ЖАРОПРОЧНЫЕ ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ, ИХ СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ

Рабочие температуры различных групп жаропрочных сплавов определяют их температурами солидуса, а последние - температурами плавления основ, т.е. растворителей.

Магний (650° С), алюминий (660° С), титан (1670°С), медь (1084°С), железо (1539° С), никель (1455° С), кобальт (1492° С), ванадий (1900°С) хром (1875°С), ниобий (2468°С), молибден (2625° С), тантал (3000° С), вольфрам (3380° С).

Как видно, из этой последовательности "выпадают" только титановые жаропрочные сплавы и жаропрочные стали, что объясняется полиморфизмом и другими свойствами их растворителей.

МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Основой жаропрочных магниевых сплавов является очень легкий металл магний, имеющий г. п. у. решетку, плотность =1,74 г/см, модуль нормальной упругости

Е=45700 Мн/м² (4570 кГ/мм) и температуру плавления г 650°С.

Магниевые сплавы - самые легкоплавкие по сравнению с жаропрочными сплавами других групп, поэтому их рабочие температуры сравнительно невысоки (не превышают 300-350° С). Этим определяются также небольшие значения характеристик длительной прочности и - ползучести магниевых сплавов 'при повышенных температурах.

Несмотря на это, жаропрочные магниевые сплавы, благодаря их легкости, высокой вибрационной прочности, жесткости и достаточной удельной жаропрочности могут применяться ц конструкциях ответственных летательных аппаратов (авиационная и ракетная техника и др.) - По удельной прочности и жаропрочности наилучшие магниевые сплавы превосходят жаропрочные алюминиевые сплавы. Немаловажное значение имеют большие запасы магния в земной коре [2,1% (по массе), и его сравнительно невысокая стоимость.

Правда, жаропрочные магниевые сплавы заметно уступают алюминиевым по технологичности (при плавке,. литье, обработке давлением и термической обработке),. коррозионной стойкости и прочностным свойствам при г комнатной температуре [аи==320 - 330 Мн/м2 (32 - 33 кГ/мм2)]. Коррозионную стойкость магниевых сплавов повышают методами химической и лакокрасочной защиты.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Алюминий в отличие от магния имеет г. ц. к. решетку и более высокий модуль нормальной упругости Е=73800 Мн/м² (7380 кГ/мм²), поэтому алюминиевые сплавы при нормальной температуре более прочны и пластичны, чем магниевые. При повышенных же температурах (например, 300° С) алюминиевые сплавы по удельной жаропрочности несколько уступают магниевым сплавам, так как удельный вес алюминия примерно в 1,5 раза больше, чем у магния (2,7 против 1,74 г/см ).

Температура плавления алюминия на 10 град выше, чем у магния (660 вместо 650° С). Длительная твердость при 300° С у алюминия также несколько выше чем у магния: 40 вместо 30 Мн/м (4 вместо 3 кГ/мм), что, по-видимому, и определяет более высокий уровень рабочих температур алюминиевых сплавов (350-400° С) по сравнению с рабочими температурами магниевых сплавов (300-350° С).

По распространенности в природе алюминий занимает второе место (после кремния). Содержание алюминия в земной коре составляет около 8,8% (по массе), что свидетельствует о больших запасах алюминиевого сырья. По стоимости алюминий примерно на 40% дешевле меди.

Характерная особенность алюминиевых сплавов по сравнению с магниевыми-высокая технологичность. В отличие от магниевых сплавов алюминиевые сплавы не нуждаются в специальной защите при плавке, литье, термической обработке и других технологических операциях. Плотная окисная пленка из AI2O3, образующаяся на алюминиевых сплавах, хорошо защищает их от окисления при комнатнойи повышенных температурах.

Из-за высокой тепло - и электропроводности чистого алюминий составляющих примерно 65% от этих свойств меди, некоторые жаропрочные малолегированные алюминиевые сплавы в настоящее время применяют вместо меди как проводниковые материалы.

ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Современные жаропрочные титановые сплавы, так же как магниевые и алюминиевые сплавы, относятся к легким конструкционным материалам (плотность титана 4,5 г/см). Благодаря высокой удельной прочности и жаропрочности, коррозионной стойкости в различных средах и хорошей свариваемости их применяют в авиационной, ракетной и других областях техники (обшивка сверхзвуковых самолетов, детали реактивных двигателей и др.).

Рабочие температуры жаропрочных титановых сплавов пока составляют 450-500° С. По пределу длительной прочности при 300-350°С они превосходят лучшие жаропрочные алюминиевые сплавы в 8-10 раз, а при более высоких температурах алюминиевые и тем более магниевые сплавы вообще неприменимы.

Кратковременно современные жаропрочные титановые сплавы могут работать при температурах 600 - 650°С и выше. Длительное же использование (сотни часов и более) их в окислительных средах при температурах выше 500°С невозможно из-за сильного окисления; покрытий, обеспечивающих надежную защиту титановых сплавов от окисления, пока нет.

В последние годы некоторые жаропрочные титановые сплавы стали применять не только в деформированном, но и литом состоянии (сплавы типа ВТ5 и др.). Многие деформируемые титановые сплавы благодаря узкому интервалу кристаллизации обладают хорошими литейными свойствами и сохраняют достаточную пластичность в литом состоянии при комнатной температуре δ >=5 - 7% и ψ>=10-15%).

МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

Медь является одним из важнейших дефицитных цветных металлов, удачно сочетающим в себе высокую электро - и теплопроводность с достаточной прочностью.

До недавнего времени механические свойства меди и ее сплавов изучали лишь при комнатной температуре.

Систематических данных о влиянии легирующих элементов на физико-механические свойства меди при повышенных и тем более высоких температурах до пятидесятых годов практически не было.

Между тем, с развитием новых областей техники возникла острая потребность в медных сплавах, которые наряду с высокой прочностью и жаропрочностью одновременно обладали бы высокой тепло - и электропроводностью. Если та или иная деталь хорошо отводит тепло и проводит ток, то она меньше нагревается и при наличии необходимой жаропрочности длительнее сопротивляется пластическим деформациям при повышенных температурах. Именно такие медные сплавы в настоящее время представляют наибольший практический интерес.

Благодаря высокому теплоотводу (при интенсивном охлаждении) теплопроводные жаропрочные медные сплавы могут работать в таких условиях, которых не выдерживают жаропрочные сплавы на основе железа и другие малотеплопроводные сплавы.

Таким образом, стойкость и работоспособность медных сплавов при повышенных температурах в основном зависит от оптимального сочетания жаропрочности и тепло - или электропроводности.