Листовой прокат из цветных и тугоплавких металлов и сплавов для листовой штамповки

Введение

Листовая штамповка с использованием цветных и тугоплавких металлов, а также их сплавов занимает важное место в производстве высокотехнологичных деталей для авиационной, космической, судостроительной, элек- тротехнической и других отраслей промышленности. Эти материалы обладают уникальными физико-механическими свойствами, такими как высокая удельная прочность, малая плотность, коррозионная стойкость, теп- лопроводность и низкое электрическое сопротивление. Выбор материала для штамповки определяется эксплуатационными требованиями, услови- ями работы деталей (высокие температуры, агрессивные среды, сверхзвуковые нагрузки) и технологическими особенностями процессов формоизменения. В данном лекционном материале подробно рассматриваются свой- ства, классификация, технологии штамповки и области применения цветных, тугоплавких и неметаллических материалов, а также современные тенденции в их использовании.

Общие требования к материалам

Материалы для листовой штамповки из цветных и тугоплавких металлов должны соответствовать следующим требованиям:

• Высокая удельная прочность: отношение прочности к плотности, обеспечивающее легкость конструкций.
• Коррозионная стойкость: устойчивость к воздействию агрессивных сред, особенно в морской или химической среде.
• Теплостойкость и жаростойкость: способность сохранять свойства при высоких температурах (до 500–900°C для титановых сплавов, до 1200°C для молибденовых).
• Пластичность: возможность деформации без разрушения, особенно при нагреве.
• Технологичность: пригодность для штамповки, включая способность к вытяжке и формовке.

Эти свойства определяются химическим составом, структурой материала и методами обработки (прокатка, термообработка). Анизотропия, вызванная направленной структурой после прокатки, также играет ключевую роль в процессе штамповки и влияет на качество готовых деталей.

Листовой прокат из цветных металлов и спла- вов

Цветные металлы и их сплавы (алюминий, магний, медь, латунь) широко применяются в листовой штамповке благодаря их уникальным харак- теристикам, которые делают их незаменимыми в высокотехнологичных отраслях.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы (ГОСТ 21613–82, марки А2, А3, АМц, АМг2, АМг6, Д1, Д16, В95, ВАД23) обладают следующими характеристиками:

• • • Низкая плотность: ∼ 2, 7 г/см³, что обеспечивает легкость конструк- ций.
    • Высокая коррозионная стойкость: особенно у сплавов с магнием (АМг6).
    • Хорошая штампуемость: особенно в холодном состоянии, что дела- ет их подходящими для сложных операций вытяжки.

Применение:

• • • Авиационная промышленность: обшивки, каркасы, панели.
    • Судостроение: корпусные элементы.
    • Товары народного потребления: корпуса бытовой техники, упаковоч- ные материалы.

Алюминиевые сплавы, такие как Д16 и В95, легированные медью и магни- ем, обеспечивают повышенную прочность, что позволяет использовать их для нагруженных деталей.

Магниевые сплавы

Магниевые сплавы (ГОСТ 22653–77, марки МА1, МА5, МА8) характеризуют- ся:

• • • Ультранизкой плотностью: ∼ 1, 8 г/см³, что делает их одними из са- мых легких конструкционных материалов.
    • Ограниченной пластичностью: требуют нагрева (200–300°C) для штам- повки.
    • Высокой коррозионной стойкостью: при наличии защитных покры- тий.

Применение:

• • • Авиакосмическая промышленность: легкие каркасные элементы.
    • Автомобилестроение: детали, требующие минимального веса.

Медь и медные сплавы

Медь (ГОСТ 495–77, марки М1, М2, М3) и медные сплавы, такие как латуни (ГОСТ 931–78, марки Л68, Л63, ЛС59-1), обладают:

• • • Высокой электропроводностью: идеальны для электротехнических компонентов.
    • Отличной пластичностью: подходят для сложной штамповки.
    • Коррозионной стойкостью: особенно в нейтральных средах. Применение:
    • Электротехника: контакты, проводники.
    • Приборостроение: корпуса, декоративные элементы.
    • Электроника: теплоотводы, экраны.

Латуни, благодаря сочетанию прочности и пластичности, используются для штамповки деталей сложной формы, таких как фитинги и декоративные элементы.

Листовой прокат из титановых сплавов

Титановые сплавы (марки ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ6С, ВТ20 и др.) явля- ются ключевыми материалами для высокотехнологичных отраслей бла- годаря их уникальным свойствам:

• Высокая удельная прочность: σ_B = 300 − −1200 МПа при плотности

~ 4, 5 г/см³.

• Жаростойкость: выдерживают аэродинамический нагрев до 500°C.
• Коррозионная стойкость: устойчивы к агрессивным средам, вклю- чая морскую воду.

Классификация титановых сплавов

По технологической пластичности при комнатной температуре титано- вые сплавы делятся на три категории:

• • • Категория А (малая прочность, нормальная пластичность): ВТ1-00, ВТ1-0 (σ_B = 300 − −450 МПа, δ = 23%); ОТ4-0, ОТ4-1 (σ_B = 400 − −750 МПа,

δ = 23%). Подходят для холодной штамповки.

• • • Категория Б (средняя прочность, пониженная пластичность): ОТ4 (σ_B = 700 − −900 МПа, δ = 12 − −20%). Требуют умеренного нагрева.
    • Категория В (высокая прочность, низкая пластичность): ВТ6С (σ_B = 850 −−1000 МПа, δ = 10 −−12%); ВТ20 (σ_B = 1000 −−1200 МПа, δ = 6 −−9%).

Используются для нагруженных деталей с нагревом до 850–900°C.

Особенности штамповки

Титановые сплавы являются труднообрабатываемыми из-за:

• • • Чувствительности к концентрации напряжений, что может приве- сти к трещинам.
    • Высоких остаточных напряжений после деформации.

Для повышения пластичности штамповка проводится с нагревом до 350– 500°C (для сплавов категории А) или 850–900°C (для сплавов категории В). Технические требования к прокату регламентируются стандартом ОСТ 1.90218–

76. Легирование алюминием, хромом, молибденом или марганцем улуч- шает прочность и свариваемость.

Применение

Титановые сплавы применяются для:

• • • Корпусных деталей и обшивок летательных аппаратов.
    • Элементов, работающих при сверхзвуковых скоростях.
    • Компонентов, подвергающихся высоким температурам и коррозии.

Листовой прокат из тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы (молибден, тантал, цирконий, ниобий, иридий) ис- пользуются для деталей, работающих в экстремальных условиях, благода- ря их жаростойкости, коррозионной и радиационной стойкости.

Таблица 1: Механические свойства сплавов молибдена Температура, °C Модуль упругости E, ГПа σ_B, МПа δ, %

20	330	700–800	7–30
1200	270	300–450	10–15

Таблица 2: Механические свойства проката М99,9-МП

Толщина, мм	σB, МПа	δ, %
0,33–0,5	760	6
0,5–1,5	725	10
1,5–2,5	690	14
2,5–4,75	690	18
4,75–12,7	690	10
12,7–25,4	655	2
25,4–38	655	1

Молибден и его сплавы

Молибденовые сплавы (ВМ-1, ЦМ-2, ВМ-2, М99,9-МП) применяются для тон- костенных осесимметричных деталей (цилиндры, стаканы, трубки) и плоских элементов. Их механические свойства:

Особенности штамповки молибдена

Штамповка проводится при 200–500°C, а при температурах выше 400°C тре- буется защитная атмосфера (водород) для предотвращения окисления. Мо- либден с тонковолокнистой структурой после отжига (1000–1100°C) обла- дает лучшей штампуемостью по сравнению с рекристаллизованным крупнозернистым металлом. Сплавы, полученные методами порошковой металлургии, обеспечивают высокую точность проката.

Применение

• • • Электронная и вакуумная техника: электроды, экраны.
    • Ядерные реакторы: защитные элементы.
    • Ракетостроение: сопла, критические сечения.

Неметаллические материалы

Неметаллические материалы для листовой штамповки включают пласти- ки, композиты и материалы на основе минералов или резины. Они классифицируются на четыре группы:

• Пластические массы: слоистые (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит) и однородные (органическое стекло, полистирол, винипласт). Обладают высокой удельной прочностью (например, текстолит: 8 про- тив 4–5 у стали 10кп).
• Материалы на основе бумаги и резины: резина, картон, эбонит, войлок, лакоткани.
• Материалы минерального происхождения: асбест, слюда, параниты, миканиты.
• Комбинированные материалы: фольгированные пластики, металлопласты, асбостальные листы, композиты с углеродным волокном.

Свойства и применение

Неметаллические материалы обладают:

• • • Высокой коррозионной стойкостью.
    • Жесткостью, в 5–9 раз превышающей сталь.
    • Низкой плотностью, что делает их перспективными для легких кон- струкций.

Применение:

• • • Авиация и космонавтика: композитные панели, обшивки.
    • Автомобилестроение: кузовные детали.
    • Электротехника: изоляционные элементы.

Современные тенденции

Современные тенденции в использовании материалов для листовой штамповки включают:

• Разработку композитов с углеродным волокном для повышения жесткости и снижения веса.
• Улучшение технологий термообработки для повышения пластичности тугоплавких металлов.
• Автоматизацию процессов штамповки для работы с высокопрочными материалами.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства цветных и тугоплавких металлов делают их подходящими для листовой штамповки?
2. Какие марки алюминиевых и магниевых сплавов применяются в штамповке? В чем их преимущества?
3. Как классифицируются титановые сплавы по пластичности? Какие условия требуются для их штамповки?
4. Какие тугоплавкие металлы используются в листовой штамповке? Для каких целей?
5. Опишите особенности штамповки молибденовых сплавов. Почему требуется защитная атмосфера?
6. Какие группы неметаллических материалов применяются в листовой штамповке? Приведите примеры их использования.
7. Какие современные тенденции наблюдаются в разработке материалов для листовой штамповки?