Технология материалов. Лекции

I – перитектическая  точка, точка трехфазного равновесия, соответствующая равновесной концентрации аустенита, образующегося по перитектичеокой реакции в изотермических условиях из жидкости состава точки В и d-феррита состава точки Н. Температура, в точке I, равна 1496 °С, концентрация углерода 0,16%.

К – точка предельного  насыщения железом цементита при эвтектоидной температуре 727°С. Точке практически соответствует концентрация 6,67% углерода.

Кў – точка  предельного насыщения железом  графита при эвтектоидной температуре (738°С).

М – точка Кюри чистого железа. Температура этой точки 770 °С. Точка соответствует потере ферромагнетизма a-железа при нагреве и восстановлению его ферромагнетизма при охлаждении.

N – точка полиморфного  превращения d Ы g в чистом железе. Температура превращения 1392 °С. Точка  N для чистого железа соответствует критической точке А4. В этой точке система нонвариантна.

О – точка наибольшей растворимости углерода в аустените, находящемся в контакте с немагнитным  ферритом при температуре 770 °С. Содержание углерода в аустените в этой точке примерно равно 0,5%.

Р – точка предельного содержания углерода в феррите, находящемся в равновесии с цементитом и аустенитом при эвтектоидной температуре (727°С). Значение содержания углерода для этой точки 0,02%. Точка Р на концентрационной оси диаграммы отделяет техническое железо от стали. В сталях (содержание углерода выше 0,02%) в качестве структурной составляющей содержится перлит. В техническом железе (содержание углерода не более 0,02%) перлит отсутствует.

S – эвтектоидная  точка в метастабильной системе.  Температура, соответствующая этой точке, 727 °С, содержание углерода 0,8%. Это содержание углерода в аустените, находящемся в равновесии c ферритом и цементитом при эвтектоидной реакции. Число степеней свободы, как и для других трехфазных реакций в данной системе, равно нулю.

Sў – эвтектоидная  точка в стабильной системе  железо-графит. Температура, отвечающая  данной точке 738 °С, содержание  углерода в аустените, соответствующее  точке Sўз, равно 0,69%. Это содержание  углерода в аустените, находящемся  в состоянии равновесия с ферритом и графитом в момент развития прямого или обратного эвтектоидного превращения. Система в точке Sўз -нонвариантна.

Q – точка предельной  растворимости углерода в феррите  (значение 0,006% при комнатной температуре). Увеличение концентрации углерода  в феррите до значений более 0,006% приводит к изменению фазового состава и в первую очередь к появлению в структуре третичного феррита. 

17.Цветные  металлы и их  сплавы. Аллюминий,  медь. Т ехнология  выплавок. Маркировка  и область применения.

Цветные металлы  и их сплавы. Область применения цветных металлов в современном машиностроении огромна. Объясняется это тем, что некоторые их свойства лучше соответствующих свойств сталей и чугунов

К цветным металлам относятся: алюминий, медь, цинк, олово, свинец, никель, кобальт и др. Их условное обозначение приведено в табл. 5. Применяют цветные металлы главным образом в виде сплавов. Наиболее широкое распространение в машиностроении получили сплавы алюминия и меди.

Условное обозначение  элементов при маркировке цветных  металлов

Алюминий и алюминиевые  сплавы. Алюминий после кислорода  и кремния самый распространенный в природе элемент. Он имеет серебристо-белый  цвет, пластичен, обладает высокими антикоррозийными свойствами и хорошей электропроводностью. Алюминий прекрасно прокатывается, штампуется и куется. Он в три раза легче чугуна и стали. В чи­стом виде в природе не встречается, однако с другими элементами он образует около 250 соединений. Сплавы алюминия силумин и дуралюмин получили очень широкое распространение.

Силумины — это литейные сплавы алюминия с кремнием, магнием и медью. Дуралюмины — это пластические сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием и железом.

Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в авиационной, автомобильной, тракторной промышленности, в приборостроении, а также при изготовлении предметов широкого потребления. В последнее время не осталось почти ни одной отрасли промышленности, где можно обойтись без алюминия и его сплавов. В табл. 6 приведены примеры применения алюминиевых сплавов.

Пример. Обозначение алюминиевого сплава АЛ4 ГОСТ 1583-89Е, где: А — условное обозначение алюминия; Л — литейный сплав; 4 — порядковый номер сплава.

Примерное назначение некоторых марок алюминиевых  сплавов, применяемых для изготовления деталей

Медь и медные сплавы. Медь тяжелее чугуна и стали. Она обладает высокой пластичностью, электропроводностью, антикоррозийностью. Ее применяют для изготовления токопроводящих деталей, проводов.

В промышленности весьма широкое применение нашли сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и другими элементами.

Латуни. Латуни —  это сплавы меди с цинком. Процентное содержание цинка в латуни колеблется от 3% (Л96) до 43% (ЛС59-1). Латунь очень прочный  и пластичный материал, а также более дешевый, чем медь.

Пример. Обозначение латуни Л63 ГОСТ 15527-70,

где: Л — условное обозначение латуни; 63 — процентное содержание меди (63%), остальное — цинк и примеси (37%).

Латуни разделяются  на обрабатываемые давлением и литейные. В табл. 7 приведены примеры использования  латуней при изготовлении различных изделий.

Бронзы. Различают  оловянные бронзы, где преобладающим  легирующим компонентом является олово, и безоловянные бронзы, представляющие собой медные сплавы, легированные другими компонентами.

Оловянные бронзы обладают хорошими механическими и литейными свойствами, а также высокой антикоррозийностью. Так как олово — дорогой металл и дефицитный, то в настоящее время широко применяют безоловянные бронзы. Некоторые из них по своим механическим и антикоррозионным свойствам выше оловянных. Таковы, например, алюминиевые бронзы.

Примерное назначение некоторых марок латуни, применяемых  для изготовления деталей

Хорошими литейными  и антифрикционными свойствами обладают сложные алюминиевые бронзы. Легирующими  компонентами в них, кроме алюминия, являются: железо, никель, марганец, а в некоторых сплавах — свинец.

Пример. Обозначение  оловянной бронзы БрОЦСНЗ-7-5-1 ГОСТ 613-79,

где: Бр — условное обозначение бронзы; ОЦСН — буквенное  обозначение элементов; 3-7-5-1 — содержание этих элементов в процентах (3% — олова, 7% — цинка, 5% — свинца, 1% — никеля), а остальное — медь (84%).

Пример. Обозначение  безоловянной бронзы БрАЖН10-4-4 ГОСТ 18175-78, где: Бр — условное обозначение бронзы; АЖН — буквенное обозначение  элементов; 10-4-4 — содержание этих элементов в процентах (10% — алюминия, 4% — железа, 4% — никеля), а остальное — медь и примеси (82%). 

Цветными металлами  считаются все кроме железа, хрома  и марганца. Цветные металлы делятся  на несколько групп: легкие (Ca, K, Ba, Li, Al); тяжелые (Ni, Zn, Cu); редкие (W, Mo, Ti, U, Ra, Ge, Zr) и благородные ( Pt, Au).

Наиболее распространенными  цветными металлами в технике  являются медь, алюминий, олово, титан, цинк и др. Вместе с техническим  прогрессом возросла роль и значение цветных металлов в жизни человека. Так ни один сложный механизм не обходится без этих металлов, детали транспортных средств, самолетов, космических станций изготавливаются из них.

В связи с этим постоянно увеличиваются объемы и усовершенствуются металлургические способы производства алюминия, меди, никеля, магния, титана и многих других металлов.

С развитием радиоэлектроники, амомной энергетики увиличилась  и роль таких цветных металлов как стронций, скандий, германий, галлий, селена, теллура и др.

Основные способы  производства цветных металлов:

металлотермический (металл имеющий большее сродство к кислороду восстанавливает  из руды ведущий элемент);

пирометаллургический (окислительная или восстановительная  плавка);

гидрометаллургический (выщелачивание металла из растворимого соединения);

электролитический;

цианирование;

хлорид-возгонка;

химико-термический.

В цветной металлургии, как и в черной, большое значение приобрела подготовка сырых материалов, в том числе дробление, обогащение, окускование и усреднение.

Сырые материалы  для производства алюминия

Основным современным  способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий  из двух стадий. Первая - это получение  глинозема (Al2O3) из рудного сырья  и вторая — получение жидкого  алюминия из глинозема путем электролиза.

Известны два способа  извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них  не нашел широкого применения. Его  используют при переработке бедных окисленных и самородных медных руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позвляет извлекать попутно с медью драгоценные металлы.

Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллургический способом из сульфидных медных руд. Одновременно решается задача извлечения из руд  помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства:

подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг),

плавка на штейн (выплавка медного штейна),

конвертирование штейна с получением черновой меди,

рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем  электролитическое).

Плавку медных руд  и концентратов с целью получения  расплава сульфидов меди и железа ведут в шахтных вертикальных печах или в пламенных отражательных  печах.

Современная шахтная печь обычно имеет прямоугольную форму длиной до 10—11 м и шириной 1,3—1,4 м. Устройство шахтной печи показано на рис. 30. Высота шахты от уровня фурм до загрузочной площадки 4,5—6 м. 

Боковые стенки 3 сделаны  наклонными, чтобы уменьшить скорость движения газов, которые от фурм поднимаются вверх, и замедлить скорость опускания шихтовых материалов. Нижнюю часть 2 шахтной фетеруют огнеупорным кирпичом. Выше фурм стенки печи металлические, пустотелые, охлаждаемые водой. Загружают материалы 1 шихтовой площадки 4 вагонетками 7. Выше загрузочной площадки сделан шатер 6 с загрузочными окнами 5. Воздух подают через воздухораспределительное кольцо 8 в фурмы 1, расположенные вдоль боковых стен. Штейн и шлак, образующиеся при плавке в жидком виде, собираются в переднем горне 9, где они разделяются по удельному весу. 

Характер плавки в шахтной печи зависит от перерабатываемых исходных руд. Количество кокса при  плавке в шахтных печах зависит  от сорта руды и колеблется от 2 до 10 % от веса шихты. Топливо сгорает главным образом за счет сернистого ангидрида проходящих газов: 

С + SO2 →СO2 + 0,5 S2. 

В результате получаются колошниковые газы с большим содержанием  молекулярной серы. Выделяющуюся   серу и сернистые газы улавливают и используют для изготовления серной кислоты и получения  элементарной серы. 

 

Рис. 30. Шахтная печь для плавки медных руд: 1— фурмы; 2 — нижняя часть шахты; 3 — боковые  стенки; 4 — шихтовая площадка; 5 —  загрузочные окна; 6 — шатер; 7 —  вагонетки; 8 — воздухораспределительное кольцо; 9 — передний горнПлавка в отражательных печах в настоящее время является основным способом переработки медных руд и концентратов в сыром и обожженном виде. 

На заводах построены  крупные печи (длина рабочего пространства 28—29 м и ширина 6,5—9 м). Площадь  пода печей составляет 170—240 м2 и более. В рабочем пространстве печи температура достигает 1500—1600°. 

На рис. 31 представлена схема устройства отражательной  печи. На под 5 печи через воронки 2 из бункера 1 засыпают порошкообразную  руду 4 или концентрат и нагревают. В печи поддерживают слабоокислительную среду, чтобы сернистое железо FeS не окислялось печными газами. В печи происходят следующие реакции. При 900° сернистые соединения меди Cu2S реагируют с закисью Cu2O, образуя медь: 

Cu2S + 2 Cu2O→6Сu + SO2; 

при достаточном  количестве сернистого железа медь реагирует  с ним 

FeS + 2Cu→Cu2S + Fe,

Cu2O+ FeS→Cu2S + FeO. 

 

Рис. 31. Схема устройства отражательной печи для плавки медных руд: 1 -  бункер; 2 — воронки; 3 —  летка; 4 — руда; 5 — под