Особенности цветных металлов (медь и титан)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОе АВТОНОМНОЕ профессиональное образовательное учреждение МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ

«МУРМАНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

Реферат

По дисциплине «Материаловедение»

На тему: Особенности цветных металлов (медь и титан)

Мурманск

2021г.

Введение

В современном машиностроении, энергетике, радиоэлектронике и других отраслях экономики наряду с черными металлами и сплавами широкое применение находят цветные металлы и сплавы на их основе.

Цветные металлы и их сплавы обладают различными физикохимическими, механическими и технологическими свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение: высокой устойчивостью против коррозии, электро- и теплопроводностью, способностью подвергаться различным видам обработки, в том числе пластически деформироваться (прокатка, волочение, ковка, штамповка).

Однако по объему производства и применению цветные металлы по сравнению с черными металлами и их сплавами (сталями и чугунами) занимают незначительное место. Это объясняется тем, что цветные металлы имеют более низкие механические свойства, значительно реже встречаются в природе и из-за сложности металлургического производства они значительно дороже черных металлов. Руды, содержащие цветные металлы, более бедные, чем, например, железная руда. Чтобы получить 1 т чугуна, требуется переработать 2,0 … 2,5 т железной руды, а чтобы получить 1 т меди, необходимо переработать до 200 т медной руды. Кроме того, в рудах цветных металлов кроме основного металла содержится еще несколько цветных металлов в виде оксидов или в чистом виде, которые затрудняют производство основного металла. Например, медная руда кроме меди включает в себя золото, платину, серебро, цинк, свинец и другие металлы. В связи с этим при переработке руд цветных металлов применяют комплексную технологию производства, которая значительно удорожает выплавку меди.

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Это сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди.

Переход промышленности на сплавы из легких металлов значительно расширяет сырьевую базу. Титан, алюминий, магний можно получать из бедных и сложных по составу руд, отходов производства.

Исходя из актуальности была определена тема данного реферата: «Медь и её сплав. Титан и его сплавы. Применение в машиностроении»..

Цель данной работы: проанализировать особенности цветных металлов (медь и титан).

Цель определяет задачи:

1. Рассмотреть медь как металл;

2. Описать применение меди в машиностроении;

3. Рассмотреть титан как металл;

4. Описать применение титана в машиностроении;

металл медь титан

1. Характеристика меди как металла

Медь - металл красного цвета, кристаллизующийся при температуре 1083 °С с образованием ГЦК решетки, период которой 0,36153 нм, полиморфных превращений нет. По плотности при 20 °С, с = 8,96 г/см3 медь относится к тяжелым цветным металлам. По величине электропроводности (ч = 59 МСм/м) и теплопроводности (л = 397 Вт/(м·К)) медь находится после серебра на втором месте. У отожженной меди высокой частоты ув = 220 МПа, д = 50 %, а ее модуль упругости выше, чем у поликристаллического титана, алюминия и магния, и составляет Е = 132 Гпа [2].

Так же медь обладает сравнительно хорошей коррозионной стойкостью, при температурах ниже 185 °C с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и СО2 на поверхности меди образуется зеленая пленка основного карбоната (СuСО3·СuОН2). При нагревании меди на воздухе идет поверхностное окисление, ниже 375 °C образуется СuО, а выше 375 °C до плавления возникает двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится СuО, а во внутреннем -- Сu2О [4].

Медь - металл, известный человечеству с древнейших времен. Более пяти тысяч лет медь и медные сплавы остаются чрезвычайно востребованным материалами. Используется практически во всех сферах человеческой деятельности благодаря его прекрасным эксплуатационным свойствам:

* пластичность и мягкость;

* высокая электропроводность;

* отличная теплопроводность;

устойчивость к коррозии;

* способность выдерживать перепады температур и прямое солнечное воздействие.

И хотя цены на цветные металлы, к которым принадлежит медь, достаточно высоки, отличные качества материала делают его незаменимым во многих отраслях промышленности.

2. Применение в машиностроении

В современном машиностроении цветные металлы и их сплавы находят широкое применение, а в некоторых областях, например самолетостроении, радио- и электротехнике, являются основными материалами. Чаще всего применяются сплавы из меди, свинца, олова, алюминия, магния, цинка.

Медь по своему значению в машиностроении является наиболее ценным техническим материалом. Она хорошо сплавляется с большинством металлов. Медь в чистом виде имеет красный цвет, чем больше в ней примесей, тем грубее и темнее излом. Температура плавления меди 1083° С, удельный вес 8,92 Г/см3[3].

В связи с хорошей электропроводностью, медь в чистом виде применяют в основном в автомобильной электропроводке, роторах и статорах генераторов и стартеров и в электросистемах . Также медь - главный компонент гальванических элементов и медно окисных батарей. А один из основных видов проката-медные трубы - используют в системах автомобильного кондиционирования.

Медь хорошо проводит тепло, уступая в этом отношении только серебру, ее используют для изготовления деталей электрооборудования, холодильных установок и т. д.; отличается хорошей коррозионной стойкостью, поэтому широко применяется в химическом машиностроении и теплотехнике. Медь - очень вязкий металл, трудно поддается обработке резанием, так как стружка налипает на режущий инструмент. Для изготовления деталей машин чистая медь почти не применяется из-за низкой механической прочности.

В зависимости от чистоты предусмотрено пять марок меди: МО, M1, М2, М3, М4 (ГОСТ 859-41). В наиболее чистой меди (марка МО) общее количество примесей не должно превышать 0,05%. Наибольшее количество примесей (до 1%) содержит медь марки М4.

Медь марки МО (электролитическая) предназначается для изготовления проводников тока и сплавов высокой чистоты, М3 -для проката и литейных медных сплавов (кроме бронзы), а медь марки М4 - для литейных бронз и паяния.

Значительная часть меди используется для изготовления сплавов на медной основе: латуни, бронзы, медно-никелевых сплавов. Эти сплавы прочнее чистой меди, их часто применяют в технике (коррозионностойкие детали).

Латунь представляет собой сплав меди с цинком. Процентное содержание цинка в сплаве может колебаться в широких пределах и оказывает влияние как на механические свойства, так и на цвет латуни. С увеличением содержания цинка до 45% механические свойства латуни улучшаются, предел прочности возрастает до 32--65 кГ/мм², а относительное удлинение - до 65%.

Ее компонентами также могут быть свинец, олово, марганец, кремний и другие элементы, каждый из которых привносит в сплав определенные свойства. В автомобилестроении используют латунные втулки генератора, стартеры, бачки и трубки радиаторов, различные запорные устройства и проч. Бронза - это сплав, где основными компонентами являются медь и олово, присутствуют также и другие элементы: свинец, кремний, алюминий, железо и проч. В автомобилестроении используют бронзовые упорные и осевые/полуосевые шайбы и различные втулки-шатунов, коромысел и проч.

Температура плавления латуней колеблется в пределах 800-1099° С. Чем больше в латуни цинка, тем ниже температура ее плавления[1].

В состав латуней, кроме меди и цинка, вводят алюминий, никель, железо, марганец, олово и кремний. Такие латуни называются специальными, эти добавки сообщают сплавам латуни повышенную прочность, твердость, антикоррозионную стойкость, улучшают литейные свойства.

По ГОСТ 1019-47 для них приняты следующие буквенные обозначения: Л - латунь, С - свинец, А -алюминий, Ж - железо, Н - никель, М -марганец, О - олово, К - кремний. Цифрами обозначается среднее процентное содержание меди; например в латуни марки Л96 содержится 96% меди; в марке Л062-1 содержится 62% меди и примерно 1% олова, остальное цинк.

Свинцовистые латуни марок ЛC59-1, ЛC60-1, ЛC63-3, ЛC64-2, ЛC74-3 обладают высокими механическими свойствами, хорошо обрабатываются резанием и штампуются; ЛC62-1, ЛC70-1 обладают высокими антикоррозионными свойствами в морской воде, хорошо обрабатываются в горячем состоянии. Эти латуни находят широкое применение в судостроении.

Бронзы представляют собой сплавы меди с любым другим металлом -- свинцом, алюминием, кремнием, оловом, марганцем, никелем, железом, кроме цинка.

Бронзы обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой прочностью и твердостью, коррозионной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием; при небольшом содержании легирующих элементов бронзы обрабатываются давлением.

В зависимости от состава бронзы делятся на оловянные и без оловянные (специальные), к которым относятся алюминиевая, кремнистая, свинцовистая и другие бронзы.

Маркировка бронз та же, что и для латуней: буквы Бр.-- бронза, дальше начальные буквы названий тех основных элементов, которые входят в состав сплава, а цифры, стоящие за буквами, соответственно обозначают их процентное содержание в бронзе. Например, Бр.0Ф6,5-4 обозначает марку оловянисто-фосфористой бронзы, содержащей 6-- 7% олова и около 4% фосфора. Фосфористая бронза применяется для изготовления вкладышей подшипников, червячных колес, а также деталей, находящихся в соприкосновении с морской водой.

Бронза Бр.ОЦС-6-6-3 применяется для изготовления машинной, водяной и паровой арматуры, а также гаек, втулок, поршней насосов и т. д.

3. Характеристика титана, как металла

Титан - легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, температура плавления -1670 °C ,T кип.=3260 °С. Данный материал сочетает легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур. При температурах до 882,5 °C устойчива низкотемпературная б-модификация титана с ГП решеткой (б = 0,29503 нм, с = 0,46831 нм, с/б = 1,5873), при более высоких температурах, вплоть до плавления, существует высокотемпературная в-модификация с ОЦК решеткой (б = 0,3282 нм). Титан имеет очень низкую теплопроводность -- в 4 раза меньшую, чем у железа. Модули упругости титана невелики и анизотропны. Чистейший иодидный титан (99,9-99,9 % Ti) обладает высокой пластичностью при сравнительно низкой прочности (ув = 220-260 МПа; у0,2 = 100-125 МПа; д = 50-270 %), что объясняют отношением периодов кристаллической решетки с/a = 1,587, которое меньше, чем у идеальной ГП решетки, поэтому скольжение идет в небазисных плоскостях. В в-Ti механизм скольжения такой же, как и в других металлах с ОЦК решеткой[2].

Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

1. Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества. Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.

2. Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.

3. Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.

4. Высокая удельная прочность и низкая плотность - характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.

5. Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.

6. Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи[4].

4. Виды титановых сплавов

Классификация титановых сплавов ведется по достаточно большому количеству признаков. Все сплавы можно разделить на несколько основных групп:

· Высокопрочные и конструкционные - прочные титановые сплавы, которые обладают также достаточно высокой пластичностью. За счет этого они могут применяться при изготовлении деталей, на которые оказывается переменная нагрузка.

· Жаропрочные с низкой плотностью применяются как более дешевая альтернатива жаропрочным никелевым сплавам с учетом определенного температурного интервала. Прочность подобного титанового сплава может варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от конкретного химического состава.

· Титановые сплавы на основе химического соединения представляют жаропрочную структуру с низкой плотностью. За счет существенного снижения плотности вес также снижается, а жаропрочность позволяет использовать материал при изготовлении летательных аппаратов. Кроме этого с подобной маркой связывают также высокую пластичность

Рассматривая наиболее распространенные марки титановых сплавов, следует обратить внимание на ВТ1-00 и ВТ1-0. Они относятся к классу технических титанов. В состав данного титанового сплава входит достаточно большое количество различных примесей, которые определяют снижение прочности. Однако за счет снижения прочности существенно повышается пластичность. Высокая технологическая пластичность определяет то, что технический титан можно получить даже при производстве фольги.

Очень часто рассматриваемый состав сплава подвергается нагартовке (Нагартовка или деформационное упрочнение - это важный технологический процесс, которые применяют для увеличения прочности и/или твердости металлов и сплавов, которые не могут быть упрочнены термической обработкой.). За счет этого повышается прочность, но существенно снижается пластичность. Многие специалисты считают, что рассматриваемый метод обработки нельзя назвать лучшим, так как он не оказывает комплексного благоприятного воздействия на основные свойства материала.

Сплав ВТ5 довольно распространен, характеризуется применением в качестве легирующего элемента исключительно алюминия. Важно отметить, что именно алюминий считается самым распространенным легирующим элементом в титановых сплавах. Это связано с нижеприведенными моментами:

· Применение алюминия позволяет существенно повысить модули упругости.

· Алюминий также позволяет повысить значение жаропрочности.

· Подобный металл один из самых распространенных в своем роде, за счет чего существенно снижается стоимость получаемого материала.

· Снижается показатель водородной хрупкости.

· Плотность алюминия ниже плотности титана, за счет чего введение рассматриваемого легирующего вещества позволяет существенно повысить удельную прочность[1].

5. Применение в машиностроении

Титан и его сплавы имеют сравнительно короткую историю применения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет назад титан был известен лишь как легирующий элемент, с успехом применяемый в сталях и в других сплавах. Титан применялся, также в виде карбида при производстве твердых сплавов и в виде окислителя - в лакокрасочной промышленности для изготовления титановых белил и эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов титановых сплавов относится к периоду последних 10-15 лет. Тем не менее в этом новом качестве титан получил уже известное распространение. Можно сказать, что по темпам роста применения титан и его сплавы не имеют равных себе. Конструкционные материалы на основе титана с успехом применяются в различных отраслях машиностроения, в судостроении, а также в производстве самолетов и двигателей для них.

Вместе с тем, несмотря на хорошие свойства при различных условиях эксплуатации, титан еще не получил широкого распространения в качестве конструкционного материала в общем машиностроении. Это объясняется его высокой стоимостью. Использование титановых сплавов ограничивается пока главным образом различными областями специального машиностроения, например химическим машина-оппаратостроением, авиационным машиностроением, судостроением и т. д. В этих областях при оценке целесообразности применения нового материала на первый план выступают свойства титана и лишь затем - его стоимость. Безусловно, что в дальнейшем с развитием и совершенствованием способов получения и обработки титана и его сплавов, а также вследствие повышения требований к материалу деталей машин, сплавы на основе титана будут находить все более широкое применение не только в специальном, но и в общем машиностроении.

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы применяются еще весьма ограниченно. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-сплавов, легированных алюминием и оловом.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первостепенную роль играет не экономический фактор, а комплекс технических и эксплуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не менее, перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или, по крайней мере, достаточно четко обозначилось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в настоящее время получили довольно широкое распространение в конструкциях самолетов и двигателей для них. Они интенсивно внедряются в конструкции кораблей и оборудования морского флота, применяются для различных деталей в химическом машиностроении и аппаратострсении, для изготовления транспортного оборудования, медицинских инструментов и фармацевтического оборудования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, в автомобилестроении, при производстве спортивного инвентаря, в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных областях

Самолеты и двигатели. Основными качествами титановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов самолетов и двигателей для них, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конечно, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании самолетов и двигателей. Каждая группа мате­риалов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих мате­риалов. Тем не менее, по величине удельной прочности в интервале температур 300-500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устойчивости панелей конструкций они уступают лишь высокопрочному алюминиевому сплаву типа В95, причем только до температуры 15Э°, а при более высоких температурах превосходят его [60].

Поэтому в конструкциях самолетов, предназначенных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэродинамический нагрев, а также в конструкциях реактивных двигателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что позволяет увеличить полезную нагрузку и дальность полета самолета[4].

Рассматривая области применения титановых сплавов, отметим, что большая часть разновидностей применяется в авиационной и ракетостроительной сферах, а также в сфере изготовления морских судов. Для изготовления деталей авиадвигателей другие металлы не подходят по причине того, что при нагреве до относительно невысоких температур начинают плавиться, за счет чего происходит деформация конструкции. Также увеличения веса элементов становится причиной потери КПД.

Применим материал при производстве:

· Трубопроводов, используемых для подачи различных веществ.

· Запорной арматуры.

· Клапанов и других подобных изделий, которые применяются в агрессивных химических средах.

· В авиастроении сплав применяется для получения обшивки, различных креплений, деталей шасси, силовых наборов и других агрегатов. Как показывают результаты проводимых исследований, внедрение подобного материала снижает вес примерно на 10-25%.

· Еще одной сферой применения является ракетостроение. Кратковременная работа двигателя, движение на большой скорости и вхождение в плотные слои становится причиной, по которой конструкция переживает серьезные нагрузки, способные выдержать не все материалы.

· В химической промышленности титановый сплав применяется по причине того, что он не реагирует на воздействие различных веществ.

· В судостроении титан хорош тем, что не реагирует на воздействие соленой воды.

В целом можно сказать, что область применения титановых сплавов весьма обширна. При этом проводится легирование, за счет чего существенно повышаются основные эксплуатационные качества материала.

6. Титан в ракетостроении и в других высокотехнологичных областях промышленности

Впервые в отечественном ракетостроении титан был использован в конструкции космического корабля «Восток», точнее в космической капсуле, в которой Юрий Гагарин в 1961 году совершил первый полет в космос. Позднее титан стал одним из главных конструкционных материалов в пилотируемых кораблях «Союз», в беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», в космической системе «Энергия» и многоразовом корабле «Буран». Для трубчатых конструкций в ракетной технике сегодня применяется вся номенклатура титановых сплавов, например, титановая труба используется для твердотопливных и жидкостных двигателей, корпусов баллистических ракет «Булава» и «Тополь М». Из титановых сплавов ВТ23, ВТ23М, а также из (б+в)-сплава ВТ43 с высокой трещинстойкостью изготавливают монолитные, сварные и паяные баки для хранения топлива и сжатых газов. Наряду с этим, в космической индустрии особое применение нашел титановый сплав с никелем, особенность которого заключается в том, что конструкции из него способны «запоминать» свою форму. Из такого сплава делают радиоантенны и каркасы солнечных батарей, которые можно свернуть при обычной температуре, а при нагревании они самостоятельно восстанавливают первоначальные геометрические размеры[2].

В атомной энергетике титановые плиты применяют для изготовления оболочки реакторов на быстрых нейтронах, узлов ядерных реакторов, электродов. В медицинской промышленности из титановой проволоки делают инструменты, части искусственных органов, эндо протезы, зубные имплантаты, внутрикостные фиксаторы, стержни, гвозди, спицы, скобы, поскольку титан не отторгается человеческим организмом. Из титановых листов производят перерабатывающие аппараты для пищевой промышленности (автоклавы, центрифуги), варочные котлы для кислых и острых соусов, тару для пищевых продуктов и т.п. В автомобилестроении титановые сплавы используют для колен валов, клапанов, втулок, деталей подвески и ходовой части техники специального назначения. В электронике - для корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, акустических систем. Спектр отраслей, где применяется титан, и титановые сплавы активно расширяется, что позволит в ближайшем будущем создавать перспективные и высокоэффективные конструкции нового поколения, способные работать при температурах от -196 до +600°С[3].

Заключение

Данная работа была посвящена теме «Медь и её сплав. Титан и его сплавы. Применение в машиностроении»

В результате анализа литературы было проанализировано особенность цветных металлов

Мы рассмотрели медь как металл и рассмотрели ее особенности: она обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Удельная электропроводность при 20 °C: 55, 5-58 МСм/м. Удельная теплоемкость меди составляет 390 Дж/кг. Это означает, что для нагревания 1 кг меди на 1 °С потребуется 390 Дж энергии, поэтому ее используют в машиностроении

Данный металл и его сплавы используется в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры. Медь служит анодом при электролитическом рафинировании.

Также мы рассмотрели особенности титана: тугоплавкость, сравнительно малый удельный вес (4 5 Г/см⁹), высокие механические свойства и отличная коррозионная стойкость, близкая к коррозионной стойкости нержавеющей стали, а в некоторых средах даже более высокая. Применяется титан и его сплавы в изделиях, где применяются вращающиеся детали. В качестве примера укажем на детали, центробежных машин (центрифуги, сепараторы, сушилки, компрессоры и т.д.). При создании их конструкторы и разработчики разработали ряд мер по повышению антифрикционных свойств сплавов.

Данная тема остаётся актуальной, поскольку перечисленные металлы востребованы в машиностроении.

Список литературы

1. Глухова, Анастасия. Титановые сплавы [Электронный ресурс] / А. Глухова - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/titanovye-splavy.html, свободный.

2. Покровский Б.С. Слесарное дело: Учебник для нач. проф. образования / Б.С. Покровский, В.А.Скакун. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 320 с.

3. Применение в машиностроении [Электронный ресурс]/ - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: https://steelservice.com.ua/primenenie-medi-v-avtomobilestroenii/ , свободный.

4. Пульцин Н.М. ; Титановые сплавы и их применение в машиностроении [Электронный ресурс]/ Н.П. Пульцин . - Электрон. текстовые дан. -Машгиз, 1962г. - Режим доступа:https://markmet.ru/kniga-po-metallurgii/titanovye-splavy-i-ikh-primenenie-v-mashinostroenii, свободный.

Размещено на Allbest.ru