4.3. Кольорові метали, їх різновид, маркування та зварюваність.
КОЛЬОРО́ВI МЕТА́ЛИ – технічна назва всіх металів і їхніх сплавів, крім заліза та заліза сплавів.
Умовно кольорові метали поділяють на:
- легкі (алюміній, титан, магній),
- важкі (мідь, цинк, нікель, олово, свинець; застосовують у машинобудуванні),
- дорогоцінні (золото, срібло, платина; використовують переважно в ювелір. пром-сті),
- лужні (калій, натрій, літій), лужноземел. (кальцій, барій, стронцій; застосовують у хімії),
- рідкісні важкі (кадмій, вольфрам, молібден, манган, кобальт, ванадій, вісмут; сплавляють з важкими).
Більшість з них мають високу електропровідність (срібло, мідь, золото, алюміній).
Корозійностійкими є золото, хром, ніобій, тантал, свинець. За структурою плавлення кольорові метали поділяють на легко- (цинк, свинець, кадмій, вісмут, олово), середньо- (мідь) та тугоплавкі (титан, хром, ванадій, цирконій). Їх класифікують також за міцністю.
Мідь - це в'язкий метал рожево-червоного кольору. Майже 150 мінералів земної кори концентрують у собі мідь. Першим освоєним мінералом була самородна мідь, яка вже давно втратила першорядне значення. Майже 90% міді сьогодні отримують із сульфідів - сполук міді з сіркою. Головним серед сульфідів є мінерал халькопірит. Він становить найбільшу мідну сировину в усьому світі. Мідь добре проводить тепло, має високу стійкість до корозії і гарну оброблюваність. Вона містить деяку кількість домішок сурми, свинцю і вісмуту. З найбільш чистої міді виготовляють електродроти та струмопровідні деталі. Інші марки застосовують для прокатування різних профілів: листів, труб, стрічок, дротиків, фольги та ін.
Для міді встановлено такі марки: М00, М0, МІ, М2, МЗ і М4. Мідь М0 містить до 0,05% домішок, а М4 - 1%. З міді МЗ виготовляють труби. Мідь МЗ та М4 використовують для одержання мідних сплавів, які широко застосовують для виготовлення деталей машин, трубопровідної та санітарно-технічної арматури, приладів тощо.
Мідні сплави - це латуні та бронзи.
Латунь - це сплави міді з цинком. Коли цинку менше 20%, латунь називають томпаком. Крім цинку, в латунях міститься незначна кількість домішок (до 7-8%), які надають їм спеціальних властивостей, - залізо, марганець, кремній, алюміній та ін. Латуні маркуються літерою Л (латунь) і числом, яке вказує на процентний вміст міді. Наприклад, латунь Л62 містить 62% міді та 38% цинку. Якщо в складі латуні є спеціальні домішки, то після літери Л пишуть літерні значення домішок: заліза - З, марганцю - Мц, алюмінію - А, свинцю - С, кремнію - К тощо, а після числа, що вказує на процентний вміст міді, стоять числа, які вказують на процентний вміст домішок. Наприклад, латунь ЛМцС58-2-2 містить 58% міді, 2% марганцю, 2% свинцю та 38% цинку.
За технологічними ознаками латуні поділяють на ливарні та такі, що обробляються тиском (деформівні). Для покращення механічних властивостей та оброблюваності латуні в мідно-цинковий сплав додають 2...8 % заліза, алюмінію, нікелю та інших елементів. Такі латуні називають спеціальними.
Латуні ливарні застосовують для отримання виробів шляхом лиття. З латуні ЛА67-2,5 відливають деталі, які мають високу стійкість до корозії.
З латуні ЛС59-1Л виготовляють корпуси та інші деталі трубопровідної та санітарно- технічної арматури. Літера Л у кінці марки означає, що латунь ливарна.
Латуні ЛС59-1, Л62 та ін., що їх оброблюють тиском, призначені для виготовлення шляхом прокатування листів, фольги, дротиків та труб. Дротики, листи використовують для деталей санітарно-технічної арматури, санітарних пристроїв (кріпильних деталей, шпинделів вентилів та кранів, сальникових втулок, шайб тощо).
Бронзою називають сплав міді з оловом та іншими елементами, крім цинку. Розрізняють прості (олов'янисті) та спеціальні (безолов'янисті) бронзи. В спеціальних бронзах олово замінено свинцем, алюмінієм, залізом, манганом, кадмієм, берилієм. Залежно від хімічного складу такі бронзи називаються свинцевистими, алюмінієвими, манганистими, берилієвими тощо. Як і латуні, бронзи поділяють на ливарні та деформівні.
Бронзи мають високу стійкість до корозії, гарні ливарні якості; легко піддаються механічній обробці. Бронзи можуть містити домішки, які значно поліпшують їхні властивості.
Олов'яниста бронза містить 6-12% олова, з вмістом олова понад 22% бронза стає крихкою. Олово надає бронзі високої рідкотекучості, підвищеної стійкості проти корозії та гарних антифрикційних властивостей.
Цинк покращує рідкотекучість бронзи, збільшує її міцність і знижує вартість за рахунок заміни частини дефіцитного олова.
Свинець поліпшує антифрикційні властивості та оброблюваність бронзи, підвищує її рідкотекучість.
Алюмінієва бронза містить 5-10% алюмінію. Вона має вищі, ніж олов'яниста бронза, механічні властивості, більшу міцність на розрив і пластичність, а також стійкість до корозії.
Бронзи маркують літерами Бр (бронза), за якими стоять початкові літери назв їхніх складників, після них - числа, які вказують на процентний вміст цих складників. Наприклад, БрОЦС5-5-5 містить 5% олова, 5% цинку, 5% свинцю та 85% міді, бронза марки БрА5 містить 5% алюмінію та близько 95% міді.
Бронзи широко застосовують для виготовлення деталей трубопровідної арматури (вентилів, кранів), змішувачів холодної та гарячої води, туалетних кранів тощо.
Алюміній - легкий, пластичний метал сріблясто-білого кольору, проводить тепло й електричний струм, легко піддається обробці. За сировинними запасами алюміній найпоширеніший у природі елемент, що міститься в багатьох мінералах. Найбільш поширені з них боксити і глиноземи. Ця обставина і можливість одержання на основі алюмінію необхідних техніці сплавів - одна з умов великого майбутнього алюмінію.
Залежно від хімічного складу алюміній поділяється на алюміній особливої чистоти А999, який містить 99,999% алюмінію, високої чистоти А995-А99, А97, А95, який містить алюмінію відповідно від 99,995 до 99,95% і технічної чистоти А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е та АО, який містить алюмінію відповідно від 99,85% до 99%. Алюміній містить домішки: залізо, кремній, мідь, цинк, титан та ін.
В алюміній технічної чистоти, який постачається у вигляді злитків (чушок) для подальшої обробки тиском, входить титан у кількості до 0,1% для марок А85, А8, А7 і А5 і в кількості до 0,15% для марки АО.
Алюміній має добру пластичність, високу корозійну стійкість у прісній воді, за атмосферних і деяких інших умов. На повітрі поверхня алюмінію покривається тонкою плівкою оксиду алюмінію А1203, яка захищає від окислення нижчі шари металу.
Алюміній широко використовують для виготовлення електродротів, хімічної апаратури, речей широкого вжитку. З алюмінію шляхом прокатування отримують листи, труби, дротики та ін. З листового алюмінію виготовляють повітроводи для вентиляції. Застосування алюмінію особливо доцільне у вентиляційних установках, якими переміщуються гази, насичені окисами азоту.
Сплави алюмінію за призначенням бувають ливарні та оброблювані тиском. З першої групи сплавів найбільше в техніці застосовують силуміни, із сплавів другої групи — дюралюмінії.
Силумінами називаються сплави алюмінію з кремнієм (від 8 до 13%) та невеликою кількістю добавок міді, марганцю і магнію. Порівняно з алюмінієм силуміни відрізняються механічними властивостями, гарною оброблюваністю, високою рідкотекучістю і незначною усадкою при застиганні. Їх маркують літерами АЛ (алюміній ливарний) і цифрою, яка показує умовний номер сплаву (АЛ2, АЛ4 тощо).
Силуміни застосовують для відливання деталей автомобільних і тракторних двигунів, корпусів різних приладів, електроосвітлювальної арматури.
До сплавів, які зміцнюються термообробкою, належать дюралюмінії Д1, Д16, Д18, Д19. Вони містять близько 4% міді, по 1 % магнію і марганцю, а також постійні домішки кремнію і заліза. Термічна обробка дюралюмініїв полягає у гартуванні і природному або штучному старінні. Для гартування сплави нагрівають до 500°С і охолоджують у воді. Природне старіння здійснюють при кімнатній температурі протягом 5-7 діб, штучне старіння - при 150°С - 180°С протягом 2 - 4 год. Відпалюють дюралюмінії при 340°С - 370°С. Сплави типу дюралюмініїв мають невисоку корозієстійкість, тому для захисту листів від корозії' застосовують плакування. Воно полягає в тому, що на обидва боки листа наносять тонкий захисний шар чистого алюмінію. Крім листів, дюралюмінії випускають . у вигляді прутів, труб, катаних і пресованих профілів.
Магній - найлегший з технічних металів сріблясто-білого кольору. Магній розповсюджений у вигляді сплавів, які в 1,5 рази легші від алюмінієвих, добре обробляються різанням і порівняно міцні (ат = 270 МПа).
Сплави магнію добре обробляються різанням, вони легкі, стійкі до ударних навантажень, але погано протистоять корозії. Для захисту від корозії вироби з магнієвих сплавів фарбують або покривають спеціальними лаками. Магнієві сплави застосовують у літакобудуванні (виготовляють баки для бензину), а також для виробництва штампованих деталей і виливок.
Титан — метал густиною 4,5 г/см3, твердістю НВ 85 і пластичністю 6 =25%, має значну міцність—міцніший від заліза. Якщо залізо має от = 250..330 МПа, то титан от = 300...450 МПа. Особливість титану в тому, що він легкий, його міцність майже не змінюється при нагріванні до 400 °С, високостійкий в агресивних середовищах, тобто корозієстійкий у морській воді, багатьох кислотах і лугах. Ці властивості є наслідком утворення на поверхні титану стійкої оксидної плівки. Температура плавлення титану 1665 °С. Титан срібно-білого кольору з голубуватим відтінком. Титан можна зварювати в атмосфері захисних газів.
Свинець - м'який, в'язкий метал сіруватого кольору, має високу пластичність та хороші ливарні якості, добре протистоїть корозійній дії сірчаної та соляної кислот. Свинець - невід'ємний складник цілої низки сплавів (антифрикційних бронз, латуней, м'яких припоїв тощо). Залежно від хімічного складу виробляють свинець високої чистоти таких марок: С0000, С000, С00 і свинець С0, С1С, СІ, С2С, С2, СЗ, СЗС.
Свинець застосовують в електротехніці - у виготовленні кислотних акумуляторів, оболонок кабелів. У санітарній техніці його використовують для зачеканення розтрубів чавунних труб (наприклад, коли трубопровід прокладають у ґрунті, насиченому агресивними речовинами тощо). На підприємствах хімічної промисловості застосовують труби із свинцю для переміщення агресивної рідини.
Олово - м'який, в'язкий метал сріблясто-білого кольору.
Застосовують для лудіння харчового посуду. Воно входить до складу різних технічних сплавів (бронз, м'яких припоїв та ін.). Оловом покривають листи тонколистової сталі для захисту від корозії, отримуючи так звану білу жерсть, з якої потім виготовляють тару для мастил.
Цинк - крихкий метал сірого кольору. При витримуванні на повітрі створює тонку, але щільну плівку окису, яка запобігає подальшому окисленню металу. Сплави на основі цинку (наприклад, сплав цинку з міддю до 5%) мають низьку температуру плавлення і високу рідкотекучість. З них виготовляють шляхом виливання під тиском деталі карбюраторів автомобілів, деталі різних приладів тощо.
Хром - тугоплавкий, твердий метал білого кольору, має дуже високу температуру плавлення - 1 890° С. Металевий хром використовують для нанесення покриттів (хромування), які мають захисні та декоративні властивості. У поєднанні із залізом (феросплави) хром є дуже важливим легованим елементом.
Нікель - тугоплавкий, ковкий метал сірувато-білого кольору з магнітними властивостями. Нікель використовують як легуючу добавку в сталях. Також нікель застосовують для декоративних та захисних покриттів металів. Сплав нікелю з марганцем (НМЧ2,5, НМц5) використовують для виготовлення свічок запалювання автомобільних, авіаційних та тракторних двигунів внутрішнього згоряння, сплав нікелю з хромом (НХ9,5) - для виготовлення термопар. А сплав нікелю з міддю називається мельхіор.
Особливості зварювання кольорових металів
- Вони легко окислюються.
- При плавленні цих металів з’являються тугоплавкі оксиди, які здатні заповнити зварювальний шов. Через це підвищується ризик виготовлення неякісного шва і виникнення тріщин.
- Деякі кольорові метали вимагають застосування потужнішого джерела енергії, оскільки їх охолодження відбувається дуже швидко. Працювати в даному випадку треба оперативно.
- Існує вірогідність випару “легенів” складових сплаву, оскільки усі вони мають різну температуру плавлення.
- Кольорові метали, на відміну від чорних, краще взаємодіють з газовим середовищем.
- При зварюванні на кольорових металах з’являється оксидна плівка, яка заважає зварити якісний шов.
- Роботи по зварюванню повинні проходити в зоні з обмеженим об’ємом кисню.
Технологія зварювання кольорових металів: підготовка до роботи
Будь-який зварювальний процес вимагає підготовки. Особливо, якщо йдеться про зварювання кольорових металів. В першу чергу, деталі вимагають зачистки, щоб видалити оксидну плівку. Жири віддаляються за допомогою бензину або розчинника. Розташувати деталі треба приблизно в2 мм один від одного. Проводити роботу рекомендується в максимально нижньому положенні, оскільки кольорові сплави відрізняються підвищеною плинністю.
Для того, щоб захистити зварювальну ванну від повітря, зварювання проводять в середовищі інертних газів. Частіше застосовуються азот, гелій або аргон. Електроди для зварювання кольорових металів краще використати з вугілля, графіту або вольфраму.
Зварювання кольорових металів і їх сплавів з алюмінію
Після заліза алюміній вважається найпопулярнішим металом. Він часто використовується в чистому вигляді. Проте, його сплави все одно використовуються частіше. Існує безліч сплавів з алюмінію. Алюмінієві сплави використовуються в харчовій і хімічній промисловості, у будівництві і машинобудуванні. Якщо проводити класифікацію за властивостями, то самими часто вживаними є дуралюмин, силумін і авиель.
Перед початком робіт алюміній зачищають від окисної плівки і знежирюють. Потім деталі, що підлягають зварюванню, одну-две хвилини протравлюють у водному розчині фтористого натру в співвідношенні50/50. Після цього їх приблизно на дві хвилини кладуть в розчин азотної кислоти. Потім елементи треба промити гарячою і холодною водою. З моменту підготовчих праць до зварювання не повинно пройти більше чотирьох годин. Аналогічні підготовчі роботи повинні робиться і з дротом для зварювання. Заборонено зачищати кромки з допомогою “наждаки”. Елементи для зварювання мають бути надійно зафіксовані.
Зборка елементів перед зварюванням залежить від товщини зварюваних деталей. Якщо потрібно, перед з’єднанням елементів накладають прихваточные шви. У таблиці нижче вказана зразкова відстань між ними.
Нікелеві і мідні сплави
Вироби із сплаву нікелю використовуються в пристроях з високою робочою температурою, близько700-1000 градусів (для деталей ракет, газових турбін). Нікелеві сплави міцні, в’язкі, пластичні, жаростійкі і дуже чутливі до газів. Останній чинник призводить до того, що зварювальний шов може вийде пористим. Нікель стійкий до корозії. Для знежирення нікелевого сплаву не рекомендується застосовувати бензин. В основному, нікелеві сплави використовуються в хімічній і електрохімічній промисловості. Для зварювальних робіт з нікелем застосовують електроди з металу, постійний струм зворотної полярності. Якщо використовується аргоновий зварювальний апарат-беруть електроди з вольфраму.
Мідні сплави використовуються в машинобудуванні. З них роблять труби, місткості різного призначення, розмірів і форми. Використовуються електроди з вугілля і графіту при струмі прямої полярності. Довжина дуги приблизно35-40 мм. Якщо робиться ручне дугове зварювання виробів з міді при температурі до400 градусів, використовується струм зворотної полярності. Аргон і гелій використовується для зварювання в захисних газах, дріт з бронзи виступає присадним матеріалом. Підготовка до роботи має бути дуже ретельною, кромки мають бути зачищені до металевого блиску. Зварювання повинне протікати швидко, без перерв. Присадним матеріалом може бути звичайний мідний дріт.
У середовищі аргону
Зварювання металів аргоном, з точки зору організації, поєднує в собі елементи газової і електродугової спеціальних технологій. З першої цей процес ріднить використання газу, а з другої – наявність електричної дуги і особливі підходи до формування шва.
Найбільш оптимальне рішення, що забезпечує ефективні умови для захисту зони зварювання – застосування інертного газу, в якості якого виступає аргон. Необхідна ефективність дії пояснюється вихідними характеристиками, завдяки яким він через свою природну тяжкості без праці витісняє кисень із зони зварювання і забезпечує надійний захист.
З іншого боку через свою інертність аргон майже не реагує з розплавом і іншими газами, наявними в зоні горіння. При зварюванні аргоном можуть застосовуватися не тільки плавляться, а й не плавляться електроди, такі, як стрижні з вольфраму. Діаметр цих електродів, що залежить від характеру сочленяющаяся заготовок з кольорового металу, підбирається за спеціальними таблицями:
Відомі прийоми аргоновой зварювання діляться на ручні методи з використанням вольфрамових електродів і автоматичні (із застосуванням як неплавких, так і плавких робочих стрижнів).
Устаткування і технологія
Основним робочим інструментом аргоновой зварювання є газовий пальник, в центральну частину якої вставляється стандартний вольфрамовий електрод з вильотом близько 2-5 міліметрів.
Він фіксується за допомогою спеціального тримача, розрахованого на стрижні довільного діаметру. Подача газу до місця зварювання кольорового металу здійснюється за допомогою керамічного сопла.
Необхідна температура в робочій зоні забезпечується за рахунок потужної електричної дуги. У процесі її горіння формується зварний шов, одержуваний за допомогою спеціальної присадного дроту.
Тип присадного матеріалу вибирається з урахуванням його відповідності складу кольорового металу, що підлягає зварюванню.
Основними достоїнствами аргонового методу є його універсальність і можливість отримання досить якісного шва. Його відносним недоліком є необхідність підготовки цілого комплексу допоміжного устаткування, що включає до свого складу газові балони з редукторами декількох типів, шланги необхідної довжини і спеціальні пальники.