Цветные металлы и сплавы (медь, никель)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Карельский государственный педагогический университет

Кафедра СТТ и МП.

Реферат

тема: Цветные металлы и сплавы (медь, никель)

Петрозаводск 2005 г.

1. Никелевые сплавы

Сплавы на основе никеля. Способность никеля растворять в себе значит, количество др. металлов и сохранять при этом пластичность привела к созданию большого числа Никелевых сплавов Полезные свойства Никелевых сплавов в определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностью образовывать твёрдые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствие аллотропич. превращений.

С кон. 19 в. сравнительно широко используются медно-никелевые сплавы, обладающие высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, ценными электрич. и др. свойствами. Практическое применение находят сплавы типа монель-металла, которые наряду с куниалями выделяются среди конструкционных материалов высокой хим. стойкостью в воде, кислотах, крепких щелочах, на воздухе.

Важную роль в технике играют ферромагнитные сплавы Ni (40-85%) с Fe, относящиеся к классу магнитно-мягких материалов. Среди этих материалов имеются сплавы, характеризующиеся наивысшим значением магнитной проницаемости, её постоянством, сочетанием высокой намагниченности насыщения и магнитной проницаемости. Такие сплавы применяют во многих областях техники, где требуется высокая чувствительность рабочих элементов к изменению магнитного поля.

Сплавы с 45-55% Ni, легированные в небольших количествах Cu или Со, обладают коэффициентом линейного термического расширения, близким к коэффициентам линейного термического расширения стекла, что используется в тех случаях, когда необходимо иметь герметичный контакт между стеклом и металлом.

Сплавы Ni с Со (4 или 18%) относятся к группе магнитострикционных материалов. Благодаря хорошей коррозионной стойкости в речной и морской воде такие сплавы являются ценным материалом для гидроакустической аппаратуры.

В начале 20 в. стало известно, что жаростойкость Ni на воздухе, достаточно высокая сама по себе, может быть улучшена путём введения Al, Si или Cr. Из сплавов такого типа важное практическое значение благодаря хорошему сочетанию термоэлектрических свойств и жаростойкости сохраняют сплав никеля с Al, Si и Mn (алюмелъ) и сплав Ni с 10% Cr (хромель). Хромель-алюмелевые термопары относятся к числу наиболее распространённых термопар, применяемых в промышленности и лабораторной технике. Находят практическое использование также термопары из хромеля и копеля.

Важное применение в технике получили жаростойкие сплавы Ni с Cr - нихромы. Наибольшее распространение получили нихромы с 80% Ni, которые до появления хромалей были самыми жаростойкими промышленными материалами. Попытки удешевить нихромы уменьшением содержания в них Ni привели к созданию т.н. ферронихромов, в которых значит, часть Ni замещена Fe. Наиболее распространённой оказалась композиция из 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe. Эксплуатационная стойкость большинства нихромов выше, чем ферро-нихромов, поэтому последние используются, как правило, при более низкой темп-ре. Нихромы и ферронихромы обладают редким сочетанием высокой жаростойкости и высокого электрич. сопротивления (1,05-1,40 мком-м). Поэтому они вместе с хромалями представляют собой два наиболее важных класса сплавов, используемых в виде проволоки и ленты для изготовления высокотемпературных электрич. нагревателей. Для электронагревателей в большинстве случаев производят нихромы, легированные кремнием (до 1,5% ) в сочетании с микродобавками редкоземельных, щёлочноземельных или др. металлов. Предельная рабочая температуpa нихромов этого типа составляет, как правило, 1200 °С, у ряда марок 1250 0C.

Никелевые сплавы, содержащие 15-30% Cr, легированные Al (до 4% ), более жаростойки, чем сплавы, легированные Si. Однако из них труднее получить однородную по составу проволоку или ленту, что необходимо для надёжной работы электронагревателей. Поэтому такие Никелевые сплавы используются в основном для изготовления жаростойких деталей, не подверженных большим механическим нагрузкам при температуpaх до 1250 0C.

Во время 2-й мировой войны 1939-45 в Великобритании было начато производство жаропрочных сплавов Ni - Cr - Ti - Al, назывались нимониками. Эти сплавы, возникшие как результат легирования нихрома (типа Х20Н80) титаном (2,5%) и алюминием (1,2%), имеют заметное преимущество по жаропрочности перед нихромами и спец. легированными сталями. В отличие от ранее применявшихся жаропрочных сталей, работоспособных до 750-800 0C, нимоники оказались пригодными для эксплуатации при более высоких температуpax. Появление их послужило мощным толчком для развития авиац. газотурбинных двигателей. За сравнительно короткий срок было создано большое число сложнолегированных сплавов типа нимоник (с Ti, Al, Nb, Та, Со, Mo, W, В, Zr, Ce, La1 Hf) с рабочей температурой 850-1000 0C. Усложнение легирования ухудшает способность сплавов к горячей обработке давлением. Поэтому наряду с деформируемыми сплавами широкое распространение получили литейные сплавы, которые могут быть более легированными, а следовательно, и более жаропрочными (до 1050 0C). Однако для литых сплавов характерны менее однородная структура и, как следствие этого, несколько больший разброс свойств. Опробованы способы создания жаропрочных композиционных материалов введением в никель или никелевые сплавы тугоплавких окислов тория, алюминия, циркония и др. соединений. Наибольшее применение получил никелевые сплавы с высокодисперсными окислами тория (ТД-никель).

Важную роль в технике играют легированные сплавы Ni - Cr, Ni - Mo и Ni - Mn, обладающие ценным сочетанием электрических свойств: высоким удельным электрич. сопротивлением (р = 1,3-2,0 MKOM-M), малым значением температурного коэфф. электрич. сопротивления (порядка 10-5 1/0C), малым значением термоэдс в паре с медью (менее 5 мв/°С). По величине температурного коэфф. электрич. сопротивления эти сплавы уступают манганину в интервале комнатных температур, однако имеют в 3-4 раза большее удельное электрич. сопротивление. Гл. область применения таких сплавов - малогабаритные резистивные элементы, от которых требуется постоянство электрич. свойств в процессе службы. Элементы изготавливаются, как правило, из микропроволоки или тонкой ленты толщиной 5-20 MKM. Сплавы на основе Ni - Mo и Ni - Cr применяют также для изготовления малогабаритных тензорезисторов, характеризующихся почти линейной зависимостью изменения электрич. сопротивления от величины упругой деформации.

Для хим. аппаратуры, работающей в высокоагрессивных средах, напр, в соляной, серной и фосфорной кислотах различной концентрации при температуpax, близких к темп-ре кипения, широко используются сплавы Ni - Mo или Ni - Cr - Mo, известные за рубежом под назв. хастелой, реманит и др., а в СССР - сплавы марок Н70М28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В, Х15Н65М16В. Эти сплавы превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностой-кие стали.

В практике применяют ещё целый ряд H. с. (с Cr, Mo, Fe и др. элементами), обладающих благоприятным сочетанием механич. и физико-хим. свойств, напр, коррозионностойкие сплавы для пружин, твёрдые сплавы для штампов и др. Помимо собственно H. с., никель входит как один из компонентов в состав многих сплавов на основе др. металлов (напр., ални сплавы).

2. Медь

Медь - химический элемент I группы Периодической системы Д. И. Менделеева; Порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь - металл красного в изломе розового цвета. Температура плавления 1083?С. Кристаллическая решетка г. ц .к. с периодом а = 3,6074 А. Плотность меди 8,94 г/смі. Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электропроводностью и теплопроводностью. Электропроводность меди 57 м/(Ом·ммІ) при + 20?С. В зависимости от чистоты медь изготовляют следующих марок: М00(99,99%Cu), M0(99,95%Cu), M1(99,9%Cu), M2(99,7%Cu), M3(99,50%Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

По характеру взаимодействия примесей с медью их можно разделить на 3 группы:

1. Примеси образующие с медью твердые растворы : Ni, Zn, Sb, Al, As, Fe, P и др.; эти примеси (особенно Sb, As) резко снижают электро- и теплопроводность меди, поэтому для проводников тока применяют медь марок М0 и М1, содержащую ?0.002 % Sb и ?0,002% As. Сурьма, кроме того затрудняет горячую обработку давлением.

2. Примеси Pb, Bi и др., практически нерастворимые в меди; они образуют в легкоплавкие эвтектики; которые, выделяясь по границам зерен, затрудняют обработку давлением; при содержании 0,005% Bi медь разрушается при горячей обработке давлением; при более высоком содержании висмута медь становится, кроме того, хладноломкой; на электропроводность эти примеси оказывают небольшое влияние.

3. Примеси кислорода и серы, образующие с медью хрупкие химические соединения Cu O, Cu S, входящие в состав эвтектики; на электропроводность эти примеси лишь слабо влияют: сера улучшает обрабатываемость меди резанием; кислород, если он присутствует в меди, образуют закись меди вызывает «водородную болезнь» .

При нагреве меди в атмосфере, содержащей водород, происходит его диффузия в глубь меди. Если в меди присутствуют включения Cu O, то они реагируют с водородом, в результате чего образуются пары воды по реакции Cu O + H 2Cu + H O, протекающей с увеличением объема. Это создает в отдельных металла высокое давление и вызывает появление микротрещин, которые могут привести к разрушению детали. Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Механические свойства меди в литом состоянии: у = 16 кгс/ммІ, у =3,5 кгс/ммІ, д= 25 %; в горячедеформированном состоянии: у = 24 кгс/ммІ, у = 9,5 кгс/ммІ, д= 45 %; Путем холодного деформирования предел прочности может быть повышен до 45% кгс/ммІ, (проволока) при снижении относительного удлинения до 3%. Модуль нормальной упругости меди Е=11500 кгс/ммІ.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резание, и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют виде листов, прутков, труб и проволоки.

3. Сплавы на медной основе

Различают 2 основных группы медных сплавов:

1) латуни- сплавы меди с цинком;

2) бронзы- сплавы меди с другими элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Медные сплавы обладают высокими технологическими и механическими свойствами, хорошо сопротивляются износу и коррозии (Л- латунь, Бр - бронза), после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав.

4. Латунь

ЛАТУНЬ (от нем. Latun), сплав на основе меди, в котором главной легирующим элементом является цинк (до 50%). Латунь выплавляли ещё до н. э., причём до конца 18 в. её получали плавкой меди с цинковой рудой, смешанной с древесным углём. Лишь в 19 в. этот способ был повсеместно вытеснен прямым сплавлением меди с цинком. Благодаря хорошей обрабатываемости давлением в горячем и холодном состояниях, высоким механическим свойствам, красивому цвету и сравнительной, дешевизне Латуни - самые распространённые из медных сплавов. Из них получают листы, ленты, прутки, трубы, проволоку (деформируемые латуни), а также отливки (литейные латуни). При увеличении содержания цинка цвет Латуни изменяется от красноватого до светло-жёлтого. В отличие от красной меди, латунь в России называли жёлтой медью. Простые латуни - сплавы меди только с цинком. латуни, содержащие до 10% Zn, называются томпаками, а от 10 до 20% - полутомпаками. Эти сплавы, отличающиеся хорошей коррозионной стойкостью и повышенной пластичностью, используют для изготовления радиаторных и конденсаторных труб, листов и ленты для пла- кирования стали. Латунь, содержащую около 30% Zn и способную к глубокой вытяжке, называют патронной и широко применяют для изготовления изделий холодной штамповкой, а также прессованием и волочением. Для улучшения механических, антикоррозионных и др. свойств к двойным сплавам меди с цинком добавляют алюминий, олово, железо, марганец, никель, кремний, свинец и др. элементы (в сумме примерно до 10%). Многокомпонентные (или специальные) латуни называют алюминиевыми, кремнистыми, алюминиево-никелевыми, железомарганцовистыми и т. п. Латунь, содержащая около 15% Zn и 0,5% А1, имеет красивый золотистый цвет и повышенную стойкость против атм. коррозии; такой сплав используют как заменитель золота для знаков отличия и художеств, изделий. Латунь с добавкой до 1,5% Sn (т. н. морские латуни) имеют повышенную стойкость против коррозии в морской воде. Добавка свинца (до 3%) делает стружку ломкой и позволяет получать при обработке резанием поверхность высокой чистоты.

Свинцовистые латуни применяются в автомобильной и часовой промышленности. Многие латуни, содержащие более 20-30% Zn, склонны к коррозионному растрескиванию из-за одновременного действия остаточных напряжений в изделии и коррозионного воздействия аммиака, а также сернистого газа во влажной атмосфере. Это явление называют сезонной болезнью латуни, т. к. усиленное коррозионное растрескивание происходит в месяцы с повышенной влажностью воздуха. Растрескивание предотвращают, применяя отжиг для уменьшения остаточных напряжений (при 250-300 °С). Латуни используются также в общем машиностроении приборостроении, теплотехнике и многих др. отраслях промышленности.

5. Кремниевые и бериллиевые бронзы

медь никель бронза химический

При легировании меди кремнием (до 3,5%) повышается прочность, а так же пластичность. Эти бронзы легко обрабатываются давлением, резанием и свариваются, обладают высокими свойствами упругостью и коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинных деталей приборов и радиооборудования, работающих при повышенных тампиратурах (до 250?С), в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Относятся к числу сплавов, упрочняемых термической обработкой.

Размещено на Allbest.ru