A A A K K K
для людей з обмеженими можливостями
.

Завдання з матеріалознавства. Кольорові метали і їх сплави Урок №1 (8 год.)

Дата: 29.03.2020 13:13
Кількість переглядів: 1054

Кольорові метали і їх сплави

Урок №1 (8 год.)

Мідь. Сплави міді, їх властивості, маркування та застосування.

 

Мідь. Сплави міді, їх властивості, маркування та застосування.

  1. мідь, її застосування.
  2. Сплави на основі міді.
  3. Алюмінієві сплави, їх класифікація.
  4. Сплави міді з нікелем.
  1. Мідь, її застосування.

    Мідь належить до важких металів із густиною 8,94 г/см3, температурою плавлення 1083 °С і температурою кипіння 2360 °С. За електропровідністю мідь займає друге місце після срібла і тому є основним матеріалом для провідників. Домішки фосфору, кремнію, заліза, сурми і кобальту знижують електропровідність міді.

   Мідь, як й інші метали з ГЦК-структурою, має невелику міцність і високу пластичність (σв=200 МПа, σ02=50 МПа, δ = 35%.). Хімічна активність міді порівняно невелика. Розведені соляна і сірчана кислоти на мідь практично не впливають. У вологому повітрі рожево-червона мідь тьмяніє через утворення на її поверхні закису міді Сu2О. За характером взаємодії із міддю домішки поділяють на три групи.

   До першої групи належать метали, розчинні у твердій міді (Αl, Ζn, Fe, Ni, Ag, Cd, Sb), що істотно не впливають на властивості технічної міді.

   До другої - домішки, практично нерозчинні у твердій міді (Ві, Рb). Вони негативно впливають на механічні і технологічні властивості міді. У системі Сu-Ві утворюється легкоплавка евтектика (tпл.=270 °С), що складається з практично чистого вісмуту, виділення якого по межах зерен призводять до червоноламкості міді та сплавів на її основі.

   Свинець з міддю дає монотектичне перетворення при 953 °С і евтектичне - при 326 °С. Евтектика за складом (99,94 % Рb) практично збігається із чистим свинцем і виділяється по границях зерен. Свинець не сприяє холодноламкості міді і її сплавів, оскільки він пластичний, але через низьку точку плавлення евтектики, спричинює червоноламкість.   Разом із тим, свинець полегшує обробку мідних сплавів різанням.

До третьої групи елементів відносять домішки, що утворюють із міддю хімічні сполуки (Р, О2, S, Те та ін.).

   Розчинність кисню у міді незначна і становить лише 0,011% при температурі 1065 °С, тому при низькій концентрації кисню у металі з'являється евтектика Cu+Cu2O з температурою плавлення 1065 °С, що вище від температури гарячої прокатки металу, і кисень не спричинює червоноламкості міді. Закис міді Сu2О несприятливо впливає на пластичні властивості, технологічність і корозійну стійкість міді.

   При відпалі в атмосфері, яка містить водень, атоми водню дифундують у мідь і реагують із її закисом, утворюючи всередині металу пари води високого тиску, що спричинює руйнування міді. Це явище називають водневою хворобою міді. Сірка, селен і телур утворюють із міддю сполуки Cu2S, Cu2Se, Cu2Te, які формують у металі крихкі евтектики, що різко знижують пластичність, зварюваність, а також призводять до холодноламкості.

    Із підвищенням температури міцністі властивості міді зменшу­ються, а відносне подовження і поперечне звуження при нагріванні до 200 °С залишаються незмінними.

    При вищих температурах пластичність міді різко зменшуються і починають зростати при температурах більш ніж 600 °С. Цей провал пластичності зумовлено домішками, тому що у міді високої чистоти провалу пластичності не виявлено.

   У результаті холодної пластичної деформації міцність міді підвищується до 450 МПа при зменшенні відносного подовження до 3...4%.

   Холоднокатані листи міді і її сплави через текстуру деформації мають анізотропію властивостей.

   У процесі відпалу деформованої міді та сплавів на її основі відбуваються процеси повернення і рекристалізації. Температура початку рекристалізації - 200...230 °С (0,35 Тпл.).

   Оптимальна температура рекристалізації 500...600 °С. При більш високих температурах рекристалізації відносне подовження знижу­ється через ріст зерна й утворення текстури рекристалізації.

   Як конструкційний матеріал мідь не використовується через високу вартість і низькі механічні властивості. Маркується буквою М і цифрами, залежними від вмісту домішок.

   Мідь марок M00 (0,01 % домішок), М0 (0,5%) і M1 (0,1%) використовується для виготовлення провідників електричного струму, мідь М2 (0,3%) — для виробництва високоякісних сплавів міді, МЗ (0,5%) — для сплавів звичайної якості.

 

  1. Сплави на основі міді.

   Найбільш розповсюджені елементи у сплавах міді - цинк, алюміній, олово, залізо, кремній, марганець, берилій, нікель. Усі ці елементи підвищують міцностні властивості міді.

   Сплави на основі міді поділяють на деформовані та ливарні, які зміцнюють і не зміцнюють термічною обробкою. Однак широко використовується розподіл мідних сплавів на латуні, бронзі і мідно-нікелеві сплави.

    Латунню називають сплави міді з цинком, де цинку до 40%.

   Прості латуні маркують літерою Л і позначають числом, що характеризує середній вміст міді. Так, наприклад, Л68 містить 68 % Cu і 32 % Zn.

Якщо латунь, крім цинку, легують іншими елементами, то після літери Л ставлять умовну позначку цих елементів: Φ - Р; О - Sn; Ж - Fe; А - Αl; Κ - Si; Мц - Μn; Η - Ni. Число після літер показує середній вміст цих елементів у латуні, крім цинку. Вміст цинку визначають за різницею від 100%. Так, наприклад, ЛАН59-3-2 містить 59 % Cu; 3 % Аl; 2 % Ni; 36 % Zn.

Бронзами називають всі сплави міді (крім латуней і мідно-нікелевих сплавів). Бронзи маркуються літерами Бр, а після них вказують основні легуючі елементи та їхній вміст у сплаві. Елементи позначають літерами: Ц - Zn; Φ - Р; Б - Be; Ж - Fe, А - Àl тощо.

     Наприклад, БрАЖМц 10-3-1,5 легована 10 % Àl, 3 % - Fe, 1,5 % - Μn, інше - Cu.

Цинк підвищує міцність і пластичність сплаву, але до певних меж. Найбільшою пластичністю володіє латунь, що містить 30% цинку, а найбільшою міцністю — 40%.    

     Тому більше 40% цинку в латуні міститися не може. Крім того, цинк здешевлює сплав, оскільки він дешевше за мідь.

    Латунь характеризується високою електропровідністю і теплопровідністю, корозійною стійкістю, добре обробляються різанням.

Класифікація латуней:

  • по технологічній ознаці латунь ділять на ті, що деформуються і ливарні;
  • по хімічному складу латунь ділиться на прості (подвійні), в яких присутні тільки мідь і цинк і складні (багатокомпонентні), в які для поліпшення різних властивостей додають інші елементи.

Найбільш поширені добавки алюмінію, олова, кремнію, нікелю і ін.

Латунь маркується буквою Л.

В латуні, що деформується, указується вміст міді і легуючих елементів, які позначаються відповідними буквами (О — олово, А — алюміній, К — кремній, Н — нікель, Мц — марганець, Ж — залізо і т.д.).

Вміст елементів дається в % після всіх буквених позначень.

Наприклад, латунь Л63 містить 63% міді і 37% цинку.

Латунь ЛАЖ 60-1-1 містить 60% міді, 1%, алюмінію, 1% заліза і 38% цинку.

В марках ливарної латуні указується вміст цинку, а кількість легуючих елементів  ставиться після букв, що їх позначають.

Наприклад, ливарна латунь ЛЦ40Мц3А містить 40% цинку, 3% марганцю, менше 1% алюмінію і 56% міді.

Тестовий контроль по темі «Сплави кольорових металів на основі міді»

1.Що таке латунь?

а) сплав міді з цинком, де цинку до 40%

б) сплав алюмінію з кремнієм, де кремнію 8-14%

в) сплав алюмінію з міддю, де міді 5-20%

2.Що таке бронза?

а) сплав міді з хромом

б) сплав міді з кремнієм

в) сплав міді з оловом

3.Основою латуні і бронзи є:    

а) хром  

б) мідь

в) кремній

4.Латунь виготовляють на основі

а) міді

б) фосфор

в) кремній

5.Бронзу виготовляють на основі

а) сірка

б) фосфор

в) міді

6.Який елемент додають до міді, щоб отримати латунь

а) мідь

б) цинк

в) магній

7.Який елемент додають до міді, щоб отримати бронзу

а) олово

б) манган

в) цинк

8.Чому бронзу називають олов’яною?

а) містить олово

б) містить мідь

в) містить магній

9.Чому бронзу називають безолов’яною?

а) не містить мідь

б) не містить олово

в) не містить магній

10.Чому латунь називають спеціальною?

а) не містить легуючих елементів

б) містить легуючи елементи

в) містить тільки цинк

Критерії оцінювання:

1,2 бали за правильну відповідь

0 бала за відсутню і неправильну відповідь

Таблиця для відповіді

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Бронзою називаються сплави міді з оловом, алюмінієм, свинцем і іншими елементами, серед яких цинк не є основним.

  Бронза володіє високою корозійною стійкістю, хорошими ливарними властивостями, добре обробляються тиском і різанням.

  Класифікація бронз: по назві основного легуючою елементу бронзи діляться на: олов'яні, безолов’яні (спеціальні по вмісту легуючого елементу) .

по технологічній ознаці бронзи ділять на ті, що деформуються і ливарні.

  Маркується бронза буквами Бр, за якими показується вміст легуючих елементів в %.   Позначення легуючих елементів і відмінності в марках сплавів, що деформуються і ливарних, біля бронзи такі ж, як біля латуні.

  Наприклад, бронза БрОФ6,5-0,4, що деформується, містить 6,5% олова і 0,4% фосфору, а ливарна бронза БрО3Ц7С5Н — 3% олово, 7% цинку, 5% свинцю, менше 1% нікелю.

   Олов'яна бронза, що деформується, володіє високою пластичністю і пружністю. З них виготовляють прутики, труби, стрічки. Ливарна олов'яна бронза має: хороші ливарні властивості, високу корозійну стійкість. З них виготовляють арматуру, що працює в умовах прісної і морської води. Олово — відносно дорогий метал, тому його прагнуть частково або повністю замінити у складі бронзи іншими.

   Алюмінієва бронза (БрА7, БрАЖН 10-4-4) володіє більш високими механічними властивостями і корозійною стійкістю в порівнянні з олов'яними. Крем'яниста бронза (БрКМц 3-1) має хорошу пружність і тому використовується для виготовлення пружинячих деталей. Свинцева бронза (БрС30) володіє високими антифрикційними властивостями і застосовується в підшипниках ковзання. Берилієва бронза (БрБ2) відрізняється високою твердістю, міцністю, пружністю і зносостійкістю.

  1. Алюмінієві сплави, їх класифікація.

    Для одержання алюмінієвих сплавів із різними властивостями алюміній легують іншими металами, найбільш широко як легуючі еле­менти застосовують кремній, мідь, магній, цинк, марганець, а останнім часом - літій. Як легувальні домішки: титан, берилій, цирконій та ін. Найбільшого поширення набули сплави таких систем:

Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu.

    У рівноважному стані ці сплави являють собою низьколегований твердий розчин та інтерметалідні фази: Al2Cu (θ-фаза);

Mg2Si; Al2CuMg (σ) Al6CuMg4 (τ); Al3Mg2Zn3; Al3Mg2; MgZn (η) та ін.

    Сплави алюмінію можна поділити на 3 групи:

- призначені для одержання напівфабрикатів (листів, плит, прутків), а також кувань і штампувань шляхом прокатки, пресування, кування, штампування (деформовані сплави);

- ливарні, призначені для фасонного лиття;

- одержувані методом порошкової металургії спечені алюмінієві порошки (САП) і спечені алюмінієві сплави (САС).

    1. Алюмінієві руди. Найбільш поширеними алюмінієвими рудами е боксити, каоліни, нефеліни й алуніти, де алюміній міститься у вигляді глинозему Аl2О3 (у бокситах 40…60%, а в решті руд—22…32%).

Виробити чистий алюміній безпосереднім відновленням його з руд неможливо, оскільки домішки відновлюються раніш за нього. Тому у виробництві алюмінію є три самостійних техно­логічних процеси: 1) добування глинозему з алюмінієвих руд; 2) добування первинного алюмінію; 3) рафінування первинного алюмінію.

    2. Добування глинозему. Залежно від складу алюмінієвих руд глинозем з них добувають такими способами: лужним, кислотним і електрометалургійним. В найбільш поширені такі способи: сухий лужний (спікання) — для перероблення бокситів з високим вмістом кремнезему й окису заліза; мокрий лужний — для перероблення малокремнезeмистих алюмінієвих руд; електрометалургійний — для перероблення бокситів, які містять у собі до 20% кремнезему.

    При сухому і мокрому лужних способах обробляють алюмінієві руди лугами. Глинозем при цьому зв'язується в алюмінат натрію Аl2О3·Na2O. При вилуговуванні алю­мінат натрію переходить у розчин, а окиси і гідроокиси заліза, титану і кремнію випадають в осад. Після відокремлення від осаду розчин алюмінату натрію продувають газом CO2 (сухий спосіб) або піддають гідролізу (мокрий спосіб). У результаті розчин розкладається з виділенням кристалічного осаду—гід­рату окису алюмінію 2А1(ОН)3. Цей осад фільтрують, проми­вають, прожарюють і дістають чистий глинозем:

2Аl (ОН)3 = Αl2O3 + ЗН2O.

   При електрометалургійному способі добування глинозему складається з двох стадій: електрометалургійної і хімічної. Перша стадія проходить так: агломерат (боксит, залізну руду, барієві солі і антрацит) розплавляють в електро­печах при температурі 1800°С. Продуктами плавлення є феро­силіцій і шлак у вигляді алюмінатів барію,їх зливають у ківш і витримують до температури твердіння шлаку (близько 1500° С). Потім рідкий феросиліцій випускають з ковша і вико­ристовують у металургійному виробництві, а твердий шлак по­дрібнюють і обробляють содою:

Αl2O3·ВаО + Na2CO3 = Аl2O3·Na2O + ВаСО3.

Утворений алюмінат натрію відомими вже нам способами переробляють у глинозем, а вуглекислий барій використовують Для виготовлення агломерату.

 

https://www.ok-t.ru/studopedia/baza1/1222365687923.files/image014.jpg

 

Схема електролізної ванни для добу­вання алюмінію.

 

   3. Електроліз глинозему. Первинний алюміній добувають елек­тролізом чистого гли­нозему, розчиненого в розплавленому кріо­літі Na3AlF6. Електро­лізна ванна — електролізер (рис. 42) — має стальний кожух 5, обкладений із середини вогнетривкою цеглою 6. Під ванни і її стінки 7 зроблено з вугляних блоків, до яких підведено катодні шини 8. Над ванною на анод­них шинах 1 підвішено вугляні електроди 2. Тепер найбільше застосовуються ванни з набивними анодами, в яких вугляна маса вміщена в прямокут­ні алюмінієві кожухи.

    Перед початком електролізу на під ванни насипають тонкий шар меленого коксу, впритул до поду опускають електроди і вмикають постійний струм. Коли вугляна футеровка ванни на­гріється, у ванну поступово засипають кріоліт і розплавля­ють його, одночасно повільно піднімаючи електроди. Після утворення шару 200...250мм розплавленого кріоліту 10 у ванну завантажують глинозем 3, який і розчиняється в кріоліті. Про­цес електролізу відбувається при температурі 930...950°С. При проходженні струму через електроліт глинозем розкладається і на аноді виділяється кисень, який утворює з вуглецем чадний газ CO, а на катоді—алюміній. Рідкий алюміній 9 нагромад­жується на поді ванни і періодично видаляється сифоном або вакуум-ковшем. На бічній поверхні робочого простору ванни утворюється кірка 4 електроліту, яка захищає футеровку від руйнування під впливом розплавлених фтористих солей і від витікання струму.

    В електролізній ванні, де сила струму становить 50000 а, а напруга—5...10 в, виробляють близько 350 кг алюмінію на добу.

    4. Рафінування первинного алюмінію. Очищають алюміній від домішок звичайно в закритому ковші продуванням хлору протягом 10…15 хв., при температурі 750…770°С. Після цього його розливають у чушки. Для вироблення алюмінію високої чистоти (до 99,99% ΑΙ) його піддають електролітичному рафі­нуванню, при якому забруднений домішками алюміній є анодом, а чистий алюміній—катодом. Як електроліт використовують рідкі хлористі і фтористі солі.

 

4.Сплави міді з нікелем

 

Сплави міді з нікелем використовують як конструкційні й електротехнічні матеріали.

 


« повернутися

Код для вставки на сайт

Вхід для адміністратора

Назва сплаву

Марка

Характеристика сплаву

Види виробів

Сфера застосування

Константан

МНМц40-1,5

Добре обробляється тиском, високий електричний опір

Дріт, стрічка, штаби

Резистори, реостати, нагрівальні та вимірювальні прилади

Копель

МНМц43-0,5

Висока технологічна пластичність

Дріт

Компенсаційні провідники, термопари

Куніаль

МНА13-3
МНАб-1,5

Високі механічні характеристики і корозієстійкість, добре обробляється тиском

Прутки

Вироби підвищеної міцності в машинобудуванні. Пружини та інші вироби в електротехнічній промисловості

Манганін

МНМцЗ-12

Добре обробляється тиском, висока корозієстійкість

Дріт, стрічка

Еталонні резистори, деталі приладів та інші електротехнічні вироби

Мельхіор

МНЖМцЗО-1-1

Добре обробляється тиском, висока корозієстійкість