ТКМ.1. ТКМ. 12. металлургическая промышленность. Производство чугуна 12 Металлургия

• Название: 12. металлургическая промышленность. Производство чугуна 12 Металлургия
• Анкор: ТКМ.1.doc
• Дата: 16.08.2018
• Размер: 11.69 Mb.
• Имя файла: ТКМ.1.doc
• Тип: Документы; #23090
• страница: 4 из 4

16. ТИТАН, МАГНИЙ И ДРУГИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

В ПРОИЗВОДСТВЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
16.1. Титан

Промышленное применение титана началось в 1948г. Он по распространению в земной коре (0,6%) занимает 4 место, уступает алюминию, железу, магнию. Титан обладает очень ценными свойствами: небольшой плотностью (4,5*10 ³ кг/м ³), высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Недостатки: активное взаимодействие с газами при высоких температурах, невысокие антифрикционные свойства, плохая обрабатываемость, водородная охрупчиваемость.

Титан - полиморфный материал и существует в двух аллотропических формах  -ГПУ и  -ОЦК-фазах. Температура полиморфного превращения Т_α -  = 882°С  - фаза имеет периоды решетки а=0,2% нм, с=0,472 нм;  - титан (выше 882 °С) имеет а=0,331 нм.

Электронная структура внешних оболочек атома титана 3s² Зр⁶ 3d² 4s². При возбуждении атома внешние s-электроны распа­риваются, поэтому титан проявляет валентность +2.

Титан на воздухе покрывается очень прочной защитной плен­кой TiO₂. Поэтому в нормальных условиях коррозионно устойчив и химически устойчив к агрессивным средам (выше чем нержавеющая сталь). Например, морская вода за 4000 лет растворит слой титана толщиной листа бумаги.

Преимущественное применение титан получил в авиации, ракетостроении и др. отраслях, где удельная прочность имеет большое значение. Удельная прочность – это отношение предела прочности к плотности. Самая высокая удельная прочность титана проявляется при температурах (300-600 ⁰С). При температурах до 300 ⁰С он уступает алюминию, а выше 600 ⁰С – сплава на основе железа. Недостаток титана – его высокая стоимость.

Химическое соединение TiO₂ применяется при изготовлении тугоплавких стекол, эмалей, лабораторной жароупорной посуды, ог­неупорных тиглей, TiO₂ используется для приготовления белой мас­ляной краски (титановые белила).
16.2. Сплавы титана

Основные преимущества титановых сплавов, определяющие область применения этого сравнительно нового конструкционного материала, следующие: небольшая плотность — 4,5 кг/м³, высокая стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах. Для некоторых сплавов титана характерны, кроме того, хорошие жаропрочные свойства (но они ниже, чем у стали). Титановые сплавы практически превосходят нержавеющие стали, медные и никелевые сплавы в стойкости против коррозии в морской воде, в том числе и при длительной работе, а также в таких агрессивных средах, как влаж­ный хлор, горячая азотная кислота высокой концентрации (и некоторых других). Коррозионная стойкость титановых сплавов дополнительно возрастает при введении очень малых количеств палладия.

Прочностные свойства титановых сплавов различаются в зависимости от состава и структуры, получаемой при термической обработке. Некоторые сплавы титана, обладая меньшей плотностью, не уступают в прочности легированным конструкционным сталям после улучшающей термической обработки. Марки титановых сплавов распределены в табл. по прочности и структуре. Повышенные прочностные свойства, в том числе при нагреве до 550—600°С, имеют титановые сплавы, легированные хромом, что при меньшей плотности, чем у стали, делает их особенно пригодным для деталей, в работе которых развиваются значительные центробежные силы. Вместе с тем сплавы титана уступают сталям, особенно с повышенным содержанием углерода, в твердости и износостойкости, что сильно затрудняет использование их для деталей, работающих в условиях повышен­ного изнашивания.

Легирование позволяет значительно повысить механические свойства титана. Для получения сплавов титан легируют Al, Cr, Fe, Mn, Mo, Sb,V.

Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения (рис. 16.1). Элементы, повышающие тем­пературу  превращения способствуют стабилизации -твердого раствора и называются -стабилизаторами (Al, О₂, N₂). Элемен­ты, понижающие температуру Т-, способствуют стабилизации -твердого раствора и называются -стабилизаторами (Mo,V, N_b).

Рис. 16.1. Зависимость фазового состава титановых сплавов от легирующих сплавов
В сплавах титана с Cr, Mn, Fe, Si происходит эвтектоидный распад -фазы по типу +TiMе с образованием химических соединений – интерметаллидов (титанидов).

Во всех сплавах титана содержится ≈5% алюминия.

Кроме - и -стабилизаторов, различают нейтральные упрочнители (Sn, Zr, Hf), не оказывающие существенного влияния на температуру Т_α→β. Титановые сплавы (рис. 16.2) подраз­деляют на -сплавы (одно­фазные), (+) - сплавы (двух­фазные), -сплавы (однофаз­ные).



Рис. 16.2. Диаграмма состояния Ti-Cr, Mn, Fe, Si

1)  - сплавы – ВТ1, ВТ5, ВТ4.

Преимущества: до 650°С сохраняют достаточную прочность, до 1090 °С устойчивы к коррозии, хорошо свариваются.

Недостатки:закалке и старению не подвергаются.

2) ( + )- сплавы: ВТ6, ВТ8, ВТ14.

Преимущества: удвоенная прочность по сравнению с нелеги­рованным титаном, хорошая ковкость, пластичность, штампуемость и прокатываемость.

Недостатки:пластичность сварного шва хуже, чем у  - сплавов.

3)  -сплавы: ВТ3-1, ВТ22, ВТ15.

Преимущества: отличная пластичность, прочность до 540°С.

Недостатки: чувствительность к загрязнениям.

Термическая обработка титановых сплавов.

Согласно двойным диаграммам состояния титан - легирую­щий элемент, титановые сплавы в зависимости от их состава и назна­чения можно подвергать всем основным видам термической обработ­ки:

- рекристаллизационный отжиг применяется в  - сплаве для снятия деформационных напряжений при температуре рекристаллизации Т_р =520-850°С в зависимо­сти от химического состава и вида полуфабриката;

- отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (+ ) - сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности при температуре отжига Т_о = 750-950°С;

- закалка применяется только для двухфазных сплавов. В этом случае может происходить либо мартенситное превращение, либо фиксирование отдельных фаз.

Основными марками титановых сплавов являются:

ВТ5 (5А1)  =700-950 МПа,  = 10-15 %

ВТ4 (4А1, 1,5 Мn)  =850-1050 МПа,  =10-15 %

ВТ6 (6A1, 4V)  =1100-1150 МПа,  =14-16 %

ВТ15 (4А1, 11Cr, 8Mo) =1300-1500 МПа,  =4-8%

Литейные сплавы ВТ5Л, ВТЗ-1Л и др. используют для получе­ния фасонных отливок. Для получения качественных отливок исполь­зуют атмосферу инертного газа, либо вакуум, т.к. титан активно взаи­модействует с газами и формовочной смесью.

Титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойства и не пригодны для изготовления трущихся деталей. Для повышения износостойкости применяется азотирование при ≈900 ⁰С в течение 15-25 ч в диссоциированном аммиаке или в сухом, очищенном от кислорода азоте.
16.3. Maгний

Магний - очень легкий металл. Плотность 1,7410³ кг/м³ .Температура плавления 650°С. Это металл серебристо-белого цвета. Полиморфных превращений не обнаружено. Кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной решетке с параметрами а=0,32 нм, с=0,52 нм. Электронная конфигурация магния 1s²2s²2p⁶3s². В воз­бужденном состоянии за счет расспаривания 3s² -электронов проявля­ет валентность +2. Магний химически активный металл, легко окис­ляется на воздухе, а при 623 °С воспламеняется, не доходя до темпера­туры плавления. Большую опасность представляет собой магниевая стружка и порошок магния, т.к. они самовоспламеняются на воздухе при обычных температурах и излучают ослепительно белый свет.

Из-за низких механических свойств чистый магний как конст­рукционный материал практически не применяется. Его используют в качестве раскислителя и модификатора при производстве чугунов и цветных металлов, пиротехнике, химической промышленности (катализаторы и т.д.).
16.4. Сплавы магния

Магний, в основном, применяется для производства сверхлег­ких сплавов, используемых для ненагруженных деталей в машиностроении и автомоби­лестроении, т.к. обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, способны воспринимать ударные нагрузки и гасить вибрационные нагрузки.

Основное преимущество магниевых сплавов по сравнению с остальными промышленными металлами – небольшая плотность: 1,7—1,8 т/м³. Однако их модуль упругости пониженный: 43 000 мПа. Вследствие этого магниевые сплавы пригодны для мало нагруженных деталей. Составы сплавов даны в ГОСТах 14957—76 и 2856—79. На Украине титан, магний и их сплавы получают на Запорож­ском титано-магниевом комбинате.

В машиностроении используют сплавы магния, преимущественно с алюминием, марганцем и цинком и реже с цирконием и ниобием (прочность магния значительно ниже, чем его сплавов. Алюминий образует соединение Al₃Mg₄, цинк – MgZn₂., мар­ганец – Mg₃Zn₃Al. При охлаждении сплавов выделяются эти соеди­нения, способные упрочнять сплавы. Однако это действие сохраня­ется только до температуры Т = 150-200 °С.

Для улучшения механических свойств при повышенных темпе­ратурах (для обеспечения жаропрочности) магниевые сплавы леги­руют церием, неодимом, скандием, иттрием.

Марганец повышает коррозионную стойкость сплавов, т.к. очищает их от примеси железа. Цирконий и церий измельчают зерно в сплавах. Бериллий - уменьшает окисляемость при плавке, литье, терми­ческой обработке сплавов магния.

Магниевые сплавы, также как алюминиевые и титановые, под­вергают термической обработке - отжигу, закалке, старению в зависи­мости от задач получения тех или иных свойств сплавов.

Литейные магниевые сплавы МЛ5, МЛ6 - изготавливают сложные ответственные отливки, применяемые в конструкциях ав­томобилей (корпуса, колеса), самолетостроении и ракетной технике. Свойства литейных магниевых сплавов зависят от величины зерна. Применяемая термообработка сводится к нагреву 10-16ч, охлаждению на воздухе и старению при температуре Т = 175 ⁰С в течение 15-16 ч.

Деформируемые магниевые сплавы маркируются МА-1, МА-3 и др. Их можно деформировать при температурах Т = 250-400 ⁰С.
16.5. Другие металлические материалы

Выше мы рассматривали основные конструкционные метал­лические материалы на основе железа (стали и чугуны), меди (латуни, бронзы), алюминия (силумины, технический алюминий и др.), магния и титана, широко применяемые в машиностроении. Остальные метал­лы и неметаллы служат добавками к этим сплавам в качестве леги­рующего элемента, либо модификатора. Но вместе с тем существуют и другие металлические сплавы, применяемые в технике. Мы уже рассматривали баббиты (сплавы на основе олова, либо свинца).

Особенно широко применяются в создании конструкционных материалов d-металлы, которые называются переходными металлами. Переходными называют элементы, атомы которых имеют частично заполненные d-энергетические подуровни. Электронные конфигура­ции атомов переходных металлов отвечают формуле

...(n-l)d^1-8 ns (номер периода n)

Все переходные элементы проявляют металлические свойства.

Переходные металлы отличаются от s-металлов многообразием валентных состояний, что объясняет существование большого числа химических соединений у переходных элементов по сравнению с дру­гими металлами. Все переходные металлы встречаются либо в ГЦК, либо в ГПУ, либо в ОЦК-структурах.

Металлы обнаруживают изоморфический полиморфизм в своих подгруппах, либо изоморфический мономорфизм (подгруппы меди и цинка).

1) Металлы подгруппы IIIa (скандий, иттрий, лантан, акти­ний) широкого применения пока не имеют. Используют для специфи­ческих отраслей (электроника и т д.) лишь их соединения.

2) Металлы подгруппы IVa (титан, цирконий, гафний). Кроме титана, рассмотренного выше, цирконий и гафний тугоплавки, хорошо поддаются механической обработке.

Диоксид циркония ZrO₂ (как и TiO₂) применяется при изго­товлении тугоплавких стекол, эмалей, огнеупорных тиглей, краски.

К важнейшим сплавам циркония относятся циркаллоны - сплавы на основе Zr с добавками Sn, Fе, Cr, Ni, используемые в ядер­ной энергетике.

3) Металлы подгруппы Vа (ванадий, ниобий, тантал) V, Nb, Та - металлы серого цвета. Чистые металлы ковки, стойки к химиче­ским воздействиям (кроме плавиковой кислоты). Ванадий и ниобий, в основном, применяются для улучшения качества стали. Из тантала изготавливают высокотемпературные печи, в которых плавят металлы. Карбиды ниобия и тантала используются для изготовления режущего инструмента из-за их исключительной твердости.

4) Металлы подгруппы VIa (хром, молибден, вольфрам) - голу­бовато-серебристые блестящие металлы. Примеси сильно влияют на свойства металлов. Так, чистый хром пластичен, а технический хром - один из самых твердых металлов. Хром используют для хромирова­ния поверхностей от коррозии и для полировки поверхностей метал­лов.

Основным потребителем Cr, Mo, W является металлургия, где эти металлы используются при выработке специальных сталей.

Вольфрам применяется для производства нитей накала в лам­пах как нагревательный элемент высокотемпературных печей (до 300Q °С).

Карбид вольфрама WC обладает очень высокой твердостью, износоустойчивостью и тугоплавкостью. На основе WC созданы луч­шие инструментальные твердые сплавы.

5) Металлы подгруппы VIla (марганец, технеций, рений). Электронная структура

...(n-l)d ⁵ ns ².

В компактном состоянии Mn,Te, Re - белые металлы, похожие по виду на железо или на платину.

Наибольшее практическое применение имеет марганец, ис­пользуемый для раскисления стали, для добавки в бронзы, латуни. Применение рения и технеция ограничено малой их доступностью. Рений используется вместе с платиной в качестве термопар, для из­мерения высоких температур и нитей накаливания в лампах

6) Металлы VIII-ой группы. Металлы VIII-ой группы образуют три побочные подгруппы железа, кобальта и никеля. Но по историче­ски сложившейся систематике и по сходству принято объединять Fe, Со и Ni в семейство железа, a Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt - называть плати­новыми металлами.

7) Семейство железа. Железо нами было подробно рассмотре­но ранее. Кобальт и никель - блестящие металлы. Никель (как и железо) легко куется и прокатывается. Кобальт более тверд и хрупок. Fe, Co, Ni - магнитные материалы. Кобальт и никель устойчивы к коррозии на воздухе, т.е. не окисляются. Кобальт вводят в некоторые сплавы с це­лью сообщить им твердость.

Сплавами кобальта являются стеллит (Co-Cr-W), используе­мый в качестве конструкционного материала в турбинах и победит (сверхтвердый сплав).

Из соединений никеля важным является оксид Ni₂О₃, приме­няемый для изготовления щелочных аккумуляторов. Основная масса никеля используется для изготовления сплавов

Сплавы на основе никеля. можно разделить на жаропрочные, магнитные жаропрочные сплавы: (59% Ni, 20 % Cr, 16 % Со и др.) - нимоник, инконель . (73% Ni, 15 % Cr, 7 % Fe и др.), которые исполь­зуются для изготовления двигателей. Нихром . (Ni+Cr+др.) - исполь­зуется для нагревательных приборов.

Из магнитных сплавов никеля - пермаллой . (78,5 % Ni + Fe) интенсивно намагничивается даже в слабых полях.

К особым сплавам относят - инвар (36 % Ni,0,5 Mn+ 0,5 % С +Fe);

- монельметалл (30 % Сu + Ni);

- платинит (45 % Ni; 0,15 % С + Fe). Платинит используют для впаивания вводов металлических контактов в стекло.

Чистый никель используют для никелирования поверхностей металлов для защиты от коррозии.

8) Платиновые металлы. Все платиновые металлы являются малораспространенными. В природе они встречаются только в само­родках и почти всегда сопутствуют друг другу. Палладий, родий и платина поддаются механической обработке, рутений, иридий и осмий тверды и хрупки. Платиновые элементы устойчивы к химиче­ским реагентам.

Платина растворяется только в царской водке. Она в основном используется в электротехнике.

Палладий - наиболее легкий, мягкий и ковкий из всех платино­вых металлов.Палладий лучше всех металлов поглощает водород и он исполь­зуется в виде мембран для очистки водородного газа от примесей.

9) Элементы Iв подгруппы (медь, серебро, золото). Все эти металлы исключительно пластичны. Серебро обладает максимальной для металлов электропроводностью. Золото растворяет­ся (как и платина) только в царской водке. Сплавы этих металлов ис­пользуют в электротехнике: константан (40 % Ni, 1,5 % Mn + Сu), манганин (3 % Ni, 12 % Mn + Сu), капель (43 % Ni + 0,5 % Mn + Сu), серебро в виде припоев.

Золото, серебро и платина относят к драгоценным металлам.

10) Элементы II подгруппы (цинк, кадмий, ртуть) - белые металлы. Кадмий - ковкий и тягучий металл, цинк - хрупкий металл. Все три металла легко сплавляются друг с другом и с другими метал­лами.

Цинк используется для оцинкования железа в целях предо­хранения его от коррозии и в качестве легирующего компонента в сплавах (латуни и др.). Важной является кадмиевая бронза (0,1 % Cd), из которой делают телеграфные, телефонные, троллейбусные провода, т.к. она имеет большую прочность и износостойкость, чем медь. Соединения кадмия и пары ртути ядовиты!