Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами.
Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться. В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.
Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана, магния и др.
К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность, электропроводность и температура плавления.
К механическим свойствам металлов и сплавов относят: Ктвердость, прочность, упругость, пластичность.
К технологическим свойствам относят обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.
Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.
Наука, изучающая состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также зависимость между внутренним строением (структурой) и свойствами металлических сплавов называется металловедением.
1. Медь и медные сплавы
1.1.Свойства меди. Применение .Классификация сплавов
Cu- химический знак.
Имеет кубическую гранецентрированную решетку.
Обладает высокой пластичностью,высокими электро-и теплопрводностью,малым удельным электросопротивлением, высокой коррозионной стойкостью,хорошей обрабатываемостью,
Плотность — 8,93*103кг/м3. Удельная теплоемкость при 20 °C – 0,094 кал/град. Температура плавления – 1083 °C. Удельная теплота плавления – 42 кал/г. Температура кипения – 2600 °C. Коэффициент линейного расширения (при температуре около 20 °C) – 16.7 *106(1/град).
Коэффициент теплопроводности — 335ккал/м*час*град. Удельное сопротивление при 20 °C — 0,0167 Ом*мм2/м. Средний предел прочности зависит от вида обработки – 220-420Мпа. Относительное удлинение 4-60%. Твердость-35-130 НВ. Линейная усадка-2,1%.
Цветные металлы. Их свойства и применение
... металлов являются следующие: · Черные металлы (железо и его сплавы); Цветные металлы (все остальные металлы и сплавы, за исключением железа); Благородные или драгоценные металлы (серебро, золото, платина и остальные металлы платиновой группы); Легкие металлы (имеющие низкую плотность); Тяжелые металлы (цветные металлы, ... свойств (временное сопротивление 100-190 МПа, относительное удлинение 6- ...
В зависимости от степени чистоты и состояния поверхности цвет изменяется от светло-розового до красного.
Итак, благодаря своим свойствам медь широко применяют в промышленности. Особенно в электротехнической, как полуфабрикат при выплавке сплавов.
Примеси и легирующие элементы.
По характеру взаимодействия с медью легирующие элементы и примеси разделяют на три группы:
a) Элементы, взаимодействующие с медью с образованием твердых растворов (Ag, Al, As, Au, Cd, Fe, Ni, Pt, P, Sb, Sn, Zn).
Они повышают ее прочность, но при этом существенно уменьшается значение тепло- и электропроводности (в первую очередь, из-за присутствия сурьмы и мышьяка).
b)Элементы, практически нерастворимые в меди в твердом состоянии и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Bi, Pb).
Возникновение эвтектик по границам зерен приводит к разрушению слитков меди в процессе их горячей прокатки (явление красноломкости).
Повышенное содержание висмута (более 0,005 %) вызывает хладноломкость меди.
c)Элементы (Se, S, O, Te), образующие с медью хрупкие химические соединения (например, Cu2O, Cu2S).
Увеличение содержания серы в меди, с одной стороны, обеспечивает повышение качества ее механической обработки (резанием), с другой, вызывает хладноломкость меди. Присутствие кислорода в меди является причиной ее «водородной болезни», проявляющейся в образовании микротрещин и разрушении при обжоге (t > 400°C) в водородсодержащей среде. В данном случае водород, активно диффундирующий в металл, отнимает кислород у закиси меди Cu2O с образованием паров воды. В металле возникают области с высоким давлением, вызывающим разрушение материала.
Чистая медь из-за низкой прочности не получила широкого применения в машиностроении. В основном применяются сплавы. Сплавы подразделяются:
- по химическому составу: латуни, бронзы, медноникелиевые.
- по технологическому значению: деформируемые, используемые для производства проволоки, листа, полос, профиля, и литейные, применяемые для литья деталей.
1.2 Производство меди
Для получения меди применяют пиро-, гидро- и электрометаллургические процессы.
Пирометаллургический процесс получения меди из сульфидных руд типа CuFeS2 выражается суммарным уравнением:
2CuFeS2 + 5O2 + 2SiO2 = 2Cu + 2FeSiO3 + 4SO2.
Гидрометаллургические методы получения меди основаны на селективном растворении медных минералов в разбавленных растворах серной кислоты или аммиака, из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом:
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4.
Электролизом получают чистую медь:
2CuSO4 + 2H2O 2Cu + O2 + 2H2SO4.
На катоде выделяется медь, на аноде – кислород.
Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллургический способом из сульфидных руд. Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллургический способом из сульфидных руд. Одновременно решается задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка штейна), конвертирование штейна с получением черновой меди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).
дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка штейна), конвертирование штейна с получением черновой меди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).
Марки меди: МО(99,95% Cu), М1(99,9% Cu), М2(99,7% Cu), М3(99,5% Cu), М4(99,0%).
1.3. Латуни
Латуни – сплавы меди с цинком. Практическое применение имеют латуни с содержанием Zn до 45%.
Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Наиболее пластична латунь, с долей цинка около 30%. Она применяется для производства проволоки и тонких листов.
В состав также могут входить железо, олово, свинец, никель, марганец и другие компоненты. Они повышаю коррозийную устойчивость и механические свойства сплава.
Латунь хорошо подвергается обработке: сварке и прокатке, отлично полируется.
Широкий диапазон свойств, низкая себестоимость, легкость в обработке и красивый желтый цвет делают латунь наиболее распространенным медным сплавом с большой областью применения.
Все латуни делятся на деформируемые латуни, литейные латуни и ювелирные сплавы.
Деформируемые латуни бывают двойные и многокомпонентные.
Деформируемые латуни (другое название – томпак) имеют процентное содержание меди 90-97%. Они высоко пластичны, обладают высокой устойчивостью к коррозии, хорошими антифрикционными свойствами, легко свариваются со сталью. Томпак окрашен в приятный золотистый цвет, благодаря чему, сплав используется для изготовления фурнитуры, художественных изделий, знаков отличия.
Двойные деформируемые латуни используются в автомобилестроении, для изготовления различной аппаратуры, змеевиков, сильфонов, гаек, болтов, конденсаторных труб, толстостенных патрубков.
Многокомпонентные деформируемые латуни применяют для изготовления деталей часов, электромашин, морских судов, самолетов, химической аппаратуры. Из них производят вкладыши подшипников, арматуру, втулки, пружины и полиграфические матрицы.
Литейные латуни применяют для изготовления литых деталей арматуры, устойчивых к коррозии и высокой температуре деталей ответственного назначения.
Латунь маркируется следующим образом: сначала идет буква Л, а за ней ставятся цифры, указывающие процентное содержание меди, а также других металлов в сплаве.
Такая маркировка позволяет легко ориентироваться в свойствах и области применения. Так, например, латуни Л62 и Л68 используются вместо меди для изготовления деталей методом глубокой штамповки. Состав латуни должен соответствовать нормам ГОСТа.
Содержание легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7-9%. Сплав обозначают начальной буквой Л — латунь. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц-цинк 0-олово, Мц — марганец, Ж — железо, Ф — фосфор, Б — бериллий и т.д. Цифры, следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМцбб-6-3-2 алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное – цинк.
Таблица 1 – Механические свойства латуней
|
Марка |
Предел прочности растяжения σв, МПа |
Относи тельное удлинение δв,% |
Твердость, НВ |
Назначение |
|
Деформируемые латуни |
||||
|
Л90 Л80 Л68 |
260 320 320 |
45 52 55 |
53 53′ 55 |
Детали трубопроводов, фланцы, бобышки Теплообменные аппараты, работающие при температуре 250°C |
|
Литейные латуни |
||||
|
ЛС59-1Л |
200 |
20 |
80 |
Втулки, арматура, фасонное литье |
|
ЛМцС58-2-2 |
350 |
8 |
80 |
Антифрикционные детали — подшипники, втулки |
|
ЛМцЖ55-3-1 |
500 |
10 |
100 |
Гребные винты, лопасти, их обтекатели, арматура, работающая до 300 °С |
|
ЛА67-2,5 |
400 |
15 |
90 |
Коррозионностойкие детали |
|
ЛАЖМц-66- 6-3-2 |
650 |
7 |
160 |
Червячные винты, работающие в тяжелых условиях |
1.4.Бронзы
Бронза — это сплавы меди с оловом в различных пропорциях (медь в избытке), затем сплавы меди с оловом и цинком, а также некоторыми другими металлами или металлоидами (свинцом, марганцем, фосфором, кремнием и др., в небольших количествах).
Название бронзе дают по легирующим элементам (например, сплав меди с алюминием называют алюминиевой бронзой).
Маркируют бронзы буквами Бр, за которой следуют заглавные буквы легирующих элементов и через дефис цифры — их процентное содержание. Марки обозначаются следующим образом: первые буквы в марке означают: Бр – бронза; буквы, следующие за Бр, означают: А — алюминий, Б — бериллий, Ж — железо, К — кремний, Мц — марганец, Н — никель, О — олово, С — свинец, Ц — цинк, Ф. — фосфор. Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов.
В марках бронзы содержание основного компонента — меди — не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом. Например, Бр.АЖНЮ-4-4 означает бронзу с 10% Al, 4% Fe и 4% Ni (и 82% Cu); Бр. КМц3-1 означает бронзу с 3% Si, и 1% Mn (и 96% Cu).
Различают две группы бронз: оловянные, в которых преобладающим легирующим элементом является олово, и безоловянные (специальные).
По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.
В качестве легирующих элементов в бронзах используют олово, алюминий, никель, марганец, железо, кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий и другие элементы.
Бронзы, в которых легирующие элементы входят в твердый раствор, упрочняют деформационным наклепом. Последующим низкотемпературным отжигом (250— 300° С) могут быть повышены их упругие свойства. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий и некоторые другие элементы с переменной их растворимостью в α-твердом растворе, упрочняют дисперсионным твердением. К этому классу относится также бронза марки БрАЖН10-4-4.
Из перечисленных элементов олово, алюминий, никель и кремний главным образом повышают прочность, упругие свойства и коррозионную стойкость бронз, а в сочетании с другими элементами (свинцом, фосфором, цинком) также и антифрикционные свойства. Железо и никель сильно измельчают зерно и повышают температуру рекристаллизации бронз. Марганец и кремний повышают их жаростойкость. Бериллий, хром и цирконий, особенно после закалки и старения, повышают прочностные свойства сплавов, одновременно незначительно снижая их электропроводность. Эти элементы существенно повышают жаропрочность бронз. Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями. Бронзы хорошо обрабатываются резанием.
