16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
6 .3. Азотирование Азотированием называется насыщение поверхностного слоя детали азотом для получения в нем высокой твердости, износостойкости, усталостной прочности и сопротивления коррозии. При азотировании деталь помещается в герметически закрытые стальные емкости, в которые поступает аммиак. Емкости помещаются в нагревательную печь и выдерживаются при 500…600 Св течение длительного (до 60 ч) времени. При такой температуре аммиак разлагается на азот и водород NH 3 3H+N . В результате образуются нитриды железа. Однако последние не обеспечивают высокой твердости. Поэтому для ее получения производится совместное легирование стали такими элементами, как хром, молибден, алюминий. Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов, азотированию чаще всего подвергаются легированные среднеуглеродистые стали, например 38Х2МЮА, 35 ХМА, 38ХМА, 38Х2Ю, 3Х2В8, 5ХНМ и др. Высокая твердость после азотирования достигается сразу, что не требует дополнительной термической обработки. Однако, по сравнению с цементацией, для азотирования требуется более длительное время и необходимость использования дорогостоящих легированных сталей. Поэтому оно применяется в случае изготовления более ответственных изделий, для которых требуются особо высокие показатели качества поверхностного слоя – мерительного инструмента, цилиндров, зубчатых колес, гильз, втулок, коленчатых валов и др. 6 .4. Насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом При совместном насыщении стали азот способствует диффузии углерода, что дает возможность снизить температуру процесса до 850 Си получить практически такое же насыщение, как при цементации. При этом уменьшается рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания. Такой технологический процесс называется нитроцементацией. В связи стем, что исходной насыщающей средой является смесь цементирующего газа св поверхностном слое детали образуются карбонитриды. Полученная структура хорошо сопротивляется износу и коррозии и используется для упрочнения поверхностей нешлифуемых изделий. Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также осуществлять в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. Такая технология называется цианированием. В составе расплава 20…25 % NaCH, 25…50 % NaCl и 25…50 % Na 2 Co 3 . За 1 час выдержки при температуре 820…850 С диффузионный слой достигает величины 0,3…0,4 мм, который после закалки с температуры насыщения и последующего отпуска при температуре 180…200 С приобретает твердость 58…62 HRC и высокую износостойкость. Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с высокими требованиями к правилам техники безопасности по причине высокой токсичности цианистых солей. 6 .5. Диффузионная металлизация Для многих изделий машиностроения требуются такие свойства, как высокая жаростойкость, повышенная износостойкость, коррозионная стойкость, значительная твердость и др. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (насыщение алюминием, хромирование, силицирование (насыщение кремнием, борирование путем применения порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (NH 4 Cl, NH 4 J и др) и нейтральный порошок шамот, глинозем и др) для предотвращения спекания смеси. Насыщаемые изделия, находящиеся в порошке, упаковываются в металлические контейнеры, нагреваются в печи до температуры 1000…1200 Си выдерживаются в течение нескольких часов для получения диффузионных слоев заданной толщины и структуры. 124 При алитировании детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки толщиной 0,2…0,5 мм, предохраняющей металл от окисления даже при высоких температурах. Хромированием достигается высокая стойкость против газовой коррозии, коррозии в обычной и морской воде, в кислотах. Толщина слоя достигает 0,2 мм. Силицирование придает поверхностям изделий высокую кислотостойкость в соляной, серной и азотной кислотах, поэтому используется чаще всего в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3…1 мм. Борированием достигается исключительно высокие твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных агрессивных средах. Поверхностный слой борида железа достигает величины 0,1…0,2 мм. Контрольные вопросы 1. Что называется химико-термической обработкой сплавов В чем ее назначение Назовите основные стадии технологического процесса. 2. Приведите назначение и технологию цементации. Какова структура цементованного слоя 3. Каковы виды термообработки цементованных сталей 4. Приведите назначение и технологию азотирования и нитроцементации. Какова структура азотированного слоя 5. Что такое диффузионная металлизация Назовите ее назначение и виды. Каковы свойства стали после диффузионной металлизации 7 . ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ 7 .1. Общие сведения Более 95 % изготавливаемой в мире металлопродукции производится из железа и сплавов на его основе, которые относятся к группе черных. Все остальные металлы и сплавы называются цветными. По физическими химическим свойствам, характеру залегания в земной коре последние можно подразделить наследующие группы – легкие алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий, калий, кальций, рубидий, цезий, стронций, барий – тяжелые медь, никель, кобальт, свинец, олово, цинк, кадмий, сурьма, висмут, ртуть – благородные золото, серебро, платина и платиноиды (рутений, родий, палладий, осмий, иридий 125 – со со бы ми свойствами тугоплавкие (вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений, ванадий, хром, цирконий, гафний рассеянные (галлий, индий, таллий редкоземельные (скандий, иттрий, лантан и все лантаноиды радиоактивные (технеций, франций, радий, полоний, актиний, торий, протактиний, уран и все трансурановые элементы. Металлы, которые производятся и используются в ограниченном количестве, называются редкими. К ним можно отнести все рассеянные и редкоземельные, значительную часть тугоплавких, радиоактивные и некоторые легкие (бериллий, литий, рубидий, цезий. Приведенную классификацию следует считать условной, так как многие металлы могут быть отнесены к разным группам одновременно. Например, тугоплавкий металл рений – типичный рассеянный элемента легкий титан является тугоплавкими т. д. Легкие металлы очень широко используются в качестве конструкционных материалов. Из этой группы наибольшее применение находят алюминий, магний, титан. Алюминий химический элемент Al (от лат. alumen квасцы) – атомный номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо-белый металл, легкий, ковкий, устойчивый против коррозии. Плотность 2699 кг/м 3 , температура плавления 660 С. Встречается в виде различных минералов, из которых наиболее распространены боксиды и алюмосиликаты. Получают алюминий электролизом раствора оксида алюминия в расплавленном криолите Впервые предположение о существовании алюминия было высказано в 1808 году английским ученым Дэви. Именно он дал название новому металлу. Однако лишь в 1825 году датскому ученому Эрстеду ив году немецкому химику Веберу удалось выделить алюминий в чистом виде. До конца XIX столетия алюминий был дорогим металлом, лишь немного дешевле золота. Промышленный выпуск алюминия начался в 1890 году. По распространенности в природе среди металлов алюминий занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа. Широкое применение алюминия и его сплавов обусловлено его характерными свойствами легкостью (масса алюминиевой детали составляет лишь треть массы стальной таких же размеров устойчивостью к коррозии на воздухе, а также в среде многих газов и жидкостей высокой отражательной способностью относительно высокой упругостью хорошей обрабатываемостью высокой тепло- и электропроводностью. Электропроводность алюминия чистотой 99,997 % составляет 65,5 % от электропроводности меди. Алюминий является химически активным металлом. В результате этого он легко покрывается с поверхности окисной пленкой, которая защищает его от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. При комнатной температуре на воздухе толщина этой пленки составляет (5…7)· м. При нагреве до температуры плавления толщина пленки возрастает враз. Окисная пленка очень плотная, обладает хорошим сцеплением с металлом и малопроницаема для всех газов. Благодаря такой пленке алюминий устойчив на воздухе даже в условиях чрезвычайно влажного климата, обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Скорость коррозии резко возрастает с присутствием вводе примесей щелочей, солей, ртути, меди, ионов хлора. С каждым годом постоянно растет применение титана. Для многих целей он более перспективен, чем любые другие металлы. Прочность технического титана близка к прочности обычных конструкционных сталей, а по своей коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные коррозионно-стойкие стали. Если такие стали в растворе, состоящем из двух частей соляной кислоты и одной части азотной кислоты, за год растворяются на глубину 10 мм, то титан зато же время – только на 0,005 мм. Благодаря этому титан является превосходным материалом для оболочек и облицовок резервуаров, в которых хранятся кислоты. Почти 90 % получаемого в мире титана потребляют авиация, космическая и ракетная техника, военная промышленность. Младшим братом алюминия можно назвать легкий металл – магний. По распространенности в земной коре он занимает третье место после алюминия и железа. Однако не все соединения магния могут быть использованы как исходное сырье для промышленного получения металла. Технология его производства в настоящее время довольно трудна и высокозатратна. Магний относится ко II группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Его атомный номер 2; атомная масса 24,32; плотность 1,74 г/см 3 ; температура плавления 651 С. Чистый магний в качестве конструкционного материала практически не используется из-за низких прочностных свойств. Поэтому он применяется как составная часть сплавов. Две важнейшие группы из них составляют сплавы магний–алюминий–цинк и магний–церий с малыми добавками тория или циркония. Существенное достоинство магниевых сплавов состоит в том, что они хорошо обрабатываются резанием. При одинаковых скоростях резания магний требует примерно вдвое меньшего усилия, чем латунь ив шесть раз меньшего, чем сталь. Преимущества магния дают основание полагать, что в будущем он найдет широкое применение во многих областях техники, причем не только как легирующая добавка, средство для восстановления и очистки 127 металлов или для целей катодной защиты других металлов от коррозии, но и как основной компонент конструкционных сплавов. Тяжелые цветные металлы имеют в технических устройствах не меньшее распространение, чем легкие. Наиболее часто используются медь, свинец, цинк, олово и никель. Этих металлов с каждым годом в мире производится все больше. Так, годовое производство меди сначала ХХ века выросло более чем в десять раз. Но потребности растут еще быстрее, и некоторых металлов уже явно не хватает. Приходится строго следить, чтобы тяжелые цветные металлы применялись только там, где их особые свойства, безусловно, необходимы и где их нельзя заменить другими материалами. Медь химический элемент – Cu ( от лат. Cuprum) – атомный номер, атомная масса 63,546. Это из немногих действительно цветных металлов в зависимости от степени чистоты и состояния поверхности ее цвет изменяется от светло-розового до красного. Плотность меди составляет кг/м 3 , температура плавления 1083 С. За год в мире производится млн т меди. Согласно прогнозам, мировые запасы меди в тех рудах, которые технически и экономически пригодны для добычи и переработки существующими ныне методами, составляют около 100 млн т. Следовательно, уже через несколько десятков лет эти запасы могут иссякнуть. Открытие новых месторождений и совершенствование методов добычи может лишь на какое-то более или менее продолжительное время отодвинуть этот момент. Поэтому единственный выход состоит в том, чтобы возможно шире использовать металлолом и другие отходы промышленности, содержащие медь. Уже после второй мировой войны в крупнейших промышленно развитых странах из отходов получали больше меди, чем выплавляли ее из руда сегодня относительная доля вторичной меди значительно возросла. Для современной техники наиболее важными являются такие свойства меди, как высокая электро- и теплопроводность, а также прочность, вязкость, хорошая коррозионная стойкость. Около половины всей производимой меди (с большей или меньшей степенью чистоты) идет на изготовление проводов, кабелей, шин и других токопроводящих изделий электротехнической промышленности. Проводимость меди составляет 60,1 МОм/мм 2 . Это означает, что медный провод сечением 1 мм 2 и длиной м обладает электрическим сопротивлением 1 Ом. Провода такого же сечения из алюминия и железа имеют аналогичное сопротивление при длине 63,38 им соответственно. По электропроводности медь уступает лишь серебру (на 5 %), оставляя позади все другие металлы. Однако необходимо помнить, что любые примеси в меди, даже серебро, ухудшают ее электропроводность, причѐм тем существеннее, чем дальше (по горизонтали) примесный элемент отстоит от меди в периодической таблице Менделеева. 128 Другим важнейшим цветным тяжелым металлом, широко используемым в промышленности, является свинец. Он известен с древнейших временно существенное значение в технике приобрел только с развитием производства серной кислоты. Это металл голубовато-белого, а чаще тускло-серого цвета. Он очень мягок, обладает низкой прочностью, плавится при температуре 327,4 С. Ежегодно в мире производится 3…4 млн т свинца. Около половины этого количества идет на изготовление аккумуляторов и кабелей, а треть – на химическое аппаратостроение. Остальной свинец используется для легирования сплавов и производства химических соединений. Одно из главных достоинств свинца – его высокая коррозионная стойкость. Крупным потребителем свинца является кабельная промышленность. Бесшовная свинцовая оболочка хорошо защищает кабель, проложенный под землей или поморскому дну. Вместе стем, он не мешает намотке или размотке кабеля, так как очень пластичен. Свинец используется для изготовления аппаратов, резервуаров и трубопроводов для серной кислоты. Однако, из-за его низкой прочности, детали химической аппаратуры зачастую изготавливаются из других материалов, на которые наносятся свинцовые покрытия. Для легирования свинца используется, главным образом, сурьма и олово. Сурьма вводится в сплав в количестве 0,5…13 %, что значительно повышает твердость свинца. Такие сплавы называются гартами (от нем. Hartblei, букв. твердый свинец. Из свинцовых сплавов с добавками сурьмы и олова изготавливаются подшипники скольжения. Олово древний металл, который посей день сохраняет большое значение. В бронзовом веке олово вместе с медью служило важнейшим материалом. Оловянной посудой пользовались повсеместно ив средневековье, и даже в прошлом столетии. С развитием консервной промышленности олово нашло новое важное назначение – многие миллиарды консервных банок изготавливаются из белой жести, те. покрытой оловом тонколистовой стали. Для этой цели используется почти половина мирового производства олова. При нормальных температурах олово способно чрезвычайно долго сопротивляться коррозии на воздухе ив воде. Олово нетоксично и не влияет на вкус пищевых продуктов. Температура плавления олова самая низкая из всех тяжелых цветных металлов С. Значительная доля олова используется для пайки, изготовления бронз, подшипниковых и других сплавов. Сульфиды олова входят в состав красок для золочения, а диоксиды – на приготовление жаростойких эмалей и глазурей. Олово высокой чистоты применяется в электронике. В группе тяжелых цветных металлов находится цинк металл си- невато-белого цвета с температурой плавления 419,5 Си плотностью 7130 кг/м 3 129 Цинк устойчив к коррозии на воздухе ив воде, поэтому значительная его часть используется для покрытий стальных изделий (цинкование. Широко распространен цинк ив качестве легирующего элемента для изготовления многих сплавов. Некоторые цинковые сплавы используются для литья под давлением. Они обладают хорошими литейными свойствами и дают возможность получать тонкостенные прецизионные отливки сложной конфигурации. Сплав цинка с 22 % алюминия обладает чрезвычайно интересным свойством – сверхпластичностью. Этот сплав способен удлиняться нате. враз больше, чем обычные металлические материалы. Листы из такого сплава приобретают сверхпластичное состояние при температуре 260…270 Си легко поддаются формообразованию. В тоже время при комнатной температуре прочность сплава достигает 300 Н/мм 2 К традиционным давно известным тяжелым цветным металлам относится никель серебристо-белого цвета, тугоплавкий (t пл = 1453 С) с плотностью 8910 кг/м 3 , не изменяющийся на воздухе. В средние века саксонские горняки пытались получать медь из крас- но-бурого гравия, считая его медной рудой. Но все их попытки не увенчались успехом. Тогда они решили, что их дурачит злой горный дух по имени Никель (нем. Nickel) и присвоили этому минералу пренебрежительное название «купферникель» (нем. Kupfernickel злой дух меди. В память об этой древней истории шведский химики минералог А. Кромштедт назвал никелем металл, открытый им в 1751 г. Никель устойчив к коррозии вводе (в том числе морской, в щелочах, растворах солей и многих органических кислотах. Половина получаемого в мире никеля идет на легирование сталей – он повышает вязкость и прочность низколегированных сталей и коррозионную стойкость и жаропрочность высоколегированных. В последнее время значение никелевых сплавов особенно возросло. Сплавы железа с никелем применялись еще в те времена, когда чистый никель, не был известен человеку, использующему метеоритное железо, в составе которого содержится до 10 % никеля. Из медно-никелевых сплавов чеканили монеты во II тысячелетии до н.э. Древнекитайский металл «пафонг» был сплавом меди с цинком и никелем. Вначале ХIХ века примерно такой же сплав начали производить в Германии под названием нейзильбер. Но лишь гораздо позже никелевые сплавы нашли широкое применение в технике, особенно сплавы никеля с медью, которые легко поддаются горячей и холодной обработке давлением, обладают достаточной прочностью, хорошо противостоят коррозии и износу, имеют высокое электросопротивление. Медь и никель образуют непрерывный ряд твердых растворов. 130 Добавка хрома придает никелю стойкость в агрессивной окислительной среде. Нихромы (сплавы никеля и хрома) хорошо зарекомендовали себя как материалы для нагревательных элементов. Необычайно жаропрочные сплавы на основе никеля (наряду с хромом, молибденом и железом) содержат вольфрам, титан и алюминий. Высокая их жаропрочность винтер- вале температур 800…1000 Сдает возможность использовать такие сплавы для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей. Никель – один из самых распространенных материалов для антикоррозионных и декоративных покрытий. Около 25 % его мирового производства идет на гальванические покрытия изделий из других металлов. Благородные металлы находят самое различное применение в современных технических устройствах. Однако, по сравнению с другими металлами их доля очень невелика в связи с высокой стоимостью. Свое название благородные они получили по причине того, что гораздо реже, чем остальные металлы вступают в химические реакции и образуют соединения с другими элементами. По этой причине они в природе встречаются, как правило, в самородном виде. Однако это не говорит о том, что благородные металлы вообще неспособны к химическим реакциям. Так, серебро коррозирует в средах, содержащих серу. Золото сильно реагирует с хлором и бромом. В смеси концентрированных соляной и азотной кислот царская водка) растворяются и золото и платина. Но вместе стем они остаются очень стойкими в жестких эксплуатационных условиях. Наряду сочень большой коррозионной стойкостью благородные металлы обладают и другими достоинствами, делающими их незаменимыми для специальных технических целей. Например, серебро обладает непревзойденной электропроводностью платиновые сплавы имеют высокие механические свойства, сохраняющиеся при высоких температурах и др. Самым известным из благородных металлов является золото. Два столетия назад оно в технике не использовалось вообще. Да ив настоящее время 50 % добываемого в мире золота расходуется для чеканки монет, 20 % – на ювелирные изделия, 20 % потребляет стоматология и только 10 % приходится на долю технических устройств. Температура плавления золота 1064 С, плотность – 19320 кг/м 3 . Оно лучше всех других металлов поддается пластическому деформированию. Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 3 км, а золотую фольгу удается сделать такой тонкой, что она становится почти прозрачной и имеет голубой или зеленоватый цвет. Важнейшими легирующими элементами золота являются медь и серебро. В качестве добавок используются никель и платиновые металлы. Чистое золото используется в электротехнике для покрытий контактов, а сплавы его с никелем или серебром – как материалы для самих контактов. На космических кораблях оно используется для уплотнений. Из сплава золота, платины (дои родия (0,5 %) изготавливаются 131 фильеры для производства химических волокон. Другие сплавы золота используются для производства тиглей, кювет, катодных сеток. Значение золота в технике с каждым годом возрастает, однако титул царя металлов оно имеет не за какие-то особые технические качества, аза то, что в условиях товарного производства выполняет функцию всеобщего эквивалента стоимости всех товаров. Серебро наиболее часто встречаемый и самый дешевый из благородных металлов. С тех пор как люди узнали серебро, они пользуются им как мерой стоимости. В Китае, Эфиопии, Иране, Афганистане вплоть дох годов прошлого столетия входу были серебряные деньги. Бруски из серебра служили деньгами ив древней Руси. Серебро плавится при температуре 960,8 С, обладает наивысшей среди металлов электропроводностью, имеет хорошую отражательную способность, очень стойко химически. Применяется в основном в виде сплавов для чеканки монет, изготовления ювелирных и бытовых изделий, лабораторной посуды, а также для футеровки химической аппаратуры, покрытия радиодеталей, производства серебряно-цинковых аккумуляторов и т. д. Ионы серебра уничтожают бактерии и уже в незначительной концентрации стерилизуют питьевую воду. Платина (исп. platina, уменьш. от plata серебро) – серовато-белый блестящий металл, очень стойкий химически (при комнатной температуре на нее действуют только царская водка и бром, плотность 21450 кг/м 3 , температура плавления 1769 СВ природе встречается главным образом в самородном состоянии обычно в виде сплавов. В состав так называемой самородной платины входят в основном минералы ферроплати- на (77…81 % Pt и 14…20 % Fe) и поликсен (80…92 % Pt и 6…10 % Fe), остальное – другие платиновые металлы, а также медь и никель. Благодаря высокой коррозионной стойкости, устойчивости к действию высоких температур, хорошей обрабатываемости давлением платина широко применяется в различных областях техники. Из платины и ее сплавов с родием и иридием) изготавливается аппаратура для химической промышленности, термометры сопротивления и термопары сплавы платины с палладием, родием, иридием, рутением, осмием, электрические контакты и нагреватели. Платина абсолютно устойчива в расплавленном стекле. Поэтому она используется для изготовления плавильных тиглей для варки оптического стекла, требования к чистоте которого очень высоки. Платиновые фильеры применяются в производстве стеклянного волокна. Большое количество платины идет на изготовление ювелирных изделий. Из группы платиноидов наиболее часто в технике используется палладий благодаря своей пластичности и сравнительной дешевизне. Открыт он в 1803 г. и назван в честь малой планеты Паллады, 132 обнаруженной в 1802 г. Это серовато-белый металл, мягкий и ковкий с плотностью 11970 кг/м 3 и температурой плавления 1552 СВ чистом виде используется для очистки водорода. Сплавы палладия с серебром широко используются в аппаратах связи сплавы с золотом, платиной, родием – в терморегуляторах и термопарах сплавы с золотом, серебром, никелем и другими элементами – в ювелирном деле и зубопротезировании. Широко используются сплавы палладия в качестве катализаторов. Осмий (от греч. osme запах) – белый с серовато-голубым оттенком металл. Плотность – 22500 кг/м 3 , температура плавления – 3050 С. Свое название он получил из-за резкого запаха оксида OsO 4 . Чистый осмий, а также его природные и искусственные сплавы с другими платиновыми металлами, благодаря их высокой твердости, коррозионной стойкости, износостойкости, используются для изготовления изнашивающихся деталей точных измерительных приборов, наконечников перьев в авторучках, в качестве катализаторов и др. Родий (от греч. rhodon роза, из-за розовато-красного цвета растворов его солей) – металл серебристо-голубоватого цвета, твердый и тугоплавкий. Плотность – 12420 кг/м 3 , температура плавления 1960 С. Химически очень пассивен. Используется родий для гальванических покрытий, а также в сплавах с платиной в качестве катализаторов, термопар, химической посуды и т. д. Рутений (от позднелат. Ruthenia Россия) – серовато-белый металл с удельной плотностью 12200 кг ми температурой плавления 2250 С, открыт русским химиком К.К. Клаусом. Очень стоек химически. Сплавы рутения отличаются твердостью и износостойкостью, используются для изготовления наконечников перьев авторучек, ювелирных изделий, лабораторной посуды, в качестве катализаторов. Иридий (от лат. iris радуга, из-за разнообразной окраски его солей) – металл серебристо-белого цвета, плотность 22400 кг/м 3 , температура плавления 2410 С. Благодаря коррозионной стойкости и жаропрочности иридий (в сплавах с вольфрамом, платиной, родием и др) служит ценным материалом для изготовления химической аппаратуры. Из сплава платины (90 %) и иридия (10 %) изготовлены эталоны метра и килограмма. В приборах, где требуются большая твердость и стойкость против износа, используется природный осмистый иридий, так называемый осмиридий. Металлы с особыми свойствамив некоторых областях техники являются незаменимыми конструкционными материалами. Из этой группы наиболее широко используются цирконий, гафний, тантал, ниобий, вольфрам, молибден, рений, ванадий, хром. 133 Цирконий (от названия минерала циркон, лат. Zirkonium) – металл серебристо-белого цвета, по внешнему виду очень похожий на сталь. Твердый, тугоплавкий, стойкий против коррозии, с плотностью 6450 кг/м 3 , температурой плавления 1852 С. Устойчив к соляной, азотной и фосфорной кислотам. По прочности он не уступает конструкционным сталям. Кроме того, обладает некоторыми особыми свойствами. Из циркония, например, изготавливаются оболочки топливных элементов для ядерных реакторов, так как он легко пропускает нейтроны. Является также очень эффективным легирующим элементом для железоуглеродистых сплавов и легких металлов. Сталям он придает лучшую вязкость, уменьшая их охрупчи- вание при низких температурах. Цирконий повышает прочность и отчасти коррозионную стойкость алюминиевых и магниевых сплавов. Гафний (от позднелат. Hafnia Копенгаген, где этот металл был открыт) является постоянным спутником циркония. Это серебристо-белый металл с плотностью 13090 кг/м 3 , температурой плавления 2222 С. Содержится в рудах циркония, из которых его и получают. Существование гафния предсказал Д.И. Менделеева датский физик Нильс Бор установил некоторые свойства тогда еще не открытого элемента. Гафний и цирконий, столь похожие по многим свойствам, в ядерных реакторах выполняют противоположные функции. Если цирконий практически прозрачен для нейтронов, то гафний представляет для них почти непреодолимое препятствие. Поэтому он используется как замедлитель быстрых и поглотитель медленных (те. тепловых) нейтронов. Кроме того, гафний применяется в электронной технике (катоды, электроконтакты), производстве жаропрочных и тугоплавких сплавов для авиации и ракетной техники. Например, твердый раствори имеет температуру плавления 4200 С. Другие два схожих между собой металла – тантал и ниобий. Тантал серо-стальной, очень тугоплавкий металл (t пл = 3014 С, с плотностью 16600 кг/м 3 . Редкий элемент, в природе встречается совместно с ниобием. Назван по имени мифического царя тантала, который не мог утолить жажду, стоя по горло вводе (отсюда выражение танталовы муки) – из-за трудности получения его в чистом виде. Тантал используется для изготовления компактных электролитических конденсаторов, деталей электронных ламп, химической аппаратуры. В хирургии он служит для скрепления костей, нервов, сосудов, наложения швов. В ювелирном деле является заменителем платины. Сплавы на основе тантала с добавками ниобия, вольфрама, циркония, гафния и других элементов характеризуются высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Применяются 134 для изготовления сопел ракет, деталей реактивных двигателей, электровакуумных приборов и т. д. Ниобий светло-серый тугоплавкий металл, чрезвычайно стоек химически. Плотность – 8570 кг/м 3 , температура плавления – 2470 С. Назван в честь Ниобы (греч. Niobe) – дочери царя Тантала из-за близости свойств ниобия и тантала. Редкий элемент, встречается в природе совместно с танталом. Ниобий – один из основных легирующих элементов для получения многих жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов, из которых изготавливаются химическая и нефтеперегонная аппаратура детали реактивных двигателей, ракет, газовых турбин. Широко используется в ядерной энергетике, в радиоэлектронике, для получения сверхпроводников с максимальными критическими температурами. Главными потребителями двух других тугоплавких металлов – вольфрама и молибдена – является металлургическая промышленность, которая до 90 % этих металлов использует для легирования сталей. Вольфрам – светло-серый, очень тяжелый металл (удельная плотность кг/м 3 ), наиболее тугоплавкий из металлов (температура плавления 3410 С. Устойчив на воздухе при обычной температуре. Входит в составы жаропрочных сверхтвердых сталей и сплавов (инструментальных, быстрорежущих, стеллиты и др) Чистый вольфрам по прочности превосходит лучшие стали. Холоднотянутая вольфрамовая проволока выдерживает растягивающую нагрузку 4000 Н/мм 2 и даже в отожженном состоянии сохраняет прочность выше 1000 Н/мм 2 . Из вольфрама изготавливаются нити накала в осветительных и электронных лампах, нагревательные элементы электропечей, неплавящиеся электроды для сварки в среде защитных газов и др. Молибден (от греч. molybolos свинец) назван из-за внешнего сходства минералов молибденита и свинцового блеска. Серебристо- серый тугоплавкий металл с плотностью 10200 кг/м 3 и температурой плавления 2620 С. Молибден используется при производстве легированных сталей для повышения их твердости и прочности. Сплавы на основе молибдена с добавками вольфрама, рения, циркония, титана, ниобия и др. используются при производстве ответственных деталей ракет и других летательных аппаратов, в ядерной энергетике, электронике, в химической промышленности. Молибден является важнейшим материалом для электроосветительных ламп и электровакуумных приборов. Дисульфид применяется в качестве твердой смазки в подшипниках и других трущихся металлических частей машин. Сплавы молибдена с ураном используются в качестве тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Нанесение молибденового покрытия на поверхности изделий из стали, титана, ниобия и других металлов повышает их твердость, коррозионную стойкость в азотной кислоте, ас дополнительным силицированием – жаростойкость при высоких температурах. Следующая группа тугоплавких металлов – рений, ванадий, хром. Рений (от Rhenus, латинского названия реки Рейн в Германии) – металл светло-серого цвета с плотностью 2103 кг/м 3 и температурой плавления 3180 С. Один из самых тяжелых и тугоплавких металлов. Химически стоек, является катализатором многих химических и нефтехимических процессов. Сплавы рения с другими тугоплавкими металлами (вольфрам, молибден, тантал) высокожаропрочные и идут на изготовление деталей сверхзвуковых самолетов и ракет, сплавы с вольфрамом – для нитей накаливания и термопар. Рениевые покрытия защищают металлы от коррозии и износа. Ванадий (лат. Vanadium) – металл серебристо-белого цвета, плотность – 6110 кг/м 3 , температура плавления – 1900 С. Назван в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис, благодаря красивому цвету солей. Основной потребитель ванадия – черная металлургия (до 95 %), которая использует его для получения сталей с повышенной прочностью, вязкостью и износостойкость. Кроме того, соединения ванадия используются как катализаторы при производстве серной кислоты в резиновой и стеклянной промышленности, красильном и других производствах. Хром (от греч. Chroma цвет, краска из-за яркой окраски соединений твердый металл серо-стального цвета, с плотностью 7190 кг/м 3 и температурой плавления 1875 С. Хром входит в состав антикоррозийных, жаропрочных, кислотостойких сталей. Из сплавов, содержащих хром, изготавливаются детали особенно подверженные коррозии (корпуса подводных лодок, детали химической аппаратуры. Хром (электролитическим или диффузионным способом) наносят на поверхности других металлов для повышения жаростойкости, жаропрочности, сопротивления усталости, износостойкости, коррозийной стойкости в кислотах и морской воде, для придания нужных магнитных и электрических свойств. Жаропрочные сплавы на основе хрома с добавками редкоземельных элементов, никеля, титана, ванадия и других элементов по прочностным свойствам при температуре 1100–1200 С занимают среднее положение между сплавами на основе железа и никеля и сплавами на основе более тугоплавких металлов (ниобий, молибден, вольфрам. Сплавы, относящиеся к группе хромалей (от хром и алюминий, обладают значительной жаростойкостью и высоким удельным электрическим сопротивлением. Применяются в качестве материала для нагревательных электрических печей и элементов сопротивления. Сплав никеля с 9…10 % хрома и 1% 136 кобальта, используются для изготовления термопар в качестве положительного электрода в паре с алюминием. Итак, к группе металлов с особыми свойствами условно отнесены практически все металлы (за исключением циркония, температура плавления которых равна или выше температуры плавления хрома (1875 С. Следовательно, тугоплавкие металлы по возрастанию температур плавления располагаются в следующем порядке хром, ванадий, гафний, ниобий, молибден, тантал, рений, вольфрам. Большинство этих металлов известно науке более 170…180 лет. Лишь гафний и рений были открыты сравнительно недавно в 1923 г. – первый, а в 1925 г. – второй. Однако до Второй мировой войны в чистом виде использовались только три металла из отмеченных молибден, тантал, вольфрам и тов ограниченных областях (в основном в электротехнике. Положение резко изменилось в послевоенный период, когда для развития сверхзвуковой авиации и ракетной техники потребовались материалы, обладающие высокой прочностью при температурах выше 1100 С. Из металлических материалов для этой цели пригодны лишь тугоплавкие металлы и сплавы на их основе. В послевоенных исследованиях наибольшее внимание отдавалось ванадию, ниобию, танталу, хрому, молибдену и вольфраму. Выбор металла или сплава для того или иного применения является сложной и многосторонней задачей, требующей одновременного учета целого ряда противоречивых факторов. Так практически все тугоплавкие металлы имеют высокую склонность к хладоломкости. Особенно это ярко выражено у хрома, молибдена и вольфрама. У этих металлов технической чистоты температура перехода от вязкого состояния к хрупкому выше комнатной и близка к 0,75 t пл , что создает трудности в их производстве и применении. Существенным недостатком тугоплавких металлов является также их высокая склонность к окислению, в связи с чем возникает необходимость нанесения защитных покрытий на изделия при работе в условиях высоких температур. Наиболее распространен в природе хром, однако он имеет наименьшую из всех тугоплавких металлов температуру плавления. К тому же хром обладает высокой хрупкостью при температурах ниже 350 С. Несмотря на то, что в природе много ванадия, у него тоже сравнительно низкая температура плавления. Рабочие температуры сплавов на основе хрома и ванадия существенно не превышают рабочих температур лучших жаропрочных никелевых сплавов. Интерес к танталу последние годы упал, поскольку в ряде применений в авиационной и ракетной технике его можно заменить более дешевыми распространенным металлом – молибденом. К тому же у тантала значительная плотность. Вольфрам относится к самым тяжелым металлам, он также очень склонен к хладноломкости и переходит в хрупкое |