При электрохимическом фрезеровании защитным может служить покрытие из любой кислотостойкой краски, наносимое по трафарету. Травильный раствор в этом случае состоит из 150 г/л хлористого натрия и 150 г/л азотной кислоты.

 

Травление происходит на аноде при плотности тока 100—150 А/кв.дм. В качестве катода используются медные пластины. После прекращения процесса катоды извлекают из ванны. Электрохимическое фрезерование отличается более высокой точностью по сравнению с химическим.


ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

 

Для обеспечения прочного сцепления электролитического покрытия с алюминием на поверхность последнего наносится промежуточный слой цинка, железа или никеля.


читать далее »

В тяжелых условиях эксплуатации необходимая повышенная прочность сцепления между изделием и покрытием получается следующим образом.

До нанесения покрытия на основание осаждают промежуточный слой, природа и свойства которого могут обеспечить улучшение адгезии. В качестве «подкладочного материала» под покрытие распылением наносят молибден. Применяют также технологические способы, снижающие внутренние напряжения, отрицательно влияющие на прочность сцепления. К таким способам относится подогрев изделий перед металлизацией напылением.

Изделия с покрытиями следует рассматривать как многослойные сочленения, воспринимающие не только внешние нагрузки, но и находящиеся под воздействием внутренних напряжений, часто весьма значительных по величине. В местах соединения изделий с покрытиями даже при отсутствии внешней нагрузки возникают растягивающие (реже сжимающие) остаточные напряжения и изгибающие моменты. Эти усилия вызываются изменениями структуры, неравномерностью распределения температуры при нагреве и охлаждении, неоднородным тепловым расширением и сжатием обоих сопряженных тел в процессе их усадки, несовершенством материала и формы изделии, недостаточной их пластичностью.

Силовое поле во время осаждения покрытий, а отчасти и после него многократно меняется. Под воздействием силового поля в процессе образования покрытий возникают значительные по величине временные напряжения (например, до образования пористости). При осаждении покрытий эти напряжения могут снижаться (например, после образования пор).


читать далее »

Технико-экономическая целесообразность применения различных износоустойчивых покрытий может быть выявлена только при сравнении эффективности разных способов изготовления и эксплуатации конкретных деталей. При этом должны сравниваться как детали, изготовленные из литого, кованого, катаного металла, так и имеющие различные покрытия.

Эффективность применения покрытий определяется длительностью сроков службы и межремонтных периодов, а также сложностью ремонта. При выборе способа нанесения покрытий существенно важным является решение задачи экономии металла. При наращивании расходуется металл непосредственно на получение покрытия и на последующую обработку.

Весьма важным является и вопрос о потерях металла при наращивании. Это подтверждается следующими цифрами. При неблагоприятных условиях потери могут достигнуть для электролитического хрома 60% от общерасходуемого, а для покрытий распылением — даже до 80%. Высокие потери, получающиеся при механической обработке электролитического хрома, достигают, как известно, 30—60% от количества металла, остающегося на окончательно обработанной детали. Выбор способа наращивания для получения изделий с наиболее благоприятной твердостью зависит от формы изделий и условий эксплуатации. Металлизация напылением позволяет наносить различные, как твердые, так и мягкие, осадки на крупных и мелких деталях.

Этого можно также достигнуть путем наплавки, однако не всегда. Электролитические покрытия хотя и обеспечивают более равномерную поверхностную твердость, но усложняют нанесение покрытий на крупные детали. Кроме того, последние способы не позволяют наращивать толстые осадки.

Твердые, пористые покрытия на крупных деталях можно легче всего получать путем распыления. Антифрикционные покрытия, создаваемые способом распыления, не требуют применения дефицитных материалов. Они допускают наиболее высокие удельные давления, а напыленные слои допускают наибольшие скорости скольжения. Размерные детали с антифрикционными покрытиями можно получить только у хромированных подшипников. Антифрикционные слон, равномерные по толщине, не требующие большой механической обработки, получают при напылении покрытий.

Металлизацией напылением можно наносить покрытия на детали из алюминия, магния, пластмасс, стекла, дерева, керамики. Наплавкой, заливкой жидким металлом, электролитическими методами можно наносить слои только на металлические детали. Местные дефекты, раковины, дисбаланс можно исправлять покрытиями всех видов. Однако наиболее эффективным является способ наращивания напылением. Трещины можно ликвидировать наплавкой и напылением, но покрытия, наносимые напылением, не создают опасности коробления наращиваемых изделий.

Наплавка, заливка жидким металлом без принятия особых мер всегда может создать деформацию детали. Из всех перечисленных и разобранных методов получения покрытий наибольшей универсальностью обладает метод металлизации напылением и другие способы, основанные на том же принципе.


читать далее »

В процессе распыления и образования слоя плотность его уменьшается из-за появления в напыленном металле окислов и пор. При распылении металлов электродуговыми аппаратами получается снижение плотности в среднем на 15%. Это также достигается распылением металлов газовым, высокочастотным и тигельным аппаратами. Плотность напыленного металла зависит также от скорости частиц перед ударом Поскольку скорость частиц меняется по мере удаления от сопла, плотность металла, напыленного при различных расстояниях между соплом и деталью, также будет различной. Таблица плотностей напыленных металлов. Электропроводность напыленных металлов Поскольку покрытия из распыленного металла состоят из массы частиц, покрытых окислами, причем в покрытии имеется много пор, электропроводность напыленных металлов значительно меньше, чем обычных металлов, и зависит в большой степени от характера и фактуры поверхности основания. По мере увеличения толщины слоя поверхности электропроводность напыленного металла, естественно, увеличивается. Однако в начальный момент, когда частицы металла, оседая на поверхности, еще не образуют сплошного покрытия, электропроводность покрытия практически равна нулю. Затем, когда частицы начинают перекрывать друг друга, возникает постепенно усиливающаяся электропроводность. При металлизации твердых и практически гладких поверхностей электропроводность возникает раньше, чем при нанесении слоя на сильно развитые (шероховатые) и мягкие поверхности, так как соединение осевших частиц металла друг с другом в первом случае происходит при меньшем количестве осевшего металла. Если гетинаксовую пластину, металлизировать тонким слоем (0,025 кг/м2), то поскольку частицы металла разбросаны по поверхности и практически не соприкасаются друг с другом, электропроводности покрытия не обнаруживается. А если гетинаксовый образец, металлизировать слоем большей толщины (0,160 кг/м2), то хорошо видно, что частицы металла лежат плотно и перекрывают друг друга. Такое покрытие обладает тем большей электропроводностью, чем больше толщина слоя.


читать далее »

Температура поверхности детали всегда значительно ниже критических точек стали. Поэтому никаких фазовых превращений в материале металлизируемых деталей не происходит и свойства их не меняются.

Однако металлизация различных горючих и малотеплопроводных материалов (древесины, бумаги, картона, тканей), а также мягких материалов (гипса) непосредственно тугоплавкими металлами невозможна, так как первые частицы этих металлов, оседая на поверхности, оказывают весьма сильное тепловое воздействие и даже могут обугливать ее, хотя и на очень небольшую глубину.

Для ликвидации этого явления приходится перед нанесением слоя тугоплавкого металла производить металлизацию горючих материалов какими-нибудь легкоплавкими металлами. Чаще всего для этого применяется цинк. При наличии самого тонкого подслоя из этого металла можно производить металлизацию горючих материалов практически почти любыми тугоплавкими металлами.

Поскольку частицы ударяются о поверхность, имея достаточно высокую температуру, и обладают большой пластичностью или даже жидкотекучестью, они сильно деформируются и приобретают чешуйчатую форму. Частицы распыленного металла достигают поверхности детали в жидком состоянии, но покрыты оксидной оболочкой. В момент удара частиц о поверхность детали происходят разрушение этой оболочки и расплескивание жидкого металла с образованием струйчатых форм в виде тонких перемычек, густо переплетающихся друг с другом.

В тех случаях, когда частицы ударяются о поверхность уже отвердевшими, происходит пластическая деформация. Чем выше скорость частиц в момент удара, тем больше кинетическая энергия и тем сильнее происходит их деформация. В результате имеет место большее сближение металла частиц с материалом основания, что создает очаги схватывания, а также более глубокое заклинивание частиц в шероховатостях поверхности. Все это усиливает сцепление покрытия и основания. Следовательно, целесообразнее всего вести металлизацию так, чтобы обеспечить максимальную скорость частиц перед ударом.

металлизация материалов

Скорость металлических частиц зависит от многих факторов и в первую очередь от скорости воздушного потока. Структура воздушного факела, свободно вытекающего из круглого сопла в атмосферу, изучалась многими исследователями. Доказано, что на некотором пути осевая скорость воздушной струи является постоянной и равной скорости истечения. Эта центральная часть струи, называемая ядром, окружена пограничным слоем, который вследствие контакта с окружающей атмосферой имеет по мере приближения к периферии постепенно понижающуюся скорость.

Диаметр ядра струи по мере удаления от сопла уменьшается и, наконец, на некотором расстоянии ядро исчезает (рисунок). На больших расстояниях обнаруживается постепенное понижение осевой скорости («размыв струи»), происходящее в результате трения об окружающий воздух и присоединения к потоку атмосферного воздуха. Длину ядра струи называют начальным, а остальную часть —основным участками. В момент отрыва металлической частицы от концов проволок ее скорость равна нулю. В то же время скорость воздушной струи является максимальной. Затем под действием воздушного потока частица быстро разгоняется и, наконец, ее скорость приближается к скорости воздушной струи.


читать далее »

Вследствие большой кинетической энергии частиц и их высокой пластичности в момент удара о поверхность металлизируемой детали пылинки деформируются и вдавливаются в неровности поверхности. Происходит заклинивание частиц, причем в отдельных участках возможно молекулярное схватывание.

Часть металлических частиц может достигать поверхности детали в жидком или полужидком состоянии. Регулируя должным образом режим работы аппарата, можно повысить температуру частиц, и тогда можно производить металлизацию недеформируемыми сплавами (например, чугуном).


читать далее »

Аппаратуре для работы на порошках присущи следующие достоинства: 1) простота конструкции и отсутствие в них трущихся и быстроизнашиваемых деталей; 2)распространенность порошковидных материалов и более низкая их стоимость; 3)возможность с их помощью наносить покрытия из смесей различных материалов с заданным соотношением составляющих компонентов. Посредством имеющейся в настоящее время порошковой аппаратуры наносятся покрытия из материалов с различной температурой плавления: от легкоплавких пластмасс до тугоплавкой керамики. Принцип действия порошковых аппаратов поясняется схемой рисунок. Рис. Схема устройства газопламенных головок для напыления покрытий из порошковых материалов Напыляемый порошок загружается в питательный бачок, откуда в строго дозируемом количестве подается в распылительную головку. Проходящие сквозь пламя частицы порошка расплавляются или размягчаются и в таком состоянии струей газа набрызгиваются на поверхность. У всех порошковых аппаратов наиболее ответственным узлом является порошковый питатель, который должен обеспечивать регулировку количества подаваемого порошка в узких пределах, устойчивость заданной подачи и отсутствие в процессе работы питателя сепарации загруженного в него порошка. Ни одна из существующих конструкций питателен в полной мере не удовлетворяет этим требованиям, если для работы используются порошки, не обладающие достаточно хорошей сыпучестью и специально указываемым в инструкции гранулометрическим составом. Все конструкции питательных бачков обычно снабжаются различного типа вибраторами, которые облегчают просыпание порошка и прохождение его в коммуникационных каналах. В настоящее время выпускаются аппараты для нанесения покрытий из порошков пластмасс, металлов тугоплавкой керамики.
читать далее »

Установка УПН-4 для порошкового напыления позволяет наносить покрытия высокополимерных смол и композиции на их основе с температурой плавления до 500° С, а также металлов и других плавких материалов с температурой плавления до 1200° С. Установка состоит из питательного бачка (ППН-4), подвешенного на стойке с приборами, и двух сменных распылительных горелок, одна 70 из которых (ГЛН-4) предназначена для напыления только пластмасс, а другая (ГТН-4) — более тугоплавких материалов. В установке УПН-4 подача порошка из питательного бачка в распылительную головку может производиться всасыванием, нагнетанием и смешанным способом. В первом случае имеющийся в горелке воздушный инжектор засасывает из питателя воздушно-порошковую взвесь, образуемую в нем струей всасываемого из атмосферы воздуха. Такая схема применяется при напылении легкоплавких материалов, которые наносят горелкой ГЛН-4, работающей на воздушно-ацетиленовом пламени. Подачей по второй схеме пользуются при напылении порошков с температурой плавления 900—1200° С. Их напыление производится горелкой ГТН-4 с применением ацетилено-кислородного пламени. В этом случае порошок в питателе захватывается струей воздуха, подаваемого в него под небольшим давлением (0,98 • 104 — 4,9 • 104 н/м2) от компрессора Смешанную схему рекомендуется применять при напылении металлических порошков с температурой плавления 500—900 град С. Установка УПН-4 снабжена специальным пневматическим клапаном, который блокирует распылительную горелку с вибратором так, что последний включается одновременно с пуском порошка и с прекращением его подачи автоматически отключается.
читать далее »

В последнее время получил широкое распространение процесс металлизации пластмасс гальваническим способом.

Металлическое покрытие придает изделиям из пластмасс красивый внешний вид, сообщает поверхности электро- и теплопроводные свойства, способность к пайке, улучшает физико механические и химические свойства. О

сновное применение металлизация пластмасс находит для получения изделий, которые нерентабельно изготавливать из металла, а также для металлизации отверстий при изготовлении печатных плат с целью соединения проводников, расположенных по обе стороны платы. К пластмассовым деталям, подвергающимся металлизации, предъявляются следующие основные требования: на деталях не должно быть острых краев и кромок; отверстия и углубления должны быть круглого сечения; шероховатость поверхности деталей должна соответствовать виду покрытия и его назначению.

Химико-электролитическая металлизация проводится путем обработки в растворах, в которых металлическое покрытие получается в результате восстановления ионов металла веществами-восстановителями. Полученный тонкий слой металла затем усиливается гальваническим способом до необходимой толщины.


читать далее »

Для повышения каталитической активности поверхности после обработки в совмещенном растворе детали обрабатывают в растворе акселерации, который представляет собой слабый раствор кислоты или щелочи. Затем на детали наносится тонкий токопроводящий слой меди путем восстановления меди из комплексных щелочных растворов с помощью формалина (40 % раствора фольмальдегида).

Токопроводящий слой на активированной поверхности можно получить также путем химического восстановления никеля. Полученный токопровидящий слой усиливают при помощи гальванически осажденной меди, а после этого наносят другие гальванические покрытия в зависимости от назначения изделия.

Для нанесения декоративного покрытия на пластмассы после меднения в обычном электролите детали покрывают в электролите блестящего меднени.

При этом процессе используются аноды из сплава АМФ в чехлах из материала «Хлорин» В течение всего процесса необходима непрерывная фильтрация и перемешивание электролита очищенным сжатым воздухом.

Следующая операция — блестящее никелирование на толщину 6—10 мкм. 3атем при необходимости детали хромируют. После каждой операции, начиная с травления и активирования, изделия промываются сначала в обычной, затем в обессоленной воде.


читать далее »

Процесс металлизации пластмасс делится на три основные стадии

1. Обработка поверхности пластмасс.

2. Покрытие изделий путем химического восстановления металла.

3. Гальванопокрытие.

Для обеспечения хорошей адгезии металлического покрытия к пластмассе ее поверхность матируют механическим путем (наждачной шкуркой, абразивными пастами и порошками) или химическим травлением.

Для придания поверхности пластмассы каталитических свойств, обеспечивающих последующее химическое восстановление металла, проводят активирование, которое заключается в погружении протравленных изделий в раствор сенсибилизатора, а затем в раствор соли благородного металла. Этот металл осаждается и служит катализатором восстановления меди. Сенсибилизация проводится в слабокислом растворе двухвалентного олова, ионы которого при последующей промывке гидролизуются и оседают на поверхность диэлектрика в виде гидроокиси.

Последующая активация заключается в образовании на поверхности деталей частиц металлического палладия в результате воздействия хлористого палладия, в раствор которого погружают детали, и соединений двухвалентного олова, адсорбированных поверхностью диэлектрика.

В тех случаях, когда диэлектрические материалы имеют металлические элементы (например, открытые медные проводники на печатной плате), для предотвращения осаждения палладия на медь применяется совмещенный раствор активирования, содержащий одновременно соли олова и палладия.


читать далее »

 При подготовке к металлизации поверхности изношенных деталей дробеструйной обработкой предназначенную для восстановления деталь протачивают или обрабатывают на шлифовальном станке для получения правильной геометрической формы. Затем деталь подвергают ударам металлической дроби, которая движется с большой скоростью, увлекаемая воздушной струей или отбрасываемая лопатками быстро вращающегося колеса дробеструйного аппарата.

Удар каждой дробинки действует как удар маленького молоточка с круглым бойком и образует на поверхности детали небольшое углубление. В результате таких многочисленных ударов поверхность становится шероховатой; чем тверже материал и чем мельче дробь, тем менее шероховатой получается поверхность. Дробеструйная обработка изменяет физические свойства поверхностного слоя [18], создает деформированный, упрочненный слой глубиной 0,2—0,4 мм, что увеличивает твердость и сопротивление поверхностного слоя пластической деформации.

Обработка поверхности

Деформированный поверхностный слой подготовляемой детали создает благоприятное распределение напряжений по сечению детали и значительно увеличивает ее усталостную прочность. Обработка дробью может применяться при подготовке поверхностей деталей самой сложной конфигурации.

Обработка дробью производится пневматическими и центробежными дробометами. Для обработки поверхности деталей в дробометных установках применяется дробь из отбеленного чугуна или стальная дробь диаметром от 0,4 до 2 мм. Твердость дроби из стали, содержащей 0,7% углерода, после 40 ч работы повышается с HRC 36—37 до HRC 42—44, а после 300 ч — до HRC 48—50. Стальная дробь обладает высокой стойкостью; расход ее в 30 раз меньше, чем чугунной. Затраты на обработку стальной дробью по сравнению с чугунной в 8—10 раз меньше, несмотря на более высокую стоимость стальной дроби. При выборе размера дроби для обработки поверхностей следует учесть, что чем тоньше стенки детали, тем меньшего диаметра дробь должна применяться. Для закаленных стальных деталей необходимо применять дробь большого диаметра, а для незакаленных — меньшего.

На качество подготовки поверхности в значительной мере влияет также режим дробеструйной обработки. Для получения хороших результатов рекомендуется скорость движения дроби 60—70 м/сек. а скорость достигается при 2400—4000 об/мин ротора или давлении 50-104—59-104 н/м2 при расстоянии от сопла пневматической установки до обрабатываемой поверхности 250—300 мм. На центробежных установках это расстояние должно быть 300— 360 мм. Наибольшая шероховатость получается при угле падения, близком к 130х102—157,5х102 рад.


читать далее »

Пластификаторы. Пластификаторы, или мягчители, могут добавляться к нитроцеллюлозным лакокрасочным материалам для придания покрытию эластичности (гибкости). Они могут также повышать прилипаемость, свето-, тепло- и морозостойкость. В качестве пластификаторов используют жидкие и твердые нелетучие органические продукты: трикрезилфосфат, трифенилфосфат, камфору, касторовое и другие растительные масла и термопластичные полимеры. Из-за уменьшения содержания пластификатора с течением времени повышается хрупкость покрытия и его способность к разрушению. Сиккативы. Сиккативы — вещества, ускоряющие процесс образования * лаковой масляной пленки. Они представляют собой окислы свинца, марганца, кобальта или соли органических кислот этих металлов. Сиккативы применяют в жидком и твердом виде и добавляют к краскам, содержащим масло, в определенных количествах; большие количества сиккативов вызывают не сокращение, а увеличение времени высыхания. Благодаря каталитическому действию сиккативов на реакцию окисления и полимеризацию пленки она затвердевает в несколько раз быстрее. Наполнители. Наполнители применяются в качестве примеси к слишком насыщенным и укрывистым красителям с целью частичной их замены и удешевления. Они также способствуют более полному осаждению красителя и лучшему его закреплению. Наиболее распространенные наполнители: инертные — мел, гипс, каолин, тальк и активные — гидрат окиси алюминия, блакфикс.
читать далее »

Адгезия. Адгезией называют способность пленки краски прилипать к окрашиваемой поверхности. Прочность при ударе. Прочностью при ударе называют способность пленки не разрушаться при действии ударной нагрузки. Прочность при изгибе. Прочность при изгибе лакокрасочного покрытия характеризуется минимальным диаметром стержня (20, 15, 10, 5, 3 и 1 мм), изгибание на котором окрашенной металлической пленки не вызывает механического разрушения покрытия. Прочность при растяжении. Прочность при растяжении измеряется в миллиметрах глубины прогиба металлической пластинки в момент разрушения нанесенной на нее пленки покрытия. Твердость пленки. Твердость пленки выражается отношением времени затухания колебаний маятника, установленного на поверхности пленки, ко времени затухания колебаний того же маятника, установленного на стеклянной пластинке. Бензо- и маслостойкость. Бензо- и маслостойкостью называется способность лакокрасочных покрытий находиться в бензине или масле в течение определенного времени при заданной температуре без видимых изменений состояния пленки: отслаивания, появления морщин и пузырей. Токсичность и огнеопасность. Лакокрасочные материалы в большинстве своем являются токсичными, огнеопасными и взрывоопасными веществами.
читать далее »

Установлены также методики определения стойкости покрытий к действию воды, потери блеска при влажном облучении, стойкости покрытий к изменениям от температуры. Возрастание требований к конструкции автомобилей в условиях снижения энергетических затрат в производстве и эксплуатации приводит к интенсификации работ, направленных на увеличение применения пластмасс. Роль последних в автомобилестроении постоянно возрастает. На термостойкость покрытия определяющее влияние оказывает энергия химических связей в полимере, из которого оно образовано. Существенно влияние на старение компонентов лакокрасочного покрытия — пигментов, пластификаторов и других добавок. Если пигменты служат катализаторами или инициаторами химических процессов, то разрушение покрытия ускоряется. При наличии пигментов, характеризующихся отражательными свойствами или выполняющих функции термостабилизаторов, процесс разрушения замедляется. Усиление деструкции во многих случаях вызывается присутствием в пленке пластификаторов и остаточных растворителей. Выветривание, выпотевание и выщелачивание пластификатора повышает хрупкость покрытия, а испарение остатков растворителей приводит к его усадке и растрескиванию. Сильное разрушающее действие на покрытие оказывают составляющие значительную часть солнечного света ультрафиолетовые лучи. В присутствии кислорода воздуха, а также при повышении температуры деструкция резко ускоряется и усложняется: уменьшается масса материала пленки, образуются разнообразные продукты окисления. Особенно сильно воздействует на лакокрасочное покрытие ионизирующее излучение, результатом действия которого является деструкция и сшивание молекулярных цепей. Например, полиизобутилен может превратиться в жидкость, если поглощенная доза излучения была достаточно большой.
читать далее »

Линейные дефекты обычно обусловлены появлением в кристаллической решетке металла дислокаций.

Местные искривления решетки и напряжения, вызываемые отдельными линиями дислокации, накладываясь, могут давать микроскопические напряжения на препятствиях (границах и блоках зерен) и создавать концентрации напряжений, достаточные для образования зародышевых микротрещин.

Перечисленные дефекты структуры оказывают значительное влияние на плотность, прочность, пластичность и коррозионную стойкость металла. Снижению коррозионной стойкости металлов способствует электрохимическая неоднородность их поверхности (Х5). Шероховатость поверхности металлов (фактор Х6) способствует возникновению и развитию коррозионных процессов.

Чем грубее обработка поверхности, тем более благоприятные условия создаются для конденсации аэрозолей при атмосферной коррозии, для нарушения сплошности защитных покрытий, для возникновения концентраторов напряжений и коррозионно-механических эффектов и т. п. Обычно принято считать, что детали с грубой обработкой поверхности имеют достаточные запасы прочности и не заслуживают особого внимания к защите их от коррозии. На первый взгляд такое мнение имеет какое-то обоснование.

Однако, учитывая взаимосвязь таких деталей с другими, весьма чувствительными к воздействию коррозии, а также то, что продукты коррозии могут переноситься на другие детали и защитные покрытия и способствовать повышению скорости развития коррозионных процессов, можно утверждать, что защита от коррозии необходима для всех деталей независимо от чистоты обработки их поверхностей. Воздействие коррозионных сред в условиях напряженно-деформированного состояния вызывает наибольший коррозионный эффект и приводит к интенсивному разрушению металлоконструкций машин.

 

Особую опасность представляют внутренние остаточные напряжения (фактор Х7), как наиболее длительно действующие. Внутренние напряжения понижают термодинамическую устойчивость металла и, сообщая ему дополнительную энергию, способствуют нарушению сплошности защитных пленок, а в некоторых случаях снижают сопротивление металла внешним нагрузкам.

Скорость развития коррозионных процессов незащищенных поверхностей металла резко возрастает с увеличением внутренних напряжений. Технологические процессы нанесения некоторых покрытий на поверхности деталей из высоколегированных и высокопрочных сталей, например кадмирование в цианистых электролитах и твердое хромирование в универсальных электролитах, увеличивают внутренние напряжения в металле.


читать далее »

Свойства интерметаллических соединений системы алюминий – железо и закономерности их образования.
Для правильного понимания процессов, происходящих при алитировании железа, необходимо располагать достаточно надежными данными о свойствах собственно интерметаллических соединений.
В литературе приводятся сведения о свойствах биметаллических соединений: прочность при разрыве порядка 3 – 4 кГ/мм 2; прочность на срез – до 7 кГ/мм 2, ударная вязкость 0,008 – 0,01 кГ м/см 2 и др. Однако эти данные характеризуют свойства комбинированного соединения в целом, а не свойства материала, расположенного узкой прослойкой между алюминием и железом. Вместе с тем знание физических свойств интерметаллических соединений весьма важно, так_ как они определяют характер взаимодействия алюминия с железом, а следовательно, прочность, тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость комбинированного соединения в целом. Свойства такого соединения, полученного отливкой, сваркой, покрытием, зависят также от состава, величины, формы и характера расположения интерметаллических соединений между алюминием и железом.
Известно, что интерметаллические соединения обладают рядом ценных свойств, например имеют высокую точку плавления, значительную прочность, некоторые из них отличаются исключительной кислотостойкостью. В частности, TiNi имеет свойство удлиняться при комнатной температуре (7 – 10 %) и к тому же обладает высокой ударной вязкостью. Вот почему можно рассчитывать на применение интерметаллических соединений в качестве высокотемпературных материалов. Однако недостаток этих материалов заключается в том, что при комнатной температуре они хрупки, поэтому практическое использование их невозможно.
Литературные сведения о механических свойствах интерметаллических соединений немногочисленны, что, вероятно, объясняется значительными экспериментальными трудностями их получения и испытания, особенно в связи с высокой хрупкостью. Тем не менее механические свойства соединений в настоящее время имеют первостепенное значение. Знание свойств таких соединений важно не только в связи с упрочняющим эффектом, например в высокопрочных алюминиевых сплавах, но также и для получения материалов, обладающих новыми свойствами. В последние годы появился ряд работ советских и за-рубежных ученых, посвященных изучению свойств интер-металлических соединений при комнатной и повышенной температурах. Значительный интерес представляют работы Е.М. Савицкого, И.И. Корнилова, Вестбрука, Н.В. Агеева.
Известно, что сплавы на основе железа особенно склонны к образованию интерметаллических соединений из твердых или жидких растворов, поскольку их электронная структура с незаполненной rf электронной оболочкой благоприятна для возникновения соединений с металлическим типом связи. В частности, хорошо известно образование соединений типа Fen Alm из твердого раствора двойной системы железо – алюминий. Такие соединения обнаруживаются на диаграммах состав – свойство (в том числе на диаграммах состав – механические свойства) благодаря характерным изменениям свойств. Однако сведения о механических свойствах интерметаллических соединении системы алюминии – железо крайне ограничены, а прочность их при комнатной температуре не установлена. В. некоторых случаях известна кристаллическая структура, но сведения о ней противоречивы. Изучение механических свойств, как правило, ограничивается измерением микротвердости этих соединений в алюминиевой матрице.
Несмотря на хрупкость интерметаллических соединений при низких температурах, они при высоких температурах в какой-то мере становятся пластичными.
Легирование твердых растворов на основе интерметаллических соединений позволило бы значительно изменять их свойства и в первую очередь механические.
Механизм такого легирования еще не выяснен; в работе указывается, что в этом случае создаются твердые растворы замещения. В образующемся при таком легировании многофазном сплаве определяющее влияние второй фазы сводится к повышению механических свойств сплава за счет ее собственной прочности, особенно при повышенных температурах. При этом зависимость прочности (твердости) интерметаллической фазы от температуры выражается прямой линией, имеющей перегиб. Точка перегиба для этих соединений не равна половинному значению температуры плавления, как для чистых металлов, и расположена обычно в области 0,5 – 0,75, что для соединений FеАl3 и Fе2Аl5 составляет соответственно 460 и 450° С. На основании этого высказана гипотеза о различных механизмах деформаций интерметаллических фаз, действующих по обе стороны от температурной точки перегиба tК: ниже точки tК преобладает процесс скольжения, и можно предположить, что атомы их соединены сильными локализованными связями. Скольжение или перемещение атомов относительно друг друга происходят гораздо легче при повышенных температурах вследствие ослабления межатомных связей в области выше температурной точки tК.
В работе Гарсиа определяется коэффициент теплопроводности интерметаллического соединения FеАl3. Измерение теплопроводности осуществлялось на установке, основными элементами которой являлись небольшая печь сопротивления, ваттметр и две термопары. Одна термопара закреплялась неподвижно в печи, а другая, перемещающаяся внутри полого биметаллического образца, использовалась для измерения его теплопроводности и автоматической регистрации теплопроводности в виде кривой на графике.
Сравнение микроструктур на различных участках образца в зоне контакта алюминия со сталью с кривой изменения теплопроводности позволило обнаружить небольшой участок с низким значением коэффициента теплопроводности – 7,94 ккал / (м-ч-град).
читать далее »

Метод получения интерметаллических соединений в чистом виде и исследование их свойств.
Сплавы, стехиометрически соответствующие интерметаллическим фазам системы алюминий – железо, могут быть приготовлены различными методами, известными в практике получения сплавов и тугоплавких металлических соединений. К этим методам относятся: выплавка в дуговых или индукционных печах, спекание порошков, алюмотермическое восстановление кислородных и галоидных соединений, электрическое выделение кристаллов интерметаллических соединений и др. Так, сплавы алюминия с ванадием, медью, титаном, железом и ряд других соединений успешно могут быть получены методом прямого сплавления с применением дугового разряда в медном водоохлаждаемом тигле с вольфрамовым электродом. Интерметаллиды FеАl3, Fе2Аl5 получены также при взаимодействии жести с алюминиевыми порошками. Эти методы довольно трудоемки. Помимо этого, здесь возникают проблемы воспроизводимости и однородности результатов. В дуговой печи получаются интерметаллические соединения в виде слиточка. Изготовление образцов определенной формы из такого слиточка не всегда возможно из-за чрезмерной твердости и хрупкости интерметаллических соединений. Нами были предприняты попытки изготовить интерметаллиды системы алюминий – железо указанными выше способами. Сплавы выплавляли в дуговой печи с вольфрамовым электродом в атмосфере гелия. Газ очищали от примесей кислорода, водорода, азота, предварительно пропуская его через нагретый губчатый титан. Плавки обычно вели при температурах, близких к температуре плавления железа или превышающих ее, чтобы компоненты лучше смешивались. Жидкие сплавы отливали в массивную стальную форму. Сплавы, состоящие в основном из Fe2Аl, после охлаждения растрескивались, другие разрушались при механической обработке. На основании анализа литературных данных и результатов собственных предварительных опытов была разработана более современная методика отливки образцов.
Для определения характеристик отдельных фаз был предложен и практически осуществлен способ получения интер-металлических фаз системы железо – алюминий в форме стержней диаметром от 3 до 10 мм, длиной до 200 – 250 мм. Для приготовления сплавов выбранных составов применяли армко-железо и алюминий АВ000 (99,99 %А1). Способ состоял в следующем:
Коэффициенты диффузии. Для правильного назначения режимов алитирования стали и сварки алюминия со сталью необходимо располагать достаточно надежными данными о подвижности атомов в диффузионных прослойках, возникающих в зоне контакта двух металлов и особенно в промежуточных интерметаллических фазах. Диффузионную подвижность железа в этих фазах исследовали с помощью радиоактивных индикаторов в интервале температур 900–1150° С. Интерметаллические фазы системы железо – алюминий предварительно подвергали длительному гомогенизирующему отжигу при 1100° С. Параллельная форма торцов обеспечивалась шлифовкой. На один из торцов с помощью электролита наносили слой железа, содержащий Fе55. С помощью специально изготовленной мишени изотопа А126 изучали процесс самодиффузии на образцах из чистого алюминия и железоалюминиевых сплавов, по химическому составу и структуре соответствовавших интерметаллическим фазам. Две мишени А126 активностью 105 распад/мин представляли собой пластину из алюминия с ребрами. Глубина активированного слоя составляла примерно 0,5 мм. Из этой пластины методом прокатки была получена алюминиевая фольга толщиной 10 – 15 мкм с глубиной активной зоны 3-^5 мкм. Нарезанную в виде дисков нужного диаметра фольгу активной стороной прикладывали к предварительно подготовленной поверхности образца алюминия или соответствующего интерметаллида, сверху покрывали другим образцом и все это зажимали в струбцине. Как и в случае определения диффузионной подвижности железа, отжиги производили в печи ТГВ 1. Температуру измеряли с помощью хромель-алюмелевой термопары и регулировали с точностью ±10 град.
Для апробирования методики вначале определяли коэффициенты самодиффузии алюминия способом снятия слоев. Соли снимали шлифовкой. Распределение изотопа А126 по глубине образца узнавали с помощью сцинтилляционного датчика с кристаллом Nal и фотоумножителя, помещенных в специальный свинцовый домик, так как ранее использовавшиеся счетчики радиоактивных импульсов оказались непригодными для этой цели.
Из зависимости логарифма коэффициентов самодиффузии алюминия в соответствующие интерметаллические фазы от обратной температуры получены параметры самодиффузии для фаз Fе3Аl, FeAl, FеАl2 и FеАl3. Измерение удельного электросопротивления. Для определения электропроводности интерметаллических фаз были изготовлены образцы диаметром 8 – 10 мм и длиной 120 мм. Образцы зажимали в специальном приспособлении с подвижными контактами, с которых снимались показания о падении напряжения. База замеров составляла 60 мм.
Сопротивление измеряли по схеме двойного моста постоянного тока. Величину электросопротивления в каждом случае определяли как среднюю трех-пяти измерений. Удельные электросопротивления интерметаллических фаз системы железо – алюминий в литом и отожженном состояниях мало различаются. Величина электросопротивления рассмотренных интерметаллических фаз намного больше, чем у исходных металлов – алюминия и железа. Электросопротивление фазы Fе2Аl5 аномально высоко – максимальное значение достигает 3,3 ом-мм 2/м (примерно в 150~раз больше, чем для алюминия).
Коэффициент линейного расширения. Для определения коэффициентов линейного расширения были взяты образцы диаметром 4 мм и длиной 50 мм. Исследования выполняли на дифференциальном дилатометре Шевенара в широком температурном интервале, верхний предел был на 20 – 50 град ниже температуры плавления.
Анализируя данные, полученные для сплавов системы алюминий – железо, можно заметить известную из литературы обратную зависимость коэффициента линейного расширения от температуры плавления. Сплав FeAb, например, имея более высокую температуру плавления (1160 °С), чем сплав FeAl (1100 °С), характеризуется более низким коэффициентом линейного расширения. Наиболее высокий коэффициент линейного расширения у алюминия.
Обращает на себя внимание резкое различие в коэффициентах линейного расширения у сплавов и основных металлов. Это может способствовать образованию трещин в биметаллическом сталеалюминиевом соединении. Соединения алюминия с железом, образующие фазы FеАl3, менее склонны к образованию трещин, чем, например, соединения алюминия с медью, которые характеризуются меньшей разницей коэффициентов линейного расширения. Видимо, поэтому разрушение комбинированного соединения часто наблюдается со стороны алюминия.
читать далее »

Система алюминий – железо – скандий до настоящего времени эта система не изучалась. Нами было исследовано 15 тройных сплавов, приготовленных из алюминия АВ000 (99,98 % Аl), карбонильного железа (99,99 % Fe) и скандия (98,8 % Sc и 0,94 % других редкоземельных металлов). Термическая обработка сплавов заключалась в их отжиге при 500° С в течение 3600 ч и последующей закалке в холодной воде.
В результате исследования было установлено существование в системе тройного соединения, характеризующегося большой областью гомогенности и обладающего тетрагональной объемноцентрированной структурой типа ТhМni2. Это тройное соединение существует в равновесии со всеми двойными соединениями системы алюминий – железо, т. е. с соединениями FеАl3, Fе2Аl5, FеАl2 и FeAl, и не находится в равновесии с алюминием.

Выбор легирующих элементов для железоалюминиевых соединении Основной причиной низкой прочности железо – алюминиевых соединений является образование в них прослойки, состоящей в основном из двойных соединений FеАU и в особенности Fе2Аl5. Таким образом, вопрос упрочнения железоалюминиевых соединений сводится к устранению этих двух фаз из соединения или, по крайней мере, к уменьшению их содержания до таких количеств, чтобы они не образовывали сплошных прослоек из интерметаллидов.
Вполне понятно, что методом введения легирующих добавок полностью устранить образование соединений Fе2Аl5 и FеАl3 в железоалюминиевых соединениях принципиально невозможно. В то же время можно ожидать значительного уменьшения количества указанных фаз в тех случаях, когда введение легирующего металла в железоалюминиевые сплавы приводит к образованию тройных соединений. При этом важно, чтобы образующиеся тройные соединения содержали небольшие количества легирующих металлов и чтобы эти соединения характеризовались значительно большей прочностью и пластичностью, чем соединения Fе2Аl5 и FеАl3.
Проведенные исследования дают возможность сравнить тройные системы друг с другом. Обращает на себя внимание большое сходство между системами алюминия и железа с редкоземельными металлами. Во всех этих системах, в которых третьим компонентом является один из металлов группы лантаноидов или иттрий, в областях, близких к стороне Аl – Fe, образуются фазы с одинаковыми структурами и одинаковыми (или близкими) составами, а именно фазы. Во всех системах только эти фазы вступают в равновесия с алюминием, железом или двойными алюминидами железа.
Большое сходство наблюдается также между системами алюминий – железо – цирконий, алюминий – железо – гафний и алюминий – железо – скандий. Для всех трех названных систем характерно существование тройных фаз, характеризующихся большими областями протяженности, расположенными вдоль изоконцентрат 7,7 % (ат.) циркония, гафния или скандия и вступающими в равновесие с двойными алюминидами железа.
Существование в указанных системах г|) – фаз в некоторой степени роднит эти три системы с системами алюминий – железо – редкоземельный металл. Все остальные системы значительно отличаются от перечисленных систем и друг от друга.
Проведенные исследования дают возможность сделать некоторые выводы относительно целесообразности испытания тех или иных металлов в качестве легирующих элементов в железоалюминиевых соединениях. На наш взгляд, перспективными в этом отношении могут оказаться три группы металлов.
Металлы, при невысоком содержании которых в тройных системах с алюминием железом образуются соединения, составы которых расположены на концентрационном треугольнике близко к составам двойных алюминидов железа. Образование этих соединений должно препятствовать появлению больших количеств двойных железо-алюминиевых фаз, обусловливающих непрочность тройных соединений.
Такими легирующими металлами могут быть элементы групп IIIА и IVA Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, т. е. титан, цирконий, гафний, скандий и редкоземельные металлы. Во всех тройных системах алюминия и железа с перечисленными металлами образуются тройные фазы (чаще всего фазы л|)), содержание третьего компонента в которых невелико и которые, вступая в равновесие с двойными алюмини – дами железа, суживают фазовые области с участием Fе2Аl5.
Необходимым и достаточным, на наш взгляд, количеством третьего компонента (легирующей добавки) в шве должно быть 3 – 5 % (ат.). Перспективными также могут быть металлы группы VIIIA Периодической системы, а именно никель или кобальт.
В системе с никелем существование тройной фазы (FeNiAlg), содержащей 6 % (ат.) Ni, также резко сокращает фазовые области с участием соединения Fе2Аl3.
На целесообразность испытания никеля в роли легирующего компонента указывает также результат исследования образцов железоалюминиевых сварных швов (содержание никеля 12 %). Именно в таких швах интерметаллидная прослойка оказалась самой тонкой (микроскопические исследования) и не содержащей фазы Fе2Аl5 (рентгеноструктурное исследование).
В системе с кобальтом, несмотря на отсутствие в ней тройных интерметаллидов, линии соединения Fе2Аl3 обнаруживаются только на рентгенограммах сплавов, содержание кобальта в которых не выше 5 % (эт.). Следовательно, добавки кобальта порядка 5 % (ат.) подавляют образование фазы Fе2Аl5. Возможно, целесообразным было бы испытать методику соединения алюминия и железа непосредственно никелем или кобальтом.
Судя по характеру фазовых равновесий, в сплавах системы алюминий – железо – ванадий в присутствии 5 % (ат.) V существование фаз Fе2Аl3 в сплавах вообще исключается (при этой концентрации ванадия в системе существует равновесие FеАl3 + FeAl), и такие количества ванадия в шве должны, по-видимому, в значительной мере упрочнить соединение. Таким образом, из рассмотрения приведенных данных следует, что лишь ограниченное количество элементов (23 – 25) может служить «пластификаторами» системы железо – алюминий и железоалюминиевых соединений. Сюда относятся в первую очередь кремний, медь, цинк, серебро, кобальт, хром, никель, молибден, титан, гафний, бериллий. Положительное влияние ряда указанных элементов проявляется в процессе алитирования, получения биметаллических отливок и при сварке. Например, из легирующих элементов, снижающих толщину промежуточного интерметаллического слоя, наиболее пригоден кремний, который добавляют в алюминиевую ванну в количестве до 12 %. Введение даже 2 % Si при одинаковых условиях погружения значительно уменьшает толщину промежуточного слоя. Одновременно для устранения неблагоприятного влияния кремния на внешний вид и коррозионную стойкость алюминиевого покрытия в ванну добавляют 0,1 – 0,4 % Сг, Мо и W. Фирма «Юнайтед Стейтс Стил» рекомендует регулировать толщину промежуточного слоя путем добавки в алюминиевую ванну 4 – 12 % Мg2Si. Исследования фирмы «Инленд Стил» также показали, то росту железоалюминиевого соединения препятствует молибден; влияние этих элементов, однако, проявляется только после диффундирования их в стальную поверхность.
Выше отмечалось влияние никеля, хрома, углерода на процесс алитирования при их введении в стальную основу. Применение меди, цинка, никеля и их комбинаций рекомендовано нами при выполнении сварных соединений между сталью и алюминием. Серебро давно используется как промежуточный металл в различных железоалюминиевых соединениях, не требующих его большого расхода. Введение других элементов либо нецелесообразно (газы, соли, искусственно полученные элементы), либо затруднено из-за их токсичности (полоний, ртуть и др.), либо не оправдано экономически (золото, платина, германий и др.). Некоторые элементы (вольфрам, германий) являются аналогами изученных (молибдена, кремния и др.).
В заключение следует указать, что разработка новых тройных диаграмм состояния алюминий – железо – третий компонент поможет правильно выбирать новые легирующие элементы для алитирования.


читать далее »

Покрытие при горячем алитировании получается двухслойным – на стальной поверхности образуется слой железоалюминиевого сплава (интерметаллидов), а сверху слой алюминия. При деформации алюминированной стали возможно отслоение покрытия по хрупкому слою интерметаллидов, поэтому толщина его должна быть минимальной.
При разработке технологии алитирования изучали влияние температуры, продолжительности выдержки и состава расплава на структуру алюминиевого покрытия. С увеличением выдержки толщина всего слоя и в том числе промежуточного слоя интерметаллидов увеличивалась.
С повышением температуры расплава толщина слоя интерметаллидов росла еще быстрее. Следовательно, для получения алюминиевого покрытия на листовой стали с минимальной толщиной слоя интерметаллидов необходимо сокращать продолжительность выдержки в расплаве и снижать его температуру. С той же целью в расплав можно вводить металлы, снижающие скорость взаимодействия алюминия с железом (кремний, бериллий, магний и др.).
Более заметное влияние на толщину переходного слоя оказывает температура алитирования. С повышением температуры от 665 до 800° С толщина слоя резко увеличивается, что можно объяснить возрастанием скорости диффузии, однако дальнейшее повышение температуры приводит к заметному уменьшению толщины слоя и уже при 950° С слой становится очень тонким. Максимум на кривой зависимости толщины слоя от температуры наблюдался и в работах.
Очевидно, на уменьшение толщины переходного слоя влияет как переход а-железа в у-железо, так и растворение алюминидов в ванне алитирования. По-видимому, вторая причина является доминирующей, так как алитирование при высоких температурах приводит не только к получению тонких слоев, но и к сильному разъеданию поверхности образца, при этом непосредственно у слоя наблюдается значительное количество алюминидов, оторвавшихся от переходного слоя.
Прочность при разрыве переходного слоя, полученного при алитировании в чистом алюминии, находится в пределах 1,5 – 3,2 кГ/мм 2. Проследить зависимость прочности слоя от времени выдержки и температуры алитирования, а значит, от толщины слоя затруднительно, поскольку получается значительный разброс данных. Все же можно сказать, что прочность связи между алюминием и сталью несколько уменьшается с увеличением толщины диффузионного слоя. Ударная вязкость слоя не превышает 0,008 – 0,010 кГ м/см 2, т. е. слой очень хрупок. Микротвердость переходного слоя находится в пределах 750 – 1200 кГ/мм 2, однако имеются отдельные участки, микротвердость которых достигает 1300–1500 кГ/мм 2. С увеличением толщины переходного слоя средняя микротвердость его несколько повышается.
В работе изучена алитируемость армко-железа, сталей, ковкого чугуна, чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом, нирезиста, меди и латуни. Оказалось, что все эти материалы подвергаются алитированию достаточно хорошо.
режим алитирования Из всех исследованных железоуглеродистых сплавов лучше всего алитируется армко-железо, несколько хуже, но достаточно хорошо алитируется сталь и значительно хуже чугуны. В связи с этим толщина переходного слоя на различных материалах получается разной. Очевидно, здесь сказывается то, что чугуны имеют графитовые выделения и значительно большее содержание примесей, чем стали. Влияние углерода на толщину переходного слоя исследовалось на сталях 05, 20, 50, У9А и У12А. Установлено, что с увеличением в сталях содержания углерода от 0,05 до 1,2 % толщина слоя при равных условиях алитирования уменьшается, особенно сильно влияние углерода сказывается при содержаний его до 0,8 %. Изменение толщины переходного слоя в зависимости от содержания углерода в основном связано с переходом структуры стали от ферритной к перлитной.
Микротвердость переходного слоя мало зависит от содержания в стали углерода, однако она несколько выше у стали 05, чем у стали 50 (примерно на 100 кГ/мм 2), что, очевидно, связано с появлением в переходном слое стали 05 наряду с алюминидами железа соединений типа АЦСз и РезА1Сж. Повышение содержания углерода в стали выше 0,5 % не оказывает влияния на изменение микротвердости слоя.
Чугуны с шаровидным и хлопьевидным графитом алитируются несколько лучше, чем обычные чугуны с пластинчатым графитом, так как компактные включения графита создают меньше барьеров, препятствующих диффузии алюминия в матрицу чугуна. Если при этом учесть, что такие чугуны имеют и более высокую износостойкость, то при получении биметаллических деталей, работающих на износ, следует отдать предпочтение чугунам с шаровидным графитом. Колебания в химическом составе у магниевых чугунов значительно меньше сказываются на толщине и плотности диффузионного слоя, чем у чугунов с пластинчатым графитом.
Хорошо подвергаются алитированию медь и ее сплавы, в частности латунь. Уже при кратковременном погружении меди в расплавленный алюминий образуется очень толстый переходной слой, который в свою очередь состоит из двух слоев: тонкого серого, прилегающего к меди или алюминию при алитировании латуни, и толстого более светлого. Ввиду сравнительно низкой температуры плавления меди и латуни и хорошей растворимости меди и цинка в алюминии наблюдается очень интенсивное разъедание алюминием образцов меди и латуни, поэтому требования к чистоте их поверхности намного ниже, т. е. даже при наличии окислов и при кратковременной выдержке алитирование идет достаточно хорошо.
Слой, образующийся при алитировании меди и латуни, также характеризуется значительной твердостью и хрупкостью, поскольку здесь, согласно диаграмме состояния медь – алюминий, также образуется ряд интерметаллических соединений.
Твердость слоя по толщине различная – светлый слой менее твердый, чем серый. Микротвердость светлого слоя соответствует твердости соединения АЬСи (450 кГ/мм 2).
Эксперименты, проведенные в работах, показали, что твердость сталей 20, 45, У8А, У12А и чугунов не претерпевает существенного изменения, поскольку алитирование проводится при низких температурах и процесс протекает кратковременно.
Твердость термически обработанных сталей в процессе алитирования существенно изменяется, например твердость закаленной и отпущенной стали 45 после алитирования в сплаве АJI4 при 700 – 720° С снизилась с 31 – 35 до 20 – 22 HRC при времени алитирования 3 мин и до 10 – 12 HRC при времени алитирования 9 мин.
В работе изучено влияние толщины листов, степени их деформации и предварительного нагрева на образование диффузионного слоя при алитировании. Образцы алитировали двумя способами: погружением в ванну с алюминием, покрытым слоем флюса, или предварительным погружением в расплавленный флюс и последующей выдержкой в ванне с жидким алюминием при 750 °С. Состав флюса: 40 % КС1, 40 % NaCl и 20 % Nа3АlF6. Установлено, что при толщине листов до 1,2 мм и одинаковом содержании углерода распределение температуры внутри основного металла не зависит от толщины листа, необходимо лишь учитывать понижение температуры ванны при загрузке садки. Показано также, что в зависимости от толщины листа диффузионный слой растет тем быстрее, чем меньше теплоемкость алитируемого образца.
Влияние степени деформации листов можно не учитывать, так как при погружении в ванну происходит рекристаллизация металла. Предварительный нагрев листов в ванне с флюсом ускоряет рост диффузионных слоев. На образование диффузионных слоев большое влияние оказывает различное сочетание толщины листов и продолжительности выдержки, чего не наблюдается при варьировании подогрева и толщины листов или подогрева и продолжительности выдержки.


читать далее »

Литературные данные о коррозионной стойкости сталеалюминиевых конструкций весьма противоречивы.
При использовании алюминия и алюминиевых сплавов в комбинации с другими металлами необходимо принимать специальные меры для предупреждения контактной коррозии. Известно, что в местах контакта алюминиевых и стальных деталей (болты, заклепки) и при наличии электролита в местах соединения может возникнуть электрохимическая пара, в которой влажная среда играет роль электролита, проводящего электрический ток и тем самым способствующего развитию контактной коррозии. В качестве электролита могут действовать электропроводящие жидкости, например морская и пресная вода, растворы солей, кислоты и щелочи.
Степень развития коррозии между разнородными металлами зависит от ряда факторов: состава электролита, соотношения контактирующих поверхностей стали и алюминия, марок стали и алюминия и т. д.
Степень подверженности коррозии комбинации алюминия со сталью изучалась рядом исследователей. Роджерс и Хум опубликовали свои данные о работе обшивки судов из алюминия на деревянном каркасе в сочетании с большим количеством деталей из специальных сталей. Согласно этим данным, комбинация алюминия со сталью при соотношении наружной поверхности обоих материалов 1: 5 является устойчивой против коррозии.
вентилятор По Бирду и Эвансу, в элементах алюминий – сталь, замкнутых вне жидкости накоротко (морской воде), алюминий всегда является анодом; коррозии алюминия не мешает пленка окислов, так как катодная защита стали требует высокого соотношения наружной поверхности катода к наружной поверхности анода. В проводящей воде алюминий становится катодом, и защитное действие пленки прекращается. Хотя добавка растворимых солей железа к жидкости и уменьшает коррозию алюминия, она в то же время локализует и углубляет ее, так что сталь может вызывать при известных обстоятельствах сильную местную коррозию соседних с ней участков легкого металла при наличии электрического контакта или без него.
В соединениях со сталью в среде строительных материалов (асбоцемент, изоляционные материалы и др.) алюминий окисляется только с поверхности, а через некоторое время процесс коррозии прекращается. При этом достаточно малейших следов воды, например, в бетоне, чтобы в элементе алюминий – сталь возник ток в 100 ма.
В результате большого числа опытов с легкими металлами установлено, что соединения из мягкой стали и алюминия во влажном воздухе более подвержены коррозии, чем контактные соединения из специальных сталей и алюминия.
Особенно сильно подвержены коррозии соединения между алюминием и сталью при наличии в шве интерметаллического соединения FеАl3, так как оно обладает более электроположительным электродным потенциалом (0,200 в), чем алюминий.
До настоящего времени в литературе нет цифровых данных о токах, возникающих при контактировании в электролите сталей с алюминием. Ряд авторов на основании значений нормальных электродных потенциалов указанных металлов предполагают, что такие соединения будут характеризоваться низкой коррозионной стойкостью. Однако, как справедливо указывает Эванс, для практических целей значения электродных потенциалов, которые получены при погружении чистых металлов в раствор собственных ионов нормальной активности, имеют только ограниченное значение. Пользование значениями стационарных потенциалов в морской воде также имеет только ориентировочный характер, так как значения потенциалов в сильной степени зависят от состава морской воды, степени ее аэрации и состояния поверхности металла.
В связи с вышеизложенным возникла необходимость в постановке прямых опытов по установлению коррозионной стойкости указанных сочетаний. Стойкость горячеалитированной листовой стали целесообразно сравнивать со стойкостью оцинкованной, так как технология изготовления и области применения их подобны. Алюминий имеет более отрицательный нормальный электродный потенциал ( 1,67 в), чем цинк ( 0,76 в), и в гальванической паре с железом должен был бы разрушаться быстрее цинка. Однако испытания показали, что алюминиевое покрытие при прочих равных условиях имеет в несколько раз более высокую коррозионную стойкость, чем цинковое. Это можно объяснить склонностью алюминия к самопроизвольной пассивации в присутствии атмосферного или растворенного в воде кислорода и других пассиваторов, что облагораживает стационарный потенциал первоначально активного алюминия. В связи с этим коррозионная стойкость алитированной стали существенно зависит от среды, в которой она эксплуатируется. Для выбора наиболее рациональной защиты металлических деталей автомобиля были проведены сравнительные коррозионные испытания алитированной, оцинкованной, освинцованной сталей и стали 08кп без покрытия в растворах хлористого натрия (3 %) и магния (3 и 36 %), в растворе типа конденсата выхлопных газов двигателя, в камере солевого тумана (5 % NaCl) и в атмосфере, содержащей сернистый газ. Почти во всех исследованных средах алюминированная сталь обладала наибольшей коррозионной стойкостью.
Лабораторные исследования, а также натурные испытания в течение 10 лет в городской, промышленной и морской атмосфере и погружением в морскую воду показали значительные преимущества алюминиевого покрытия перед цинковым.
Были проведены испытания в котловой воде алитированных и нормализованных образцов, которые выдерживали в автоклаве под давлением 6 ат в течение 20 дней. Результаты испытаний показали, что потерь в массе образцов после 20 дневной выдержки и обработки фосфорной кислотой с хромовым ангидридом не было; при катодной обработке в щелочном растворе потери в массе у алитированных образцов оказались больше, чем у обычных образцов после нормализации.
Автор делает вывод о том, что алитирование не может служить эффективным средством, предохраняющим сталь от коррозионного действия воды в таких районах, как Донецкий угольный бассейн, вода которого является очень агрессивной из-за большого количества растворенных в ней солей и газов. Опыты по определению усталостной прочности в воде Кировской области, которая также отличается агрессивностью из-за присутствия органических кислот, показали, что алитирование, судя по полученному пределу выносливости, может служить защитой от коррозионного действия этой воды. В лабораториях Американского общества по испытанию материалов были испытаны в различных атмосферах скобяные изделия, конструкции, трубки, оконные секции с алюминиевыми покрытиями, полученными методом горячего погружения. Такие алюминиевые покрытия оказались более надежными, чем покрытия, полученные методом горячего оцинкования, даже если последние толще и, следовательно, намного тяжелее. Например, после 10 лет пребывания в городской атмосфере все образцы с цинковыми и свинцовыми покрытиями покрылись ржавчиной, а алюминиевые покрытия только потемнели – ржавчины на них не обнаружено.
При исследовании подобных же образцов, эксплуатировавшихся в другой атмосфере, было обнаружено, что покрытия из алюминия, полученные методом горячего погружения, лучше покрытий, полученных горячим оцинкованием, причем во многих случаях цинковые покрытия были намного тяжелее. Коррозию обнаружили только на резьбе, которая была сделана после нанесения алюминиевого покрытия.
Испытания покрытий, полученных распылением алюминия, показали, что они являются хорошей защитой от атмосферной коррозии. Толщина этих покрытий была больше (более 3 мм), чем покрытий, полученных методом горячего погружения. Однако пористость и недостаточная пластичность покрытий, полученных распылением алюминия, делают невозможным применять эти покрытия на листовой стали, учитывая имеющую место деформацию. Листовая сталь с алюминиевым покрытием, полученным методом горячего погружения, является хорошим жаропрочным материалом и в настоящее время используется для изготовления различных изделий, для которых требуются хорошие жаропрочность и сопротивление коррозии, например в отсасывающих системах автомобилей, в очистительных устройствах систем воздушного обогрева, в футеровках печей и т. д.
Алюминиевое покрытие не только эффективно защищает сталь в агрессивных средах, но и значительно повышает ее стойкость при высоких температурах (при 500 – 800 °С – в десятки раз). Введение кремния в расплав алюминия увеличивает прирост массы образцов, т. е. снижает стойкость против окисления, но повышает сопротивляемость резким колебаниям температуры, т. е. улучшает термостойкость. Алюминиевое покрытие с кремнием сохраняет свой неизменный внешний вид при нагреве до 500° С. Можно сделать вывод, что алюминиевые покрытия устойчивы к атмосферной коррозии и могут быть использованы во влажных и сернистых атмосферах, в которых цинк интенсивно разъедается.
Нами была исследована коррозионная стойкость сварных соединений алюминий – сталь на морской коррозионной станции. Исследованию подвергали сварные соединения сплавов АМц и АМг5 со сталями марок Ст. З и 10Х18Н9Т, выполненные аргоно-дуговой сваркой. Размеры образцов для испытаний 300 x 200 x 5 – 7 мм.
Ряд соединений был выполнен при помощи присадочных проволок, дополнительно легирующих сварной шов кремнием, цинком и бериллием. На некоторые образцы перед испытанием были нанесены лакокрасочные покрытия. Всего было изучено 150 образцов. Коррозионные испытания проводили при полном и переменном погружении образцов в море и при обрызгивании их морской водой.
Из всех образцов были изготовлены шлифы, которые после электрополирования исследовали при увеличении 300. Во время испытания осмотр образцов без снятия с кассет производился через 10, 30 и 60 дней с момента установки на испытания. Осмотры со снятием одного образца происходили через 3, 6 и 12 месяцев. Зависимость электродного потенциала от времени определяли на образцах, полностью погруженных в морскую воду.
Степень коррозионного воздействия морской воды определяли по результатам механических испытаний, визуальному осмотру и по глубине коррозионных разрушений (индикатор часового типа) с точностью до 0,01 мм.


читать далее »

В биметаллической детали Соединяющим звеном между ее частями является диффузионный слой, который состоит из кристаллитов (блоков) твердых и хрупких интерметаллических соединений. Это, естественно, отрицательно сказывается на прочности слоя. Однако прочность слоя в значительной степени зависит также и от его толщины.
Обработка данных многочисленных прочностных испытаний и анализ микроструктур переходного слоя позволили установить, что прочность соединения алюминия со сталью тем выше, чем тоньше слой интерметаллических соединений.
статорВ слое большой толщины имеются поры и значительные внутренние напряжения, приводящие иногда к возникновению трещин.
Для определения фактического места разрушения сталеалюминиевого соединения (сочетания Ст. З – АМг5 и 10Х18Н9Т – АМг5) были выполнены опыты, при которых образец не доводился до разрушения при испытании на разрыв, а нагрузка снималась после появления первой трещины. Из образца изготавливали шлиф. Изучение шлифов показало, что разрушение соединения при развитой ширине интерметаллического слоя всегда происходит не по алюминию, а по слою интерметаллического соединения.
Высказаны предположения, что различие коэффициентов линейного расширения сплавляемых металлов должно способствовать развитию в зоне сплавления кристаллизующейся фазы и скоплению субмикроскопических дефектов типа вакансий и дислокаций.
Таким образом, опыты подтвердили, что наиболее опасным местом сталеалюминиевого соединения является прослойка интерметаллической фазы. Поэтому уменьшение толщины этого интерметаллидного слоя или его полное удаление, а также снижение его твердости и хрупкости должны повышать прочностные свойства комбинированного соединения. Известно, что хрупкие материалы плохо сопротивляются разрывным нагрузкам, но удовлетворительно работают в условиях сжатия. Следовательно, диффузионный слой может быть наиболее успешно использован лишь в условиях сжатия. Практически это выполнимо в случае литья. При изготовлении биметаллических отливок соблюдается принцип всесторонней обливки арматуры: в этих условиях диффузионный слой постоянно сжимается алюминиевым сплавом и, таким образом, сообщает биметаллической детали необходимую прочность.
При эксплуатации биметаллические детали нагреваются. При этом алюминиевая часть детали, имеющая значительно больший (почти в два раза) линейный коэффициент термического расширения (сжатия), расширяется сильнее, чем железная часть, и уменьшает усилие сжатия, а при значительном расширении даже изменяет знак напряжений. В этих условиях диффузионный слой работает уже на разрыв, и прочность биметаллической стали резко уменьшается. Если к тому же деталь испытывает и некоторые механические нагрузки, то она может разрушиться.
Таким образом, прочность биметаллической детали в процессе ее эксплуатации обеспечивается всесторонним сжатием диффузионного слоя, предельной температурой нагрева детали, минимальными механическими нагрузками и, естественно, зависит от прочности диффузионного слоя. Прочность переходного слоя достаточна, чтобы выдержать (без разрушения) термические напряжения, возникающие во время эксплуатации вследствие различных коэффициентов расширения железоуглеродистых и алюминиевых сплавов.
В отличие от других видов соединения (склеивание, пайка и др.) диффузионный слой не теряет своей прочности и при повышенных температурах. Рабочая температура ограничивается только жаропрочностью применяемых алюминиевых сплавов. Прочность слоя при 500 °С равна 2,5 – 3,0 кГ/мм2, причем разрыв происходит не по слою, как при нормальных температурах, а по алюминиевому сплаву.
Прочность и особенно пластичность переходного слоя в биметаллических отливках, у которых на границе стыка двух металлов интерметаллической фазы не образуется, например в соединении сталь – свинцовистая бронза, значительно выше.
В последнее время сталеалюминиевые соединения нашли широкое применение в различных ответственных конструкциях, а также в качестве переходных элементов при сварке стальных и алюминиевых деталей. Это стало возможным после отработки процесса алитирования стальных деталей, которые затем аргоно-дуговой сваркой привариваются к алюминиевым деталям. Если в процессе алитирования поверхности стальной детали ряда производств уделяется основное внимание чистоте покрытия, шероховатости и т. п., то при сварке главное – это прочность сцепления покрытия со стальной основой. При этом необходимо учесть, что при сварке алитированной детали с алюминием возможен последующий перегрев, при котором температура в зоне соединения компонентов может достигать температуры плавления алитированного слоя. В этом случае процессы диффузии вновь интенсифицируются, хрупкий промежуточный слой растет, что может привести к разрушению соединения. Как было показано, толщина промежуточного слоя зависит от химического состава стали и условий нагрева.
Диффузионное насыщение сталей и сплавов различными элементами приводит к существенному изменению некоторых физико-механических и электрохимических свойств, в частности выносливости. Так, порошковое алитирование на глубину 0,2 мм снижает предел выносливости среднеуглеродистой стали примерно в два раза.
На предел выносливости стали влияет также алитированный слой, полученный методом погружения. Это было установлено исследованиями, проведенными на вращающихся с частотой 50 гц образцах диаметром 8 мм при чистом изгибе на машинах типа МУИ 6000 и ФМИ 10.
За базу испытаний в воздухе было принято 107, а в коррозионной среде 5–107 циклов нагружения. Коррозиионной средой был 3 %-ный водный раствор хлористого натрия, по агрессивности имитирующий морскую воду. Алитирование производили методом погружения образцов в ванну жидкого алюминия марки АВ000, расплавленного в графитовом тигле под слоем специального флюса следующего состава: 44 % LiCl; 30 % NaCl; 9,3 % КС1; 16,7 % NаF.
После полного остывания алитированные образцы тщательно промывали горячей водой до полного удаления флюса. Температура алитирования составляла 750 и 850° С, продолжительность выдержки 0,5; 1; 1,5; 2 и 3 мин. Для решения вопроса, что является ответственным за снижение предела выносливости: образование на поверхности диффузионного слоя или термическое воздействие при нанесении покрытий, сталь без диффузионных покрытий была подвергнута термической обработке в соляной ванне по температурным режимам, соответствовавшим диффузионному насыщению. Предел выносливости после такой обработки находился в пределах 26 – 30 кг/мм 2.
Таким образом, при проектировании и расчете биметаллических конструкций, работающих при циклических нагрузках, необходимо учитывать, что диффузионное алитирование приводит к снижению предела выносливости.


читать далее »

Основные понятия о коррозии

Коррозией называется процесс разрушения металлов и сплавов при химическом или электрохимическом воздействии на них внешней среды. В зависимости от воздействующей среды детали летательных аппаратов могут подвергаться атмосферной, жидкостной или газовой коррозии.

Примером атмосферной коррозии может служить разрушение наружных деталей самолета (обшивка, винт, детали шасси) под влиянием влажного воздуха, дождя, росы и других атмосферных агентов. В этом случае стальные детали покрываются бурой ржавчиной, детали из легких сплавов — белыми продуктами коррозии алюминия и магния, а медные и бронзовые детали — характерной «зеленью».

Жидкостная коррозия типична для деталей, постоянно соприкасающихся в эксплуатации с жидкостями, например в гидравлической, охлаждающей, противообледенительной и т. п. системах.

Газовая коррозия возникает в условиях воздействия горячих газов. Этому виду коррозии подвержены, например, детали реактивного двигателя — рабочие и сопловые лопатки, жаровые трубы и т. п.

Коррозия приносит громадный вред народному хозяйству. Этот вред состоит прежде всего в снижении прочности работающих деталей. Для авиационных деталей, изготовляемых с минимальными допусками запаса прочности, коррозия особенно опасна. В тонкостенных конструкциях, широко применяемых в современных летательных аппаратах, возможна полная потеря прочности, если коррозионное поражение является сквозным.

Коррозионные язвы, способствуя развитию трещин в условиях переменного нагружения, особенно сильно снижают усталостную прочность материалов.

Коррозия наружных деталей приводит также к ухудшению обтекаемости и снижает скорость полета.

При жидкостной коррозии циркулирующие жидкости могут загрязняться продуктами коррозии, что приводит к нарушению нормальной работы крановых соединений, помп и подобных им систем.

Оценку коррозионной стойкости материалов производят по результатам испытаний на коррозию, описанных в специальных руководствах. Эти испытания основаны на определении изменения веса образцов, измерении объемов выделяющихся при коррозии газов, определении глубины участков коррозионного поражения и т. д.

В случае применения весового метода под скоростью коррозии понимают количество вещества, разрушающегося в единицу времени с единицы поверхности образца.

Если принять, что коррозионное разрушение является равномерным, то по количеству разрушившегося материала можно рассчитать среднюю глубину коррозионного поражения за определенное время; на этом принципе разработана десятибалльная шкала коррозионной стойкости (таблица).

Десятибалльная шкала коррозионной стойкости (ГОСТ 5272)

 

Характеристика стойкости

Скорость разрушения при коррозии мм/год

Балл

Совершенно стойкие

0,001

0

Весьма стойкие

0,001—0,005

1

 

0,005—0,01

2

Стойкие

0,01—0,05

3

 

0,05—0,1

4

Пониженно стойкие

0,1—0,5

5

 

0,5—1,0

6

Мало стойкие

1-5

7

 

5—10

8

Нестойкие

10

9

Такой шкалой, естественно, нельзя пользоваться для оценки межкристаллитной или местной коррозии.

Наиболее общим методом оценки коррозионного поражения является определение относительного снижения механических свойств материала (прочности, пластичности и других) после пребывания последнего в данной коррозионной среде.

Необходимо подчеркнуть, что коррозионная стойкость является одним из важнейших факторов, от которых зависит надежность и долговечность авиационных конструкций.

Коррозионная стойкость есть одно из главных и необходимых свойств материалов, подвергающихся в эксплуатации действию влаги, кислорода, кислот, охлаждающих жидкостей, горячих газов и других сред.

Поэтому изучению явлений коррозии и выбору защиты материала при производстве и эксплуатации современных летательных аппаратов должно быть уделено особое внимание.


читать далее »

Германий и галлий дают Великобритания, ФРГ, Бельгия, Нидерланды, Люксембург, а галлий, кроме того, Франция и Норвегия.

Значительные запасы германия и галлия содержатся в углях, добываемых в Великобритании. Запасы галлия в этих углях составляют 1000 т. По германию запасы не подсчитаны, но осторожные оценки дают запасы германия в 1,6 тыс. т. В отдельных угольных пластах (например, У г. Ньюкасл в Великобритании) германия и галлия содержится по 0,01%, что следует признать высоким.

В ФРГ галлий и германий получают из отходов цин-ково-свинцового производства, причем используются бедные руды, в которых вместе с галлием и германием встречаются индий и таллий. В такой концентрации улавливать рассеянные элементы выгодно.

Главным потребителем галлия и арсенида галлия в западноевропейских странах (500—700 кг в год), а также изделий из них, в частности электронных приборов, является Франция. Немало галлия высокой чистоты извлекается при выплавке алюминия в Норвегии.

Бокситы Далматинского побережья содержат небольшие количества лития, циркония, галлия.

Железистые бокситы Власеницы (Босния) содержат иттрий, галлий, цирконий и скандий. Широкий набор элементов-спутников представлен в Сербско-Македонской ме-таллогенической провинции. Здесь имеются галлий, индий, таллий, а в медных рудах, кроме меди и пирита, есть и теллур.

Бельгия черпает германиевое сырье из Республики Заир (месторождение Кипуши) и является крупным производителем германия в капиталистическом мире. За время своей деятельности она поставила 640 т германия, в том числе 180 т сверхчистого. Первичный германий вывозится в США, а сверхчистый покупает Япония.

Бельгия и Нидерланды экспортируют сверхчистый галлий, необходимый для изготовления полупроводников (в виде арсенида галлия) и отражательных зеркал для лазеров.

Швейцария — гидроэнергетическая страна. Поэтому здесь развито производство энергоемких отраслей, в частности производство алюминия. Изобретен способ так называемой электролитической экстракции бокситов, что дает возможность при рафинировании алюминия получать галлий высокой чистоты. По сравнению с технологией, практикуемой в США, этот способ оказался более дешевым и дал возможность увеличить выпуск галлия до 6 т. Большая часть галлия вывозится в США, остальной используется в отечественной полупроводниковой индустрии. Швейцария конструирует транзисторы на основе арсенида галлия, превосходящие по качеству американские.

Хорошо поставлено в Европе производство таллия. Исходным продуктом являются отходы цветной металлургии. Сырье для получения таллия в ФРГ — пиритные огарки, которые покупают за рубежом. Медеплавильный завод в Дуйсбурге (Земля Северный Рейн-Вестфалия), перерабатывая железно-медные огарки, извлекает таллий с содержанием 25 г/т. В Англии таллий получают из пылей кадмиевого завода.

Для нужд радиоэлектронной промышленности Италии на цинковом заводе в городе Камиока выпускают сверхчистый таллий. Италия поставляет на мировой рынок монокристаллы таллий-брома и таллий-йода для радиоэлектроники.

В Чехии производятся галлий и германий. При переработке кадмиевых соединений в небольших размерах выделяют таллий. Помимо этого, у городов Циновец и Теплице (близ границы с Германией), найдены вольфрамит и касситерит.

В Венгрии основным источником редких элементов являются угли, из которых получают галлий. Извлечение галлия ведется на алюминиевом заводе в Айка, часть производимой продукции экспортируется.


читать далее »

Влияние малых добавок воды в неводный растворитель на скорость донорно-акцепторного взаимодействия

Очистка неводного растворителя от следовых количеств воды – это предел наших мечтаний. Вода всегда в незначительных количествах связана со всеми веществами. Вещество, предельно очищенное от воды, заметно изменяет свои физические свойства. Например, бензол, выдержанный над P2O5 в запаянных сосудах, резко изменяет свою температуру кипения и вязкость. Можно было предположить, что в этих условиях будут изменяться и химические свойства неводного растворителя.

Рис. 20 иллюстрирует зависимость стандартной энтальпии растворения воды в апротонных растворителях в функции донорного числа Гутмана.

Влияние малых добавок воды в неводный растворитель на скорость донорно-акцепторного взаимодействия

Рис. 20. Зависимость стандартной энтальпии растворения воды в апротонных растворителях ΔH воды в функции донорного числа DN. Уравнение связи ΔН = 15,63-0,66DN; коэффициент корреляции 0,96

На рисунке цифрами отмечены растворители: 1 – нитрометан; 2 – пропиленкарбонат; 3− ацетонитрил; 4 – 1,4-диоксан; 5 – диметилкетон; 6 – N,N-диметилформамид; 7 − N,N-диметилацетомид; 8 – диметилсульфоксид; 9 – гексаметилфосфотриамид.

Рассчитанная по температурной зависимости парциального мольного объема воды в ацетонитриле энергия активации сольватации составила -540,74 Дж. Можно было предположить, что малые добавки воды могут повлиять на физико-химические свойства неводного растворителя и растворенного в нем лиганда.

В этой связи было изучено влияние добавок воды от 0,056 до 5,6 моль/л на кинетику донорно-акцепторного взаимодействия меди с салицилальанилином. При концентрации лиганда 0,01 моль/л максимум скорости реакции приходится на 0,15 мольных долей воды в неводном растворителе (рис. 21).

Влияние малых добавок воды в неводный растворитель на скорость донорно-акцепторного взаимодействия

Рис. 21. Зависимость скорости взаимодействия медной пластины с лигандом. Система: медь–салицилальанилин–диметилформамид; концентрация лиганда 0,01 моль/л; температура 30 оC


читать далее »

Влияние концентрации лиганда на растворение нуль-валентных металлов

Для системы медь-салицилальанилин-диметилформамид исследовано влияние концентрации лиганда на процесс комплексообразования. Концентрации лиганда изменялись в интервале 1,0·10-4–2,0 моль/л. Медь использовалась в виде пластин или порошка с удельной поверхностью 51,4 см2.

Зависимость скорости растворения меди в виде пластин (рис. 10) и медного порошка (рис. 11) напоминает кривые с насыщением. Существует концентрация лиганда, дальнейшее увеличение которой не оказывает заметного влияния на скорость процесса растворения.

Для медного порошка зависимость скорости растворения меди от концентрации салицилальанилина имеет более крутой характер. То есть для медного порошка при малых концентрациях (до 0,2-0,4 моль/л) наблюдается более заметное возрастание скорости по сравнению с растворением медной пластины. Полученный результат находится в согласии с известным положением химической кинетики о влиянии степени дисперсности вещества на скорость химической реакции.

Экспериментальные данные позволили определить порядок химической реакции по лиганду, который оказался близким к единице, и вычислить константу скорости процесса комплексообразования – 0,0437 ч-1.

Аналогичные зависимости отмечены и для других металлов.

Влияние концентрации лиганда на растворение нуль-валентных металлов

Влияние концентрации лиганда на растворение нуль-валентных металлов

Рис. 10. Растворение медной пластины

Рис. 11. Растворение медного порошка


На рис. 12 приведена зависимость доли прореагировавшей медной пластины в функции концентрации салицилальанилина в диметилформамиде.

Влияние концентрации лиганда на растворение нуль-валентных металлов

Рис. 12. Зависимость доли прореагировавшей меди от концентрации салицилальанилина. Время обработки 90 мин. Коэффициент корреляции 0,999


читать далее »

Влияние температуры на кинетику донорно-акцепторного взаимодействия

С повышением температуры резко возрастает скорость взаимодействия металла с лигандом в неводных растворителях. Зависимость скорости от обратной абсолютной температуры описывается экспоненциальным уравнением (рис. 14):

Влияние температуры на кинетику донорно-акцепторного взаимодействия,

где V – скорость химической реакции; Vо – предэкспоненциальный множитель; Ea – энергия активации химической реакции; R – газовая постоянная; T – абсолютная температура.

Влияние температуры на кинетику донорно-акцепторного взаимодействия

Рис. 14. Зависимость натурального логарифма скорости реакции lnV от обратной абсолютной температуры 1/T. Система: медный порошок–салицилальанилин–диметилформамид, концентрация лиганда 0,01 моль/л. Коэффициент корреляции 0,999

По температурной зависимости скорости химической реакции для системы металл–салицилальанилин–диметилформамид рассчитаны энергии активации (табл. 39).

Таблица 39

Энергия активации Ea донорно-акцепторного взаимодействия в системе

металл–салицилальанилин–диметилформамид.

Металлические порошки; концентрация лиганда 0,01 моль/л

Металл

Ea, кДж/моль

R

Титан

171,0

0,991

Ванадий

64,6

0,979

Хром

43,0

0,995

Марганец

34,4

0,981

Железо

62,7

0,996

Кобальт

38,0

0,953

Никель

32,0

0,999

Медь

36,6

0,996

Молибден

53,3

0,992

Вольфрам

63,5

0,957

Кадмий

41,4

0,990

Примечание: R – коэффициент корреляции зависимости lnV(1/T)

Необходимо отметить, что энергия активации процесса взаимодействия меди с салицилальанилином зависит от степени дисперсности частиц порошка меди (табл. 40).

Таблица 40

Зависимость энергии активации взаимодействия меди с

салицилальанилином от размера частиц

Размер частиц, мкм

Энергия активации, кДж/моль

10-50

14,47

166

36,63

Пластина

26,83

Что касается небольшой величины энергии активации для медной пластины, то это может быть связано с влиянием процесса растворения на обновление поверхности и проявлением большей химической активности.


читать далее »

Влияние предварительной обработки поверхности металла на реакционную способность Влияние предварительной обработки поверхности металла на реакционную способность

         Влияние метода предварительной обработки поверхности металла на реакционную способность было изучено для систем:

Медь–салицилальанилин–диметилформамид;

Медь– салицилальанилин–метилпирролидон;

Медь–a-бензоиноксим– диметилформамид;

Медь–a-бензоиноксим–метилпирролидон.

         Образцы меди имели форму пластин. Концентрация лиганда для всех систем была неизменной – 0,01 моль/л.

Для системы медь–a-бензоиноксим–диметилформамид наивысшая скорость растворения 2,38·10-5 моль/см2·ч наблюдалась для образцов, обработанных 12%-ной (3,6 М) соляной кислотой, а также для образцов, поверхность которых была сформирована электролитическим осаждением меди из кислого раствора сульфата меди (1,95·10-5 моль/см2·ч).

При обработке образцов азотной кислотой, химической или электрохимической полировкой, скорость взаимодействия уменьшалась по сравнению с образцами, обработанными 12%-ной соляной кислотой.

При механической обработке поверхности металла абразивными материалами возрастает индукционный период (до 4-х часов) и снижаются скорости растворения.

Рис. 13 демонстрирует влияние предварительной обработки медной пластины на скорость ее растворения в 0,01 моль/л растворе a-бензоин-оксима в метилпирролидоне.

Рис. 13. Зависимость концентрации комплексного соединения

от времени обработки

Способ обработки поверхности

медной пластины:

1 – в 3,5%-ном растворе HСl;

2 – электрохимическое полирование;

3 – химическое полирование;

4 – абразивная обработка

Влияние предварительной обработки поверхности металла на реакционную способность

         Таким образом, предварительная обработка металлической поверхности как химическая, так и механическая может существенно изменить кинетические параметры процесса растворения металла.


читать далее »

Роль процесса комплексообразования в накоплении элементов растительными организмами Роль процесса комплексообразования в накоплении элементов растительными организмами

В растениях аккумулируются многие металлы: Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo и др. Табл. 8 иллюстрирует избирательность поглощения металлов различными растительными организмами.

Таблица 8

Избирательное поглощение металлов растениями

Растение

Повышенное содержание

металов

Синезеленые водоросли (Cyanophyta)

Fe, Co, Ni, Zn

Красные водоросли (Rhodophyta)

Mg, Fe, Co, Ni

Зеленые водоросли (Chlorophyta)

Ti, V, Cr, Cu

Бурые водоросли (Phaeophyta)

Ti, V, Ni, Zn

Моховидные (Bryophyta)

Al

Папоротниковидные (Pteridophyta)

Al

Голосеменные (Gymnospermae)

Mn

Покрытосеменные (Anthophyta)

Mn, Mo

Процесс комплексообразования селективен. Образуются устойчивые комплексные соединения с клеточным веществом. В качестве центрального комплексообразователя участвуют такие металлы, как Mg, Al, но главным образом, d-элементы – Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Mo. В результате в растениях накапливаются в определенных количествах те или иные металлы. В табл. 9 приведены данные по среднему содержанию металлов-комплексообразователей в растениях, там же приводятся величины среднегодового концентрирования.

Таблица 9

Среднее содержание металлов в растениях (С)

и ежегодное концентрирование (m)

Meталл

С, %

m, т

1

2

3

Mg

3·10-1

1,1·109

Al

5·10-2

1,8·108

Ti

9·10-4

3,3·106

V

2·10-4

7,2·105


Продолжение таблицы 9


1

2

3

Cr

5·10-5

1,8·105

Mn

6·10-3

2,2·107

Fe

3·10-2

1,1·108

Co

6·10-5

2,2·105

Ni

3·10-4

1,1·106

Cu

1·10-3

3,6·106

Zn

9·10-3

3,3·107

Mo

7·10-5

2,5·105

В подтверждение роли процесса комплексообразования на рис. 3 приведена зависимость содержания металлов в липидах бурых водорослей в функции параметра Рака B для двухвалентных ионов ряда d-элементов. При вычислении поправок к межэлектронным взаимодействиям, представляющим интерес для процесса комплексообразования, были введены параметры Рака. Для их расчета требуется знание радиальных волновых функций одноэлектронных состояний в атоме.

Между содержанием металлов в бурых водорослях и параметром Рака B существует линейная зависимость. Высокое значение коэффициента корреляции (R = 0,87) указывает на достаточно тесную функциональную зависимость.

Роль процесса комплексообразования в накоплении элементов растительными организмами

Рис. 3. Зависимость содержания металлов в липидах бурых водорослей от параметра Рака B. Коэффициент корреляции R = 0,87

В липидах содержится около 10 % металлов от веса клеток. Таким образом, обогащение растительных организмов металлов увеличивается в 3-6 раз. В некоторых случаях, например в кобальтосодержащем витамине В12, содержание металла в тысячи раз превышает его содержание в клетках.

В живых клетках в качестве лигандов выступают молекулы белков, порфинов, фосфатов сахаров, антоцианов, фенолов и хинонов.

В табл. 10 приводятся данные по концентрированию металлов в липидах растений.

Таблица 10

Накопление металлов в липидах растений

Металл

Содержание металлов в липидах от их общего

содержания в клетках, %

Водоросли

Цветковые растения

красные

зеленые

бурые

Титан

44,4

42,8

84,4

72,5

Ванадий

40,7

63,9

65,7

63,5

Хром

33,0

59,4

69,3

60,9

Марганец

39,0

13,2

67,6

69,0

Железо

44,0

37,3

44,8

50,9

Никель

45,9

53,3

75,7

65,5

Медь

7,5

72,2

42,2

39,1

В природе металлические элементы концентрируются в живых организмах, а после их гибели образуют осадочные породы. Таким образом, процесс комплексообразования является важным механизмом круговорота вещества в природе. Индивидуальные соединения клетки образуют комплексные соединения, содержание металлов в которых значительно превышает его содержание в клетках (табл. 11).

Таблица 11

Концентрирование металлов в комплексных соединениях

Металл

Комплексное соединение

Содержание металла, %

Увеличение против содержания в клетках в n раз

1

2

3

4

Магний

Хлорофилл

2,7

9


Продолжение таблицы 11


1

2

3

4

Титан

Фосфорсодержащий белок из листьев

0,017

20

Марганец

Перекись моногалактолипда

0,42

42

Железо

Гидрогеназа

1,12

56

Железо

Редуктаза углекислоты

0,33

16,5

Железо

Каталаза

0,09

4,5

Медь

Белок пластоцианин

1,1

1100

Медь

Дифролоксидаза

0,20

200

Цинк

Цитохромоксидаза

0,18

36

Молибден

Нитрогеназа

0,087

1450

Молибден

Нитратредуктаза

0,015

250

Как видно из приведенных в табл. 11 данных, процесс комплексообразования характеризуется высокой селективностью. Действительно различные виды живых организмов и растений накапливают определенные химические элементы. На этой основе в геологии даже существует поиск полезных ископаемых.

Комплексные соединения растений участвуют в каталитических и миграционных процессах и эволюции биосферы. При взаимодействии одного и того же металла с различными лигандами значения окислительно-восстановительных потенциалов систем Ео при pH = 7 заметно изменяются (табл. 12).

Таблица 12

Окислительно-восстановительные потенциалы системы для различных

комплексных соединений металла

Система

Ео, В

Комплексные соединения металлов

1

2

3

Н2/Н2О

–0,42

Гидрогеназа (Fe)

(CH2O/CO2

–0,42

Редуктаза СО2 (Fe)

NH4+/N2

–0,28

Нитрогеназа (Fe, Mo); соединения Ti, V, Co

HS–/S

–0,27

Гидрогеназа (Fe)

Спитр/альдегид

–0,20

Алкогольдегидрогеназа (Zn)

Точка Пастера

+0,05

Переход от окисления в брожении к дыханию

Н2О2/О2

+0,29

Каталаза (Fe)


Продолжение таблицы 12


1

2

3

NO/NO2–

+0,37

Нитритредуктаза (Mo)

NO2–/NO3–

+0,42

Нитратредуктаза (Mo)

Дифенил/хинон

+0,43

Дифенилоксидаза (Cu)

Н2О/О2

+0,82

Хлорофилл (Mg); моногалактолипид (Mn)

Комплексные соединения играют основную роль в миграции элементов в природе. Это особенно ярко проявляется при фотосинтезе. Ежегодно растениями при фотосинтезе восстанавливается 1,4·1011 т углерода, 5·109 т соединений азота, 8,3·108 т соединений серы. Для углерода это количество в тысячи раз, для азота в сотни раз, для серы в несколько раз больше, чем при бактериальном восстановлении.

Роль комплексных соединений в миграции элементов в природе демонстрирует табл. 13. Для миграции углерода, водорода, азота, серы и кислорода важную роль играют комплексные соединения, участвующие в процессах фотосинтеза брожения и дыхания.

Таблица 13

Участие комплексных соединений металлов в миграции элементов

Комплексные соединения металлов

Участие в процессах

Ежегодная миграция

Элемент

Количест-

во, т

При фотосинтезе

Fe

Восстановление углекислоты

C

1,4·1011

Fe

Восстановление водорода, воды

H

4,6·1010

Fe, Mo, Cu, Ti, V, Co

Восстановление соединений азота

N

5,0·109

Fe

Восстановление соединений серы

S

8,3·108

Mg, Mn

Окисление кислорода воды

O

3,7·1011

При дыхании и брожении

Fe, Zn, Cu, Mg, Al, Cr, Ni

Окисление органических веществ

C

1,36·1011

Таким образом, биохимическое значение комплексных соединений, участвующих в восстановительных функциях биосферы, велико. Благодаря этим процессам поддерживается стабильный состав околоземной атмосферы.


Важная роль отводится комплексным соединениям металлов в эволюции биосферы. Каталитическую роль в эволюционных процессах вначале играли ионы, затем комплексные соединения с низкомолекулярными белками, комплексные соединения с высокомолекулярными протеидами и металлолипопротеидами.

Увеличение прочности связи комплексных соединений металлов с разнообразными группами липидов привело к образованию в клетках биметаллических и полиметаллических биокаталитических систем. Благодаря им происходит восстановление диоксида углерода и поступление в атмосферу огромных количеств кислорода.

Восстановление диоксида углерода на разных стадиях эволюции и участие в этом процессе комплексных соединений металлов иллюстрирует табл. 14.

Таблица 14

Участие комплексных соединений металлов в эволюции биосферы

Время появления в биосфере

Восстановление СО2 при окислении веществ, % от веса клеток за 1 час

Ео, В

Участие комплексных соединений металлов

Архей

Гетеротрофное усвоение при окислении органических веществ, n·10–3

До +0,05

Белки, образующие нестойкие комплексы с Mg, Zn и др. металлами

Архей, протерозой

Хемосинтезы при окислении неорганических веществ среды, n·10–2

До +0,30

Флавопротеиды (Fe), гемопротеиды (Fe), другие протеиды (Ti, V, Co,Cu, Mo)

Протерозой, палеозой

Фоторедукция при окислении на свету с образованием перекисей, n·10–1

До +0,55

Порфирины (Mg), липофлавопротеиды (Fe, Mn)

Протерозой, палеозой, мезозой

Фотосинтез при окислении на свету воды с выделением кислорода, n·100

До +0,82

Порфирины (Mg), липофлавопротеиды Fe, Mn)

Кайнозой

Фотосинтез культурных растений, до n·101

До +0,82

Внесение удобрений из соединений металлов



читать далее »

Периодическая колебательная реакция взаимодействия лиганда с металлом

Оставалось непонятным, каким образом могло произойти образование химической связи между нуль-валентным металлом и лигандом. Все прояснилось, когда из реакционной системы был удален кислород. В отсутствии кислорода комплексообразование не наблюдалось. К этому можно добавить давно известный факт – растворение золота в водных растворах цианистого калия происходит только в присутствии кислорода.

Нельзя забывать о том, что все металлы оксидированы, т.е. покрыты пленкой поверхностного химического соединения. Адсорбированный ювенильной поверхностью металла кислород через некоторое время образует химический контакт с положительно заряженным узлом кристаллической решетки металла. Однако этот узел не теряет своей связи с узлами кристаллической решетки, находящимися в глубине металла. Поэтому сидящий на поверхности металла оксид (поверхностное химическое соединение) не сублимируется.

В донорно-акцепторное взаимодействие с лигандом вступают поверхностные химические соединения, обладающие определенной долей ионного характера связи. В этом случае металл, связанный с неметаллом в поверхностном химичесом соединении, проявляет акцепторные свойства.

Соединения металлов с неметаллами характеризуются определенной долей ионного характера химической связи. В табл. 37 для ряда сульфидов металлов приводятся данные для доли ионного характера связи.

Таблица 37

Доля ионного характера химической связи в сульфидах металлов

Химическое соединение

Доля ионного характера связи, %

BaS

47,3

SrS

42,8

CaS

42,8

VgS

34,5

MnS

24,4

BeS

22,1

ZnS

22,1

PbS

19,7

FeS2

14,8

CoS

6,8

Для протекания окислительно-восстановительной химической реакции необходимо соблюсти два условия. Во-первых, должен быть обеспечен подвод окислителя в реакционную зону. Во-вторых, из реакционной зоны должны отводиться продукты реакции. При образовании поверхностного химического соединения эти условия не выполняются. Создается пассивное состояние поверхности металла.

Периодические колебательные реакции были изучены экспериментально для Cr, Ti, W, Mo и Cu. Поскольку растворы комплексных соединений переходных металлов окрашены, с помощью нефелометра изучали изменение оптической плотности растворов во времени. Оптическая плотность раствора пропорциональна концентрации комплексного соединения. Таким образом можно было судить об изменении скорости химической реакции в функции времени процесса.

На рис. 6 приведены результаты эксперимента по растворению меди в растворе салицилальанилина в диметилформамиде. Кривые рис. 6 характеризуют флуктуации скорости химической реакции и напоминают интегралы Френеля, которые, в свою очередь, описываются совокупностью функций Бесселя. Сложный характер колебательного процесса может быть объяснен следующим образом.

Лиганд адсорбируется на пленке поверхностного оксида металла. Поверхностные слои оксидов характеризуются преимущественно ионным характером связи. Активные центры оксидной пленки вступают в донорно-акцепторное взаимодействие с лигандом. Металл в оксиде поверхностного химического соединения, проявляя акцепторные свойства, вступает в донорно-акцепторное взаимодействие с лигандом.

Периодическая колебательная реакция взаимодействия лиганда с металлом

Рис. 6. Зависимость оптической плотности раствора D системы медь–диметилформамид–лиганд в функции времени τ. Концентрация лиганда 0,01 моль/л, длина волны 540 нм; 1 – медная пластина, лиганд – салицилальанилин; 2 – медный порошок, лиганд – купрона; 3 – медный порошок, лиганд – салицилальанилин

Учитывая спектральное распределение активных центров на поверхности оксидных пленок, можно допустить, что вначале в реакцию вступают активные центры с наибольшим запасом энергии. Затем в реакцию вступают центры с более низким запасом энергии. Количество центров, участвующих в реакции, растет. Это видно из увеличения скорости химической реакции в функции времени. Образующееся комплексное соединение находится в физически адсорбированном состоянии на поверхности металла. Наступает пассивное состояние поверхности металла. Через некоторое время пленка комплексного соединения растворяется в неводном растворителе. Растворенный в растворителе кислород адсорбируется на ювенильной поверхности металла, что приводит вновь к образованию поверхностного оксида металла.


читать далее »

Сплавы тугоплавких металлов Сплавы тугоплавких металлов

К тугоплавким металлам, имеющим температуру плавления свыше 1600 °С, относятся 11 элементов, но наибольшее практическое применение в качестве конструкционных материалов нашли шесть: ванадий, хром, ниобий, молибден, вольфрам и тантал. Основные физические свойства этих металлов приведены в табл. 61.

Таблица 61

Некоторые физические и механические свойства тугоплавких металлов при 20 °С

Свойство        V         Cr        Nb       Mo       Ta        W

 

Атомный номер

23

24

41

42

73

74

Атомная масса

50,942

51,996

92,906

95,940

180,95

183,85

Атомный диаметр, нм

0,263

0,250

0,286

0,272

0,286

0,274

ρ , г/см3

6,10

7,15

8,60

10,2

16,60

19,30

tпл, °С

1900

1875

2460

2620

2980

3400

tкип, °С

3350

2500

480

4600

5400

5500

с, Дж/(г·К)

0,499

0,460

0,272

0,256

0,142

0,147

λ, Вт/(м К

37

90

54

142

55

154,5

α ×10–6, 1/К

8,3

5,9

7,1

5,1

6,6

 

 

Металлы высокой чистоты

σв, Мпа

200

250

200

420

480

500–600

δ, %

40

60

50

44

42

13,5

 

Металлы промышленной чистоты

σв , Мпа

260–450

300–450

380–500

500–900

800–900

800–1100

δ, %

40–25

50–20

40–30

0

15–10

0

Металл

ы промышленной чистоты (при 1100 °С)

σв, Мпа

50

77

119

70

176

239

Тугоплавкие металлы обладают хорошей коррозионной стойкостью в целом ряде высокоагрессивных сред, например, кипящих ки

слотах (HCl, H2SO4,H3PO4), различных органических и неорганических веществах (кроме щелочей и фторидов).

Тугоплавкие металлы высокой чистоты отличаются большой пластичностью при комнатной температуре. Металлы технической чистоты отличаются высокой прочностью, но существенно различаются по пластичности. Если у металлов VA группы периодической системы (V, Nb, Ta) пластичность достаточно велика, то у элементов VIAгруппы (Cr, W, Mo) она практически равна нулю.

При повышении температуры тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с кислородом и другими газами. Они способны растворять водород, кислород, азот и углерод. Растворимость этих элементов с понижением температуры уменьшается, а в хроме, молибдене и вольфраме при температурах ниже 1000 °С ничтожно мала. Углерод, азот и другие элементы при понижении температуры, выделяясь из раствора, образуют карбиды, нитриды и другие хрупкие соединения, отрицательно влияющие на пластичность. В металлах VA группы растворимость элементов внедрения (С, Н, О, N) при низких температурах на 2–3 порядка выше. Они остаются в твердом растворе и мало влияют на пластичность. У всех тугоплавких металлов технической чистоты наблюдается явление хладноломкости (переход из вязкого в хрупкое состояние). У ванадия, ниобия и тантала хладноломкость наступает при температурах ниже комнатной, у хрома и молибдена при 100–200 °С, а у вольфрама около 300 °С.

Прочность тугоплавких металлов сохраняется при температурах свыше 1000 °С. Однако чистые металлы (кроме хрома) подвержены высокотемпературному окислению и газовой коррозии, т.е. имеют низкую жаростойкость и без защитных металлических, интерметаллидных и керамических покрытий при высоких температурах работать не могут.

Mо и W в чистом виде используют в радиои электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов и пр.), в химическом машиностроении и т.д.

Более эффективным является использование жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов. В результате дисперсионного упрочнения путем образования карбидов ZrC, TiC, (Ti, Zr)C рабочие температуры для сплавов на основе ниобия и молибдена достигают 1300–1450 °С, а для сплавов на основе тантала – 2000 °С. Наиболее жаропрочными являются сплавы на основе вольфрама. Они выдерживают длительные нагрузки при температурах до 2200 °С, а кратковременные – до 2750 °С. Хром, ванадий и их сплавы по своим свойствам и уровню рабочих температур не превосходят жаропрочные никелевые сплавы.

Наибольшее применение в промышленности пока нашли сплавы на основе ниобия и молибдена. Составы сплавов приведены в табл. 62, а механические свойства при комнатной и повышенных температурах – в табл. 63.

 

 

 

 

 

Таблица 62

Химический состав сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава

Сост

ав, мас. % C

 

W             Mo              Zr

Nb            Другие

Сплавы на основе ниобия

ВН2 ВН2А ВН3 ВН4 ВН6 5ВМц

– 4,5–6,0 4,5–5,5

3,8–5,2 3,8–4,7 4,0–5,2 8,5–10,5 4,5–6,0 1,7–2,3

– 0,5–0,9 0,8–2,0 1,0–2,0

1,0 0,7–1,0

0,05

0,08

0,08–0,16

Ост. Ост. Ост. Ост. Ост. Ост.

– – – 0,01–0,05 Ti – –

             

Сплавы на основе молибдена

ТСМ3

Ост.

0,06–0,10

0,03–0,10N

ЦМ5

Ост.

0,4–0,6

0,04–0,07

ЦМ2А

Ост.

0,07–0,15

0,004

ВМ1

Ост.

0,08–0,25

0,01

ВМ3

Ост.

0,30–0,60

0,25–0,50

1,0–1,8

МР47

Ост.

47,0 Re

Таблица 63

Механические свойства сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава    I      σв , МПа (20 °С/1200 °С)      I            δ, % (20 °С/1200 °С)

 

ВН2

850/180–200

ВН2А

850/300

ВН3

780/250

18/–

ВН4

810/250

16/–

ВН6

890/–

–/–

5ВМц

450/–

30/–

ТСМ3

930/–

4/–

ЦМ5

775/500

11,5/6,0

ЦМ2А

800/300

25,0/18,0

ВМ1

800/340

10,0/17,0

ВМ3

830/500

0/9,0

МР47

1780/–

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температуре до 1500–2000°С.

Ниобий – светлосерый не слишком тяжелый металл, обладающий высокой химической устойчивостью. Из кислот на него действует только плавиковая. При нагревании до 200 °С он может взаимодействовать с фтором, хлором, водородом и азотом, но уже при 150 °С на поверхности образуется оксидная защитная пленка Nb2O5. Содержание ниобия в земной коре довольно велико: 0,002 %. Его производство затрудняется сложностью отделения от тантала.

Вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами чистый Nb применяют для изготовления теплообменников ядерных реакторов. Большое количество ниобия расходуется на легирование сталей и цветных сплавов.

Сплавы на основе ниобия используют как конструкционные жаропрочные материалы в термоядерной технике, авиационной и космической промышленности. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Детали из ниобиевых сплавов могут эксплуатироваться при температурах от – 200 до 1200–1300 °С.

Некоторые интерметаллические соединения ниобия приобретают свойство сверхпроводимости.

Молибден – серебристобелый сравнительно редкий металл (1,1 × 10–4 % в земной коре). Больше всего молибдена расходуется на легирование железоуглеродистых сплавов. Из чистого молибдена изготовляют детали электронных ламп и ламп накаливания – аноды, сетки, катоды, держатели нитей накала и вводы.

Сплавы на основе молибдена применяют для изготовления прессформ, для контуров ядерных реакторов, электродов эрозионноискровых аппаратов, нагревателей, деталей в судостроительной промышленности. Недостатками молибдена и его сплавов являются повышенная окисляемость при температурах выше 500 °С и низкая пластичность при нормальных температурах.


читать далее »

Общие положения теории синтеза сплавов Общие положения теории синтеза сплавов

Синтез сплавов направлен на разработку новых материалов с заранее заданными свойствами, или, правильнее сказать, материалов с оптимальными свойствами, которые обладают наивысшим уров

нем одного важнейшего свойства при соблюдении определенных ограничений по другим контролируемым свойствам. Получение сплава с требуемым высоким уровнем нескольких свойств может быть просто неразрешимой задачей.

Можно выделить следующие основные этапы синтеза сплава:

-    формулировка технического задания на сплав;

-    выбор основы сплава;

-    выбор легирующих элементов и определение вредных примесей;

-    выбор легирующих комплексов;

-    выбор состава сплава;

-    выбор режима термической обработки.

Техническое задание на сплав формулируется заказчиком, исходя из условий эксплуатации будущей отливки, и согласовывается с разработчиком. При этом, как указывалось выше, необходимо выделить важнейшее свойство, которым должен обладать сплав, и указать допустимый уровень ограничений по другим свойствам. Так, если отливка должна работать при высоких температурах и высоких нагрузках, то основное внимание при разработке сплава должно уделяться жаропрочности.

Выбор основы сплава определяется техническим заданием на свойства сплава, если же при анализе задания остается свобода выбора, то в первую очередь учитывается экономическая сторона. Привести фактическую цену любого металла на сегодняшний день не представляется возможным. Подчиняясь рыночным отношениям, они меняются ежедневно. К тому же цены на металлы и сплавы существенно зависят от их качества (степени чистоты). По относительной стоимости (если за единицу взять стоимость железа) основные химические элементы можно поделить на пять групп (табл. 5).

Надо учитывать, что не всегда самый дешевый металл позволит получить наибольший экономический эффект. Так, для деталей транспортных устройств выгоднее применить более дорогой базовый металл, если он имеет меньшую плотность. При снижении мас

сы деталей машина становится легче, экономичнее: снижается расход горючего, растет масса перевозимого груза и снижается стоимость грузоперевозок. Поэтому для наземного транспорта (автомобили) и авиации экономически оправдана замена железоуглеродистых сплавов на детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Применение титановых деталей целесообразно в авиации, а бериллиевые сплавы могут оправдать себя в космонавтике.

Таблица 5

Классификация металлов по относительной стоимости

 

Группа стоимости

Относительная цена

Элементы

Дешевые Недорогие Дорогие Дорогостоящие Очень дорогие

0,1–1

1,0–10

1–100

100–1000

1000 и более

C, O, N, S, Fe, Si

Zn, Mg, Al, Cu, Pb

Ba, B, V, Bi, W, Co, La, Nb, Ce, Th, Zr

Be, Y, Dy, In, Nd, Pr, Sm, Ta, Ag

Gd, Hf, Eu, Yb, Sc, Au, Pt

Выбору легирующего комплекса отводится особое внимание при разработке или модернизации литейного сплава. Выбор осуществляется на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с основой сплава и между собой путем анализа соответствующих диаграмм состояния и зависимостей «состав–свойство». Вид базовых диаграмм состояния и положение особых точек на них позволяют оценивать различные свойства сплава, как литейные, так и механические. При анализе достаточно изучить только начальные участки (блоки) диаграмм состояния. Все виды диаграмм состояния можно свести к нескольким типовым, начальные блоки которых и приведены на рис. 2.

Наиболее характерным для литейных сплавов является блок 2. Это часть диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектическим превращением. Элементы, образующие с базовым металлом такой блок, широко используются как основные или вспомогательные добавки.

На начальных блоках диаграмм, приведенных на рис. 2, можно выделить три важнейшие точки: Ср (предельная растворимость в твердом состоянии), Сэ или Сп (концентрация, соответствующая первой эвтектической или перитектической точкам) и Схс (концентрация, соответствующая образованию первого химического соединения). Координаты этих точек (т.е. концентрация и температура) позволяют более полно оценить возможное влияние элемента на свойства сплава.

Предельная растворимость элемента в твердом состоянии Ср является наиболее важной характеристикой двухкомпонентной системы для прогнозирования свойств сплавов. На совмещенных диаграммах состав–свойство всех изученных систем на эту точку приходятся экстремальные значения свойств или отчетливо видные перегибы. Чем больше предельная растворимость, тем больше упрочняется твердый раствор. Снижение растворимости при понижении температуры указывает на возможность проведения упрочняющей термической обработки.

Концентрация первой эвтектической Сэ или перитектической Сп точки показывает растворимость элемента в жидком сплаве при соответствующих температурах эвтектического или перитектического превращения. Если эвтектическая точка Сэ находится ближе к Ср, чем к точке Схс, то сплавы эвтектического состава будут обладать оптимальным соотношением литейных и эксплуатационных свойств.

Концентрация, при которой образуется первое химическое соединение Схс, отделяет на диаграммах состояния участок, являющийся перспективным для разработки сплава. По положению этой точки можно определить содержание хрупкого интерметаллида в эвтектике. Близость точек Сэ и Схс указывает на то, что эвтектические сплавы будут непригодны для промышленных целей изза наличия этой хрупкой составляющей.

Коэффициент распределения Кр в общем случае показывает различие концентраций элемента в твердой и жидкой фазах (Кр = Ст/Сж). При температурах эвтектического или перитектического превращения Кр можно определить через координаты точек Ср и Сэ или Сп (Кр = Ср/Сэ или Кр = Ср/Сп). Коэффициент распределения характеризует склонность сплава к дендритной ликвации, от степени развития которой зависят прочностные и пластические характеристики сплава.

Для конструкционного материала главным критерием является уровень механических свойств, а точнее, соотношение прочности и пластичности. Упрочнение сплавов при изменении их химического состава может быть достигнуто: увеличением в основе количества растворенных добавок (растворное упрочнение); образованием дисперсных фаз, выделяющихся в ходе термической обработки (дисперсионное упрочнение); ограничением содержания вредных примесей; модифицированием сплавов, термической обработкой. Каждый из этих путей упрочнения может быть реализован при выборе определенного ряда легирующих добавок и примесей. Рассмотрим выбор легирующего комплекса, обеспечивающего растворное упрочнение.

Прочность основы при добавлении в нее элементов с малой растворимостью Ср < 0,1 практически не меняется. При дальнейшем увеличении растворимости прочность сплава прогрессивно растет. Наибольшее упрочнение происходит при введении элементов, предельная растворимость которых находится в интервале от 0,8 до 20–30 ат. %. Прочность сплава достигает максимума при введении добавок, имеющих Ср = 50 ат. %. В случае, если Ср > 50 ат. %, добавка становится основой сплава.

Пластичность твердых растворов при увеличении растворимости может резко падать, если коэффициент распределения Кр > 0 или не превышает значения 0,01. При больших численных значениях коэффициента распределения (Кр > 1) пластичность может сохраняться, а при определенном сочетании Ср и Кр она даже повышается, проходит максимум и затем падает. Это наблюдается при добавлении к основе элементов с малой растворимостью, составляющей десятые доли атомного процента, и с высоким значением Кр.

Коэффициент распределения определяет степень дендритной ликвации элемента. Чем меньше значение Кр, тем выше концентрация этого элемента по границам зерен. При Кр = 1 элемент распределяется равномерно по всему объему кристалла.

Если построить такие диаграммы, как на рис. 4, для различных промышленно важных металлов и сравнить их между собой, то окажется, что положение кривых на диаграммах может несколько смещаться по отношению друг к другу, но общий характер зависимости свойств от растворимости сохраняется.

По характеру влияния на механические свойства основы сплава, т.е. в зависимости от величины критериев Ср и Кр, все химические элементы можно разбить на четыре группы.

Основные легирующие элементы: Ср ? 1 %, Кр ограничивается предельной величиной, ниже которой элементы становятся вредными примесями. Эти элементы являются главными упрочнителями, они не вызывают резкого снижения пластичности и могут служить единственной легирующей добавкой.

Вспомогательные легирующие элементы: Ср = 0,011,0 %, Кр также ограничивается некоторой предельной величиной. Эти элементы больше увеличивают пластичность, чем прочность. Их называют пластификаторами. При введении вместе с основными добавками они усиливают действие основных легирующих элементов.

Нейтральные примеси это малорастворимые элементы (Ср < 0,01 %).

Вредные примеси при любой не слишком малой растворимости имеют значение Кр меньше допустимого критического значения.

Границы между этими четырьмя группами несколько условны. Для каждого базового элемента могут быть свои граничные значения критериев Ср и Кр. Их определяют по параметрам элементов, влияние которых на данную основу уже изучено. К основным легирующим добавкам (по влиянию на прочность) могут быть отнесены элементы, у которых Ср ? 1 и Кр ? 0,05, к вспомогательным легирующим добавкам элементы, у которых Ср ? 0,011,0 и Кр ? 0,05, к вредным примесям элементы, имеющие Ср > 0,001 и Кр < 0,05.

На рис. 5 приведена классификация взаимодействия различных элементов с алюминием в зависимости от этих двух основных параметров. Подобные диаграммы Б.Б. Гуляев назвал статистическими диаграммами отсеивания. Каждый элемент на диаграммах обозначается точкой в соответствии со своими координатами (значениями Ср и Кр на диаграмме с базовым элементом). Пороговые значения Ср и Кр для проведения границ четырех групп устанавливаются по экспериментальным данным. Итак, на рис. 5 выделены четыре поля, которые делят все проанализированные элементы по отношению к алюминию на четыре группы: I основные легирующие элементы; II вспомогательные легирующие элементы; III нейтральные примеси; IV вредные примеси.

Что касается дисперсионного упрочнения (твердения), то оно возникает при образовании в твердом растворе дисперсных частиц твердой фазы. Выделение этих частиц происходит в результате уменьшения растворимости легирующих элементов в твердом состоянии. Как и при растворном упрочнении, наибольший эффект достигается при концентрациях легирующих добавок вблизи точек предельной растворимости. Упрочняющими фазами обычно являются различные металлические и интерметаллические соединения легирующих элементов с базовым компонентом или между собой.

Выбор состава сплава представляет собой задачу определения конкретного оптимального состава сплава, который может быть включен в нормативный документ. На этой стадии устанавливаются допуски по содержанию каждого легирующего элемента и ограничения на содержание вредных примесей. Так как на предыдущих этапах синтеза число компонентов, входящих в сплав, сведено до минимума, то оптимальный состав можно находить путем планируемого эксперимента с построением математических моделей состав–свойство.

Выбор режима термической обработки осуществляется для тех сплавов, строение которых принципиально позволяет проводить упрочняющую термическую обработку. Обязательным условием для этого является изменение растворимости упрочняющей фазы при понижении температуры.


читать далее »

Золото и его сплавы Золото и его сплавы

Золото было первым металлом, с которым познакомился человек. В чистом виде оно имеет красивый яркожелтый цвет с хорошим блеском, который усиливается при полировке. С давних пор золото использовалось для ювелирных украшений и чеканки монет. Кроме того, в настоящее время сплавы золота используются в радиои микроэлектронике, медицине, атомной технике. Как видно из табл. 51, золото является тяжелым металлом с довольно высокой температурой плавления.

Ценнейшим свойством золота является химическая стойкость. Оно растворяется только в смеси соляной и азотной кислот – царской водке. По своей химической стойкости и механической прочности золото уступает большинству платиноидов, но незаменимо в качестве материала для электрических контактов. Хотя удельное сопротивление золота больше, чем у меди и серебра, оно широко используется в микроэлектронике в виде золотых проводников и гальванических покрытий контактных поверхностей, разъёмов, печатных плат. Специфической областью использования золота благодаря его технологичности являются сплавы для зубных протезов.

Чистое золото в твердом состоянии обладает весьма высокой пластичностью. Из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км. Из него можно получит листы толщиной 0,0001 мм (сусальное золото), которые будут пропускать свет. Изза малой прочности золото в чистом виде в промышленности не применяется. Для упрочнения золота можно применять такие металлы, как кобальт, никель, медь, серебро, палладий и платина, которые хорошо растворяются в нем. Все они и входят в состав ювелирных и контактных сплавов и золотых припоев.

Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов золота приведены в табл. 58.

Основными сплавами для производства ювелирных изделий являются сплавы 585й пробы. Сплавы 750й пробы более мягкие. Они хорошо поддаются полировке и пайке.

В ювелирных сплавах на основе золота ограничивают содержание таких примесей, как свинец (0,005 %), железо (0,15 %), сурьма (0,005 %), висмут (0,005 %), кислород (0,007 %). Суммарное содержание примесей не должно превышать 0,17 %.

Сплавы золота 375й пробы (пять марок) довольно быстро тускнеют. Цветовая гамма от желтого до красного. Самый твердый и прочный сплав розового цвета. Используют сплавы преимущественно для изготовления обручальных колец.

Сплав 500й пробы (ЗлСрМ500–10) имеет низкие литейные свойства, в производстве практически не применяется, упоминается лишь для осуществления надзора имеющихся ювелирных изделий.

Сплавы 585й пробы (9 марок) весьма прочные, хорошо поддаются формоизменению. Достаточно устойчивы на воздухе и практически не тускнеют. Имеют широкий цветовой диапазон от белого, красного и желтого до зеленого с различной интенсивностью оттенков. Это основной материал для изготовления ювелирных украшений, сувениров и предметов ритуальнообрядового назначения.

Сплавы 750й пробы (10 марок) по свойствам очень схожи с чистым золотом. Они абсолютно устойчивы на воздухе, достаточно твердые и прочные, легко поддаются ковке и особенно подходят для тонкой рельефной выколотки и филигранных проволочногибочных работ. Имеют широкую цветовую гамму. Наряду со сплавами 585й пробы применяются для ювелирных украшений.

Сплав 958й пробы почти не подвержен коррозии, но очень мягкий и практически не сохраняет полировку.


читать далее »

Цветные сплавы

Сплавами называют материалы, имеющие металлическую природу. Они представляют собой смесь двух или более химических элементов (в том числе и неметаллов). Как правило, сплавы получают путем совместного плавления всех его компонентов. Компонентами называют все химические элементы, содержание которых контролируется в сплаве. Из компонентов выделяют основу сплава. Это металл, определяющий общий характер и основные свойства сплава. Его содержание превышает 50 % от общей массы сплава. Встречаются сплавы с двумя и даже тремя основами. В этом случае концентрация основы близка к 30 %.

Кроме основы сплава, в его состав входят легирующие компоненты. Это добавки, специально вводимые в сплав для придания ему тех или иных свойств. Их содержание может находиться в пределах от 0,001 до 0,1 % (микролегирующие добавки) или от 0,1 до 20 % и выше (макролегирующие добавки).

При производстве в сплавы всегда попадают различные примеси из руды, топлива, атмосферы, огнеупоров и инструмента. Эти примеси делятся на две группы: нежелательные (вредные) и допустимые. Содержание вредных компонентов контролируется и ограничивается, так как они снижают уровень требуемых рабочих или технологических свойств. Допустимые примеси не оказывают существенного влияния на свойства, поэтому их содержание не ограничивается и не контролируется. Одни и те же элементы в различных сплавах даже на одной и той же основе могут быть полезными (легирующими компонентами) или, попав в сплав случайно, вредными.

К отдельной группе можно отнести модификаторы. Это компоненты, вводимые в сплав в очень малых количествах для воздействия на процесс кристаллизации с целью регулирования структуры.

Составы сплавов и их свойств во всех странах мира регламентируются нормативными документами. В России это государственные стандарты (ГОСТы), технические условия (ТУ), отраслевые стандарты и нормы. Нормативные документы в первую очередь определяют химический состав сплавов. Они же содержат сведения о том, какие свойства могут быть достигнуты при заданном составе сплава, способе литья и режиме ТО.

Сплавы цветных металлов по технологическим признакам делят на литейные и деформируемые. Из деформируемых сплавов сначала производят (отливают) различные заготовки в виде слитков различного сечения (круглые, плоские, квадратные, прутки, трубные заготовки и т.д.). Эти изделия в дальнейшем подвергают пластической деформации (прокатке, ковке, штамповке, протяжке, волочению и т.п.). Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации с массой от долей грамма до десятков тонн. Минимальные толщины стенок отливок могут быть от 0,5–2 мм, а максимальные не имеют ограничений.

Химический состав деформируемых сплавов выбирается таким, чтобы обеспечивать хорошую пластичность и способность к обработке давлением. Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой усадкой, низкой склонностью к образованию пористости, ликвации и трещин при затрудненной усадке. Деформируемые сплавы обычно представляют собой однородные твердые растворы. Для них характерно сочетание высокой прочности и пластичности. В качестве литейных используют многофазные сплавы преимущественно эвтектического типа с узким интервалом кристаллизации и хорошими литейными свойствами.

Темпы роста производства отливок из цветных сплавов опережают рост производства отливок из чугуна и стали. Выпуск отливок из различных видов цветных сплавов в промышленно развитых странах характеризуется следующими соотношениями: алюминиевые сплавы – 60–65 %, цинковые – 15–20 %, медные – 15–18%, магниевые – 3–5 %.

Как указывалось ранее, большинство цветных металлов и сплавов относятся к дефицитным и дорогим материалам. В связи с этим большое внимание уделяется сбору и переработке лома и отходов и производству из них вторичных сплавов. Рабочие сплавы, приготовленные из вторичных материалов, значительно дешевле сплавов из чистых первичных металлов, но они отличаются повышенным содержанием примесей. При использовании современных плавильных агрегатов и технологических процессов можно обеспечить получение литых изделий высокого качества и из вторичных сплавов.

Выбор основы сплава производится по его главному, ведущему свойству. Такое деление всех элементов периодической системы по плотности приведено на рис. 1. Здесь выделены три группы элементов: легкие, тяжелые и очень тяжелые. На практике цветные сплавы принято делить только на легкие и тяжелые. Плотность является одной из важнейших классификационных характеристик сплавов. В справочной, научнотехнической и учебной литературе деление сплавов на легкие и тяжелые является общепринятым. В настоящем учебном пособии изучение литейных сплавов производится в соответствии с этой классификацией.


читать далее »

Медноникелевые сплавы Медноникелевые сплавы

Большое значение в технике имеют медноникелевые сплавы. По своей сути эти сплавы можно отнести к разряду бронз. Медноникелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Двойные сплавы системы Cu – Ni могут быть дополнительно легированы железом, кремнием, марганцем.

Почти все сплавы этой группы имеют свои специальные названия: мельхиор, нейзильбер, куниаль и др. Химический состав наиболее известных сплавов приведен в табл. 41.

Таблица 41

Химический состав некоторых медноникелевых сплавов по ГОСТ 492–73

 

Марка сплава

Легирующие элементы, %

Ni + Co

Fe

Mn

Zn

Al

Cu

МН19

(мельхиор)

18,0–20,0

Ост.

МНЖМц30–1–1 (мельхиор)

29,0–33,0

0,5–1,0

0,5–1,0

Ост.

МНЦ15–20 (нейзильбер)

13,5–16,5

18,0–20,0

Ост.

МНА13–3 (куниаль А)

12,0–15,0

2,3–3,0

Ост.

НМЖМц28–2,5–1,5 (монель)

Ост.

2,0–3,0

1,2–1,8

51,0–55,0

МНМц43–0,5 (копель)

42,5–44,0

0,1–1,0

Ост.

МНМц40–1,5 (константан)

39,0–41,0

1,0–2,0

Ост.

Эти сплавы предназначены для обработки давлением. Но некоторые изделия, в частности художественные, получают литьем.

Медноникелевые сплавы имеют достаточно высокие механические свойства, позволяющие использовать их как конструкционные материалы. В табл. 42 приведены механические свойства деформируемых сплавов в мягком состоянии, т.е. без наклепа. Здесь же показаны некоторые физические свойства, полезные для литейщиков.

Ниже рассмотрены основные свойства медноникелевых сплавов и области их применения.

Таблица 42

Механические и физические свойства медноникелевых сплавов

 

Марка сплава

Плотность, г/см3

Температура

плавления

(Тлик/Тсол), °С

Линейная усадка, %

МПа

δ, %

HB

МН19

8,9

1190/1130

2,29

400

35

70

МНЖМц30–1–1

8,9

1230/1170

2,10

380–400

23–28

70

МНЦ15–20

8,7

1080

2,02

380–450

35–45

70

МНА13–3

8,5

1183

380

13

260

НМЖМц28–2,5–1,5

8,82

1350

2,1

450–500

25–40

130

МНМц43–0,5

8,9

1290/1220

400

35

90

Мельхиоры отличаются высокой коррозионной стойкостью в различных средах (морской воде, в органических кислотах, растворах солей и т.д.). Они применяются в морском судостроении, для изготовления монет, столовых приборов, медицинского инструмента, деталей в точной механике и химической промышленности. Из мельхиоров можно отливать герметичные детали.

Куниали могут быть упрочнены путем ТО. Прочность после закалки и пластической деформации возрастает до 900 МПа. Отличные упругие свойства позволяют изготовлять пружинящие детали.

Нейзильбер имеет красивый серебристый цвет. Этот сплав не окисляется на воздухе, устойчив в растворах солей и органических кислотах. Сплав применяют для изготовления деталей точной механики, медицинских инструментов, технической посуды, столовых приборов и художественных изделий. Свинцовистый нейзильбер (МНЦС17–18–1,8) служит материалом для мелких деталей часов, приборов и другой аппаратуры на станкахавтоматах.

Копель, константан служат материалом для термопар.


читать далее »

Литейные магниевые сплавы Литейные магниевые сплавы

Первые магниевые сплавы были предназначены для получения фасонных отливок.

Испытание временем выдержали три группы литейных магниевых сплавов:

-    I – сплавы на основе системы Mg –Al – Zn;

-    II – сплавы на основе системы Mg – Zn – Zr;

-    III – сплавы, легированные РЗМ.

Химический состав сплавов по ГОСТ 2856–79 приведен в табл. 15, а механические свойства – в табл. 16.

Сплавы I группы (МЛ3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6) относятся к числу высокопрочных (среди магниевых сплавов) конструкционных материалов. Двойные диаграммы состояния магния с алюминием и цинком приведены на рис. 21 и 22. Максимальная растворимость этих элементов составляет 12,7 % Al и 8,4 % Zn. Растворимость обоих элементов уменьшается с понижением температуры. Наибольший эффект упрочнения достигается за счет Al. Минимальная концентрация алюминия установлена на уровне 6 %, а максимальная составляет 10,2 %, что меньше предельной растворимости. Цинк упрочняет твердый раствор в меньшей степени. Для повышения коррозионной стойкости во все сплавы I группы введен марганец в количестве от 0,1 до 0,5 %. Для уменьшения окисляемости в расплавленном состоянии применяют добавки бериллия (0,001–0,002 %) или кальция (до 0,2 %). Кальций, кроме того, повышает плотность и способность к ТО.

Эвтектические составы в системах Mg – Al и Mg – Zn находятся в области высоких концентраций, к тому же в состав эвтектики входят хрупкие интерметаллиды. В связи с этим эвтектические сплавы применения не нашли. Все сплавы I группы являются многофазными по структуре. Кроме твердого раствора алюминия и цинка в магнии, в сплавах можно обнаружить интерметаллиды: Mg17Al12 (?фаза), MnAl (?фаза), Al2Zn3Mg3 (Тфаза) и другие. Переменная растворимость и наличие интерметаллических фаз указывают на возможность проведения упрочняющей ТО.

На рис. 23 показана структура сплавов МЛ5 и МЛ4. В литом состоянии (см. рис. 23, а) на фоне ?твердого раствора алюминия и цинка в магнии хорошо видны частицы интерметаллического соединения Mg4Al3. Количество этой фазы зависит от содержания алюминия. Наибольшее количество второй фазы обнаруживается в структуре сплава МЛ6. После закалки (см. рис. 23, б) избыточные фазы растворяются в твердом растворе. Внутри и по границе зерен твердого раствора остаются включения марганцовистой фазы и остатки нерастворившихся включений Mg4Al3. Структура сплава МЛ4 (см. рис. 23, в) вследствие большого содержания цинка отличается наличием Тфазы.

Общими особенностями магниевых сплавов, в том числе и сплавов I группы, являются пониженные литейные свойства и склонность к образованию рыхлоты (газоусадочной пористости). Это объясняется широким интервалом кристаллизации и склонностью к поглощению водорода. Растворимость водорода в чистом магнии при температуре плавления достигает 30 см3/100 г. Поскольку растворимость водорода в алюминии на порядок ниже, то и в сплавах, содержащих алюминий, растворимость водорода уменьшается, но все же остается высокой (до 20 см3/100 г). В изломе отливки рыхлота выдает себя пятнами светложелтого, серого или черного цвета.

Сплав МЛ3 содержит наименьшее количество легирующих добавок. Он относится к группе сплавов средней прочности. Коррозионная стойкость выше, чем у сплава МЛ5, но литейные свойства довольно низкие. Так как интервал кристаллизации (не более 90 °С) меньше, чем у остальных сплавов этой группы, то сплав отличается повышенной герметичностью.

Малая жидкотекучесть, высокая горячеломкость и большая усадка затрудняют получение сложных фасонных отливок. МЛ3 применяют для литья в разовые формы несложных деталей, от которых требуется высокая герметичность (детали арматуры, корпуса насосов).

Термической обработкой сплав не упрочняется, но в литом состоянии механические свойства достаточно высокие. По пластичности и прочности он превосходит сплав МЛ5, не прошедший ТО. Свойства сплава в меньшей степени зависят от толщины стенки по сравнению со сплавами МЛ4 и МЛ5.

Сплав МЛ4 можно считать высокопрочным сплавом, он хорошо упрочняется ТО. Средний температурный интервал кристаллизации сплава 155 °С, но может достигать до 210 °С. В связи с этим сплав склонен к образованию микрорыхлоты, и отливки будут иметь низкую герметичность. Коррозионная стойкость выше, чем у сплава МЛ5. Сплав МЛ4пч может применяться для деталей, работающих в условиях морского или тропического климата. Изза склонности к образованию горячих трещин сплав применяют только для литья в разовые песчаные формы. Изготовляют детали двигателей и агрегатов, подвергающиеся статическим и динамическим нагрузкам: корпуса приборов и инструментов, барабаны тормозных колес, корпуса тормозов и тормозных колодок, фермы, штурвалы и др. Рабочие температуры – до 150 °С.

Для получения плотных отливок рекомендуется установка прибылей на массивных частях и холодильников.

Сплав МЛ5 обладает наилучшим сочетанием литейных и механических свойств изо всех сплавов I группы, благодаря чему он получил наиболее широкое применение в технике для получения высоконагруженных деталей литьем в разовые песчаные формы, в кокиль и под давлением. Интервал кристаллизации уже, чем у сплава МЛ4, поэтому меньше склонность к образованию горячих трещин, отливки получаются более плотными. Сплав имеет удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошо сваривается. Для изготовления ответственных деталей используют модификацию МЛ5пч. Пониженное содержание вредных примесей в первую очередь повышает коррозионную стойкость, улучшает пластичность. Детали из сплава МЛ5пч, поверхность которых защищена анодной пленкой и лакокрасочными покрытиями, могут работать в условиях морского и тропического климата при температурах не выше 150 °С. В авиационных двигателях работают сотни деталей из магниевых сплавов. В основном это сплавы МЛ5 и МЛ5пч. Широко применят сплав МЛ5 и для деталей автомобильных двигателей. Во многих случаях сплав МЛ5 может с успехом заменять алюминиевые сплавы АК12, АК9, АК7, АМ5 и др., что приводит к снижению массы изделия.

Для менее ответственных деталей можно использовать сплав МЛ5он с повышенным содержанием примесей. Его можно готовить из вторичных металлов и сплавов и из отходов, что существенно снижает стоимость сплава. Изза повышенного содержания примесей по коррозионной стойкости данный сплав уступает сплаву МЛ5. Несколько ниже и средние показатели механических свойств. При назначении режима термической обработки необходимо учитывать, что температура солидуса сплава МЛ5он ниже, чем у сплава МЛ5. Температуру нагрева под закалку следует выбирать более низкую, иначе может произойти оплавление отливок.

Сплав МЛ6 содержит наибольшее количество легирующих добавок из всех сплавов I группы. Он превосходит сплавы МЛ3, МЛ4 и МЛ5 по жидкотекучести, менее склонен к образованию горячих трещин, имеет меньшую усадку.

Сплав упрочняется ТО. Из механических свойств можно отметить более высокие значения предела пропорциональности и низкую пластичность. Сплав хорошо сваривается и имеет удовлетворительную коррозионную стойкость. Недостатком сплава МЛ6 является широкий интервал кристаллизации и, как следствие, склонность к образованию микрорыхлот. Его применяют для среднеи высоконагруженных деталей, работающих при температурах до 150 °С, особенно когда требуются повышенные упругие свойства. Можно изготовлять корпуса, детали приборов, требующие постоянства размеров.

Примеси, попадающие в сплавы I группы, в основном ухудшают механические и технологические свойства, но могут оказывать и некоторое положительное влияние. Бериллий снижает окисляемость расплавов, но при содержании более 0,002 % увеличивает размер зерна, снижает механические свойства и повышает склонность к образованию трещин. Железо, медь (свыше 0,1 %) и кремний (свыше 0,3 %) снижают коррозионную стойкость. Особенно резко снижает коррозионную стойкость при содержании свыше 0,01 % никель. Бор, титан, цирконий, церий оказывают модифицирующее действие, измельчают структуру сплавов.

Сплавы II группы (МЛ8, МЛ12, МЛ15) легированы двумя элементами: цинком и цирконием, удачно дополняющими друг друга. На рис. 24 приведен левый угол диаграммы состояния системы Mg – Zn. Как указывалось ранее, растворимость цинка в магнии достаточно велика и составляет 8,4 %. Это указывает на возможность растворного упрочнения двойных сплавов системы Mg – Zn. Однако изза низкой температуры эвтектического превращения (343 °С) возможные двойные сплавы имели бы очень широкий интервал кристаллизации (до 300 °С), а значит, и очень низкие литейные свойства. При исследовании механических свойств двойных сплавов системы Mg – Zn установлено, что предел прочности и предел текучести растут с увеличением содержания цинка до 5 – 6 %. При дальнейшем увеличении концентрации цинка предел прочности снижается. Это объясняется появлением в структуре хрупкой фазы Mg2Zn, образующейся в результате распада фазы Mg7Zn3 (на рис. 24 эта фаза располагается между сплошными линиями в интервале температур 343–330 °С).

Несмотря на положительное влияние циркония на технологические свойства, содержание цинка в сплавах системы Mg – Zn – Zr свыше 5 % нежелательно. При больших концентрациях цинка увеличивается склонность сплава к образованию микрорыхлоты и горячих трещин в отливках.

Растворимость циркония в жидком магнии невелика, она составляет 0,6–0,7 %. Цирконий повышает температуру плавления эв

тектики в тройной системе Mg – Zn – Zr до 450 °С и существенно уменьшает интервал кристаллизации. При содержании более 0,7 % цирконий оказывает модифицирующее действие, образуя в расплаве дополнительные центры кристаллизации.

Сплавы II группы отличаются повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Дополнительное легирование сплавов редкоземельными элементами позволяет повысить жаропрочность, плотность и свариваемость отливок.

Проведение плавки этих сплавов затруднено изза медленного растворения циркония.

Сплав МЛ12 является представителем только тройной системы Mg – Zn – Zr. По сравнению со сплавами МЛ5 и МЛ6 он обладает повышенной пластичностью. Литейные свойства удовлетворительные. Склонность к газоусадочной пористости ниже, чем у сплава МЛ5.

В литом состоянии механические свойства МЛ12 выше, чем у всех остальных магниевых сплавов (см. табл. 16). Его можно применять для ответственных деталей в литом состоянии. Однако сложный фазовый состав и изменение размеров областей твердых растворов цинка и циркония в магнии в зависимости от температуры дают возможность проводить упрочняющую термическую обработку. Прочность сплава после ТО по режимам Т1 и Т6 возрастает на 15–20 % с сохранением хорошей пластичности.

Свойства сплава мало зависят от толщины стенки отливки. По жаропрочности и усталостной прочности МЛ12 существенно превосходит сплав МЛ5. Его рекомендуется использовать для высоконагруженных деталей, работающих при ударных и вибрационных знакопеременных нагрузках: различных корпусов, колес самолетов и т.п. Рабочие температуры достигают до 200 °С, а при кратковременной эксплуатации – до 250 °С. К недостаткам сплава можно отнести несколько худшую технологичность (склонность к образованию трещин при литье и при заварке дефектов).

Сплав МЛ8 отличается по составу повышенным содержанием цинка и добавкой кадмия, который полностью находится в твердом растворе. По прочности МЛ8 уступает только более дорогому сплаву МЛ9.

Сплав предназначен для отливок средненагруженных деталей, работающих при температуре до 150 °С.

Сплавы могут длительно работать при температурах 250–350 °С и кратковременно – при температурах до 400 °С. Все они отличаются хорошими литейными свойствами, высокой герметичностью и малой склонностью к образованию горячих трещин. Высокие механические свойства однородны в сечениях различной толщины. Сплавы хорошо свариваются аргоннодуговой сваркой. В разд. 3.2 было показано, что многие РЗМ могут служить основными и вспомогательными легирующими добавками. В промышленных сплавах нашли применение лантан, неодим, церий и иттрий. Все сплавы магния с РЗМ содержат цинк и цирконий. Цинк и цирконий упрочняют твердый раствор. Цирконий дополнительно измельчает зерно, повышает механические и технологические свойства.

Сплавы МЛ9 и МЛ10 относятся к системе Mg – Nd – Zr. Структура сплавов представляет собой твердый раствора неодима, циркония и цинка или индия (МЛ9) в магнии и эвтектики по границам зерен, в состав которой входит соединение Mg9Nd (рис. 26). После термической обработки соединение Mg9Nd принимает округлую форму. Внутри зерна появляются мелкодисперсные частицы продуктов распада твердого раствора (рис. 27).

В сплаве МЛ9, который содержит больше неодима, наблюдается и большее количество избыточной фазы Mg9Nd по границам зерен, чем в сплаве МЛ10.

Механические свойства сплавов при комнатной температуре достаточно высокие, но главным является то, что они хорошо сохраняются при повышенных (до 250 °С) температурах. Сплавы применяют для изготовления деталей двигателей и самолетов: различные корпуса, рамы, каркасные детали, детали управления.

Вредными примесями в сплавах МЛ9 и МЛ10 являются алюминий, кремний и железо. Они образуют с цирконием нерастворимые в магнии соединения и тем самым выводят цирконий из сплава, уменьшая его полезное влияние. Сплавы рекомендуется применять в термически обработанном состоянии по режиму Т6. Коррозионная стойкость сплавов удовлетворительная и не уступает сплаву МЛ5.

Сплав МЛ11 отличается от других сплавов данной группы тем, что в его состав входит смесь РЗМ, так называемый мишметалл. Основу мишметалла составляет церий (до 75 %). Среди прочих РЗМ, входящих в него, можно назвать лантан, неодим, празеодим и др. По ГОСТ 2856–79 конкретное содержание этих элементов не оговаривается.

Литейные магниевые сплавы

а                                                    б

Рис. 26. Микроструктура сплавов системы Mg Nd Zr в литом состоянии (×200): а сплав МЛ9; б сплав МЛ10

Литейные магниевые сплавы

б

Рис. 27. Микроструктура сплавов системы Mg Nd Zr после ТО по режиму Т6 (×200): а сплав МЛ9; б сплав МЛ10

Структура сплава МЛ11 (рис. 28) похожа на структуру сплавов МЛ9 и МЛ10. Она представляет собой твердый раствор РЗМ, цинка и циркония в магнии. По границам зерен располагается эвтектика, содержащая Mg9Ce (см. рис. 28, а).

После ТО по режимам Т4 и Т6 сетка по границам зерен разбивается. Частицы интерметаллида Mg9Ce принимают округлую форму. Внутри зерен наблюдаются мелкодисперсные частицы продуктов распада твердого раствора (см. рис. 28, б и в). Сплав отличается высокой прочностью и герметичностью. Механические свойства при комнатной температуре довольно низкие, но они сохраняются при нагреве, а при высоких температурах свойства близки к свойствам МЛ10. Применяют МЛ11 для средненагруженных деталей, нагревающихся при эксплуатации до 250 °С, и для деталей, требующих высокой герметичности.


читать далее »

Литейные алюминиевые сплавы Литейные алюминиевые сплавы

Современное машиностроение уже невозможно представить без литейных алюминиевых сплавов. Доля отливок из этих сплавов в среднем составляет 60–65 % от валового выпуска отливок из всех цветных сплавов.

В соответствии с ГОСТ 1583–93 все литейные алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп:

-    I – сплавы на основе системы Al – Si – Mg;

-    II – сплавы на основе системы Al – Si – Cu;

-    III – сплавы на основе системы Al – Cu;

-    IV – сплавы на основе системы Al – Mg;

-    V – сплавы на основе системы Al – прочие компоненты. Химический состав алюминиевых литейных сплавов и основ

ные механические свойства приведены в табл. 9, а технологические и физические свойства – в табл. 10 и 11.

При комнатной температуре растворимость кремния снижается до 0,01 %. Эвтектика ? + Si содержит 12,5 % Si по массе, или 12,2 ат. %, и плавится при температуре 577 °С. Опыт показал, что эвтектические сплавы, точка эвтектики которых располагается близко к основному компоненту, имеют отличные литейные свойства. Это полностью подтверждается в системе алюминий–кремний. Эвтектический сплав АК12 (АЛ2) имеет лучшую жидкотекучесть из всех алюминиевых сплавов – 420 мм по прутковой пробе. Линейная усадка этого сплава менее 1 %. Горячие трещины в отливках из сплава АК12 не образуются даже в проблемных местах перехода от толстых сечений к тонким частям. Большинство сплавов І группы относится к доэвтектическим силуминам. Все они характеризуются узким интервалом кристаллизации. Литейные свойства лишь немного уступают сплаву АК12. Малая склонность к образованию трещин при затрудненной усадке и рассеянной усадочной пористости позволяют получать из них фасонные отливки с высокой герметичностью. Из сплавов АК7 и АК9 изготовляют корпуса изделий, работающих под повышенным давлением газовых и жидких сред, например, корпуса топливных насосов.

Механические свойства всех силуминов в первую очередь зависят от формы и размеров кристаллов кремния в эвтектике. При медленном охлаждении (литье в песчаноглинистые формы) образуются крупные кристаллы Si игольчатой формы. Это снижает механические свойства силуминов, особенно пластичность. Быстрое охлаждение (литье в кокиль) измельчает структуру, повышает прочность и пластичность. Еще более эффективно модифицирование расплава натрием, стронцием или другими модификаторами. Толстостенные отливки получают только из модифицированных силуминов.

Термическая обработка простых (двойных) силуминов упрочняющего эффекта не дает. Отливки из сплава АК12 используют либо без термической обработки, либо подвергают отжигу (режим Т2), который позволяет повысить пластичность. Введение в доэвтектические силумины магния в количестве 0,17–0,55 % приводит к образованию дополнительной фазы Mg2Si, с переменной растворимостью в твердом растворе ?Al, что повышает упрочняемость в процессе ТО по режимам Т4, Т5, Т6. Из тройной диаграммы Al – Si – Mg, приведенной на рис. 9, видно, что других соединений в приведенной части системы нет. Равновесная растворимость Mg не превышает 0,5–0,6 %. Фактическая растворимость при реальных скоростях охлаждения значительно ниже. Избыточное количество Mg (сверх растворимости) выделяется в виде крупных скоплений Mg2Si. Это приводит к росту прочности, но снижению пластичности силуминов. Если от сплава требуется высокая прочность, то содержание Mg выбирают на верхнем пределе, а если требуется сохранить пластичность, то его содержание ограничивают до 0,2–0,3 %.

Литейные алюминиевые сплавы

1%                  10                         20                        30                       Si %

Рис. 9. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al – Si – Mg

Упрочняющее влияние фазы Mg2Si растет при повышении содержания Si, однако это сопровождается повышением склонности к образованию газоусадочной пористости и концентрированных усадочных раковин. В связи с этим Mg вводят только в сплавы, содержащие не более 10 % Si. В сплаве АК12 магний не допускается даже в примесях.

Наиболее вредной примесью для силуминов является железо. Образующаяся тройная фаза AlFeSi кристаллизуется в форме грубых игольчатых включений, резко снижающих пластичность.

Для нейтрализации вредного влияния железа в сплавы вводят 0,2–0,5 % Mn (АК9) или 0,15–0,4 % Be (АК8), которые образуют более сложные фазы, кристаллизующиеся в компактной форме. Измельчение структуры, например, в результате увеличения скорости охлаждения также уменьшает вредное влияние Fe. В связи с этим в сплавах, предназначенных для литья в кокиль или ЛПД, допускается более высокое содержание Fe, чем в сплавах для литья в песчаные формы. Повышенное содержание Fe в расплаве при ЛПД даже полезно, так как способствует повышению стойкости прессформ.

Микроструктура силуминов показана на рис. 10. В доэвтектических сплавах видны дендриты твердого раствора ? и эвтектика ? + Si (рис. 10, а). При увеличении содержания кремния растет количество эвтектики (рис. 10, б). В сплаве эвтектического состава (рис. 10, в) хорошо видны игольчатые кристаллы кремния, которые равномерно распределены в твердом растворе ?. В завтектических силуминах (рис. 10, г) появляются компактные кристаллы первичного Si.

К недостаткам силуминов можно отнести повышенную склонность к насыщению водородом и, как следствие, повышенную склонность к образованию газовой пористости. Сплавы плохо обрабатываются резанием. Изза выкрашивания частиц хрупкого кремния обработанные поверхности имеют повышенную шероховатость. Силумины плохо свариваются.

Сплав АК12 (АЛ2) является наименее прочным из силуминов (см. табл. 9). Эвтектический состав обеспечивает ему лучший комплекс литейных свойств. Он нашел самое широкое применение в машиностроении и приборостроении для литья деталей любой сложности, не несущих больших нагрузок. Рабочие температуры не выше 200 °С.

полностью переходит в твердый раствор. Если не проводить искусственное старение, то постепенно произойдет естественное старение, при этом возможно коробление деталей. Большое количество эвтектики определяет хорошие литейные свойства сплава. Кроме того, он обладает высокой герметичностью, хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью газовой и аргоннодуговой сваркой. Сплав рекомендуется применять в модифицированном состоянии. Механические свойства сплава средние, обрабатываемость резанием удовлетворительная. Механические и некоторые другие свойства, например герметичность, повышаются при снижении количества примесей.

Высокая технологичность сплава способствует его широкому применению в различных отраслях промышленности для литья сложных по конфигурации средненагруженных деталей приборов, агрегатов и двигателей, работающих при температурах не выше 200 °С. Сплавы АК7ч и АК7пч (АЛ91) используют для деталей более ответственного назначения.

Сплав АК9 (АЛ4) отличается от АК7 повышенным содержанием кремния и наличием марганца. Марганец введен для нейтрализации вредного влияния примеси железа. Железосодержащая фаза AlSiFe кристаллизуется в виде крупных пластинчатых частиц (рис. 11, а), которые снижают прочность и особенно – пластичность сплава. При наличии марганца образуется четверное соединение AlSiMnFe в более благоприятной компактной форме (рис. 11, б).

Сплав АК9 и его модификации АК9ч, АК9пч являются одними из наиболее прочных силуминов. Для устранения грубокристаллического строения эвтектики сплав необходимо модифицировать. Эффект модифицирования можно заметить, сравнив структуру сплава в литом состоянии (см. рис. 10, б) со структурой сплава, модифицированного натрием (см. рис. 11, б).

Литейные алюминиевые сплавы

а                                                    б

Рис. 11. Эффективность модифицирования силуминов:

а    немодифицированный сплав, содержащий 1,5 % Fe Ч 250;

б модифицированный сплав АК9

Модификатор измельчает кристаллы кремния в эвтектике и железистую фазу. Для устранения склонности к газовой пористости процесс кристаллизации крупногабаритных отливок осуществляется под повышенным давлением в автоклаве, что предотвращает выделение растворенного водорода и способствует получению плотных отливок. Из сплава отливают крупные и средние детали сложной конфигурации (корпуса насосов, картеры, блоки цилиндров двигателей и т.д.), работающие в условиях значительных нагрузок и внутренних давлений при температурах не выше 200 °С.

Сплавы АК8л (АЛ34) и АК10Су применяются реже, чем другие силумины. Они имеют более сложную технологию плавки и литья. В сплав АК8л введен бериллий, который обладает лучшей способностью к нейтрализации железа, снижает окисляемость сплава, но одновременно приводит к росту зерна. Для измельчения структуры в сплав добавлен титан. По прочности АК8л существенно превосходит сплавы АК7 и АК9. Он предназначен для литья сложных по конфигурации  и  крупных  корпусных  деталей,  работающих  под

большим внутренним давлением газа или жидкости и испытывающих большие напряжения при эксплуатации.

Сплавы II группы (АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5) в качестве основных компонентов содержат кремний от 4 до 22 % и медь от 0,5 до 8 %. Медистые силумины представляют собой наиболее многочисленную группу алюминиевых сплавов. В зависимости от состава свойства этих сплавов меняются в широких пределах. По сравнению с обычными силуминами с одинаковым содержанием кремния, эти сплавы отличаются повышенной прочностью и твердостью, что объясняется большим пересыщением твердого раствора ?. По этой же причине медистые силумины могут работать при более высоких температурах, чем простые силумины. Повышению жаропрочности способствует и появление новых упрочняющих фаз, таких как CuAl2. В ГОСТ 1583–93 остался только один сплав АК8М3 тройной системы Al – Si – Cu. Все остальные содержат еще однудве добавки: магний, марганец и др.

В связи с более сложным составом все сплавы II группы имеют многофазную структуру. Основными структурными составляющими являются первичные кристаллы твердого раствора ?, двойная эвтектика ? + Si и тройная эвтектика ? + Si + CuAl2. В сплавах, содержащих Mg, появляется и четверная эвтектика ? + Si + CuAl2 + Mg2Si. Примеси железа образуют игольчатые включения железистой составляющей (AlFeSi). Добавки марганца, как и в простых силуминах, придают железистой составляющей (AlFeSiMn) более компактную форму, в меньшей степени снижающую пластичность.

На рис. 12 приведена микроструктура сплава АК5М2. Она представляет собой дендриты ? – твердого раствора с игольчатой эвтектикой ? + Si. Кроме того, заметны включения фазы CuAl2 и железосодержащие фазы.

Литейные алюминиевые сплавы

Рис. 12. Микроструктура сплава АК5М2

Структура заэвтектического силумина АК21М2,5Н2,5 содержит кристаллы первичного кремния и эвтектику ? + Si. Добавки никеля в этом сплаве создают своеобразный каркас из дополнительной никелевой фазы, которая существенно повышает жаропрочность.

Все сплавы II группы, несмотря на существенные различия в химическом составе, имеют узкий интервал кристаллизации и сохраняют отличные литейные свойства. Жидкотекучесть лишь немного хуже, а линейная усадка чуть больше, чем у простых силуминов. Сплавы более склонны к образованию усадочных дефектов и горячих трещин при затрудненной усадке. Краткая характеристика некоторых медистых силуминов приведена ниже.

Сплав АК5М (АЛ5) обладает достаточно высокой прочностью при комнатной температуре (не менее 235 МПа, ТО по режиму Т6) и повышенной жаропрочностью. К недостаткам сплава относится низкая пластичность и пониженная коррозионная стойкость, которую можно повысить более чем в 2 раза путем снижения содержания железа. Сплав обладает хорошими литейными свойствами. Герметичность его несколько хуже, чем у простых силуминов. Сплав

практически не склонен к образованию горячих трещин. Он хорошо обрабатывается резанием, удовлетворительно сваривается аргоннодуговой сваркой. Сплав предназначен для литья средненагруженных деталей, работающих при температурах не выше 250 °С (головки цилиндров, детали агрегатов и т.д.).

Аналогичный по составу сплав АК5Мч отличается от прототипа низким содержанием примесей и добавкой титана, который измельчает зерно и повышает прочность и пластичность.

Сплав АК8М (АЛ32) характеризуется сочетанием достаточно высоких значений прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. Для него характерны хорошие литейные свойства и удовлетворительная коррозионная стойкость. Герметичность сплава близка к герметичности сплава АК12. Горячеломкость, линейная и объемная усадки такие же, как у сплава АК9. Сплав применяют для изготовления деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре до 150 °С.

Сплав АК8М3ч (ВАЛ8) относится к группе высокопрочных. Высокая прочность достигнута в результате дополнительного многокомпонентного макро(медь, цинк) и микролегирования (бериллий, титан и бор) базовой системы Al – Si – Mg. Огромное влияние на прочностные характеристики этого сплава оказывают и термовременные параметры термической обработки. Совместное введение меди и цинка обеспечивает существенный прирост прочности при сохранении пластичности. Медь и магний влияют на эффективность ТО. Бериллий нейтрализует вредное влияние железа, снижает окисляемость сплава в жидком состоянии и повышает коррозионную стойкость. Бор и титан оказывают модифицирующий эффект. Наибольшая прочность (выше 400 МПа) достигается при термообработке по режиму Т5 (закалка и старение при 160 °С, 8 ч). Сплав рекомендуется для производства силовых и герметичных деталей с рабочими температурами до 250 °С. Он может заменить (унифицировать) собой все остальные медистые силумины. По комплексу технологических свойств сплав АК8М3ч превосходит все другие сплавы этой группы. Приготовление сплава не требует специального

оборудования, но все же технология его плавки и литья более трудоемка. Из экономических соображений использование только сплава АК8М3ч нецелесообразно. Отливки менее ответственного назначения можно изготовлять из более простых сплавов.


читать далее »

Литейные латуни Литейные латуни

Из всех тяжелых цветных сплавов наибольшее распространение в машиностроении получили латуни. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют достаточно высокие механические свойства.

Латунями называют сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Различают простые (двойные) латуни и специальные, которые содержат одну или несколько других добавок. Чаще всего в латуни добавляют Pb, Al, Si, Mn, Fe и Ni. Специальные латуни обычно называют по преобладающей добавке: свинцовые, кремнистые, марганцовые, алюминиевые. Для фасонного литья простые латуни используют редко.

Базовая диаграмма состояния системы Cu – Zn приведена на рис. 36.

На диаграмме выделяются пять перитектических площадок. По отдельным ветвям ликвидуса между ними из жидкости кристаллизуется шесть различных фаз: ?, ?, ?, ?, ?, и ?. Рассмотрим только три первые фазы, имеющие практическое значение.

Фаза ? является типичным твердым раствором замещения, где в ГЦК решетке чистой меди часть мест атомов меди занимают атомы цинка. Предельная растворимость цинка в меди достигается при температуре 454 °С. При более высокой температуре растворимость снижается до 32,5 % (902 °С), а при комнатной температуре составляет около 35,2 %. Эта фаза является мягкой, пластичной и не слишком прочной структурной составляющей.

Фаза ? также является твердым растворм, но его основой является не медь, а химическое соединение CuZn с ОЦК решеткой. Область существования этой фазы сужается при понижении температуры. При этом в сплавах, лежащих по обе стороны от этой области, проис

ходит распад ?фазы с выделением ?или ?кристаллов. Фаза ? наиболее прочная структурная составляющая, но обладает малой пластичностью. Причиной падения пластичности является образование упорядоченного твердого раствора, который обозначается ? '. При температурах ниже 454468 °С атомы меди в решетке ?фазы располагаются в вершинах куба, а атомы цинка занимают место в центре.

Фаза ? является твердым раствором на основе химического соединения Cu5Zn8, имеющего сложную кубическую решетку. Это очень хрупкая и малопрочная составляющая.

Отсюда следует, что практическое значение могут иметь только однофазные (? или ?) и двухфазные ? + ? сплавы, содержащие не более 50 % Zn. Появление ?фазы в рабочих сплавах недопустимо.

Наиболее часто в двойных латунях встречаются такие примеси, как железо, висмут, свинец, сурьма, мышьяк и фосфор. Железо в не

больших количествах от 0,1 до 0,2 % не оказывает заметного влияния на механические свойства двойных латуней, остальные примеси охрупчивают сплавы.

Введение третьего компонента в двойные латуни может существенно изменить их структуру и свойства. Экспериментально установлено, что любая добавка третьего компонента сдвигает границы структурных областей латуни.

Судить о структуре многокомпонентных сплавов необходимо по диаграммам состояния тройных, четверных и более сложных систем, которые сложно представить в доступной форме. На практике используют диаграмму состояния системы Cu – Zn, а влияние добавок учитывают при помощи коэффициентов эквивалентности, показывающих, какое количество цинка заменяет введенная добавка.

Каждый новый компонент влияет на структуру, также как и цинк, но эффект от добавки 1 % этого компонента иной. Численные значения коэффициентов эквивалентности были установлены французским металлургом Гийе (Guillet): Si 10–12, Al 4–6, Sn 2, Pb 1, Fe 0,9, Mn 0,5, Ni –1,3. Коэффициент эквивалентности никеля имеет знак «минус», т.е. его добавка аналогична увеличению содержания меди (уменьшению содержания цинка). В общем случае для любой многокомпонентной латуни можно определить кажущееся содержание цинка (Zn') по формуле

Zn' = (Zn + ? ЭК/ Zn + Cu + ? ЭК)100 %,

где Zn, Cu и Э – действительные содержания Zn, Cu и добавляемого элемента в процентах; К – коэффициент эквивалентности добавляемого элемента.

Таким образом, зная коэффициенты эквивалентности Гийе и состав латуни, можно прогнозировать структуру латуни по диаграмме состояния Cu – Zn. Например, легко подсчитать, что структура латуни, содержащей 25 % Zn, 5 % Al, 1 % Fe и 69 % Cu, будет аналогична структуре двойного сплава с 42,4 % Zn (коэффициент эквивалентности Al принят равным 5). Необходимо иметь в виду, что речь идет только о структуре. Механические свойства много

компонентной латуни будут существенно отличаться от свойств двойной латуни, содержащей 42,4 % Zn.

Химический состав литейных латуней приведен в табл. 26, а механические свойства этих сплавов – в табл. 27.

Таблица 26

Химический состав литейных латуней по ГОСТ 17711–93

 

Основные элементы, % (остальное – Zn)

Допусти

мая сум

ма при

месей

Марка латуни

Cu

Al

Fe

Mn

Si

Рb

ЛЦ40С

57,0–61,0

0,8–2,0

2,0

ЛЦ40Сд

58,0–61,0

0,8–2,0

1,5

Лц40Мц1,5

57,0–60,0

1,0–2,0

2,0

ЛЦ40Мц3Ж

53,0–58,0

0,5–1,5

3,0–4,0

1,7

ЛЦ40Мц3А

55,0–58,5

0,5–1,5

2,5–3,5

1,5

ЛЦ38Мц2С2

57,0–60,0

1,5–2,5

1,5–2,5

2,2

ЛЦ30А3

66,0–68,0

2,0–3,0

2,6

Лц25С2

70,0–75,0

0,5–1,5 Sn

1,0–3,0

1,5

ЛЦ23А6Ж3Мц2

64,0–68,0

4,0–7,0

2,0–4,0

1,5–3,0

1,8

ЛЦ16К4

78,0–81,0

3,0–4,5

2,5

ЛЦ14К3С3

77,0–81,0

2,5–4,5

2,0–4,0

2,3

Таблица 27

Механические свойства литейных латуней

 

Марка латуни

Способ литья

Механические свойства, не ниже

?в, МПа

?, %

HB

ЛЦ40С

П К,Ц

215 215

12 20

70 80

ЛЦ40Сд

Д К

196 264

6 18

70 100

ЛЦ40Мц1,5

П К,Ц

372 392

20 20

100 110

ЛЦ40Мц3Ж

П К Д

441 490 392

18 10 10

90 100 90

Окончание табл. 27

 

Марка латуни

Способ литья

Механические свойства, не ниже

?в, МПа           ?, %              HB

ЛЦ40Мц3А ЛЦ38Мц2С2

К,Ц П К

441 245 343

15 15 10

115 80 85

ЛЦ30А3

П К

294 392

12 15

80 90

ЛЦ25С

ЛЦ23А6Ж3Мц2

П П К

146 686 705

8 7 7

60 160 165

ЛЦ16К4

П К

294 343

15 15

100 110

ЛЦ16К3С3

П К

245 294

7 15

90 100

Комплексное легирование специальных латуней позволяет улучшить их механические и технологические свойства. Алюминий повышает прочность, жидкотекучесть и коррозионную стойкость латуни. Марганец, увеличивая прочность и коррозионную стойкость, несколько снижает жидкотекучесть. Железо измельчает структуру и, следовательно, улучшает механические свойства. Кремний повышает прочность латуни, сохраняя ее пластичность, и улучшает литейные свойства. Свинец придает сплавам антифрикционные свойства и способствует лучшей обрабатываемости резанием.

Свинцовые латуни ЛЦ40С и ЛЦ40Сд нашли наиболее широкое применение в промышленности. Свинец нерастворим в твердой меди и в латуни присутствует по границам зерен в виде самостоятельной мягкой фазы. Это улучшает антифрикционные свойства латуни.

Из этой латуни отливают различную арматуру, в том числе бытовые кранысмесители, втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников и другие детали.

Марганцовые латуни ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ37Мц2С2К имеют двухфазную структуру. Марганец хорошо растворяется в меди. Он повышает механические свой

ства и коррозионную стойкость в морской воде. Добавки железа способствуют измельчению зерна, что приводит к повышению прочности и вязкости. Алюминий в еще большей степени, чем железо, повышает прочность и твердость марганцовых латуней. Добавки свинца, выделяющегося в виде мелких включений, улучшают антифрикционные свойства. Микроструктура некоторых марганцовых латуней показана на рис. 38.

Литейные латуни

в

Рис. 38. Микроструктура марганцовых латуней: а ЛЦ38Мц2С2 ×120; б   ЛЦ 40Мц3Ж (55 % Cu) ×250; в    ЛЦ 40Мц3Ж (52 % Cu) ×250

Эти латуни применяются в основном в судостроении для литья разнообразных деталей: от крупных судовых винтов до мелкой арматуры. Латунь со свинцом ЛЦ38Мц2С2 применяется и для арматуры вагонных подшипников.

Алюминиевая латунь ЛЦ30А3 имеет хорошую жидкотекучесть, малую линейную усадку и является подходящим материалом для коррозионностойких деталей в морском и общем машиностроении.

Алюминиевожелезомарганцовая латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 является наиболее прочной из всех латуней. Упрочнение достигнуто за счет введения трех легирующих добавок, которые удачно дополняют друг друга. Предел прочности этого сплава может превышать 1000 МПа. Высокое суммарное содержание легирующих элементов обеспечивает получение однофазной ?структуры (рис. 39, а) с вкраплениями железосодержащей фазы.

К недостаткам латуни можно отнести следующую особенность. При содержании алюминия на верхнем пределе (свыше 6,8 %), а меди – на нижнем в структуре возможно появление хрупкой ?фазы (рис. 39, б). В этом случае пластичность отливок будет ниже 7 %, допустимых ГОСТом (см. разд. 2.2). Высокое содержание алюминия

приводит к повышенной окисляемости латуни и загрязнению сплава окисными пленами. Для их устранения необходимо рафинирование расплава при плавке.

Из латуни данной марки изготовляют детали ответственного назначения, работающие на изгиб при высоких знакопеременных нагрузках: нажимные винты и гайки нажимных винтов прокатных станов, массивные червячные винты и венцы червячных колес, другие детали.

Кремнистые латуни ЛЦ16К4 и ЛЦ16К3С3 отличаются лучшей жидкотекучестью из всех латуней. ЛЦ16К4 является коррозионностойким сплавом и применяется для получения сложных по конфигурации деталей приборов и арматуры. Добавка свинца в латуни ЛЦ16К3С3 повышает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Эта латунь успешно заменяет оловянные антифрикционные бронзы.

Некоторые физические и технологические свойства литейных латуней приведены в табл. 28.

Таблица 28

Физические и технологические свойства латуней

 

Марка латуни

Плотность,

Температура

Линейная

Объемная

Жидкотеку

г/см3

плавления, °С

усадка, %

усадка, %

честь, мм

ЛЦ40С, ЛЦ40Сд

8,5

885

2,2

5–6

580

ЛЦ40Мц1,5

8,2

880

1,6

5–6

560

ЛЦ40Мц3Ж

8,5

880

1,6

5–6

570

ЛЦ40Мц3А

8,4

920

1,8

5–6

550

ЛЦ38Мц2С2

8,5

880

1,8

5–6

400

Лц30А3

8,5

995

1,55

5–6

570

ЛЦ23А6Ж3Мц2

8,5

900

1,7

5–6

470

ЛЦ16К4

8,3

900

1,7

5–6

600

При производстве отливок из литейных латуней необходимо учитывать такое явление, как провал пластичности. При нагреве и охлаждении в интервале температур от 200 до 700 °С (для каждой марки латуни этот интервал имеет свои температурные границы)

резко снижаются такие характеристики, как относительное удлинение ?, относительное сужение ? и ударная вязкость KC. Если на отливку в этом хрупком интервале будут воздействовать динамические нагрузки, например при выбивке из форм, то на ней могут появиться холодные трещины.


читать далее »

Сплавы, имитирующие драгоценные металлы

С давних пор велись поиски материалов, способных если не заменить, то хотя бы имитировать драгоценные металлы и сплавы. При этом главное внимание обращали на цвет изделий. Ниже приведены некоторые отечественные и зарубежные материалы, из которых можно изготовлять художественные и ювелирные изделия при условии нанесения защитных покрытий, например, лаковых.

Алюминиевая бронза, или ауфир, аурал, ауфор – сплав, содержащий 10 % алюминия. Имеет красивую золотистожелтую окраску, умеренно противостоит воздействию воздуха и влаги, хорошо поддается полировке.

Батбронза (bathbronze) – сплав меди с 6 % олова, пригодный для имитации позолоты и литья художественных изделий.

Батметалл (bathmetall) – латунь, использовалась в Англии для производства столовой посуды.

Бельгика (belgika) – сплав под платину из 74,5 % железа, 16,6 % хрома и 8,9 % никеля.

Вермей (vermeil) – французское наименование позолоченного на огне серебра.

Гамельтон металл (hamiltonmetell) – латунь с 33,3 % Zn золотистожелтого цвета.

Голдин (goldin) – алюминиевая бронза, используемая в Германии для изготовления дешевых ювелирных изделий.

Дюраметалл (durametall) – алюминиевая латунь золотистобронзового цвета, используемая в Германии для изготовления ювелирных и художественных изделий.

Золото musiv пластинки сульфидного олова с золотым блеском, которые применяются для золочения, не разъедаются серой и сероводородом и не чернеют.

Мангеймское золото – оловянистая латунь (83,6 % Cu, 9,4 % Zn и 7 % Sn), изделия по цвету похожи на золото и обычно подвергаются золочению.

Новое золото – оловянистая латунь (85 % Cu, 13 Zn и 2 % Sn), золотистый сплав для изготовления мелких изделий (брошки, цепочки и др.).

Нюрнбергское золото – сплав меди с 2 % Au и 7 % Al, по окраске совершенно похож на золото.

Мозаичное золото – латунь с 34 % Zn с оттенком самородного золота.

Орайде (oreide), или «французское золото» – оловянистая латунь с 15 % Zn и 5 % Sn) или двойная латунь с 13 % Zn.

Пинчбек (pincbeek) – латунь с содержанием цинка от 7 до 17 %, применялась английским часовщиком Пинчбеком для изготовления общедоступных украшений, бижутерии, окладов (такая латунь у нас называется томпак).

Симилор – оловянистая латунь с 9,3 % Zn и 7 % Sn, похожая по окраске на золото и применяемая для изделий с последующим золочением.

Сплав алюминия по Крупу – алюминий с добавками от 7,0 до 8,5 % меди и от 4,5 до 5,5 % олова, легко льется, полируется, готовые изделия имеют красивый блестящий вид.


читать далее »

Литейные цинковые сплавы Литейные цинковые сплавы

При взаимодействии с другими элементами цинк не образует непрерывных твердых растворов ни с одним элементом. Только 9 элементов имеют растворимость в цинке более 1 %. Так как цинк является плохим растворителем, то для него можно подобрать только вспомогательные легирующие добавки, к которым можно отнести Li, Mg, Al, Mn, Cu, Pd, Ag, Pt, Au. Экономически целесообразно использовать только Mg, Al, Mn, Cu. Каждый из этих элементов по отдельности не может вызвать достаточно большого растворного упрочнения изза низкой растворимости. Mg, Al, Mn обладают высокими взаимными растворимостями, и их можно вводить совместно. Промышленные цинковые сплавы разработаны на базе систем Zn–Al и Zn–Al–Cu. Сведений об использовании Mn в цинковых сплавах мало. Практически во все цинковые сплавы введена добавка магния (до 0,1 %), что повышает размерную стабильность литых деталей и увеличивает коррозионную стойкость сплавов.

Диаграмма состояния базовой системы приведена ранее, на рис. 19. Максимальная растворимость алюминия в цинке составляет 2,4 ат. %, или 1,1 мас. %. В системе происходят два превращения: эвтектическое при температуре 382 °С и монотектическое при 275 °С.

Структура двойного сплава цинка с алюминием (рис. 54, а) представляет собой первичные дендритные (светлые) кристаллы ?фазы и эвтектику ?+? (остальное темное поле). При введении меди в сплаве появляются кристаллы твердого раствора меди в цинке (?фаза), а также двойная (? + ?) и тройная (? + ? + ?) эвтектики (рис. 54, б).

Литейные цинковые сплавы

а                                                    б

Рис. 54. Микроструктура цинковых сплавов: а – Zn + 4 % Al; б – Zn + 4 % Al + 1 % Cu

Марки и химический состав литейных цинковых сплавов в соответствии с ГОСТ 25140–93 представлены в табл. 44. Маркировка сплавов осуществляется по наиболее распространенной схеме: при помощи букв и цифр, показывающих средний состав сплава, но в новом стандарте изменен порядок простановки букв и цифр (ЦАМ4–1 – прежняя маркировка, ЦА4М1 – новая маркировка). Подстрочными индексами обозначают назначение сплава. Так, сплав ЦА4М1 используют для деталей ответственного назначения, сплав ЦА4М1О – для деталей особо ответственного назначения, а сплав ЦА4М1В (из вторичных шихтовых материалов) – для не ответственных деталей.

Все литейные цинковые сплавы имеют очень узкий температурный интервал кристаллизации, содержат большое количество эвтектики, поэтому обладают хорошей жидкотекучестью и позволяют получать плотные отливки. Лучшими способами получения отливок являются литье под давлением и литье в кокиль. Относительно низкая температура литья (440–470 °С) определяет легкие условия работы прессформ и кокилей, а высокая жидкотекучесть позволяет отливать тонкостенные детали сложной формы. При литье под давлением получают отливки с точными размерами, не требующие дальнейшей обработки резанием, в том числе отливают и резьбы. При ЛПД удобно использовать машины с горячей камерой прессования. В некоторых случаях (детали особо сложной конфигурации) применяется и литье в песчаные формы, но отливки, полученные таким способом, содержат большое количество пор, имеют более крупнозернистую структуру, что приводит к снижению и значительному разбросу характеристик механических свойств. При быстром охлаждении сплавов превращения в твердом металле не успевают завершиться полностью. В процессе дальнейшего естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров (усадка) отлитых деталей (на 0,07–0,09 %). Две трети усадки происходит в течение 4–5 недель, остальное – в течение многих лет. Для стабилизации размеров вводят магний и применяют термообработку – стабилизирующий отжиг (3–6 ч при 100 °С, или 5–10 ч при 85 °С, или 10–20 ч при 70 °С). Механические свойства литейных цинковых сплавов приведены в табл. 45, а некоторые физические и технологические свойства – в табл. 46.

Цинковые сплавы нельзя использовать при повышенных и пониженных температурах. Уже при 110 °С предел прочности снижается на треть, а твердость – на 40 %. Ниже 0 °С сплавы становятся хрупкими.

Среди литейных цинковых сплавов по составу и свойствам выделяется ЦА30М5. По прочности и особенно по пластичности он превосходит все остальные.

Таблица 45

Механические свойства литейных цинковых сплавов

 

Марка сплавов

Способ литья

Механические свойства, не менее

?в, МПа

?, %

Твердость, НВ

ZnA14A

K

196

1,2

70

ЦА4о, ЦА4

Д

256

1,8

70

ZnA14Cu1A, ЦА4М1о, ЦА4М1

К Д

215 270

1,0 1,7

80 80

ЦА4М1в

К, Д

196

0,5

65

ZnA14Cu3A,

П

215

1,0

85

ЦА4М3о

К

235

1,0

90

ЦА4М3

Д

290

1,5

90

ЦА8М

К Д

235 270

1,5 1,5

70 90

ЦА30М5

К Д

435 370

8,0 1,0

115 115

П р и м е ч а н и е . В таблице приняты следующие обозначения способов литья: П – литье в песчаные формы; К – литье в кокиль; Д – литье под давлением.

Таблица 46

Некоторые физические и технологические свойства литейных цинковых сплавов (ГОСТ 2514093)

 

Марка сплава

Плотность, г/см3

Температурный интервал затвердевания, °С

Линейная усадка, %

Удельная теплоемкость при 20 °С, Дж/кг ×град–1

Теплопроводность, Вт/м × град–1

Коэффициент линейного расширения а×10–6, град–1

ЦА4

6,7

380–386

1,0

410

113

26,0

ЦА4М1

6,7

380–386

1,1

440

109

26,5

ЦА4М3

6,8

379–389

1,0

427

105

29,5

ЦА8М1

6,3

375–404

ЦА30М5

4,8

480–563

Цинковые сплавы могут подвергаться сварке и пайке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как сварные и паяные швы имеют низкую прочность. Оловянносвинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные детали с использованием флюса – подкисленного хлористого цинка. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5 % Cd + 17,5 % Zn. В этом случае флюс не требуется. Сварку ведут в восстановительном пламени с использованием присадки из того же сплава, что и свариваемые детали.

Наиболее широко литейные цинковые сплавы используются (табл. 47) в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлических тормозов, а также в других отраслях промышленности, бытовой технике для отливки деталей приборов, корпусов, арматуры и т.д.


читать далее »

Легкие цветные сплавы

  К легким металлам, имеющим плотность менее 5 г/см3, относятся 16 элементов, но только три из них используются в качестве основы для промышленных легких сплавов. Это алюминий, магний и титан. Сплавы на их основе представляют большой интерес для таких динамично развивающихся отраслей, как автомобилестроение, авиационная промышленность и ракетостроение.

Темпы развития производства отливок из этих сплавов непрерывно возрастают. Легкие сплавы все больше применяют в общем машиностроении, строительстве, для бытовых целей. Лучше всего освоено получение отливок из алюминиевых сплавов. Магниевые и титановые сплавы еще находятся в стадии совершенствования.

Малая плотность – одно из немногих свойств, которое объединяет эти сплавы в одну группу, хотя другие физикохимические свойства базовых легких металлов и сплавов на их основе имеют существенные отличия. В первую очередь они различаются по температуре плавления.

Некоторые физикохимические свойства легких цветных металлов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные физикохимические свойства легких цветных металлов

 

   

Металл

 

Свойство

       

Be

Mg

Al

Ti

Атомный номер

4

12

13

22

Атомная масса

9,013

24,320

26,981

47,880

Атомный радиус, нм

0,113

0,162

0,143

0,145

Плотность при 20 °С, г/см3

1,848

1,738

2,698

4,505

Температура плавления, °С

1287

650

660,24

1668

Температура кипения, °С

2450

1107

2520

3169

Давление пара при температуре

       

плавления, Па

 

520

106

1,3

Удельная теплота плавления, кДж/кг

1625

357

389,37

358,3

Удельная теплоемкость

       

при 20 °С, кДж/(кг·К)

1,826

1,048

0,9458

0,521

Удельная теплопроводность

       

при 20 °С, Вт/(м·К)

179

167

221,5

21,9

Коэффициент линейного термиче

       

ского расширения при 25 °С, × 106/К

12

26

23,3

8,41

Удельное электросопротивление

       

при 20 °С, мкОм·см

6,60

4,50

2,62

58,0

Легкие сплавы всегда рассматриваются как конструкционный материал для изделий, которые должны иметь минимальную массу и выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки. При этом выигрыш в массе имеет первостепенное и решающее значение.

В таком случае при выборе материала удобнее руководствоваться удельной прочностью сплавов, т.е. прочностью, приходящейся на единицу плотности сплава. В табл. 2 приведены основные механические свойства и удельная прочность некоторых легких литейных сплавов. Для сравнения в таблице приведены свойства самой распространенной литейной углеродистой стали 35Л.

Таблица 2

Основные механические свойства и удельная прочность некоторых легких сплавов

 

Сплавы

Режим ТО

ρ,

г/см3

МПа

δ, %

Удельная прочность, σв / ρ

АК12 (АЛ2)

 

2,65

157

2,0

59,24

АК9ч (АЛ4)

Т6

2,68

235

3,0

87,7

АК8М3ч (ВАЛ8)

Т5

2,80

392

4,0

140

МЛ5

Т4

1,8

235

5,0

130,6

МЛ8

Т4

1,8

265

4,0

147,2

ВТ5Л

 

4,41

765

6,0

173,5

ВТ20Л

 

4,50

932

5,0

207,1

Сталь 35Л

Норм.

7,85

500

15,0

63,7

Лучше всего освоены алюминиевые сплавы. Они отличаются высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Разнообразие составов литейных и деформируемых сплавов позволяет выбрать наиболее подходящий материал для деталей в самых разнообразных изделиях.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием, но уступают алюминиевым по пластичности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы имеют наиболее высокую удельную прочность, коррозионную стойкость, сохраняют прочность при повышенных температурах. Широкому распространению магниевых и титановых сплавов препятствует их высокая химическая активность. Они отличаются сложной технологией плавки и заливки.

В настоящее время к группе промышленных легких материалов приближаются бериллиевые сплавы. Бериллий немного тяжелее магния (плотность 1,84 г/см3). Его сплавы отличаются высокой прочностью и некоторыми другими важными свойствами. Изза высокой стоимости бериллия и экологических соображений эти сплавы пока применяются только для специальных целей.


читать далее »

Цинк Цинк

Цинк хорошо растворяется в меди и вызывает растворное упрочнение. Одновременно цинк улучшает пластичность. Он улучшает равномерность распределения свинца, способствует увеличению коррозионной стойкости бронзы в морской воде. Снижая интервал кристаллизации, цинк повышает жидкотекучесть, плотность и уменьшает склонность к обратной ликвации. В связи с таким благоприятным воздействием на свойства оловянных бронз цинк входит в состав большинства стандартных марок этих сплавов.

Свинец, наоборот, нерастворим в меди и образует в структуре самостоятельную мягкую фазу, повышающую антифрикционные свойства. Свинец в оптимальных концентрациях повышает жидкотекучесть и плотность бронз. Наиболее удачным сочетанием добавок олова, цинка и свинца являются концентрации по 5–6 % каждого (БрО5Ц5С5).

Фосфор является прекрасным раскислителем бронз. Небольшие добавки фосфора улучшают литейные, антифрикционные и механические свойства.

Легирование оловянных бронз никелем уменьшает ликвацию свинца, измельчает макроструктуру, повышает прочность и пластичность.

Как следует из табл. 30, литейные оловянные бронзы применяют для получения антифрикционных деталей, а также арматуры и деталей, работающих в пресной и морской воде, паровоздушной атмосфере. Бронзы со свинцом используют только в качестве антифрикционного материала. При литье в песчаные формы отливки имеют крупнозернистую структуру и повышенную усадочную пористость. Этот недостаток можно устранить модифицированием малыми добавками ванадия и бора или титана и бора (от 0,02 до 0,05 % каждого). Более плотными получаются и отливки в кокиль, особенно в кокиль с водяным охлаждением.

Микроструктура литейных оловянных бронз (рис. 42) сложнее, чем у двойных сплавов. Кроме ?твердого раствора или ?твердого раствора и эвтектоида ? + ?, появляются дополнительные фазы. Так, в бронзах с фосфором присутствует фосфид меди Cu3P или тройной эвтектоид ? + Cu3P + ? (см. рис. 42, а). В бронзах со свинцом (см. рис. 42, б) заметны включения свинца.

Литейные свойства оловянных бронз (см. табл. 31) можно признать удовлетворительными, и в целом они не вызывают больших сложностей при получении отливок. К достоинствам можно отнести малую величину линейной усадки. Основным недостатком, связанным с широким интервалом кристаллизации, можно считать склонность к рассеянной усадочной пористости изза широкого интервала кристаллизации.


читать далее »

Классификация и свойства чистых металлов Классификация и свойства чистых металлов

По промышленной классификации, все металлы периодической системы Д.И. Менделеева делятся на черные и цветные. К черным относится железо, все остальные считаются цветными, несмотря на то, что собственным, отличным от других металлов, цветом обладают только желтое золото и розовая медь. Все остальные металлы отличаются только оттенками серебристобелого, как у железа, и красноватого цвета. К черным металлам иногда относят и марганец, свойства которого очень близки к свойствам железа. К тому же он всегда присутствует в сплавах на основе железа.

Цветные металлы классифицируются по таким важнейшим физическим свойствам, как плотность, температура плавления, прочность и пластичность, электропроводность и коррозионная стойкость. Немаловажное значение имеет и стоимость металла.

Плотность металлов колеблется в широких пределах. Условным порогом, делящим металлы на легкие и тяжелые, является 5 г/см3. В одной группе с самым легким металлом литием, плотность которого 0,54 г/см3 почти в два раза легче воды, находятся: калий, натрий, кальций, магний, бериллий, алюминий, титан и др. Самым тяжелым металлом является осмий, плотность его составляет 22,48 г/см3. Из более распространенных тяжелых металлов отметим золото (19,3 г/см3), вольфрам (19,3 г/см3), свинец (11,34 г/см3) и медь (8,96 г/см3).

Температуры плавления чистых металлов находятся в интервале от –39 °С у ртути до 3400 °С у вольфрама.

Важными характеристиками металлов, используемых для конструкционных целей, являются механические свойства, в первую очередь прочность и пластичность. Большинство из металлов, которые служат основой конструкционных сплавов, имеют прочность более 50 МПа и пластичность выше 5 %. Наибольшую прочность имеет вольфрам (800–1000 МПа) и другие тугоплавкие металлы.

Лучшей электропроводностью из чистых металлов обладает серебро, затем следуют медь, золото, алюминий.

Коррозионную стойкость чистых металлов принято определять потерей массы с 1 см2 поверхности после выдержки в течение одного часа в разбавленной (30–60 %) азотной кислоте при комнатной температуре. Наибольшей коррозионной стойкостью обладают благородные металлы, хром, никель, ниобий, тантал, свинец. Однако при работе в обычных средах хорошую коррозионную стойкость имеют и другие чистые металлы, среди которых можно выделить цинк, алюминий и олово. Наряду с хромированием и никелированием их используют для защиты от окисления менее стойких металлических материалов (например, углеродистой стали) путем нанесения поверхностного покрытия (цинкования, алитирования, лужения).

Промышленное применение цветных металлов напрямую связано с их стоимостью. Многие из них дорогостоящие и дефицитные. Стоимость металлов является производной от степени совершенства технологии их производства, поэтому имеет тенденцию к постоянному снижению (если не происходит исчерпание запасов сырья и удорожание энергии). Те металлы, которые ранее относились к дорогим и редким, со временем могут перейти в категорию обычных, широко применяемых в промышленности. Так произошло с алюминием, стоимость которого с 1827 года снизилась более чем на три порядка. Сегодня это один из самых распространенных металлов, который экономически выгодно применять во всех отраслях народного хозяйства.


читать далее »

Особенности структуры и литейных свойств Особенности структуры и литейных свойств

При быстром охлаждении литой титан и титановые сплавы обычно имеют игольчатую микроструктуру, подобную мартенситу в сталях (рис. 33, а).

Особенности структуры и литейных свойств

Рис. 33. Микроструктура титана ВТ1 (×250): а литое состояние; б    после отжига

При первичной кристаллизации сначала образуются кристаллы ?фазы. В процессе охлаждения происходит полная фазовая перекристаллизация. Внутри зерен исходной ?фазы и формируются пластинчатые выделения ?фазы (ее иногда обозначают ?'фаза, так как кристаллическая решетка имеет искажения по форме и размерам от кристаллической решетки ?фазы). После отжига структура представляет собой зерна стабильной ?фазы (рис. 33, б).

Основные литейные свойства титановых сплавов приведены в табл. 23.

Таблица 23

Основные литейные свойства титановых сплавов

 

Марка сплава

tликв/ tсол

Жидкотекучесть, мм

Усадка, %

Линейная         Объемная

ВТ1Л ВТ5Л ВТ20Л ВТ31Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ21Л ВТ35Л

1670/1655 1640/1600 1620/1560 1620/1560 1650/1590 1620/1560 1650/1590 1630/1550 –

520 560 530

545 505

460 515

0,9–1,1 1,0–1,2 0,85–1,0

0,9–1,0

0,85–1,05

– 0,8–1,0 0,9–1,1

2,7–3,1 3,0–3,2 2,7–3,0

– 2,9–3,2 2,6–3,0

– 2,4–2,8 2,9–3,2

Отличительной чертой всех титановых сплавов является малый интервал кристаллизации, который не превышает 80 °С. Поэтому, как и все другие узкоинтервальные сплавы, они обладают достаточно хорошей жидкотекучестью. Стандартная методика определения жидкотекучести по спиральной пробе для титановых сплавов непригодна изза их химической активности. О.Н. Магницкий с сотрудниками предложили определять жидкотекучесть титановых сплавов путем заливки специальной спиральной пробы, выточенной из графита. Канал пробы имеет треугольное сечение с основанием 10 мм и высотой 15 мм.

Наиболее благоприятное влияние на жидкотекучесть оказывают добавки алюминия, который повышает теплоту кристаллизации. Несмотря на некоторое увеличение интервала кристаллизации, тепловой фактор оказывает более сильное влияние, и жидкотекучесть при повышении концентрации алюминия непрерывно возрастает. Наибольшей жидкотекучестью обладает сплав ВТ5Л. У сплавов с более широким интервалом кристаллизации (ВТ9Л, ВТ21Л) жидкотекучесть ниже. Остановка потока у узкоинтервальных сплавов происходит путем перемерзания, поэтому свариваемость встречных потоков плохая, и все титановые сплавы склонны к образованию «спаев». Особенно часто этот дефект появляется на протяженных плоских отливках.

Все титановые сплавы отличаются малыми значениями линейной и объемной усадки. Это способствует получению плотных отливок, если при плавке и заливке удается избежать образования газовой и газоусадочной пористости.

На литейные свойства накладывает отпечаток и высокая реакционная способность титановых расплавов. При взаимодействии титана с материалом литейных форм поверхностный слой отливок загрязняется примесями внедрения – азотом, углеродом и кислородом, которые ухудшают служебные свойства отливок. Наиболее опасен так называемый «альфированный слой», который содержит оксиды титана и отличается высокой твердостью и нулевой пластичностью. Альфированный слой на микрошлифах выделяется в виде светлой нетравящейся полоски вдоль поверхности отливки, его толщина может достигать 1,5 мм.


читать далее »

Состав и свойства чистой меди Состав и свойства чистой меди

Медь – химический элемент I группы периодической системы Д.И. Менделеева с порядковым номером 29 и атомной массой 63,54. Этот металл известен с глубокой древности. Как самородный металл, медь использовали еще 6–7 тысяч лет тому назад.

Медь имеет кубическую гранецентрированную решетку с параметром 0,36074 нм, она немагнитна, при нагреве и охлаждении полиморфных превращений не имеет.

Содержание меди в земной коре невелико и составляет всего лишь 0,0047 %. По объему добычи и использования среди металлов медь занимает третье место после железа и алюминия. С каждым годом она становится все более дефицитной. Если в XIX веке медь добывали из руд, содержавших 6–9 % этого металла, то сегодня промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5 % меди. Это указывает на необходимость создания экономичных, малоотходных технологических процессов плавки и литья медных сплавов и на широкое использование вторичных медных сплавов.

Чистая медь – пластичный и вязкий металл красного, а в свежем изломе – розового цвета. Со временем изделия из меди и её сплавов в присутствии влаги покрываются темнозеленой пленкой (патиной) основного карбоната Cu2(OH)2CO3.

Отличительной чертой меди и ее сплавов являются высокие значения электрои теплопроводности, а также коррозионной стойкости. В связи с этим до 50 % всей меди используется для электротехнических изделий. Благодаря высокой теплопроводности медь можно использовать для изделий, работающих в контакте с жидкими металлами и сплавами, температура плавления которых намного выше температуры плавления меди. В их числе можно назвать фур

мы кислородных конвертеров, кристаллизаторы для непрерывного или полунепрерывного литья, тигли для плавки тугоплавких металлов и сплавов и др.

Механические свойства меди в различных состояниях следующие:

 

Состояние

?в, МПа

?, %

НВ

Литое

Отожженное

Деформированное

180–250 200–280 400–600

15–40 20–50 0,5–3,0

110 45 –

Из представленных данных следует, что удельная прочность меди в литом и отожженном состояниях невысока. Пластичность меди достаточна для изготовления любых деформируемых полуфабрикатов. Прочность и твердость меди значительно повышаются путем пластической деформации. Механические свойства меди сохраняются при понижении температуры, поэтому ее можно использовать в криогенной технике.

Чистая медь устойчива против атмосферной коррозии, в пресной и морской воде, ряде химических агрессивных сред. Но она плохо сопротивляется действию аммиака, хлористого аммония, сернистого газа, минеральных кислот.

Плохие литейные свойства чистой меди затрудняют получение фасонных отливок. Она отличается низкой жидкотекучестью, высокой линейной (2,1 %) и объемной (11 %) усадкой, склонна к газопоглощению.

Медь маркируется буквой М и цифрами (номером) от 00 до 3, указывающими содержание примесей. В конце маркировки могут присутствовать индексы: б – бескислородная, р – раскисленная фосфором. В табл. 24 приведен химический состав некоторых марок чистой меди по ГОСТ 859–2001.

Чистота меди оказывает большое влияние как на ее свойства, так и на поведение при последующей обработке. Все примеси в значительной мере снижают наиболее значимые физические свойства меди: электропроводность и теплопроводность. К наиболее вредным примесям относятся висмут, свинец и кислород. Их можно легко обнаружить в металле металлографическим путем (рис. 34). Они располагаются по границам зерен в виде легкоплавких эвтектик Cu – Bi, Cu – Pb и Cu + Cu2O.

Состав и свойства чистой меди

в                                                     г

Рис. 34. Микроструктура чистой меди и меди с примесями: а   литая медь

Ч100; б медь с примесью висмута (0,2 %) × 200; в медь с примесью

свинца (0,3 %) × 200; г   медь с примесью кислорода (0, 05%) × 150


читать далее »

Состав и свойства чистого цинка

Цинк – блестящий серебристый металл с голубоватым оттенком. Его отличают высокая плотность (7,14 г/см3), низкие температуры плавления (419 °С) и кипения (907 °С). Аллотропических превращений при нагревании не происходит. Его содержание в земной коре составляет всего лишь 0,0083 %. Этим объясняется его дефицитность и довольно высокая стоимость, так как цинк является важным промышленным металлом и его расход растет с каждым годом. Среди металлов, которые являются основой сплавов, цинк по уровню производства занимает 4 место.

Цинк обладает высокой химической активностью. На воздухе он покрывается плотной защитной пленкой. Состав ее обычно не ZnO, а более сложный – nZnCO3·Zn(OH)2. Такая же пленка образуется и на поверхности оцинкованного железа, надежно защищая его от воздействия различных агрессивных сред. Почти половина производимого в мире цинка уходит на защиту различных стальных конструкций от коррозии путем химического и термодиффузионного оцинковывания. Часть цинка расходуется в полиграфической промышленности и для изготовления химических источников тока. Остальной цинк используется как легирующий элемент во многих сплавах, в первую очередь в латунях, и в качестве основы для собственных цинковых сплавов.

Цинк имеет гексагональную плотноупакованную решетку (ГПУ). Этим объясняется резкая анизотропия его свойств. Механические свойства литого цинка характеризуются следующими средними показателями: σв = 120…140 МПа, δ = 0,3…0,5 %, НВ 30–40. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопласти

чен. При 100–150 °С пластичность возрастает настолько, что он может подвергаться обработке давлением – прокатке, прессованию, штамповке и глубокой вытяжке. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Отрицательное влияние на горячую обработку давлением оказывает примесь олова, образующая с цинком эвтектику с температурой плавления 199 °С, и особенно одновременное присутствие олова, свинца и кадмия, образующих с цинком сложную эвтектику с температурой плавления менее 150 °С. Поэтому содержание этих примесей строго ограничено как в цинке, так и в сплавах на его основе. Марки и химический состав чистого цинка приведены в табл. 43. Для производства сплавов и получения отливок используют цинк марок от ЦВ до Ц3.

Таблица 43

Марки и химический состав чистого цинка (ГОСТ 3640–94)

 

Обозначение марок

Zn, мас. %, не менее

Примеси, мас. %, не более

Pb

Cd

Fe

Cu

0,00001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,005 0,05

Sn

As

Al

Всего

ЦВ00

99,997

0,00001

0,002

0,00001

0,00001

0,0005

0,00001

0,003

ЦВО

99,995

0,003

0,002

0,002

0,001

0,0005

0,005

0,005

ЦВ

99,99

0,005

0,002

0,003

0,001

0,0005

0,005

0,01

ЦОА

99,98

0,01

0,003

0,003

0,001

0,0005

0,005

ЦО

99,975

0,013

0,004

0,005

0,001

0,0005

0,005

0,025

Ц1

99,95

0,02

0,01

0,01

0,001

0,0005

0,005

Ц2

98,7

1,0

0,2

0,05

0,002

0,01

0,010**

1,3

Ц3

97,5

2,0

0,2

0,1

0,005

0,01

2,5

Цинковые сплавы делятся на три группы: литейные, антифрикционные и типографские. Типографские сплавы в настоящее время теряют свое значение в связи с развитием более совершенных методов печати и в данном учебном пособии не рассматриваются.


читать далее »

Литейные титановые сплавы Литейные титановые сплавы

Все литейные титановые сплавы содержат алюминий. В связи с этим для разработки и изучения этих сплавов наибольшее значение имеет диаграмма состояния системы Ti – Al. Два варианта диаграммы состояния этой системы приведены на рис. 32.

Из приведенных частей диаграмм состояния следует, что алюминий является типичным αстабилизатором, повышающим температуру полиморфного превращения. Если придерживаться данных И.И. Корнилова (см. рис. 32, а), то при температуре 1250 °С в системе наблюдается перитектическое превращение, в результате которого образуется хрупкая сверхструктура α2 (твердый раствор на базе интерметаллида Ti3Al).

При температуре 1080 °С происходит превращение β + α2 → α. Однако при понижении температуры растворимость алюминия в αтитане понижается с 11,6 до 6 % с выделением фазы α2, которая снижает пластичность сплава. В связи с этим содержание алюминия в сплавах должно быть ограничено до 6–7 %. Диаграмма, приведенная на рис. 32, б, при температурах ниже 600 °С показывает такой же фазовый состав.

Химический состав литейных титановых сплавов приведен в табл. 20, а механические, физические и технологические свойства – в табл. 21, 22, 23 соответственно.

Таблица 20

Химический состав литейных титановых сплавов

 

Марка сплава

Группа сплава

Содержание легирующих элементов, мас. %

Al            Zr             Mo              V              Cr         Прочие

ВТ1Л

α

ВТ5Л

α

4,1–6,2

ВТ20Л

псевдоα

5,5–6,8

1,5–2,5

0,5–2,0

0,8–1,8

ВТ3–1Л

α + β

5,3–7,0

2,0–3,0

0,8–2,3

0,2–0,7 Fe 0,15–0,4 Si

ВТ6Л

α + β

5,0–6,5

3,5–5,3

ВТ9Л

α + β

5,6–7,0

0,8–2,0

2,8–3,8

0,2–0,35 Si

ВТ14Л

α + β

4,3–6,3

2,5–3,8

0,9–1,9

ВТ21Л

α + β

5,8–7,0

4,0–6,0

0,4–1,0

0,8–1,5

4,0–6,0

ВТ35Л

β

2,6–3,6

0,2–0,8

0,2–1,0

14,8–15,8

2,5–3,5

2,5–3,5 Sn

Таблица 21

Механические свойства литейных титановых сплавов

 

Марка сплава

σв, МПа

σ 0,2, МПа

δ, %

KCU, Дж/см2

 

не менее

 

ВТ1Л

343

294

10

39,2

ВТ5Л

687

618

6

29,4

ВТ20Л

883

785

5

39,2

ВТ31Л

931

815

4

29,4

ВТ6Л

834

736

5

44,1

ВТ9Л

931

815

4

34,3

ВТ14Л

883

785

5

24,5

ВТ21Л

981

843

4

19,6

Таблица 22

Физические свойства литейных титановых сплавов

 

Марка сплава

ρ (20 °С), кг/см3

Коэффициент термического расширения α ·10 6 (20100 °С), 1/К

Удельная тепло

емкость С

(при 100 °С),

кДж/(кг К)

Теплопроводность λ при 20 °С, Вт/(м К)

1

2

3

4

5

ВТ1Л ВТ5Л ВТ20Л ВТ3–1Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ21Л

4,50 4,41 4,47 4,43 4,43 4,49 4,50 4,47

8,2 8,6 8,7 9,5 8,3 7,61 7,82 8,5

0,525

– 0,580 0,565 0,543

– 0,501 0,515

13,4

– 8,4*

6,69 8,8 – 9,1* 7,9*

П р и м е ч а н и е . В столбце 5 знаком * обозначена теплопроводность λ при 100 °С.

Широкое использование алюминия в качестве основной легирующей добавки объясняется следующими его преимуществами перед остальными компонентами: а) он недефицитен и сравнительно дешев; б) значительно легче титана, и поэтому повышает удельную прочность сплавов; в) эффективно упрочняет α, α + βи βсплавы;

г) повышает жаропрочность титановых сплавов; д) снижает склонность к водородной хрупкости.

Однофазные αсплавы, кроме алюминия, могут легироваться нейтральными упрочнителями: оловом, цирконием. В литейном сплаве этой группы ВТ5Л допускается до 0,8 % Zr. К достоинствам αсплавов можно отнести повышенную прочность и жаропрочность, высокую термическую стабильность, отсутствие хладноломкости. Эти сплавы хорошо свариваются без охрупчивания в шве и околошовной зоне. К недостаткам αсплавов можно отнести сравнительно невысокую прочность. Термической обработкой они не упрочняются.

Псевдоαсплавы, кроме алюминия, содержат некоторое количество βстабилизаторов. Так, сплав ВТ20Л легирован молибденом и ванадием. Эти элементы и цирконий существенно повышают прочность сплава.

Наиболее многочисленной группой литейных титановых сплавов являются двухфазные сплавы. Их свойства могут меняться в широком диапазоне в зависимости от количества βфазы. Большие возможности регулирования механических свойств объясняются тем, что алюминий способствует увеличению растворимости других легирующих добавок. Это позволяет увеличить возможности растворного упрочнения. Кроме того, двухфазные сплавы могут упрочняться путем закалки и старения.

Сплавы ВТ31Л, ВТ6Л и ВТ9Л являются литейными аналогами соответствующих деформируемых сплавов. Сплав ВТ9Л обладает повышенной жаропрочностью и предназначен для работы при температурах до 500–560 °С. Сплав ВТ21Л разрабатывался специально для фасонного литья. Он не имеет деформируемого аналога. Однако его литейные свойства оказались хуже, чем у других двухфазных сплавов, и он не нашел широкого применения.

Одним из самых новых является высокопрочный однофазный βсплав ВТ35Л (его иногда относят к псевдоβсплавам). После термической обработки прочность сплава может достигать 1100–1150 МПа. Сплав имеет неплохие литейные свойства.


читать далее »

Алюминиевые бронзы Алюминиевые бронзы

Из разд. 6.2 следует, что по своим свойствам алюминий относится к основным легирующим добавкам для меди. Первые сведения об алюминиевых бронзах появились в 1870 году, но они длительное время не применялись для получения фасонных отливок изза образующейся на поверхности прочной плены окислов алюминия. Во время литья плены попадали в тело отливок, резко ухудшая их качество. Совершенствование технологии литья пленообразующих сплавов способствовало широкому применению алюминиевых бронз для получения качественных отливок.

Из всех бронз сегодня алюминиевые бронзы имеют наибольшее распространение. Они обладают высокими механическими свойствами, которые достигнуты в результате удачного подбора легирующего комплекса и могут быть улучшены термической обработкой. Алюминиевые бронзы оказались в числе немногих материалов, удовлетворивших современным требованиям к прочности и герметичности медных сплавов в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. По коррозионной стойкости в атмосферных условиях, морской воде, углекислых растворах.

Все алюминиевые литейные бронзы являются многокомпонентными сплавами. Из большого числа элементов, которые можно отнести к основным и вспомогательным добавкам, в алюминиевых бронзах используют присадки марганца, железа, никеля и цинка.

Крупногабаритные отливки из алюминиевых бронз склонны к самоотжигу. При медленном охлаждении в песчаных формах происходит рост зерна и фаза γ2 в эвтектоиде выделяется в виде крупных пластин, что снижает пластичность.

Железо подавляет это явление и замедляет эвтектоидный распад, что благоприятно сказывается на механических свойствах сплавов. Добавки железа (1–4 %) измельчают зерно бронз и упрочняют твердый раствор. В структуре бронзы при содержании железа на верхнем пределе появляется самостоятельная железистая фаза (см. рис. 44, в). Под влиянием добавки железа микроструктура алюминиевой бронзы (по границам светлых кристаллов αтвердого раствора располагаются темные включения эвтектоида и мелкие включения железистой фазы) становится более дисперсной, чем у двойной бронзы (см. рис. 44, а).

Бронза БрА9Ж3Л подходит для изготовления массивных деталей, отливаемых в песчаных формах (зубчатые венцы, гайки нажимных винтов, ободья и др.). Рабочие температуры сплава – до 250 °С. Бронза может заменить оловянные бронзы БрО10Ц2 и БрО6Ц6С3.

Марганец хорошо растворяется в бронзах и обеспечивает растворное упрочнение. Он существенно повышает коррозионную стойкость сплавов. Из бронз БрА9Мц2 и БрА10Мц2Л изготовляют зубчатые колеса, шестерни и венцы зубчатых колес, ходовые гайки, втулки и другие детали, работающие на истирание; корпуса насосов, тарелки клапанов, а также различные детали, работающие в пресной воде, топливе и паровой атмосфере при температурах до 250 °С. Эти сплавы могут заменять оловянные бронзы БрО10Ц2 и БрО8Ц4.

Никель образует новые интерметаллические фазы Ni3Al и NiAl с переменной растворимостью в твердом растворе. Это придает бронзе способность к дисперсионному твердению в ходе закалки и старения. Алюминиевые бронзы с никелем БрА10Ж4Н4Л и БрА11Ж6Н6 используют для деталей нефтяной, химической и пищевой аппаратуры, работающей при температурах до 500 °С, и для арматуры, работающей в морской воде. Антифрикционные детали из этих бронз выдерживают более высокие давления и скорости, чем детали из других алюминиевых бронз. Из бронзы БрА9Ж4Н4Мц1 получают фасонное литье и арматуру, работающую в морской воде.

Из алюминиевых бронз, имеющих малый интервал кристаллизации, получаются плотные отливки с концентрированными усадочными раковинами, которые необходимо выводить в прибыли. Усадка больше, а жидкотекучесть лучше, чем у оловянных бронз. Они склонны к образованию крупнозернистой столбчатой структуры. Этот недостаток можно устранить не только добавками железа, но и с помощью модифицирования бором, ванадием, ниобием.


читать далее »

Фазовый состав сплава Фазовый состав сплава

Фазовый состав сплава достаточно сложен (рис. 15). Кроме твердого раствора α меди и марганца в алюминии в сплаве присутствуют  интерметаллиды  CuAl2,  Al3Ti  и  более  сложная  фаза – Al12Mn2Cu. Такая структура сплава повышает его жаропрочность до 300 °С. Сплав АМ5 очень чувствителен к примесям железа.

Для получения максимальной прочности его содержание должно быть не более 0,2 %. Наибольшая прочность (до 450 МПа) достигается после термической обработки по режиму Т5, а максимальная пластичность (10–20 %) может быть получена в закаленном состоянии (Т4).

Сплав применяют для силовых деталей, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок при повышенных температурах. Коррозионная стойкость может быть повышена анодированием деталей.

Фазовый состав сплава

Рис. 15. Микроструктура сплава АМ5

Сплав АМ4,5Кд (ВАЛ10) является наиболее прочным из алюминиевых сплавов и при этом сохраняет высокую пластичность. По составу он отличается от сплава АМ5 добавкой кадмия. Используется для наиболее нагруженных деталей, работающих при температурах до 300 °С.

Сплавы АМ5 и АМ4,5Кд в настоящее время полностью вытеснили другие сплавы системы Al – Cu (АЛ1, АЛ7, АЛ12, АЛ21 и АЛ33), которые были включены в прежние стандарты.

Сплавы IV группы (магналии) – это легкие высокопрочные конструкционные материалы с высокой коррозионной стойкостью. Они хорошо обрабатываются резанием и полируются. К недостаткам сплавов IV группы можно отнести пониженные литейные свойства и герметичность. Сплавы в расплавленном состоянии имеют повышенную склонность к окислению, а также образованию горячих трещин и усадочной рыхлоты. По жидкотекучести они уступают силуминам, но превосходят сплавы системы Al – Cu.

Из диаграммы состояния системы Al – Mg (рис. 16) следует, что растворимость магния в твердом растворе весьма значительна и достигает 17,4 %. В системе наблюдается образование нескольких химических соединений. Первое из них – Al3Mg2 (βфаза) – появляется при 38 % магния. Эвтектика образуется при содержании Mg более 30 % и содержит вышеуказанный хрупкий интерметаллид, поэтому эвтектические сплавы не применяются. Низкая температура плавления эвтектики (449 °С) приводит к увеличению интервала кристаллизации сплавов. Сплавы системы Al – Mg еще более широкоинтервальные, чем сплавы системы Al – Cu, и они обладают низким комплексом литейных свойств.

В случае длительной эксплуатации при повышенных температурах магналии разупрочняются, поэтому двойные сплавы рекомендуется использовать при температурах не выше 80 °С. Однако в изделиях, предназначенных для разового применения, эти сплавы, особенно сложнолегированные магналии, в течение нескольких минут могут работать при температурах до 400 °С, что объясняется медленным распадом твердого раствора.

Механические свойства сплавов возрастают при увеличении концентрации до 13 % Mg, но уже при 11 % Mg начинается резкое уменьшение пластичности.

Для литейных сплавов используют две области концентрации: 4,5…7 % Mg и 9,5…13 % Mg. Первая группа – это сплавы средней прочности и пластичности, не упрочняемые ТО, а вторая – сплавы, закалка которых приводит к достижению высокой прочности и пластичности.

Сплав АМг5К (АЛ13) дополнительно легирован кремнием, марганцем и цирконием. Кремний несколько улучшает литейные свойства и повышает жаропрочность. Образующаяся фаза Mg2Si входит в состав тройной эвтектики α + β + Mg2Si (рис. 17) и увеличивает ее общее количество, тем самым повышая жидкотекучесть и снижая горячеломкость.  Однако фаза Mg2Si не оказывает упрочняющего действия, а пластичность сплава снижает, что и ограничивает концентрацию кремния (не более 1,5 %). Добавки марганца улучшают коррозионную стойкость и также повышают жаропрочность.

Фазовый состав сплава

Рис. 17. Микроструктура сплава АМг5К

К недостаткам сплава можно отнести низкую прочность, поэтому его применяют для получения всеми видами литья ненагруженных деталей, работающих в условиях атмосферного коррозионного воздействия при температурах не выше 150 °С.

Сплав АМг7 (АЛ29) по составу отличается от АМг5К только повышенным содержанием магния и меньшим допустимым содержанием примесей. Сплав предназначен для литья под давлением. Он более прочный, применяется для деталей, работающих при средних статических и динамических нагрузках в условиях влажного климата. Детали из сплава АМг7 длительное время могут работать при температурах до 150 °С.

Сплавы АМг6л (АЛ23) и АМг6лч (АЛ231) используются в литом и закаленном состоянии. Они предназначены для литья в кокиль и песчаные формы средненагруженных корпусных деталей, подвергающихся коррозионным воздействиям при температурах от –60 до

+80 °С. Добавки циркония и титана оказывают модифицирующее действие и способствуют повышению прочности и пластичности. Бериллий снижает окисляемость расплава. Кремний несколько улучшает литейные свойства.

Сплавы АМг10 (АЛ27) и АМг10ч (АЛ271) являются наиболее прочными из магналий. Они применяются только в закаленном состоянии. В литом состоянии сплавы очень хрупкие, так как по границам зерен (рис. 18, а) выделяется хрупкая βфаза (Mg2Al3). Крупные выделения этой хрупкой составляющей, часто образующей сплошную сетку, служат причиной трещинообразования в отливках, снижают механические свойства.

Фазовый состав сплава

Рис. 18. Микроструктура сплава с 10 % Mg (а) и сплава с добавкой 0,01 % В (б) в литом состоянии (×70)

При нагреве под закалку βфаза растворяется, и сплав принимает строение, близкое к гомогенному. На границах зерен могут оставаться железосодержащие фазы и Mg2Si, если есть примеси кремния. Однако процесс растворения крупных включений βфазы протекает медленно (до 70 часов), поэтому в двойных сплавах хрупкое действие βфазы может сохраняться и после закалки. Под воздействием

добавок Ti, Zr и В βфаза измельчается (рис. 18, б), и процесс растворения значительно ускоряется. После закалки предел прочности сплавов с высоким содержанием Mg за счет комплексного легирования малыми добавками титана, бериллия и циркония возрастает до 400 МПа, а относительное удлинение – до 20 %.

По коррозионной стойкости сплавы, AMг10 и AMг10ч превосходят все другие алюминиевые сплавы. Они отлично обрабатываются резанием, полируются, удовлетворительно свариваются. Применяют сплавы с высоким содержанием Mg для корпусных деталей, станин, шпангоутов, работающих в условиях высоких статических и ударных нагрузок и подвергающихся коррозионному воздействию атмосферы и морской воды.

Сплавы V группы представлены в стандарте двумя сплавами системы Al – Zn – Si и одним сплавом системы Al – Zn – Mg. Из диаграммы состояния Al – Zn (рис. 19) видно, что растворимость цинка в алюминии очень велика (84 % при температуре образования эвтектики 382 °С). В твердом состоянии при температуре 275 °С наблюдается своеобразное расслоение твердого раствора (монотектическое превращение) на два твердых раствора, отличающихся содержанием цинка. Однако при комнатной температуре растворимость цинка составляет лишь 2 %. Продуктами распада твердого раствора при понижении температуры являются частицы цинка. Двойные сплавы Al – Zn на практике не применяются. Растворное упрочнение при растворении цинка в алюминии незначительно. Даже при содержании до 20 % Zn сплавы обладают низкими механическими свойствами. Литейные свойства также плохие изза широкого интервала кристаллизации и отсутствия эвтектики. При более высоком содержании цинка сплавы имеют слишком высокую плотность, что сводит к минимуму одно из достоинств алюминиевых сплавов – легкость.

Более удачными оказались попытки дополнительного легирования этой системы кремнием и магнием. Высокая устойчивость твердых растворов цинка и магния в алюминии сообщают сплавам склонность к самозакалке. Они обладают сравнительно высокими механическими свойствами и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы можно использовать в литом состоянии без термообработки.

Сплавы АК7Ц9 (АЛ11) и АК9Ц6 (АК9Ц9р) называют цинковистыми силуминами. Они содержат небольшое количество магния, образующего фазу Mg2Si. Кремний образует эвтектику со сложным твердым раствором цинка и кремния в алюминии α(Zn,Si) + Si и обеспечивает хорошие литейные свойства. Механические свойства в литом состоянии выше, чем у обычных силуминов. Со временем прочность возрастает в процессе естественного старения. Сплавы имеют удовлетворительную герметичность, хорошо обрабатываются резанием и свариваются. К недостаткам можно отнести высокую плотность и низкую коррозионную стойкость.

Сплав АК7Ц9 используется в автомобилестроении для изготовления сложных по конфигурации средненагруженных деталей, работающих при температурах не выше 150 °С.

Сплав АЦ4Мг (АЛ24) дополнительно легирован марганцем и титаном. Марганец улучшает коррозионную стойкость сплава. Титан способствует измельчению зерна и, вместе с марганцем, повышает прочность. Наибольшая прочность сплава (до 400 МПа) достигается после закалки и искусственного старения. Сплав имеет пониженные литейные свойства и герметичность, склонен к образованию горячих трещин. Это связано с широким интервалом кристаллизации. Из других особенностей сплава можно отметить структурную стабильность и небольшую склонность к размерным изменениям при длительной эксплуатации. Он обладает хорошей коррозионной стойкостью и обрабатываемостью резанием. Хорошо полируется и удовлетворительно сваривается.

Рекомендуется для изготовления деталей точных приборов, радиои электроаппаратуры, а также для сварных конструкций, работающих в условиях средних статических нагрузок при температурах до 200 °С.


читать далее »

Классификация и маркировка алюминиевых сплавов Классификация и маркировка алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы отличаются большим разнообразием составов, свойств и широкой областью применения. Наибольшее распространение получили деформируемые и литейные сплавы. В последнее время в промышленности используют спеченные порошковые сплавы (САП) и направленнокристаллизованные эвтектики (НКЭ).

Деформируемые алюминиевые сплавы отличаются хорошей пластичностью. Из них получают все известные в технике полуфабрикаты: фольгу, листы, прутки, трубы, проволоку, поковки, штамповки и т.п. Деформируемые сплавы отличаются от литейных более сложным составом. Обычно они содержат от 3 до 5 компонентов, но в меньших количествах, чем в литейных сплавах. Упрочнение деформируемых сплавов происходит за счет пластической деформации и может быть усилено термической обработкой. Наибольшее применение в различных отраслях машиностроения нашли сплавы системы Al – Cu – Mg, называемые дуралюминами (Д1, Д16, Д18, В65). Они имеют прочность более 400 МПа. Еще более высокими прочностными свойствами обладают сплавы этой системы с добавлением цинка В95 (σв = 550 МПа, δ = 8 %) и В96 (σв = 630 МПа, δ = 7 %). Из деформируемых сплавов изготовляют детали автомобильных, авиационных и ракетных двигателей, детали самолетов и ракет, корпуса судов и космических кораблей. Они широко применяются в строительстве и продовольственном машиностроении.

Для деформируемых сплавов принята смешанная буквенноцифровая маркировка. Происхождение букв и цифр может быть довольно случайным, не подчиняющимся единой системе, но есть и некоторые исключения. Так, сплавы алюминия с марганцем обозначаются АМц, алюминия с марганцем – АМг. Сплавы алюминия с марганцем, кремнием и медью имеют общее название авиаль и обозначаются буквами АВ. Сплавы, имеющие название дуралюмины, имеют буквенную маркировку Д. Некоторым ковочным сплавам присвоены буквы АК (сплавы АК4–1, АК6, АК8 и т.д.). Цифры после букв могут показывать среднее содержание легирующего элемента АМг1, АМг6. Для группы сплавов первые цифры после букв показывают, чем легирован сплав: 1 – медью и марганцем (Д1); 2 – медью и марганцем или медью, магнием, марганцем, кадмием (Д20); 3 – марганцем и кремнием (АД31); 9 – цинком и магнием (В95).

В перспективе возможен переход на единую цифровую маркировку из четырех цифр, каждая из которых имеет свое значение. Первая цифра указывает основу сплава (алюминию присвоена цифра 1). Вторая цифра характеризует легирующий элемент или группу легирующих элементов (так, цифра 2 – системы Al – Cu – Mn и Al – Cu – Mn – Fe). Последние цифры характеризуют номер сплава. Сплавы с такой маркировкой уже появились, например, 1201, 1420, 01205, 01429. Цифра 0 перед четырьмя основными цифрами указывает, что сплав – опытный.

САПы (спеченная алюминиевая пудра) состоят из алюминиевой матрицы, в которой распределены частицы оксида алюминия – Al2O3. Они входят в группу дисперсноупрочненных материалов.

НКЭ относятся к естественным композиционным материалам. Упрочняющими фазами в них могут быть карбиды, нитриды и интерметаллиды. На основе алюминия разработаны НКЭ, содержащие Al3Ni, Al6Mn и CuAl2. Наибольшее применение композиционные сплавы на алюминиевой основе находят в авиации и космической технике.

Длительное время маркировка алюминиевых литейных сплавов осуществлялась при помощи букв АЛ (алюминиевый литейный) и чисел, указывающих номер сплава в стандарте. В новом ГОСТ 1583–93 принята маркировка, дающая краткую информацию о составе сплава. В начале марки сплава стоит буква А, а далее – буквы и цифры, обозначающие компоненты сплава и их среднее содержание в нем. Компоненты обозначаются по первой букве русского названия: К – кремний, Кд – кадмий, М – медь, Мг – магний, Н – никель, Су – сурьма, Ц – цинк. В маркировке применяются и дополнительные подстрочные индексы: ч – чистый, пч – повышенной чистоты, оч – особой чистоты, л – литейный. Прежняя маркировка в ГОСТ 1583–93 приведена в круглых скобках, например, АК9пч (АЛ4–1). В чертежах отливок допускается указывать только новую марку сплава без дополнительного старого обозначения марки в скобках. В данном учебном пособии в основном указывается только новая марка, однако старая маркировка наиболее употребляемых сплавов дублируется в круглых скобках при первом упоминании или в таблицах со справочными данными.


читать далее »

Сплавы на основе олова и свинца Сплавы на основе олова и свинца

Олово и свинец выделяются среди других технических материалов низкой температурой плавления, малой твердостью и высокой коррозионной стойкостью. Оба металла могут использоваться в чистом виде, но в основном они расходуются на производство различных сплавов. Свинец и олово входят в состав бронз и латуней, а также являются базой самостоятельных оловянносвинцовых сплавов. В промышленности применяют пять групп сплавов на их основе: антифрикционные, припои, типографские сплавы, сплавы для кабельных оболочек и сплавы для литья под давлением.

Состав и свойства чистого олова

Олово – металл серебристого цвета с температурой плавления 232 °С. Содержание олова в земной коре 0,0006 %. Имеются две модификации этого металла: серое олово с плотностью 5,8 г/см3 и белое с плотностью 7,3 г/см3. Низкотемпературная αмодификация (серое олово) с кристаллической решеткой типа алмаза устойчива до температуры 13,2 °С. Белое βолово имеет тетрагональную решетку. Переход из одной модификации в другую сопровождается резкими объемными изменениями, что приводит к его превращению в черный порошок. Скорость этого процесса при температуре превращения мала, и ее практически можно не учитывать. Процесс полиморфного превращения весьма интенсивно развивается при минусовых температурах (минус 30–40 °С). На оловянных изделиях появляются темные наросты, а затем наступает полное разрушение. Это явление называют «оловянной чумой». Остановить разрушение белого олова можно путем переплавки. Такие примеси, как Bi, Pb, Sb, Cu, Cd, резко снижают скорость превращения и делают его невозможным.

Олово устойчиво против коррозии в атмосферных условиях, растворах пищевых кислот, формальдегиде и морской воде. Его широко используют для защитных покрытий (лужения) металлических поверхностей, в том числе посуды и жести для консервных марок.

ГОСТ 860–75 предусматривает выпуск олова 4 марок высшей категории качества и 5 марок первой категории качества. Химический состав олова приведен в табл. 49.

В олове высшей категории качества ограничивается содержание алюминия и цинка, которые снижают коррозионную стойкость. Основной примесью в олове является свинец. В некоторых марках олова, предназначенных для изготовления сплавов (О1, О2, О3), свинец допускается в значительных количествах. Но свинец и мышьяк недопустимы в олове, которое используется для пищевой посуды и аппаратуры.

Прочность олова невелика (σв = 20 МПа), но зато он обладает хорошей пластичностью (δ = 40…60 %). Твердость олова всего лишь 5 МПа.


читать далее »

Термическая обработка цветных сплавов

Структура, а следовательно, механические и физикохимические свойства большинства металлов и сплавов могут быть улучшены путем термической обработки (ТО). Режим ТО выбирается в зависимости от природы сплава, исходной структуры и назначения отливки. Меняя температуру и время нагрева, а также скорости охлаждения, можно существенно повлиять на структуру и свойства сплава даже при одном и том же режиме ТО. Температурный режим ТО определяется химическим составом сплава, т.е. зависит от положения сплава на диаграмме состояния. Наибольший эффект достигается при ТО алюминиевых, магниевых и жаропрочных никелевых сплавов.

По классификации А.А. Бочвара, все виды термической обработки подразделяются на пять групп:

1.  Отжиг первого рода.

2.  Отжиг второго рода.

3.  Закалка.

4.  Отпуск.

5.  Химикотермическая обработка.

Для алюминиевых и магниевых литейных сплавов наиболее часто применяют отжиг, закалку и отпуск (старение).

Отжиг проводится для снятия внутренних напряжений, а также изменения формы и размера частиц вторых фаз. Отливки после нагрева и выдержки при температуре отжига можно охлаждать вместе с печью или на воздухе, или сначала с печью, затем на воздухе.

Закалка позволяет получить максимальную прочность сплава при сохранении достаточной пластичности. При нагреве и выдержке происходит растворение легирующих элементов в основе сплава. Последующее быстрое охлаждение приводит к сохранению пересыщенного твердого раствора. Характерной особенностью цветных сплавов является то, что пересыщенный твердый раствор сохраняется при меньших скоростях охлаждения, чем при закалке сталей. Охлаждающей средой при закалке алюминиевых и магниевых сплавов могут служить горячая вода, масло или даже воздух.

Отпуск (старение) обычно является завершающей операцией ТО. У некоторых сплавов уже при комнатной температуре происходит естественное старение. Повышение температуры (отпуск или искусственное старение) приводит к ускорению распада пересыщенного раствора и гарантирует окончание этого процесса до начала механической обработки детали. В зависимости от температуры и времени выдержки отпуск может быть упрочняющим, стабилизирующим или смягчающим.

Режимы термической обработки для алюминиевых и магниевых сплавов условно обозначаются буквой Т и номером режима: Т1, Т2 и т.д. Классификация режимов термической обработки для алюминиевых и магниевых сплавов приведена в табл. 4.

Термическая обработка титановых сплавов (отжиг) проводится только с целью снятия внутренних напряжений. Упрочнение титановых сплавов путем ТО малоэффективно.

Термическая обработка отливок из легких сплавов имеет свои технологические особенности. Главная из них заключается в том, что нагрев под закалку осуществляется до температуры лишь на 5–15 °С ниже температуры солидуса. Чтобы не допустить окисления и оплавления деталей, ТО алюминиевых и магниевых сплавов должна проводиться в специальных печах с защитной газовой атмосферой и надежной регулировкой температуры во всех зонах рабочего пространства.

Таблица 4

Классификация основных видов ТО литых деталей из алюминиевых и магниевых сплавов

 

Вид ТО

Обозначение

Назначение

Примечание

Искусственное старение без предварительной закалки

Т1

Улучшение обрабатываемости резанием для повышения чистоты поверхности. Повышение прочности

При быстром охлаждении в форме в отливках может наблюдаться эффект закалки. Для его устранения и проводят этот вид ТО

Отжиг

Т2

Снятие литейных или тер   Температура и время мических остаточных на     выдержки зависят от пряжений. Повышение планазначения детали стичности сплава

Закалка

Т3 и Т4   Повышение прочности

и коррозионной стойкости

Закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение

Т5

Повышение прочности и сохранение повышенной пластичности

Температуры и выдержки при данном виде ТО не обеспечивают полного старения

Закалка и полное

искусственное

старение

Т6

Получение максимальной прочности при некотором снижении пластичности

Температуры и выдержки выше, чем при Т5

Закалка и стабилизирующий отпуск

Т7

Получение достаточно высокой прочности, стабильной структуры и размеров

Отпуск проводится при температуре, близкой к температуре работы деталей, и более высокой, чем при Т5 и Т6

Закалка и смягчающий отпуск

Т8

Повышение пластичности и стабильных размеров за счет снижения прочности

Температуры отпуска выше, чем при Т7

П р и м е ч а н и е . Режим Т4 фактически обозначает закалку и естественное старение. Так как обычно от начала закалки (Т3) до окончания механической обработки отливок проходит несколько дней, то за это время процесс естественного старения успевает полностью завершиться и режим Т3 практически соответствует режиму Т4. По этой причине в настоящее время для обозначения закалки используют только символ Т4. Контроль деталей, прошедших ТО, включает в себя визуальный осмотр поверхности, определение геометрических размеров, определение механических свойств, рентгенопросвечивание и металлографический анализ. Образцы, характеризующие качество деталей данной плавки, должны загружаться в печь вместе с деталями.


читать далее »

Состав и свойства чистого свинца

МеталлургияСвинец входит в число 7 металлов, известных людям с незапамятных времен. Это пластичный и мягкий металл (можно резать ножом) с синеватым (свинцовым) блеском на свежем срезе. Обладает гранецентрированной кубической решеткой. Температура плавления 327 °С, температура кипения 1750 °С, плотность 11,34 г/см3.

Свинец стоек в атмосферных условиях, сырой земле, в растворах серной, фосфорной, плавиковой кислот. В сухом воздухе свинец не окисляется. Во влажной атмосфере покрывается тусклой окисной пленкой, обладающей хорошими защитными свойствами. Используют чистый свинец в сернокислотном производстве, для оболочек кабелей, защиты от рентгеновских и γлучей, в аккумуляторах, боеприпасах и для производства сплавов.

Свинец – менее дефицитный и более дешевый металл, чем олово. Его содержание в земной коре составляет 1,6·10–3 %.

Металлургическая промышленность выпускает семь марок чистого свинца, состав которых должен соответствовать ГОСТ 3778–77Е (табл. 50). Наиболее вредными примесями свинца, снижающими коррозионную стойкость, являются медь, олово и цинк.

В технике используют три группы свинцовых сплавов: антифрикционные, типографские и припои. В качестве легирующих добавок к свинцу применяют сурьму, олово, мышьяк, кадмий и кальций.


читать далее »

Жаростойкие никелевые сплавы Жаростойкие никелевые сплавы

Основой жаростойких сплавов являются системы Ni – Cr (нихромы), или Ni – Cr – Fe (ферронихром у нас или инконель за рубежом). Специальной группы литейных жаростойких сплавов нет, но изделия из них можно получать методами литья. Двойные нихромы (Х20Н80 и другие) обладают высокой жаростойкостью в среде восстановительных и окислительных газов. Отливки из них (печная арматура, детали высокотемпературных установок) выдерживают многократные нагревы (800–1200 °С) и охлаждения без растрескивания и коробления.

Прочность нихромов Х20Н80 и Х20Н80Н составляет 680–750 МПа при очень высокой пластичности (25–35 %). Нихромы имеют узкий интервал кристаллизации (20–30 °С). Линейная усадка составляет 1,9–2,0 %. Сплавы склонны к ликвации.

Ферронихромы хорошо противостоят коррозии в среде расплавленных солей, применяемых при химикотермической обработке.

Обе группы сплавов имеют высокое удельное электросопротивление, поэтому в виде проволоки или ленты используются для изготовления нагревателей, работающих при температурах до 1200 °С.

Добавки титана, ванадия, бора и алюминия существенно повышают служебные характеристики сплавов. В соответствии с ГОСТ 5632–72 в промышленности применяется ряд сплавов системы Ni – Cr с этими легирующими добавками. Такие материалы обладают повышенными жаропрочными и жаростойкими свойствами: ХН55ВМТКЮВД, ХН60ВТ, ХН62МВКЮ, ХН65ВМТЮ, ХН70Ю, ХН70ВМТЮФ и др.


читать далее »

Прочие безоловянные бронзы Прочие безоловянные бронзы

Литейщикам иногда приходится плавить и получать отливки из некоторых деформируемых бронз (ГОСТ 19175–78). В их число входят марганцовые, кремнистые, бериллиевые и другие бронзы.

Марганцовые бронзы БрМц5 и БрМц8С20 отличаются повышенной коррозионной стойкостью и способностью сохранять свои механические свойства (?в = 280 МПа, ? = 40 %) при температурах до 400 °С. Из них можно изготовлять арматуру паровых котлов.

Кремнистые бронзы БрК3, БрК3Мц, БрКН3, БрК4Ц4, БрК3Ц9 и БрК3С4 могут с успехом заменять дорогостоящие и дефицитные оловянные бронзы. Кремнистые бронзы отличаются высокими механическими и пружинящими свойствами, весьма стойки в коррозионном отношении, обладают высокими антифрикционными свойствами и износоустойчивостью. Благодаря высокой пластичности кремнистые бронзы отлично обрабатываются давлением как в горячем, так и в холодном состоянии, хорошо свариваются с другими бронзами, сталью и другими сплавами. Эти бронзы можно применять и для получения отливок.

Бериллиевые бронзы БрБ2, БрБ2,5 и БрБ2НТ имеют высокую прочность, твердость, а также повышенные пределы упругости и усталости. Сплавы отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью, они морозостойки и немагнитны. Применяются для изготовления пружинящих и ответственных деталей, работающих на износ, в частности для изготовления плоских пружин, мембран, деталей компасов и часовых механизмов. Инструмент из бериллиевой бронзы не дает искры при ударе. Большую часть изделий из бериллиевой бронзы получают из деформированных заготовок, но эта бронза является и хорошим литейным материалом. Благодаря своему цвету, совпадающему с цветом золота высокой пробы, бронза используется для художественного литья. Из БрБ2 можно отливать памятные медали и другие художественные изделия. Широкому распространению бериллиевой бронзы препятствует высокая стоимость и дефицитность бериллия.

Кроме перечисленных сплавов, используют еще кадмиевые, хромовые, циркониевые, магниевые и серебряные бронзы.


читать далее »

Жаропрочные литейные никелевые сплавы

Создание газотурбинных двигателей (ГТД), без которых немыслимо современное авиастроение, потребовало разработки новых материалов, в первую очередь жаропрочных и жаростойких сплавов, способных работать при высоких температурах и противостоять коррозии в газовом потоке. Если в двигателях внутреннего сгорания материалы работали при температурах до 800 °С, то в настоящее время рабочие температуры повысились до 1050–1100 °С.

Особое внимание уделялось материалу для лопаток ГТД, так как по ответственности назначения и условиям нагружения они выделяются среди других деталей. Условия работы лопаток из литейных жаропрочных сплавов в каждом новом двигателе становятся все более напряженными в связи со значительным повышением газов на входе в турбину, увеличением скорости полета, а также ресурса работы двигателей.

Задача разработки сплавов для лопаток впервые потребовала системного подхода на основе рассмотрения трех составляющих: состав сплава, конструкция лопатки, технология получения заготовки. Собственно, на основе этой триады и появились жаропрочные литейные сплавы. Ранее для лопаток использовали только деформируемые сплавы. Лишь после получения положительных результатов испытаний на двигателях удалось сломить предубеждение конструкторов против использования литых заготовок для деталей ответственного назначения.

Кроме того, стало ясно, что дальнейшее повышение параметров ГТД может быть достигнуто только при условии применения охлаждаемых лопаток. Создание литейных жаропрочных сплавов ЖС6 и его модификации ЖС6К и освоение технологии точного литья по выплавляемым моделям решили проблему охлаждения рабочих лопаток. Только в литых деталях можно получить внутренние полости любой конфигурации. К тому же литейные сплавы обеспечивают более высокий уровень жаропрочности, чем деформируемые сплавы, так как обладают более развитым гетерогенным строением.

Разрушение жаропрочных сплавов при температурах эксплуатации лопаток происходит по границам зерен. Первые литые лопатки имели равноосную структуру и, следовательно, имели большую протяженность межзеренных границ. Для частичного устранения этого фактора была разработана технология литья лопаток с направленной структурой, ориентированной параллельно оси лопатки. Это исключило возможность возникновения на границах зерен растягивающих напряжений от центробежных сил при эксплуатации лопаток. Влияние самого слабого места в структуре лопаток – границ зерен – удалось устранить при разработке технологии литья монокристаллических лопаток.

В соответствии с этим новые отечественные литейные жаропрочные сплавы создавали с учетом конструкции лопаток и технологии литья, обеспечивающей направленную или монокристаллическую структуру. Химический состав жаропрочных сплавов (табл. 36, 37, 38) намного сложнее, чем у всех других литейных материалов. Первые жаропрочные сплавы были разработаны в Англии на базе нихрома (никельхромистого сплава типа Н20Х80) с добавками титана и алюминия. Они получили название нимоники.

Методом физикохимического фазового анализа было установлено, что в английском сплаве имеется упрочняющая высокотемпературостойкая интерметаллидная фаза Ni3Al, получившая название γ′фаза. Диаграммы состояния никеля с алюминием, хромом и титаном представлены на рис. 49.

Все три элемента образуют широкие области твердых растворов на основе никеля (γфазы) и эвтектики с достаточно высокой температурой плавления. Из диаграммы Ni – Cr (см. рис. 49, б) видно, что растворимость хрома в никеле при комнатной температуре весьма высока и составляет около 30 %. Температура плавления эвтектики 1340 °С.

В системе Ni – Al (см. рис. 49, а) эвтектика плавится при более высокой температуре, 1385 °С. Растворимость алюминия меньше, чем хрома. В этой системе в равновесии с твердым раствором алюминия в никеле (γфаза) находится γ′фаза, представляющая собой раствор на основе интерметаллида Ni3Al.

В системе Ni – Ti (см. рис. 49, в) температура плавления эвтектики самая низкая из этих трех систем. Она составляет 1304 °С.

Основное упрочнение жаропрочных сплавов связано с выделением при старении упорядоченных γ′фаз, представляющих собой простой интерметаллид Ni3Al или интерметаллиды более сложного состава (Ni, Co, W)3(Al, Ta, Cr). Особенностью этих фаз является аномальное увеличение прочности при повышении температуры. Так, прочность фазы Ni3Al при температуре 700 °С в четыре раза выше, чем при комнатной температуре. Легирование этой фазы такими элементами, как титан, вольфрам, ниобий, тантал, не только увеличивает абсолютные значения прочности, но и повышает температуру, при которой достигается максимум прочности. Причиной увеличения прочности упорядоченных фаз с ростом температуры является возникновение сверхдислокаций. Упрочнение сплавов будет тем больше, чем выше в них содержание γ′фазы.

Дальнейшая разработка жаропрочных сплавов строилась с учетом увеличения в них количества γ′фазы и получения ее высокой структурной стабильности. Кроме интерметаллидного в жапропрочных сплавах используют и механизм карбидного упрочнения. Для этого в сплав вводят карбидообразующие элементы (W, Mo, Ta, Cr, Ti) и повышают содержание углерода.

При легировании жаропрочных сплавов используется принцип многокомпонентного легирования, направленный на совершенствование гетерофазного строения с получением мелких включений упрочняющих фаз, обеспечение стабильности матрицы и границ зерен. В дисперсионнотвердеющих сплавах легирование должно приво

дить к усложнению состава и измельчению частиц упрочняющих фаз, выделяющихся из твердого раствора при старении, а также к замедлению их коагуляции при высоких температурах путем торможения диффузионных процессов. Литейные сплавы, обладая более развитым гетерофазным строением, обеспечили более высокий уровень жаропрочности, чем деформируемые.

В современных жаропрочных сплавах легирующие элементы выполняют следующие функции.

Алюминий и титан являются основными γ′образующими элементами. Упрочняющая γ′фаза в этом случае будет иметь более сложный состав – Ni3 (Al, Ti).

Гафний и ниобий являются сильными карбидообразователями. Введение гафния в жаропрочные сплавы одновременно увеличивает и прочностные, и пластические свойства, повышает термостабильность γ′фазы, упрочняет границы зерен.

Ниобий заметно упрочняет твердый раствор, замедляет диффузионные процессы.

Тантал входит в состав карбидов и совершенствует карбидное упрочнение, снижает диффузионную подвижность элементов в сплаве при высоких температурах, стабилизирует γ′фазу, упрочняет твердый раствор.

Ванадий и цирконий улучшают жаропрочность путем упрочнения твердого раствора, но снижают жаростойкость, поэтому вводятся в малых количествах.

Вольфрам в заметных количествах входит в состав γтвердого раствора и γ′фазы и хорошо упрочняет жаропрочные сплавы. Он заметно повышает температуру плавления сплавов.

Молибден действует подобно вольфраму, но с меньшей эффективностью.

Рений, как и вольфрам, является одним из тех немногих элементов,  которые  повышают  температуру   плавления  никелевых

сплавов и оказывают наиболее заметное влияние на термостабильность γматрицы и γ′фазы.

Кобальт в небольшой степени повышает жаропрочность, но заметно повышает пластичность.

Хром, алюминий и титан существенно повышают стойкость к газовой коррозии, т.е. повышают жаростойкость.

Роль различных элементов в жаропрочных никелевых сплавах показана на рис. 50.

Жаропрочные литейные никелевые сплавы


 

– микролегирующие;

Рис. 50. Классификация поведения различных элементов в никелевыхжаропрочных сплавах:

Активная разработка составов жаропрочных литейных сплавов привела к тому, что их основная рабочая характеристика – длительная прочность – непрерывно возрастала и достигла предела 100часовой прочности свыше 150 МПа при температуре 1100 °С. Первый жаропрочный сплав Нимоник80 имел предел 100часовой прочности 140 МПа при температуре лишь 800 °С.

Характеристикой жаропрочности является предел длительной прочности (στt). Это напряжение, вызывающее разрушение образца при заданной температуре за определенное время. Например, σ1001000 – напряжение, которое необходимо для того, чтобы разрушить образец при 1000 °С за 100 часов, или, другими словами, это напряжение, при котором образец может работать без разрушения в течение 100 часов при температуре 1000 °С.

Структура никелевых жаропрочных сплавов состоит из матрицы (γфазы), представляющей собой сложнолегированный твердый раствор на основе никеля с решеткой типа ГЦК, и γ′фазы твердого раствора на основе интерметаллического соединения Ni3Al. Высокий уровень жаропрочности обусловлен эффектом упрочнения γтвердого раствора γ′фазой и легирующими элементами. При этом главным упрочнителем является γ′фаза, частицы которой создают надежные препятствия для скольжения и переползания дислокаций в условиях высокотемпературной ползучести. Основная ее часть образуется при распаде пересыщенного γтвердого раствора; γ′фаза имеет упорядоченную структуру, известную в материаловедении как структура типа Сu3Au, с параметром, близким к параметру решетки γматрицы. Уникальность соединения Ni3Al состоит в том, что оно способно растворять практически все переходные элементы в различном сочетании с сохранением высокой степени порядка вплоть до температуры плавления. Атомы никеля занимают в решетке интерметаллида позиции в центре граней, а атомы алюминия – в углах. При легировании атомы никеля могут быть замещены следующими элементами  (в порядке уменьшения замещающей способности):

Co, Fe, Cr, Mo, W. Атомы алюминия также могут замещаться атомами элементов VIа группы (Cr, Mo, W) и особенно – элементами IVа и Vа групп (Ti, Hf, Nb, Ta).

Если в литейные жаропрочные сплавы вводить углерод, то в структуре появляются карбиды типа МС, М6С и М23С6.

В целом элементы, вводимые в состав жаропрочных никелевых сплавов, распределяются между основными фазами следующим образом:

– Co, Cr, Mo, Re входят преимущественно в состав γтвердого раствора;

– Al, Ti, Ta, Nb, Hf в основном присутствуют в γ′фазе;

– W распределяется поровну между γтвердым раствором и γ′фазой;

– карбиды образуются с участием Ti, Ta, Nb, Hf, V, W, Mo, Cr.

Наличие у γ′фазы и γматрицы сопряженных кристаллографических решеток и близость их периодов приводят к тому, что образование γ′фазы при распаде твердого раствора происходит при весьма малых радиусах зародышей, и выделения частиц γ′фазы чрезвычайно дисперсны. В исходном состоянии эти частицы имеют форму, близкую к кубической.

Сложность легирования жаропрочных сплавов заключается в том, что при повышенных концентрациях W, Mo, Cr и ряда других элементов, после литья или в процессе эксплуатации в них могут образоваться вредные топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, имеющие пластинчатую форму и вызывающие значительное разупрочнение сплавов, что снижает долговечность работы деталей.

Микроструктура первых жаропрочных сплавов при обычных условиях литья с получением равноосных кристаллов (рис. 51) представляла собой зерна твердого раствора (γфазы) сложного состава с высокодисперсными выделениями упрочняющих фаз.

Жаропрочные литейные никелевые сплавы

Рис. 51. Микроструктура

жаропрочного сплава типа нимоник

(20 % Cr, 3 % Ti, 1 % Al)

Микроструктура современных жаропрочных сплавов при литье с использованием методов направленной кристаллизации чрезвычайно чувствительна к скорости охлаждения. На рис. 52 представлены микроструктуры монокристаллического сплава ЖС6У в зависимости от скорости кристаллизации в поперечном (см. рис. 52, а) и продольном (см. рис. 52, б) к оси образца направлениях. Форма и расположение карбидов и упрочняющей фазы γ′фазы показаны на рис. 52, в, г соответственно. Структура характеризуется наличием хорошо видимых дендритов, оси первого порядка которых параллельны направлению. В междендритных участках расположены карбиды и эвтектика γ/γ′фаза. При увеличении скорости кристаллизации происходит резкое измельчение всех структурных составляющих. Метод направленной кристаллизации позволяет создавать управляемые структуры жаропрочных сплавов: дендритные, ячеистые и бездендритные

Для получения оптимальной структуры жаропрочных сплавов необходимо проведение термической и термомеханической обработки. Обычно ТО включает в себя проведение гомогенизации при температурах около 1200 °С и двухстадийное старение. Первое высокотемпературное старение проводят при 1000–1150 °С в течение 4–8 ч. Охлаждение отливок должно быть высокоскоростным. Второе низкотемпературное старение (850–900 °С) длится 16–30 ч.

Наряду со сплавами типа ЖС традиционного γ/γ′дисперсионного упрочнения в ВИАМ разработаны жаропрочные сплавы интерметаллидного класса типа ВКНА. Они имеют упорядоченную структуру вплоть до начала плавления. Жаропрочность сплавов в области температур ≥ 1000 °С и жаростойкость выше, чем у сплавов типа ЖС, но долговечность меньше. Этот класс сплавов применяется для изготовления литых фасонных деталей газовых турбин, камер сгорания и дожигания топлива авиационных двигателей (жаровые трубы, стабилизаторы пламени, створки сопла, сопловые лопатки и др.). Детали могут работать в коррозионноактивной среде продуктов сгорания топлива при температурах до 1250 °С без защитных покрытий.

Сплавы типа ВКНА (табл. 39) не содержат таких дорогостоящих элементов, как ниобий, тантал, рений. Они могут применяться для получения отливок с равноосной, направленной столбчатой и монокристаллической структурой.

Другим классом материалов, способных длительно (до 50 тыс. ч) работать в коррозионноактивных средах продуктов сгорания топлива, являются высокохромистые коррозионностойкие сплавы на основе никеля, состав которых указан в табл. 40. Сплавы предназначены для литья лопаток и других деталей горячего тракта газотурбинных установок и дизелей.


читать далее »

Серебро и его сплавы Серебро и его сплавы

Серебро стало известно человеку после золота и меди более 5,5 тыс. лет тому назад благодаря тому, что встречается в самородном виде. Это металл белого цвета (как сейчас принято говорить – серебристого цвета), пластичный и очень ковкий. Из него можно прокатать листы толщиной до 0,00025 мм или вытянуть из 1 грамма проволоку длиной до 2,5 км. Обладает наивысшей теплои электропроводностью, а также наивысшей отражательной способностью. Серебро очень устойчиво во влажной среде. При соединении с сероводородом темнеет. Легко растворяется в азотной кислоте.

Основными областями технического применения серебра в настоящее время являются: электроника и электротехника (проводники и контакты); ювелирное производство; аккумуляторные батареи; припои; защитные и декоративные покрытия. Ранее серебро широко использовалось для изготовления монет, а также кинои фотоматериалов.

В отличие от других благородных металлов серебро растворяет кислород и практически не растворяет водород.

Ювелирные сплавы серебра, кроме основы, содержат только медь. Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов серебра приведены в табл. 59. Наилучшие литейные свойства имеют сплавы низших проб (800, 830), они идут, главным образом, на изготовление столовых приборов. Недостатками являются заметный желтоватый оттенок и более быстрая окисляемость на воздухе. Сплавы с высоким содержанием серебра более пластичны. Для наиболее филигранных работ используют сплав СрМ960, но при эксплуатации изделия из него могут легко деформироваться. Более стабилен в этом отношении сплав СрМ925, он подходит для получения черни и нанесения низкотемпературных эмалей. Сплав СрМ 875 применяют для литья, гибки, пайки, ковки и чеканки, но для тонких филигранных операций и глубокой чеканки он слишком твердый.

Таблица 59

Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов серебра

по ГОСТ Р–51152–98

 

Марка

Проба

Состав, мас. %

Плотность, г/см3

Интервал тем

ператур плав

ления, °С

Ag

Cu

СрМ800

800

80,0–80,5

Остальное

10,13

779–810

СрМ830

830

83,0–83,5

››

10,19

779–830

СрМ875

875

87,5–88,9

››

10,28

779–850

СрМ925

925

92,5–93,0

››

10,36

779–896

СрМ900

960

96,0–96,5

››

10,43

880–930

Серебряные припои (ПСрМ72–28, ПсрМ50–50, ПСрМЦ52–33–15 и др.) могут иметь более сложный состав. Для снижения температуры плавления в них вводят цинк и кадмий.


читать далее »

Оловянные бронзы

Оловянные бронзы являются наиболее старыми из всех цветных сплавов. Они сыграли выдающуюся роль в развитии материальной культуры. Долгое время эти сплавы были единственным материалом для получения литых изделий различного назначения. Большой температурный интервал кристаллизации и связанный с этим объемный характер затвердевания приводили к тому, что усадка реализовывалась в форме усадочной пористости, при этом не требовалось устанавливать массивные прибыли. Низкие значения усадки позволяли точно воспроизвести конфигурацию модели, поэтому оловянные бронзы длительное время оставались единственным материалом для художественных отливок.

Широкому использованию этих бронз для фасонного литья способствовали и их исключительные эксплуатационные свойства. Обладая умеренными механическими свойствами, оловянные бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, в том числе в морской воде, обладают отличными антифрикционными свойствами: малым коэффициентом трения, высоким сопротивлением износу, высокой кавитационной стойкостью. Они не чувствительны к коррозии под напряжением и в большой степени наследуют основные свойства чистой меди, а именно: высокую электрои теплопроводность. Эти качества делают оловянные бронзы до сих пор незаменимым материалом для многих механизмов и машин.

В промышленности используют как двойные, так и многокомпонентные оловянные бронзы, содержащие, кроме олова, цинк, свинец, фосфор и другие элементы.

Растворимость олова в меди существенно изменяется при понижении температуры. Она составляет 13,5 % при температуре перитектики (798 °С), возрастает до 15,8 % при температуре первого эвтектоидного превращения (586 °С), а затем понижается до 11 % при температуре третьего эвтектоидного превращения (350 °С) и становится менее 1 % при 200 °С и ниже.

С учетом образования нескольких химических соединений и протекания перитектических и эвтектоидных превращений в струк

туре сплавов системы Cu – Sn кроме твердого раствора олова в меди появляется несколько промежуточных фаз: β, γ, δ, ε и др. Наибольшее практическое значение имеют сплавы, содержащие не более 29 % Sn, поэтому ограничимся рассмотрением только перечисленных фаз. В их основе лежат химические соединения: Cu5Sn – βфаза, Cu31Sn8 – γ и δфазы, Cu3Sn – εфаза. Характерной чертой системы Cu – Sn является медленное протекание диффузионных процессов, поэтому при больших скоростях охлаждения процесс распада в твердом состоянии ограничивается первым эвтектоидным превращением (586 °С), а при более медленном охлаждении – вторым превращением (520 °С). Область твердого αраствора, ограниченная сплошной линией, характерна лишь для равновесных условий. При реальных скоростях охлаждения отливок эта область сужается. На диаграмме состояния пунктирной линией показано среднее положение границы αраствора при литье в металлические формы. Это подтверждается микроструктурой сплавов в литом состоянии (рис. 41). Микроструктура литой бронзы с 5 % Sn (см. рис. 41, а) состоит из первичных дендритов твердого раствора с малым содержанием Sn, промежутки между которыми заполнены твердым раствором, обогащенным оловом. В структуре бронзы с 10 % Sn (см. рис. 41, б) появляется эвтектоид α + δ, хотя по равновесной диаграмме состояния должен был произойти эвтектоидный распад δфазы.

Из диаграммы состояния системы Cu – Sn следует, что при таком содержании олова, как в стандартных сплавах, их нельзя упрочнить термической обработкой.

Появление в структуре эвтектоида, содержащего интерметаллидную δфазу Cu31Sn8, приводит к повышению прочности, твердости и снижению пластичности. В связи с этим, а также из экономических соображений в действующем ГОСТ 613–79 содержание олова ограничено до 10 %.

Оловянные бронзы

а                                                    б

Рис. 41. Микроструктура двойных оловянных бронз: а – 5 % Sn; б – 10 % Sn

Все оловянные бронзы, как и другие цветные сплавы, делятся на деформируемые и литейные. Маркировка деформируемых и литейных сплавов одинакова, только в конце некоторых марок литейных бронз ставится буква Л. В ГОСТ 5017–74 включено 9 марок деформируемых оловянных бронз. Кроме олова они легированы фосфором (БрОФ 8–0,3, БрОФ 7–0,2, БрОФ 6,5–0,4, БрОФ 6,5–0,15, БрОФ 4–0,25 и БрОФ 2–0,25), цинком (БрОЦ 4–3), а также цинком и свинцом (БрОЦ 4–4–2,5). Для сохранения пластичности максимальное содержание олова в деформируемых сплавах менее 10 %.

Литейные оловянные бронзы представляют собой многокомпонентные сплавы, так как двойные бронзы изза широкого интервала кристаллизации отличаются плохой жидкотекучестью и значительной пористостью. Состав литейных оловянных бронз приведен в табл. 29, а механические, физические и технологические свойства – в табл. 30 и 31.

Наиболее вредными примесями для оловянных бронз являются алюминий и кремний. В качестве легирующих добавок используют цинк, свинец, никель и фосфор.


читать далее »

Сурьмянистые бронзы Сурьмянистые бронзы

Сурьмянистые бронзы предназначены для изготовления антифрикционных деталей. При концентрации более 3 % сурьма образует твердую составляющую Cu2Sb, которая позволяет увеличить давление и скорость скольжения в парах трения.

В ГОСТ 493–79 включена одна марка сурьмянистой бронзы БрСу3Н3Ц3С20Ф, которую правильнее называть свинцовосурьмянистой. Кроме этой марки, разработаны бронзы марок БрСу6Н2, БрСу6Ф1, БрСу6С12Ф и БрСу3,5Н3,5Ц3,5С20Ф, которые также находят применение в промышленности.

Все эти бронзы имеют невысокую прочность от 150 до 260 МПа и низкую пластичность – от 2 до 6 %. Из литейных свойств можно отметить малую линейную усадку – около 1,3 %.

Из сурьмянистых бронз отливают детали (фрикционные и зубчатые колеса, шестерни, венцы червячных колес, втулкиподшипники), работающие на истирание при значительных скоростях скольжения и давлениях.


читать далее »

Антифрикционные сплавы Антифрикционные сплавы

Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на основе олова и свинца называются баббитами, по имени американского изобретателя (I. Babbit). Три марки баббитов разработаны на основе олова и три марки – на основе свинца. Состав баббитов приведен в табл. 51, а их свойства – в табл. 52.

Антифрикционные сплавы должны иметь гетерогенную структуру и состоять либо из твердой основы с мягкими включениями, либо из мягкой основы и твердых включений.

Мягкая основа сплава обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к валу; твердые включения служат опорными точками для трущихся частей вала. Небольшая поверхность соприкосновения вала и вкладыша уменьшает трение, а имеющиеся промежутки между валом и мягкой основой обеспечивают хорошую подачу смазки и ее равномерное распределение (рис. 55).

Баббиты относятся к группе сплавов с мягкой основой. Для уменьшения трения и равномерного распределения нагрузки на подшипник количество твердых частиц должно быть небольшим и они должны равномерно распределяться по объему металла.

Структуру оловянных баббитов можно описать по диаграмме состояния олово–сурьма (рис. 56), так как медь в них связана с оловом в форме соединения Cu6Sn5 и образует самостоятельную фазу.

Мягкую пластичную основу образуют кристаллы ?фазы (твердого раствора сурьмы в олове), а кристаллы ?'фазы (SnSb) и химического соединения Cu6Sn5 – твердую составляющую. При кристаллизации первично образуются кристаллы Cu6Sn5, которые образуют в жидком сплаве своеобразную сетку, препятствующую ликвации в сплаве ?'фазы.

Структура оловянных баббитов показана на рис. 57. У сплавов Б88 и Б83 наблюдается большое количество твердых фаз (светлые включения).

Антифрикционные сплавы


Антифрикционные сплавы


 

б

Рис. 57. Структура оловянных баббитов × 100: а Б88; б Б83

Для анализа структуры свинцовых баббитов можно воспользоваться диаграммой состояния тройной системы Pb Sb Sn (рис. 58), на которой точками обозначены сплавы: 1 Б16, 2 БН, 3 БС6.

Антифрикционные сплавы

Рис.58. Диаграмма состояния системы Pb – Sb – Sn

В свинцовых баббитах роль мягкой основы играет твердый раствор ?(Pb) олова, сурьмы и меди в свинце, а твердыми составляющими являются включения интерметаллидов.

В баббите Б16 (рис. 59, а) на фоне эвтектики ?(Pb) + ? (SnSb) наблюдаются более светлые твердые включения ?и ?'фаз (SnSb) и светлые иглы химического соединения Cu2Sb. В баббите марки БН с меньшим содержанием олова (рис. 59, б) кроме светлых кристаллов ?фазы присутствует эвтектика ?(Pb) + ? (SnSb). Мышьяковистая составляющая (AsCd) располагается внутри ?фазы в виде серых пятен.

В баббите БС6 мягкие кристаллы твердого раствора окружены более твердой эвтектической смесью.

Антифрикционные сплавы

a                                                   б

Рис. 59. Структура свинцовых баббитов × 100: а БН; б Б16

Оловянные баббиты применяются для заливки подшипников паровых турбин, турбокомпрессоров, турбонасосов, гидротурбин, дизелей и других высоконагруженных установок. Баббит Б88 выдерживает более высокие скорости вращения и рабочие температуры, чем Б83.

Баббиты на основе свинца являются более дешевым заменителем баббитов на основе олова. Они выдерживают меньшие удельные давления и окружные скорости вращения, поэтому применяются для подшипников, работающих при средних скоростях и средних нагрузках. Это подшипники дизелей компрессоров, судовых валоводов (БН), моторноосевые подшипники электровозов и путевых машин (Б16), подшипники автотракторных двигателей (БС6).

Для подшипников подвижного состава железных дорог (вагоны, тепловозы, электровозы) и тракторов рекомендуется использовать кальциевые баббиты БКА, БК2, БК2Ш на основе свинца (ГОСТ 120978), в состав которых входят Ca (0,301,15%), Na (0,200,90%), Mg (0,010,009%) и Al (0,050,20%). Эти сплавы менее хрупкие и более износостойкие, чем баббиты Б16, БН и БС6. Они хорошо сопротивляются воздействию ударных нагрузок.


читать далее »

Состав и свойства первичного алюминия Состав и свойства первичного алюминия

Алюминий – химический элемент III группы периодической системы Д.И. Менделеева: атомный номер 13, атомная масса 26,981. Это третий по распространенности на нашей планете элемент после кислорода и кремния и самый распространенный из металлов. Его содержание в земной коре достаточно велико и составляет 8,8 %. Выделить его из природных соединений очень трудно, так как он прочно связан с кислородом и другими элементами.

Только в 1825 году датчанин Эрстед получил первые граммы металлического алюминия. В 1855 году на Парижской всемирной выставке был представлен слиток алюминия весом несколько килограммов. В то время его стоимость превосходила стоимость серебра в 5 раз, а стоимость железа – в 4 тысячи раз. Алюминий использовали для изготовления ювелирных изделий, посуды для знатных особ. Получали алюминий путем восстановления натрием из хлоридов. В 1866 году П. Эру во Франции и Ч. Холл в США независимо друг от друга изобрели электролитический процесс получения алюминия, и его стоимость сравнялась со стоимостью других металлов. Производство алюминия по своим масштабам занимает второе место после железа и продолжает быстро расширяться.

Алюминий представляет собой блестящий серебристобелый металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660 °С. Он имеет кубическую гранецентрированную решетку и не претерпевает полиморфных превращений. Алюминий хорошо проводит тепло и электрический ток. По электропроводимости алюминий уступает только меди, поэтому широко используется в электротехнике. Удельная теплоемкость составляет 0,95 кДж/(кг·К), а удельная теплота плавления – 405 кДж/кг. В связи с этим для плавки алюминия и сплавов на его основе требуются большие затраты теплоты. На воздухе поверхность алюминия быстро покрывается тонкой, но очень

плотной, прочной и твердой окисной пленкой, что придает ему высокую коррозионную стойкость.

В литом состоянии прочность алюминия на разрыв составляет в среднем 90 МПа, твердость 25 НВ, относительное удлинение 30–50 %.

Первичный алюминий по ГОСТ 11069–2001 маркируется буквой А и цифрами, показывающими его содержание свыше 99 %. Различают особо чистый алюминий А999 (99,999 % Al), алюминий высокой чистоты А995, А99, А97, А95 и технически чистый алюминий А8 (99,8 %), А7, А6, А5, А5Е, А0. Химический состав первичного алюминия приведен в табл. 6.

Таблица 6

Химический состав первичного алюминия по ГОСТ 11069–2001

 

Марка

Al, %, не менее

Примеси, %, не более

 

Fe

Si

Cu

Zn

Ti

– 0,001 0,002 0,002 0,002 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,01 0,03 0,03

∑примесей

А999

99,999

0,001

А995

99,995

0,0015

0,0015

0,001

0,001

0,005

А99

99,99

0,003

0,003

0,003

0,003

0,10

А97

99,97

0,015

0,015

0,005

0,003

0,03

А95

99,95

0,03

0,03

0,015

0,005

0,05

А85

99,85

0,08

0,06

0,01

0,02

0,15

А8

99,80

0,12

0,10

0,01

0,04

0,20

А7

99,70

0,16

0,16

0,01

0,04

0,30

А6

99,60

0,25

0,20

0,01

0,06

0,40

А5

99,50

0,30

0,30

0,02

0,06

0,50

А5Е

99,50

0,35

0,12

0,02

0,05

0,50

А0

99,00

0,50

0,50

0,02

0,08

1,00

А

99,00

0,80

0,50

0,03

0,08

1,00

Основными примесями в техническом алюминии являются железо, медь, марганец, титан и кремний. Наиболее вредные из них – железо и кремний. Они существенно снижают его пластичность и повышают твердость. В первичном алюминии в сотых и тысячных долях процента могут присутствовать и примеси, не регламентированные ГОСТом: кальций, натрий, магний, галлий и др.

Кроме первичного чистого алюминия, по ГОСТ 295–98 выпускают 5 марок алюминия для раскисления стали: АВ97, АВ92, АВ91, АВ88 и АВ86. Цифры показывают содержание алюминия в процентах. Для производства сплавов такой алюминий непригоден. Он содержит слишком много примесей.

Чистый алюминий широко используется в электротехнике (проводники электрического тока) и пищевой промышленности (посуда, упаковка). Высокая пластичность позволяет получать из алюминия фольгу толщиной до 0,2 мм, из которой штампуют коробки, крышки и банки для различных напитков.


читать далее »

Оптимизация состава сплавов

Определение оптимального состава нового сплава производится с использованием методов математического планирования экспериментов.

При помощи математических моделей можно построить номограммы зависимостей исследуемых свойств от химического состава, по которым легко найти пределы содержания легирующих элементов, обеспечивающие требуемый уровень свойств, или определить,

какие свойства будет иметь сплав при данном составе. Если по какимто свойствам изученная область составов сплава не обеспечивает требуемый уровень, то проводится поиск оптимального состава сплава методом крутого восхождения.

Следует отметить, что составы некоторых давно применяемых сплавов также требуют уточнения (оптимизации). Опыт практической работы со многими литейными сплавами показывает, что при определенных соотношениях концентраций легирующих элементов фактические свойства существенно отличаются от свойств, заявленных в нормативном документе. Встречаются такие случаи, когда состав сплава отвечает требованиям стандарта, а одно или несколько свойств не удовлетворяют требованиям того же стандарта. Рассмотрим подобную ситуацию на следующем примере. На многих заводах, где использовали литейную латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2, при испытаниях механических свойств относительное удлинение часто оказывалось ниже допустимого значения 7 %. Отливки изза несоответствия механических свойств приходилось отправлять на переплавку.

Состав латуни по ГОСТ 17711–93 следующий: 64–68 % Cu, 4–7 % Al, 2–4 % Fe, 1,5–3,0 % Mn, остальное – Zn. Для выяснения степени влияния легирующих элементов на механические свойства произвели корреляционный анализ выборки (n = 100) из журнала регистрации производственных плавок латуни на одном машиностроительном заводе. Оказалось, что статистически значимое влияние на прочность σв, МПа, и пластичность δ, %, оказывали только медь и алюминий.


читать далее »

Титановые сплавы

Классификация и свойства чистых металловТитан и титановые сплавы относятся к наиболее молодым конструкционным материалам. Промышленное производство титана освоено лишь в середине ХХ века. Основными областями применения титана являются транспортные средства, судостроение, химическое машиностроение, медицина и вакуумная техника.

Состав и свойства чистого титана

Титан имеет высокие температуры плавления (1668 °С) и кипения (3000 °С). Нагреваясь при температуре 882 °С, претерпевает одно полиморфное превращение, и, следовательно, имеет две модификации. Низкотемпературный αтитан имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку (а = 0,2951 нм, с = 0,4684 нм, с/а = 1,587). Плотность αтитана равна 4,5 г/см3. Кристаллическая решетка высокотемпературного βтитана кубическая объемноцентрированная с периодом 0,3282 нм. Плотность этой модификации 4,31 г/см3, а плотность в жидком состоянии при температуре плавления – 4,1 г/см3.

Титан высокой степени чистоты, содержащий не более 0,05 % примесей, является пластичным (δ = 50–60 %) металлом со средней прочностью (σ = 220–260 МПа). Примеси в титане технической чистоты существенно повышают твердость, прочность и снижают пластичность. Так, титан марки Т11 (0,3 % примесей) имеет прочность, равную 450–600 МПа при относительном удлинении 25 %. Прочность некоторых титановых сплавов может достигать 1500–2000 МПа. С учетом малой плотности, по удельной прочности (см. табл. 2) титановые сплавы при рабочих температурах до 450–500 °С превосходят все остальные металлические материалы, кроме сплавов на основе бериллия.

Титан отличается высокой химической активностью, что затрудняет все технологические переделы, связанные с нагревом и плавле

нием. Тем не менее при температурах до 500 °С титан обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред. Это связано с образованием на его поверхности плотной оксидной пленки TiO2, которая обладает защитными свойствами. Титан устойчив в морской воде, разбавленной до 5 % серной кислоте, «царской водке», уксусной и молочной кислотах, во влажной хлорной атмосфере и ряде других сред. При температурах выше 500 °С окисная пленка растрескивается и теряет защитные свойства. При высоких температурах, и особенно в жидком состоянии, титан активно взаимодействует со всеми известными веществами, входящими в состав огнеупоров и литейных форм, особенно активно титан взаимодействует с газами: кислородом, водородом, азотом, водяным паром, СО, СО2 и др.

Металлургия титана отличается тем, что из руды сначала получают титановую губку. Она представляет собой пористый материал серого цвета с плотностью 0,8–2,5 г/см3. После переплава в вакуумных печах из губки получают компактные титановые слитки. Титановую губку маркируют буквами ТГ и цифрами, которые обозначают твердость эталонных образцов, выплавленных из губки. Химический состав титановой губки по ГОСТ 17746–96 приведен в табл. 18.

Таблица 18

Химический состав титановой губки по ГОСТ 17746–96

 

Марка

НВ, МПа

Содержание примесей, %, не более

N

C

Cl

Fe

Si

0,01 0,02 0,03 0,04 0,04

Ni

O2

ТГ90

90

0,02

0,02

0,08

0,06

0,05

0,04

ТГ100

100

0,02

0,03

0,08

0,07

0,05

0,04

ТГ110

110

0,02

0,03

0,08

0,09

0,05

0,06

ТГ120

120

0,03

0,04

0,10

0,13

0,05

0,08

ТГ150

150

0,4

0,05

0,12

0,20

0,05

0,10

Как указывалось ранее, примеси оказывают существенное влияние на свойства титана и титановых сплавов. Сотые доли кислорода, азота, водорода, углерода и железа резко снижают пластичность и повышают твердость и прочность.

Титан отличается высокой технологичностью при обработке давлением. Из него можно получать все виды деформированных полуфабрикатов: поковки, штамповки, плиты, прутки, профили, трубы, проволоку, ленту и даже фольгу толщиной в десятые доли миллиметров. Титан хорошо сваривается всеми видами сварки при защите расплавленного металла от взаимодействия с атмосферой. Обработке резанием титан поддается плохо изза налипания на инструмент.

Высокие показатели механических свойств позволяют использовать чистый титан в качестве конструкционного материала, однако в промышленности преимущество отдают титановым сплавам, которые по своим эксплуатационным свойствам превосходят чистый металл.


читать далее »

Красивые сверкающие предметы

Коррозия, прирученная человеком, способна творить чудеса. Кто не видел красивые сверкающие предметы, покрытые пленками цветных металлов. Эти пленки предохраняют изделия от коррозии, с помощью которой как раз и осуществляется сам процесс нанесения. Меднение труб из углеродистых или нержавеющих сталей, например,— настоящий электрохимический процесс. На анодных участках происходит растворение медной болванки, на катодных— восстановление меди на поверхности изделия, подготовлейной для покрытия. Регулируя разность, потенциалов между анодными и катодными участками, можно покрывать предметы медной пленкой с определенной скоростью.

Экспериментальная физика и химия тоже давно используют коррозию для научных опытов. Об одном остроумном ее применении хочется рассказать подробнее. Речь идет об изучении скин-эффекта с помощью коррозионного растворения тонкого слоя металла.

Молодой Резерфорд работал над своей первой, еще студенческой диссертацией «М агнетизация железа при высокочастотных разрядах». Измеряя намагниченность игл и спиц, он вскоре заметил, что она пропорциональна не величине объема, а только внешней поверхности этих кусочков железа. Стало быть, намагничивался только внешний слой. Сегодня это очевидно, а тогда, в конце 1894 года, нужны были веские доказательства. Резерфорд провел опыт: установил на столе сосуд с азотной кислотой. В сосуде — подвеска с намагниченной иглой. А перед сооружением — зеркальный магнитометр. Азотная кислота растворяла железо. Равномерно таял намагниченный слой. И зайчик магнитометра медленно

Отползал к нулю. Он дополз до нуля, когда диаметр растворяющейся иглы уменьшился всего на тысячные доли дюйма. Эго и была глубина намагничивания.

Искусство китайских умельцев, написавших на зерне риса пространное послание, вошло в легенду. Сегодня инженеры заставили коррозию «выписывать» сложнейшие запутанные линии, напоминающие иероглифы, на металлических пластинках, на которых затем размещают миниатюрные радиодетали. Линии, которые заменяют провода, получают вытравливанием части поверхности. Благодаря этому размеры приемников резко сократились и, направляясь на прогулку в лес или на реку, мы можем взять с собой небольшой и удобный аппарат. Интересно, что в таком радиоприемнике и звук чище, ведь влияние старых соединительных проводников друг на друга было намного больше, чем влияние теперешних тонких линий. Видите, коррозия даже может улучшить качество продукции.


читать далее »

Порции сибирских образцов

Отсутствие дорог, суровые погодные условия края превращали добычу и доставку каждого образца воды и грунта в нелегкую техническую задачу. Когда же некоторые жаловались на недостаточные порции сибирских образцов, им в шутку напоминали, что корабль «Аполлон-11» доставил в 1969 году 21,5 килограмма лунного грунта. Греть его специальная комиссия выделила на научные цели: 150 лабораторий получили по. 50 миллиграммов.

По составу солей, растворенных в подземных водах, строители могут ориентировочно рассчитать скорость коррозии и выбрать необходимые марку бетона, толщину его защитного слоя, тип изоляции и количество ее слоев. Точно так же можно оценить коррозионные условия для металлических труб и кабелей.

Есть, правда, небольшое отличие.

Достаточно вырезать квадратные пластинки из углеродистой стали (для стальных труб), алюминия и свинца (для разных типов кабелей), взвесить их на аналитических весах и зарыть на разных глубинах. Трубы в районе Минусинска укладывают обычно на глубине 2—2,5 метра, значит, стальное образцы нужно закопать на глубине 2,5 метра; кабели в этих местах находятся на глубине 0,8—1 метр, следовательно, на такой глубине необходимо/поместить алюминиевые и свинцовые образцы. Пройдет 2—3 года, их выроют, очистят от земли и ржавчины и снова взвесят. Разница в весе покажет, как разрушаются в этих почвах различные металлы. Почему их нельзя выкопать через несколько месяцев? В первые 1—2 года скорость коррозии быстро растет, затем этот рост снижается, процесс стабилизируется. Вот по этой постоянной скорости и можно рассчитать, какой толщины выбрать стенку трубы или оболочку кабеля, какие предусмотреть средства защиты для тонких металлических конструкций.

При закладке образцов в грунт инженеры Укргипромеза встретились с ленинградской экспедицией. Цель ее работы да, пожалуй, и все, что делали ленинградцы, внешне было прямо противоположно работе днепропетровцев. Посудите сами: днепропетровцы закапывали свои образцы в грунт, ленинградцы раскапывали курганы на будущей территории комбината, одни думали о будущем строительстве, другие спешили заглянуть в прошлое. Но вместе они делали общее дело. Археологи должны давать заключение об отсутствии археологических ценностей на каждой площадке большого строительства.


читать далее »

Итак, коррозионные условия для проектируемых сооружений определить можно: частично измерить, частично рассчитать. Но как согласовать будущие коррозионные условия с будущей конструкцией фундамента или трубопровода?

Советские ученые разработали способы определения коррозионной обстановки для труб и кабелей до укладки их в землю. Решается эта задача с помощью современных электронно-вычислительных машин.

А как быть с более сложными конструкциями? Здесь вступают в свои права теория подобия и специальные разделы высшей математики, посвященные преобразованию поверхностей. Английский физик и математик Томпсон сказал, что математика не есть нечто черствое, противное здравому смыслу. Наоборот, она лишь делает здравый смысл подобным эфиру. В том, что это именно так, мы сейчас убедимся.

Мне всегда казалось, что теория подобия начинается со сказок. Помните, как старика Хоттабыча уменьшили строго пропорционально до нужных размеров и поместили в волшебный кувшин? Уменьшенный маг был во всех деталях подобен «нормальному» старику Хоттабычу — наивному и доброму волшебнику. Здесь явно не обошлось без теории подобия!

Казалось бы, почему не последовать примеру магов: сделать уменьшенную модель конструкции и поместить ее в модель внешней среды. После этого можно выполнять все измерения так же, как если бы это было настоящее сооружение. Не забыть бы только потом перевести их результаты в действительный масштаб!

Для ответственных сооружений, например плотин электростанций, так и поступают. Их макеты сохраняют порой мельчайшие детали настоящих конструкций. Однако на таких игрушечных сооружениях можно только измерять параметры и проводить эксперименты. «Обсчитать» их математическими методами нисколько не легче: они хоть и малы, но сложны. К тому же далеко не всегда и не для всех конструкций целесообразно заниматься таким физическим моделированием.

Вместо него чаще всего пользуются математическим моделированием. Для него не нужно ни дерева, ни органического стекла; ни пластилина. Оно настолько же легче физического моделирования, насколько легче написать S = nr2, чем вырезать из какого-либо материала круг с такой же площадью. Но для его реального осуществления необходимо освободить конструкцию от всех несущественных деталей. Что же считать существенным, а что нет? Вот тут-то «сухая» математика начинает показывать чудеса не хуже, чем старик Хоттабыч.


читать далее »

Применение активного металла для защиты менее активного предложил Деви в 1824 году. Он в то время занимался проблемой надежности кораблей. Можно смело сказать, что его предложению было суждено «большое плавание». Впрочем, идея, как говорится, витала в воздухе. Специальной обработкой железных гвоздей,

В результате которой на их поверхности образовывалась окисная пленка, С. П. Власову удалось в 1820 году снизить скорость разрушения медной обшивки кораблей. Б. С. Якоби, исследуя коррозию микрогальванических элементов на стальных корпусах мин, предложил в 1856 году защищать их пластинками из цинка — более активного металла, чем сталь.

Но систематизация свойств металлов, на qchobc которой можно делать важные практические выводы, была предложена позднее Н. Н. Бекетовым. Он открыл ряд, называемый теперь электрохимическим рядом напряжений металлов:

Са, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au.

Замечательное свойство этого ряда заключается в том, что каждый металл, стоящий левее, может вытеснить все следующие за ним металлы из раствог ров солей (теперь становится понятным, почему на яхте «Штандарт» разрушились железные, а не медные части).

Устройствами электрохимической защиты оборудуют корабли, стальные конструкции в портах, подземные и подводные сооружения (2). Добавим к этому, что она получила «постоянную прописку» во всех странах обоих полушарий. Только в Японии расходы на все виды этой защиты в 1976 году превысили 15 миллиардов иен, а затраты на научные исследования коррозии и антикоррозионной защиты в 1975 году достигли 22 миллиардов иен.

На первых порах, анализируя возможности применения электрохимической защиты, ученые ориентировались на величину плотности тока — ее легко измерить и отрегулировать. За определение защитной плотности тока взялись Харкер и Номарра. Они создали отвергнутую теперь теорию «обратного электролиза»: для защиты от коррозии нужен точно такой же ток, который разрушает металл. Это мнение разделяли многие исследователи, пока Томсон и Хильдебранд не доказали, что в подобных случаях обеспечивается лишь частичная защита — не более 70 процентов.

Это вызвало новый поток гипотез. Уже известный нам Эванс пытался объяснить процесс электрохимической защиты металла образованием щелочного раствора у поверхности. Но почему же тогда разрушаются металлы в концентрированных щелочах?


читать далее »

Коррозионные повреждения

С середины 1970 гг, на электродах обнаружили коррозионные повреждения. Из-за коррозии происходили короткие замыкания между электродами и осадительными пластинами. А это, в свою очередь, приводило к пробою изоляторов. Расход их оказался таким большим, что временами приходилось останавливать электрофильтры — не успевали доставлять новые изоляторы. В чем причина этой длинной цепи неприятностей?

Сажа, содержащаяся в грязном газе, при сжигании поглощает двуокись серы. Образуется вязкая масса, которая прилипает к коронирующим электродам и к участкам перехода от них к раме. Эта масса, с одной стороны, содержит агрессивные по отношению к металлу вещества, с другой — уменьшает расстояние между электродами. Чем больше сжигается мазута, тем больше двуокиси серы, тем чаще выходят из строя электроды и изоляторы. Стоимость поврежденных электродов и изоляторов не идет ни в какое сравнение с убытками от остановки электрофильтров, ведь прекращается или ставится под угрозу энергоснабжение других объектов!

Закончим «досье на преступников». металлами. В свое время венесуэльская нефть особенно ценилась из-за ванадия, который извлекали из получаемой при ее сжигании золы. Теперь с ванадием, содержащимся в нефти, приходится бороться, потому что пяти - окись ванадия, образующаяся при его горении с избытком кислорода, способствует появлению на лопастях турбин таких же липких зольных отложений, как и на коронирующих электродах, о которых говорилось выше. Эти отложения ускоряют окисление металла. Оказалось, что с одного квадратного метра площади лопастей в течение часа улетучивается до 28 граммов металла.

В литературе описан интересный случай, когда инженеры не учли возможности вражды между металлами. Наверное потому, что сегодня такой просчет считается очевидным, не указываются ни те, кто допустил промах. Но наглядность этого примера, несмотря на скупую информацию, все же привлекает внимание исследователей. Речь идет об ошибке, допущенной конструкторами морской яхты

«Штандарт». Яхту, предназначенную для увеселительных прогулок, старались сделать покрасивее. Надводную часть корпуса облицевали листами из красной меди, подводную сделали из стальных листов. Стальное дно, по мнению конструкторов, должно было гарантировать повышенную прочность. Недолго проплавала эта яхта по морским просторам. В местах соединения медных и стальных листов началось быстрое разрушение, и подводная часть скоро вышла из строя.


читать далее »

«Пожиратели» металлов довольно прожорливы. Известно, что вода морей и океанов богата растворенными в ней полезными ископаемыми. Некоторые даже называют морскую воду жидкой рудой: на каждый ее килограмм приходится 35 граммов твердых веществ. Так что «продуктов питания» для железистых и марганцевых бактерий вполне достаточно.

Созданные ими месторождения конкреций покрывают около четверти поверхности морского дна. Их общий вес достигает приблизительно 500—1000 миллиардов тонн. Промышленные разработки месторождений полезных ископаемых ведутся вблизи береговой полосы на глубине до 200 метров. Как достать «продукцию» микробов, спрятанную под пятикилометровой толщей воды? Эту задачу решают в лабораториях и на опытных установках.

Морские организмы помогли уточнить содержание и состав веществ, растворенных в воде. Сначала эти вещества обнаружили в обитателях моря, а позже — в морской воде. Так, ниобий сначала нашли в асцидиях, а затем уже в донных осадках Плимутского залива (Англия). О микроорганизмах все чаще вспоминают в связи с расширением поисков и добычи редких элементов. В этом нет ничего удивительного — в железомарганцевых конкрециях Тихого и Атлантического океанов обнаружено 27 элементов периодической системы. Недавно украинские геологи получили новое подтверждение, что «выработка» железа — древняя специальность бактерий. Исследуя под электронным микроскопом пробы, взятые в пластах железных руд недавно открытой Ананьевской магнитной аномалии, геологи обнаружили следы активной жизнедеятельности колоний древних бактерий, очень похожих на современных «производителей» железа.

В 1979 году биологическая металлургия Узбекистана шагнула за стены НИИ. На руднике Ингичка в Самаркандской области намечено передать невидимым «металлургам» несколько сот тонн руды. Здесь начнет действовать опытная установка. Окончательно отладив технологию, ученые и инженеры планируют использовать новинку в Алмалыке, где в отвалах скатилось немало бросовых материалов, которые в будущем станут ценным сырьем. Медь, полученная с помощью микроорганизмов, как показали расчеты, обойдется в 3—4 раза дешевле.

Итак, мы убедились, что услугами коррозии, которую человек учится покорять пользуются и промышленность и наука.

«А фальшивомонетчики и прочие мистификаторы?» — спросит иной читатель. У наших инженеров, конечно, нет досье на такого рода «специалистов по коррозии».


читать далее »

Мнения ученых и инженеров совпали лишь в одном: какие бы способы подготовки, нанесения и контроля качества изоляции ни применяли, в ней некоторое время непременно образуются дефекты — сквозные повреждения.

Экономическая оценка различных способов защиты показывает, что вместо дорогостоящих покрытий лучше воспользоваться покрытиями средней стоимости, дополнив их электрозащитой. Вот почему надежные защитники металла от коррозии — изоляция и электрозащита — часто «идут рука об руку».

Улинарам всех времен и народов известны пряности, которые своим присутствием не только делают соления намного вкуснее и ароматнее, но и обогащают их витаминами, удлиняют срок хранения. Как заманчиво было бы для инженеров иметь под рукой вещество которое, не меняя основных свойств и структуры металла, одним своим присутствием делало бы его устойчивым к агрессивной среде.

Первым такой эликсир для металлов нашел советский академик П. А. Ребиндер. Открытые им поверх - ностно-активные вещества стали научной сенсацией, которая вызвала переворот во взглядах на защиту металла от коррозии.

И сегодня не все ясно в механизме «взаимоотношения» металла и поверхностно-активных веществ. Известно, что результат их взаимодействия — пленки, изолирующие анодные и катодные участки друг от друга, и прочные химические соединения.

Новое направление в науке способствовало созданию различных веществ “ замедлителей коррозии Для водных растворов это пассиваторы, для кислот—ингибиторы. Меньше 1 процента ингибиторов достаточно для предохранения металла от коррозии.

В книге С. А. Балезина «Отчего и как разрушаются металлы» описан случай, который произошел с. 25-тонной цистерной, внешне ничем не отличавшейся от других. Ей предстояло перевезти соляную кислоту — злейшего врага металлов. Несмотря на то, что не было никакой изоляции, она благополучно выдержала продолжительный путь, тряску, долгие стоянки на солнцепеке. Как ей это удалось?

Секрет в том, что в кислоту ученые добавили около 1 процента особого вещества — уникола, впервые полученного в нашей стране. Это затормозило растворение металла в соляной кислоте. Недаром «ингибитор» по-латыни означает тормозить.

Если две совершенно одинаковые пластинки из стали опустить в две колбы с 20-процентной соляной кислотой, добавив в одну из них 3—4 миллиграмма - ингибитора, то уже через неделю будут видны результаты.


читать далее »

Но даже если бы такие препараты были, кто может гарантировать, что взаимодействие их с кладкой не приведет к трагическим для памятника последствиям.

Архитекторы Киевского научно-исследовательского отдела реставрации остановились на другом решении: построить над остатками «Золотых ворот» павильон, соответствующий первоначальным формам памятника. Это сооружение, с одной стороны, укроет их от разрушительных сил непогоды, а с другой, даст возможность киевлянам и гостям столицы представить, насколько грандиозным и совершенным в оборонном отношении было это древнерусское сооружение.

Понятие промышленной эстетики сегодня не требует пояснений. Там, где она присутствует, и людям приятно работать и сооружения стоят долго.

Именно такой цех решили создать проектировщики Укргипромеза, когда получили задание разработать комплекс по производству труб из сплавов и биметаллических труб на днепропетровском трубопрокатном заводе имени В. И. Ленина. Один из наиболее сложных участков — травильное отделение. Здесь в технологическом процессе одновременно участвуют десятки растворов с высокой концентрацией агрессивных веществ и температурой до 80 градусов. Применить закрытые агрегаты для травления металла (помните первое условие?) на этом заводе оказалось невозможным. Нашли иной выход: травильные ванны сделали заглубленными и предложили вентиляцию на двух уровнях — снизу, у поверхности травильного раствора и сверху — у обреза ванны. Это полностью изолировало цех от вредных испарений, а полы и конструкции вокруг ванны — от проливов агрессивных растворов. Отказавшись от многослойной конструкции (сталь, полимерный пластикат, кислотоупорный кирпич), ванну изготовили из одного материала — полимер силикатного бетона. Из него же будут и совершенно гладкие полы в рабочих помещениях.

Для контроля за состоянием строительных конструкций в бетон заложили датчики.

В заключение — несколько цифр для любителей статистики. Вначале подсчитаем количество всех технических расчетов, которые потребовались для разработки проекта цеха. Их оказывается «всего». 10,

Много это или мало? Для сравнения — еще одна цифра: с тех пор, как человек научился говорить, на всех языках было произнесено 7016 слов.

Это даёт представление о том, как рождаются проекты, какого они требуют кропотливого труда.

Сегодня проектная документация промышленных объектов — это карта боевых действий строителей.


читать далее »

Примерно через год в листовом кожухе купола одного из них в нескольких сварных швах появились трещины. Что делать? Добавили еще один купол — из стали повышенной прочности, верхнюю часть покрыли тепловой изоляцией, чтобы внутри кожуха температура не падала ниже 150 градусов. Вопреки всем ожиданиям на неизолированной части камер горения воздухонагревателей вновь начали появляться трещины. Такие же неприятности преследовали работников завода в Швельгерне: коррозия вынудила их заменить трубопровод горячего дутья. Но только ли в температуре тут дело?

При сгорании топлива в воздухонагревателе накапливаются окислы азота. Чем температура выше, тем их больше. Одновременно усиливаются и растягивающие напряжения в металлических конструкциях. Когда температура кожуха опускается ниже «точки росы», совместные «усилия» водного раствора окиси азота и растягивающих напряжений приводят к образованию тонких трещин. Накопление таких не видимых глазу трещин может вызвать мгновенный обвал конструкции, за минуту до этого выглядевшей вполне надежно.

Постепенно р