методика подразумевает сжатие и спекание комбинации порошков, которые состоят из химических соединений различной сложности. Литую смесь изготавливают методом кристаллизации соединенных компонентов в плавленном состоянии.
- По степени однородности в твердом виде. Могут быть однофазными и многофазными. Первая категория – это гомогенная однородная субстанция, имеющая в структуре кристаллы одного типа. Многофазные комбинации называются гетерогенными, имеют неравномерную структуру. Основа, представляющая собой твердую массу, является матричной фазой. В ее составе могут находиться растворы замещения или внедрения, кристаллиты простых элементов или более сложные химические связи (нитриды, карбиды, интерметаллиды).
При сплавлении используются два, три и более компонента. От формы связи зависят внутренние структурные особенности. Например, при комбинации двух элементов в процессе нагревания или охлаждения происходит непредсказуемое взаимодействие, приводящее к изменению ряда свойств.
Применяющиеся в промышленности сплавы
Широкое распространение получили промышленные сплавы, состоящие из железоуглеродистой смеси. Востребованы комбинации меди и цинка или олова. Чугун, бронза, сталь, латунь – одни из самых важных видов сырья в разных областях производства.
Сталь и чугун
Стальная смесь состоит из железа и углерода, концентрация которого не превышает 2%. Существует большое количество разновидностей. Например:
- Легированные стали имеют в структуре несколько элементов – никель, хром, ванадий. Часто применяются в машиностроении, производстве быстрорежущего оборудования.
- Малоуглеродистый вид отличается незначительной массовой долей углерода. При показателе менее 0,25% используется в роли конструкционной основы. Составы с долей более 0,55% находят применение в производстве режущих инструментов, эксплуатация которых не связана со скоростной обработкой. Это, например, сверла и бритвенные лезвия.
Состав, содержащий железо и 2-4% углерода, называется чугуном. В промышленной смеси присутствует кремний. Заготовки отличаются высокими механическими характеристиками. Чугун используется в конструкциях цилиндров двигателей, арматуры, крышек люков, также популярным является - литье из чугуна.
Медная основа
Матрицу, содержащую медь и 5-45% цинка, называют латунью. Такая смесь отличается удобством обработки, высокой способностью к пластической деформации без повреждения структуры. Часто применяется для изготовления мелких деталей. На рынке чаще востребованы - латунные листы и латунный круг. Можно выделить виды латуни в зависимости от содержания цинка:
- 5-20% – томпак;
- 20-36% – альфа;
- более 36% – бета.
Бронзами называют медные смеси, содержащие олово, кремний (кремнистая бронза). Возможны сочетания с бериллием или алюминием. Фосфористая бронза имеет в составе 5% олова и небольшое количество фосфора. Используется в составе мембран и пружин, так как обладает повышенным коэффициентом прочности.
Заготовки на основе свинца
Легкоплавким материалом является третник, называемый также припоем. Он состоит на одну треть из свинца и на две трети – из олова. Широко применяется для пайки электро- и трубопроводов. При дозированном включении сурьмы используется для изготовления оболочки кабелей и пластин аккумуляторных батарей. При сочетании свинца с оловом, кадмием и висмутом смеси имеют температуру плавления около 70°C. Такая комбинация применяется в производстве клапанов оросительных головок систем пожаротушения.
Из пьютеров, содержащих 85-90% олова, ранее изготавливали столовые приборы. Составы для производства подшипников (баббиты) имеют свинцовую и оловянную основу, в большинстве случаев содержат сурьму и мышьяк.
Легкие смеси
Для изготовления технологичных заготовок с легким весом и высокими эксплуатационными характеристиками в современной промышленности применяются титан, бериллий, алюминий, а также магний. Последние две из перечисленных основ отличаются низкой устойчивостью к нагреву и химически активной среде.
На основе алюминия
Небольшой вес и легкость обработки – одни их главных преимуществ алюминиевых сплавов. Возможны комплексные сочетания основы с кремнием, медью, магнием. Смеси конкурируют по экономичности и доступности, стабильности в условиях низких температур. Восприимчивы к ковке, штамповке, волочению, литью и экструдированию. Легко подвергаются сварке и резке на специальных станках. Главные свойства:
- теряют первоначальные параметры при температуре выше 175℃;
- невосприимчивы к воздействию агрессивных сред (благодаря оксидной пленке);
- обладают электро- и теплопроводностью;
- не образуют магнитное поле;
- безопасны при контакте с пищевыми продуктами;
- не создают искр;
- компенсируют ударные нагрузки;
- обладают отражающей способностью.
Эксплуатационные характеристики металлических заготовок востребованы в области вагоно-, авиа- и автомобилестроения. Алюминиевые заготовки, например алюминиевый лист, применяются в пищевой промышленности, на производстве кабелепроводов, отражателей света, отделочных материалов, для прокладки линий электропередачи.
В зависимости от включения вспомогательных компонентов меняются свойства материала. Железо позволяет усилить прочность при высокой температуре, но уменьшает пластичность и стойкость к структурному разрушению в обычных условиях. Марганец, кобальт и хром – это элементы, компенсирующие негативные свойства железа. Добавление лития позволяет увеличить степень упругости материала и прочность, но негативно влияет на пластичные качества.
Магниевые матрицы
Составы на основе магния отличаются удельной прочностью, легкостью. Поддаются резке и литью. Магниевые сплавы незаменимы в области авиакосмического строения (детали двигателей, ракет). Используются при сборке автомобильной оснастки, бензобаков, колес. Для производства частей конструкций, подвергающихся вибрационным нагрузкам, применяются смеси с выраженной демпфирующей способностью. Особенности магниевых составов:
- низкая пластичность;
- быстрый износ;
- мягкость;
- легкое формование при воздействии горячей среды.
С помощью хрома, меди и никеля заготовкам придают отражающие свойства. Материалы этой группы хорошо воспринимают газовую, электродуговую и контактную сварку, прочно фиксируются пайкой, клеевыми составами и жестким креплением. Из-за низкой стойкости к воздействию едкой среды заготовки защищают специальным покрытием (электролитическая пассивация, хромирование). При анодировании повышается стойкость к истиранию и твердость. Магний обладает химической активностью, стружка не устойчива к возгоранию.
На основе титана
У материалов на титановой основе прочностные характеристики и упругость выше, чем у аналогов из алюминия и магния. Из всей категории легких сплавов эта группа отличается наибольшей плотностью. Только бериллиевые основы превосходят титановые по уровню прочности. Особенности сплавов:
- Содержат малую часть углерода, азота и долю кислорода. Отличаются выраженной пластичностью.
- Устойчивы к истиранию, износу. Под действием циклических изменяющихся нагрузок разрушаются медленнее, чем магниевые.
- Плохо проводят тепло, имеют низкий уровень электрической проводимости.
- Проявляют стойкость к солевым и кислотным растворам, гидроксидам. Исключение составляют серная, галогеноводородная и ортофосфорная кислоты.
- При умеренных показателях напряжения около 90МПа некоторые сплавы из титана сохраняют предел растягивающего напряжения до 600℃. Показатель в значительной степени превосходит параметры магниевых и алюминиевых материалов.
- Подвергаются ковке при температурах, достигающих 1150℃.
- При плавке могут стать хрупкими из-за попадания примесей азота и кислорода. Чтобы этого избежать, титановые смеси подвергаются температурному воздействию в условиях контролируемой атмосферы или вакуума.
- Из-за плотной структуры плохо поддаются режущему оборудованию.
- Могут подвергаться точечной и шовной (роликовой) сварке. Возможно получение неразъемного прочного соединения электродуговым методом в среде инертного газа (применяется гелий или аргон).
Смеси из титана широко востребованы в производстве деталей, от которых требуется повышенная устойчивость к механическим нагрузкам, например титановые трубы. Одна из главных областей использования – космическая и авиационная промышленность. Сплавы позволяют изготавливать элементы конструкций, функционирующих в условиях повышенных температур до 430℃ или контактирующих с агрессивной химической средой. Материалы с добавлением ванадия востребованы в производстве кабинной брони самолетов боевого типа. При дополнительном включении алюминия используются в частях корпусов летательных аппаратов и реактивных двигателей.
Бериллиевые сплавы
По прочности бериллий конкурирует со всеми известными металлами. Коэффициент упругости у сплавов выше, чем у стали. Материалы образуют оксидные защитные слои, обеспечивающие при нагревании стабильность на открытом воздухе. При введении хрупких частиц бериллия в мягкую субстанцию, например серебро, удается получить сплав с высокой пластичностью. При холодной прокатке толщину таких материалов можно уменьшить до 17% от начального показателя.
Бериллиевые бронзы широко используются в качестве основы пружин и электроконтактов. Благодаря низкой плотности металл применяется в составе устройств наведения ракет. В чистом виде используется в ядерных реакторах в качестве отражателя и замедлителя нейтронов. Основным недостатком бериллия является его токсичность. При тесном контакте металл вызывает кожные заболевания и патологии органов дыхательной системы.
