1.5.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 технологической пластичностью по сравнению с a -сплавами.
Псевдо-a-сплавы отличаются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью. Существенный недостаток псевдо-a -сплавов — их высокая склонность к водородной хрупкости.
Эту группу представляют сплавы системы Ti—Al—Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4; ВТ4; ОТ4-2), обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Недостатки этих сплавов: а) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; б) большая склонность к водородной хрупкости. С повышением содержания алюминия и марганца в этой серии сплавов прочность их возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются.
|
Скачать 70.61 Kb.