Сплавы металлов
Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.
Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.
Классификация
Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:
Виды сплавов по их основе
Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.
Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.
Свойства сплавов
Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:
Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.
Основные виды сплавов
Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.
Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.
Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.
Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.
Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.
Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.
Цинковые сплавы
Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.
Титановые сплавы
Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.
Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.
Область применения титановых сплавов
Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:
Алюминиевые сплавы
Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.
Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.
Алюминиевые сплавы подразделяют на:
Основные преимущества соединений алюминия:
Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.
Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.
Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.
Слитки из алюминиевых сплавов
Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.
Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.
Медные сплавы
Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.
Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.
Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.
Твердые сплавы
Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.
В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.
Основными сферами применения являются:
Области применения твердых сплавов
Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.
Что такое сплав? Какие существуют их виды, как их классифицируют?
Какие бывают сплавы?
На данный момент существует множество сплавов, которые применяются во всех отраслях производства. Сплавы классифицируются по различным признакам.
По способу изготовления
По методам получения
Титановые сплавы
Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.
Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.
Область применения титановых сплавов
Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:
Характеристики сплавов
Для всех сплавов характерны блеск, проводимость тепла и электрического тока, пластичность и др. Структура металлов определяет различные свойства:
Характеристики сплавов классифицируются на химические и механические. Химические отражают отношения к воде, воздуху и другим активным средам, а механические – к внешним силам.
Магниевые сплавы.
Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.
Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также
Виды сплавов металлов
В природе металлы в чистом виде не существуют. В производстве используются различные виды сплавов.
Классификация металлов
В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.
Виды металлов
Черные
В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:
К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.
В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.
Цветные
Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:
Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.
Слитки золота (Фото: pixabay.com)
Мягкие
Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:
Это ключевые представители группы мягких металлов.
Твердые
Популярными материалами этой группы являются:
Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.
Металлоемкость
Многие металлы подвержены коррозии, т. е. самопроизвольному разрушению в результате внешнего воздействия. Из-за коррозии предприятия могут нести убытки. Это связано не только с высокой агрессивностью технологических сред и с жесткими условиями эксплуатации оборудования, но также с большой металлоемкостью оборудования. Металлоемкость – это количество металла, которое расходуется на создание какого-либо металлического изделия.
Таким образом, сплавы применяются практически во всех отраслях производств. Однородные смеси из металлов обладают высокой прочностью и надежностью. Они классифицируются по различным признакам, что позволяет повысить эффективность применения сплавов. Список сплавов металлов пополняется с каждым годом.
§ 10. Сплавы
При плавлении металлы обычно смешиваются, образуя сплавы. Ещё в глубокой древности люди заметили, что в большинстве случаев сплавы обладают другими, нередко более полезными для человека свойствами, чем составляющие их чистые металлы. Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих её меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяют их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.
Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твёрдостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддаётся литью, из неё трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза — сплав меди и олова — имеет прекрасные литейные свойства: из неё отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун — сплав железа с углеродом — также великолепный литейный материал. Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди и никеля, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.
Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь — материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.
Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.
По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, например чугун, представляющий собой механическую смесь железа и углерода.
Сплавы классифицируют по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу. Например, выделяют медные, алюминиевые, никелевые, титановые и другие сплавы.
Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.
В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием чёрные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.
Подавляющее большинство железных (или чёрных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чугуны и стали.
Чугун — сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно твёрже железа, обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Этот сплав применяют для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун, и для переработки в сталь — передельный чугун.
В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).
Сталь — сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.
Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твёрдости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твёрдые (углерода может быть до 2%). Из стали мягкой и средней твёрдости делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой — различные инструменты и посуду.
Легированная сталь — это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.
Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Их применяют в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали (рис. 32)), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Их используют для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твёрдость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.
Свойства некоторых легированных сталей и области их применения представлены в таблице 5.
Стали — это основа современного машиностроения, оборонной промышленности, ракетостроения и других отраслей промышленности.
В развитии современной металлургии стали большое значение имели работы Д. К. Чернова и П. П. Аносова.
Из цветных сплавов отметим бронзу, латунь, мельхиор, дюралюминий.
Бронза — сплав на основе меди с добавлением (до 20%) олова. Бронза хорошо отливается, поэтому её используют в машиностроении для изготовления подшипников, поршневых колец, клапанов, арматуры и т. д. Используют бронзу также и для художественного литья (рис. 33).
Латунь — медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка. Применяют в моторостроении, для изготовления мебельной фурнитуры.
Мельхиор — сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля, похож по внешнему виду на серебро. Используют его для изготовления сравнительно недорогих столовых приборов и художественных изделий.
Дюралюминий (дюраль, дуралюмин) — сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец и никель. Имеет хорошие механические свойства, его применяют в самолёто- и машиностроении (рис. 34).
1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа.
1. Какой период в истории человечества называют бронзовым веком? Почему?
2. Вычислите количества веществ меди и никеля, которые нужно взять для производства 25 кг мельхиора.
3. Что объединяет два выражения: «легирующие элементы стали» и «привилегированное положение в обществе»?
4. Вычислите объём водорода (н. у.), который образуется при растворении 100 г латуни, содержащей 13% цинка, в соляной кислоте.
Алюминиевые сплавы
Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.
Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.
Алюминиевые сплавы подразделяют на:
Основные преимущества соединений алюминия:
Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.
Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.
Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.
Слитки из алюминиевых сплавов
Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.
Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.
Сплавы
Классификация сплавов
Существует несколько способов классификации сплавов:
Свойства сплавов
Свойства сплавов зависят от их структуры. Для сплавов характерны структурно-нечувствительные (определяются природой и концентрацией элементов, составляющих сплавы) и структурно-чувствительные свойства (зависят от характеристик основы). К структурно-нечувствительным свойствам сплавов относятся плотность, температура плавления, теплоту испарения. тепловые и упругие свойства, коэффициент термического расширения.
Также все свойства, характерные для сплавов можно разделить на химические (отношение сплавов к воздействию активных сред – вода, воздух, кислоты и т.д.) и механические (отношение сплавов к воздействию внешних сил). Если химические свойства сплавов определяют путем помещения сплава в агрессивную среду, то для определения механических свойств применяют специальные испытания. Так, чтобы определить прочность, твердость, упругость, пластичность и другие механические свойства проводят испытания на растяжение, ползучесть, ударную вязкость и др.
Основные виды сплавов
Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные стали, чугун, сплавы на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы.
Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.
Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.
Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.
В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.
Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.
Сплавы на основе меди называют латунями, в качестве добавок они содержат от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью).
Среди сплавов на основе свинца выделяют двухкомпонентные (сплавы свинца с оловом или сурьмой) и четырехкомпонентные сплавы (сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом, сплавы свинца с оловом, сурьмой и мышьяком), причем (характерно для двухкомпонентных сплавов) при различном содержании одинаковых компонентов получают разные сплавы. Так, сплав, содержащий 1/3 свинца и 2/3 олова — третник (обычный припой) используется для пайки трубо- и электропроводов, а сплав, содержащий 10-15% свинца и 85-90% олова – пьютер, ранее применялся для отливки столовых приборов.
Сплавы на основе алюминия двухкомпонентные – Al-Si, Al-Mg, Al-Cu. Эти сплавы легко получать и обрабатывать. Они обладают электро- и теплопроводностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми, взрывобезопасны. Сплавы на основе алюминия нашли применение для изготовления легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.
Примеры решения задач
| Задание | Сколько кг олова надо добавить к куску бронзы (m=4кг), содержащему 15% олова, чтобы повысить содержание олова в нем до 60% от общей массы? |
| Решение | Пусть смешали 2 сплава, причем второй сплав содержит 100% олова и не содержит других компонентов. Найдем массы олова в сплавах: |
Тогда масса сплавов будет:
Отношение массы олова в новом сплаве к массе нового сплава составляет: