Черные металлы реферат по материаловедению

Обновлено: 07.07.2024

Оценить 2632 0

Введение _______________________________________________ 3

Глава 1. Цветные металлы _________________________________4

1.1.История открытия и использование цветных металлов и

их сплавов ____________________________________________ 4

1.2. Виды цветных металлов _______________________________5

Глава 2.Сплавы цветных металлов _________________________ 7

Список использованных источников _______________________11

Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, титан и другие металлы, и их сплавы являются незаменимыми материалами для приборостроительной и электротехнической промышленности, самолетостроения и радиоэлектроники, ядерной и космической отраслей техники. Цветные металлы обладают рядом ценных свойств: высокой теплопроводностью, очень малой плотностью (алюминий и магний), очень низкой температурой плавления (олово, свинец), высокой коррозионной стойкостью (титан, алюминий). В различных отраслях промышленности широко применяются сплавы алюминия с другими легирующими элементами. Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, за счёт искусственного и естественного старения и т. д. Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением — ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке.

Из цветных металлов и сплавов изготовляют литые детали, а также различные полуфабрикаты в виде проволоки, профильного металла, круглых, квадратных и шестигранных прутков, полосы, ленты, листов и фольги. Значительную часть цветных металлов используют в виде порошков для изготовления изделий методом порошковой металлургии, а также для изготовления различных красок и в качестве антикоррозионных покрытий.

Глава1. Цветные металлы.

История открытия и использования цветных металлов и их сплавов.

Прежде чем научиться добывать и плавить руду, люди не позднее 9-го тыс. до н. э. познакомились со свойствами металлов, находя и обрабатывая самородки металлов (золота, меди и др.) и метеоритное железо. Самородная медь (обычно почти не содержит примесей) в результате ударов каменным орудием становится более твёрдой. После изобретения горячей кузнечной обработки процесс изготовления медных изделий стал более распространённым (эпоха энеолита). Овладение искусством плавки и получения необходимой формы литьём привело к росту производства меди и расширению её применения Бронзовые изделия отличались большей устойчивостью против коррозии, упругостью, твёрдостью, остротой лезвия. Кроме того, из бронзы легче было отливать всевозможные изделия, т. к. она имеет более низкую температуру плавления, чем медь, и лучше заполняет литейную форму. Более широкое применение бронзы (взамен меди) означало переход от медного к бронзовому веку. В бронзовом веке уже были известны т. н. семь металлов древности – медь, золото, свинец, серебро, железо, ртуть и олово, которые встречаются в природе преимущественно в виде самородков или сульфидов. Большинство металлов в то время получали в виде расплава.

В современной технике объем применения цветных металлов и сплавов на их основе непрерывно растет. В связи с бурным развитием авиастроения, ракетной и атомной техники, химической промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время стали применять такие металлы (и сплавы на их основе), как титан, цирконий, никель, молибден и даже ниобий, гафний и др. Области применения отдельных цветных металлов и сплавов на их основе весьма разнообразны.

Медь и ее сплавы широко используют в химическом машиностроении, для изготовления трубопроводов самого различного назначения, емкостей, различных сосудов в криогенной технике и т. п. Техническая медь, содержащая не более 0,1 % примесей, применяется для различных видов проводников тока.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления различных емкостей в химической и пищевой промышленности. Сплавы на основе алюминия широко применяют для самолетов, ракет, судов, в строительстве и т. п. в связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью в некоторых агрессивных средах и высокими механическими свойствами при низких температурах.

1.2 Виды цветных металлов.

Цветные металлы. К цветным металлам, наиболее широко применяемым в технике, относятся медь, алюминий, олово, свинец, цинк, магний, титан. В чистом виде некоторые цветные металлы используют редко, в основном их применяют в виде сплавов. Цветные металлы - это наиболее дорогой и ценный технический материал.

Алюминий - серебристо-белый металл.

Широкое применение алюминия обусловлено его малой плотностью (2,7 г/см3), высокой пластичностью, т.е. способностью обрабатываться давлением, высокой коррозионной стойкостью. Она получается за счет того, что алюминий быстро покрывается окисной пленкой (Al2O3), предотвращая проникновение агрессивных веществ к основному металлу. Кроме того, алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью.

по распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди конструкционных металлов. В земной коре содержится около 7,5 % Аl, в то время как железа - всего 5,1 %. Алюминий входит в состав всех глин, полевого шпата, боксита и других горных пород.

Медь - металл красновато-розового цвета с кристаллической структурой в виде ГЦК. По электропроводности медь занимает второе место после серебра. Поэтому она - важнейший материал для изготовления электропроводников (провода, шины, кабеля и т.п.). Медь имеет также высокую теплопроводность, в связи с чем ее широко используют в теплообменниках (радиаторы, холодильники и т.п.). Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. На основе меди получены сплавы с очень ценными свойствами. Однако медь относится к тяжелым металлам, ее плотность 8,94 г/см3. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Медь отлично обрабатывается, давлением, но плохо - резанием и имеет плохие литейные свойства, поскольку дает большую усадку. Чистую медь и ее малолегированные сплавы широко используют в электротехнике и других видах производства. Медь - один из первых металлов, с которыми познакомился человек. Хотя в земной коре меди немного (до 0,01%), однако известны ее богатые месторождения, в которых встречаются даже самородки. Медь и ее сплавы обладают многими ценными свойствами, что определило ее широкое применение.

Олово очень мягкий металл серебристо-белого цвета с желтоватым оттенком. Оно разделяется на шесть марок (ГОСТ 860-41): ОВЧ-000, О1ПЧ, 01, 02, 03, 04. Самое чистое олово - марки ОВЧ-000, содержащее 99,999% олова и 0,001% примесей. Олово в чистом виде применяют для лужения жести.

Цинк - это хрупкий металл белого цвета с голубоватым оттенком. В зависимости от химического состава установлены шесть марок цинка (ГОСТ 3640-47): ЦВ (99,99% цинка), Ц0, Ц1, Ц2, ЦЗ, Ц4 (99,50% цинка). Цинк используют для покрытия изделий (цинкование), чтобы предохранить их от атмосферной коррозии.

Магний - самый легкий металл из всех применяемых в технике (удельный вес его 1,74). Он легко воспламеняется и при его горении возникает высокая температура. Наиболее •опасны в этом отношении порошок, тонкая лента, мелкая стружка и т. п. Механические свойства магния низкие, поэтому он находит ограниченное применение в технике. В литейном деле из магния выплавляют высокопрочный магниевый чугун. Чаще всего магний используют в виде сплавов с алюминием, цинком.

Титан - металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий (плавится при 1725° С) и легкий, стойкий на воздухе и даже в атмосфере морского климата. По распространенности титан занимает четвертое место среди конструкционных металлов, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Прочность его вдвое больше, чем у железа, и почти в шесть раз больше, чем у алюминия. Ценными свойствами титана являются его высокие химическая и коррозийная стойкость. Титан обладает высокой пластичностью. Он хорошо куется, легко прокатывается в листы, ленты и даже в фольгу. Наибольшее применение титан находит в виде сплавов для изготовления лопастей газовых турбин и производства жаропрочных сталей.

Глава 2. Сплавы цветных металлов.

Медные сплавы. Важнейшими сплавами на основе меди являются латунь и бронза.

Латунь - это сплав меди с цинком. Кроме цинка, латунь содержит и другие элементы, но в меньшем, чем цинк, количестве. Латунь маркируют буквой Л, за которой стоят цифры, указывающие на содержание меди, например латунь марки Л80 состоит из 80% меди и 20% цинка. Если в латунь вводится 1% свинца, то она будет обозначаться ЛС59-1 и содержать 59% меди, 40% цинка и 1% свинца. Латуни обладают высокой коррозийной стойкостью, пластичностью, легко поддаются прокатке, ковке и вытяжке. В технике находят применение латуни, содержащие от 10 до 42% цинка. В зависимости от назначения латуни могут быть обрабатываемыми давлением, литейными и специальными. Латуни, обрабатываемые давлением, используют для радиаторных трубок, прокладок, труб и т. д. Из литейных латуней изготовляют червячные винты, зубчатые колеса, подшипники и т. д. Специальные латуни, обладающие более высокими механическими свойствами, чем литейные латуни, применяют для изготовления химически стойких деталей, конденсаторных трубок и водяной арматуры. Латунные изделия, получаемые холодной обработкой (наклеп), для смягчения и пластичности подвергают отжигу рекристаллизации на 350-450° С.

Бронза - это сплав меди с оловом, свинцом, алюминием и другими элементами. Название бронзы зависит от второго компонента. Важнейшими из бронз являются оловянистые, свинцовистые, алюминиевые и кремнистые.

Бронзы маркируют следующим образом: сначала пишут буквы Бр., означающие бронзу, затем буквы, показывающие, какие элементы введены в бронзу, и далее цифры, указывающие на содержание этих элементов в процентах. Например, бронза марки Бр.ОЦС6-6-3 означает, что в ней содержится 6% олова, 6% Цинка, 3%. свинца и остальные (85%) медь. 62

Оловянистые бронзы обладают хорошими литейными свойствами, коррозийной стойкостью и высокими антифрикционными свойствами, т. е. хорошо сопротивляются износу и трению. Оловянистые бронзы в основном применяют для деталей, работающих на трение, - подшипников скольжения, червячных колес и т. п.

Алюминиевые бронзы содержат до 10% алюминия. Они обладают прочностью, высокими антифрикционными и технологическими свойствами, устойчивостью в атмосферных условиях и морской воде. Введение в алюминиевую бронзу железа, марганца и других элементов еще больше повышает ее механические свойства. Химический состав специальных бронз, например Бр. АЖН10-4-4, следующий: алюминия - 9,5-11,0%; марганца 3,5- 5,5%; железа - 3,5-5,5%; остальное - медь.

Алюминиевые бронзы применяют как антифрикционный материал, изготовляя из них подшипники, втулки, червячные колеса и т. д.

Кремнистые бронзы содержат 2-3% кремния. Они обладают высокими литейными свойствами и коррозийной стойкостью. Из таких бронз изготовляют пружинящие детали, проволоку, ленту и т. д.

Никелевые бронзы обладают высокой вязкостью и кислотостойкостью, сохраняют механические свойства даже при повышенных температурах.

Бериллиевые бронзы (2% бериллия) обладают исключительно высокими свойствами - хорошо упрочняются термической обработкой, имеют предел прочности σ_ь = 130-150 кгс/мм 2 и твердость НВ 370-400. Бериллиевые бронзы применяют, например, для изготовления ударного инструмента, зубил, молотков, не дающих при ударе искр. Пружины из бериллиевой бронзы выдерживают до 25 млн. колебаний, в то время как стальные закаленные пружины в таких же условиях разрушаются после 3 млн. колебаний.

Алюминиевые сплавы. Они получаются добавкой к алюминию меди, цинка, магния, кремния, марганца и других компонентов. Такие сплавы имеют небольшой удельный вес и высокие механические свойства.

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы , упрочняемые термической обработкой, могут быть следующих марок: АК6, АК8, АК2, АК4. Они обладают высокой прочностью и пластичностью, поэтому из них изготовляют полуфабрикаты ковкой, прокаткой и прессованием. Сплавы АК2 и АК4 содержат никель и являются жаропрочными. Они применяются после термической обработки для изготовления поршней, головок цилиндров, работающих при повышенных температурах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относится также дюралюминий марок Д1, Д6, Д16, Д18. Дюралюминий выпускается в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков и штамповок. Сплав Д18 применяют для заклепок, так как он может расклепываться в любое время после старения.

Для повышенной коррозийной стойкости дюралюминий покрывается (плакируется) чистым алюминием. Плакированием называют горячую прокатку слитков дюралюминия вместе с листами чистого алюминия. Сплавы АМц и АМг термическому упрочнению не подвергают. Из них изготовляют трубопроводы и сварные масляные резервуары.

Литейные алюминиевые сплавы почти не стареют естественно. Их прочностные свойства повышаются искусственным старением.

Из литейных сплавов наибольшее распространение получили силумины - сплавы алюминия с кремнием. Силумины обладают высокими механическими свойствами и большой жидкотекучестью, позволяющей отливать сложные и тонкостенные детали.

Магниевые сплавы . Подобно алюминиевым магниевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Прочность и пластичность магниевых сплавов ниже, чем у алюминиевых. Удельный вес магниевых сплавов-1,74. Характерной особенностью термообработки магниевых сплавов является длительная выдержка их при закалке и отпуске. Деформируемые магниевые сплавы марок МА1, МА2, МА5, МА8 применяют для изготовления высоконагруженных деталей самолетов, а литейные сплавы марок МЛ2, МЛЗ, МЛ4, МЛ5 - для изготовления деталей двигателей, корпусов приборов, колодок колесных тормозов автомобилей и корпусов фотокамер. Сплавы на магниевой основе отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо обрабатываются резанием. Они нашли широкое применение в машиностроении и в частности в авиастроении. Из магниевых сплавов изготавливают фасонные отливки, а также полуфабрикаты – листы, плиты, прутки, профили, трубы, проволоки.

Исходя из рассмотренной в реферате информации, можно сделать вывод, что на сегодняшний день цветные металлы и их сплавы имеют огромное значение для производства любого типа техники. Ценными свойствами цветных металлов и их сплавов являются высокие химическая и коррозийная стойкость. В современной технике объем применения цветных металлов и сплавов на их основе непрерывно растет. В связи с бурным развитием авиастроения, ракетной и атомной техники, химической промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время стали применять такие металлы (и сплавы на их основе), как титан, цирконий, никель, молибден и даже ниобий, гафний и др.В пищевой промышленности широко применяется упаковочная фольга из алюминия и его сплавов – для обертки кондитерских и молочных изделий, а также в больших количествах используется алюминиевая посуда (пищеварочные котлы, поддоны, ванны и т. д.).

Список использованных источников

1. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1981.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

Индивидуальное задание по материаловедению

Черные металлы в конструкциях РЭС

Студента 2-го курса

Понятие черных металлов.

В понятие черных металлов входят все металлические материалы содержащие железо: стали, чугуны и др.

Черным металлам характерны такие свойства как тепло- и электропроводность, кристаллическая структура, магнитные свойства (производятся специальные трансформаторные стали, ферриты и др.)

Образование стабильной фазы графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита.

Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизацией.

Диаграмма состояния стабильного равновесия показана на рис.87 (штриховые линии соответствуют выделению графита, а сплошные – выделению цементита).

В стабильной системе при температурах, соответствующих линии C'D', кристаллизуется первичный графит. При температуре 1153 град С (линия E'C'F') образуется графитная эвтектика: аустенит + графит.

По линии E'S' выделяется вторичный графит, а при температуре 738 град С (линия P'S'K') образуется эвтектоид, состоящий из феррита и графита.

Вероятность образования в жидкой фазе метастабильного цементита, содержащего 6,67% С, значительно больше, чем графита, состоящего только из атомов углерода. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика.

Ускоренное охлаждение частично или полностью останавливает кристаллизацию графита и способствует образованию цементита. При охлаждении жидкого чугуна ниже 1147 град С образуется цементит.

В жидком чугуне присутствуют различные включения (графит, SiO₂ ,Al₂O₃ и др.). Эти частицы облегчают образование и рост графитных зародышей. При наличии готовых зародышей процесс образования графита может протекать и при температурах, лежащих ниже 1147 град С. Этому же способствует легирование чугуна Si, который вызывает процесс графитизации.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг первого рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры его выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. Характерная особенность этого вида отжига в том, что указанные процессы происходят независимо от того, протекают ли в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет. Поэтому отжиг первого рода можно проводить при температурах выше и ниже температур фазовых превращений (критических точек А₁ и А₂ на рис. 87)

Высокий отпуск. После горячей механической обработки сталь чаще имеет мелкое зерно и удовлетворительную микроструктуру, поэтому не требуется фазовой перекристаллизации (отжига). Но в следствии ускоренного охлаждения после прокатки или другой горячей обработки легированные стали имеют неравновесную структуру – сорбит, троостит, буйнит или мартенсит – и, как следствие этого высокую твердость. Для снижения твердости сортовой прокат подвергают высокому отпуску при 650 – 700 гр С (несколько ниже точки А₁) в течение 3 – 15 часов и последующему охлаждению. При нагреве до указанных температур происходит распад мартенсита и/или бейнита, коагуляция и сфероидизация карбидов в итоге

снижается твердость. Углеродистые стали подвергают высокому отпуску в тех случаях, когда они предназначаются для обработки резанием, холодной высадке или волочения.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и др., в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т. п. возникли остаточные напряжения.

Отжиг второго рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас₁ или Ас₃, выдержке и, как правило, последующем медленном охлаждении. В процессе нагрева и охлаждения протекают фазовые превращения, определяющие структуру и свойства стали. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. В большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой; отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат, трубы, горячекатаные листы и т. д.

Кодирование черных металлов.

Углеродистые конструкционные стали.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380 – 88). Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок:

Марка Ст0 Ст1 Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6

0,12 0,15 0,22 0,27 0,37 0,49

Mn,% ---- 0,25- 0,25 0,3- 0,4- 0,5- 0,5

0,5 0,5 0,65 0,7 0,8 0,8

В зависимости от условий и степени раскисления различают стали:

спокойные "сп" (Ст1сп, Ст2сп и тд.);

полуспокойные "пс" (Ст1пс, Ст2пс и тд.);

кипящие "кп" (Ст1кп, Ст2кп и тд.).

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие , наиболее дешовые. В процессе выплавки они наименее очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05%, фосфора не более 0,04%, а азота не более 0,08%.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности и текучести и снижается пластичность.

Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050-74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношеняи состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, …, 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода не более 0,25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую, холоднокатаную сталь используют для холодной штамповки изделий.

Среднеуглеродистые стали (0,3-0,5% С) 30,35,40,45,50,55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения.

Стали с высоким содержанием углерода (0,6-0,85 % С) 60, 65,70, 80,85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок.

Влияние легирующих элементов.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой, хорошо раскисленной стали в качестве примеси обычно не превышает 0,37%, а марганца – 0,8%. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе, сильно повышает предел текучести. Это снижает способность стали к вытяжке и особенно к холодной высадке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки и холодной высадки, содержание кремния должно быть сниженным.

Марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности и резко уменьшая красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Легирование хромистой стали ванадием 0.1 – 0.2% улучшает механические свойства, такие стали менее склонны к перегреву.

Содержание малибдена в стали повышает ее термоустойчивость.

Примеси титана в стали повышает ее прочностные характеристики.

Примеси алюминия - влияют на магнитные свойства.

Применение черных металлов в РЭС.

В РЭС технологической переработке подвергают металлические материалы в виде:

листа для изготовления шасси, панелей, кожухов, корпусов, отражателей антенн;

прута для изготовления для изготовления деталей стаканчатой формы, винтов, гаек, заклепок и др.

профильного проката для изготовления этажерок, рам, направляющих, каркасов, ферм, консолей и т.д.

проката трубчатой формы для изготовления волноводных каналов

порошков для изготовления деталей небольших размеров: вкладышей, экранов, шайб, деталей коробчатой формы, магнитов.

Чушки для изготовления различных деталей литьем: радиаторов, волноводных каналов, деталей коробчатой формы.

По химическому составу металлические материалы делят на черные и цветные. Черные металлические материалы – это железо и его сплавы. Для конструкционных деталей используют сплавы на основе железа. Они делятся на стали (содержание С менее 2,14%) и твердые сплавы.

сталь углеродистая общего назначения для изготовления заклепок, крепежа, ручек, рычагов, элементов замка, штырей, шпилек;

сталь углеродистая качественная конструкционная для изготовления заклепок, крепежа, деталей коробчатой формы получаемых глубокой вытяжкой;

сталь рессорно-пружинная для изготовления пружинных деталей;

сталь легированная конструкционная для изготовления зубчатых колес, крепежа, пружин, валов, осей, втулок;

сталь рессорно-пружинная легированная для изготовления высококачественных пружин;

сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием для изготовления болтов, гаек, осей, валиков, шпилек;

сталь подшипниковая для изготовления элементов подшипников и деталей повышенной износоустойчивости, например, элементов осей, петель, подвижных втулок;

сплавы специального назначения: коррозионные, быстрорежущие, термостойкие и др.

В РЭС не применяют чугуны так как они тяжелые и очень хрупкие. Сплавы из цветных металлов дороги, и как самые дешевые и распространенные применяют сплавы на основе железа.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун).

Железо – один из наиболее распространенных металлов в земной коре, однако, его начали применять позднее некоторых других металлов, например золота, меди, олова, свинца, цинка. Это можно объяснить тем, что руды железа мало похожи на металл, а в самородном состоянии этот металл почти не встречается.
Первобытному человеку было трудно догадаться, что из железной руды можно получить металл, пригодный для изготовления нужных ему вещей, тогда как самородки меди, олова и драгоценных металлов, хоть редко, но попадали в его поле зрения. Конечно же, необычные свойства этих материалов не могли остаться незамеченными даже первобытными людьми.

По этой причине прошло очень много времени, пока человек научился извлекать железо из руд и делать из него чугун и сталь и использовать эти металлы для своих нужд. В современном мире железные руды относятся к тем полезным ископаемым, без которых не может обходиться ни одна сколько-нибудь развитая в промышленном отношении страна. Именно железные руды служат сырьем для черной металлургии.

Из железных руд выплавляются чугуны (содержание углерода - 2,5…4 %), сталистые чугуны (1,5…2,5 % углерода), сталь (1,5…0,4 % углерода) и чистое железо (содержит менее 0,4 % углерода).
Наиболее широко применяется в промышленности сталь, значительно меньше - чугун и чистое железо.
Чугун выплавляется из железных руд в домнах, работающих на коксе или каменном угле; сталь и железо переплавляются из чугуна в бессемеровских конверторах, в отражательных мартеновских печах или другими способами.

Значение черных металлов и их сплавов в жизни человеческого общества исключительно велико. Сотни миллионов тонн чугуна и стали используются для строительства железных дорог, мостов, железобетонных зданий, для производства различных машин, электровозов, вагонов, автомобилей, тракторов, кораблей. Из железа изготовляются всевозможные предметы широкого потребления. Нет такой отрасли промышленности и сельского хозяйства, где не применялись бы железо и его сплавы.

В природе встречаются сотни минералов, в состав которых входит железо, но лишь немногие из них являются железной рудой. Это магнетит, гематит, бурый железняк и некоторые другие, которые образуют крупные месторождения, занимающие площади в десятки и сотни квадратных километров.

Магнитный железняк, или магнетит, в химическом отношении представляет соединение окиси железа с закисью железа. В природе он встречается и в форме хорошо образованных кристаллов, и особенно часто в виде сплошных или зернистых масс. Цвет магнетита железо-черный. Замечательное свойство этого минерала - магнитность.

По содержанию металлического железа магнетит - наиболее богатая железная руда (в ней содержится до 72% железа).
Крупные месторождения магнетитовых руд в нашей стране известны на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), на Кольском полуострове, в ряде районов Сибири (Горная Шория, в бассейне реки Ангары и др.).
За последние годы в Казахстане были открыты и разведаны крупные месторождения богатых магнетитовых руд в Кустанайской области: Соколовско-Сарбайское, Качканарское и многие другие.

Гематит, или красный железняк, имеет большее значение для черной металлургии, чем магнетит. В химическом отношении гематит - окись железа. В природе он образует ряд разновидностей (кристаллические, чешуйчатые и плотные скрытокристаллические массы). Окраска гематита может варьировать от вишнево-красной до железо-черной с сильным металлическим блеском.
Гематитовые руды образуют огромные залежи особенно среди древнейших гнейсов и метаморфических сланцев.

Из общей добычи железной руды в России около 70% приходится на гематитовые руды. Крупнейшее месторождение этих руд в нашей стране - Криворожское, огромные запасы гематита таятся и в районе Курской магнитной аномалии. Здесь уже начата промышленная разработка железных руд. В Центральном Казахстане разведано и подготовлено к эксплуатации крупное Караджальское месторождение богатых гематитовых руд, на базе которого построен Карагандинский металлургический завод.

Важный источник получения железа - это так называемые бурые железняки, или лимониты, получившие такое название по характерной бурой окраске. В химическом отношении они представляют собой соединение окиси железа с водой.
Бурые железняки образуют сплошные плотные, ноздреватые и землистые массы, различные натечные формы в виде почек и гроздьев, а также массы горохообразного сложения. Эти руды образуются из соединений железа, которые извлекают поверхностные воды из разрушающихся горных пород. Бурые железняки считаются промышленной рудой, если они содержат не менее 30% железа. К числу наиболее крупных месторождений бурых железняков в России относятся: Керченское в Крыму, Байкальское и Орско-Халиловское на Урале.

Ценной особенностью бурых железняков некоторых российских месторождений является присутствие в них примесей ванадия, марганца, хрома, никеля, кобальта и других металлов.
Современная техника нуждается не только в обычном чугуне, железе и стали, но и в металле, который обладает повышенной вязкостью, хорошей ковкостью, большой упругостью и другими ценными свойствами. Все эти свойства приобретает сталь, если в ее состав в качестве примеси ввести марганец, хром, титан, ванадий и некоторые другие металлы.

К группе черных металлов наряду с железом относят марганец и хром, так как они большей частью используются в черной металлургии.
Марганцевые руды представляют собой соединения марганца с кислородом. В природе они встречаются в виде черных землистых масс. Важнейшие минералы марганца - пиролюзит, браунит, псиломелан, манганит.
Содержание марганца в промышленных рудах колеблется в пределах 15…40%.

Кроме черной металлургии, марганцевые руды применяются в химической промышленности, для изготовления сухих батарей, в керамическом и стекольном производствах.
Наиболее крупные месторождения марганцевых руд в России и странах ближнего зарубежья разрабатываются в Грузии (Чиатура), на Украине (Никополь), на Урале и в Казахстане.

Единственная используемая в промышленных масштабах руда металла хрома - хромистый железняк, или хромит, - по внешнему виду похожа на магнетит, но, в отличие от него, не обладает магнитными свойствами. Хром применяется в металлургической и химической промышленности. Хромит идет на изготовление огнеупорных материалов. В нашей стране много высококачественных хромовых руд на Северном и Южном Урале.

В черной металлургии используются также титаномагнетитовые руды, которые придают стали особую прочность.

Чугун - это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий более 2,14% C.

В металлургическом производстве чугун выплавляют в доменных печах. Получаемый чугун подразделяется на: конверсионный, специальный (ферросплавы) и литейный. Конвертирующий и специальный чугуны используются для последующей обработки в сталь. Чугун (около 20% всего чугуна) отправляется на машиностроительные заводы для использования при изготовлении литых деталей (отливки).

Чугун конструкционный нелегированный для производства отливок в машиностроении имеет следующий химический состав, %: 2,0 - 4,5 С; 1,0 - 3,5 Si; 0,5-1,0 Мп; содержание примесей: не более 0,3% S; не более 0,15% S.

Широкое применение чугуна в промышленности обусловлено оптимальным сочетанием различных свойств: технологических (литейные, обрабатываемость), эксплуатационных (механические и специальные) и технико-экономических показателей.

Классификация чугунов

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения - цементита Fe 3 C), но и в свободном состоянии - в виде графита. В этом случае форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свойства.

Классификация чугуна с различными формами графита производится по ГОСТ 3443-77. Специально разработанные шкалы используются для оценки формы включений графита, их размера, характера распределения и количества, а также типа металлической основы.

Классификация чугуна проводится по следующим критериям:

по состоянию углерода - свободный или связанный;
в виде включений графита - пластинчатых, червеобразных, шаровидных, чешуйчатых (рис. 30);
по типу структуры металлической основы (матрицы) - ферритная, перлитная; также есть чугуны со смешанной структурой: например, ферритно-перлитные;
по химическому составу - чугуны нелегированные (общего назначения) и легированные (специальные).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод связан в виде цементита Fe 3 C;
полужирный чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита;
серый чугун, в котором весь или большая часть углерода свободна в виде пластинчатого графита;
беленый чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой белый;
ковкий чугун, в котором графит имеет сферическую форму;
ковкий чугун, полученный из белого путем отжига, в котором углерод переходит в свободное состояние в виде чешуйчатого графита.

Структура и свойства чугуна

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и включений графита. Свойства чугуна определяются свойствами металлической основы и природой включений графита.

Чугуны содержат следующие конструктивные элементы:

графит (G);
перлит (П);
феррит (F);
ледебурит (L);
фосфидная эвтектика.

По микроструктуре различают:

белый чугун I (C + G);
серый перлитный чугун II (P + G);
серый ферритный чугун III (F + G);
полукруглый чугун II a (P + C + G);
высокопрочный чугун IV (П + шаровидный графит).

Формирование микроструктуры чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения (толщины) отливки. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Углерод в чугуне может присутствовать в виде химического соединения - цементита Fe 3 C, графита или их смеси. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Места его возникновения можно рассматривать как нарушения сплошности металла. Чугун как бы пронизан включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По мере того как графитовые включения имеют округлую форму (из-за модификации чугуна добавками SiCa, FeSi, Al, Mg), их отрицательная роль как срезов в металлической основе уменьшается, а механические свойства чугуна повышаются.

Например, серый чугун (пластинчатая форма графита) имеет низкие механические свойства, поскольку пластины с включениями графита играют роль концентратов напряжений в отливке. Однако серый чугун имеет ряд преимуществ: он имеет высокую текучесть и низкую усадку отливки; включения графита делают стружку хрупкой, что облегчает резку чугуна; за счет смазывающего действия графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами; хорошо гасит колебания и резонансные колебания. Из высокопрочного чугуна (шаровидный графит) изготовлены ответственные детали: шестерни, коленчатые валы.

Кремний способствует графитизации чугуна. Изменяя его состав и скорость охлаждения отливки, можно получать чугун различной структуры.

Марганец предотвращает графитизацию и нейтрализует вредное действие серы, образуя с ней тугоплавкие соединения MnS.

Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики, что повышает его литейные свойства.

Сера - вредная примесь. Это вызывает ухудшение литейных свойств чугуна, увеличение усадки, увеличение склонности к растрескиванию и снижение температуры красной хрупкости чугуна.

Серый чугун

Серый чугун - это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор и серу. Углерод в серых чугунах преимущественно представлен в виде пластинчатого графита.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термической обработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размера включений графита. Металлическая матрица чугунов по своим свойствам близка к свойствам стали. Графит, имеющий низкую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше включений графита и чем выше их дисперсность, тем выше прочность чугуна. Включения графита вызывают снижение предела прочности чугуна. На прочность на сжатие и твердость чугуна практически не влияют частицы графита. Свойство графита образовывать смазочные пленки приводит к снижению коэффициента трения и увеличению износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость.

По своим свойствам серый чугун условно можно разделить на следующие группы:

ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) используются для изготовления неотзывчивых ненагруженных деталей машин;
чугуны перлитные (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используются для изготовления износостойких деталей, работающих в условиях высоких нагрузок: поршней, цилиндров, блоков цилиндров;
модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45) получают добавлением ферросилициевых добавок перед заливкой в жидкий серый чугун; такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных графитовых пластин.

Чугун с уплотненным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплообмена (блоки цилиндров, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают обработкой расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

Модификация серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получить магниевый чугун (SMC), который имеет прочность стального литья и высокие литейные свойства серого чугуна. Применяется для изготовления деталей, подверженных ударам, переменным нагрузкам и интенсивному износу, например, коленчатых валов легковых автомобилей.

Ковкий чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства за счет присутствия в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочий участок металлической основы и, что более важно, не оказывает на него сильного режущего действия, из-за чего концентраторы напряжений создаются вокруг включений графита в меньшей степени. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается за счет модификации расплава добавками, содержащими Mg, Ca, Ce и другие редкоземельные металлы (РЗМ).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом - наиболее перспективный литейный сплав, способный успешно решать задачу снижения веса конструкций при сохранении их высокой надежности и долговечности.

Высокопрочный чугун используется для изготовления ответственных деталей в автомобильной промышленности (коленчатые валы, шестерни, цилиндры и т. д.).

Белый и высокопрочный чугун

Белые чугуны характеризуются тем, что весь их углерод находится в химически связанном состоянии - в виде цементита. Излом такого чугуна тускло-белый. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокую твердость, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун в основном используется для литья деталей с последующим отжигом до ковкого чугуна.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, характеризующегося пониженным содержанием графитирующих элементов (2,4-2,9% С и 1,0-1,6% Si), так как необходимо получить полностью отбеленный чугун в состояние литья. по всему сечению отливки, что обеспечивает образование чешуйчатого графита при отжиге (см. рисунок)

Различают ковкий чугун с черным сердцем, полученный в результате графитизирующего отжига, и ковкий чугун, полученный обезуглероживающим отжигом в окислительной среде. В России используется только ковкое железо. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной или перлитно-ферритной в зависимости от режима отжига.

Для ускорения процесса отжига CN используют различные методы: температуру выдержки увеличивают в течение периода P 2 , модифицируют и микролегируют добавками литого алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы способствуют увеличению количества центров кристаллизации, снижению устойчивости цементита.

Ковкий чугун применяется для изготовления ответственных тонкостенных отливок малых и средних размеров, работающих в условиях динамических переменных нагрузок (детали приводных механизмов, редукторов,

тормозные колодки, шестерни, ступицы и т. д.). Однако ковкий чугун - бесперспективный материал в силу сложной технологии производства и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

Заключение

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаропрочные и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированного чугуна буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, такие же, как и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5%) и хромом (0,8%), используются для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6% Cr и 2,5% Ni) с добавками титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазки. Их используют для изготовления автомобильных тормозных барабанов, дисков сцепления, гильз цилиндров и т. д.

Чугуны из жаропрочных сплавов ЧХ 2, ЧХ 3 используются для изготовления деталей контактных устройств химического оборудования, турбокомпрессоров, работающих при температурах 600 ° С (СН 2) и 700 ° С (СН 3).

Чугуны жаропрочные легированные ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500-600 ° С и используются для изготовления деталей дизельных двигателей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовых, воздушных и щелочных средах. Их используют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков цилиндров и головок двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и др.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, поскольку они представляют собой группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкое основание), способных работать в условиях трения в качестве подшипников скольжения.

Хром, медь, никель, титан используются для легирования антифрикционных чугунов.

В ГОСТ 1585-85 включены шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 - АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугуны . Настоящий стандарт регламентирует химический состав, структуру, режимы работы, а также содержит рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны. Применяются антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно-ферритные чугуны (АЧС-3) при давлении в зоне контакта пар трения до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлит) и АЧВ-2 (перлитно-ферритный) используются при повышенных нагрузках (до 120 МПа).

Список литературы

Гуляев А.П. Металловедение, М., 1985.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение, М., 1985.
Технология конструкционных материалов. Эд. А. М. Дальский. Москва: Машиностроение, 1991.

Посмотрите похожие темы рефератов возможно они вам могут быть полезны:

Читайте также: