Кольорові метали їх властивості і сплави

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему

Кольорові метали: їх властивості і сплави

Зміст

1. Вступ

2. Мідь та сплави на її основі

3. Алюміній та сплави на його основі

4. Титан та сплави на його основі

5. Нікель та його сплави

Використана література

1. Вcтуп

До кольорових металів і сплавів відносяться практично всі метали і сплави, за винятком заліза і його сплавів, утворюючих групу чорних металів. Кольорові метали зустрічаються рідше, ніж залізо і часто їх здобич коштує значно дорожче, ніж здобич заліза. Проте кольорові метали часто володіють такими властивостями, які у заліза не виявляються, і це виправдовує їх застосування.

Вираз "кольоровий метал" пояснюється кольором деяких важких металів: так, наприклад, мідь має червоний колір.

Якщо метали відповідним чином змішати (у розплавленому стані), то виходять сплави. Сплави володіють кращими властивостями, чим метали, з яких вони складаються. Сплави, у свою чергу, підрозділяються на сплави важких металів, сплави легких металів і т.д.

Кольорові метали по ряду ознак розділяють на наступні групи:

- важкі метали - мідь, нікель, цинк, свинець, олово;

- легкі метали - алюміній, магній, титан, берилій, кальцій, стронцій, барій, літій, натрій, калій, рубідій, цезій;

- благородні метали - золото, срібло, платина, осмій, рутеній, родій, паладій;

- малі метали - кобальт, кадмій, сурма, вісмут, ртуть, миш'як;

- тугоплавкі метали - вольфрам, молібден, ванадій, тантал, ніобій, хром, марганець, цирконій;

- рідкоземельні метали - лантан, церій, празеодім, неодім, самарій, европій, гадоліній, тербій, ітербій, діспрозій, гольмій, ербій, тулій, лютецій, прометій, скандій, ітрій;

- розсіяні метали - індій, германій, талій, талій, реній, гафній, селен, теллур;

- радіоактивні метали - уран, торій, протактіній, радій, актиній, нептуній, плутоній, америцій, каліфорній, ейнштейній, фермій, мендельовій, нобелій, лоуренсий.

Найчастіше кольорові метали застосовують в техніці і промисловості у вигляді різних сплавів, що дозволяє змінювати їх фізичні, механічні і хімічні властивості в дуже широких межах. Крім того, властивості кольорових металів змінюють шляхом термічної обробки, загартовки, за рахунок штучного і природного старіння і т.д.

Кольорові метали піддають всім видам механічної обробки і обробки тиском - куванню, штампуванню, плющенню, пресуванню, а також різанню, зварці, паянню.

З кольорових металів виготовляють литі деталі, а також різні напівфабрикати у вигляді дроту, профільного металу, круглих, квадратних і шестигранних дротів, смуги, стрічки, листів і фольги.

Значну частину кольорових металів використовують у вигляді порошків для виготовлення виробів методом порошкової металургії, а також для виготовлення різних фарб і як антикорозійні покриття.

2. Мідь та її сплави

Мідь -- це метал рожево-червоного кольору, щільність дорівнює 8,96 г/см³, температура плавлення 1083°С, твердість -- 85--115 НВ, ув = 200--250 МПа, д = 40--50 %.

Мідь має високу електро- та теплопровідність, не набагато поступаючись за цими властивостями сріблу. Електропровідність міді в 1,7 разів вища за електропровідність алюмінію. Мідь відзначається високою корозійною стійкістю в прісній і морській воді, різних хімічних середовищах, кислотах, лугах, але реагує з аміаком. Розчиняється в гарячій сірчаній та азотній кислотах. Мідь дуже технологічна і пластична, добре обробляється штамповкою, прокаткою, добре прокатується в листи, дріт, стрічку, добре зварюється та паяється.

Найважливішими групами промислових сплавів є латуні і бронзи. Латунями називаються сплави міді, в яких головним легуючим елементом є цинк. За хімічним складом латуні ділять на подвійні (Cu-Zn) і багатокомпонентні, які містять крім цинку інші легуючі елементи (алюміній, свинець, олово, кремній та ін.)

Маркують латуні буквою Л і числом, яке показує середній вміст міді (Л68, Л96). Якщо латунь легована додатково іншими елементами, то після букви Л ставлять умовне позначення цих елементів: C - свинець. О - олово, Ж - залізо, А - алюміній, K - кремній. Mц - марганець, Н - нікель. Число після букви вказує на середній вміст кожної о легуючого елементу в латуні, крім цинку. Наприклад, ЛАЖ 60-1-1 це латунь, яка містить 60% Cu, 1% Al та 1% Fe, решта - цинк.

Структура та властивості латуней визначаються діаграмою стану Cu-Zn. У твердому стані розчинність цинку в міді досить велика і досягає при температурі 454 ⁰C 39% з утворенням б-твердого розчину, який має гранецентровану кубічну решітку. При зниженні температури розчинність зменшується і при кімнатній температурі становить 35%. При збільшенні вмісту цинку в сплавах системи Cu - Zn протікає п'ять перитектичних перетворень, внаслідок чого утворюються фази: в (CuZn), г (Cu₅Zn_g ), д (CuZn₃) та інші, які являються електронними сполуками. При високих температурах в-фаза має неупорядковане розташування атомів міді і цинку у решітці сполуки CuZn і характеризується високою пластичністю. При температурах нижче 727...741 K (454...468 ⁰C) в-фаза стає упорядкованою і позначається в'. Поява в структурі упорядкованої в'-фази приводить до падіння пластичності (при вмісті цинку більше 39 %), а при повній зміні в-фази на в'-фазу - до зниження часового опору розриву, яке спостерігається в сплавах, що містять більше 47...50% цинку. Внаслідок цього широке практичне використання отримали сплави, які містять до 47% Zn. Однофазні в-сплави з вмістом цинку -50% використовуються як основа сплавів з ефектом пам'яті форми та надпружності.

За структурою латуні розділяють на однофазні б і двофазні (б + в) латуні. При вмісті цинку до 39% латунь є однофазною. В ліпому стані однофазні латуні мають дендритну структуру, в якій центральні ділянки - світлі, збагачені міддю, а периферійні, темні - збагачені цинком. Після деформації та відпалу відбувається вирівнювання хімічного складу б-твердого розчину і зерна отримують поліедричну форму. У разі проходження процесу рекристалізації після деформації отримується типова поліедрична структура з великою кількістю двійників відпалу. R структурі двофазної латуні поряд з зернами б-твердого розчину містяться кристали в'-фази.

Властивості латуней залежать від їх структури і вмісту цинку. Однофазні латуні мають високу пластичність, вона найбільша у сплавів з 30...32 % Zn (Л68, Л70). Латуні з більш низьким вмістом цинку Л80, Л90, які називають томпаками, поступаються латуням Л68 і Л70 у пластичності, але перевищують їх в електро- і теплопровідності, корозійній стійкості. Однофазні б-латуні легко піддаються гарячій та холодній обробці тиском. Холодна деформація приводить до суттєвого підвищення міцності латуней при одночасному різкому зниженню пластичності. Відпал деформованої латуні при температурах вище 400°С знімає наклеп. Двофазні латуні (Л60, Л59) менш пластичні, але більш стійкі проти зношування і міцні за рахунок в'-твердої фази. Ці латуні, як правило, піддають гарячій обробці тиском.

На властивості латуней значно впливають домішки і додаткове легування. Найбільш шкідливими домішками є вісмут і свинець, які утворюють у сплавах легкоплавкі евтектики по межах зерен, що приводить до червоноламкості сплавів. Крім того вісмут, як крихкий метал, викликає явище холодноламкості в мідяних сплавах.

У двофазних латунях шкідлива дія свинцю послаблюється в результаті проходження фазового перетворення б-в при нагріванні і охолодженні.

Свинець опиняється в середині зерен б-фази, а не по границях, внаслідок того, що б-фаза при фазовій перекристалізації утворюється на включеннях свинцю як на зародках. У деяких двофазних латунях свинець вводять спеціально для покращення антифрикційних властивостей і обробки різанням (ЛС74-3, ЛС63-3, ЛС60-1, ЛС59-1). Міцність при цьому знижується. Додавання алюмінію, олова, нікелю, марганцю ефективно підвищує твердість, границю міцності латуней. корозійну стійкість, технологічні властивості (ЛО 62-1, ЛН 65-5, ЛМЦ 58-2). Додатково латуні легують іншими елементами: залізом, яке сприяє подрібненню зерна, кремнієм. Кремнисті лагуні мають високі механічні та антифрикційні властивості, обробляються тиском, характеризуються високою рідинотекучістю (ЛK 80-3).

Завдяки своїм цінним властивостям латуні широко застосовуються для виготовлення фасонного лиття, корозійностійких деталей в загальному і морському машинобудуванні: втулок, шестерень, підшипників, гайок, гвинтів, арматури і тощо.

Бронзами називають сплави міді з такими елементами як Sn, Al, Pb, Be, Mn та ін., виключаючи цинк та нікель. Назва бронзи визначається основним легуючим компонентом у складі сплаву. Наприклад, сплав міді з оловом називають олов'янистою бронзою, міді з алюмінієм - алюмінієвою бронзою.

Бронзи маркірують буквами Бр, за якими йдуть букви і числа, які позначають назву і вміст у відсотках легуючих елементів. Так, бронза марки БрАЖН 11-6-6 містить 11% Al, 6% Fe, 6% Ni.

Легуючі елементи та їх кількість визначають механічні і технологічні властивості бронзи.

Широке застосування в промисловості одержали олов'янисті бронзи: подвійні сплави міді з оловом і багатокомпонентні, які містять, крім міді та олова, домішки свинцю, фосфору, нікелю і інших елементів. У сплавах системи Cu-Sn розвивається значна внутрішньодендритна ліквація, внаслідок чого у виробничих умовах нерівноважна д-фаза з'являється при концентраціях більше 6-8%, замість 13,5% за діаграмою стану. Залежності від вмісту Sn подвійні олов'янисті бронзи за мікроструктурою діляться на одно- і двофазні. До числа однофазних сплавів підносяться бронзи з вмістом до 6...7 % Sn. їх структура визначається твердим б-розчином олова в міді, при цьому мідь концентрується переважно у центральних темних ділянках гілок дендритів, а олово - у вигляді світних ділянок біля поверхні кристалів. Така хімічна неоднорідність усувається омогепізаційпим відпалом, після якого структура являє собою рівновісні зерна б-розчину.

Структура литих двофазних сплавів, що містять більше 7% Sn, складається з первинних кристалів б-розчину змінної концентрації і евтектоїду (б+д), де д-фаза є електронною сполукою Cu₃₁Sn_s.

З появою в структурі крихкої д-фази пластичність бронз знижується і одночасно підвищується їх стійкість проти зношування. Тому олов'янисті бронзи з достатньо високим вмістом евтектоїду є відмінним антифрикційним матеріалом і застосовуються для виготовлення вкладишів підшипників та черв'ячних колес. Для підвищення антифрикційних властивостей до цих сплавів додають свинець і фосфор (БрОФ 4-0,2, БрОФ 6,5-0,15, БрОЦСб-6-3).

Широкий інтервал кристалізації сплавів міді з оловом є причиною їх невисокої рідинотекучості і значної пористості виливок. При легуванні цинком і фосфором подвійні бронзи стають достатньо рідинотекучими, добре заповнюють складні форми, мають дуже малу об'ємну усадку при твердінні і тому добре передають форму виробу. Це дозволяє використовувати її для виготовлення художнього лиття. Легування цинком підвищує до того ж міцність бронз. Введення в сплави нікелю (БрОЦН5-2-5) сприяє збільшенню міцності при кімнатній температурі, поліпшенню пластичності, деформованості бронз, одержанню щільних виливків.

Останнім часом дорогі олов'янисті бронзи заміняють алюмінієвими, які не тільки не поступаються олов'янистим, але й за деякими властивостями перевищують їх. Застосовуючи алюмінієві бронзи подвійні і леговані.

Мікроструктура однофазних бронз складається з твердого розчину алюмінію в міді. В литому стані кристали розчину мають дендритну будову, а у відпаленому - поліедричну. При вмісті алюмінію більше 9,4% бронза є двофазною. її структура складається з кристалів б-фази (світлі зерна) і евтектоїду (а + г₂) (темне строкате поле), де фаза г.. електронна сполука CU₉AI₄. Евтектоїд утворюється в результаті розпалу (Я-твердого розчину при 565 ⁰C мідь алюміній сплав нікель кольоровий метал

Сплави з б-структурою (однофазні) добре обробляються тиском при низьких і високих температурах. Фаза г₂ має високу твердість і незначну пластичність, тому з появою в структурі евтектоїду міцність сплавів різко зростає, а пластичність починає знижуватись. З цієї причини двофазні бронзи обробляють тиском у гарячому стані. Максимальна міцність досягається в сплавах з 10...11% Al. Підвищенню пластичності сприяє нормалізація з (600...700⁰C), після якої зменшується кількість евтектоїду в сплаві.

Міцність двофазних бронз можна додатково підвищувати термічною обробкою - гартуванням і наступним відпуском. Під час прискореного охолодження в-твердий розчин перетворюється в мартенситну г'-фазу. Механічні властивості загартованих бронз змінюються наступним відпуском, в результаті якого має місце розпад г'-фази з утворенням дисперсного евтектоїду (б + г₂). Зміняючи температуру і тривалість відпуску, можна одержувати потрібні механічні властивості готового виробу.

Ефект зміцнення алюмінієвих бронз підвищується в результаті введення в них заліза та нікелю, які утворюють високодисперсні інтерметалідні фази.

Залізо ефективно подрібнює зерно при кристалізації та рекристалізації, уповільнює процес евтектоїдного розпаду, внаслідок чого відбувається подрібнення кристалів г₂ -фази і знижується схильність до крихкості. Нікель значно зменшує розчинність алюмінію в міді при зниженні температури, тому сплави міді леговані AI і Ni після термічної обробки, яка включає гартування та відпуск, зміцнюються дисперсними виділеннями інтерметалідів Ni₃Al та NiAl. Так, твердість бронз БрАЖМ 10-4-4 після гартування від 980 ⁰C і відпуску при 400 ⁰C досягає 400 МПа. Нікель також покращує корозійну стійкість бронз, підвищує температуру рекристалізації та жароміцність. Але більшість алюмінієвих бронз відноситься до сплавів, які не зміцнюються термічною обробкою.

Підвищення твердості, міцності, корозійної стійкості та антифрикційних властивостей відбувається при введенні в сплави марганцю (БрАМЦ 10-2). Залежної від структури і властивостей алюмінієві бронзи використовують як деформовані - для одержання листів, прутків тощо, і як ливарні -- для виробництва виливок. Спеціальні алюмінієві бронзи використовуються для виготовлення деталей машинобудування, які працюють на тертя (втулки, шестерні, черв'ячні передачі, частини насосів і турбін). Для виготовлення відповідальних підшипників ковзання широко застосовуються свинцевисті бронзи, які мають добрі антифрикційні властивості. В подвійних свинцевистих бронзах (БрС ЗО) м'який свинець кристалізується в останню чергу у складі евтектики по границях зерен міді. Така гетерогенна структура є позитивною передумовою для забезпечення антифрикційних властивостей.

Цінними якостями характеризуються берилієві бронзи (БрБ 2, БрБНТ 1,7). Розчинність берилію в міді в твердому стані зменшується при зниженні температури, що забезпечує можливість їх термічного зміцнення. Після гартування з температур, що відповідають області існування б-твердого розчину, структура берилієвої бронзи являє собою пересичений твердий розчин, який має високу пластичність, достатню для холодної обробки тиском. Розпад пересиченого твердого розчину в процесі старіння з утворенням дисперсних виділень метастабільної г'-фази, а потім стабільної г-фази на основі інтерметаліду CuBe приводить до зміцнення сплаву, але зниження пластичності. Після термічної обробки ці бронзи мають границі міцності на рівні 1150...1250 МПа, високу пружність, задовільний опір повзучості, а також достатню корозійну стійкість і високу твердість.

Крім того берилієві бронзи відрізняються малою схильністю до холодноламкості і можуть застосовуватися в інтервалі температур від -200 до +250 °С. їх використовують для виготовлення деталей відповідального призначення: пружин та пружних елементів електронних приладів, мембран, кабелів, інструменту, що застосовується у вибухово небезпечних умовах, оскільки берилієві бронзи не дають іскру під час удару. Недоліком цих бронз є їх висока вартість, дефіцитність і токсичність берилію.

Властивості типових бінарних мідяних сплавів наведено у табл. 4.

Таблиця 4.

3. Алюміній та його сплави

Перші припущення про наявність у глинах металу були висловлені англійським вченим Г. Деві в 1808р., а в 1825р. датчанин Г. Ерстед одержав перший алюміній. Широке застосування алюмінію почалося наприкінці ХІХ століття.

Такий великий діапазон часу від відкриття до широкого застосування пояснюється високою активністю алюмінію та природі. Традиційний шлях відновлення алюмінію шляхом взаємодії окислу з більш активним елементом тут не можливий і промислове добування стало можливим лише з розвитком електроенергетики шляхом електролізу розплавів солей алюмінію.

Властивості алюмінію

Алюміній - метал срібно-білого кольору, має гранецентровану кубічну Радку з параметром б = 0,4041 нм; характеризується малою густиною (г = 2700кг/мі), низькою температурою плавлення (tп = 660єС), високими пластичністю, тепло- та електропровідністю, доброю зварюваністю й оброблюваністю різанням. Алюміній у відпаленому стані має ув = 80..100 МПа, 25…30НВ, велику пластичність(д = 35…40%). Водночас алюміній характеризується низькою міцністю та твердістю. На повітрі він покривається тонкою щільною плівкою Al2O3, яка надійно захищає його від корозії. Сталими домішками алюмінію є залізо, кремній, мідь, магній, марганець, цинк, титан та ін. Домішки зумовлюють погіршення фізико-хімічних властивостей і пластичності алюмінію, через що їх вміст строго обмежують. Залежно від сумарної частки домішок первинний алюміній поділяють на алюміній особливої, високої та технічної чистоти.

Алюміній особливої чистоти марок А999 містить 0,001% домішок; алюміній високої чистоти марок А995, А99, А97 і А95 - від 0,005 до 0,05% домішок; технічної чистоти марок А85, А8, А7, А7Е і А0 - від 0,15 до 1,0% домішок. Алюміній особливої чистоти застосовують для дослідних робіт, у напівпровідниковій і ядерній техніці.

У промисловості використовують переважно алюміній високої та технічної чистоти. З нього виготовляють головним чином сплави, а також електропроводи, кабелі, конденсатори та фольгу. Застосовувати алюміній як конструкційний матеріал недоцільно з огляду на його низьку міцність.

Сплави алюмінію

Найбільшого поширення набули сплави Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg та інші. Всі сплави алюмінію можна розділити на деформуючі, призначені для одержання напівфабрикатів (листів, плит, прутків і т. д.), а також поковок і штампових заготовок шляхом прокатки, пресування, кування та штампування, і ливарні, призначені для фасонного лиття.

Сплави алюмінію, володіючи гарною технологічністю у всіх стадіях переділу, малою щільністю, високою корозійною стійкістю, при достатній міцності, пластичності і в'язкості знайшли широке застосування в авіації, суднобудуванні, будівництві та інших галузях народного господарства.

Деформуючі алюмінієві сплави зміцнюється термічною обробкою дуралюміна. Дюралюмінами називаються сплави Al-Cu-Mg, в які додатково вводять марганець. Типовим дуралюміном є сплав Д1.

Марганець підвищує стійкість дуралюміна проти корозії, а будучи присутнім у вигляді дисперсних частинок фази Т, підвищує температуру рекристалізації і покращує механічні властивості.

Дуралюмін, що виготовляється в листах, для захисту від корозії піддають плакуванню, тобто покриттю тонким шаром алюмінію високої чистоти.

З сплаву Д16 виготовляють обшивки, шпангоути, стрингера і лонжерони літаків, силові каркаси, будівельні конструкції, кузова вантажних автомобілів і т.д.

Сплави Авіаль (АВ). Ці сплави поступаються дюралюмінам по міцності, але мають кращу пластичність в холодному і гарячому станах. Авіаль задовільно обробляється різанням (після гартування і старіння) і зварюється контактним і аргонодуговим зварюванням. Сплав має високу загальну опірність корозії.

З сплаву АВ виготовляють різні напівфабрикати (листи, труби і т.д.), що використовуються для елементів конструкцій, що несуть помірні навантаження, крім того, лопасті гвинтів вертольотів, ковані деталі двигунів, рами, двері, для яких потрібна висока пластичність в холодному і гарячому станах.

Високоміцні сплави. Межа міцності цих сплавів досягає 550-700 МПа, але при меншій пластичності, ніж у дуралюмінієвих. Представником високоміцних алюмінієвих сплавів є сплав В95.

При збільшенні вмісту цинку та магнію міцність сплавів підвищується, а їх пластичність і корозійна стійкість знижуються. Добавки марганцю та хрому покращують корозійну стійкість. Сплави мають гарну пластичність в гарячому стані і порівняно легко деформуються в холодному стані після відпалу. Сплав В95 добре обробляється різанням і зварюється точковим зварюванням, його застосовують у літакобудуванні для навантажених конструкцій, що працюють тривалий час при t <= 100ё 120 ° С. Сплав В95 рекомендується для стислих зон конструкцій і для деталей без концентраторів напружень.

Сплави для кування і штампування. Сплави цього типу відрізняються високою пластичністю і задовільним ливарними властивостями, що дозволяють отримати якісні злитки.

Сплав АК6 використовують для деталей складної форми та середньої міцності, виготовлення яких вимагає високої пластичності в гарячому стані. Сплав АК8 рекомендують для важконавантажених штампованих деталей.

Жароміцні сплави. Ці сплави використовують для деталей, що працюють при температурі до 300°С. Жароміцні сплави мають більш складний хімічний склад, ніж розглянуті вище алюмінієві сплави. Їх додатково легують залізом, нікелем і титаном. Деформуючі алюмінієві сплави, не зміцнюється термічною обробкою. До цих сплавів відносяться сплави алюмінію з марганцем або з магнієм. Зміцнення сплавів досягається в результаті утворення твердого розчину і в меншій мірі надлишкових фаз.

Сплави легко обробляються тиском, добре зварюються і володіють високою корозійною стійкістю. Обробка різанням ускладнена.

Сплави (АМц, АМг2, АМг3) застосовують для зварних і клепаних елементів конструкцій, що зазнають невеликі навантаження і потребують високого опору корозії.

Ливарні алюмінієві сплави поділяються на 5 груп:

1. Сплави Al-Si (силуміни). Відрізняються високими ливарнимивластивостями, а виливки - великою щільністю. Сплави Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) порівняно легко обробляються різанням. Заварку дефектів можна виробляти газовим та аргонодуговим зварюванням.

Сплав АЛ9 - Sв = 200МПа, S0.2 = 140МПа, d = 5%.

Сплави Al-Cu. Ці сплави (АЛ7, АЛ19) після термічної обробки мають високі механічні властивості при нормальній і підвищеній температурах і добре обробляються різанням. Ливарні властивості низькі.

Сплав АЛ7 використовують для відливання невеликих деталей простої форми, сплав схильний до крихкого руйнування.

Сплав АЛ7 - Sв = 240МПа, S0.2 = 160МПа, d = 7%.

Сплави Al-Mg. Мають низькі ливарні властивості. Характерною особливістю цих сплавів є гарна корозійна стійкість, підвищені механічні властивості й оброблюваність різанням.

Сплави АЛ8, АЛ27, АЛ13 і АЛ22 призначені для виливків, що працюють у вологій атмосфері, наприклад, у суднобудуванні й авіації.

Сплав АЛ8 - Sв = 350МПа, s0.2 = 170МПа, d = 10%.

2. Мідні силуміни порівняно з силумінами мають трохи гірші ливарні властивості, але кращі механічні. Їх марки АК5М, АК8М3, АК12М2МгН та ін. Числа після літер К, М, Н і Мг відповідають середній масовій частці(в%) кремнію, міді, нікелю і магнію. Коли число після літери відсутнє, масова частка елемента становить близько 1%.

Серед мідних силумінів окремої уваги заслуговує сплав марки АК8М3, що містить близько 8% Si, 3% Cu, а також Mg, Mn, Ni (~0,5% кожного). Мідь і магній, що мають змінну розчинність в алюмінії, сприяють зміцненню сплаву під час термообробки (гартування і штучного старіння). Сплав АК8М3 має добру зварюваність й корозійну тривкість. З мідних силумінів виготовляють корпуси компресорів, головки та блоки циліндрів автомобільних двигунів.

3. Сплави третьої групи, основними компонентами яких є Al і Cu, мають серед ливарних сплавів найвищу міцність (ув = 300…500 МПа) й пластичність (д = 4…12%). Вони легко обробляються різанням, добре зварюються, але виявляють малу корозійну тривкість й мають низькі ливарні властивості. Додаткове легування титаном і марганцем сприяє росту міцності й поліпшенню ливарних властивостей. Виділення інтерметалевих фаз Al12Mn2Cu і Al3Ti на границях зерен твердого розчину підвищує жароміцність сплавів до 300єС. Одним з представників третьої групи є сплав марки АМ5.

4. Магналії - належать до системи Al-Mg. вони легко обробляються різанням, тривкі до корозії, задовільно міцні та пластичні, їх ливарні властивості погані. Марки сплавів четвертої групи: АМг7 (6…8% Mg), АМг10 (9,5…10,5% Mg), АМг5К (4,5…5,5% Mg; 0,8…1,3% Si; 0,1…0,4% Mg). З магналіїв виготовляють деталі суден та літаків, які не бояться вологи.

5. У сплавах п'ятої групи другим за масовою часткою компонентом після алюмінію може бути кремній (К) або цинк (Ц). Марки сплавів: АК9Ц6, АК7Ц9, АЦ4Мг.

Жароміцні сплави. (АК4-1, АК-4 та ін.) зберігають свої механічні властивості до температури 300єС. Порівняно з іншими сплавами мають більшу кількість легувальних елементів. Їх додатково легують такими елементами, як залізо, нікель і титан. Залізо й нікель утворюють фазу Al9Fe Ni, яка у вигляді дисперсних частин, що не коагулюють, підвищує жароміцність. Ці сплави використовують для виготовлення поршнів, головок циліндрів, лопаток компресорів турбореактивних двигунів, бшивок надзвукових літаків.

4. Титан та сплави на його основі

Першовідкривачем титану вважається 28-літній англійський чернець Вільям Грегор. У 1790 р., проводячи мінералогічні вишукування у своєму приході, він звернув увагу на поширеність і незвичайні властивості чорного піску в долині Менакена на південному-заході Англії і прийнявся його досліджувати. У піску священик знайшов крупиці чорного блискучого мінералу, що притягається звичайним магнітом. Будучи мінералогом-аматором і маючи свою невелику мінералогічну лабораторію, Грегор зробив з цим магнітним мінералом кілька досвідів: розчинив його спочатку в соляній, потім у сірчаній кислоті, упарив розчин і одержав білий порошок, що при прокалці жовтів, а при спіканні з вугіллям отримував блакитний колір. Досліджене природне утворення чорного кольору Грегор прийняв за новий, невідомий раніше мінерал, а виділений з нього білий порошок - за новий елемент. Мінералу й елементу дали назву по місцевості, де вони були знайдені: мінерал "менакеніт" і елемент "менакін". По сьогоднішніх представленнях "менакеніт" був сумішшю ільменіту (FeTi3) і магнетиту (FeTi₃nFe₃O₄), а білий порошок "менакін" - діоксидом титану.

У 1795 р. німецький дослідник-хімік Мартін Генріх Клапрот, вивчаючи рутил, виділив з нього діоксид нового металу - білий порошок, схожий на описаний раніше Грегором. І хоча до одержання чистого металу було ще дуже далеко - майже півтора сторіччя, Клапрот сповістив світ про відкриття нового металу, якому дали назву "титан".

Жоден конструкційний метал не знав такий тривалої історії досліджень, як титан. Перші спроби виділити чистий матеріал закінчувалися невдало. Дослідники одержували метал з високим змістом домішок кисню, азоту, сірки, фосфору, водню й ін., у результаті чого, виділений метал був дуже тендітним і визнавався марним для подальшого використання. Чистий титан (зміст домішок менш 0,1%) уперше був отриманий у 1875 році російським ученим Д.К. Кирилов, але його робота залишилася непоміченою. Отриманий у 1925 р. Ван Аркелем і де Буром іодідним методом найчистіший титан виявився пластичним і технологичним металом з багатьма коштовними властивостями, що залучили до нього уваги широке кола конструкторів і інженерів.

У 1940 р. Кролль запропонував магніетермічний спосіб витягування титану з руд, що є основним і в даний час. У 1947 р. були випущені перші 45 кг технічно чистого титану.

У періодичній системі елементів Менделєєва титан має порядковий номер 22. Атомна маса природного титану, обчислена за результатами досліджень його ізотопів, складає 47,926. Отже, ядро нейтрального атома титану містить 22 протона. Кількість же нейтронів, тобто нейтральних незаряджених часток, по-різному: частіше 26, але може коливатися від 24 до 28. Тому і число ізотопів титану по-різному. Усього зараз відомо 13 ізотопів елемента № 22. Природний титан складається із суміші п'яти стабільних ізотопів, найбільше широко представлений титан-48, його частка в природних рудах 73,99%. Є в природі також ізотопи з масовими числами 46, 47, 49 і 50. Серед радіоактивних ізотопів титану самий довгоживучий - титан-44 з періодом напіврозпаду близько 1000 років.

Крім природних, титан може мати і цілий ряд штучних ізотопів, одержуваних за допомогою його радіоактивного опромінення. Деякі з них сильнорадіоактивні, з різними термінами напіврозпаду.

Навколо позитивно зарядженого ядра титану на чотирьох орбітах розташовуються електрони: на ДО - двох електрона, на L - вісьмох, на М - 10, на N - два. З орбіт N і М атом титану може вільно віддавати по двох електрона. Таким чином, найбільш стійкий іон титану - четирьохвалентний. П'ятий електрон з орбіти М "вирвати" неможливо, тому титан ніколи не буває більше чим чотирьохвалентним іоном. У той же час з орбіт N і М атом титану може віддавати не чотири, а три, два чи один електрони. У цих випадках він стає трьох-, двох - чи одновалентним іоном.

У періодичній системі елементів Менделєєва титан розташований у групі ІVВ, у яку, крім нього, входять цирконій, гафній, курчатовий. Елементи даної групи на відміну від елементів групи вуглецю (ІVА) мають металеві властивості. Хоча титан займає саме верхнє місце у своїй підгрупі, він є найменш активним металевим елементом. Так, двоокис титану амфотерна, а двоокису цирконію і гафнію мають слабко виражені основні властивості. Титан більше, ніж інші елементи підгрупи ІVВ, близький до елементів підгрупи ІVА - кремнію, германію, олову. Четирьохвалентний титан відрізняється від кремнію і германія більшою схильністю до утворення комплексних з'єднань різних типів, чим особливо подібний з оловом. Титан і інші елементи підгрупи IVВ дуже близькі по властивостях до елементів підгрупи IIIВ (групи скандію), хоча і відрізняються від останніх здатністю виявляти велику валентність. Подібність титану зі скандієм, іттрієм, а також з елементами підгрупи VВ - ванадієм і ніобієм виражається й у тім, що в природних мінералах титан часто зустрічається разом з цими елементами.

Титан дуже тугоплавкий метал. Довгий час вважався, що він плавиться при 1800° С, однак у середині 50-х рр. англійські вчені Діардорф і Хейс установили температуру плавлення для чистого елементарного титану. Вона склала 1668±3° С. По своїй тугоплавкості титан уступає лише таким металам, як вольфрам, тантал, ніобій, реній, молібден, платиноїди, цирконій, а серед основних конструкційних металів він коштує на першому місці:

Найважливішою особливістю титану як металу є його унікальні фізико-хімічні властивості: низька щільність, висока міцність, твердість і ін. Головне ж, що ці властивості не міняються істотно при високих температурах.

Титан-легкий метал, його щільність при 0° С складає всього 4,517 г/см⁸, а при 100° С - 4,506 г/см³. Титан відноситься до групи металів з питомою масою менш 5 г/см3. Сюди входять усі лужні метали (натрій, кадій, літій, рубідій, цезій) з питомою масою 0,9-1,5 г/см3, магній (1,7 г/см³), алюміній (2,7 г/см³) і ін. Титан більш ніж у 1,5 рази важчий алюмінію, і в цьому він, звичайно, йому програє, але зате в 1,5 рази легше заліза (7,8 г/см³). Однак, займаючи по питомій щільності проміжне положення між алюмінієм і залізом, титан по своїх механічних властивостях у багато разів їх перевершує.

Які ж ці властивості, що дозволяють широко використовувати титан як конструкційний матеріал? Насамперед міцність металу, тобто його здатність пручатися руйнуванню, а також необоротній зміні форми (пластичні деформації). Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіше алюмінію, у 4 раз-залоза і міді. Ще одна важлива характеристика металу - границя текучості. Чим він вище тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням. Границя текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж в алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена в 1,5-2 рази. Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів.

Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, прокочувати в аркуші, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм.

Цікаво відзначити, що титан довгі роки, аж до одержання чистого металу, розглядали як дуже тендітний матеріал. Зв'язано це було з наявністю в титані домішок, особливо водню азоту, кисню, вуглецю й ін. Якщо збільшення змісту кисню й азоту відразу позначається на їхніх механічних властивостях, то вплив водню більш складне і може виявлятися не відразу, а в процесі експлуатації виробу. Недооцінка цього впливу при перших кроках застосування титану привела до серйозних аварій. Численні випадки несподіваних тендітних руйнувань готових титанових конструкцій в авіації США навіть стали причиною деякої кризи у виробництві титану в 1945-1955 р. Сьогодні ж водень спеціально вводять у титанові сплави, як тимчасовий чи постійний легуючий елемент. Це дозволяє сильно спростити багато технологічних операцій при виготовленні титанових виробів (гарячу обробку тиском, різання, зварювання, формування) і поліпшити їхньої властивості. При необхідності водень видаляють випалюванням у вакуумі.

Титан має ще одну чудову властивість - виняткову стійкість в умовах кавітації, тобто при посиленій "бомбардуванні" металу в рідкому середовищі пухирцями повітря, що утворяться при швидкому чи русі обертанні металевої деталі в рідкому середовищі. Ці пухирці повітря, лопаючись на поверхні металу, викликають дуже сильні мікроудари рідини об поверхню тіла, що рухається. Вони швидко руйнують багато матеріалів, і метали в тому числі, а от титан прекрасно протистоїть кавітації. Іспиту в морській воді швидкообертаючихся дисків з титану й інших металів показали, що при обертанні протягом двох місяців титановий диск практично не втратив у масі. Зовнішні краї його, де швидкість обертання, а отже, і кавітація максимальні, не змінилися. Інші диски не витримали іспиту: у всіх зовнішні краї виявилися ушкодженими, а багато хто з них зовсім зруйнувалися.

Титан володіє ще однією дивною властивістю-"пам'яттю". У сплаві з деякими металами (наприклад, з нікелем, і особливо з нікелем і воднем) він "запам'ятовує" форму виробу, що з нього зробили при визначеній температурі. Якщо такий виріб потім деформувати, наприклад, згорнути в пружину, зігнути, то воно залишиться в такім положенні на довгий час. Після нагрівання до тієї температури, при якій цей виріб був зроблений, воно приймає первісну форму. Це властивість титану широко використовується в космічній техніці (на кораблі розвертаються винесені в космічний простір великі антени, до цього компактно складені). Недавно ця властивість титану стали використовувати медики для безкровних операцій на судинах: у хворій, звужений судина вводиться дротик з титанового сплаву, а потім вона, розігріваючи до температури тіла, скручується в первісну пружинку і розширює судину.

Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Ут/(мк), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, у 7 разу-магнію, у 17-20 разу-алюмінію і міді. Відповідно і коефіцієнт лінійного термічного розширення в титану нижче, ніж в інших конструкційних матеріалів: при 20 С він у 1,5 рази нижче чим у заліза, у 2 - у міді і майже в 3 - в алюмінію. Таким чином, титан - поганий провідник електрики і тепла. Проводів з нього не зробиш, а от те, що він один з далеко не всіх металів є при низьких температурах надпровідником електрики, відкриває йому великі перспективи в електричній техніці, передачі енергії на великі відстані. Титан - парамагнітний метал: він не намагнічується, як залізо, у магнітному полі, але і не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, ця властивість можна використовувати при будівництві, наприклад, немагнітних кораблів, приладів, апаратів.

На відміну від більшості металів титан володіє значним електроопором: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію - 60, заліза і платини -15, а титану-всього 3,8. Навряд чи потрібно пояснювати, що ця властивість, як і немагнітність, становить інтерес для радіоелектроніки й електротехніки.

Виготовлені в нашій країні сплави титану можна розділити на три групи.Сплави з б-структурою ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1

Ця група сплавів відрізняється гарною зварюваністю та термічною стабільністю, тобто відсутністю крихкості при спільному тривалому впливі високих температур і напруг.

Сплави з б- + в-структурою ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23 Завдяки більш пластичній бета фазі ці сплави більш технологічні і краще оброблюються тиском, ніж альфа сплави.

Сплави з в-структурою Це деякі дослідні сплави ВТ15, ТС6 з високим змістом хрому та молібдену. Ці сплави поєднують хорошу технологічну пластичність з дуже високою міцністю та хорошою зварюваністю.

5. Нікель та його сплави

У земній корі знаходиться 0,008 % нікелю. Це досить міцний та в'язкий метал. Він не має поліморфних перетворень і аж до температури плавлення має гранецентровану кубічну гратку з параметром 0,3524нм. Температура плавлення 1453оС. Нікель феромагнітний, точка Кюрі 358°С. Одним з важливих магнітних властивостей цього металу є магнітострикція, тобто відносна зміна довжини металу при намагнічуванні. В залежності від напруженості магнітного поля нікель відповідно коротшає. Нікель зберігає пластичні властивості, як при високій, так і при дуже низькій температурі (табл. ) Нікель добре обробляється в гарячому і холодному станах. Після холодної деформації він наклепується і сильно зміцнюється. Наклеп може бути знятий шляхом.

Таблиця 6. Механічні властивості технічного нікелю

відпалу при температурі вище температури рекристалізації (в залежності від ступеня чистоти 200--600°С). Відпал знижує міцність нікелю і підвищує його пластичність. В атмосферних умовах нікель один з найбільш корозійностійких металів. Це пов'язано з тим, що в початковій стадії окислення на його поверхні утворюється тонка і міцна захисна плівка, що перешкоджає подальшому окисленню і корозії. Нікель зберігає високу корозійну стійкість і при нагріванні. Він стійкий у розплавах лугів, у нейтральних і лужних розчинах солей соляної, сірчаної, азотної, оцтової і вугільної кислот. У той же час на нікель сильно діють азотна (за винятком концентрованої) і азотиста кислоти. У розведених органічних кислотах і інших органічних сполуках нікель досить стійкий. Він придатний для виготовлення апаратури, що працює при нормальній температурі в контакті з сірчаною і розведеною соляною кислотами.

Нікель добувають з сульфідних та силікатних руд по методу аналогічному виплавці міді. Спочатку флотаційним методом збагачують руди, потім плавлять і отримують сульфідний розплав - штейн, який окислюють в конверторах, переводячи домішки в окисли, які спливають в вигляді шлаку та зливаються. Отриманий нікелевий концентрат окисляють до NiO. Металевий чорновий нікель, отриманий відновленням NiO в електричних дугових печах, очищають методом електролізного рафінування.

Маркування технічного нікелю Н-0 (99,99 % Ni), Н-1, Н-2, Н-3, Н-4 (97,6 % Ni). Більша частина нікелю використовується як легуючі добавки для виробництва різних сплавів із залізом, цинком, кобальтом, міддю та іншими металами. Як конструкційний матеріал технічний нікель застосовують для виготовлення хімічного устаткування, зокрема резервуарів і цистерн хімічних реагентів для транспортування лугів і інших хімічних і харчових продуктів. Нікелеві сплави - кислотостійкі, жаростійкі і жароміцні матеріали. Найбільше поширення одержали сплави на нікелевій основі в сполученні з міддю, хромом, молібденом, залізом, титаном, берилієм. Найважливіші легуючі елементи розчинні в нікелі, тому основні конструкційні сплави на його основі, маючи високу міцність і задовільну пластичність, піддаються усім видам обробки в гарячому та холодному станах: куванню, прокатці, штампуванню. Нікелеві сплави можна умовно розділити на 4 групи: конструкційні (кислотостійкі), електротехнічні, сплави з особливими властивостями і жароміцні

Список використаної літератури

1.В.Попович; Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Підручник. - Львів: Світ, 2006; 216с.-223с.

2.М.А.Сологуб; Технологія конструкційних матеріалів. Підручник, вища шк., 2002; 77с.

3. Аналитический контроль в металлургии цветных и редких металлов / Малютина Т.М., Конькова О.В. - М.: Металлургия, 1988. - 244с.

4. Введение в физическое металловедение / Юм-Розери В. - М.: Металлургия, 1965. - 204с.

5. Металлургия цветных металлов / Уткин Н.И. - М.: Металлургия, 1985. - 432с.

6. Механические свойства металлов: Учебник для вузов / Золоторевский В.С. - М.: Металлургия, 1983. - 352с.

Размещено на Allbest.ru