Электротехнические материалы - файл n1.doc

приобрести
Электротехнические материалы
скачать (582 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc582kb.19.09.2012 08:26скачать

n1.doc

Оглавление


Введение

Проводниковые материалы

              1. Виды проводников

              2. Проводниковые материалы с высокой проходимостью

.1 Свойства сверхпроводников и криопроводников.

Сплавы цветных металлов

  1. Свойства алюминия

  2. Магний

  3. Бериллий

  4. Медь и её сплавы

Сталь

  1. Свойства стали

  2. Классификация стали

Чугун

  1. Классификация и свойства чугуна

  2. Маркировка чугунов

Цветные металлы

  1. Алюминий, его свойства и сплавы

Введение


Материаловедение — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твердом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны в производстве литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.

Методы, используемые материаловедением: металлографический анализ, электронная микроскопия, зондовая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, механические свойства, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, термография и т. д.


Направления исследований материаловедения


Нанотехнология — создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка нескольких нанометров.

Кристаллография — изучение физики кристаллов, включает:

Дефекты кристаллов — изучение нарушений структуры кристаллов, включения посторонних частиц и их влияние на свойства основного материала кристалла.

Технологии дифракции, такие как рентгеноструктурный анализ, используемые для изучения фазового состояния вещества.

Металлургия (Металловедение) — изучение свойств различных металлов

Керамика, включает:

создание и изучение материалов для электроники, например,

Проводниковые материалы.

Виды проводников:




Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т.е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

В качестве проводниковых материалов могут использоваться твердые тела, жидкости и газы. Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы.

По удельному электрическому сопротивлению металлические проводниковые материалы можно разделить на две основные группы:

металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре р < 0,05 мкОм-м;

металлы и сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при тех же условиях р > 0,3 мкОм-м.

Проводниковые материалы первой группы применяются в основном для изготовления обмоточных и монтажных проводов, жил кабелей различного назначения, шин и т.д. Про­водниковые материалы второй группы используются при производстве резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники - материалы, которые обладают ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю. К жидким проводникам относятся, как правило, расплавленные металлы и различные электролиты. Большинство металлов имеют достаточно высокую температуру плавления и поэтому являются жидкими проводниками при повышенных температурах. Среди металлов только ртуть, имеющая температуру плавления примерно - 39°С, может быть использована как жидкий проводник при нормальной температуре.

В связи с тем что механизм электропроводности в металлах как в твердом, так и в жидком состоянии обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического поля, их принято называть проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. В проводниках второго рода или электролитах, к которым относятся растворы, (в том числе водные) кислот, щелочей и солей, прохождение тока связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов вещества в соответствии с законами Фарадея. При этом состав электролита постепенно изменяется и на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких значениях напряженности электрического поля не являются проводниками. При достижении некоторого критического значения напряжен­ности электрического поля, обусловливающего начало ударной и фотоионизации, газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Если газ сильно ионизирован, то при равенстве в единице объема числа отрицательно заряженных электронов и положительных ионов наблюдается особое состояние вещества, получившее название плазма.

К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельную проводимость или обратную ей величину - удельное сопротивление; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла.


Проводниковые материалы с высокой проводимостью:




К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся различные металлы и сплавы - бронзы, латуни. Среди металлов особое место занимает серебро, медь, алюминий.

Серебро - металл белого цвета, один из наиболее дефицитных материалов, так как содержание его в земной коре составляет всего 7∙%. Среди всех проводниковых материалов серебро обладает минимальным удельным сопротивлением при нормальной температуре. Серебро, имеющее марку Ср999-999,9, должно содержать не более 0,1% примесей. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринеллю составляет всего 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не превышает 200 МПа, а относительное удлинение при разрыве достигает 50%. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, тенденцию диффундировать в материал подложки, на который оно нанесено. В условиях высокой влажности и при повышенных температурах процесс диффузии серебра в материал подложки значительно усиливается.

Серебро достаточно широко применяется в электротехнике и электронике, при производстве радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне высоких частот, для защиты медных проводни­ков от окисления при температурах выше 250 °С, для изготовления электродов в производстве керамических и слюдяных конденсаторов, при изготовлении и применении контактов и т.д.

Поскольку потребление серебра систематически превышает производство первичного металла и восполнение его дефицита за счет вторичного, то необходимо соблюдать строгие меры по его эко­номии.

Медь - металл красноватого цвета, также очень дефицитный, так как его содержание в земной коре составляет не более 4,7∙ % (в верхней ее части примерно 2∙%). Этот металл получил ши­рокое распространение в качестве проводникового материала, поскольку обладает целым рядом технически ценных свойств:



Наименьшим удельным сопротивлением обладает химически чистая медь. Наличие примесей в меди отрицательно влияет не только на ее механические и технологические свойства, но и значительно снижает электропроводность. Наиболее нежелательными примесями являются висмут и свинец, которые почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкую эвтектику, которая при кристаллизации меди располагается вокруг зерен. Даже тысячные доли процента висмута и сотые доли процента свинца приводят к тому, что медь при обработке давлением при температуре 850...1150°С растрескивается. Наличие серы приводит к уменьшению пластичности. Такая медь при низких температурах становится хрупкой. Очень вредно присутствие в составе меди и кислорода, который способствует образованию оксида и закиси меди, вызывающих повышение удельного сопротивления.

Медь по химическому составу подразделяется на несколько марок: Ml, МООк, МОк, МОку, МООб, МОб, М1б, М1у, М1к, М1ф, М1р, к, ку - катодная медь, б - бескислородная, у - катодная переплавленная, риф- раскисленная, цифры 00, 0 и 1 отражают содержание меди. Максимальное содержание меди имеют марки МООк и МООб.

Содержание меди вместе с серебром в этих марках составляет 99,9...99,99%. Медь марки М1ф с повышенным содержанием фосфора (0,012...0,06%), снижающим электропроводность, для изготовления проводников не используется. В производстве проводов не применяется также и медь марки М1р, которая раскислена фосфором и содержит его в количестве 0,002...0,012%. Данная медь может быть использована при изготовлении других типов кабельной продукции, например некоторых видов лент.

В нормальных атмосферных условиях медь достаточно устой­чива к коррозии, так как ее химическая активность невелика. В су­хом и влажном воздухе, пресной воде при температуре 20 °С медь не окисляется. Незначительная коррозия имеет место только в со­леной воде. В присутствии влаги и углекислого газа на поверхнос­ти меди образуется, как правило, зеленая пленка основного карбо­ната. При нагревании меди до температуры 200 °С идет медленное ее окисление с образованием защитной пленки оксида меди СиО. Интенсивное окисление меди начинается при температуре выше 225 °С.

Пониженную активность проявляет медь также и при взаимо­действии с холодными и теплыми растворами соляной и серной кислот, концентрация которых не превышает 80%. Растворимость водорода в твердой меди достаточно мало и даже при температуре 400 °С составляет не более 0,06 мг в 100 г. Медь растворяется в азот­ной кислоте, достаточно легко соединяется с хлором и другими га­логенами, может гореть в парах серы.

Механические и электрические характеристики проводниковой меди существенно зависят от ее состояния. Например, твердотянутая медь марки МТ имеет мень­шую проводимость и относитель­ное удлинение перед разрывом, но большую механическую проч­ность и твердость, чем отожжен­ная медь марки ММ. В соответствии с механическими и электрическими ха­рактеристиками проводниковой меди формируются и области ее применения.

Мягкая (отожженная) медь, удельное сопротивление которой при температуре 20°С не должно превышать 0,01724 мкОмм, в виде проволок различного сечения и формы применяется, как правило, для изготовления токопроводящих жил кабелей различного назна­чения, обмоточных и монтажных проводов, в производстве волно­водов и т.д. Ленточная медь широко используется при экраниро­вании кабелей связи и радиочастотных кабелей. Твердая (холод­нотянутая) медь, удельное сопротивление которой должно быть не более 0,0180 мкОмм, применяется в основном тогда, когда необ­ходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость, сопротивляемость истирающим нагрузкам и упругость. Такие тре­бования к меди предъявляются при изготовлении контактных про­водов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин и пр.

Поскольку медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, расходование ее ведется весьма экономно и при воз­можности ее заменяют другими, менее дефицитными металлами.

Алюминий - металл, занимающий второе место по значению (пос­ле меди) среди проводниковых материалов и наиболее распрост­раненный в природе, поскольку его содержание в земной коре не менее 7,5%.

Широкое распространение в электротехнике этот металл полу­чил не только ввиду острого дефицита меди, но и благодаря своим замечательным свойствам. Алюминий, обладая большим сродством с воздухом, легко окисляется на воздухе, покрываясь при этом проч­ной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего

окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. На него не действуют водяной пар, пресная и морская вода. В обыч­ных условиях алюминий слабо реагирует с концентрированной азотной кислотой. Однако при нагревании он растворяется в раз­бавленной серной и азотной кислотах, легко растворяется в щело­чах, образуя при этом алюминаты с выделением водорода.

По отношению к большинству металлов алюминий имеет отри­цательный электрохимический потенциал и, находясь в контакте с ними, образует гальванические пары, что в присутствии влаги спо­собствует развитию электрохимической коррозии. Поскольку ок­сидная пленка обладает электроизоляционными свойствами, в ме­сте контакта проводов создается достаточно большое переходное сопротивление, которое затрудняет пайку алюминия обычными методами. Для этой цели приходится использовать специальные припои и паяльники (ультразвуковые) или применять холодную сварку, т.е. пластическое обжатие проводов в месте их контакта.

Присутствие примесей в составе алюминия, среди которых наи­более часто встречаются железо, кремний, медь, цинк и титан, суще­ственно снижают его удельную проводимость, влияют на механи­ческие характеристики и обусловливают области его применения.

В соответствии с количественным содержанием контролируе­мых примесей отечественная промышленность выпускает алюми­ний особой чистоты (не более 0,001%), высокой чистоты (не более 0,05%) и технической чистоты (не более 1,0%). Марка алюминия начинается с буквы А, затем стоит цифра, определяющая процент­ное содержание алюминия, например алюминий марки А97 содер­жит 99,97% алюминия, остальное - контролируемые примеси. Для электротехнических целей используются специальные марки алю­миния А5Е и А7Е, в которых содержание железа и кремния нахо­дится в определенном соотношении, а содержание титана, вана­дия, хрома и марганца снижено до тысячных долей процента.

В отожженном состоянии такой алюминий имеет предел проч­ности при растяжении 80...90 МПа, относительное удлинение 25...33%, а твердость по Бринеллю 15...20. Удельное электричес­кое сопротивление проводникового алюминия не должно превы­шать 0,0289 мкОмм.

Холодная деформация алюминия и наличие примесей увеличи­вают твердость и прочность металла, снижают относительное уд­линение и его проводимость.

Проводниковый алюминий используется для изготовления то-копроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных про­водов, а также неизолированных проводов для воздушных линий электропередачи, прессованных жил кабелей различного назначе­ния и т.д. Для этих же целей может использоваться алюминий спе­циальных марок А75К, А8К и А8КУ, в которых суммарное содер­жание примесей Ti + V + Mr + Cr уменьшено по сравнению с мар­ками А7 и А8.

Сплавы алюминия отличаются легкостью и повышенной меха­нической прочностью по сравнению с алюминием. В состав алю­миниевых сплавов кроме алюминия могут входить марганец, цинк, магний, медь, железо и кремний, причем содержание железа и крем­ния в составе сплава не должно превышать 0,7 и 0,3% соответствен­но.

В марках алюминиевых сплавов буквы дают информацию о том, какие именно элементы содержатся в сплаве (А - алюминий, К -кремний, М - медь, Мг - магний, Ц - цинк, Мц - марганец), а циф­ры - их среднее процентное содержание.


Свойства сверхпроводников и криопроводников.




Явление сверхпроводимости было открыто нидерландским физиком
Х.Камер-линг-Оннесом в 1911 г. Согласно современной теории, основные положения которой были развиты в работах Д.Лардина, Л.Купе­ра, Дж.Шриффера (теория БКШ), явление сверхпроводимости ме­таллов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. По­скольку куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обла­дают большой энергией связи, обмена энергетическими импульса­ми между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиноч­ное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры все куперовские пары распадаются и состояние сверхпроводимости исчезает.

Аналогичный результат наблюдается при определенном значении магнитного поля (критической напряженности или критической индукции Вк), которое может быть создано собственным током и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвя­занными величинами (для чистых металлов):

=

где Я0- критическая напряженность магнитного поля при абсо­лютном нуле;
Т0 - критическая температура при отсутствии маг­нитного поля.

Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой температуре Т0 будет соответ­ствовать определенное значение критической напряженности маг­нитного поля Якр1. При Н > Нкр1 , и температуре Ткр1 сверхпроводя­щее состояние исчезает.

Известно 35 сверхпроводниковых металлов и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Установлены также сверхпроводящие свойства у некото­рых полупроводников, например антимонида индия InSb, серы, ксенона и пр. Для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при очень низких температу­рах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось.

По физико-химическим свойствам элементарные сверхпровод­ники (чистые металлы) можно разделить на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb).

Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений.

С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы при­нято делить на сверхпроводники I, II и III родов.

Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразное из­менение удельной теплоемкости и определенная температура пе­рехода в сверхпроводящее состояние, которое может разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности маг­нитного поля примерно 1 кА/м, что затрудняет их использование. У таких материалов наблюдается эффект Майснера-Оксенфель-да, заключающийся в том, что при переходе образца в сверхпрово­дящее состояние магнитное поле выталкивается из него, т.е. он ста­новится идеальным диамагнетиком.

Сверхпроводники II рода отличаются тем, что переход в сверх­проводящее состояние у них осуществляется не скачком, а посте­пенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции при температуре Гкр < Т0. Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превышать значение нижней критичес­кой индукции, то происходит частичное проникновение магнит­ного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике на­чинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вих­ри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближе­ния к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а рас­стояние между ними сокращается. Когда оно становится соизме­римым с размером куперовской пары, весь объем переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникнет в

образец.

К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнес­ти только ниобий, ванадий и технеций.

Сверхпроводники III рода включают в себя неидеальные сверх­проводники II рода (жесткие сверхпроводники). Для них характер­но наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделе­нии другой фазы или пластичном деформировании. Дефекты струк­туры могут служить узлами закрепления вихрей (явление пининга), что значительно повышает допустимые токи. Например, по про­волоке из станнида ниобия Nb3Sn в полях с индукцией примерно 10 Тл можно пропускать ток с плотностью выше 109 А/м2. При час­тотах не более 10 кГц потери в этих материалах носят гистерезис-ный характер и не зависят от формы тока. На частотах 10... 100 Гц кристаллическая плотность переменного тока мало зависит от ча­стоты и по амплитуде приближается к критической плотности по­стоянного тока.

К сверхпроводникам III рода относятся в основном сплавы и химические соединения.

Высокотемпературные сверхпроводники. В 1986 г. было обнару­жено, что такие вещества, как La2 xMxCu04 (M = Ba, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к темпе­ратуре жидкого азота. Позже в сплавах YBa2Cu307 переход в сверх­проводящее состояние происходил при температуре -173°С и выше. Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводни­ками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTi03) и представляют собой керамику с характерным располо­жением атомов. Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора. Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза изумрудно-зеленого цвета, прозрачная и содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза черного цвета, непрозрачная, содер­жит большее количество меди. Соотношение иттрия, бария и меди в ней 1:2:3. Именно эта фаза и обладает сверхпроводящими свой­ствами.

Сверхпроводящие свойства системы Y-Ba-Cu-О зависят от со­отношения двухвалентной и трехвалентной меди Cu2+/Cu3+; изме­няя это соотношение можно регулировать сверхпроводящие свой­ства. Получены сверхпроводники, имеющие температуру перехо­да от -168°С до -163°С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 104 А/см2, что меньше, чем для металлических «тра­диционных» сверхпроводников.

Разрабатываются новые материалы, обладающие большей плот­ностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпро­водящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi2Sr2Ca2Cu3Ox, температура перехода которых достигает -158 °С.

Сверхпроводниковые материалы получили достаточно широ­кое применение в различных областях науки и техники. Их исполь­зуют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; для изготовления обмоток элек­трических машин и трансформаторов, обладающих малой мас­сой и размерами, но очень высоким КПД, сверхпроводящих ка­белей для мощных линий передачи энергии, волноводов с очень малым затуханием, мощных накопителей электрической энергии, устройств памяти и управления. Эффект Майснера-Оксенфельда, наблюдаемый в сверхпроводниках, используется для создания опор без трения и вращающихся электрических машин с КПД, равным почти 100%. Явление сверхпроводящего подвеса (левита­ции) применяется в гироскопах и в поездах сверхскоростной же­лезной дороги и т.д.

Криопроводники. К их числу относятся материалы, которые при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее со­стояние. Это объясняется тем, что при низкой температуре удель­ное сопротивление проводника обусловлено, как правило, наличием примесей и физическими дефектами решетки. Поскольку составляющая удельного сопротивления, обусловленная рассеива­нием энергии за счет тепловых колебаний решетки, пренебрежимо мала, для криопроводников необходимо применять хорошо ото­жженный металл высокой чистоты, который обладает минималь­ным удельным сопротивлением в рабочем диапазоне температур от-240 до-190°С.

Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота, самого дешевого хладагента, обладает бериллий. Однако он отличается плохой тех­нологичностью, дорог, высоко­токсичен, особенно в пылевидном состоянии. У бериллия сильно выражен магниторезистивный эффект. Использование алюминия в качестве криопроводящего мате­риала более рационально, так как он более доступен, дешев и имеет низкие значения удельного электрического сопротивления в рабо­чем диапазоне температур. Например, алюминий марки А999, содержащий примесей не более 0,001%, при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более (1 ...2)-10"6 мкОмм.

Криопроводники применяются в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких водорода (-252,6°С), неона (-245,7°С) и азота (-195,6°С).

Сплавы цветных металлов


К цветным металлам относятся металлы с малой плотностью: алюминий, магний и бериллий.

Из цветных металлов алюминий имеет наибольшее значение (второе место после железа), что характеризуется объемом производства и невысокой стоимостью.

В 1825 г. датчанин Эрстед получил первые крупицы алюминия. Современный мировой объем производства алюминия около 10 млн. т. в год.

До 1906 г. алюминий применяли в чистом виде, но в этом году А. Вильм нашел способ упрочнения сплава Al-Cu в результате закалки и старения, а предложенный им сплав (4% Cu, 0,5% Mg, 0,5% Mn) является сейчас самым распространенным алюминиевым сплавом (дюралюминий). Сейчас широкое применение как конструкционный материал имеет не чистый алюминий, а сплавы алюминия, в первую очередь, дюралюминий ввиду его высокой прочности и малой плотности.


Свойства алюминия


Наиболее характерные свойства чистого алюминия - небольшая плотность и низкая температура плавления (660 °С). По сравнению с железом, у которого алюминий имеет почти в три раза более низкую плотность, вследствие чего алюминий и его сплавы широко применяют там, где малая плотность и большая удельная прочность имеют важное значение. Благодаря более низкой температуре плавления алюминия по сравнению с железом технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали.

Характерные свойства алюминия - высокая пластичность и малая прочность. Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления.

Несмотря на большое сродство с кислородом, алюминий подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах весьма слабо, что объясняется образованием плотной пленки Al2O3, защищающей металл от коррозии. Чем чище алюминий и чем он более свободен от различных примесей, тем выше его коррозионная устойчивость.

Наиболее чистый алюминий содержит 99,999% Al, а сумма всех примесей составляет не более 0,001%. Его применяют преимущественно для лабораторных опытов. Основные (постоянные) примеси, загрязняющие алюминий, это железо и кремний.

Применять алюминий как конструкционный материал из-за низкой прочности нецелесообразно, однако некоторые его свойства - высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность - позволяют эффективно его использовать для других целей. Таким образом, имеются три направления применения технического алюминия:

1) высокая пластичность позволяет производить из алюминия глубокую штамповку, прокатку до тонкой толщины (например, алюминиевая фольга);

2) высокая электропроводность позволяет применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл). Провод из алюминия равной электропроводности легче, чем из меди;

3) высокая коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий. Алюминий - химически активный металл, однако начальное окисление приводит к образованию окисной пленки, изолирующей металл от окружающей среды. Это обстоятельство и позволяет считать алюминий коррозионностойким металлом. Алюминий устойчив в органических кислотах (отсюда и широкое применение алюминия в быту, для транспортировки и хранения продуктов питания). В неорганических кислотах алюминий устойчив лишь при их низкой концентрации.


2. Постоянные примеси алюминия (железо и кремний)


На рис. 1 приведена часть диаграммы Al-Fe для сплавов, богатых алюминием. Железо можно считать практически нерастворимым в алюминии.






Рис. 1. Часть диаграммы состояния сплавов Al-Fe





Кремний не образует химических соединений с алюминием. Растворимость алюминия в кремнии очень мала, поэтому можно считать, что в системе Al-Si присутствует чистый кремний.


3. Термическая обработка сплавов Al-Cu


Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов основана на изменении растворимости соединений в основном алюминиевом растворе.

Необходимая скорость охлаждения при закалке определяется скоростью выпадения избыточных фаз из переохлажденного и пересыщенного твердого раствора. Для этой цели строят диаграммы изотермического превращения переохлажденного твердого раствора (С-образные диаграммы).

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе, - процессы, подготавливающие выделение, и непосредственно процессы выделения. Превращение, при котором происходят только процессы выделения, называется дисперсионным твердением (без сложных подготовительных процессов).

Теоретические вопросы, связанные с закалкой алюминиевых сплавов, относительно просты: в процессе закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор. Важно, чтобы охлаждение было достаточно быстрым. Микроструктура хорошо иллюстрируется и объясняет фазовые изменения, вызванные закалкой.

При естественном старении (20 °С) прочность становится максимальной через 4…5 суток после закалки, причем скорость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие, но затем интенсивность упрочнения убывает.

Скорость старения сильно зависит от температуры: повышение температуры ускоряет процесс. Однако получаемая максимальная прочность тем ниже, чем выше температура старения. Кроме того, в результате старения при температуре выше 150 °С явно отмечается разупрочнение сплава при выдержке более той, которая вызывает максимальное упрочнение, и тем скорее, чем выше температура.

При температурах ниже комнатной старение замедляется и при -50 °С можно считать, что закаленное состояние практически устойчиво и старение не происходит.

Естественно, состаренное состояние сплава является неустойчивым. Если недолго выдержать подвергнутый естественному старению алюминиевый сплав при 200-250 °С. то он разупрочняется, выделившиеся дисперсные частицы избыточной фазы растворятся и сплав получит свойства, характерные для свежезакаленного состояния, так как он вновь приобретает способность к естественному старению. Это явление (т. е. возвращение к свежезакаленному состоянию после кратковременного нагрева) называется возвратом.

Современные представления о механизме старения, подтверждаемые особым методом рентгеноструктурного анализа, таковы: в процессе естественного старения происходят подготовительные процессы к выделению, само же выделение может произойти лишь при более высоких температурах, обеспечивающих достаточную скорость атомным перемещением (диффузии).


Классификация алюминиевых сплавов


Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом.

Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния показывает, что сплавы с содержанием компонента меньше предела растворимости при высокой температуре обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением.

Наличие эвтектической структуры резко уменьшает пластичность, способность прессоваться, прокатываться, коваться и при некотором содержании эвтектики (обычно небольшом) такая обработка становятся неосуществимой.

Таким образом, алюминиевые сплавы можно классифицировать на литейные и деформируемые на основе диаграммы состояния. Вместе с тем литейные сплавы не должны содержать много эвтектики (более 15-20% по объему) из-за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.

Все литейные сплавы могут упрочняться в результате термической обработки, но степень упрочнения тем меньше, чем больше литейный сплав легирован, т. е. чем больше в структуре эвтектики.

Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Теоретически границей между этими сплавами должен быть предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре, но практически сплавы, содержащие легирующие элементы в количестве немного больше этого предела, не упрочняются при термической обработке из-за малого количества упрочняющей фазы.


Магний




Магний, как и алюминий, был открыт в 1808 г. Металлургические проблемы получения чистого магния были решены в 30-х годах нашего столетия.

Среди промышленных металлов магний обладает наименьшей плотностью, что и обусловило применение магния и его сплавов в различных отраслях техники и, главным образом, в авиации. Температура плавления магния невысокая и составляет 651 °С.

Магний и его сплавы неустойчивы против коррозии. Магний относительно устойчив против коррозии лишь в сухой атмосфере. При повышении температуры он интенсивно окисляется и даже самовоспламеняется. Поэтому при использовании магния и его сплавов следует применять меры против его окисления и воспламенения.



Магний обладает малой прочностью и пластичностью. Такие низкие свойства исключают возможность применения чистого магния, как конструкционного материала. Технический магний применим для пиротехнических целей и в химическом производстве.


Сплавы магния


В качестве легирующих добавок в магниевых сплавах используют алюминий, цинк и марганец. Кроме алюминия, цинка и марганца, являющихся постоянными компонентами промышленных сплавов магния, в сплав магния вводят и некоторые другие элементы.

Как и алюминиевые сплавы, сплавы магния так же подразделяют на деформируемые и литейные (первые маркируются буквами МА, вторые МЛ).

Очевидно, чтобы получить преимущественное применение того или иного сплава, необходимо повысить прочность без потери пластичности и вязкости. Термическая обработка повышает пластичность и прочность.


Бериллий


Бериллий - легкий металл, и его применяют для тех же целей, что и другие легкие металлы (алюминий, магний). Бериллий, как химический элемент, был открыт раньше алюминия и магния (1827 г.).

Высокая стоимость бериллия позволяет считать, что бериллий и его сплавы будут использовать в исключительных случаях, тогда когда бериллий по свойствам окажется единственно возможным материалом для данного назначения.

Бериллий и особенно его сплавы обладают при малой плотности высокими модулем упругости и прочностью, размерной стабильностью, хорошей коррозионной стойкостью в ряде сред.

Следует отметить, что бериллий токсичен, а также малопластичен.

Бериллий изготавливают методами порошковой металлургии горячей пластической деформацией после спекания порошка. Размер частиц порошка также влияет на свойства бериллия, чем они мельче, тем прочность выше. Для получения хороших механических свойств мелкое зерно должно сохраниться и в готовом изделии.


Сплавы бериллия


Бериллий - элемент с малыми атомными размерами. Образование твердых растворов создает сильные искажения кристаллической решетки, поскольку остальные элементы (металлические) имеют большие атомные размеры, чем бериллий, а это снижает пластические свойства. Поэтому улучшение свойств бериллия создается не за счет легирования, а за счет чистоты.

Кроме использования бериллия как легирующего элемента или в атомной технике, применение бериллия и его сплавов в авиации и в приборостроении имеет еще в основном опытный характер. Работы с бериллием, особенно с его пылью, оксидами, вредны для здоровья людей, с ними соприкасающихся, поэтому надо быть особенно осторожным и соблюдать все предписания техники безопасности.

Медь и ее сплавы


Медь встречается в самородном виде, и поэтому в древности человек, который еще не знал металлургии (восстановления металла из руд), уже мог находить и применять медь. В настоящее время медь производят металлургическим способом, отделением ее от кислорода и серы.

По свойствам медь близка к серебру и золоту. Последние на воздухе не окисляются и поэтому называются благородными металлами; медь окисляется слабо, поэтому ее называют полублагородным металлом.

Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Высокая пластичность высокая электро- и теплопроводность, малая окисляемость - все это обусловило широкое применение меди. Кроме того, медь является основой важнейших сплавов - латуней и бронз.

Высокая электропроводность меди обусловливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового металла. После серебра медь стоит на втором месте по электропроводности.

Путем электролиза удается получить медь весьма высокой чистоты. Для научных целей можно приготовить медь 99,999 %-ной чистоты, но техническая медь обычной чистоты содержит 0,1-0,5% примесей.

Вреднейшими примесями меди являются висмут и свинец. Эти элементы почти нерастворимы в меди. Сера и кислород также нерастворимы в меди, однако ни кислород, ни сера не вызывают красноломкости.

Медь, содержащая кислород, подвержена при нагреве так называемой «водородной болезни». Если нагревать медь в среде, содержащей водород (например, в продуктах неполного сгорания жидкого топлива), то происходит диффузия водорода в меди и протекает реакция восстановления закиси меди. Так как пары воды при этом создают высокое давление, то внутри металла возможно образование разрывов, трещин.


Сплавы меди с цинком (латуни)




Практическое применение имеют сплавы меди с цинком, называемые латунями. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальной пластичностью обладает сплав с 30% Zn.

Латунь легко поддается пластической деформации, и поэтому из латуней изготавливают листы, ленты, профили и т. д. Вредное влияние на способность к деформации в горячем состоянии оказывает загрязнения латуни висмутом и свинцом.

Латуни маркируют буквой Л, за которой следует цифра, показывающая среднее содержание меди в сплаве. Так как цинк дешевле меди, то чем больше в латуни цинка, тем она дешевле.

В зависимости от структуры латуни разделяются на две категории: ?-латуни и ? + ?-латуни; ?-латуни содержат меди не менее 61%, Марки этих латуней Л62, Л68 и др. Их изготавливают виде тонких листов, лент и других полуфабрикатов, из которых штампуют различные детали. Латуни с более высоким содержанием меди Л80 имеют цвет золота и их применяют для ювелирных и декоративных изделий. Такие латуни, содержащие высокий процент меди, называют томпаком. Латуни ? + ? содержат 55-61% Cu; наиболее распространенная марка Л59; из латуни этой марки изготавливают прутки, а из них с помощью обработки резанием - различные детали.


Сплавы меди с оловом (оловянистые бронзы)


Влияние олова на механические свойства меди аналогично влиянию цинка, но проявляется более резко. Уже при 5% Sn пластичность начинает падать. Бронза с 10% Sn является лучшим антифрикционным материалом и ее применяют как подшипниковый сплав.

Благодаря высокой химической стойкости бронз из них изготавливают арматуру (паровую, водяную и пр.). Таким образом, основное применение бронз - сложные отливки, вкладыши подшипников и др.

Для удешевления в большинство промышленных бронз добавляют 5-10% Zn. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не оказывает существенного влияния на структуру. Для лучшей обрабатываемости в бронзу вводят до 3-5% Pb, который присутствует в виде обособленных свинцовых включений, облегчающих разрушение стружки.



Фосфор вводят в бронзу как раскислитель. При наличии около 1% P такую бронзу часто называют фосфористой.

Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, а потом цифры, показывающие количество этих элементов в целых процентах.


Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами


Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами так же называются бронзами; в отличие от оловянистых их называют соответственно алюминиевыми, кремнистыми и т. д. Малой величиной усадки оловянистая бронза превосходит эти бронзы, но они, в свою очередь, превосходят оловянистую в других отношениях: по механическим свойствам (алюминиевая, кремнистая бронза), по химической стойкости (алюминиевая бронза), по жидкотекучести (кремнецинковистая бронза).

Олово - дефицитный элемент, поэтому эти бронзы, кроме, разумеется, бериллиевой, дешевле оловянистой. Бериллиевая бронза отличается от остальных высокими твердостью и упругостью.

Ценными механическими и технологическими свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5-10% Al. Эти бронзы кристаллизуются в узком интервале температур, поэтому обладают высокой жидкотекучестью. Наряду с простыми алюминиевыми бронзами применяют сложные алюминиевые бронзы.

Алюминиевые бронзы применяют для изготовления различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестерен и многих других, преимущественно мелких, но ответственных деталей.

Кремнистые бронзы, например, бронза БрКЦ4-4 (4% Si; 4% Zn), назначаются как заменители оловянистых бронз. Уступая оловянистой бронзе по величине усадки, кремнистая бронза превосходит ее в отношении коррозионной стойкости, механических свойств и плотности отливки.

Высокая прочность и упругость при одновременной высокой химической стойкости. хорошей свариваемости, обрабатываемости резанием делают бериллиевую бронзу подходящим материалом для ответственных пружин, мембран, пружинящих контактов и т. д.

Свинцовистая бронза является высококачественным антифрикционным материалом, широко применяемым в машиностроении. Структура такого сплава состоит из отдельных зерен меди и свинца. Высокие антифрикционные свойства сплава обеспечиваются равномерным вкраплением свинца в медь. Кроме того, бериллиевую бронзу можно применять как безыскровый инструмент. При ударе бериллиевой бронзы о металл или камень не получаются искры, как у стали. Поэтому инструмент из бериллиевой бронзы применяется при взрывоопасных горных работах.


Сталь


Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. сталь — важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.

Структура и свойства стали

К стали как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок стали, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент стали — железо.



Рис 1. Кубическая объемноцентрированная решетка.


Рис 2. Кубическая гранецентрированная.
Свойственный железу полиморфизм, то есть способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. Для чистого железа известны две кристаллические решётки — кубическая объёмноцентрированная рис. 1 (a-железо, при более высоких температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная рис. 2 (g-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси С. меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию твёрдых растворов. Растворимость углерода в ?-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом. В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в стали (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в стали всегда превышает его растворимость в ?-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe3C, или цементит. А при комнатной температуре структура стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом.



Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре стали определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств стали. Так, сталь, содержащая ~0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; сталь этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. сталь, в которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая сталь служит, например, материалом для железнодорожных рельсов, колёс, осей. Если сталь содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта сталь в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств стали расширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке стали образуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в ?-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности

Классификация стали


По химическому составу сталь разделяют на: углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь, сталь, не содержащая легирующих компонентов. В зависимости от содержания углерода подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С).

Различают Углеродистую сталь:

обыкновенного качества, к ней относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь;

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы:

А - поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (Ст0, Ст1 и др.);

Б - поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их кроме условий обработки определяется химическим составом (БСт0, БСт1 и др.);

В - поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготовляют следующих марок:

Ст0,

Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп,

Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп,

СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп,

Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп,

Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс,

Стбпс, Стбсп.

Здесь буквы Ст обозначают "Сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы "кп", "пс", "сп" - степень раскисления ("кп" - кипящая, "пс" - полуспокойная, "сп" - спокойная).

Сталь углеродистая, качественная, конструкционная подразделяется по видам обработки на: горячекатаную и кованую, калиброванную, круглую, со специальной отделкой поверхности – серебрянку.

Легированную сталь по степени легирования разделяют: низколегированная (легирующих элементов до 2,5%), среднелегированная (от 2,5 до 10%), высоколегированная (от 10 до 50%).

В зависимости от основных легирующих элементов различают сталь 14-и групп.

К высоколегированным относят:

коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии; межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;

жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при температуре выше 50 гр. С, работающие в ненагруженном и слабонагруженном состоянии;

жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Электротехническую тонколистовую сталь разделяют:

а). по структурному состоянию и виду прокатки на классы:

горячекатаная изотропная;

холоднокатаная изотропная;

холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой;

b). по содержанию кремния:

0 - до 0,4 %;

1 - св. 0,4 до 0,8 %;

2 - св. 0,8 до 1,8 %;

3 - св. 1,8 до 2,8 %;

4 - св. 2,8 до 3,8 %;

5 - св. 3,8 до 4,8 %;

химический состав стали не нормируется;

c). по основной нормируемой характеристике на группы:

0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (P1,7/50);

1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (P1,5/50);

2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (P1,0/400);

6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В 0, 4);

7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10).

Сталь легированную конструкционную в зависимости от химического состава и свойств делят на качественную, высококачественную А и особо высококачественную Ш (электрошлакового переплава).

По видам обработки при поставке сталь бывает горячекатаная, кованая, калиброванная, серебрянка.

По назначению изготовляют прокат: для горячей обработки давлением и холодного волочения (подкат) и для холодной механической обработки.
Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. Приняты единые условные обозначения химического состава стали: алюминий — Ю, бор — Р, ванадий — Ф, вольфрам — В, кобальт — К, кремний — С, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, ниобий — Б, титан — Т, углерод — У, фосфор — П, хром — Х, цирконий — Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,— его среднее содержание. Например, С. марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Cr, С. марки 2X17H2 — 0,2% С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, сталь марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш — особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных сталей включает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 — шарикоподшипниковая сталь с 0,9—1,2% Cr; Э3 — электротехническая сталь с 3% Si)., проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь»), ДИ (завод «Днепроспецсталь») или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268).

Чугун




Чугун сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун важнейший первичный продукт чёрной металлургии используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Чугун вторичной плавки — один из основных конструкционных материалов; применяется как литейный сплав. Широкому использованию Чугун в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые Чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали).

Классификация и свойства чугуна.


Чугун, получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.

Передельный чугун, первичный сплав железа, выплавленный в доменной печи и идущий (в жидком или твёрдом виде) в переработку (передел) на сталь главным образом в мартеновских печах или кислородных конвертерах. От других видов металла, получаемого в доменных печах (литейных и зеркального чугунов, ферросилиция и ферромарганца), Передельный чугун отличается низким содержанием Si и Mn (не более 1,75% каждого), предназначенный для кислородно-конвертерного передела, имеет более узкие пределы колебаний химического состава по Si, Mn и S. Выплавляется также высококачественный, который характеризуется низким содержанием Р (0,020—0,060%) и S (0,015—0,025%). Передельный чугун— основная продукция доменного производства. В 1970 производство П. ч. составляло примерно 90% от всего сортамента чугунов.

Литейный чугун, выплавляемый в доменной печи чугун, содержащий подавляющую часть углерода в виде свободного графита и имеющий в своём составе кремний до 3,75%; применяется для получения отливок в литейном производстве. Выплавляют коксовый, древесноугольный и специальный Литейный чугун.

До 70-х годов. 20 века в доменных печах иногда выплавляли зеркальный чугун (10—25% Mn), применявшийся в качестве раскислителя, при выплавке стали и для получения специальных видов чугуна. При использовании для выплавки чугуна железных руд, содержащих Сг, Ni, Ti и другие легирующие элементы, получают природнолегированные чугуны.
При производстве отливок в чугунолитейных цехах чугуны подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома: на серый, белый и половинчатый (или отбелённый).

В зависимости от формы включений графита: на чугун с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий чугун) графитом.

В зависимости от характера металлической основы: на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный.

В зависимости от назначения: на конструкционный и чугун со специальными свойствами. По химическому составу: на легированные и нелегированные.

Серый чугун, наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугун характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугун. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун, представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит) или специальных карбидов (в легированном чугуне). Кристаллизация белых чугуне происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Ч. вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Ч. карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Ч. определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Ч. в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Ч., имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий Ч. Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий Ч. модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Ковкий Ч. используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Ч. высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.

Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств Ч. с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Ч. обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой Ч. применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Ч. Высокопрочные Ч., имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе — утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Ч. с шаровидным и Ч. с пластинчатым графитом. Этот Ч. обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Ч.). Ч. с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.

Легированные чугуны для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Ч. особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные Ч. классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.


Маркировка чугунов.



По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных Ч. содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Ч.: П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л — литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый Ч. обозначают ЛК, в отличие от Ч., выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в Ч. ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Ч. ЛК4). Каждая марка Ч. в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Ч. литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый Ч., ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного Ч. в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного Ч. указывают его механические свойства. Для серых Ч. приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Ч. цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Ч. состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Ч., и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных Ч.: ЧН19ХЗ — Ч., содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном Ч. регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).

Цветные металлы


К цветным металлам* и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.

Выражение «цветной металл» объясняется цветом некоторых тяжёлых металлов: так, например, медь имеет красный цвет.

Если металлы соответствующим образом смешать (в расплавленном состоянии), то получаются сплавы. Сплавы обладают лучшими свойствами, чем металлы, из которых они состоят. Сплавы, в свою очередь, подразделяются на сплавы тяжёлых металлов, сплавы лёгких металлов и т.д.

Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие группы:

- тяжёлые металлы — медь, никель, цинк, свинец, олово;

- лёгкие металлы — алюминий, магний, титан, бериллий, кальций, стронций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цезий;

- благородные металлы — золото, серебро, платина, осмий, рутений, родий, палладий;

- малые металлы — кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

- тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий, хром, марганец, цирконий;

- редкоземельные металлы — лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, иттербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, лютеций, прометий, скандий, иттрий;

- рассеянные металлы — индий, германий, таллий, таллий, рений, гафний, селен, теллур;

- радиоактивные металлы — уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий.

Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, эа счёт искусственного и естественного старения и т. д.

Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением — ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке.

Из цветных металлов изготовляют литые детали, а также различные полуфабрикаты в виде проволоки, профильного металла, круглых, квадратных и шестигранных прутков, полосы, ленты, листов и фольги. Значительную часть цветных металлов используют в виде порошков для изготовления изделий методом порошковой металлургии, а также для изготовления различных красок и в качестве антикоррозионных покрытий.


Алюминий, его свойства и сплавы


Алюминий. Химический элемент, обозначается символом Al (Aluminium, от лат. alumen — квасцы), имеет порядковый номер 13, атомный вес 26, 981, валентность I, III, плотность 2, 698 г/см3, температуру плавления 660ОС, температуру кипения 2497ОС.

Алюминий — лёгкий серебристый металл, который хорошо проводит тепло и электричество. Алюминий химически активен. Окисляется кислородом, но только на поверхности, покрываясь плотной прочной плёнкой оксида Al2O3, что обусловливает высокую коррозионную стойкость. Но если, например, алюминиевую фольгу сильно нагреть, то она сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в тот же оксид:

4Al + 3O2 = 2Al2O3.

Алюминий растворяется в соляной и серной кислотах, а также в водных растворах щелочей:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2,

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2.

Азотная же кислота пассивирует алюминий.

Высокой коррозионной стойкостью обладает алюминий в органических кислотах: уксусной, лимонной, винной, пропиновой, яблочной. Практически не действуют на алюминий сернокислые нейтральные соли магния, натрия, аммония. В морской воде или в растворах хлористого натрия при контакте с обычной или нержавеющей сталью коррозия алюминия увеличивается.

Из соединений алюминия самое важное, вероятно, оксид . Этой формулой выражается состав и глинозёма и твёрдого минерала корунда. Кристаллы корунда, окрашенные примесями в синий цвет называются сапфиром, а в красный — рубином.

Алюминий очень технологичный металл: хорошо обрабатывается давлением, изделия из него можно изготавливать методом прокатки, вытягивания, штамповки, ковки, прессовки. Чистый алюминий имеет малую прочность и не может быть использован в качестве конструкционного материала. Но прочность его резко возрастает под влиянием добавок других элементов, термической и механической обработки. Многие сплавы на основе алюминия обладают достаточно высокой механической прочностью, сочетающейся с малой плотностью, что делает их ценным конструкционным материалом.
В соляной кислоте сразу начинается бурная реакция; кажется, что кипит мутная вода. Посмотрев сбоку, можно увидеть, что маленькие капельки кислоты выпрыгивают на некоторую высоту над поверхностью. Кислота немного нагрелась. По сравнению с цинком, реакция идёт в несколько раз дольше.

В серной кислоте кусочки алюминия из блестящих стали матовые. Пузырьки медленно поднимаются на поверхность, располагаясь над кусочками алюминия и постепенно заполняют весь объём кислоты.

В азотной кислоте видимой реакции не было. Ни в концентрированной, ни в разбавленной.

Алюминий и алюминиевые сплавы служат хорошими заменителями свинца, меди, олова, цинка. Большая часть производимого алюминия идёт для получения лёгких сплавов. К алюминию добавляют медь, магний, кремний, цинк, марганец, чтобы повысить его прочность. Широкое распространение имеет дуралюмин, содержащий медь и магний, силумин, в котором основной добавкой служит кремний, магналий (сплав алюминия с 9, 5% - 11, 5% магния). Достоинство всех сплавов алюминия — это их малая плотность (2, 5 — 2, 8 г/см3), высокая прочность, стойкость против атмосферной коррозии, относительная дешевизна и простота получения.

Хотя электропроводность алюминия меньше, чем у меди (около 60% электропроводности меди), но провода можно делать более толстыми из-за малой плотности алюминия: при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит в два раза меньше медного. Также в электротехнике алюминий применяют для изготовления конденсаторов, шинопроводов, выпрямителей переменного тока и т.д.

Алюминиевые сплавы применяют в литом и деформированном состояниях в различных авиаконструкциях, в автомобильной промышленности.

Из-за высокой коррозионной стойкости алюминий применяют в химическом машиностроении при изготовлении аппаратуры для производства азотной кислоты, органических веществ, пищевых продуктов и т.д. Широко применяют алюминий для защиты поверхности металлов от коррозии, при изготовлении полупроводниковых приборов, в радиолокации.

В пищевой промышленности алюминий применяют в виде фольги для упаковки, консервных банок и т.д. Из алюминия изготовляют предметы домашнего обихода, художественные и декоративные изделия.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



Лит.: Смоляренко Д. А., Качество углеродистой стали, 2 изд., М., 1969; Качество слитка спокойной стали, М., 1973.

Металловедение алюминия и его сплавов. Справочное руководство. - М.: Металлургия, 1971. 353 с.

Колачев В. Л., Литвинов В. А., Благин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1972. 480 с.

Бойцов А. В.. Бойцова Г. Ф., Авдошина Н. А. Благородные металлы. М.: Металлургиздат, 1946. 380 с.

Оглавление
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации