Медные сплавы в самолетостроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Медные сплавы в самолетостроении

Введение

Медь - один из первых металлов, с которыми познакомился человек. Хотя в земной коре меди немного (до 0,01%), однако известны ее богатые месторождения, в которых встречаются даже самородки. Медь и ее сплавы обладают многими ценными свойствами, что определило ее широкое применение.

Медь - металл красновато-розового цвета с кристаллической структурой в виде ГЦК. По электропроводности медь занимает второе место после серебра. Поэтому она - важнейший материал для изготовления электропроводников (провода, шины, кабеля и т.п.). Медь имеет также высокую теплопроводность, в связи с чем ее широко используют в теплообменниках (радиаторы, холодильники и т.п.). Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На основе меди получены сплавы с очень ценными свойствами. Однако медь относится к тяжелым металлам, ее плотность 8,94 г/см 3. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Медь отлично обрабатывается, давлением, но плохо - резанием и имеет плохие литейные свойства, поскольку дает большую усадку. Чистую медь и ее малолегированные сплавы широко используют в электротехнике и других видах производства.

Медь - металл очень пластичный, поддающийся ковке и хорошо проводящий электрический ток и тепло. Температура плавления меди 1083 . На воздухе медь медленно покрывается слоем окислов; в сыром воздухе покрывается налетом углекислоты зеленого цвета.

Медь хорошо поддается прессованию, выдавливанию, вытягиванию, сварке и паянию. При холодной обработке медь наклепывается и становится твердой и хрупкой; наклеп устраняется отжигом. В самолетостроении медь применяют в виде листов, лент, прутков и труб.

Характеристика меди

Химическая активность меди сравнительно невелика. Она растворяется в окислительных минеральных кислотах, в частности азотной, в кислых растворах хромовых солей, в горячей концентрированной серной. При отсутствии кислорода и других окислителей разбавленные соляная и серная кислоты на медь не действуют.

В кислороде медь окисляется уже при комнатной температуре, но с азотом не взаимодействует даже при весьма высоких температурах. При обычной температуре сухой воздух и влага порознь не действуют на медь и она сохраняет свой розовато-красный цвет. Во влажном воздухе медь тускнеет из-за образования на ее поверхности темно-красной закиси СuО. В присутствии во влажной атмосфере СО 2 образуется зеленый налет основного карбоната СuСО 3*Сu (ОН)2.

Медь образует непрерывные твердые растворы с соседними по таблице д. И. Менделеева элементами: золотом, никелем, палладием, платиной, а также с марганцем. Ближайший к меди металл - серебро - не обладает неограниченной растворимостью в твердой меди. Из металлов с неограниченной растворимостью в меди для легирования используют лишь никель и маргавец, остальные элементы слишком дефицитны и дороги.

Элементы, сильно отличающиеся по строению и свойствам от меди, полностью не смешиваются с ней в жидком состоянии, К ним относятся кислород, селен, теллур, таллий, хром, молибден, вольфрам, тантал, рений, уран.

Наибольший интерес представляют те закономерности, которые наблюдаются в диаграммах меди с элементами подгрупп IIВ--УВ.

Для этих систем характерны следующие закономерности:

1. Диаграммы состояния меди с элементами одной подгруппы очень сходны, особенно со стороны меди.

2. Растворимость легирующих элементов подгрупп IIB---УВ в меди уменьшается с увеличением валентности. В меди растворяется, % (ат): 39Zn; 20Gа; 12Gе; 6,7 Аs (рисунок 1).

Рисунок 1 Растворимость цинка, галлия, германия и мышьяка в меди

З. Максимальная растворимость легирующих элементов в меди соответствует примерно одной и той же электронной концентрации, равной 1,4.

4, Во всех системах г. ц. к. решетка -фазы на основе меди сменяется -фазой с о. ц. к. решеткой.

Анализ этих закономерностей привел Юм-Розери к выводу, что равновесие - и -фаз в этих системах определяется электронной концентрацией.

Электронная концентрация определяет также природу электронных соединений. Имеется три типа электронных соединений, которые отличаются той электронной концентрацией, при которой они образуются: а) соединения типа -латуни с электронной концентрацией 3/2, 6) соединения типа -латуки с электронной концентрацией 21/13 и в) соединения типа -латуни с электронной концентрацией 7/4.

Соединения типа -латуни, образующиеся при электронной концентрации 21/13, имеют сложную кубическую решетку с 52 атомами на элементарную

Рисунок 2 Диаграмма состояния Сu - Zn ячейку. К таким соединениям относятся Сu5Zn8, Сu5Сd8, Сu9Gа 4, Сu3Sn6.

Электронные соединения типа -латуни, образующиеся при электронной концентрации 7/4, имеют плотноупакованную гексагональную структуру. К этим электронным соединениям относятся СuZn3, Сu3Gе, Сu8Sn, Сu3Sb.

Влияние примесей на структуру и свойства меди

Структура и свойства меди существенно зависят от присутствующих в ней gримесей.

По характеру взаимодействия с медью примеси можно разделить на три группы. К первой группе относятся металлы, растворимьте в твердой меди (А 1, Fе, Ni. Zn, Аg, Аu, Рt, Сd, Sb). Вторая группа представлена элементами, практически нерастворимыми в меди в твердом состоянии и образующими с ней легкоплавкие эвтектики (Вi, Рb). Третью группу составляют полуметалличсскце и металлические элементы, образующие с ней химические соединения (Р, Sе, S, 02, Те, Аs и др.).

Элементы первой группы существенно не влияют на свойства меди в тех количествах, которые характерны для металла технической чистоты, В больших количествах некоторые из этих элементов благоприятно сказываются на свойствах меди и поэтому применяются для легирования.

Примеси, нерастворимые в меди, обычно отрицательно влияют на ее механические и технологические свойства. Наиболее вредное влияние оказывает висмут. В системе Сu--Вi образуется легкоплавкая эвтектика, состав которой почти совпадает с чистым висмутом (99,80/о Bi). Эвтектика кристаллизуется практически при той же температуре, что и влсмут (270°С). Растворимость висмута в меди ничтожно мала и не превышает 0.001 %. Поэтому эвтектические выделения почти чистого висмута по границам зерен появляются при ничтожно малых его количествах. Висмут - хрупкий металл, и его прослойки по границам зерен приводят к хладноломкости меди и ее сплавов.

При температурах горячей прокатки легкоплавкая эвтектика по границам зерен меди и ее сплавов, состоящая по существу из чистого висмута, плавится Связь между зернами нарушается и в местах наибольшего скопления висмута возникают трещины. Таким образом, висмут вызывает хладноломкость и горячеломкость меди и ее сплавов.

Аналог висмута - сурьма из-за заметной ее растворимости в меди оказывает значительно менее вредное влияние. Однако сурьма сильно уменьшает электро- и теплопроводность меди

Свинец дает с медью монотектическое превращение при 953°С и эвтектическое при 326°С. Эвтектика в системе Сii--РЬ по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,960/о Рb). Растворимость свинца в меди ничтожно мала, поэтому эвтектические выделения свинца по границам зерен появляются при очень небольших его содержаниях.

Свивец не приводит к хладноломкости меди и ее сплавов, так как он пластичен, но из-за низкой точки плавления эвтектики вызывает горячеломкость. Вместе с тем свинец облегчает обработку меди и ее сплавов резанием, так как делает стружку более ломкой. Если хорошая обрабатываемость давлением при высоких температурах не является решающим фактором, то в меди и ее сплавах допускают довольно большое содержание свинца.

Кислород присутствует в меди в виде закиси Сц 2О, которая дает с вей эвтектику при 3,4% Сi2О или 0,39% О 2. Температура плавления эвтектики в системе (1065оС) выше температур горячей прокатки меди, поэтому кислород не вызывает ее горячеломкости. Растворимость кислорода в меди мала и составляет при 1065°С всего 0,011% (по массе). Поэтому при весьма малых концентрациях кислорода в меди появляется эвтектика Сu+Сu2О. Закись меди Сu20 неблагоприятно влияет на пластические свойства, технологичность, коррозионную стойкость меди. При отжиге в атмосфере, содержащей водород, атомы водорода диффундируют в медь и реагируют с закисью меди, образуя внутри металла пары воды высокого давления, что вызывает разрушение меди. Это явление называют водородной болезнью. Кислород затрудняет также пайку, сварку и лужение меди.

Техническая медь

В зависимости от чистоты медь подразделяют на несколько сортов. Марки технической меди и содержание в ней вредных примесей приведены в табл. 56.

Наиболее высокой чистотой отличается медь МВ, переплавленная в вакууме (менее 0,010/о примесей), н медь МЭ, полученная электроннолучевой плавкой бескислородной меди (менее 0,0050/о примесей).

Механические свойства меди разных марок при комнатной температуре близки, но наблюдается тенденция к повышению прочности и понижению пластичности с увеличением содержания в ней примесей. Временное сопротивление разрыву меди разных марок составляет 220--260 МПа, предел текучести 40 - 60 МПа, относительное удлинение 40 - 46 %. Предел усталости на базе 3 циклов равен 70--100 МПа, т. е. 30 - 40 % от

С повышением температуры прочностные свойства меди уменьшаются Относительное удлинение и поперечное сужение остаются неизменными до 200°С, при более высоких температурах резко уменьшаются и лишь при нагреве выше 600°С вновь начинают возрастать. Этот провал пластичности обусловлен примесями; для меди высокой чистоты (вакуум плавленной МВ и электроннолучевой плавки МЭ) при испытании в вакууме провала пластичности не наблюдается.

В результате холодной пластической деформации медь наклепывается и при достаточно высокой степени деформации ее временное сопротивление разрыву достигает 400--450 МПа при одновременном падении относительного удлинения до 2 - 4 %. Холодная пластическая деформация повышает электрическое сопротивление меди максимум на 3 - 5 %.

В деформированной меди возникает текстура деформации. В проволоке наблюдается двойная текстура, при которой б 0°/о кристаллов ориентировано в направлении <III> и 40 %--в направлении <100>. Такая же текстура возникает и в прессованных полуфабрикатах. В холоднокатаных листах меди плоскости типа {100} ориентируются параллельно поверхности листа, а направления <II2> параллельны направлению прокатки. Помимо этого, иногда в слабой мере развивается текстура <111>/.

Из-за текстуры деформации холоднокатаные листы меди и ее сплавов обладают анизотропными механическими свойствами. Временное сопротивление разрыву листов меди в направлении прокатки и в поперечном направлении почти одинаково, а в направлении под углом 45° несколько ниже (на 30 МПа).

В процессе отжига в деформированной меди, как и в других металлах, происходят возврат и рекристаллизация. рекристаллизация сильно деформированной технической меди начинается при 200--230°С, что соответствует 0,35--0,37 от ее температуры плавления по абсолютной шкале. В результате рекристаллизации волокнистая структура сменяется полиадрической.

Применение цветных металлов и сплавов

В авиационной технике широко используются цветные металлы и сплавы. медь сплав электропроводник

В технике к цветным относят все нежелезные металлы. На их основе создано большое число сплавов, обладающих широким диапазоном свойств, соответствующих требованиям к авиационным материалам. К ним относятся: значительная механическая прочность, высокий предел выносливости в сочетании с малой плотностью, все это говорит о том, что цветные металлы имеют свойства, которые делают их применение в технике незаменимым. Например, медь и алюминий обладают высокой электро - и теплопроводностью. Сплавы магния, алюминия и титана обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью.

Из цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили сплавы алюминия и меди. Из года в год возрастает интерес к титану и его сплавам, которые широко применяются в авиа- и ракетостроении.

Как правило, такие металлы, как Al, Ti и другие в чистом виде в авиатехнике применяют крайне редко. На основе каждого металла создают, большое число сплавов, обладающих самым широким спектром свойств. Цветные металлы и их сплавы широко применяют для армирования.

В авиастроении широко применяют алюминиевые сплавы, а также сплавы магния, титана, меди. Находят применение бериллиевые сплавы, сплавы никеля и некоторые тугоплавкие сплавы.

Сплавы титана сочетают высокую прочность с хорошей пластичностью, они жаропрочны и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Сплавы меди, обладают высокими антикоррозийными свойствами, хорошо сопротивляются износу и имеют высокие технические и механические характеристики.

Практически весь каркас самолета или вертолета, во многих случаях корпус авиадвигателя, корпуса большинства агрегатов различных систем, многие трубопроводы изготовлены из цветных сплавов. На самолетах новых поколений многие силовые элементы авиационных конструкций будут изготавливать только из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Цветные сплавы систематизируют как по технологическим свойствам, так и по механическим характеристикам.

Цветные металлы, на основе которых создают сплавы, чаще всего разделяют на:

· легкие, обладающие малой плотностью (например, Al, Mg);

· тяжелые (например, Сu, Рb);

· тугоплавкие (W, Мо и другие);

· благородные (например, Au, Pt).

Сплавы, полученные на основе перечисленных металлов, могут быть разделены на группы по функциональному назначению:

a) Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие в подвижных соединениях низкий коэффициент трения. Это повышает срок службы машины. Кроме того, антифрикционные сплавы обладают высокой износостойкостью.

b) Жаропрочные сплавы относятся к материалам, обладающим способностью сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием механических нагрузок при высокой температуре. Кроме того, жаропрочные сплавы обладают высоким сопротивлением ползучести.

c) Жаростойкими называют сплавы, способные сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

d) Конструкционные сплавы служат для изготовления самых разнообразных деталей самолетов, вертолетов и авиадвигателей. В авиатехнике могут использоваться только те материалы, которые сочетают в себе качества, обеспечивающие выносливость, прочность, надежность и долговечность при низкой плотности и малых затратах на изготовление.

e) Коррозионностойкие сплавы способны сопротивляться коррозионному воздействию окружающей среды и не подвергаться внезапному разрушению из-за высокой скорости коррозионных повреждений. Цветные сплавы по технологическому исполнению могут быть разделены на следующие группы: деформируемые, литейные, спеченные и др. Такое деление позволяет представить себе, как получить детали из этих сплавов, например штамповкой, ковкой или литьем.

Большую группу цветных металлов и сплавов на их основе составляют проводниковые материалы, обеспечивающие наименьшее электрическое сопротивление. В этой группе металлов используют чистую медь с суммарным содержанием примесей 0,01 %, чистый и технический алюминий с содержанием примесей 0,02 - 0,5%. Цветные сплавы на основе Sn, Рв, Zn, Ag используют для изготовления припоев.

Сплавы на основе алюминия с медью

По химическому составу деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на группы, которые строят по наличию основных элементов, входящих в химический состав сплавов. Наиболее употребительна группа сплавов AI - Си - Mg (дуралюмины). Высокопрочные сплавы имеют в основе Аl - Zn - Mg - Сu. Сплавы для ковки, штамповки содержат Аl - Mg - Si - Сu. Широко применяют сплавы Al - Мn и Al - Mg. Деформируемые алюминиевые сплавы маркируют буквой Д, высокопрочные - буквой В, ковочные - АК.

Литейные алюминиевые сплавы выделены в отдельный класс сплавов, поскольку их объединяет наличие основных свойств: жидкотекучесть, объемная и литейная усадка, склонность к образованию усадочных трещин и ликвации.

Среди литейных алюминиевых сплавов наиболее широко распространены силумины системы Аl - Si. Для литья деталей сложной формы, кроме силуминов, применяют сплавы на основе Аl - Сu - Mg, Al - Сu и др. Эти сплавы отличаются от соответствующих по составу деформируемых сплавов более высоким содержанием меди и магния, а также тугоплавких добавок: титана, никеля, железа, хрома и др.

Термообработка алюминиевых сплавов с медью

Она позволяет получить большое разнообразие структур. В этом случае можно добиться значительного упрочнения, что и обеспечило самое широкое применение термообработки алюминиевых сплавов. Физический смысл термообработки сплавов алюминия состоит в том, что при этом изменяется и концентрация твердого раствора легирующих элементов в алюминии, При этом меняется фазовый состав, что повышает прочность сплайн при сохранении достаточной пластичности. Рассмотрим это положение на конкретном примере. В сплаве системы Аl - Сu образуется интер-металлическое соединение CuAI2. Если этот сплав нагреть до 500 - 540°С, то частицы СuАl2 растворятся в алюминии. При быстром охлаждении фаза СuАl2 не успевает выделиться из твердого раствора и остается в нем, в результате чего получается упрочнение сплава (закалка). Фазовые изменения в алюминиевых сплавах могут происходить не только при нагреве, но и при комнатной температуре. Для алюминиевых сплавов наиболее широкое распространение получили следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение.

С) Отжиг для разупрочнения.

Закалка может быть применена только для тех сплавов, которые в твердом состоянии могут претерпевать фазовые превращения. Цель закалки - получить в сплаве предельно неравномерную структуру - пресыщенный твердый раствор с максимальным содержанием легирующих элементов. Такая структура обеспечивает возможность дальнейшего упрочнения старением. Сразу после закалки алюминиевые сплавы не становятся более прочными. Они приобретают заданные характеристики прочности после завершения процесса старения, т.е. после окончания фазовых превращений в твердом состоянии.

\ Сплавы алюминия с медью, применяемые в авиастроении.

В авиастроении наиболее широко применяют деформируемые алюминиевые сплавы - дуралюмины Д 1, Д 16, Д 18. Цифры после буквы Д обозначают номер I марки и никакой другой информации не содержат. Эти сплавы относятся к системе Аl - Сu - Mg. Из этих сплавов изготавливают прессованные прутки, листы, профили, плиты и поставляют в промышленные предприятия.

Промышленностью выпускаются высокопрочные алюминиевые сплавы.

Наиболее широко применяют сплавы В 95 и В 96. Прочность у сплава В 95 ?b = 550 МПа, В-96 имеет ?b = 630 МПа, Д 16 - ?b = 440 МПа. Сплавы В 95 и В 96 относятся к системе Аl - Сu - Mg. Кроме указанных компонентов, в сплав В 95 добавлен Zn, а в сплав В 96 - еще Сг.

Алюминиевые сплавы, применяющиеся для ковки и штамповки и отличающиеся высокой пластичностью при температурах обработки 450 - 475°С, подвергают закалке и старению. Наиболее характерными представителями этой группы являются сплавы АК 6 и АК 8 (алюминий ковкий № 6 или 8). Они относятся к системе Аl - Mg - Si - Сu. В сплаве АК 8 содержится значительно больше меди, чем в АК 6. Вот почему для АК 8 ?b = 440 МПа, в то время как для АК 6 ?b = 380 МПа.

Литейные алюминиевые сплавы обладают тем преимуществом, что без дорогостоящей, с большими отходами механической обработки можно получить детали самой сложной пространственной формы.

В авиастроении широко применяют сплавы Ал-9 системы Al-Si-Mg N Л л-19 системы Al-Cu-Mn-Ti. Временное сопротивление сплава Ал-19 достигает 360 МПа. Он обладает устойчивостью против коррозии, хорошими показателями выносливости.

В настоящее время производят группу сложнолегированных литейных алюминиевых сплавов (Ал-20, Ал-21 и др.) системы Al-Cu-Mg с небольшими добавками Ni, Сг, Fe,Ti. Их используют как жаропрочные сплавы для работы при температурах 300 - 350 °С.

Медь и ее сплавы

Медь - один из первых металлов, с которыми познакомился человек. Хотя в земной коре меди немного (до 0,01%), однако известны ее богатые месторождения, в которых встречаются даже самородки. Медь и ее сплавы обладают многими ценными свойствами, что определило ее широкое применение.

Медь - металл красновато-розового цвета с кристаллической структурой в виде ГЦК. В ней не обнаружено полиморфных превращений. Она находит широкое применение в промышленности и обозначается буквой М. Наиболее высокую чистоту имеет медь MB (медь высокой очистки), в ней содержится всего до 0,01 % примесей. Еще меньше примесей (до 0,005 %) в меди МЭ, получаемой электронно-лучевой плавкой.

По электропроводности медь занимает второе место после серебра. Поэтому она - важнейший материал для изготовления электропроводников (провода, шины, кабеля и т.п.). Медь имеет также высокую теплопроводность, в связи с чем ее широко используют в теплообменниках (радиаторы, холодильники и т.п.). Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На основе меди получены сплавы с очень ценными свойствами. Однако медь относится к тяжелым металлам, ее плотность 8,94 г/см 3. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Медь отлично обрабатывается, давлением, но плохо - резанием и имеет плохие литейные свойства, поскольку дает большую усадку. Чистую медь и ее малолегированные сплавы широко используют в электротехнике и других видах производства.

Медь имеет кристаллическую решетку ГЦК, в ней не обнаружено полиморфных превращений. Она находит широкое применение в промышленности и обозначается буквой М. Наиболее высокую чистоту имеет медь MB (медь высокой очистки), в ней содержится всего до 0,01 % примесей. Еще меньше примесей (до 0,005 %) в меди МЭ, получаемой электронно-лучевой плавкой.

Широко применяют сплавы меди с различными элементами. Наиболее распространены следующие легирующие элементы для меди: цинк, алюминий, олово, железо, кремний, марганец, бериллий, никель. Большая часть этих элементов образует с медью твердые растворы.

Медные сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Они могут быть термически упрочняемыми и неупрочняемыми. В промышленности это деление применяют редко. Как правило, медные сплавы делят на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим |элементом является цинк. Их маркируют буквой ЛI и цифрами, характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, Латунь Л 196 содержит около 96% Си и 4% Zn. Если латунь легирована, кроме цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное обозначение легирующих элементов: С - свинец, О - олово, Ж - железо, А - алюминий, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, Ф - фосфор, Б - бериллий, X - хром. Цифры, поставленные после букв, обозначают процентное содержание соответствующего элемента. Например, латунь ЛАЖ 60-1-1 содержит 60% Си, 1% Al, 1% Fe, остальное цинк (38%).

Все латуни хорошо свариваются и паяются, обладают высокими литейными свойствами, легко обрабатываются резанием. Латунь применяют для трубок теплообменников (например, радиаторов), различных деталей арматуры (например, штуцеры), трубопроводов. Легированные латуни применяют также для изготовления деталей приборов, различных патрубков. Вследствие высокой коррозионной стойкости из латуни изготавливают детали, работающие в морской воде.

Бронзы представляют собой все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам бронзы подразделяют на оловянные, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т.п. Бронзы маркируют буквами Бр. Легирующие элементы обозначают так же, как и для латуни. Например, в бронзе БрАЖН 10-4-4 содержится 10% Аl, 4% Fe и 4% Ni, остальное Сu. Бронзы разделяют также по технологическим признакам на литейные и деформируемые.

Медные сплавы в авиастроении

По областям применения они могут подразделяться на жаропрочные, антифрикционные. В обозначениях марок бронз эти свойства не отражаются. Выделяют также группу конструкционных бронз.

Из бронз в авиастроении изготавливают самые разнообразные детали, работающие на трение, пружинящие детали приборов, различные направляющие, шестерни, гайки, втулки, детали подшипник - скольжения.

Бронзы оловянно-фосфористые БрОФб, 5-0,15; Бр 0Ф 7-0,2 хорошо обрабатываются резанием и давлением, паяются и свариваются. Применяют эти бронзы для изготовления деталей приборов, подшипников, работающих в небольших нагрузках.

Бронза оловянно-свинцово-цинковая БрОЦС 5-5-5 весьма коррозионностойка в атмосферных условиях и пресной воде, хорошо обрабатывается резанием. Ее применяют для изготовления различных втулок, прокладок и других деталей.

Конструкционная алюминиево-железная бронза БрАЖ 9-4 обладая высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением. Такую бронзу широко применяют для изготовления шестерен, ниппелей, гаек, шайб и других деталей.

Бронза алюминиево-железоникелевая БрАЖН 10-4-4 обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде. Ее используют для изготовления шестерен, гаек, втулок и других деталей, работающих при высоких температурах.

· Бронза алюминиево-железо-марганцовистая БпАЖМц 10-3-1,5 также обладает высокой коррозионной стойкостью. Из нее изготавливают гайки, направляющие ниппели, шестерни и другие детали.

Существует группа жаропрочных бронз. К ним относится кремнисто-никелевая бронза БрКН 1-3. Она идет на изготовление деталей, работающих при высоких температурах

В последние годы большое распространение получили бериллиевые бронзы, обладающие высокими износостойкостью, прочностными показателями и высоким пределом выносливости. Они могут работать при температуре от - 299 до +250 °С. Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью и токсичностью бериллия. Бериллиевые бронзы БрБ 2 и др. применяют для изготовления особо ответственных плоских пружин, мембран, трубок и других деталей приборов, работающих при знакопеременных температурах и знакопеременных нагрузках. Их используют также для изготовления нагруженных деталей подшипников.

Кроме бронз, в авиастроении используются некоторые марки латуней. Широко применяют латунь Л 96, обладающую высокой коррозионной стойкостью. Из нее изготавливают трубопроводы, радиаторные трубки.

Латунь Л 68 имеет меньшую коррозионную стойкость, но хорошо обрабатывается давлением.

Большое распространение получила латунь свинцовая ЛC59-1. Она коррозионностойка даже в морской воде. Ее применяют для изготовления труб шпилек, ниппелей, втулок. Трубопроводы для топлива и коррозионно-активных жидкостей изготавливают из оловянных латуней Л 70-1 и Л 62-1.

Весьма коррозионностойка латунь алюминиево-железная ЛАЖ 1-1. Она служит для изготовления деталей, работающих в контакте с пресной и морской водой и для изготовления фасонных деталей приборов.

Во влажном воздухе латунь окисляется меньше, чем сталь.

Роль меди и других цветных металлов в аэрокосмической промышленности

В аэрокосмической промышленности привыкли действовать дальновидно и предусмотрительно. Разработка новых материалов и техник позволяет отнести авиастроение к тем областям промышленности, где краткосрочные затраты могут обеспечить значительную экономию на протяжении всего срока службы продукта. Здесь использование медных бериллиевых сплавов рассматривается для определения того, какие их свойства позволяют им быть такими выгодными и как эти свойства могут быть использованы в долгосрочной перспективе экономии.

Больше, чем в любой другой крупной промышленности, в авиастроении относительно небольшие изменения в дизайне могут иметь огромное экономическое влияние на продукт в течение срока его службы. Разумеется, первоначальная стоимость самолета значительна, но в то же время есть большие шансы, чтобы внедренная оптимизация позволит окупить затраты на производство сторицей. Ярким примером этого, конечно же, являются самолеты EADS, Airbus A380 или Boeing 787 (рисунки 3,4,5).

Рисунок 3 Airbus A380

Рисунок 4 Boeing 787

Бериллиевая медь является идеальным материалом для изготовления этих поверхностей износа по ряду причин. Прежде всего, бериллиевые медные сплавы, такие как C17200 и C82500, обладают более высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и несущей способностью, чем любой другой медный сплав. Эти сплавы образуют тонкую, стойкую окись на их поверхности, которая действует как самовосстанавливающаяся смазка. Втулки, которые испытывают повторяющийся контакт с поверхностью на поверхности, требуют использования материалов, которые не изнашиваются, чтобы поддерживать гладкую поверхность. Отличные неустойчивые характеристики бериллиевых медных сплавов умело выполняют это требование. Кроме того, бериллиевые медные сплавы обладают отличными тепловыми свойствами, с низкими коэффициентами теплового расширения и отличной термической стабильностью. Это важнейшие свойства материалов, используемых в аэрокосмических применениях, которые могут подвергаться воздействию экстремальных температур.

Было продемонстрировано, что сплавы из бериллиевых медных сплавов могут использоваться не только для износостойкости. Их отличная твердость и прочность означают, что они также в высшей степени способны выполнять конструктивные роли в планете. Иногда просто невозможно ввести специальную износостойкую поверхность, в этих случаях сплавы из бериллиевой меди с их превосходными износостойкими свойствами могут быть просто использованы вместо стали или других материалов.

Дополнительным преимуществом сплавов меди из бериллия, повышающим их привлекательность в некоторых применениях, является отличная текучесть расплавленного материала. Особенно хорошо проявляется текучесть сплавов с более высоким содержанием бериллия, таких как C82800. Эта текучесть делает их идеальными для сложных отливок. Конструкции, такие как корпуса трубок Пито, включают в себя очень тонкие литые конструкции и могут быть отлиты только в том случае, если материал расплава обладает отличной текучестью. По этой причине корпуса трубок Пито для высокоскоростных самолетов обычно изготавливаются из этих бериллиевых медных сплавов (C82500 или C82800). Другим примером такого типа применений, который в настоящее время видит широкое внедрение бериллиевых медных сплавов, являются впускные направляющие лопасти вертолетных турбин, что в очередной раз требует сочетания хорошей удельной прочности, термической стабильности и отличной текучести, которую обеспечивают только бериллиевые медные сплавы.

Рисунок 5 Детали шасси самолета выполняют из медно-бериллиевых сплавов

Другая область аэрокосмического дизайна, в которой бериллиевые медные сплавы оказались полезными, - это измерительные приборы. Конструкции самолетов оптимизированы для аэродинамики, чтобы минимизировать затраты на топливо. Это означает, что части самолета могут столкнуться с серьезными ограничениями на упаковку. Клещи приборостроения являются одним из таких критически важных для космоса приложений, поэтому для минимизации объемов требуется очень высокая прочность, как правило, это исключает возможность использования алюминиевых сплавов и оставляет возможности только из высокопрочных сталей, титановых сплавов и бериллиевых медных сплавов. Остальные стальные сплавы, в свою очередь, должны быть устранены из-за их железной природы, которая вызывает магнитные помехи в чувствительных инструментах, таких как гироскопы. Наконец, титановые сплавы являются дорогостоящими, с которыми трудно работать и у которых не самые лучшие литейные качества. С другой стороны, сплавы из бериллиевых медных сплавов, с которыми намного легче работать, обладающими отличной обрабатываемостью и свариваемостью, а также отличными литейными качествами, что делает их оптимальным выбором для этих типов применений.

Аэрокосмическая промышленность является одной из тех, которая стремится к максимальной эффективности. Границы небольшие, и небольшие различия в дизайне деталей могут привести к значительной экономии в течение всего срока эксплуатации. Первоначальные дополнительные затраты на производство, такие как добавление изношенных поверхностей или замена более дорогих материалов с улучшенными свойствами, могут привести к реальной и значительной стоимости за ASM-сокращения, которые быстро складываются в течение срока службы самолета. Аналогичным образом, для удовлетворения жестких требований к поверхности, требуемых экономичными аэродинамическими конструкциями, высокая прочность при низких объемах имеет решающее значение в некоторых применениях. Бериллиевые медные сплавы продемонстрировали свою способность удовлетворять этим требованиям.

Медные сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Они могут быть термически упрочняемыми и неупрочняемыми. В промышленности это деление применяют редко. Как правило, медные сплавы делят на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.

Латунями называют сплавы меди, в которых главным легирующим элементом является цинк. Их маркируют буквой ЛI и цифрами, характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, Латунь Л 196 содержит около 96% Си и 4% Zn. Если латунь легирована, кроме цинка, другими элементами, то после буквы Л ставят условное Обозначение легирующих элементов: С - свинец, О - олово, Ж - железо, А - алюминий, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, Ф - фосфор, Б - бериллий, X - хром. Цифры, поставленные после букв, обозначают процентное содержание соответствующего элемента. Например, латунь ЛАЖ 60-1-1 содержит 60% Си, 1% Al, 1% Fe, остальное цинк (38%).

Все латуни хорошо свариваются и паяются, обладают высокими литейными свойствами, легко обрабатываются резанием. Латунь применяют для трубок теплообменников (например, радиаторов),

различных деталей арматуры (например, штуцеры), трубопроводов. Легированные латуни применяют также для изготовления деталей приборов, различных патрубков. Вследствие высокой коррозионной стойкости из латуни изготавливают детали, работающие в морской воде.

Бронзы представляют собой все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам бронзы подразделяют на оловянные, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т.п. Бронзы маркируют буквами Бр. Легирующие элементы обозначают так же, как и для латуни. Например, в бронзе БрАЖН 10-4-4 содержится 10% Аl, 4% Fe и 4% Ni, остальное Сu. Бронзы разделяют также по технологическим признакам на литейные и деформируемые.

По областям применения они могут подразделяться на жаропрочные, антифрикционные. В обозначениях марок бронз эти свойства не отражаются. Выделяют также группу конструкционных бронз.

Из бронз в авиастроении изготавливают самые разнообрааи детали, работающие на трение, пружинящие детали приборов, различные направляющие, шестерни, гайки, втулки, детали подшипника скольжения и др.

Наиболее широко применяемые бронзы и латуни.

Бронзы оловяно-фосфористые БрОФб, 5-0,15; Бр 0Ф 7-0,2 хорошо обрабатываются резанием и давлением, паяются и свариваются. Применяют эти бронзы для изготовления деталей приборов, подшипников, работающих при небольших нагрузках.

Бронза оловянно-свинцово-цинковая БрОЦС 5-5-5 весьма корозионностойкая в атмосферных условиях и пресной воде, хорошо обрабатывается резанием. Ее применяют для изготовления различных втулок, прокладок и других деталей.

Конструкционная алюминиево железная бронза БрАЖ 9-4 обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением. Такую бронзу широко применяют для изготовления шестерен, ниппелей, гаек, шайб и других деталей.

Бронза алюминиево-железо-никелевая БрАЖН 10-4-4 обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде. Ее используют для изготовления шестерен, гаек, втулок и других деталей, работающих при высоких температурах.

Бронза алюминиево-железо-марганцовистая БпАЖМц 10-3-1,5 также обладает высокой коррозионной стойкостью. Из нее изготавливают гайки, направляющие ниппели, шестерни и другие детали.

Существует группа жаропрочных бронз. К ним относится кремнисто-никелевая бронза БрКН 1-3. Она идет на изготовление деталей, работающих при высоких температурах

В последние годы большое распространение получили бериллиевые бронзы, обладающие высокими износостойкостью, прочностными показателями и высоким пределом выносливости. Они могут работать при температуре от - 299 до +250 °С. Широкое применение бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью и токсичностью бериллия. Бериллиевые бронзы БрБ 2 и др. применяют для изготовления особо ответственных плоских пружин, мембран, трубок и других деталей приборов, работающих при знакопеременных температурах и знакопеременных нагрузках. Их используют также для изготовления нагруженных деталей подшипников.

Кроме бронз, в авиастроении используются некоторые марки латуней. Широко применяют латунь Л 96, обладающую высокой коррозионной стойкостью. Из нее изготавливают трубопроводы, радиаторные трубки. Латунь Л 68 имеет меньшую коррозионную стойкость, но хорошо обрабатывается давлением.

Большое распространение получила латунь свинцовая ЛC59-1. Она коррозионностойка даже в морской воде. Ее применяют для изготовления труб шпилек, ниппелей, втулок. Трубопроводы для топлива и корозионно-активных жидкостей изготавливают из оловянных латуней Л 70-1 и Л 62-1.

Скорости и высота полетов росли. Требовались высокопрочные сплавы. В середине 50-х годов академик И.Н. Фридляндер совместно со своими коллегами В.А. Ливановым и Е.И. Кутайцевой разрабатывает теорию легирования высокопрочных сплавов. Введение в систему алюминий - медь - цинка и магния позволило резко увеличить прочность материала. Так возник сплав В-95, обладающий прочностью 550-580 Мпа (~ 5500- 5800 кгс/см 2) и в то же время имеющий хорошую пластичность. У него был один изъян: недостаточная коррозионная стойкость, что, однако, устранялось путем двухступенчатого искусственного старения. Новый сплав получил признание авиастроителей не сразу. В это время А.Н. Туполев создавал новый пассажирский лайнер Ту-154. Проект никак не укладывался в заданные весовые характеристики, и тогда генеральный конструктор сам позвонил Фридляндеру, обратившись за помощью, на что тот, конечно же, предложил использовать новый сплав. Проект новой машины переработали. Сплав В-95 нашел свое место для верхней поверхности крыла, из него изготовили прессованные панели и стрингеры, значительно снизив вес самолета. Такие же исследования параллельно шли в США. Там возникли сплавы серии 7000, в частности сплав 7075 - полный аналог нашего сплава. Нагрузки, которые испытывает крыло самолета, неравноценны. Если верх крыла работает в основном на сжатие, то нижняя часть - на растяжение. Поэтому ее по-прежнему делали из дуралюмина Д-16, имеющего более высокие пластичность и порог усталости. Но и этот сплав претерпел серьезную модификацию за счет повышения чистоты по примесям при литье слитков. Технологические усовершенствования были столь значительны, что появился фактически новый материал - сплав 1163, который и в настоящее время успешно используется в нижних обшивках крыла и всего фюзеляжа.

Список литературы

1. Большая Советская Энциклопедия. Изд. третье. М.: "Советская энциклопедия", 1974.

2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина - Материаловедение. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 648 с.

3. Ю.М. Лахтин Основы металловедения. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.

4. J. Davis, Copper and Copper Alloys. ASM International, 2001.

5. P. Sriram and V. Rao, "Recent developments in cast non ferrous bearing materials," 54th Indian Foundry Congress, 2006.

Размещено на Allbest.ru

...