Основные условно-буквенные обозначения основных элементов в металлах и сплавах

Таблица 2

Значение буквы А при маркировке стали

1. Буква А стоит в начале маркировки- сталь автоматная. Например А80

2. В середине 30ХАГС – означает процентное содержание азота

3. В конце 30ХГСА – сталь обладает улучшенными

механическими свойствами.

Буква Ш показывает что сталь высококачественная

30ХГСА – Ш

Буква У – углеродистая, инструментальная

Р – быстрорежущая

Ш – шарико-подшипниковая

Е – магнитная

Э – электротехническая.

У сталей, применяемых в литом виде, в конце марки ставится буква Л (25Л)

2. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ.

Важное значение в современной технике имеют и цветные металлы, которые широко применяют во всех отраслях, в которых применяют и черные металлы. Все большее применение цветных металлов в технике объясняется их физико-механическими и другими свойствами, которыми не обладают черные металлы и сплавы. Наиболее широко применяют медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам.

Цветная металлургия включает добычу, обогащение руд цветных металлов и их сплавов. Особенности сырьевой базы цветной металлургии:

- крайне низкое в количественном отношении содержание

полезных компонентов в сырье (медные – от 1 до 5%, свинцово-цинковые – от 1.5 до 5.5%, никелевые – от 0.3 до 5.5% и т.д.);

- исключительная многокомпонентность сырья (уральские руды содержат до 30 компонентов);

- огромная топливоемкость и электроемкость сырья в процессе его переработки.

Классификация цветных металлов

Цветные металлы делятся на 4 группы:

1. Тяжелые – медь, никель, цинк, свинец, олово.

2. Легкие - алюминий, магний, кальций, калий, натрий, барий, бериллий, литий.

3. Благородные – золото, серебро, платина с ее природными спутниками (родий, иридий, палладий, осмий).

4. Редкие – разделяются еще на 4 группы:

4.1. тугоплавкие – молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, тантал, цирконий;

4.2.легкие – стронций, скандий, рубидий, цезий.

4.3. радиоактивные – уран, радий, торий, актиний, протактиний.

4.4. рассеянные и редкоземельные – германий, гафний, галлий, индий лантан, таллий, церий, рений.

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

Медь – один из семи металлов, известных с глубокой древности. По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из алюминия. Медь – металл сравнительно мала активный. В сухом воздухе при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой., селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высокой температуре. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.

Чистая медь – тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубоватой. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений, оксидов и гидрокарбонатов. Практическое значение имеют: самородная медь, сульфиды и карбонаты(силикаты).

Рис. 11. Схема получения меди

Медь получают главным образом пирометаллургическим способом, сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от примесей (рафинирование).

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1 - 6% Cu, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений , оксидов или гидрокарбонатов Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат.

Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу при температуре Полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди, реагируя с , дает Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. После этого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают

После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор (10-16%) и (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

Медные сплавы

Сохраняя положительные качества меди (высокие теплопроводность и электропроводимость, коррозийная стойкость и др.), медные сплавы обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами.

Для легирования медных сплавов в основном используют элементы, растворимые в меди: Zn, Sn, Al, Si, Be, Mn, Ni. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Sn, Al) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям.

По технологическим свойствам медные сплавы подразделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные; по способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. По химическому составу медные сплавы подразделяются на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называются сплавы меди с цинком. Они бывают двойными (простые) и многокомпонентными (легированные).

Л 90 = 90% меди, остальное цинк.

ЛАЖМц 66 – 6 – 3 – 2 – остальное цинк.

↓ ↓ ↓ ↓

медь Al Fe Mn

ГОСТ 17711 – 80.

Основное практическое применение находят не выше 45 – 47%.

По техническому признаку латуни делят:

1. Деформируемые – изготавливают листы, ленты, трубы.

2. Литейные – предназначены для фасутного литья.

Латуни с содержанием 90% Cu и более называются томпаком, при 80-85% Cu – полутомпаком. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45% Zn. Сплавы с большим содержанием цинка отличаются высокой хрупкостью. Повышенное содержание цинка удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем уменьшаются теплопроводность и электрическая проводимость, которые составляют 20-50% от характеристики меди.

Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней.

Однофазные латуни в основном выпускают в виде холодно-катанных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).

Ввиду малой пластичности при низких температурах двухфазные латуни выпускают в виде горячекатанного полуфабриката: листков, прутков, труб, штамповок. Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.

Легированные латуни применяют как для деформируемых полуфабрикатов, так и в виде фасонных отливок. Литейные латуни, как правило, содержат большое количество цинка и легирующих элементов.

Для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы повышают коррозионную стойкость латуней. Поэтому легированные латуни широко применяют в речном и морском судостроении (конденсаторные и манометрические трубки и др. детали). Оловянные латуни называют морскими.

Алюминий повышает прочность, твердость латуней. Практическое применение находят высокомедистые латуни с добавлением алюминия до 4%, которые хорошо обрабатываются давлением.

Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность к горячей и холодной пластической деформации латуней. Кремнистые латуни характеризуются высокой прочностью, пластичностью, вязкостью не только при 20-25⁰ С, но и при низких температурах (до - 183⁰ С).

Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства латуней. Никелевые латуни хорошо обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях.

Бронзами называются сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка. Название бронзы дают по основным элементам. Так, их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др. Сплавы меди с никелем

имеют названия: мельхиоры, куниали, нейзильберы.

Бронзы делят:

1. оловянистые – ГОСТ 613;

2. алюминиевые – ГОСТ 493;

3. кремнистые – ГОСТ 18175;

4. бериллиевые – ГОСТ 18175.

БрАМц 9 – 2 – остальное медь.

↓ ↓

Al Mn

БрБ – 2 – остальное медь.

↓

бериллий

Оловянные бронзы.

Практическое значение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn. Двойные оловянные бронзы применяют редко, так как они дороги.

Оловянные бронзы легируют Zn, Pb, Ni, P. Для экономии более дорогостоящего олова в бронзы добавляют от 2 до 15% Zn. Это способствует повышению механических свойств. Цинк улучшает их жидкотекучесть, плотность отливок, способность к сварке и пайке. Свинец повышает антифрикционные свойства и улучшает обрабатываемость резанием оловянных бронз. Фосфор, являясь раскислителем оловянных бронз, повышает их жидкотекучесть, износостойкость улучшается благодаря появлению твердых включений фосфида меди Cu₃ P. Кроме того, он повышает временное сопротивление, предел упругости и выносливость бронз. Никель способствует измельчению структуры и повышению механических свойств.

Бронзы хорошо обрабатываются резанием, паяются, хуже свариваются.

Большое количество Zn и Pb повышает их жидкотекучесть. Улучшает плотность отливок, антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Структура оловянных бронз удовлетворяет требованиям, предъявляемым к структуре антифрикционных сплавов. Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, пресной и морской воде способствует широкому применению литейных бронз для пароводяной арматуры, работающей под давлением.

Деформируемые бронзы содержат до 6-8% Sn. Они характеризуются хорошей пластичностью и более высокой прочностью, чем литеные.

Наряду с хорошей электрической проводимостью, коррозионной стойкостью и антифрикционностью, деформируемые бронзы обладают высокими упругими свойствами и сопротивлением усталости. Их используют для изготовления круглых и плоских пружин в точной механике, электротехнике, химическом машиностроении и других областях промышленности.

Алюминиевые бронзы

Они отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. К преимуществам перед оловянными бронзами относятся меньшая стоимость, более высокие механические и некоторые технологические свойства.

Кремнистые бронзы

Они характеризуются хорошими механическими, упругими и антифрикционными свойствами. Они хорошо свариваются, паяются, удовлетворительно обрабатываются резанием. Литейные свойства кремнистых бронз ниже, чем оловянных, алюминиевых бронз и латуней.

Кремнистые бронзы выпускают в виде ленты, полос, прутков, проволоки. Для фасонных отливок они применяются редко. Их используют вместо более дорогих оловянных бронз при изготовлении антифрикционных деталей, а также для замены бериллиевых бронз при производстве пружин, мембран и других деталей приборов, работающих в пресной и морской воде.

2. АЛЮМИНИЙ

По распространению в природе алюминий занимает первое место среди металлов, его содержание в земной коре составляет 7.45%. В чистом виде алюминий не встречается вследствие своей высокой химической активности. Он преимущественно встречается в виде соединений с кислородом и кремнием – алюмосиликатов.

Впервые в свободном виде алюминий был выделен в 1825 г. датским физиком Эрстедом путем воздействия амальгамы калия на хлорид алюминия. Чистый алюминий используется в производстве разного рода зеркал отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от коррозии. Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах. Сверхчистый алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности окисной пленки алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т.д.), азотную и уксусную кислоты, перекись водорода.

Широкое применение в пищевой промышленности.

Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с последующим получением металлического алюминия путем электролиза растворенного глинозема в криолите.

Рис. 12. Схема производства алюминия

Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов - гидроксидов , корунда и каолинита . Алюминий получают электролизом глинозема - оксида алюминия в расплавленном криолите с добавлением фтористых алюминия и натрия , . Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей алюминия (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; Электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью: .

Полученный алюминат натрия подвергают гидролизу:

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия . Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся печах при температуре и получают обезвоженный глинозем .

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят , в результате чего образуется вторалюминиевая кислота, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок: .

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000С .Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF3 и NaF. Криолит и иглинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al3+ и образуется алюминий, а на аноде—ион О2-, который окисляет углерод анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30—45 мин при температуре 690— 730° С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5—99,85%.

Сплавы на основе алюминия

2. Литейные сплавы. ГОСТ 1983

АЛ 1, АЛ 2 - AЛ 5- Силумины – сплавы системы Al – Si

АЛ 7, АЛ 9 – Сплавы системы Al – Cu..

АЛ 20, АЛ 21- Жаропрочные сплавы системы Al – Si – Cu – Mg.

Пример: АК21М2.5Н2,5- кремний21, медь2,5, никель2,5.

3. Cпеченные алюминиевые сплавы.

Получают методом порошковой металлургии.

САП – получают в результате спекания. Хорошо свариваются. Обладают повышенной жаропрочностью. С увеличением содержания окиси Al жаропрочность увеличивается.

САС – аналогично САП. Для сплавов САС используют порошки легирующих элементов. С повышением температуры происходит снижение прочности.

Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. По удельной прочности некоторые алюминиевые сплавы приближаются или соответствуют высокопрочным сталям. Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопроводность и электропроводимость и хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, а специальные – сваркой плавлением, в основном хорошо обрабатываются резанием). Алюминиевые сплавы пластичнее магниевых и многих пластмасс. Большинство из них превосходят магниевые сплавы по коррозионной стойкости, пластмассы – по стабильности свойств.

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Si, Mn, Zn, реже – Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы – Cu Al₂, Mg₂ Si и другие. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на перенасыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.

Конструкционная прочность алюминиевых сплавов зависит от примесей Fe и Si.

Однако более эффективным способом повышения конструкционной прочности является снижение содержания примесей с 0,5 – 0,7% (ГОСТ 4784 - 74) до 0,1 – 0,3% (чистый сплав), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты).

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спеченные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочняемые) и свойствам.

3. МАГНИЙ

Для производства магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния (хлористого магния), электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.

Рис. 13. Схема производства магния

Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl2*KCL*6H2O), магнезит (MgCO3), доломит (СаСОз • MgC03), бишофит (MgCl2*6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2• КС1) используют для приготовления электролита. Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами—стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом состава 10% MgCl2, 45% CaCI2, 30% NaCI, 15% КСl с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плавления (720 ±10° С). Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом. Черновой магний содержит 5% примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl;,, КС1, Bad,, CaF,, NaCI, CaCI;,, нагревают в электропечи до температуры 700—750" С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлаждают до температуры 670е С и магний разливают в изложницы на чушки.