Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы.
Более 80 элементов периодической системы
относятся к цветным и редким металлам.
Цели и задачи.
Цель изучения материала состоит в ознакомлении с темой цветные металлы и сплавы, в формировании знаний по основным свойствам, областям применения наиболее часто используемых цветных и редких металлов и сплавов.
Задачи:
- ознакомиться с классификацией цветных и редких металлов и сплавов;
- исходя из личной практики, материала пособия сформировать знания по лёгким металлам магнию, алюминию, титану, их сплавам, областям применения;
- усвоить основные свойства меди, а также технически важнейшие сплавы меди: бронзы и латуни, понять сходство и различие данных двух видов сплавов меди, разобраться в маркировках бронз и латуней;
- ознакомиться с материалом по другим цветным металлам и сплавам, пользуясь материалом, ответить на вопросы самоконтроля.
Классификация цветных и редких металлов.
Исторически производство металлов и сплавов разделялось на две основных отрасли – чёрную металлургию и цветную металлургию. К чёрной металлургии относили производство сталей, чугунов, хрома. Цветная металлургия производит остальные металлы и сплавы. Цветная металлургия по сравнению с чёрной существенно разнообразней по технологиям производства металлов, видам производимой продукции. Более 80 элементов периодической системы относятся к цветным и редким металлам. По технической классификации, основанной на близости физико-химических свойств, сходстве методов извлечения из сырья и технологии производства цветные и редкие металлы классифицируют на следующие группы:
|
|
|
1. Лёгкие металлы, плотность которых составляет менее 5 г/см3. К ним относятся: литий, калий, натрий, рубидий, цезий, кальций, магний, бериллий, алюминий, титан. Наибольшее практическое применение нашли три металла: магний, алюминий, титан.
2. Тяжёлые цветные металлы, плотность которых выше плотности железа 7,8 г/см3. К тяжёлым цветным металлам относят медь, свинец, олово, ртуть, никель, кобальт.
3. Электротехнические металлы, основными из которых являются: медь, алюминий, серебро, золото, палладий.
4. Металлы, обладающие ферромагнетизмом, например железо, кобальт, никель.
5. Тугоплавкие металлы: титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, рений.
6. Благородные (платина, палладий) и драгоценные (золото, серебро) металлы.
7. Редкоземельные металлы лантан, церий, празеодим, неодим и другие металлы, всего 14 металлов.
8. Рассеянные элементы, не образующие концентрированных минералов Ga, In, Tl, Ge, Se, Те.
9. Радиоактивные и заурановые металлы: радий, актиний, протактиний, уран и другие, следующие за ураном элементы.
|
|
|
Общеизвестно широкое применение цветных металлов и сплавов на их основе в различных областях производства. Так, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы широко применяются в авиационной промышленности. В то же время изделия из легких сплавов используют в строительстве, транспортном машиностроении, приборостроении, судостроении и других отраслях промышленности. Медь обладает высокой электрической проводимостью и широко применяется в электротехнике; она является также основой многих важных промышленных сплавов (например, латуней, бронз и др.). В качестве конструкционных материалов для новой техники широко используют тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, ниобий, хром и др.), а также сплавы на их основе.
Понятия «редкие элементы», «редкие металлы» со временем постепенно изменяются. Д. И. Менделеев в 1871г. в книге «Основы химии» дал редким элементам следующее определение: «Редкие элементы» названы так по причине сравнительной редкости в природе минералов, из которых извлекают эти элементы, и по причине их малого практического использования». В настоящее время к редким металлам относят элементы, которые в виде металлов, их соединений и сплавов по ряду причин позже других нашли применение в промышленности. Таковыми являются большинство тугоплавких, редкоземельных, радиоактивных металлов. К редким относят также рассеянные элементы (Ga, In, Tl, Ge, Se, Те). Рассеянные элементы не образуют самостоятельных минералов. Руды в основном комплексные, т. е. содержат несколько ценных компонентов, и относительно бедны редкими элементами, которые добывают попутно.
|
|
|
Сейчас по объёмам производства и областям применения многие редкие металлы превосходят традиционно используемые металлы. Редкие металлы и сплавы широко применяют в производстве жаропрочных, сверхпроводящих, полупроводниковых, сверхтвердых, коррозионно-стойких и других материалов с особыми физическими свойствами в лазерной и космической технике, в электронной, авиационной, химической промышленности, горном деле, ракетостроении, атомной энергетике, машиностроении и во многих других отраслях промышленности.
Лёгкие металлы.
Легкими называют металлы, имеющие плотность менее 5 Мг/м3 (5000кг/м3). По химическим свойствам лёгкие металлы следует разделить на две группы. Металлы магний, бериллий, алюминий, титан при стандартных условиях стабильны на воздухе. Металлические литий, калий, натрий, рубидий, цезий, кальций химически высокоактивны. На воздухе активно окисляются, с парами воды взаимодействуют с самовоспламенением. Значительное различие свойств металлов определяет широкое практическое применение алюминия, титана, магния, бериллия и ограниченные области использования металлических щелочных и щелочноземельных элементов.
|
|
|
Применение легких материалов позволяет снизить массу, увеличить грузоподъемность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкции при одновременном повышении их прочности и жесткости. Свойства легких металлов приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Свойства легких металлов
| Свойства
| Металл
| |||
| Mg | Be | Аl | Ti | |
| Плотность, Мг/м3 | 1,74 | 1,85 | 2,72 | 4,5 |
| Температура плавления, °C | 651 | 1285 | 658 | 1725 |
| Коэффициент линейного расширения, х106, 1/°C | 26 | 12 | 23,8 | 9,75 |
| Теплопроводность, Вт/(м-К) | 154,7 | 179,7 | 217,4 | 15,05 |
| Модуль упругости, МПа | 45000 | 310000 | 70000 | 112000 |
| Тип кристаллической решетки | ГПУ | ОЦК/ гексаг. | ГЦК | ОЦК/ГПУ |
Сплавы на основе алюминия, магния, титана, бериллия отличаются высокой удельной прочностью вплоть до 500°C и большой теплопроводностью (за исключением титана). Бериллий, обладающий аномально высоким модулем упругости, естественно отличается повышенной удельной жесткостью. Сплавы магния, алюминия и титана нашли широкое применение в авиации.
Магний и его сплавы.
Магний легкий металл, серебристого, ближе к белому блестящего цвета. Физико-химические показатели магния: химический знак и порядковый номер в периодической системе № 12 Mg, атомный вес двадцать четыре и три десятых, плотность магния 1.74 г/см3, температура плавления магния 650оС, сжатие при кристаллизации 4,2%, коэффициент линейного расширения 25,8, твердость по Бринеллю двадцать пять, предел прочности 8 - 22 кг/мм2, относительное удлинение 3 - 12 %, относительное сужение 2,9 %, модуль упругости 4000 кг/мм3, тип кристаллической решетки гексагональная плотно сложенная, параметры элементарной ячейки a - 3,20 А , c - 5,20 А.
Магний относят к числу наиболее распространенных элементов в природе. Главными достоинствами магния как машиностроительного материала являются низкая плотность, высокая удельная прочность, технологичность, стойкость к ударным нагрузкам.
Магний является химически активным металлом: образующаяся на воздухе оксидная пленка MgO в силу более высокой плотности, чем у самого магния, растрескивается и не обладает защитными свойствами; магний в виде порошка, стружки или пыли легко воспламеняется; при контакте расплавленного или горячего магния с водой происходит взрыв. Его коррозионная стойкость во влажных средах, кислотах, растворах солей низка. В условиях влажной атмосферы, морской и речной воды магний химически неустойчив. В щелочах, плавиковой кислоте и ее солях магний устойчив. Механические его свойства зависят от структуры и термической обработки. Измельчение структуры путем модифицирования или механического деформирования способствует повышению прочностных характеристик магния.
Введение небольшого количества бериллия (0,005—0,02%) почти полностью исключает его воспламенение при нагреве на воздухе до точки плавления. Цирконий, титан, щелочноземельные (Ca) и редкоземельные (Се, La, Nd) металлы и торий измельчают зерно, раскисляют сплав, повышают его жаропрочность. Для защиты от коррозии на поверхность магния наносят тончайшие окисные пленки или лакокрасочные покрытия. Основными легирующими элементами в магниевых сплавах являются Mn, A1 и Zn. Марганец повышает коррозионную стойкость и свариваемость сплавов магния. Алюминий и цинк оказывают большое влияние на прочность и пластичность магниевых сплавов.
Металлический магний получают электролитическим (70% общего производства) и термическим (около 30%) способами.
В зависимости от содержания примесей различают магний трех марок: Мг 96 (99,96% Mg), Мг 95 (99,95% Mg), Мг 90 (99,90% Mg).
Невысокие механические свойства ограничивают возможность применения магния как конструкционного материала. Наиболее часто магний используется в сплавах. По прочности магниевые сплавы уступают алюминиевым, а по удельному весу они легче. Введение в магний различных элементов упрочняет его, причем наиболее активно влияют алюминий и цинк. Поэтому магниевые сплавы содержат в качестве легирующих элементов главным образом эти металлы.
Выделяют несколько групп магниевых сплавов, которые имеют следующие марки.
Магниевые литейные сплавы:МЛ10, МЛ11, МЛ12, МЛ15, МЛ19, МЛ2, МЛ3, МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5он, МЛ5пч, МЛ6, МЛ8, МЛ9.
Магниевые деформируемые сплавы:МА1, МА11, МА12, МА14, МА15, МА19, МА2, МА2-1, МА5, МА8.
Магниево-литиевые сверхлегкие сплавы:МА18, МА21.
Магниевые сплавы с особыми свойствами: МА17, МА2-2, МЛ16, МЛ16вч, МЛ16пч, МЛ4вч, МЦИ.
Литейные сплавы. В литых магниевых сплавах повышения механических свойств добиваются измельчением зерна посредством перегрева расплава или его модифицирования добавками мела или магнезита. При этом в расплаве образуются твердые частицы, становящиеся центрами кристаллизации. Для предотвращения возгорания магниевых сплавов их плавку ведут в железных тиглях под слоем флюса, а разливку проводят в парах сернистого газа, образующегося при введении серы в струю металла. При литье в песчаные формы в смесь вводят специальные добавки (например, фториды алюминия) для уменьшения окисления магния. Среди литейных магниевых сплавов широкое применение нашли сплавы МЛ5 и МЛ6, отличающиеся повышенными литейными и механическими свойствами. Они могут упрочняться как гомогенизацией и закалкой на воздухе, так и добавочным старением. Аналогично упрочняются коррозионностойкий сплав МЛ 12 и жаропрочный МЛ 10 (с рабочей температурой до 300°С). Литейные магниевые сплавы по удельной прочности превосходят высокопрочные алюминиевые литейные сплавы и некоторые конструкционные стали.
Деформируемые сплавы. Деформированный (прессованный) магний обладает более высоким комплексом механических свойств, чем литой. Деформируемые сплавы производят в виде поковок, штамповых заготовок, горячекатаных полос, прутков и профилей. Температурные интервалы технологических процессов обработки давлением магниевых сплавов находятся в следующих пределах: прессование при 300 – 480°C, прокатка при 440 – 225°C и штамповка (в закрытых штампах) при 480 – 280°С. Хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью и технологической пластичностью отличается сплав МА1, относящийся к группе сплавов низкой прочности. Сплав МА2-1 сочетает в себе оптимальный комплекс механических и технологических свойств (хорошо сваривается, штампуется), но подвержен коррозии под напряжением. Жаропрочным (до 250°С) является сплав МЛ14. Сплав упрочняется искусственным старением после прессования и охлаждения на воздухе. Он характеризуется повышенными механическими свойствами, но склонен к образованию при прокатке горячих трещин.
Таблица 4.2.
Марки, химический состав, свойства деформируемых магниевых сплавов.
| Марка | Химический состав | Механические свойства | |||||
| АI | Zn | Mn | кг/мм 2 | % | Нв | ||
| МА1 | 1,3-2,5 | 21 | 12 | 8 | 45 | ||
| МА2 | 3,0-4,0 | 0,2-0,8 | 0,15-0,5 | 26 | 16 | 8 | 55 |
Таблица 4.3.
Состав и механические свойства магниевых сплавов литейных.
| Марка | Химический состав | Механические свойства | |||||
| АI | Zn | Mn | кг/мм 2 | % | Нв | ||
| МЛ4 | 5-7 | 2-3 | 0,15-0,5 | 24 | 10 | 7 | 60 |
| МЛ5 | 7,5-9,3 | 0,2-0,8 | 0,15-0,5 | 24 | 10 | 5 | 60 |
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 505; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!