Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов
Подождите немного. Документ загружается.
Металлография
промышленных
цветных
металлов
и сплавов
М « В .М а л ь ц е в
УДК 620.18.182
Металлография промышленных цветных металлов
и сплавов. Мальцев М. В., 2-е изд. Изд-во «Ме
таллургия», 1970, 364 с.
Рассмотрены структура, свойства и применение
цветных металлов и сплавов.
Структуры важнейших промышленных сплавов
иллюстрированы соответствующими микрофотогра
фиями, объединенными в отдельном атласе.
Рассчитано на работников металловедческих ла
бораторий заводов и научно-исследовательских инсти
тутов Может быть полезна аспирантам и студентам
металлургических вузов. Илл. 302. Табл. 85. Библ.
130 назв.
3-11-1
192-69
ПРЕДИСЛОВИЕ
Со времени подготовки и выхода в свет первого издания кни
ги прошло около десяти лет За это время появилось много но
вых сплавов на основе алюминия, магния, никеля и других
цветных металлов.
Многие сплавы, ранее считавшиеся опытными, перешли в
разряд промышленных сплавов. Значительный прогресс достиг
нут в области разработки и внедрения в промышленность новых
титановых сплавов.
В связи с развитием специальных областей техники промыш
ленное применение получили новые конструкционные материа
лы на основе тугоплавких и некоторых редких металлов.
Все это потребовало коренной переработки книги во всех ее
основных разделах.
Главы I, И, IV и VII подверглись коренной переработке, а
глава VIII (Тугоплавкие металлы) написана вновь.
Существенно изменены разделы. оловянистые бронзы,
бериллиевые и алюминиевые бронзы, подшипниковые сплавы и
др. Пересмотрен и значительно дополнен атлас макро- и микро
структур сплавов.
Основной материал книги написан проф. докт техн. наук
М. В. Мальцевым. Им же подготовлен атлас макро- и микро
структур сплавов.
В подготовке материалов и написании подраздела «Двойные
оловянистые бронзы» (глава III, § 3, п. 2) принимала участие
доц., канд. техн. наук Т А. Барсукова.
Автор выражает искреннюю признательность заслуженно
му деятелю науки и техники проф. докт. техн. наук И. Ф. Ко-
3
лобневу за ценные указания, сделанные при рецензировании
рукописи, а также приносит глубокую благодарность акад.
А. А. Бочвару, проф. докт техн. наук М. В Захарову и проф.
докт техн. наук И. И. Новикову сделавших ряд ценных указа
ний которые позволили улучшить книгу
Автор надеется, что предлагаемая книга будет служить
практическим руководством для работников металловедческих
лабораторий заводов и научно-исследовательских институтов, а
также может быть полезна студентам металлургам и техно
логам.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, цветные металлы и сплавы все шире примени
ют в различных областях народного хозяйства.
Общеизвестно широкое применение алюминиевых и магние
вых сплавов в авиационной промышленности. Можно без пре
увеличения сказать, что без легких сплавов невозможно было
бы развитие современной авиации. Удачное сочетание малого
удельного веса с относительно высокой прочностью предопреде
лило их широкое применение не только в авиастроении, но и в
других областях техники. Изделия и полуфабрикаты из алюми
ниевых и магниевых сплавов, полученные литьем и обработкой
давлением, являются важнейшими конструкционными материала
ми в транспортном машиностроении, в автотракторной про
мышленности, в судостроении, в приборостроении и т д. За пос
ледние годы легкие сплавы все больше применяют в граждан
ском строительстве, для бытовых целей.
Высокая электропроводность и химическая стойкость чисто
го алюминия позволили широко использовать его в электротех
нике и химическом аппаратостроении.
Многими ценными качествами обладают такие цветные ме
таллы, как медь, никель, цинк и др. Медь после серебра является
лучшим проводником тока, что обусловило ее широкое приме
нение в электротехнике. Медь служит также основой многих
важных промышленных сплавов латуней, бронз и др
Никель является основным компонентом большинства элек
тротехнических, жаростойких, жаропрочных и коррозионностой
ких сплавов. Весьма широко никель используют в гальванотех
нике для защитных покрытий. Он является важнейшим компо
нентом в лучших специальных сталях.
Такие металлы, как свинец, олово, служат основой большин
ства подшипниковых сплавов, припоев, типографских и других
сплавов.
Огромную роль, особенно в новой технике, играют титан,
цирконий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал и др. Титан со
ставляет основу новых конструкционных высокопрочных и кор
розионностойких сплавов. Некоторые сплавы на основе титана
5
по своей удельной прочности прочности на единицу веса) зна
чительно превосходят алюминиевые и магниевые сплавы и ста
ли. Сплавы на основе циркония являются наиболее стойкими в
ряде агрессивных сред. Тугоплавкие металлы вольфрам, молиб
ден, тантал, ниобий) и их сплавы являются важнейшими кон
струкционными материалами новой техники.
Правильное и наиболее рациональное использование метал
лов и сплавов для нужд промышленности требует прежде все
го глубокого знания их природы и свойств.
Современное развитие металлургии, машиностроения и дру
гих отраслей народного хозяйства выдвигает целый ряд задач
по изысканию новых металлических материалов, по замене од
них материалов другими, по улучшению и совершенствованию
технологии производства, снижению брака и отходов.
Успешное решение всех этих задач требует от работников
промышленности глубоких знаний в области металлографии ме
таллов и сплавов, необходимых представлений об общих зако
нах изменения важнейших свойств сплавов от их состава и стро
ения, а также овладения современными методами исследования
металлов. Металлург, вооруженный этими знаниями, сможет
более уверенно и успешно производить поиски новых сплавов,
правильно строить технологический процесс их литья, механи
ческой и термической обработки. Глубокие знания современных
методов исследования и их широкое применение позволяют не
только выявить общую картину строения промышленных ме
таллов и сплавов и их основные физико-химические характери
стики, но и установить многие детали сложнейших технологи
ческих процессов.
I
ГЛАВА АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
§ 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Алюминий один из важнейших промышленных
металлов. Обладая комплексом ценных физико-химических
свойств, он широко применяется в чистом виде и является осно
вой многих промышленных легких сплавов. Ниже приведены
важнейшие физические свойства алюминия.
Атомный вес
26 9825
Атомный радиус, А
1 43
Атомный объем, смг/г-атом
10 0
Кристаллическая решетка
г.ц.к.
Период решетки, А
Плотность, г!смг
4 0413
2,71
Температура плавления, °С
.660 24 (для
алюминия
чистотой
99,996%),
658 (для тех
нического
алюминия
ЧИСТОТОЙ
99 5%)
2450
96
3050
0,214
0,308
0 503
23,86
24,7
25,6
2,66
5 94
0 23
В промышленности выпускают алюминий различной чистоты.
Промышленные сорта алюминия и их назначение даны в табл. 1
7
Температура кипения, °С
Скрытая теплота плавления, кал/г
Скрытая теплота испарения, кал/г
Удельная теплоемкость, ккал/(г град) при темпера
туре, °С:
20
700
Теплопроводность при 25°С, кал/см сек град
Коэффициент линейного расширения, 1 /град, при тем
пературе, °С.
20—100 . .
20— 200
20—300
Удельное электросопротивление при 20° С, мком см
Ионизационный потенциал, эв
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов,
барн/атом
Т аблица 1
Промышленные марки алюминия (ГОСТ 3549—58)
Химический состав,
%
Марка
А1
примесей, не более
всего Примерное назначение
Fe
Si
Fe + Si
Си
приме
сей
АВОООО
АВООО
АВОО
АВО
99 996
99 99
99 97
99 93
0,0015
0,0030
0 015
0 04
0,0015
0 0025
0 015
0 04
0 0010
0 0050
0 0050
0 01
0,004
0 010
0 03
0 07
Для исследовательских
и других специальных це
лей
А00
АО
99 7
99 6
0 16
0 25
0 16
0 20
0 26
0 36
0 01
0 01
0 30
0 40
Для фольги: для осо
бых случаев плакировки
кабельных и токопроводя
щих изделий, алюминие
вых сплавов специального
назначения и в химиче
ской промышленности
А1
99 5
0 30 0 30
0 45
0 015
0 50
Для токопроводящих
изделий, алюминиевых
сплавов, плакировки, фо
льги, красочной пудры и
посуды
А2
99 0
0 50
0 50 0 90
0 02
1 0
Для сплавов на алю
миниевой и других осно
вах, алюминиевой посуды,
кабельных и токопрово
дящих изделий и специ
альных лигатур
АЗ
98,0
1 1
1 0
1 80 0 05
2 0
Для подшихтовки алю
миниевых сплавов, для
лигатур, алюминотермии и
изделий широкого потреб
ления
В зависимости от содержания примесей он имеет различную
структуру, физико-химические и механические свойства [1].
Чистейший алюминий АВОООО, АВООО) при кристаллизации да
ет крупное зерно с ярко выраженной направленностью в струк
туре.
На рис. 1 атласа показана структура слитка алюминия вы
сокой чистоты (99,99% А1), отлитого полунепрерывным мето
дом.
Образование крупнозернистой ориентированной структуры в
слитках является причиной возникновения межкристаллитных
трещин при литье и обработке и порождает анизотропию
свойств в литом металле. Для получения равномерной мелко
зернистой структуры в слитках и отливках было предложено [2]
вводить в алюминий и его сплавы микродобавки тугоплавких
элементов — тантала, титана, циркония, бора и др Эффект воз
8
действия некоторых из этих добавок на величину зерна литого
металла показан на рис. 1 и 2.
Резкое измельчение зерна, по данным работ [2, 3], связано с
образованием в расплаве частиц тугоплавких металлических
соединений алюминия с вводимыми добавками (ТаА13, TiAl3,
ZrAl3 и др , которые играют роль зародышевых центров при
кристаллизации зерна алюминия. Кристаллизация из многих
центров, искусственно созданных в расплаве, приводит к обра
зованию мелкозернистой структуры в слитках.
Формирование отдельных дендритных зерен алюминия на
частицах указанных соединений (на примере добавок титана
показано на рис. 3, а.
50 0
А 10.050,1 0,2 0,3 ОМ 0,5 0 ,6 0 ,7 0 .8 0 .9 1
Содержание Ti, %
Рис. 1 Влияние титана на размер зер
на алюминия высокой чистоты
(99,99 о/о А1) [3]
А 1 0 J 0,2 0,3 0!* 0,5 0,0 0.7 0.8 0.9 /
Содержание Zr %
Рис. 2. Влияние циркония на размер
зерна алюминия высокой чистоты
(99.99% А1 [3]
Однако как было показано в работах [3, 4], не всякая туго
плавкая частица, созданная в расплаве, может являться цент
ром кристаллизации.
Зародышами «затравками») для кристаллизации алюминия
могут быть частицы, имеющие более высокую температуру плав
ления, чем сам алюминий, и обладающие с ним определенным
структурным сходством.
Степень структурного и размерного соответствия решеток ту
гоплавких соединений и решетки алюминия в сопрягаемых
гранях определяют интенсивность модифицирующего воздейст
вия отдельных добавок.
Указанные условия хорошо выполняются для частиц метал
лических соединений ТаА13 и TiAl3, которые являются наиболее
эффективными модификаторами алюминия.
9
Частицы тугоплавких соединений например, Сг2А17), не
удовлетворяющие перечисленным выше требованиям, не могут
Рис. 3. Микроструктура сплавов алюминия. Травлено 0,5%-ной HF X 600:
а — сплав 25% Си, 0,5% Ti; б — сплав 25% Си, 0,5% Сг ост. А1
служить базой для формирования зерен алюминия и они распо
лагаются обособленно, вне зерен алюминия (рис. 3, б)
На рис. 4 показана схема со
пряжения решеток алюминия и
соединения TiAl3 по плоскости
(001 (грань куба из которой
видно, что пристройка атомов
алюминия возможна без суще
ственного нарушения поля решет
ки соединения TiAl3. Описанный
выше способ искусственного из
менения (модифицирования
структуры литого алюминия и
его сплавов в настоящее время
получил широкое применение в
промышленности.
Чистый алюминий марок
АВОООО и АВООО практически не
содержит примесей и имеет чи
стые границы.
Микроструктура алюминия
высокой чистоты (99,99% А1) при
обычном и большом увеличении
показана на рис. 2 атласа. Сопутствующие алюминию примеси
(железо, кремний и др ) оказывают существенное влияние на
его структуру, образуя различные соединения, отлагающиеся на
границах зерен и внутри них.
Рис. 4. Схема сопряжения решеток
алюминия и химического соедине
ния TiAl3 по граням (001 [3]:
Т 1А 13;
- • — кристаллическая решетка
С
-----
О кристаллическая
решетка А1
ю