Федеральное агентство пообразованию
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургскийгосударственный университет сервиса и экономики
Кировский филиал
Курсовая работа
по курсу:«Материаловедение»
Выполнил:
студент второго курса
очного отделения
по специальности100101(У)
Быков Р.И.
Киров 2008г.
Содержание
1. Железоуглеродистыесплавы. Производство чугуна и доменный процесс
1.1 Железоуглеродистыесплавы
1.1.1 Фазовые состояния
1.1.2 Строениежелезоуглеродистых сплавов
1.1.3 Полиморфныепревращения железоуглеродистых сплавов
1.2 Производство чугуна идоменный процесс
1.2.1 Доменный процесс
1.2.2 Продукты доменнойплавки
2. Термическая обработкажелезоуглеродистых сплавов
2.1Превращения встали при нагревании
2.2 Превращения в сталипри охлаждении
2.3 Основные видытермической обработки стали
2.3.1 Отжиг стали
2.3.2 Закалка стали
2.3.3 Отпуск стали
3. Медь и её сплавы.Область применения
3.1 Физические свойства
3.2 Химические свойства
3.2.1 Отношение ккислороду
3.2.2 Взаимодействие сводой
3.2.3 Взаимодействие скислотами
3.2.4 Отношение кгалогенам и некоторым другим неметаллам
3.2.5 Оксид меди
3.2.6 Гидроксиды меди
3.2.7 Сульфаты
3.2.8 Карбонаты
3.2.9 Качественныереакции на ионы меди
3.3 Сплавы
3.3.1 Латуни
3.3.2 Бронзы
3.3.3 Медноникелевыесплавы
3.4 Применение меди
Список использованныхисточников
1. Железоуглеродистыесплавы. Производство чугуна и Доменный процесс
1.1 Железоуглеродистыесплавы
Железоуглеродистыесплавы, сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав иструктуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, чтоделает их универсальными материалами.
Различают: чистыежелезоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольшихколичествах для исследовательских целей и технические железоуглеродистые сплавы— стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряетсясотнями млн. т.
Техническиежелезоуглеродистые сплавы содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сераS, марганец Mn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хромCr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медьCu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca и др.).
В большинствеслучаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, являетсясистема Fe — С. Начало научному изучению этой системы положили русскиеметаллурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868).
Аносоввпервые применил микроскоп при исследовании железоуглеродистые сплавы, а Черновустановил их кристаллическую природу, обнаружил дендритную кристаллизацию иоткрыл в них превращения в твёрдом состоянии.
Из зарубежныхучёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fe — С сплавов, следуетотметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома(Голландия) и П. Геренса (Германия).
1.1.1 Фазовые состояния.
Железоуглеродистыесплавы при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного(рис. 1, а) и метастабильного (рис. 1, б) равновесий. В стабильном состоянии вжелезоуглеродистые сплавы встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), тритвёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)
/>
Рис. 1a.Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние стабильныхравновесий.
/>
Рис. 1в.Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояния с двойными линиями.
/>
Рис. 1б.Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние метастабильныхравновесий.
Таблица 1.—Кристаллические фазы железоуглеродистых сплавов.
Название
фазы Природа фазы Структура a-феррит Твердый раствор внедрения углерода в a-Fe
Объемноцен
трированная кубическая Аустенит Твердый раствор внедрения углерода в g-Fe
Гранецентри
рованная кубическая d-феррит Твердый раствор внедрения углерода в d-Fe
Объемноцен
трированная кубическая Графит Полиморфная модификация углерода Гексогональная слоистая Цементит Карбид железа Fe2C Ромбическая
a-раствор(a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г).
Вметастабильном состоянии в железоуглеродистые сплавы встречаются a-, g-,d-растворы и карбид железа Fe3C — цементит (Ц). Области устойчивостижелезоуглеродистых сплавов в однофазных и двухфазных состояниях указаны надиаграммах. При некоторых условиях в железоуглеродистых сплавах могутсуществовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможноперитектическое равновесие d + g + Ж, E’C’F’ — эвтектическое стабильноеравновесие g + Ж + Г; при ECF — эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж +Ц; при P'S'K' — эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г', при PSK —эвтектоидное метастабильное равновесие a + g + Ц.
Диаграммы а иб вычерчиваю и в одной координатной системе (рис. 1, в). Такая сдвоеннаядиаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линийравновесия и облегчает анализ железоуглеродистых сплавов, содержащих стабильныеи метастабильные фазы одновременно.
Основнойпричиной появления в железоуглеродистых сплавах высокоуглеродистойметастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита.
Образованиеграфита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах a и g связано с практическиполным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растетграфит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистыесплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенныхтемпературах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит,и тогда возникают стабильные состояния.
Приускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомовжелеза задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких итвёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузиялегкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующаябольших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении.
Помимоосновных фаз, указанных на диаграммах, в технических железоуглеродистые сплавывстречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловленоналичием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe3P),окислы железа и примесей (FeO, MnO, Al2O3, Cr2O3, TiO2 и др.), нитриды (FeN,AlN) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точкиКюри, наблюдающиеся в железоуглеродистых сплавах в связи с магнитнымипревращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).
1.1.2 Строениежелезоуглеродистых сплавов
Строениежелезоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания иструктурными изменениями в твёрдом состоянии.
В зависимостиот содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на стали и чугуны. Сталис концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S, называютдоэвтектоидными, а более высокоуглеродистые — заэвтектоидными. Чугуны сконцентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C1 и С, называютдоэвтектическими, а более высокоуглеродистые — заэвтектическими.
Затвердеваниесталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения кристаллов 8-раствораобычно в виде дендритов. При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизациязаканчивается образованием однофазной структуры d-раствора. Стали с 0,1—0,5% Спосле выделения некоторого количества 8-раствора испытывают перитектическоепревращение Ж + d —> g. В интервале концентраций 0,10—0,16% С оно приводит кполному затвердеванию, а в интервале 0,16—0,50% С кристаллизация завершаетсяпри охлаждении до температуры линии IE. В железоуглеродистых сплавах с0,5—4,26% С кристаллизация начинается с выделения g-раствора также в видедендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченномлиниями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание жечугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) gраствора, заканчиваетсяэвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трёх возможных вариантов:Ж ®g+ Г, Ж ® g+ Ц или Ж ® (+ Г + Ц.
В первомслучае получаются т. н. серые чугуны, во втором — белые, в третьем —половинчатые. В зависимости от условий кристаллизации графит выделяется в видеразветвленных или шаровидных включений, а цементит — в виде монолитных пластинили проросших разветвленным аустенитом.
Вжелезоуглеродистых сплавах, содержащих более 4,26—4,3% С, кристаллизацияпереохлажденного ниже линии D1C1 расплава в условиях медленного охлажденияначинается с образования первичного графита разветвленной или шаровидной формы.В условиях ускоренного охлаждения (при переохлаждениях ниже линии DC)образуются пластины первичного цементита. При промежуточных скоростях охлаждениявыделяются и графит, и цементит. Кристаллизация заэвтектических чугунов, так жекак и доэвтектических, завершается распадом остатка жидкости на смесь gрастворас высокоуглеродистыми фазами.
Строениезатвердевших железоуглеродистых сплавов существенно изменяется при дальнейшемохлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа,уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структураможет изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдыхрастворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными),коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других)высокоуглеродистых фаз.
1.1.3 Полиморфные превращенияжелезоуглеродистых сплавов
Полиморфныепревращения железоуглеродистых сплавов связаны с перестройкамигранецентрированной кубической (ГЦК) решётки g-Fe и объёмноцентрированнойрешётки (ОЦК) a- и d-Fe.
В зависимостиот условий охлаждения и нагревания полиморфные превращения твёрдых растворовпроисходят разными путями. При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеетместо т. н. нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся врезультате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы кобразующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода междуфазами.
При большихскоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворовпроисходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраиваетсябыстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещенийатомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами. Например, призакалке железоуглеродистых сплавов в воде g-раствор переходит в a-раствор тогоже состава. Этот пересыщенный углеродом a-раствор называют мартенситом.Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговуюперестройку решётки железа с диффузионным перераспределением углерода(бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны.
В первомслучае образуются равноосные с малым числом дефектов кристаллы твёрдогораствора.
Во втором итретьем — игольчатые и пластинчатые кристаллы с многочисленными двойниками илиниями скольжения. Структура железоуглеродистых сплавов изменяется также и всвязи с изменением растворимости углерода в a и g-железе при охлаждении инагревании. При охлаждении растворы пересыщаются углеродом и выделяютсякристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагреванииимеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в a и g-фазах.
Зарождение ирост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большейскоростью, чем образование графита, и поэтому железоуглеродистые сплавы частометастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся изтвёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки,пластин и игл.
Привысокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; можетпроисходить и процесс коалесценции. Если железоуглеродистые сплавы, содержащиецементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходитграфитизация — зарождается и растет графит, а цементит растворяется, этотпроцесс используется при производстве изделий из графитизированной стали иковкого чугуна. Важную роль при формировании структуры железоуглеродистыхсплавов в твёрдом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на a-раствори высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит играфит, при небольшом увеличении переохлаждения — феррит и сфероидизированный цементит,затем смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, темболее тонкое, чем больше переохлаждение. При переохлаждениях, измеряемыхсотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и g-раствор превращается вмартенсит. Строение железоуглеродистых сплавов можно изменять в широкихпределах. Основными методами управления структурой железоуглеродистых сплавовявляются изменения химического состава, условий затвердевания, пластическойдеформации, термической и термомеханической обработок.
Меняя фазовыйсостав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широковарьировать и свойства железоуглеродистых сплавов.
Например,важнейшие при эксплуатации железоуглеродистых сплавов механические свойстваизменяются в следующих пределах: твёрдость от 60 до 800 HB; предел прочности2·104—3,5·106н/см2 (2·103—3,5·105 кгс/см2); относительное удлинение от 0 до70%.
1.2 Производствочугуна и доменный процесс
Чугун это железоуглеродистыйсплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуюткремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун являетсяосновным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно80-85% всего чугуна.
Чугунвыплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получениячугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих всостав руды, оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся присгорании топлива в печи.
/>
Рис 2. Схема доменной печи.
Колошник 1 – верхняя цилиндрическая часть, куда припомощи засыпного аппарата загружаются проплавляемые материалы, а от боковыхсторон его по газоотводам 2 удаляются колошниковые газы.
Шахта 3 –расположена под колошником. В ней в определённой последовательности идутпроцессы подготовки материалов, восстановление из окислов руды железа и др.элементов, науглероживание железа и плавление образовавшегося сплава. Шахтепридаётся форма расширяющегося книзу усечённого конуса для облегчения опусканияиз колошника загруженных материалов.
Распар 4 – самаяширокая цилиндрическая часть печи, где происходит плавление пустой породы рудыи флюса с образованием из них шлака.
В заплечиках5, следующей части печи в виде усечённого и расширяющегося кверхуконуса, процесса шлакообразования заканчивается. Здесь остается в твёрдомсостоянии только горючее и часть флюса.
В горне6 происходит горение спустившегося сверху топлива и накапливаютсяв жидком состоянии чугун и шлак. Горячий воздух для сжигания топлива отвоздухонагревателей подводится к печи по кольцевому воздухопроводу 7через фурмы8. Чугун и шлак накапливаются на дне горна,называемом лещадью 9, расположенной на мощном железобетонномфундаменте 10.
Чугун выпускаетсяиз печи через лётку, расположенную на дне лещади, по желобам в ковши, а шлак вспециальные ковши через две шлаковые лётки.
В верхнейчасти печи имеется малый конус засыпного аппарата, на который попадает шихта,при опускании его шихта попадает в чашу. Из чаши шихта попадает на большойконус, при опускании которого шихтовые материалы попадают в доменную печь,предотвращая при этом выход газов из доменной печи в атмосферу. Дляравномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приёмная воронкапосле очередной загрузки поворачивается на угол кратный 60º.
При работепечи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочноеустройство в печь попадаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весьполезный объём печи был заполнен. Полезный объём печи – это объём, занимаемыйшихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при егоопускании. Современные доменные печи имеют полезный объём 2000…50000 м/>, полезная высота доменной печидостигает 35 м, это более, чем в тир раза превосходит диаметр её поперечногосечения.
Это позволяетдоменной печи, работающей по принципу встречного движения материалов и газов,иметь более высокий коэффициент полезного использования тепла (до 85%).
Кладка лещадии горна выполняется из углеродистых блоков и высокоглинозёмистых кирпичей, азаплечики, распар и шахта – из шамотных кирпичей высшего качества.
Лещадь и горнзаключены в мощный стальной кожух и интенсивно охлаждаются водой при помощиспециальных холодильников, к которым подведены две водопроводные магистрали, изних одна находится в работе, а другая — в резерве.
Колошникфутерован стальными неохлаждаемыми плитами, полости которых заполнены шамотнымкирпичом. Купол печи футерован чугунными плитами.
1.2.1 Доменный процесс
Для успешноговедения доменного процесса необходимо соблюдать два основных условия:
1. количествотепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы всереакции протекали в определённом месте и в определённое время;
2. образованиешлака должно происходить только после окончания восстановления из руды железа инеобходимых примесей.
Первоеусловие обеспечивается непрерывным движением в печи 2-х встречных потоков,поднимающих снизу вверх горячих газов от сгорания в горне топлива иопускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся под действием теплагазов.
Второеусловие обеспечивается подбором по тугоплавкости шлаков соответственно сортамвыплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду довосстановления железа и др. примесей, не изменил заданного состава чугуна и невызвал расстройство в ходе процесса.
Доменныйпроцесс начинается с горения топлива.
Горячийвоздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:
C+O/>=CO/>+Q (1)
Двуокисьуглерода (CO/>)встречает углерод раскаленного кокса и почти полностью разлагается:
CO/>+C=2CO-Q/>(2)
Одновременнос этим идёт реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:
H/>O/>+C= H/>+CO-Q (3)
В результатеэтих реакций вверх из горна идут газы, состоящие из CO, H/>.
Подготовительныепроцессы в загруженных шихтовых материалах начинают происходить в верхнихгоризонтах печи немедленно под влиянием температуры поднимающихся газов.Сначала при температуре 100…200ºС испаряется гигроскопическая вода, а при300…500ºС кристаллизационная, при соприкосновении которой с окисьюуглерода газов и углеродом кокса колошниковые газы получают дополнительно CO/>, CO и H/>.
Восстановлениежелеза из руды начинает происходить при помощи окиси углерода (непрямоевосстановление) в верхних горизонтах печи, где температура не высока, ипостепенно усиливается при опускании вниз по мере повышения температурыпримерно до 900°C. Обычно в доменных газах содержится небольшоеколичество водорода, поэтому основное восстановление идёт за счёт окисиуглерода и углерода кокса.
Восстановлениеокисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато от высшего окислажелеза к низшему в следующем порядке:
Fe2O3®Fe3O4 ® FeO ® Fe.
Протекаютследующие реакции восстановления:
3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4 + CO2 (4)
Fe3O4+ CO = 3FeO CO2 (5)
FeO + CO = Fe+ CO2 (6)
Основнойреакцией считается реакция (6), т.к. конечным продуктом является металлическоежелезо и она называется реакцией косвенного восстановления железа, протекаетпри умеренных температурах (500…900°C) с выделением тепла.
При болеевысоких температурах (выше 1000…1100°C) в присутствии раскалённогококса в доменной печи идёт восстановление железа при помощи углерода пореакции:
FeO + C = Fe+ CO (7)
Эта реакцияназывается прямым восстановлением железа. Считается, что в доменной печи около60…50% железа образуется по реакции (6), т.е. с помощью окиси углерода и50…40% с помощью твёрдого углерода. Прямое восстановление железапроисходит в районе распара доменной печи. Образующееся в доменной печиметаллическое железо находится в твёрдом виде (губчатое железо), поскольку оноимеет температуру плавления 1535°C. В присутствии окисиуглерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции:
3Fe + 2CO =Fe3C + CO2 (8)
Температураего плавления понижается вплоть до 1150…1200°C. Вследствие этогонауглероженное железо (от 1,8 до 2 % C) переходит в жидкое состояние(расплавляется) и стекает по каплям между кусками раскалённого кокса на лещадьгорна доменной печи.
Во времяперемещения капелек металла происходит дополнительное насыщение железауглеродом примерно до 3,5…4 %, т.е. до обычного содержания углерода вжидком чугуне. Параллельно с процессом восстановления железа в доменной печинаблюдается восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которыепереходят в чугун.
Восстановлениевысших и средних окислов марганца до низшего окисла происходит ступенчато засчёт окиси углерода по схеме:
MnO2®Mn2O3 ® Mn3O4 ® MnO ® Mn
Закисьмарганца MnO трудно восстановимый низший окисел марганца, восстанавливаетсятвёрдым углеродом по реакции:
MnO + C = Mn + CO (9)
Реакциясопровождается поглощением тепла и происходит при температурах выше 1100…1200°C. Восстановление кремнияиз пустой породы происходит при температуре 1450°C при помощи твёрдогоуглерода по реакции:
SiO2+2C = Si + 2CO – Q (10)
В присутствиижелеза эта реакция начинается при температуре 1050°C и требует поглощенияменьшего количества тепла.
Фосфорсодержится в руде в виде соединений (FeO)3P2O5и (CaO)3P2O5 и восстановление его вприсутствии пустой породы железной руды совершается за счёт твёрдого углерода:
P2O5(CaO)4+ 5C + 2SiO2 = 2P + 2(CaO)2*SiO2 + 5CO (11)и фосфат железа восстанавливается окисью углерода:
2Fe3(PO4)2+16CO = 2Fe3P + 2P + 16CO2 (12)
Серапоступает в плавку с рудой, флюсом и коксом в виде сульфида железа. Часть серыулетучивается (от 10 до 60%), оставшаяся часть серы руды и коксапереходит в шлак и в металл. Для удаления серы в шлак необходимо иметьизбыточное количество извести:
FeS + CaO = FeO +CAS + Q (13)
Образующеесясернистое железо вступает в реакцию с известью. Другой путь удаления серы изчугуна – это после выпуска из печи выдержке и при перевозках в ковшах наличиереакции взаимодействия сернистого железа с марганцем:
FeS + Mn =MnS + Fe +Q (14)
Никельподобно железу восстанавливается окисью углерода, твёрдым углеродом иводородом. Процесс восстановления начинается и заканчивается раньшевосстановления железа.
Хром, никель,титан и ванадий принадлежат к числу трудно восстанавливаемых элементов ивосстанавливаются только твёрдым углеродом при температуре выше 1250…1300°C.
Шлакообразование,т.е. сплавление пустой породы руды с флюсом, начинается с образования наиболеелёгкоплавкого соединения из кремнезёма, глинозёма и извести. Это происходит враспаре при температуре около 1200°C. При более высокихтемпературах он изменяет свой химический состав в связи с растворением в нёмзолы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. Окончательный составшлака находится в заплечиках и горне.
1.2.2 Продукты доменной плавки
Основным продуктом доменной плавки является чугун.
Расплавленный чугун через одну –две лётки по 10 – 18 раз в сутки выпускают из доменной печи. В ковшах –чугуновозах ёмкостью, 80…100 т, везут его по железнодорожным путам, попадаютлибо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. Впервом случае чугун сливают в миксеры (копильники), ёмкостью до 2000 т,отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав итемпература чугуна, происходит дополнительное удаление серы.
Разливочная машина представляетсобой конвейер с укреплёнными на нём формами (мульдами); в них получаютнебольшие слитки – чугунные чушки (до 55 кг), которые направляют на другиезаводы.
В доменных печах выплавляют передельныеи литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.
Передельные чугуны по ГОСТ 805–69 3-хвидов:
1. коксовый М1, М2, М3, Б1, Б2;
2. фосфористый МФ1, МФ2, МФ3;
3. высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВК3.По содержанию вредных примесей (P и S) чугуны делятся наклассы (А, Б и т.д.) по фосфору и на категории (I, II и т.д.) по сере.
Наиболеераспространены чугуны М1, М2, М3 содержат 3,8 – 4,4 % C, 0,5…1,5 %Si, 0,5…1,5 % Mn, 0,15…0,3 % P, 0,02…0,06 % S. Чугуны этихмарок применяют для выплавки стали мартеновским и кислородно – конвер-
торнымспособом.
Чугуны марокБ1, Б2, содержащие фосфора £ 0,06 % (класс А) и серы £0,04%(категорияIII), используют для передела в сталь кислым процессом.
Фосфористые чугуныМФ1, МФ2 и МФ3 содержат 1…2 % P, их переделывают в сталь в мартеновскихкачающихся печах.
Высококачественныечугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей (например,класс А ³ 0,02 % P, категория I – 0,015% S) и используют длявыплавки качественных сталей в электродуговых печах и др.
Литейныечугуны ЛКО…ЛК5 применяют для получения литых деталей. В этих чугунах содержитсядо 3,75 % Si (ЛКО), 0,5…1,3 % Mn, 0,02..0,07 % S(категории I, II, III). Обычные литейные чугуны содержат 0,1…0,3 % P,для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2%P.
Доменныеферросплавы: зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 содержат 10…25 % Mn,ферромарганец Мн6, Мн7 (70…75 % Mn), доменный ферро — силиций Си10, Си15(9…13 % Si иногда и больше) и до 3 % Mn. Эти сплавы применяют привыплавке сталей для раскисления и легирования.
В доменныхпечах из руд некоторых месторождений выплавляют также природно-легированныечугуны, содержащие Cr, V, Ni и т.п.
Доменный процессимеет также и побочные продукты: доменный шлак, доменный(колошниковый) газ, колошниковая пыль.
Доменный шлак– побочный продукт плавки и применяется для получения строительных материалов.Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: шлак выливают в воду и онпревращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак используют дляпроизводства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков, и т.д.
Доменный иликолошниковый газ. При сгорании 1 т кокса выделяется примерно 5000 м3газа. Таким образом, в крупных печах V = 3000…3200 м3 в суткивыделяется примерно 15…17 млн. м3 газа. Он содержит значительноеколичество горючих составляющих (26…32 % CO и до 4 % H2),его теплотво- рная способность примерно 850…950 кал / м3. послеочистки от пыли (части– цы руды, флюса, кокса) доменный газ используют кактопливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровыхкотлов, в смеси с природным газом используют для отопления мартеновских инагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45…50 % Fe и еёиспользуют при агломерации.
2.Термическая обработка железоуглеродистых сплавов
Термическойобработкойназывают процессы нагрева и охлаждения, проведенные поопределенному режиму, для направленного изменения структуры металла с цельюполучения необходимых эксплуатационных свойств.
2.1 Превращенияв стали при нагревании
Нагрев сталипри термической обработки используют для получения мелкозернистого аустенита.
Эвтектоиднаясталь при нормальной температуре имеет структуру перлита. В процессе еенагревания при температуре 727° С перлит превращается в аустенит.
Вдоэвтектоидных сталях (Ф+П) при дальнейшем нагревании происходит превращениеферрита в аустенит, которое заканчивается при температуре 830°С.
Узаэвтектоидных сталей (Ц+П) идет процесс растворения цементита в аустените,заканчивающийся при 940°С.
Образованиеаустенита обеспечивает перестройку />-железа в />-железо с растворением в нем углерода.
Длязавершения диффузионных процессов и получения однородного аустенита стальнагревают до температур на 30-50° выше критических (830°С, 940°С или 727°С) и выдерживаютпри этих температурах определенное время.
2.2Превращения в стали при охлаждении
Аустенитустойчив только при температуре 727°С. При охлаждении стали, предварительнонагретой до аустенитного состояния, аустенит становится неустойчивым – начинаетсяего превращение.
При медленномпонижении температуры получается грубая смесь феррита и цементита, котораяназывается перлитом. Распад аустенита с образованием перлита являетсядиффузионным процессом.
Если стальнагретую до состояния аустенита охлаждать с большой скоростью, то будетпереохлаждение аустенита с его распадом и образованием мелкозернистойферритно-цементитной смеси. Чем больше скорость охлаждения, тем мельчеферритно-цементитная смесь. Образующиеся более мелкие, по сравнению с перлитом,структуры, имеют повышенную твердость и свое особое название.
Приохлаждении стали на воздухе аустенит распадается с образованием сорбита. Егообразование начинается при 600°С и заканчивается при 500°С. Сталь, в которойпреобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.
При еще болеенизких температурах – 500-200°С – образуется троостит, обладающий еще большейдисперсностью. Сталь со структурой троостита имеет повышенную твердость,достаточную прочность, вязкость и пластичность.
По своемустроению перлит, сорбит и троостит очень сходны. Все они являются механическимисмесями феррита и цементита и отличаются лишь размерами пластинок феррита ицементита.
В случаеочень высокой скорости охлаждения (в воде) удается полностью подавить диффузионныепроцессы, происходит только бездиффузионное превращение, которое называетсямартенситом. Мартенсит отличается от сорбита и троостита и по структуре и посвойствам. Он представляет собой твердый раствор углерода в />-железе, имеет игольчатое строение,обладает высокой твердостью, низкой пластичностью. Особенность его структурыобъясняется тем, что при резком охлаждении углерод не успевает выделиться изтвердого раствора аустенита в виде частичек цементита, как это происходит приобразовании перлита, сорбита и троостита. Происходит только перестройка решетки/>-железа в решетку />-железа. Атомы углерода остаютсяв решетке />-железа(мартенсита) и поэтому сильно ее искажают.
Притемпературах, когда диффузия атомов железа сильно замедляется, а атомовуглерода протекает сравнительно легко (скорость охлаждения выше, чем приобразовании троостита, но недостаточна для получения мартенсита), происходитпромежуточное – бейнитное – превращение, для которого характерны особенностикак перлитного, так и мартенситного превращений. В результате промежуточногопревращения образуется структура, состоящая из смеси />-фазы, часто пресыщенной углеродом и карбида(цементита), которая называется бейнит, или игольчатый троостит.
2.3Основные виды термической обработки стали
2.3.1 Отжигстали
Отжиг стали — термическая обработка, включающая при полном отжиге нагрев до температуры вышеверхних критических точек на 30...50°С, выдержку при такой температуре дополного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе сохлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев стали производится до температурвыше нижних критических точек на 30...50°С, а при низкотемпературномотжиге — до температур, лежащих ниже нижних критических точек. Принеполном и низкотемпературном отжигах происходит только частичная перекристаллизация.Структура стали после отжига образуется в полном соответствии с диаграммойсостояния железоуглеродистых сплавов.
Отжиг сталипроизводится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повыситьпластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получитьравновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.
Разновидностямиотжига сталей являются нормализационный и изотермический отжиги.
Нормализационныйотжиг (нормализация) — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреведо температуры на 30...50°С выше верхних, критических точек, выдержке иохлаждении на спокойном воздухе. В результате нормализации стали с содержаниемуглерода менее 0,3% приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали ссодержанием углерода 0,3...0,7% — сорбитную.
Нормализацияприменяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однороднуюструктуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшейпластичностью, чем после отжига. При нормализации в заэвтектоидных сталяхустраняется цементитная сетка, поэтому ею часто заменяют полный или неполныйотжиг при подготовке углеродистых сталей к механической обработке. Нормализацияболее производительный и экономичный процесс, чем отжиг.
Изотермическийотжиг — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве стали дотемпературы, на 30...50°С превышающей верхнюю критическую точку, выдержке приэтой температуре, а затем переносят детали в другую печь с заданнойтемпературой (ниже верхней критической точки) и изотермическую выдержку ее дополного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемостьрезанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.
2.3.2 Закалкастали
Закалка стали- термическая обработка, включающая нагрев до температур выше верхнихкритических точек на 30...50°С, выдержку при этих температурах до полногопрогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение. В результатезакалки в стали из аустенита образуется мартенсит.
Стали с малымсодержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конецпроцесса образования мартенсита происходит в области высоких температур,соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит,сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на5...7 мм.
Микроструктуразакаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки(температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углеродадо 0,025...0,03% задерживает выделение третичного цементита по границам зерен ине меняет структуру феррита. Такая закалка повышает пластичность и почти неизменяет прочностных характеристик.
Микроструктурастали с 0,08...0,15% С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждениемв воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита.Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15...0,25%) при тех же условияхзакалки приводит к повышению твердости с 110...130 НВ до 140...180 НВ, а пределтекучести возрастает на 30...50%. Наиболее значительное изменение свойствпроисходит при содержании углерода более 0,30...0,35%.
Микроструктурадоэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеютхарактерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5...0,6% вмикроструктуре сталей наблюдается незначительное (2...3%) количество аустенита.
Микроструктуразаэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (нерастворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы)мартенсита очень небольших размеров. Повышение температуры закалки вызываетрастворение вторичного цементита и способствует росту зерна.
В техслучаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкостьповерхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия,применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину.Поверхностной закалке подвергаются стали при содержании углерода более 0,3%.Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работыдетали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слояне должна превышать 20% площади всего сечения. В практике наиболее частоиспользуют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты(ТВЧ).
Мартенситнаяструктура стали после закалки метастабильна и для ее превращения в болееустойчивую производят отпуск.
2.3.3 Отпускстали
Отпуск стали- термическая обработка, включающая нагрев закаленной стали до температуры нижекритических точек, выдержка при этой температуре и охлаждение. В результатеотпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенситазакалки в результате диффузионного перераспределения углерода превращается вболее устойчивые структуры — мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит.
Мартенситотпуска имеет измененную кристаллическую решетку и его образованиесопровождается объемными изменениями, выделением теплоты и частичным снятиемвнутренних напряжении. При более высокой температуре нагрева образуютсятроостит, сорбит и перлит отпуска, которые в отличие от получаемых из аустенитапри непрерывном охлаждении имеют зернистую, а не пластинчатую микроструктуру.Стали с зернистой микроструктурой отпуска характеризуются более высокойпластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием.
В зависимостиот температуры отпуска различают низкотемпературный (низкий),среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) виды отпуска.Закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском называется улучшениемстали. Улучшение обеспечивает хороший комплекс свойств (прочность, ударнаявязкость, твердость) и применяется для ответственных изделий изсреднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и др. детали).
К основнымдефектам, которые могут возникнуть при закалке стали относят трещины идеформацию. Трещины — неисправимый дефект, предупредить который можноконструктивном решением (избегать в изделии конструктивных элементов, которыемогут стать концентраторами напряжений) и тщательным соблюдением режимовтермообработки. Деформация, то есть изменение размеров и формы изделий, всегдасопровождает процессы термической обработки, особенно закалки. Несимметричнуюдеформацию изделий в практике часто называют короблением (поводкой). Деформациюможно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термическойобработки, а избежать коробления — обеспечив равномерность нагрева под закалкуи правильное положение детали при погружении в закалочную среду.
3. Медь иеё сплавы. Область применения
3.1 Физические свойства
Металлыподгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону наодин ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильноотличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладаютдовольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурахплавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомамиметаллов подгруппы меди почти нет “зазоров” и они расположены более близко.Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электроннаяплотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у нихбольше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высокихтемпературах.
Металлыподгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают большейтвердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и отсутствием“зазоров” между ион-атомами.
Необходимоотметить, что твердость и прочность металлов зависят от правильностирасположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мыпрактически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильногорасположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической решетки. Ктому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которымисвязь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения вкристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокойтемпературе в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виденебольших ниточек – “усов”. Как оказалось такая медь в сто раз прочнее, чемобычная.
Чистая медьобладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следамирастворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь, многократно возогнанная ввакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированномсостоянии обладает сильным блеском.
При повышениивалентности понижается окраска меди, например CuCl – белый, Cu2O – красный,CuCl + H2O – голубой, CuO – черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленымцветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практическийпризнак для поисков.
Медь обладаетнаибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено еёприменение в электронике.
Медькристаллизируется по типу централизованного куба (рис 3).
/>
Рисунок 3.Кристаллическая решетка меди.
3.2 Химические свойства
Строениеатома.
/>
Рисунок 4.Схема строения атома меди.
3.2.1 Отношение к кислороду
Медьпроявляет к кислороду незначительную активность, но во влажном воздухепостепенно окисляется и покрывается пленкой зеленоватого цвета, состоящей изосновных карбонатов меди:
/> (15)
В сухомвоздухе окисление идет очень медленно, на поверхности меди образуется тончайшийслой оксида меди:
/> (16)
Внешне медьпри этом не меняется, так как оксид меди (I) как и сама медь, розового цвета. Ктому же слой оксида настолько тонок, что пропускает свет, т.е. просвечивает.По-иному медь окисляется при нагревании, например при 600-800 0C. В первыесекунды окисление идет до оксида меди (I), которая с поверхности переходит воксид меди (II) черного цвета. Образуется двухслойное окисное покрытие.
Qобразования(Cu2O) = 84935 кДж.
/>
Рисунок 5.Строение оксидной пленки меди.
3.2.2 Взаимодействие с водой
Металлыподгруппы меди стоят в конце электрохимического ряда напряжений, после ионаводорода. Следовательно, эти металлы не могут вытеснять водород из воды. В тоже время водород и другие металлы могут вытеснять металлы подгруппы меди израстворов их солей, например:
/> (17)
Эта реакцияокислительно-восстановительная, так как происходит переход электронов:
/> (18)
/> (19)
Молекулярныйводород вытесняет металлы подгруппы меди с большим трудом. Объясняется это тем,что связь между атомами водорода прочная и на ее разрыв затрачивается многоэнергии. Реакция же идет только с атомами водорода.
/> (20)
Медь приотсутствии кислорода с водой практически не взаимодействует. В присутствиикислорода медь медленно взаимодействует с водой и покрывается зеленой пленкойгидроксида меди и основного карбоната:
/> (21)
/> (22)
3.2.3 Взаимодействие с кислотами
Находясь вряду напряжений после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтомусоляная и разбавленная серная кислота на медь не действуют. Однако вприсутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованиемсоответствующих солей:
/> (23)
3.2.4 Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам
Q образования(CuCl) = 134300 кДж
Q образования(CuCl2) = 111700 кДж
/> (24)
Медь хорошореагирует с галогенами, дает два вида галогенидов: CuX и CuX2… При действиигалогенов при комнатной температуре видимых изменений не происходит, но наповерхности вначале образуется слой адсорбированных молекул, а затем итончайший слой галогенидов. При нагревании реакция с медью происходит оченьбурно. Нагреем медную проволочку или фольги и опустим ее в горячем виде в банкус хлором – около меди появятся бурые пары, состоящие из хлорида меди (II) CuCl2с примесью хлорида меди (I) CuCl. Реакция происходит самопроизвольно за счетвыделяющейся теплоты.
Одновалентныегалогениды меди получают при взаимодействии металлической меди с растворомгалогенида двухвалентной меди, например:
/> (25)
Монохлоридвыпадает из раствора в виде белого осадка на поверхности меди.
3.2.5 Оксид меди
Припрокаливании меди на воздухе она покрывается черным налетом, состоящим изоксида меди
/> (26)
Его такжелегко можно получить прокаливанием гидроксокарбоната меди (II) (CuOH)2CO3 илинитрата меди (II) Cu(NO3)2. При нагревании с различными органическимивеществами CuO окисляет их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород – вводу восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуютсяпри элементарном анализе органических веществ для определения содержания в нихуглерода и водорода.
Под слоеммеди расположен окисел розового цвета – закись меди Cu2O. Этот же окиселполучается при совместном прокаливании эквивалентных количеств меди и окисимеди, взятых в виде порошков:
/> (27)
Закись медииспользуют при устройстве выпрямителей переменного тока, называемыхкупроксными. Для их приготовления пластинки меди нагревают до 1020-1050 0C. Приэтом на поверхности образуется двухслойная окалина, состоящая из закиси меди иокиси меди. Окись меди удаляют, выдерживая пластинки некоторое время в азотнойкислоте:
/> (28)
Пластинкупромывают, высушивают и прокаливают при невысокой температуре – и выпрямительготов. Электроны могут проходить только от меди через закись меди. В обратномнаправлении электроны проходить не могут. Это объясняется тем, что закись медиобладает различной проводимостью. В слое закиси меди, который примыкает непосредственнок меди, имеется избыток электронов, и электрический ток проходит за счетэлектронов, т.е. существует электронная проводимость. В наружном слое закисимеди наблюдается нехватка электронов, что равноценно появлению положительныхзарядов. Поэтому, когда к меди подводят положительный плюс источника тока, а кзакиси меди – отрицательный, то электроны через систему не проходят. Электроныпри таком положении полюсов движутся к положительному электроду, аположительные заряды – к отрицательному. Внутри слоя закиси возникает тончайшийслой, лишенный носителей электрического тока, — запирающий слой. Когда же медьподключена к отрицательному полюсу, а закись меди к положительному, то движениеэлектронов и положительных зарядов изменяется на обратное, и через системупроходит электрический ток.
3.2.6 Гидроксиды меди
Гидроксидмеди малорастворимое и нестойкое соединение. Получают его при действии щелочина раствор соли:
/> (29)
Это ионнаяреакция и протекает она потому, что образуется плохо диссоциированноесоединение, выпадающее в осадок:
/> (30)
Медь, помимогидроксида меди (II) голубого цвета, дает еще гидроксид меди (I) белого цвета:
/> (31)
Это нестойкоесоединение, которое легко окисляется до гидроксида меди (II):
/> (32)
Обагидроксида меди обладают амфотерными свойствами. Например, гидроксид меди (II)хорошо растворим не только в кислотах, но и в концентрированных растворахщелочей:
/> (33)
/> (34)
Таким образом,гидроксид меди (II) может диссоциировать и как основание:
/> (35)
и каккислота. Этот тип диссоциации связан с присоединением меди гидроксильных группводы:
/> (36)
3.2.7 Сульфаты
Наибольшеепрактическое значение имеет CuSO4*5H2O, называемый медным купоросом. Егоготовят растворением меди в концентрированной серной кислоте. Поскольку медьотносится к малоактивным металлам и расположена в ряду напряжений послеводорода, водород при этом не выделяется:
/> (37)
Медныйкупорос применяют при электролитическом получении меди, в сельском хозяйстведля борьбы с вредителями и болезнями растений, для получения других соединениймеди.
3.2.8 Карбонаты
Карбонаты дляметаллов подгруппы меди не характерны и в практике почти не применяются.Некоторое значение для получения меди имеет лишь основной карбонат меди,который встречается в природе.
3.2.9 Качественные реакции на ионы меди
Ион медиможно открыть, прилив к раствору ее соли раствор аммиака. Появлениеинтенсивного сине-голубого окрашивания связано с образованием комплексного ионамеди
/> (38)
Медь интенсивноокрашивает пламя в зеленый цвет.
3.3Сплавы
3.3.1Латуни
Этодвойные и многокомпонентные медные сплавы, в которых основной легирующийкомпонент — цинк (содержание не превышает 45 %). Среди медных сплавов латуниполучили наибольшее распространение в промышленности благодаря сочетаниювысоких механических и технологических свойств. По сравнению с медью латуниобладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью, лучшими литейнымисвойствами, имеют более высокую температуру рекристаллизации. Латуни — наиболеедешевые медные сплавы.
Двойные(простые) латуни относятся к системе Cu—Zn (рис. 19.3). Медь с цинком образуеткроме a -твердого раствора на основе меди ряд промежуточных фаз b, g и т. д.
Фазаb — это твердый раствор на основе электронного соединения CuZn (фаза Юм—Розери)с решеткой ОЦК. При охлаждении при температуре около 450 ° С b -фаза переходитв упорядоченное состояние (b ® b ¢), причем b ¢ -фаза в отличие от b-фазы является более твердой и хрупкой.
Фазаg — твердый раствор на основе электрон-ного соединения Cu5Zn8 отличается оченьвысокой хрупкостью и ее присутствие в промышленных конструкционных сплавахисключается.
Механическиесвойства латуни определяются свойствами фаз. По мере увеличения содержанияцинка в латунях их прочность возрастает (рис. 19.4). Максимум прочностидостигается в двухфазной области (a + b) при содержании цинка около 45 %. Прибольшем содержании цинка прочность резко уменьшается из-за высокой хрупкости b ¢-фазы. Поэтому в промышленности применяют преимущественно a — и (a + b)-латуни.Представляют интерес как основа сплавов с эффектом памяти формы b -латуни.
Вселатуни, содержащие более 20 % Zn, склонны к коррозионному растрескиванию. Эторастрескивание проявляется при хранении и эксплуатации изделий, в которыхимеются остаточные растягивающие напряжения, во влажной атмосфере с небольшимколичеством аммиака или сернистого газа. Установлена определенная связь междуданным явлением и временем года, что объясняется закономерными изменениямисостава атмосферы. В связи с этим это явление было названо «сезоннымрастрескиванием» («сезонная болезнь»). Другой формой коррозии латуни являетсяобесцинкование, которое характерно для латуней с повышенным содержанием цинка(Л68, ЛС59-1 и др.). Высокомедистые латуни практически не подвергаютсяобесцинкованию. Для уменьшения обесцинкования в латуни вводят небольшоеколичество мышьяка (0,02–0,06 %).
ВРоссии принята буквенно-цифровая маркировка латуней, в которой буквы обозначаютосновные компоненты сплава, числа — их примерное содержание в процентах. Маркалатуни начинается с буквы «Л». В двойных (простых) латунях число после буквы«Л» определяет среднее содержание меди. В марках многокомпонентных латунейпосле буквы «Л» указаны легирующие элементы, которым даны следующиеобозначения: О — олово; А — алюминий; Н — никель; К — кремний; Ж — железо и т.д. Порядок букв и чисел в деформируемых и литейных латунях различен. Вдеформируемой латуни первое число после букв указывает среднее содержание меди,последующие числа, отделенные через тире, указывают среднее содержаниелегирующих элементов. Например, латунь ЛА77-2 имеет следующий состав: 77 % Cu,2 % Al, остальное Zn. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплавауказывается сразу после буквы, обозначающей его название; цинк обозначаетсябуквой «Ц». Например, литейная латунь ЛЦ30А3 содержит 30 % Zn, 3 % AL, Cu —основа.
3.3.2Бронзы
Бронзаминазывают медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являютсяразличные металлы, кроме цинка. В особую группу выделяют медноникелевые сплавы.
Похимическому составу бронзы подразделяются на оловянные и безоловянные, и вкаждой из этих групп по технологии производства бронзы делятся наобрабатываемые давлением и литейные.
Вмарке обрабатываемых давлением оловянных (ГОСТ 5017–74) и безоловянных бронз(18175–78) после букв «Бр» стоят буквенные обозначения названий легирующихэлементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той жепоследовательности указаны средние концентрации соотвествующих элементов(например, БрОЦС4-4-2,5). В марке литейных оловянных (ГОСТ 613–79) ибезоловянных бронз (ГОСТ 493–79) после каждого обозначения легирующего элементауказано его содержание. Если составы литейной и деформируемой бронзперекрываются, то в конце марки литейной бронзы ставится буква «Л» (например,БрА9Ж3Л).
Свойствабронз определяются содержанием в них легирующих элементов. Для бронз, в которыхлегирующие элементы входят в основном в твердый раствор, характернотвердорастворное упрочнение. Дополнительно они могут быть упрочнены путемпластической деформации. Бронзы, содержащие бериллий, хром, цирконий инекоторые другие элементы с переменной растворимостью в твердом растворе,упрочняются путем закалки и последующего дисперсионного твердения. К классу термическиупрочняемых сплавов относится также алюминиевая бронза БрАЖН10-4-4, в которойупрочнение при термообработке связано с мартенситным превращением.
Бронзыпо сравнению с латунью обладают более высокой прочностью, коррозионнойстойкостью и антифрикционными свойствами. Они достаточно коррозионностойки вморской воде, в растворах большинства органических кислот, углекислыхрастворах.
3.3.3Медноникелевые сплавы
Никель— металл серебристо-белого цвета, кристаллизующийся в решетку ГЦК с параметрома = 0,352 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не имеет. При температурениже 358 ° С (точка Кюри) никель является слабым ферромагнетиком. Никель —прочный, высокопластичный металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью,повышенной температурой плавления и высокой каталитической способностью. Этообусловило его широкое применение в металлургии, машиностроении, электронике,медицине и других отраслях техники.
Сплавымеди с никелем отличаются хорошими механическими свойствами, коррозионнойстойкостью, технологичностью и особыми электрическими свойствами, чтообусловливает широкое применение их в технике.
Медьобразует с никелем непрерывные твердые растворы. Никель существенно упроч-няетмедь, причем максимальную прочность и твердость имеют сплавы примерноэквиатомного состава. Важно отметить, что при этом характеристики пластичностии ударной вязкости практически не меняются. Никель повышает характеристикижаропрочности, модуль упругости и понижает температурный коэффициент электросопротивлениямеди.
Поназначению медноникелевые сплавы делятся на две группы: конструкционные иэлектротехнические. К первой группе относятся высокопрочные икоррозионностойкие сплавы типа мельхиор, нейзильбер и куниаль, ко второй —константан, манганин и копель, обладающие высоким электрическим сопротивлениеми определенными термоэлектрическими свойствами.
3.4Применение меди
Примернополовина производимой меди в настоящее время используется в радиотехнике иэлектротехнической промышленности. Это связано с ее хорошей проводимостью иотносительно высокой коррозионной стойкостью. К меди, идущей на изготовлениеэлектрических проводов, часто добавляют в небольшом количестве кадмий, которыйне снижает электропроводимость меди, но повышает ее прочность на разрыв.
Древнейшийсплав меди с цинком – латунь и в настоящее время производится в большихколичествах. Содержание цинка в латуни составляет 30-45%. Она применяется дляизготовления различной арматуры, соприкасающейся с водой (краны, вентили ит.д.), а также для производства различных труб. Из латуни прокатывают полосы илисты, идущие для выработки самых разнообразных изделий (проволока,произведения искусств, предметы быта и т.д.).
Латунь хорошопрокатывается, штампуется и несколько дешевле меди, так как цинк более дешевыйметалл по сравнению с медью.
Другие сплавымеди называются бронзами. Наиболее распространенная бронза – оловянная. Онасодержит от 5 до 80% олова. В зависимости от содержания олова свойства иназначение меняется. При содержании олова 10-13% ее цвет красновато-желтый, аболее 27-30% — белый. Подшипниковая бронза содержит 81-87% меди. Дляизготовления подшипников, различных тормозных устройств, где происходитскольжение металла, применяют бронзы, содержащие до 45% свинца. В часовых идругих точных механизмах, где нужна высокая механическая прочность икоррозионная стойкость, применяется бериллиевая бронза, содержащая 1-2%бериллия. Ее прочность равна прочности стали.
В быту иособенно в химической промышленности применяют сплавы меди с никелем, напримермонель-металл, в котором отношение меди к никелю равно 2:1, и мельхиор, вкотором это соотношение равно 4:1. Мельхиор по внешнему виду похож на серебро,из него приготовляют предметы домашнего обихода: ложки, вилки, подносы и т.д.Монель-металл применяют для изготовления монет, различных реакторов дляхимической промышленности, так как это сплав коррозионно-стоек.
Гидроксокарбонатмеди (II) – (CuOH)2CO3 – применяют для получения хлорида меди (II), дляприготовления синих и зеленых минеральных красок, а также в пиротехнике.
Сульфат меди(II) – CuSO4 – в безводном состоянии представляет собой белый порошок, которыйпри поглощении воды синеет. Поэтому он применяется для обнаружения следов влагив органических жидкостях.
Смешанныйацетат-арсенит меди (II) – Cu(CH3COO)2*Cu3(AsO3)2 – применяют под названием“парижская зелень” для уничтожения вредителей растений.
Из солее медивырабатывают большое количество минеральных красок, разнообразных по цвету:зеленых, синих, коричневых, фиолетовых и черных. Все соли меди ядовиты, поэтомумедную посуду лудят – покрывают внутри слоем олова, чтобы предотвратитьвозможность образования медных солей.
Списокиспользованных источников
1. Бунин К.П., Баранов А.А.,Металлография, М., 1970.
2. Зуев В.М. Термическаяобработка металлов – М: Высшая школа, 1976,
3. Никифоров В.М.Технология металлов и конструкционные материалы – М: высшая школа, 1980, 360 с.с ил.
4. Полтавец В.В. Доменноепроизводство. М., 1981.
5. Металлургия чугуна.Е.Ф. Вегман, Б.Н., М.: Металлургия, 1978.
6. Материаловедение подред. Б.Н. Арзамасова // М.: Машиностроение — 1986 — 384с.
7. Лахтин Ю.М., ЛеонтьеваВ.П. Материаловедение // М.: Машиностроение — 1980 — 493с.
8. Технологияконструкционных материалов. // Под ред. А.М. Дальского, М.: Машиностроение — 1985 -448с.
9. Колесов, С.Н.«Материаловедение и технология конструкционных материалов»: – М.: Высш шк.,2004. – 512 с.: ил.
10. Б.Н. Арзамасов « Материаловедение». М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. — 648с.: ил.
11. Ройтман И.А., Кузьменко В.И. «Основы машиностроения в черчении» М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. – Кн. 1. – 224с.: ил.
12. Технология конструкционныхматериалов / Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова Т.М. и др. – М.:Машиностроение, 1985. – 664 с.
13. Технология металлов / КнорозовБ.В., Усова Л.Ф., Третьякова А.В. и др. – М.: Металлургия, 1987. – 903 с.
14. Соколов Г.А. Производствостали. – М.: Металлургия, 1982. – 496 с.
15. Латухин Ю.М. Металловедение итермическая обработка металлов. М.: Металлургия. 1977. – 207 с.
16. Л.Ф. Попова. От литиядо цезия. М., “Просвещение”, 1972.
17. В.Е. Лунев.Познакомьтесь с медью. М.,”Металлургия”, 1965.
18. Л.Ф. Попова. Медь.М., “Просвещение”, 1989.
19. Н.А. Фигуровский,«Открытие элементов и происхождение их названий». М., “Наука”, 1970.
20. В.С. Котлярова, Н.В. Касимова.Получение плёнок меди и опыты с ними // Химия в школе, №3, 1972.
21. И.Г. Подчайнова, Э.Н.Симонова. Аналитическая химия меди. М.,”Наука”, 1990.