Кольорові метали і сплави

Алюміній і його сплави. Здатність алюмінію і його сплавів зберігати пластичність аж до кріогенних температур послужила основою для їх широкого використання при виготовленні низькотемпературного обладнання.

Технічний алюміній широко використовують для виготовлення малонавантажених елементів конструкцій. З алюмінію виготовляють такі деталі, як насадки регенераторів, паяні теплообмінники апаратів повітророзподільних установок і ін.

Алюмінієві сплави застосовують для виготовлення ємностей і трубопроводів для зберігання і транспортування рідких газів: природного газу, кисню, азоту, водню і гелію, а також в якості матеріалу для ректифікаційних колон і трубних систем. При температурах нижче 120 К обсяг споживання алюмінієвих сплавів, головним чином у вигляді гарячекатаного листа, становить близько 30% від обсягу всього використовуваного металу.

Високий коефіцієнт теплопровідності алюмінієвих сплавів часто змушує відмовлятися від застосування їх в деталях, які визначають притоки теплоти до охолоджуваних елементів. Наприклад, горловини криостатов виконують з аустенітних сталей або полімерних матеріалів, хоча сам внутрішній посудину виготовляється з алюмінієвого сплаву.

Алюмінієві сплави мають більш високий температурний коефіцієнт лінійного розширення, ніж аустенітні сталі. Це визначає більш високий рівень термічних напружень, особливо в жесткозащемленних елементах конструкцій при їх охолодженні. Тому в трубопроводах для перекачування зріджених газів в разі відсутності можливості застосування компенсаторів деформації переважно використовувати сплави на основі заліза.

У техніці низьких температур застосовують деформуються і ливарні алюмінієві сплави.

Тимчасовий опір деформуються термооброблених алюмінієвих сплавів може досягати 500 МПа і більше при щільності менше 2,85 г / см3. Питома міцність oв у алюмінієвих сплавів має високі значення і наближається до питомої міцності високоміцних сталей.

Міцність при розтягуванні деформуються алюмінієвих сплавів з пониженням температури від 293 до 77 К збільшується на 35 – 60%, а межа плинності – на 15 – 25%. Пластичність при зниженні температури зазвичай навіть трохи зростає або залишається на рівні пластичності при кімнатній температурі. Алюмінієві сплави не мають порога хладноломкости. В’язкість при ударному вигині у них поступово знижується з падінням температури, але в порівнянні з аустенітних сталей значення її істотно нижче. При низьких температурах алюмінієві сплави мають в’язкий злам при відносно малій ударної в’язкості.

Втомна міцність, певна як на гладких, так і на надрізаних зразках, з пониженням температури також збільшується. В’язкість руйнування алюмінієвих сплавів в умовах плоскої деформації майже не зменшується, а іноді навіть збільшується при кріогенних температурах у порівнянні з в’язкістю руйнування при кімнатній температурі.

Найбільше застосування в техніці низьких температур знайшли сплави алюмінію з магнієм – магналії – завдяки вдалому поєднанню в них міцності, пластичності, зварюваності, корозійної стійкості.

Застосовувані термічно неупрочняемие сплави містять не більше 7% Mg. З магналиев як за кордоном, так і в СНД перевагу в машинобудуванні віддається сплаву АМг5.

У холодильній і кріогенної техніки також використовують тер-моупрочняемие алюмінієві сплави, леговані міддю, магнієм, марганцем та іншими елементами. Оптимальні механічні властивості ці сплави набувають після термічної обробки, що складається з гарту у воді від температури близько 500 ° С і подальшого природного або штучного старіння за рахунок дисперсійного виділення при старінні інтерметалідних фаз.

Міцність термоупрочняемих алюмінієвих сплавів наближається до міцності аустенітних сталей, і тому в багатьох випадках вони могли б їх замінити. Їх недоліком є схильність до корозії під напругою. Крім того, ці сплави разупрочняется в зоні зварного шва.

Поряд з деформуються в техніці низьких температур застосовують ливарні алюмінієві сплави. Їх використовують головним чином для виготовлення деталей складної конфігурації типу корпусів арматури. Найбільшого поширення набули сплави, леговані 8 – 13% Si, – силуміну, що володіють високими ливарними властивостями.

Титан і його сплави. Титанові сплави відносяться до числа найбільш перспективних матеріалів для техніки низьких температур. Титанові сплави певних марок мають задовільною пластичністю і в’язкістю аж до 4 К. Завдяки низькій щільності в поєднанні з високою міцністю і достатньою пластичністю застосування титанових сплавів при низьких температурах дозволяє зменшити масу конструкцій в порівнянні з корозійностійкими Cr – Ni сталями на 20 – 25% і алюмінієвими сплавами – на 40 – 45%. Тому титанові сплави все частіше застосовують для виготовлення деталей і вузлів, що працюють при низьких температурах в літальних апаратах.

Хімічна активність титану вимагає певної обережності при використанні титанових сплавів в конструкціях, де робочим середовищем є газоподібний або рідкий кисень.

Найбільш перспективними конструкційними матеріалами для використання в холодильній і кріогенної техніки є сплави зі структурою a-фази типу ВТ5-1, леговані 4 – 6% А1, 2 – 3% Sn, і ОТ4-1, що містять 1,5 – 2,5% А1 і 0,7 – 2,0% Мn. Вони добре зварюються і зберігають високу пластичність при низьких температурах.

Сплави з двофазної (a + B) -структурою типу ВТЗ-1, що містять 5,5 – 7,0% А1, 0,8 – 2,0% Сr, 2 – 3% Мо, 0,2 – 0,7% Fe, мають більш високу міцність, але трохи меншу пластичність. Тому їх рідше використовують при кріогенних температурах.

Мідь і її сплави. Мідь і її сплави є матеріалами, одними з перших знайшли застосування в холодильній і криогенном обладнанні. Мідь не має порогу хладноломкости, і нижній температурний межа її використання близький до абсолютного нуля.

Мідь і її сплави мають високе значення температурного коефіцієнта лінійного розширення. Зі зниженням температури до 120 К цей коефіцієнт зменшується, але це зменшення виражена значно слабше, ніж у корозійностійких сталей і алюмінієвих сплавів.

Технічно чиста мідь має невисокі міцнісні властивості. При зниженні температури від 293 до 20 К міцність і твердість міді підвищуються майже в два рази, пластичність зберігається на тому ж рівні. Ударна в’язкість навіть збільшується, зберігаючи при 20 К настільки високі значення, що надрізати зразки не розбивати копром, а простягаються між його опорами. Втомна міцність міді і її сплавів з пониженням температури зростає так само, як модуль пружності і модуль зсуву.

Технічно чисту мідь використовують в установках поділу газів методом глибокого охолодження для виготовлення різних трубчастих конст-рукцій: кручених і прямотрубних теплообмінників, трубчастих конденсаторів та ін. Листову мідь використовують для виготовлення внутрішніх ємностей і екранів судин Дьюара, в яких зберігаються і транспортуються рідкі гази, для виготовлення обичайок ректифікаційних колон рідкого повітря.

Широке застосування в холодильній і криогенном машинобудуванні знаходять сплави міді – латуні марок Л63, Л68, ЛЖМц59-1-1, ЛЦ59, ЛК80-ЗЛ і бронзи марок БрАЖМц-3-1,5; БрКМцЗ-1; БрБ2.

Латунь Л68 застосовують для виготовлення різних трубопроводів, сіток, прокладок, що працюють при температурах 520 – 20 К.

Латунь марки ЛС59-1 застосовується для виготовлення різних кріпильних виробів, що працюють в інтервалі температур 520 – 20 К. Для більш відповідальних кріпильних деталей в цьому ж температурному діапазоні застосовують латунь марки ЛЖМц59-1-1.

З ливарної латуні ЛК80-3 виготовляється арматура, корпусу трубопроводів та інші литі деталі, що працюють при температурах 520 – 20 К.

Бронза марки БрАЖМц-3-1,5 застосовується для виготовлення втулок, шестерень, вентилів, деталей клапанної арматури, експлуатованих при тим-температурах 520 – 77 К.

Найбільшу міцність мають медноберілліевие сплави, тимчасовий опір яких в термообробленому стані понад 1000 МПа при задовільній в’язкості і пластичності при низьких температурах. Тому бронза БрБ2, що поєднує високу міцність з високою релаксационной стійкістю, знайшла застосування для виготовлення пружних елементів кріогенної арматури; вони добре працюють аж до 4 К.

Посилання на основну публікацію