Каменск-Уральский городской округ
Содержание
| Введение | |
| 1.Медь и медные сплавы | |
| 1.1. Свойства меди. Применение. Классификация сплавов | |
| 1.2 Производство меди | |
| 1.3. Латуни | |
| 1.4. Бронзы | |
| 1.5. Медно-никелевые сплавы | |
| 2. Алюминий и алюминиевые сплавы | |
| 3.Титан и титановые сплавы | |
| 4. Магний и магниевые сплавы | |
| Заключение | |
| Список литературы |
Введение
Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами.
Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться. В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.
Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана, магния и др.
К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность, электропроводность и температура плавления.
К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость, пластичность.
К технологическим свойствам относят обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.
Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.
Наука, изучающая состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также зависимость между внутренним строением (структурой) и свойствами металлических сплавов называется металловедением.
1. Медь и медные сплавы
Свойства меди. Применение.Классификация сплавов
Cu - химический знак.
Имеет кубическую гранецентрированную решетку.
Обладает высокой пластичностью, высокими электро и теплопроводностью, малым удельным электросопротивлением, высокой коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью, относительной легкостью сварки и пайки.
Плотность - 8,93*103кг/м3.
Удельная теплоемкость при 20°C – 0,094 кал/град.
Температура плавления – 1083°C.
Удельная теплота плавления – 42 кал/г.
Температура кипения – 2600°C.
Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20°C) – 16.7*106(1/град).
Коэффициент теплопроводности - 335ккал/м*час*град.
Удельное сопротивление при 20 °C - 0,0167 Ом*мм2/м.
Средний предел прочности зависит от вида обработки – 220-420Мпа.
Относительное удлинение 4-60%.
Твердость-35-130 НВ.
Линейная усадка-2,1%.
В зависимости от степени чистоты и состояния поверхности цвет изменяется от светло-розового до красного.
Итак, благодаря своим свойствам медь широко применяют в промышленности, особенно в электротехнической и как полуфабрикат при выплавке сплавов.
Примеси и легирующие элементы.
По характеру взаимодействия с медью легирующие элементы и примеси разделяют на три группы:
a) Элементы, взаимодействующие с медью с образованием твердых растворов (Ag, Al, As, Au, Cd, Fe, Ni, Pt, P, Sb, Sn, Zn). Они повышают ее прочность, но при этом существенно уменьшается значение тепло и электропроводности (в первую очередь, из-за присутствия сурьмы и мышьяка).
b) Элементы, практически нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Bi, Pb). Возникновение эвтектик по границам зерен приводит к разрушению слитков меди в процессе их горячей прокатки (явление красноломкости). Повышенное содержание висмута (более 0,005 %) вызывает хладноломкость меди.
c) Элементы (Se, S, O, Te), образующие с медью хрупкие химические соединения (например, Cu2O, Cu2S). Увеличение содержания серы в меди, с одной стороны, обеспечивает повышение качества ее механической обработки (резанием), с другой, вызывает хладноломкость меди. Присутствие кислорода в меди является причиной ее «водородной болезни», проявляющейся в образовании микротрещин и разрушении при обжоге (t > 400°C) в водородсодержащей среде. В данном случае водород, активно диффундирующий в металл, отнимает кислород у закиси меди Cu2O с образованием паров воды. В металле возникают области с высоким давлением, вызывающим разрушение материала.
Чистая медь из-за низкой прочности не получила широкого применения в машиностроении. В основном применяются сплавы. Сплавы подразделяются:
-по химическому составу: латуни, бронзы, медноникелевые.
-по технологическому значению: деформируемые, используемые для производства проволоки, листа, полос, профиля, и литейные, применяемые для литья деталей.
Производство меди
Для получения меди применяют пиро-, гидро- и электрометаллургические процессы.
Пирометаллургический процесс получения меди из сульфидных руд типа CuFeS2 выражается суммарным уравнением:
2CuFeS2 +5O2 + 2SiO2 = 2Cu + 2FeSiO3 + 4SO2.
Гидрометаллургические методы получения меди основаны на селективном растворении медных минералов в разбавленных растворах серной кислоты или аммиака, из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4.
Электролизом получают чистую медь:
2CuSO4 + 2H2O = 2Cu + O2 + 2H2SO4.
На катоде выделяется медь, на аноде – кислород.
Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллургический способом из сульфидных руд. Одновременно решается задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка штейна), конвертирование штейна с получением черновой меди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).
Марки меди: МО(99,95% Cu), М1(99,9% Cu), М2(99,7% Cu), М3(99,5% Cu), М4(99,0%).
Латуни
Латуни – сплавы меди с цинком. Практическое применение имеют латуни с содержанием Zn до 45%.
Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Наиболее пластична латунь, с долей цинка около 30%. Она применяется для производства проволоки и тонких листов.
В состав также могут входить железо, олово, свинец, никель, марганец и другие компоненты. Они повышаю коррозийную устойчивость и механические свойства сплава.
Латунь хорошо подвергается обработке: сварке и прокатке, отлично полируется.
Широкий диапазон свойств, низкая себестоимость, легкость в обработке и красивый желтый цвет делают латунь наиболее распространенным медным сплавом с большой областью применения.
Все латуни делятся на деформируемые латуни, литейные латуни и ювелирные сплавы.
Деформируемые латуни бывают двойные и многокомпонентные.
Деформируемые латуни (другое название – томпак) имеют процентное содержание меди 90-97%. Они высоко пластичны, обладают высокой устойчивостью к коррозии, хорошими антифрикционными свойствами, легко свариваются со сталью. Томпак окрашен в приятный золотистый цвет, благодаря чему, сплав используется для изготовления фурнитуры, художественных изделий, знаков отличия.
Двойные деформируемые латуни используются в автомобилестроении, для изготовления различной аппаратуры, змеевиков, сильфонов, гаек, болтов, конденсаторных труб, толстостенных патрубков.
Многокомпонентные деформируемые латуни применяют для изготовления деталей часов, электромашин, морских судов, самолетов, химической аппаратуры. Из них производят вкладыши подшипников, арматуру, втулки, пружины и полиграфические матрицы.
Литейные латуни применяют для изготовления литых деталей арматуры, устойчивых к коррозии и высокой температуре деталей ответственного назначения.
Латунь маркируется следующим образом: сначала идет буква Л, а за ней ставятся цифры, указывающие процентное содержание меди, а также других металлов в сплаве.
Такая маркировка позволяет легко ориентироваться в свойствах и области применения. Так, например, латуни Л62 и Л68 используются вместо меди для изготовления деталей методом глубокой штамповки. Состав латуни должен соответствовать нормам ГОСТа.
Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%. Сплав обозначают начальной буквой Л - латунь. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц-цинк 0-олово, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМцбб-6-3-2 алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное – цинк.
Таблица 1 – Механические свойства латуней
| Марка | Предел прочности растяжения σв, МПа | Относительное удлинение δв, % | Твердость, НВ | Назначение |
| Деформируемые латуни | ||||
| Л90 Л80 Л68 | 53' | Детали трубопроводов, фланцы, бобышки Теплообменные аппараты, работающие при температуре 250°C | ||
| Литейные латуни | ||||
| ЛС59-1Л | Втулки, арматура, фасонное литье | |||
| ЛМцС58-2-2 | Антифрикционные детали — подшипники, втулки | |||
| ЛМцЖ55-3-1 | Гребные винты, лопасти, их обтекатели, арматура, работающая до 300 °С | |||
| ЛА67-2,5 | Коррозионностойкие детали | |||
| ЛАЖМц-66- 6-3-2 | Червячные винты, работающие в тяжелых условиях |
Бронзы
Бронза - это сплавы меди с оловом в различных пропорциях (медь в избытке), затем сплавы меди с оловом и цинком, а также некоторыми другими металлами или металлоидами (свинцом, марганцем, фосфором, кремнием и др., в небольших количествах). Название бронзе дают по легирующим элементам (например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой). Маркируют бронзы буквами Бр, за которой следуют заглавные буквы легирующих элементов и через дефис цифры — их процентное содержание. Марки обозначаются следующим образом: первые буквы в марке означают: Бр – бронза; буквы, следующие за Бр, означают: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор. Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов.
В марках бронзы содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом. Например, Бр.АЖНЮ-4-4 означает бронзу с 10% Al, 4% Fe и 4% Ni (и 82% Cu); Бр. КМц3-1 означает бронзу с 3% Si, и 1% Mn (и 96% Cu).
Различают две группы бронз: оловянные, в которых преобладающим легирующим элементом является олово, и безоловянные (специальные).
По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.
В качестве легирующих элементов в бронзах используют олово, алюминий, никель, марганец, железо, кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий и другие элементы.
Бронзы, в которых легирующие элементы входят в твердый раствор, упрочняют деформационным наклепом. Последующим низкотемпературным отжигом (250— 300°С) могут быть повышены их упругие свойства. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной их растворимостью в α-твердом растворе, упрочняют дисперсионным твердением. К этому классу относится также бронза марки БрАЖН10-4-4.
Из перечисленных элементов олово, алюминий, никель и кремний главным образом повышают прочность, упругие свойства и коррозионную стойкость бронз, а в сочетании с другими элементами (свинцом, фосфором, цинком) также и антифрикционные свойства. Железо и никель сильно измельчают зерно и повышают температуру рекристаллизации бронз. Марганец и кремний повышают их жаростойкость. Бериллий, хром и цирконий, особенно после закалки и старения, повышают прочностные свойства сплавов, одновременно незначительно снижая их электропроводность. Эти элементы существенно повышают жаропрочность бронз. Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями. Бронзы хорошо обрабатываются резанием.
Оловянистые бронзы можно разделить на несколько групп.
Первая группа – литейные стандартные, предназначенные для получения разных деталей машин методами фасонного литья. БрОЗЦ12С5, Бр05Ц5С5, Бр04Ц4С17, Бр04Ц7С5, БрОЗЦ7С5Н1. К этим бронзам, помимо высоких литейных свойств, предъявляются следующие требования: хорошая обрабатываемость резанием, высокая плотность отливок, достаточная коррозионная стойкость, высокие механические свойства.
Вторая группа – литейные нестандартные ответственного назначения, обладающие высокими антифрикционными свойствами и хорошим сопротивлением истиранию. Эти сплавы применяют для изготовления подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях трения. Наибольшей прочностью в сочетании с высокими антифрикционными свойствами обладает бронза Бр010Ф1, что обусловлено высоким содержанием олова и легированием фосфором.
Третья группа – деформируемые, они отличаются от литейных более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением усталости. Основные легирующие элементы в деформируемых бронзах - олово, фосфор, цинк и свинец, причем олова в них меньше, чем в литейных бронзах. БрОФ6,5-0,4; БрОФ6,5-0,15; БрОФ4-0,25.
Четвертая группа – сплавы художественного литья (БХ1, БХ2, БХЗ).
Алюминиевые бронзы – сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является алюминий. Легирование двухкомпонентных алюминиевых бронз различными элементами заметно изменяет их свойства. Основными легирующими элементами сплавов Cu-Al являются железо, марганец и никель. В алюминиевых бронзах, как правило, содержание железа и никеля не превышает 5,5, марганца 3 % (по массе). Алюминиевые бронзы отличаются высокой коррозионной стойкостью в углекислых растворах, а также в растворах большинства органических кислот (уксусной, лимонной, молочной и др.), но неустойчивы в концентрированных минеральных кислотах. В растворах сернокислых солей и едких щелочей более устойчивыми являются однофазные алюминиевые бронзы с пониженным содержанием алюминия.
Алюминиевые бронзы менее других материалов подвергаются коррозионной усталости.
Таблица 2 – Характерные свойства бронзы
| Марка бронзы | Характерные свойства | Виды полуфабрикатов |
| БрАМц9-2 | высокое сопротивление при знакопеременной нагрузке | полосы, ленты, прутки, проволоки, поковки |
| БрАЖ9-4 | высокие механические свойства, хорошие антифрикционные свойства, коррозионностойкая | прутки, трубы, поковки |
| БрАЖМц10-3-1,5 | плохо деформируется в холодном состоянии, деформируется в горячем состоянии, высокая прочность при повышенных температурах, коррозионностойкая, высокая эрозионная и кавитационная стойкости | прутки, трубы, проволоки, поковки |
| БрАЖН10-4-4 | плохо деформируется в холодном состоянии, деформируется в горячем состоянии, высокая прочность при повышенных температурах, коррозионностойкая, высокая эрозионная и кавитационная стойкости | прутки, трубы, поков |
Кремнистые бронзы — бронзы, в которых основным легирующим компонентом является кремний, присутствующий в сплавах в количестве 3-4%, иногда до 5%. Наибольшая растворимость кремния в меди составляет 6,7% при темп-ре 726; с понижением температуры растворимость падает и при 350° составляет 3,9%. Механические свойства меди, содержащей до 3% Si, улучшаются, увеличивается прочность и пластичность, но при дальнейшем повышении содержания кремния падает удлинение.
Наиболее широко применяется кремнистая бронза марки БрКМцЗ-1, содержащая 1-1,5% Мп и 2,75-3,5% Si. В некоторых случаях используется кремнистоникелевая бронза БрКН1-3 (2,4-3,4% Ni; 0,6-1,1% Si; 0,1—0,4% Мп), являющаяся дисперсионно-твердеющим сплавом. Из нее изготовляются поковки и прутки. Закалка бронзы БрКН1-3 производится с 850-875°, отпуск при 450-475°, обработка давлением в интервале 800-960°. Бронза БрКМцЗ-1, выпускаемая в виде полос, лент, прутков и проволоки, имеет структуру однородного твердого раствора и легко обрабатывается давлением. В нагартованном состоянии применяется для пружин и пружинящих деталей, а также взамен оловяннофосфористых и оловянноцинковых бронз для деталей различного назначения. Из бронзы БрКН1-3 изготовляются износостойкие детали, работающие при повышенных температурах.
Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно-упрочняемых сплавов, особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры, что позволяет управлять свойствами бронз, как при производстве проката, так и при изготовлении изделий. Бериллиевые бронзы характеризуются чрезвычайно высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью в сочетании с повышенными сопротивлениями усталости, ползучести и износу. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0 - 2,5% Be (БрБ2, БрБ2,5). Бериллиевые бронзы применяют для ответственных деталей типа пружин, мембран, для инструмента при взрывоопасных работах.
Медно-никелевые сплавы
Медно-никелевые сплавы— сплавы на медной основе и содержащие в качестве основного легирующего элемента никель. В результате смешивания меди и никеля полученный сплав обладает повышенной стойкостью против коррозий, а электросопротивление и прочность возрастают. Медно-никелевые сплавы существуют двух типов электротехнические и конструкционные.
Конструкционные сплавы обладают высокой стойкостью к коррозии. К конструкционным сплавом относятся нейзильбер и мельхиор.
Мельхиор – является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. Обычно в состав мельхиора входит 5-30 % никеля, ≤0,8 % железа и ≤1 % марганца, все остальное медь.
Нейзильбер — сплав меди с 5-35 % никеля и 13-45 % цинка.
Электротехнические сплавы обладают высоким электросопротивлением и термоэдс, к ним относятся копель и константан.
Константан – термостабильный сплав на основе меди (Cu) (около 59%) с добавкой никеля (Ni) (39—41%) и марганца (Mn) (1—2%). Сплав имеет высокое удельное электрическое сопротивление (около 0,5 мкОм·м), минимальное значение термического коэффициента электрического сопротивления, высокую термоэлектродвижущую силу в паре с медью, железом, хромелем.
Копель — сплав, состоящий из следующих элементов: Ni (43—44%); Fe (2—3%); остальное Cu.
Медно-никелевые сплавы применяются для электрических аппаратов и элементов таких как: реостаты, резисторы, термопар и т.д., используются в производстве посуды, медицинской промышленности, судостроении, художественных изделиях. Также используются для чеканки монет. Плавят в пламенных, дуговых и индукционных печах.
2.Алюминий и алюминиевые сплавы.
Металл серебристо-белого цвета, лёгкий.
Плотность — 2,7 г/см³.
Температура плавления у технического алюминия — 658°C, у алюминия высокой чистоты — 660°C.
Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг
Температура кипения — 2500°C.
Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
Временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм².
Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм². Высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.
Модуль Юнга — 70 ГПа
Алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.
Слабый парамагнетик. Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10−6 К−1 (20…200°C). Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10−8K−1. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.
При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H2O (t°);O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4+, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.
Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.
В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Важнейший минерал алюминия - боксит содержит 28-60% глинозема - оксида алюминия Al2O3.
В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе.
Процесс производства первичного алюминия состоит из трех основных фаз. Сначала осуществляется добыча необходимого сырья - бокситов, нефелинов и алунитов. Затем происходит химическая обработка руды, в результате которой получается глинозем (А1203). Из глинозема электролитическим методом получают собственно алюминий. Обычно для производства 1 т алюминия необходимо примерно 2 т глинозема. Количество бокситов, необходимое для того, чтобы в итоге произвести тонну алюминия, сильно зависит от содержания в них оксида алюминия.
Алюминиевые сплавы.
Одним из свойств, которое очень важно для конструкционных материалов, является их прочность. Нелегированный алюминий имеет предел прочности на растяжение около 90 МПа. Однако, небольшими добавками цинка, меди, магния, хрома, а также подходящей термической обработкой можно получить алюминиевый сплав с прочностью до 600 МПа.
Сплавы делятся на две основные категории: деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы разделяют по способу упрочнения: упрочняемые давлением (деформацией) и термоупрочняемые.
Другая классификация основана на ключевых свойствах: сплавы низкой, средней или высокой прочности, повышенной пластичности, жаропрочные, ковочные и т.д.
Малолегированные и термически не упрочненные сплавы: Al-Mg и Al- Mn. Эти сплавы отличаются наиболее высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Упрочнение этих сплавов достигается нагартовкой. Они нашли наиболее широкое применение в виде листового материала, используемого для изготовления сложных по конфигурации изделий, получаемых путем горячей штамповки, глубокой вытяжке и прокатки. Из этих же сплавов путем прессования изготовляются трубы. Листовые материалы типа магналия обычно подвергаются точечной электросварке, тогда как для марганцовистых материалов можно применять любой вид сварки. Эти сплавы характеризуются сравнительно невысокой прочностью (не намного превосходящей прочность алюминия).
Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si,: Al-Mg-Si-Cu-Mn (АВ, АК6, АК8); Марганец, в отличие от остальных элементов не только не ухудшает коррозионной стойкости алюминиевого сплава, но даже несколько повышает ее. Магний является полезным легирующим элементом. Не считая повышения коррозионного сопротивления, магний уменьшает удельный вес алюминиевого сплава (так как он легче алюминия), повышает прочность, не снижая пластичности. Сплавы АВ относятся к малолегированным сплавам, но применяются в термообработанном состоянии. Основным упрочнителем их является фаза Mg2Si, а также фаза CuAl2.Добавка марганца и хрома способствует измельчению структуры и некоторому повышению температуры рекристаллизации. По прочности сплавы АВ несколько уступают сплавам типа дуралюмин и сплавам АК6, АК8 а по пластичности превосходят последние. Сплавы типа авиаль нашли наиболее широкое применение для изготовления различных весьма сложных по форме полуфабрикатов, получаемых путем горячей штамповки, ковки, глубокой вытяжки и прокатки. Сплавы типа дуралюмин (Д1, Д6, Д16 и др.), сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe (АК2, АК4, АК4-1), сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре.
Наиболее типичным представителем сплавов типа дуралюмин является сплав Д1.К этой же группе относятся сплавы Д6, Д16 и др. Следует отметить, что сплавы Д6 и Д16 обладают более высокой прочностью, чем сплав Д1. Большинство сплавов типа дуралюмин применяется в закаленном и естественно состаренном состоянии. Все эти сплавы имеют наибольшее распространение для изготовления труб, прутков, профилей и листов. По своей природе сплавы ДЗП и Д18П также относятся к числу сплавов типа дуралюмин, но они менее легированы и отличаются весьма высокой пластичностью.
Поэтому сплавы Д3П и Д18П нашли широкое применение в основном, для изготовления заклепок. Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe. К этой группе относятся прежде всего сплавы АК3, АК4, АК4-1, которые по фазовому составу, следовательно и по свойствам, резко отличаются от сплавов типа дуралюмина. Эти сплавы нашли наиболее широкое применение для ковки штамповки поршней, картеров и др. деталей, работающих при повышенных температурах. Из сплавов АК4, АК4-1 изготавливают детали колес компрессоров, воздухозаборников, крыльчатки мощных вентиляторов, лопасти и другие детали, работающие при повышенных температурах. Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре. Из всех деформируемых сплавов наибольшую плотность имеют сплавы В95.
3.Титан и титановые сплавы.
Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3, относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665 ± 5°C. Модуль упругости у титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент линейного термического расширения - 8,15 х 106 К-1 (50% от коэффициента расширения аустенитной нержавеющей стали). Титан обладает высоким удельным электросопротивлением. Титан – парамагнитный металл.
Титан – твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С. Титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).
Титан имеет две полиморфные модификации:
низкотемпературную модификацию a - Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)
высокотемпературную модификацию b - Ti, устойчивую выше 882°С (ОЦК решетка а = 0,332 нм).
На механические свойства титана значительно влияют примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 - 0,012%.
Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.
Магниетермический способ производства титана.
Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четыреххлористый титан: TiO2 + С + 2Сl2 → TiCl4 + CO2.
Процесс идет в шахтных электропечах при 800...1250°C. Другой вариант – хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl.
Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоемкая) – очистка TiCl4 от примесей – проводится разными способами и веществами. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°C.
Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2.
Эта реакция идет в стальных реакторах при 900°C. В результате образуется так называемая титановая губка, пропитанная магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°C, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.
Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности.
Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI4, который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титана встречают раскаленную до 1400°C титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана.
Сплавы на основе титана
Для получения сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения механических свойств, реже — для повышения коррозионной стойкости. Удельная прочность титановых сплавов выше, чем легированных сталей.
Технический титан и его сплавы получают из титановой губки. Титановая губка — это пористое серое вещество с насыпной массой 1,5—2,0 г/см3 и очень высокой вязкостью.
В зависимости от содержания примесей технический титан подразделяют на несколько сортов: ВТ1-00 (99,53 % Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti) и ВТ1-1 (99,44 % Ti).
Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов основана на структуре, которая формируется при отжиге по промышленным режимам. Она включает:
1. a-сплавы, структура которых представлена a-фазой.
2. Псевдо-a-сплавы, структура которых представлена a-фазой и небольшим количеством b-фазы (не более 5%) или интерметаллидов.
3. (a + b)-сплавы, структура которых представлена a- и b-фазами; сплавы этого типа также могут содержать интерметаллиды.
4. Псевдо-b-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной a-фазой и большим количеством b-фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из b-области можно легко получить однофазную b-структуру.
5. b-сплавы, структура которых представлена термически стабильной b-фазой.
6. Сплавы на основе интерметаллидов.
Практически все титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием, который имеет следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:
а) широко доступен и сравнительно дешев;
б) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, поэтому введение алюминия повышает удельную прочность сплавов;
в) алюминий эффективно упрочняет a-, (a +b)- и b-сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности;
г) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;
д) алюминий повышает модули упругости;
е) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости.
Однако с увеличением содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность.
Поэтому если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в интервале температур 250—550°С или необходима высокая технологическая пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.
Титановые a-сплавы, помимо Al, легируют нейтральными упрочнителями (Sn и Zr). Весьма ценным свойством a-сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.
К недостаткам a-сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых a-сплавов. Однако при этом возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a 2. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.
Сплав ВТ5, содержащий 5%Al отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Применяются для деталей, работающих при температурах до 400°С.
Сплав ВТ5-1, относящийся к системе Ti—Al— Sn более технологичный, чем BT5 и предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450°С.
Дисперсионно твердеющие a-сплавы представлены английским сплавом Ti+2%Cu. В отожженном и закаленном состоянии сплав малопрочен и пластичен и имеет такую же технологичность, как и технический титан. При старении сплав упрочняется на 30—50% за счет дисперсионного твердения и приобретает sВ=750—800 МПа. Из сплава Ti+2%Cu в Англии изготовляют листы и полосы. Этот сплав сваривается, причем пластичность сварного соединения практически такая же, как у основного металла.
В псевдо-a-сплавы для повышения прочности и жаропрочности при сохранении достаточной технологичности и свариваемости наряду с алюминием следует вводить b-стабилизаторы. Псевдо-a-сплавы при одинаковой с a-сплавами пластичности обладают на 10—20% более высокой прочностью, что обусловлено существенным измельчением зерна при переходе от a- к (a +b)-структуре. При комнатной температуре псевдо-a-сплавы отличаются более высокой технологи