Termokings.ru

Домашний Мастер
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сплавы металлов, их применение в промышленности

СПЛАВЫ

СПЛАВЫ, материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Свойства жаростойких и жаропрочных сплавов

Для повышения жаростойкости используются легирующие добавки, которые также улучшают прочность металлов. Благодаря легированию на поверхности сплавов образуется защитная пленка, снижающая скорость окисления изделий. Основные легирующие элементы: никель, хром, алюминий, кремний. В процессе нагрева образуются защитные оксидные пленки (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2О. При содержании 5–8 % хрома жаростойкость стали увеличивается до 700–750 градусов по Цельсию, 17 % хрома – до 1000 градусов, при 25 % хрома – до 1100 градусов.

Жаропрочные марки металлов – сплавы на основе железа, никеля, титана, кобальта, упрочненные выделениями избыточных фаз (карбидов, карбонитридов и др.). Жаропрочностью обладают хромоникелевые и хромоникелевомарганцевые стали. Под воздействием высоких температур они не склонны к ползучести (медленная деформация при наличии постоянных нагрузок). Температура плавления жаропрочной стали составляет 1400-1500 °С.

Крепеж из меди и медных сплавов

Крепеж из меди отличается высокой электрической проводимостью, благодаря чему стала активно применяться в электрике. Медь легко принимает различные формы и поэтому ее зачастую видоизменяют (сжимают, растягивают) и превращают в различные элементы электрики: клеммы, различные стрежни, шпильки. Так же медь имеет недостатки, например, низкую прочность по отношению к весу, поэтому крепеж имеет ограниченную сферу применения, где неважна прочность.

Для придания большей стойкости к коррозии и прочности изделий из меди, используют медные сплавы. Существует два типа медных сплавов. При соединении меди с цинком, получается латунь. «Морская латунь» — это сплавы 462 и 464. «Желтая латунь» — сплавы 360 и 270. Сплав 675 известный как «Марганцевая бронза», так же относится к латунным. Такие изделия имеют широкую сферу применения, для узлов машин, а так же для промышленного назначения.

Так же к меди может быть добавлен никель, поэтому сплав называют медно-никелевый сплав. Такой сплав прочнее латунного, но все — равно не дотягивает до прочности и надежности никеля без добавок. Такой сплав нашел свое применение в судостроении, крепеж из медно-никелевого сплава имеет хорошую стойкость к коррозии и адгезии, за счет стойкости к морской воде. Самым распространенным материалом данной группы можно назвать 710 и 715 сплав.

Все другие изделия, в состав которых входит медь, считаются бронзовыми изделиями. Самым часто используемым считается алюминиевая бронза, фосфоритная бронза, марганцевая бронза, кремниевая бронза. Наиболее часто такие сплавы применяются в судостроении, в местах, где происходит соприкосновение с морской водой – турбины, насосы, а так же применяют в промышленности.

Примеры использования металлов и сплавов

Одним из самых распространенных материалов является алюминий и его сплавы. Этот металл применяют при изготовлении массы предметов домашнего обихода, зеркал, деталей для стрелкового оружия и даже при производстве топлива для запуска ракет. Небольшая удельная масса Al позволяет широко использовать алюминиевые сплавы для корпусов самолётов и различных машин.
Медь часто добавляется для повышении качества метизов, при изготовлении различных проволок, проводов и труб.
Болты, винты, шурупы, анкера и др. в основном делаются из латуни и бронзы, а струбцины, барашковые гайки и другие удерживающие элементы чаще всего можно встретить из легированной и конструкционной стали. Нержавеющая сталь находит применение в условиях повышенного образования коррозии, а чугун до сих пор успешно служит в производстве запорной арматуры и в металлопроизводстве.

Читать еще:  Методы и особенности нанесения гальванического покрытия

Изделия из металлов и сплавов окружают нас повсюду. Ежедневно мы эксплуатируем металлические конструкции — здания, дороги, мосты, автомобили, общественный транспорт — даже не замечая этого. Поэтому так важно быть уверенными в качестве материалов и контролировать их твердость.

Применение в промышленности

Благородные металлы широко применяются в промышленности. Из платино-родиевого сплава (90%Pt — 10Rh) изготавливают высокотемпературные термопары, которые могут работать вплоть до 1700°C. Из сплава на основе платины делают наконечники кислородных зондов для контроля атмосферы защитной среды в печах термической обработки. Сплавы на основе палладия, иридия, серебра применяются в контактах ответственных электронных изделий. Если от детали требуется высокая износостойкость и твердость, то применяют сплав осмия и иридия.

Алюминий и его сплавы

Алюминий — цветной металл, который имеет серебристо-белый оттенок и плавится при температуре 650°С. В периодической системе ему соответствует символ Al. Этот элемент занимает третье место по распространенности среди всех пород в земной коре (на первом месте — кислород, на втором — кремний). В атмосферных условиях на поверхности алюминия образуется оксидная пленка, препятствующая появлению коррозии.

Важные свойства алюминия:

  • Низкая плотность — всего 2,7г/см3 (например, у меди — 8,94г/см3).
  • Высокая электрическая проводимость (37*106 См/м) и теплопроводность (203,5 Вт/(м·К)).
  • Низкая прочность в чистом виде — 50 МПа.
  • Структура кристаллической решетки — кубическая гранецентрированая.

Металл легко обрабатывается давлением. Находит широкое применение в электропромышленности: из алюминия изготавливают проводники электрического тока. При производстве стали его используют для раскисления. Из алюминия также делают посуду, однако она не подходит для приготовления солений и хранения кисломолочных продуктов — элемент неустойчив в щелочной и кислой среде. Некоторые стальные детали покрывают алюминием (процесс алитирования), чтобы повысить их жаростойкость. Из-за невысокой прочности алюминий практически не применяется в чистом виде.

При маркировке алюминия используется буква А в сочетании с числом, которое указывает на содержание металла. Например, марка A99 содержит 99,95% алюминия, а марка А99 — 99,99%. Существует также марка особой чистоты — А999, в которой 99,999% алюминия.

Деформируемые сплавы алюминия

Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые.

Упрочняемые деформируемые сплавы алюминия — это дуралюмины (система А-Сu-Mg) и высокопрочные сплавы (Аl-Сu-Mg-Zn). Высокие механические свойства и небольшой удельный вес позволяют широко применять эти сплавы в области машиностроения, особенно — в изготовлении деталей для самолетов.

Основными легирующими элементами для дуралюминов служат магний и медь. Эти сплавы маркируются буквой Д с числом. Из Д1 делают лопасти винтов, Д16 используется для лонжеронов, шпангоутов, обшивки самолетов, а Д 17 — для крепежных заклепок.

Высокопрочные сплавы, помимо алюминия, меди и магния, содержат цинк. Обозначаются буквой В и числом, применяются для изготовления деталей сложной конфигурации, лопастей вертолетов, высоконагруженных конструкций.

Неупрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы — это сплавы алюминия с марганцем (маркировка — АМц1) и с магнием (AМг2 и АМг3). Они хорошо обрабатываются сваркой, вытяжкой, прокаткой, горячей и холодной штамповкой. Отличаются высокой пластичностью, но при этом не очень прочные. Они выпускаются преимущественно в виде листов, которые применяются для изготовления изделий сложной формы (заклепки, рамы и др.).

Литейные сплавы на основе алюминия

Наиболее широкое применение получили литейные сплавы алюминия и кремния, которые называются силуминами. Они содержат более 4,5% кремния и обозначаются буквами АК с номером марки. Силумины сочетают малый удельный вес с высокими механическими и литейными свойствами. Они применяются для сложного литья авто-, мото- и авиадеталей, а также для производства некоторых видов бытовой техники — мясорубок, теплообменников, санитарно-технических арматур и др.

Читать еще:  Как восстановить серебро методом аффинажа в домашних условиях

Марки титана и сплавов

Наиболее распространены титан и сплавы марок ВТ1-0, ВТ1-00св, ВТ1-00. Они относятся к категории технических. В состав данных марок не входят легирующие элементы. Поставляется титан в виде плит, листов, труб и прутков. Проволока чаще всего производится из материала марки ВТ1-00св.

Сегодня известно множество марок титанов и титановых сплавов, отличающихся по технологическим, механическим свойствам, химическому составу. Чаще всего в их составе содержаться такие элементы, как:

  • алюминий,
  • молибден,
  • ванадий,
  • марганец,
  • хром,
  • олово,
  • кремний,
  • цирконий,
  • железо.

Титан марки BT5 и сплавы из него содержат до 5% алюминия, что наделяет их высокой прочностью. Материалы хорошо штампуются, куются, прокатываются и свариваются. Из них производятся прутки (круги), трубы, проволока, листы. Титановые сплавы ВТ5-1 кроме алюминия содержат олово в размере 2-3% ,что улучшает их технологические характеристики. Из таких материалов получают все виды полуфабрикатов — плиты, листы, поковки, профили, трубы, штамповку, проволоку.

К хорошо деформируемым сплавам титана относят ОТ4 и ОТ4-1, содержащие алюминий и марганец. Данные материалы отличаются высокой технологичной пластичностью и свариваются любыми видами сварок. Титаны этих марок используются в производстве плит, лент, листов, полов, профилей, труб.

Прочный сплав ВТ20 содержит алюминий, цирконий, молибден и ванадий. Материал отличается высокой жаропрочностью. Сплав титана ВТ3-1 содержит такие элементы, как Ti, Al, Cr, Mo, Fe, Si и, как правило, подвергается изотермическому отжигу, что наделяет его высокой пластичностью и термической стабильностью. Этот сплав является наиболее освоенным в производстве. Из него изготавливаются поковки, штамповки, пруты, профили.

Сплавы титана ГОСТ 19807-91 содержат углерод и называются тугоплавкими карбидами. Их теплопроводность в 13 раз ниже показателя алюминия и в 4 раза – железа.

Особенности цветных тяжелых металлов и их использование

С начала 19 века цветная металлургия получила широкое развитие. Металлы и сплавы получили роль заменителей железа в сферах производства, которые требовали особенностей, недостаточно выраженных у стали. С этого момента тяжелые металлы стали применяться практически во всех отраслях промышленности.

На сегодняшний день к наиболее распространенным тяжелым цветным металлам можно отнести:

  • Медь.
  • Никель.
  • Свинец.
  • Цинк.

Прежде всего, медь ценится за высокую теплопроводность и электропроводность – если говорить об этих показателях, то уступить она может только серебру. Еще одним достоинством является пластичность. Благодаря ей медь можно быстро обрабатывать, штамповать, перерабатывать.

После того, как в жизнь населения ворвался электротехнический прогресс, медь заняла место основного материала, применяемого для конструкции проводов, контактов, шин и многих других изделий, в которых требуется проводимость тока.

Теплопроводность меди позволяет применять ее в нагревателях и холодильниках, а химическая промышленность приспособила этот металл для изделий, охлаждающих растворы, варочных котлов и деталей лабораторных инструментов.

К недостаткам меди можно отнести неустойчивость к примесям. Даже при минимальном их количестве у материала значительно снижается электропроводность, стойкость к коррозии и другие свойства. Чтобы использовать этот металл с высокими показателями, в меди не должно содержаться более одного процента примесей.

Отсюда вытекает и второй недостаток – абсолютно чистая медь будет слишком мягкой для использования в машинных деталях, арматуре или строительных конструкциях. Благодаря сплавам с другими металлами медь достигает необходимой прочности.

Например, латунный сплав выходит намного дешевле чистой меди, а в результате получается прочнее и долговечнее. Он поддается обработке, обладает высокой устойчивостью к коррозии. Если добавить к этому марганец или железо, то латунь получит еще более высокую прочность. Латунь применяется в военной технике, строительстве судов, химической промышленности.

Стоит упомянуть и бронзу. Из-за дефицита олова, этот сплав научились изготавливать, смешивая медь с другими металлами. В результате, сегодня можно встретить несколько разновидностей этих сплавов:

  • Оловянные бронзы.
  • Алюминиевые бронзы.
  • Свинцовистые бронзы.
  • Кремниевые бронзы.
  • Бериллиевые бронзы.

Помимо этого, существуют сплавы меди с никелем и цинком – мельхиор и нейзильбер, которые чаще всего применяются в агрессивной среде, взаимодействующей с химическими соединениями. Из сплавов делают медицинские инструменты, столовые приборы и другие изделия.

До середины 20 века медь считалась первой среди известных цветных металлов по масштабам производства, но сегодня она уступает это место алюминию. В некоторых областях он удачно заменил медь, несмотря на более низкую электропроводность. Зато он является более легким и доступным. В других случаях медь заменяется цинковыми сплавами, латунью.

Читать еще:  Простая электропечь для закалки стали и плавки металлов

Никель

Как и медь, никель является важным металлом для промышленности и производства. По сравнению с другими металлами, никель самый прочный и твердый, а также обладает высокой стойкостью к коррозии. В чистом виде никель легко поддается любой обработке.

К недостаткам никеля можно отнести его высокую стоимостью, поэтому чистый металл редко используется. Чтобы защитить материал, его покрывают железом, магнием и другими металлами. Зачастую никель используется для производства изделий, используемых в химической промышленности.

Наиболее востребован никель для создания железоникелевых аккумуляторов, которые отличаются легкостью и надежностью, превосходя по всем показателям изделия из свинца.

На сегодняшний день никель больше всего используется в сплавах с железом, так как в этом случае проявляются лучшие качества материала для постройки станков, машин, военной техники. Кроме того, сплавы никеля устойчивы к жару, благодаря способности не окисляться, и используются при создании турбинных двигателей и реакторов.

Никель был открыт еще в середине 18 века, однако только спустя столетие металл начали активно производить для продажи. Основные свойства никеля (жаростойкость, прочность, устойчивость к коррозии) были открыты только в 20 веке. С этого момента спрос на материал вырос в несколько раз.

Сегодня мировое сообщество старается учитывать расход никеля, применяя меры по экономии металла. Для этого его могут заменять хромом и покрывать сталью, чтобы уменьшить потребление.

Свинец

Свинец является одним из старейших известных материалов, он был открыт еще до нашей эры. Высокий спрос на металл объяснялся его высокой плотностью и хорошими показателями для обработки. Свинец входил в состав древних украшений, из него отливали монеты и создавали снаряды. После открытия пороха, свинец стал особенно востребован — из него создавали пули.

В 19 веке свинец стал главным материалом для развития химической промышленности, так как ученые открыли его стойкость к кислотам и реагентам. Кроме того, свинец может защитить изделия от коррозии. Сегодня из свинца делают обмотку кабелей, используемых во влажной среде.

Особенно важны по своим свойствам аккумуляторы из свинца. Они значительно дешевле никелевых, однако обладают похожими характеристиками. Больше половины мировых запасов свинца уходит на создание кабелей, аккумуляторов и других технических устройств. Сплавы свинца ценятся, благодаря их прочности и твердости. Они могут содержать олово, медь, кадмий или натрий и кальций.

На сегодняшний день спрос на свинец значительно превышает его производство, поэтому специалисты напоминают о необходимости экономить металл. Оболочки из свинца заменяются пластиком, а покрытия синтетикой. Часто на замену приходит цинк.

Специалисты не могут точно сказать, когда именно началось производство цинка. Некоторые считают, что металл был открыт в пятом веке индийскими и китайскими учеными, однако широкое производство в промышленных масштабах развернулось только в 18 веке специалистами из Англии.

Сегодня больше половины добываемого цинка уходит, чтобы покрывать железо – это предупреждает появление коррозии на материале. Благодаря этому цинк расходуется достаточно экономно, а также предохраняет изделия от влаги и жара. Покрытие цинком стоит намного дешевле, чем использование в этих же целях олова.

Вторым способом использования цинка является добавление его в сплавы. Цинк может заменить бронзу, а при добавлении алюминия и магния становится прочным и твердым. Главным достоинством цинка является его низкая стоимость и доступность – месторождения очень распространены.

Особенности обработки

Обработка направлена на защиту металлов от коррозии и контакта с кислородом.
Для этого их покрывают специальными лакокрасочными покрытиями. Существует 3 категории средств защиты: краски, грунтовые растворы и универсальные составы. Наиболее эффективна против атмосфеной коррозии грунтовка, к тому же она повышает адгезию к основанию детали. Ее наносят на поверхность перед окрашиванием в один, а лучше несколько слоев.

Важно правильно определить тип грунтовки, так как состав различен для разных металлов.Для деталей из алюминия и его сплавов подойдут грунтовые составы на основе цинка; также пригодны уретановые краски.

Медь, латунь, бронза не нуждаются в окрашивании, поскольку на рынок они поступают с заводской обработкой; защищая поверхность, она выгодно оттеняет природную эстетику этих металлов. Разрушенное заводское покрытие легко удалить с помощью обычного растворителя. Затем нанести на изделие или деталь эпоксидный или полиуретановый лак.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×