Цветные сплавы. Назначение, классификация

Классификация цветных металлов, их свойства и области применения

Цветные металлы по физико-химическим свойствам классифицируют условно на пять групп:

1.Тяжелые: медь, никель, свинец, цинк, олово.

2.Легкие: алюминий, магний, литий, натрий, калий, берил­лий, кальций, стронций, барий.

3.Благородные: золото, серебро, платина и ее спутники.

4.Малые: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть, кобальт.

5.Редкие. К этой группе в зависимости от технологических особенностей производства, содержания в рудах и других свойств относят от 50 до 60 элементов.

Редкие металлы распределяют на группы:

1.Легкие редкие металлы (литий, бериллий, рубидий, цезий) обладают малой плотностью — до 2000 кг/м³. Их соединения отличаются высокой химической стойкостью и с трудом восстанавливаются до металла. Получают их электролизом в расплав­ленных средах или металлотермическими способами.

2.Тугоплавкие редкие металлы (титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, вольфрам, молибден). Температура плавления более 1873 К. Обладают высокими антикоррозионными свойствами. Со многими металлами образуют твердые растворы и интерметаллиды.

3.Рассеянные редкие металлы (галлий, индий, таллий, герма­ний, гафний, рений, селен, теллур). Сырьем для их получения служат отходы производства основных цветных металлов, в ко­торых концентрация данных металлов в десятки раз превышает первоначальное содержание в руде.

4.Редкоземельные металлы (лантаноиды, скандий и иттрий).

5.Радиоактивные редкие металлы (радий, уран и другие элементы, встречающиеся в природе, а также искусственные заурановые элементы — от плутония до курчатовия).

Развитие промышленности и освоение новых месторожде­ний вносят коррективы в классификацию цветных металлов. Вольфрам, молибден, ванадий, уран, литий, бериллий, ниобий,

титан, цирконий, церий не являются редкими по основному определению и могут быть классифицированы по их физико-химическим свойствам.

 

В рудных месторождениях металлы присутствуют в виде комплексного сырья. Геохимическое семейство элементов при­ведено ниже.

1.Ti—V—Gr—Μ η —Fe—Co—Ni;

2.Ru—Rh—Pd и Os, Ir, Pt;

3.Se—Y—Laи лантаноиды;

4.Zr—Hf—Nb—Та;

5.Mo—W—Re;

6.Cu—Ag—Au—Zn—Cd—Hg—Ga—In—Tl—Ge—Sn—Pb;

7.As—Sb—Bi;

8.Mg—Al—Si.

Распределение цветных металлов в земной коре приведено в табл. 1.

 

Таблица 1.

Распространенность элементов цветных металлов в земной коре по данным А.П. Виноградова и Мейсона (мощность 16км, без океана и атмосферы)

 

Элемент	Содержание	Элемент	Содержание
массовая доля, %	γ /τ	массовая доля, %	г/т
Сu	0, 01		Α l	8, 80
Ni	8*10-3		Mg	2, 10
Zn	0, 02		Ti	0, 60
Pb	1, 6 *10-3		W	1*10-4
Sn	4*10-3		Mo	1*10-4
Sb	5*10-5		Ga	1, 5*10-3
Cd	5*10-5	0, 15	In	1, 4*10-5	0, 14
Bi	2*10-5	0, 2	Ti	3*10-5	0, 6
Co	1, 8*10-3		Ge	7*10-4
As	5*10-4		Se	6*10-5	0, 09
Au	5*10-7	0, 005	Te	1*10-5	0, 002
Ag	1*10-5	0, 1	Sc	6*10-4
Pt	5*10-7	0, 005	U	3*10-4

Физические свойства металлов меняются в широких преде­лах. Так, температура плавления изменяется от 234, 13 (Hg) до 3683 К (W). При плавлении металлы сохраняют свои электриче­ские, тепловые и оптические свойства.

Удельное электрическое сопротивление при 298 К имеет значения от0, 016 (Ag) до 810⁴ (Se) мкОмм. Высокая теплопро­водность металлов коррелирует с их высокой электрической проводимостью. Удельный коэффициент теплопроводности (х) и электрической проводимости (σ ) металлов связаны между собой соотношением х /(σ · Т) = 2, 45 · 10^-8 Вт-Ом/К² (закон Видео­мана—Франца).

Особое значение соединения цветных металлов приобрета­ют применительно к явлению сверхпроводимости.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние для некоторых элементов приведена ниже, К:

А1 (1, 175); Be (0, 026); V (5, 40); Bi (7); W (0, 0154); Cd (0, 517); Ga (1, 083—7, 85); Ge (2, 03); In (3, 408); Ir (0, 1125); Si (7, 1 пленки); Mo (0, 915); As (0, 31—0, 5); Nb (9, 25); Sn (3, 722); Re (1, 697); Pb (7, 196); Sb (2, 6—2, 7); Tl (2, 88); Та (4, 47); Те (2, 05); Тс (7, 8); Ti (0, 40); Th (1, 38); Zn (0, 85); Zr (0, 61—0, 95).

Научное и практическое значение с 90-х годов стали приоб­ретать соединения в системах La—Sr—Си—О (Г_с = 36 К); Υ — Ва—Сu—О (Т_с = 77 К), Nb₃Ge(Г_с = 23, 3 К) как основа для синте­за сверхпроводящих материалов.

При использовании металлов важное значение имеет сочета­ние механических свойств (пластичности, вязкости) со значи­тельной прочностью, твердостью и упругостью. Эти свойства за­висят не только от состава сплава или чистоты металла, но и от совершенства кристаллической решетки и структуры, определя­емых термической и механической обработкой.

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха уже при обычной температуре, однако скорость и механизм реакции зависят от природы металла. Устойчивость металлов на воздухе определяется свойствами образующегося оксида, в частности, отношением молярных объемов V_OKC/V_M. Если V_OKC /V_M> 1, образу­ется защитная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего окисления, что характерно для алюминия, титана, хрома.

 

Способность металлов к взаимному растворению с образова­нием при кристаллизации твердых растворов лежит в основе получения сплавов. Известно свыше 30000 сплавов — легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и ма­лой электрической проводимостью, ферромагнитных и других.

Цветные металлы используют в чистом виде, в виде сплавов, как легирующие присадки при производстве сталей, как антикоррозионные покрытия, в виде порошков и различных химиче­ских соединений.

Латуни (медь + (8—40 %) цинка) хорошо обрабатываются давлением, ковкой и штамповкой. Используются для изготовле­ния деталей литьем, обладают антикоррозионными свойствами, широко применяются в производстве биметаллов. Основные по­требители латуней — машиностроение, химическая промыш­ленность, судостроение, оптика и приборостроение.

Бронзы — сплавы меди (80—94 %) и олова (20—6 %).

Алюминиевые бронзы — 5—11 % алюминия и добавки желе­за, марганца, никеля. Обладают высокими механическими свой­ствами и антикоррозионной стойкостью.

Свинцовые бронзы — 25—33 % свинца с присадками олова, цинка и никеля. Используются для приготовления подшипников, работающих при высоких удельных давлениях и больших скоро­стях скольжения.

Кремниевые бронзы — 4, 5 % кремния с добавками цинка, никеля, марганца.

Бериллиевые бронзы — 1, 8—2, 3 % бериллия, обладают по­сле закалки высокой твердостью и упругостью. Используются для изготовления пружин.

Кадмиевые бронзы — сплавы меди с кадмием (до 1 %). До­бавляют олово и магний. Используют при производстве трол­лейных проводов и коллекторов машин постоянного тока, для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий.

Силумин — сплав алюминия с кремнием, по прочности не уступает стали, обладает хорошими литейными качествами. Ис­пользуется в машиностроении, автомобильной промышленнос­ти, в быту.

Дюралюминий — сплав алюминия с медью — 3, 5—5, 5 %, магнием — 0, 6—0, 8 % и марганцем. Нашел широкое применение в промышленной и бытовой технике, самолетостроении, авто­мобильной промышленности.

Баббиты — сплавы на основе олова, свинца, цинка, алюми­ния. Характеризуются высоким сопротивлением износу, механи­ческой прочностью, низким коэффициентом трения, стойкос­тью против коррозии. Используются при заливке подшипников и вкладышей.

Припои — сплавы цветных металлов для пайки. Мягкий при­пой — сплав олова, свинца и сурьмы. Твердый припой — медно-серебряный сплав.

Твердые сплавы — изготавливаются на основе карбидов вольфрама и титана с различным содержанием кобальта. Изготавливают методом порошковой металлургии; их используют для оснащения бурового и режущего инструмента и повышения износостойкости трущихся поверхностей.

Классификация видов термической обработки

термообработка, закалка, отжиг, отпуск, нагрев, температура, охлаждение, деформационно-термическая обработка

Отжиги 1 рода

Отжиг первого рода. К первому роду относят виды отжига, в процессе которых фазовые (полиморфные) превращения отсутствуют, а если они и протекают, то не оказывают решающего влияния на конечную структуру. Различают следующие разновидности отжига первого рода: Гомогенизационный отжиг. Этот отжиг применяется для выравнивания химической неоднородности (путем диффузии) зерен твердого раствора, т. е. уменьшения микроликвации в фасонных стальных отливках и в слитках главным образом легированной стали. В связи со своим назначением сделать сталь однородной (гомогенной) этот отжиг иначе называют гомогенизацией.

Практически слитки нагревают до 1100—1200° С, выдерживают при этой температуре 8 — 15 ч, а затем медленно охлаждают до 200—250° С. Процесс отжига продолжается около 80—100 ч. Рекристаллизационный отжиг. Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформированную в холодном состоянии (см. гл. II). При определенной степени деформации (для стали в преледах 7—15%) после рекристаллизации получаются зерна очень большой величины. Такая степень деформации называется критической степенью деформации.Для избежания сильного роста зерна при рекристаллизации деформацию стали заканчивают со степенью обжатия, большей критической степени деформации, или проводят отжиг с полной фазовой перекристаллизацией. Отжиг, уменьшающий напряжения. Это нагрев стали до температуры 200—700° С (чаще до 350—600° С) и последующее охлаждение с целью уменьшения внутренних напряжений после технологических операций (отливка, сварка, обработка резанием и др).

Отжиги 2 рода

Отжиг второго рода. Неполный, полный, изотермический, сфероидизирующий. Отжиг второго рода включает стабилизацию структуры и процесс фазовых превращений. Таким образом, фазовая перекристаллизация является основным отличием отжига второго рода от отжига первого рода.

Полный отжиг. Этому виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 20—30° выше критической точки Ас3, т. е. на 20—30° выше линии GS диаграммы железо — цементит [Ас3 + (20—30°)]. При нагреве до такой температуры крупная исходная феррито-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита (твердого раствора углерода в у-железе). При последующем медленном охлаждении (обычно со скоростью 100—200° в час до 500° С и далее на воздухе) из мелкозернистого аустенита образуется мелкая феррито-перлитная структура (рис. 96). При полном отжиге происходит измельчение феррито-перлитных зерен доэвтектоидной стали. Заэвтектоидную сталь полному отжигу с нагревом выше Аст (линия SE) не подвергают, так как при медленном охлаждении после такого нагрева цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (см. рис. 64, в), ухудшая механические и другие свойства.
Неполный отжиг.Этому виду отжига подвергают заэвтектоидную и эвтектоидную сталь с целью превращения пластинчатого перлита и сетки цементита в структуру зернистого перлита. Заэв-тектоидная сталь со структурой зернистого перлита обладает, по сравнению со сталью с пластинчатым перлитом, лучшей обрабатываемостью на станках в связи с более низкой твердостью (НВ160—180 для стали с зернистым перлитом и НВ180—250 с пластинчатым перлитом).

Изотермический отжиг. Характерной особенностью изотермического отжига является образование феррито-перлитной структуры из аустенита при постоянной температуре, а не при охлаждении, как при полном отжиге. Поэтому в отличие от полного отжига, например, доэвтектоидную сталь нагревают до температуры точки Ас3 + (20—30°) и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже критической точки Агх (до 700—680° С) (см. рис. 73). При этой температуре сталь выдерживают в течение времени, необходимого для полного распада аустенита и образования феррито-перлитной структуры. От температуры изотермической выдержки сталь охлаждают на воздухе.

Изотермический отжиг имеет преимущество по сравнению с полным отжигом: сокращается время отжига и получается более однородная структура, но при обработке малых садок металла.
Нормализационный отжиг (нормализация). Нормализацией называют процесс термической обработки — нагрев до температуры выше Ас3 для доэвтектоидной или Аст для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на спокойном воздухе.

При нагреве до температуры нормализации низкоуглеродистых сталей происходят те же процессы, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерен. Но, кроме того, вследствие охлаждения, более быстрого, чем при отжиге, и получающегося при этом переохлаждения строение перлита получается более тонким (дисперсным), .а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими (повышенная прочность и твердость), чем при более медленном охлаждении (при отжиге).

Закалка и отпуск стали

Закалка является одним из основных видов упрочняющей термической обработки. Она производится для повышения твердости, износостойкости и упругости сталей. После закалки наряду с высокой твердостью стали приобретают одновременно и наибольшую хрупкость. Главным отличием закалки от других операций термической обработки является высокая скорость охлаждения, достигаемая применением различных закалочных сред.

Температуру, до которой нагревают углеродистую и низколегированную сталь под закалку, выбирают в соответствии с диаграммой железо-углерод. Зона закалочных температур для сталей на диаграмме приведена на рис.26. Температура нагрева под закалку доэвтектоидных сталей на 30…50? С выше линии GS. При этом сталь переходит в состояние аустенита.

В зависимости от скорости охлаждения сталь после закалки может иметь структуру мартенсита, сорбита и троостита, существенно влияющую на свойства стали. При резком, сильном охлаждении диффузионный распад аустенита становится невозможным. В процессе охлаждения атомы железа из решетки Fe? перестраиваются в решетку Fe?. Как известно, (раздел 5), аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в Fe?. В зависимости от марки стали, аустенит может растворять до 2% углерода. Максимальная растворимость углерода в Fe? при нормальных условиях не превышает 0, 002%. При резком охлаждении нагретой стали углерод не успевает выделится из кристаллической решетки железа и образовать частички цементита. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в Fe?, называемый мартенситом.

Температура нагрева под закалку заэвтектоидных сталей на 30…50? С выше линии PSK (рис.26). Нагрев этих сталей выше линии SE приводит к укрупнению зерен аустенита и росту закалочных напряжений, что отрицательно сказывается на свойствах закаленных сталей (увеличивается хрупкость).

Скорость охлаждения, которая обеспечивает при закалке получение мартенситной структуры, называется критической скоростью закалки. Охлаждение со скоростью меньше критической приводит к образованию сорбитной, трооститной и перлитной структуры. Для образования мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую, т.е. примерно свыше 1500С/с, что не позволяет углероду выделиться из решетки аустенита.

Структура перлита, получаемая при медленном охлаждении стали, является равновесной. Структуры сорбита, троостита и мартенсита являются неравновесными. Причем из-за значительного количества углерода кристаллическая решетка в мартенсите искажается и становится тетрагональной (вместо гранецентрированной кубической у аустенита).

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение, что хорошо видно под микроскопом (рис.27). Он отличается высокой твердостью, прочностью и хрупкостью. Поэтому чем больше аустенита превращается в мартенсит, тем сталь после закалки будет более твердой. В связи с этим температура нагрева стали под закалку должна быть такой, чтобы сталь полностью перешла в аустенитное состояние.

Большинство конструкционных сталей под закалку нагревают до температур 800...880? С (рис.26). Температура нагрева под закалку инструментальных заэвтектоидных сталей составляет 760...780? С.

Длительность нагрева определяется многими факторами. Основными из них являются температура закалки, теплопроводность стали, способ нагрева, тип печи, форма и размеры детали. Наибольшая скорость нагрева достигается при индукционном нагреве, а наименьшая – в пламенных печах. Для конкретных условий закалки при выборе длительности нагрева обычно пользуются опытными данными. Ориентировочно для углеродистых сталей, например, при нагреве в электрических печах время нагрева до 790...850? С принимают равным 1...2 мин на каждый миллиметр толщины детали. После достижения заданной температуры изделие выдерживается в печи в течение некоторого времени для полного прогрева по сечению и завершения структурных превращений. Обычно время выдержки принимают равным 15...25% от длительности нагрева.

Следует иметь в виду, что необходимые структурные превращения в стали начинаются при температуре около 700? С. С повышением температуры нагрева и увеличением длительности выдержки наблюдается интенсивное увеличение зернистости стали, которая затем фиксируется быстрым охлаждением. Поэтому, желая иметь в структуре стали больше аустенита чтобы затем весь его перевести в мартенсит и получить более твердую сталь, мы вынуждены как можно дольше держать сталь при температуре структурных превращений. Это создает благоприятные условия для роста зерна и способствует тем самым увеличению хрупкости закаленной стали.

Большинство легирующих элементов, особенно титан, цирконий и ванадий, тормозят рост зерна аустенита. Марганец и фосфор увеличивают склонность зерна аустенита к росту.

Скорость охлаждения при закалке, определяющая строение и свойства термообработанной стали, зависит от охлаждающей среды, формы изделия, теплопроводности стали, а также от технологической схемы охлаждения. Наилучшей охлаждающей средой может считаться та, которая обеспечивает высокую скорость охлаждения в интервале температур 550...650? С, т.е. в интервале минимальной устойчивости аустенита. Минимальная скорость охлаждения должна быть при температурах 200...300? С, когда возникает наибольшая опасность появления трещин вследствие образования мартенсита.

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей или щелочей (например, 10% раствор NaCl или 10...15% раствор NaOH), минеральные масла, расплавленные металлы, соли и др.

Для закалки сравнительно простых по конфигурации деталей из углеродистых и низколегированных сталей чаще всего используют наиболее простой способ охлаждения в одной закалочной среде. При этом применение сред с небольшой скоростью охлаждения, например, машинного масла, позволяет существенно снизить опасность образования трещин или коробления деталей при закалке. Однако высокая твердость в этом случае может быть получена лишь у легированных сталей. Недостаток этого способа закалки заключается в том, что вследствие неравномерного охлаждения по сечению в детали возникают большие термические напряжения.

Для углеродистых сталей снизить закалочные напряжения и одновременно получить высокую твердость можно, применяя различные технологические приемы. Эти приемы должны обеспечить оптимальные условия охлаждения деталей при закалке. В частности, для деталей более сложной формы используют так называемую прерывистую закалку (закалку в двух средах). В этом случае нагретую деталь вначале опускают в воду, а затем для окончательного охлаждения перебрасывают в масло. Это позволяет снизить скорость охлаждения в области мартенситного превращения и тем самым уменьшить структурные напряжения. Этот способ обычно используют при закалке инструментальн ых углеродистых сталей. Однако точное время переноса делали из воды в масло определить трудно.

Ступенчатая закалка по сравнению с предыдущими способами является более совершенной. В этом случае детали охлаждают в расплавленных солях, подогретом масле или других средах, нагретых до температур 300...350? С, т.е. несколько выше мартенситной температурной точки для данной стали. После выдержки в этой среде до выравнивания температуры по всему сечению деталь извлекают из охлаждающей среды и охлаждают на воздухе. Этот способ лишен недостатков прерывистой закалки и позволяет достигнуть минимальных напряжений при закалке, избежать появления горячих трещин и чрезмерных деформаций. Чаще всего ступенчатую закалку применяют при термической обработке инструмента диаметром (толщиной) 8...10 мм.

Аналогичным образом производится и изотермическая закалка, однако в этом случае выдержка при температуре выше мартенситной точки назначается с таким расчетом, чтобы произошел полный распад аустенита. Образующаяся при этом структура (игольчатый троостит) обусловливает несколько пониженную твердость закаленной стали, однако полностью устраняются структурные напряжения и значительно уменьшаются термические напряжения. Изотермическая закалка как и ступенчатая возможна лишь для небольших изделий, сечение которых быстро прогревается до температуры горячей ванны.

Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.

Закаливаемость – это способность стали принимать закалку, т.е. приобретать после закалки детали высокую твердость. Закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0, 3% углерода) практически не закаливаются, так как при закалке их механические свойства не изменяются.

Одной из важнейших характеристик, позволяющих оценивать способность стали подвергаться закалке, является ее прокаливаемость. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны. В связи с тем, что действительная скорость охлаждения не одинакова по сечению детали и убывает от периферии к центру, то сердцевина детали может не получить мартенситной структуры и твердость ее окажется пониженной.

Существенное влияние на прокаливаемость стали оказывает ее химический состав, температура и длительность нагрева. Легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают прокаливаемость. Диаметр максимального сечения, прокаливающегося в данном охладителе насквозь, называется критическим диаметром. Например, критический диаметр стали 45 при закалке в воде не превышает 12, 5 мм. Повышение содержания марганца в этой стали до 1, 7% увеличивает критический диаметр вдвое.

Нагрев сталей под закалку проводят в печах различной конструкции с электрическим или пламенным обогревом. Для предотвращения обезуглероживания и окисления металла требуется контролировать атмосферу печи, в которой ведется нагрев и выдержка изделий. Нагрев можно вести также в расплавах стекла и солей.

В закаленных сталях всегда присутствует остаточный аустенит, который снижает твердость, прочность и износостойкость изделий. Для снижения количества остаточного аустенита закаленные изделия обрабатывают холодом. Снижение температуры до – 80? С для большинства сплавов вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и приводит к повышению твердости. Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительный инструмент, штампы и др. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после такой обработки обязательно проводят отпуск.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ.
2. I. Классификация установок, по Узнадзе.
3. II КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЧУГУНОВ
4. III. Классификация мебельных тканей.
5. IV. Классификация по скорости развития
6. TNM клиническая классификация
7. Автомобильные перевозки. Классификация автотранспорта. Конвенция КДТП , накладная CMR. Ассоциация международных автомобильных перевозок АСМАП.
8. Альфа-адреноблокаторы: классификация, основные показания и противопоказания, побочные эффекты
9. Антиагреганты: классификация, основные показания и противопоказания, побочные эффекты
10. Антидепрессанты. Классификация и механизм действия. Тактика назначения антидепрессантов. Показания к применению в психиатрии и соматической медицине.
11. Базы данных и их классификация
12. Береговой рельеф. Классификация берегов