Самые распространенные медные сплавы – это латуни и бронзы.

Латуни – сплав меди и цинка. В группу латуней входят томпак (90% меди, остальное цинк), полутомпак (от 79 до86% меди, остальное цинк). Латуни широко применяют в машиностроении, они хорошо обрабатываются резанием, имеют хорошие литейные свойства (большая жидкотекучесть, отсутствие ликвации, малая усадка и др.). Все латуни по технологическому признаку делят на деформируемые, из которых изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку и литейные – для фасонного литья.

Медно-цинковые деформируемые латуни выпускают восьми марок: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60. Цифры обозначают содержание меди в %, остальное цинк.

Латуни более сложного состава содержат после буквы Л сокращенное обозначение легирующих элементов: О – олово, С – свинец, Ж - железо, Мц – марганец, Н – никель, К - кремний, А – алюминий и т.д., а цифры после них указывают содержание меди и других компонентов в %, например:

ЛС – 59-1 – латунь свинцовистая, содержит 59% меди, до 1,5% свинца

ЛМцА-57-3-1 – латунь марганцовистоалюминиевая, содержит 57% меди, до 3% марганца, до 1,5% алюминия

ЛНЖА -59-3-2-1 – латунь никележелезоалюминиевая, содержит 59% меди, до 3% никеля, до 2% железа, до 1,5% алюминия

В литейных латунях цифровые обозначения содержания меди и добавок не ставят - ЛС – латунь предназначена для литья под давлением деталей для газовой, санитарной, гидравлической, пневматической аппаратуры и для электротехнических деталей.

Кремнистые латуни ЛК и ЛКС содержат медь, кремний, свинец. Их применяют для литья сложных по конфигурации деталей приборов и аппаратуры, работающих в морской воде, шестерен и других трущихся деталей, так как этот сплав имеет повышенную коррозионную стойкость и обладает антифрикционными свойствами.

Сплавы меди с оловом называются бронзами. Из бронзы еще в древние времена делали пушки, орудия труда, предметы обихода, колокола, статуи, так как бронза более прочна, чем медь. Бронзы хорошо заполняют форму при литье и обрабатываются резцами, а также отличаются коррозионной стойкостью. В настоящее время бронзы используют для изготовления арматуры газовых и водопроводных линий, в химическом и тяжелом машиностроении. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при изготовлении вкладышей подшипников, червячных колес. Шестерен и других деталей. Бронзы маркируют русскими буквами Бр., после которых указывают другие компоненты (кроме меди), а в конце – цифрами процентное содержание компонентов. Легирующие элементы обозначают: О – олово, А- алюминий, Ф- фосфор, Т – титан, Ц - цинк и др., например:

Бр. ОЦ4-3 – до 4% олова, до 3% цинка, остальное медь

Олово дорогой и дефицитный металл, поэтому применяют заменители оловянистых бронз, так называемые безоловянистые бронзы: алюминиевые бронзы – Бр. А5- для изготовления монет, Бр. АЖМц10-3-1,5 – алюминиевожелезомарганцовистые – это устойчивые против коррозии, жаропрочные и износостойкие сплавы. Их используют для изготовления деталей химической аппаратуры.

К литейным бронзам относятся бронзы Бр.А10Ж3 и Бр.А10Ж3Мц2.

Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отличаются кремнистые бронзы: Бр.КН-1-3, содержащая до 1% кремния, до 3% никеля и марганцовистые бронзы –Бр.Мц5, содержащая до5% марганца. Очень большой прочностью и упругостью обладают бериллиевая бронза Бр.Б2, содержащая до 2% бериллия и до 0,5 никеля. Из них изготавливают пружины, пружинящие контакты и др. Известен сплав меди и никеля(80% меди и 20% никеля) мельхиор: белый блестящий, не окисляющийся на воздухе и в органических кислотах, иногда называют китайским серебром. Из мельхиора изготавливают украшения, столовые и чайные приборы.

Для изготовления монет применяют монель – металл (68% никеля, 28% меди и небольшие добавки марганца и железа). Высокая коррозионная стойкость, хорошие механические свойства и легкая обрабатываемость позволяют изготавливать из него хирургические инструменты, различные детали машин и приборов.

Контрольные вопросы к Лекции 4

1. Перечислите свойства меди

2. Назовите главный природный источник получения меди

3. Перечислите методы получения меди

4. Для чего применяется флотация

5. Что представляет собою штейн?

6. Каким образом получают черновую медь?

7. Для чего применяют рафинирование меди?

8. Перечислите способы рафинирования меди

9. Перечислите медные сплавы и их применение

10. Охарактеризовать латуни и их применение

11. Охарактеризовать бронзы и их применение

Алюминий – металл, имеющий небольшую плотность(ρ =2,7г\см3), высокую электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, коррозионную стойкость, t плавления 660°C, t кипения 2500°C. Его кристаллическая решетка гранецентрированный куб.

Механические свойства: предел прочности при растяжении σв = 90…180МПа, твердость НВ 20-40; имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в тонкие листы, но трудно обрабатывается резанием. Для устранения этих свойств в алюминий вводят различные добавки и получают сплавы, которые широко применяются в авиации, в машиностроении, в электротехнике, в химической промышленности для изготовления сосудов и арматуры, в пищевой промышленности для обертки кондитерских изделий, для тары.

Алюминий в чистом виде не встречается, но много существует минералов, содержащих алюминий. Основным сырьем служат бокситы – горная порода, которая содержит алюминий в виде гидроокисей. Хорошие бокситы содержат их 50-60%. Вторая руда - нефелины, алуниты, кианиты. Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апатита – нефелиновых пород много на Кольском полуострове. Алуниты широко встречаются на Кавказе и других южных районах.

В алюминиевой промышленности применяются несколько способов получения окиси алюминия; их можно разбить на три группы:

электротехнические – восстановление алюминиевых руд в электропечи для получения глинозема;

кислотные - обработка алюминиевой руды кислотой – соляной или серной для получения растворимой соли – хлористый алюминий или сернистый алюминий;

щелочные - воздействием на алюминиевую руду щелочью для получения чистой окиси алюминия.

Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей, т.е. пропуская постоянный ток через расплавленный криолит, в котором растворен глинозем. В электролизных ваннах получают алюминий технической чистоты. Для получения алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафинирование. Наиболее часто применяется электролитическое рафинирование трехслойным методом - через расплавленный анодный сплав и электролит пропускают постоянный электрический ток. Через некоторое время на катодах начинает выделяться чистый алюминий.

Алюминиевые сплавы делятся на две группы: деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы делятся на две подгруппы: не упрочняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, характеризуются невысокой прочностью, но хорошей пластичностью – сплавы алюминия с марганцем и магнием до 6%, например: АМц (свыше 1%), АМг2 (свыше 2%),АМг5 (свыше 5%). Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для слабонагруженных деталей, изготовляемых холодной штамповкой и глубокой вытяжкой, для сварных конструкций.

Сплавы на алюминиево-магниевой основе с небольшим добавлением титана, бериллия (АМг6) хорошо обрабатываются давлением.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой – дюралюмины, авиаль, которые содержат в своем составе медь и от трех и более компонентов.

Дюралумины – сплавы на основе алюминия – меди – магния, которые хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, для упрочнения применяют закалку, охлаждение в воде и естественное старение. Для защиты листового дюралюминия и другого проката от коррозии широко применяют плакирование чистым алюминием(совместная горячая прокатка слитка дюралюминия и листов чистого алюминия – толщиной до 6мм).

Сплавы дюралюминия Д18, Д16.

Сплавы авиаль (АВ и др.) уступают в прочности, но более пластичны как в горячем, так и холодном состоянии. Они используются для легких конструкций, требующих гибки и других деформаций при монтаже. Для работы при повышенных температурах, для ковки и штамповки применяют деформируемые сплавы марок АК4, АК6, АК8 и др.

Литейные алюминиевые сплавы АЛ делятся на 5 групп:

Группа 1 – сплавы (силумины) на основе системы алюминий – кремний – АЛ2, АЛ4, АЛ9

Группа 2 – сплавы на основе системы алюминий – кремний – медь – АЛ3, АЛ5, АЛ6, АЛ32, который содержит еще марганец и титан

Группа 3 – сплавы на основе системы алюминий – медь – АЛ7, АЛ19

Группа 4 – сплавы на основе системы алюминий – магний – АЛ8, АЛ13, АЛ22- с низкой плотностью, высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью

Группа 5 – самая большая - сплавы на основе системы алюминий – другие компоненты – АЛ1( медь, никель, магний), АЛ11(кроме алюминия и кремния –цинка 7-12%), АЛ24(марганец, магний, цинк, титан и др.)

Контрольные вопросы к Лекции 4

12. Перечислите свойства алюминия

13. Назовите главный природный источник получения алюминия

14. Перечислите методы получения окиси алюминия

15. Перечислите методы получения алюминия технической чистоты

16. Перечислите методы получения чистого алюминия

17. Перечислите способы рафинирования алюминия

18. Перечислите алюминиевые сплавы

19. Охарактеризовать деформируемые алюминиевые сплавы

20. Охарактеризовать литейные алюминиевые сплавы

21. Охарактеризовать алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой

22. Охарактеризовать алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой

Титан – металл серебристого цвета с голубоватым отливом, имеет не высокую плотность (ρ =2,7г\см3), t плавления 1660°C, t кипения 3260°C. высокую электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, коррозионную стойкость в некоторых кислотах, в морской и пресной воде. Титан имеет две аллотропические модификации – дл 882°C - гексагональную решетку и кубическую объемно-центрированную при более высоких температурах.

Механические свойства: чистый титан ковок, имеет твердость НВ 70, технический титан хрупок и тверд НВ180-280. Титан широко применяется в самолетостроении, ракетостроении, судостроении, в машиностроении.

Титан получают из минералов – ильменит (титана - магнетитовые железные руды), рутил, перовскит (содержит более 58% двуокиси титана) и сфен

(титанит - титаносиликат кальция) встречается вместе с апатитами и нефелинами.

Во всех случаях металлургической переработки всегда предшествует обогащение руды и получение концентрата.

Восстановительную плавку ведут в руднотермических электрических печах, футерованных магнезитовым кирпичом. Концентрат шихтуют с углем (антрацитом) и перед загрузкой в печь брикетируют. В результате плавки восстанавливаются окислы железа, образуя чугун, содержащий около 2,5% углерода и небольшое количество кремния и марганца(0,4 - 0,9%). Образующийся при плавке шлак содержит 65-85% окислов титана и окислы магния, кальция, кремния и др. Шлак брикетируют, затем подвергают хлорированию в шахтных дуговых печах, очистку и получают четыреххлористый титан в виде прозрачной бесцветной жидкости. Из этой жидкости получают металлический титан путем восстановления магнием.

Технический титан, применяемый в промышленности, выпускают двух марок: ВТ1- 00 и ВТ1-0

Для повышения механических свойств титан легируют алюминием

(α-стабилизтор), повышающим температуру аллотропического превращения, а элементы, понижающие эту температуру, называют β - стабилизаторами. К ним относятся молибден, ванадий, марганец, хром, железо, и др.

Наиболее технологичным и дешевым является сплав ВТ3-1. Он содержит 5,5-7% алюминия,0,8-2,3% хрома,2-3%молибдена, 0,15-0,4% кремния. Он обладает термической стабильностью, не становится хрупким при длительном нагреве (до10000 часов), предел прочности σв = 900…1000МПа, относительное удлинение δ =10 -16%.

Сплав ВТ-9 применяется для изготовления деталей, длительно работающих при нагреве до температуры 450°C, а кратковременно до 700°C. Он содержит 5,8-7,0% алюминия, 3-4% молибдена, 0,8-2,0% хрома, 0,3% кремния и используется для прокатки и прессования прутков и фасонных профилей, для изготовления лопаток паровых и газовых турбин, клапанов дизельных двигателей, поршневых пальцев, шатунов и др.

Контрольные вопросы к Лекции 4

23. Перечислите свойства титана

24. Назовите главный природный источник получения титана

25. Охарактеризовать восстановительный метод получения шлаковых брикетов титана.

26. Перечислите методы получения металлического титана

27. Перечислите титановые сплавы и их применение

Магний – серебристо-белый металл имеет малую плотность ρ =1,74г\см3, на него не действует керосин, бензин, и минеральные масла, но он не стоек в водных растворах солей и растворяется во многих минеральных и органических кислотах.

Механические свойства предел прочности σв = 115…200МПа, относительное удлинение δ = 8…11,5%, твердость НВ 30…36

Магний в свободном виде не встречается, но входит в виде карбонатов, силикатов в составе многих горных пород, а также растворен в морской и озерной воде в виде хлоридов и сульфатов. Для получения магния применяют магнезит, доломит, карналлит, морскую воду и отходы ряда производств.

Магний получают электролитическим способом, важнейшими стадиями которого являются:

1 получение чистых безводных содей магния

2 электролиз расплава этих солей

3 рафинирование магния

Первичный магний выпускают трех марок Мг96, Мг95, Мг90, где цифра обозначает, что этот металл содержит соответственно 99,96%, 99,95%, 99,90% магния. В зависимости от марки допустимое содержание железа составляет 0,004-0,04%, кремния – 0,005 - 0,01%, алюминия - 0,006 - 0,02%, ограничено также содержание меди, никеля, марганца, хлора.

Из магниевых сплавов широко применяют сплавы с алюминием (до10%), цинком (до 6%) и марганцем ( до 2,5%). Различают литейные магниевые сплавы – МЛ, сплавы и обрабатываемые давлением – МА. Сплавы магния обладают жаропрочностью, высокой пластичностью, хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью. Благодаря малой плотности и значительной удельной прочности магниевые сплавы широко применяются в самолето - и ракетостроении.

Контрольные вопросы к Лекции 4

28. Перечислите свойства магния

29. Назовите главный природный источник получения магния

30. Охарактеризовать электролитический способ получения магния.

31. Перечислите магниевые сплавы и их применение

Домашнее задание: [1] Главы 16,17,18, подготовиться к тестированию по Лекции 4