Цветные металлы и сплавы и твердые сплавы. Коррозия металлов.

Цветные металлы и сплавы

Медь — очень пластичный и вязкий металл красновато розового цвета, обладает высокой тепло- и электропроводно­стью. Температура плавления технической меди 1080— 1083° С. Из меди можно докатывать очень тонкие листы (фольгу) и ленту толщиной 0,05—0,06 мм, а также вытягивать проволоку диаметром всего 0.02—0.03 мм.

Медь получают из руд, попутно извлекая из них и другие ценные металлы: цинк, свинец, никель и др.

При нагревании выше 500°С медь резко снижает свою прочность а становится хрупкой. При нагревании свыше 400° С медь склонна сильно окисляться, образуя закись (Сu2О) и окись (СuО) меди. Особенно легко окисляется расплавленная медь. Закись меди имеет температуру плав­ления 1235° С, т. е. более высокую, чем медь. Она растворя­ется в жидкой меди и, располагаясь между ее зернами, в 2—3 раза понижает прочность меди. Окисленная медь имеtn излом темно-краcного цвета.

По ГОСТ 859—66 выпускается медь марок МО, Ml, M2, МЗ и М4, отличающихся содержанием примесей. Самой чистой является медь МО, которая содержит не менее 99,95% чистой меди. Наиболее широкое применение имеет медь МЗ, содержащая не менее 99,5% меди Чем чище медь и чем меньше в ней закиси меди, тем лучше она сваривает­ся. Присутствие в меди свыше 1% закиси меди сильно за­трудняет ее сварку. Примеси серы, мышьяка, висмута, сурь­мы и свинца придают меди хрупкость. Ничтожное количе­ство этих примесей очень затрудняет сварку меди Содержание в меди 0,1% и более серы делает медь красно­ломкой. Кремний н марганец способствуют раскислению меди. Раскисленная кремнием и марганцем медь хорошо сваривается.

Медь выпускают в виде чушек и проката —листав, лен­ты, проволоки, прутков и труб различных размеров. Чаше всего приходится сваривать изделия из медных листов и труб.

Латунь — сплав меди с цинком, содержащий от 20 до 50% цинка и соответственно от 80 до 50% меди. Латунь в зависимости от состава плавится при 880—940° С, она хо­роша прокатывается и сваривается. Обычно латунь приме­няют в виде листов, труб, прутков и проволоки. Сварке ча­ше всего подвергают листы и трубы из латуни Л 62, содержащей 62% меди. Эту латунь широко применяют при изготовлении различной химической аппаратуры.

По ГОСТ 1019—47 латуни делятся в зависимости от их состава на ряд марок. Латунь, содержащая от 88 до 97% меди (остальное цинк), носит название томпак, содержа­щая от 79 до 88% меди. — полутомпак. Алюминиевые ла­туни, кроме цинка, содержат еще от 1.75 до 2,5% алюми­ния. Существуют латуни марганцовистые, содержащие 57—60% меди, I—2% марганца, остальное — цинк (марки Л Ми 58-2), железномарганцовистые, содержащие 57—60% меди, 0,6—1,2% железа, 0,5—0,8% марганца, остальное — цинк {марка ЛЖМц 59-1-1). Такие латуни обладают по­вышенной прочностью и вязкостью. Латуни ЛМц 58-2 а ЛЖМц 59-1-1 достаточно хорошо отливаются и свари­ваются.

Бронза — сплав меди с оловом, марганцем, алюмини­ем, никелем, кремнием и др. В зависимости от состава брон­зы делятся на литейные и обрабатываемые давлением. Ли­тейные бронзы применяют для изготовления литых деталей, В зависимости от состава бронзы температура ее плавления составляет от 1020 до 1060°С.

Медноникилиевые и никелевые сплавы отли­чаются стойкостью против коррозии, большим удельным сопротивлением. Сплавы на никелевой основе отличаются также высокой жаропрочностью и жаростойкостью, хороши­ми механическими свойствами К медноникелевым сплавам относится, например, монель (НМЖМц 28-2,5-1,5), содер­жащий около 28% меди, 2,5% железа, 1,5% марганца, ос­тальное—никель. Из монеля изготовляют изделия высокой прочности и коррозийной стойкости.

Мельхиор (МН19) содержит около 19% никеля, осталь­ное— медь; применяется для изготовления коррозионностойких деталей и бытовых изделий. Для тех же целей применя­ют нейзильбер (МНЦ 15-20), содержащий 15% никеля, 20% цинка, остальное — медь. Сплав манганин (МНМц 3-12), содержащий 3% никеля, 12% марганца, остальное — медь, обладает большим электрическим сопротивлением и приме­няется в виде проволоки дли катушек реостатов.

Алюминий и его сплавы. Алюминий — очень лег­кий металл, имеюцшй плотность 2.7 г(см3 и высокую тепло­проводность, превышающую теплопроводность малоуглеро­дистой стали примерно з три раза. Температура плавления (алюминия значительно ниже, чем стали, и равна 657°С, При нагревании и соприкосновении с кислородом алюминий легко окисляется, образуя тугоплавкую окись алюминия, пла­вящуюся при температуре свыше 2060°С.

Металлический алюминии получают электролизом смеси кристаллического глинозема Al2O3 и криолита 3NaF-AIF3 при температуре 950—970° С в специальных печах-ваннах. При этом применяют ток 35 000—50 000 а низкого напряжения 4 - 5 в. Кристаллический глинозем получают обработкой алюминиевых руд — бокситов, в которых содер­жание его достигает 75% Применяют алюминий а виде про­ката: листов, прутков, труб, профилей, проволоки.

В технике широко применяют преимущественно не чис­тый алюминий, но сплавы его с другими металлами — марганцем, магнием, медью и кремнием, обладающие большей прочностью, чем чистый алюминий. Литейные алюминие­вые еплааы, содержащие до 4—5% меди (АЛ7) или от 10 до 13% кремния {АЛ2) или 9,5—11,5% магния (ЛЛ8), спо­собны хорошо отливаться.

В сварных конструкциях из алюминиевого проката наи­большее применение находят алюминиево-марганцевые сплавы АМц, содержащие от 1 до 1,6% марганца, и алюминиево-магниевые сплавы АМг, содержащие до 6% магния.

В самолетостроении применяют сплав дюралюминий (сплав Д), плотность которого 2,8 г/см3. Дюралюминий мар­ки Д1 содержит (%); меди 3,8—4,8, магния 0,4—0,8, мар­ганца 0,4—0,8, остальное —алюминий. Высоколегирован­ные дюралюмины Д6 н Д16 содержат {%): меди 3,8—5,2, магния 0,65—1,8, марганца 0,3—1,0, остальное —алюминий

После термической обработки сплавы Д6 и Д16 имеют предел прочности 42—46 кгс/мм2 и относительное удлинение 17-15%.

Магний и его сплавы. Магний — самый легкий ме­талл, плотность его 1,74 г/см3, температура плавления 65Г С. Предел прочности литого магния 10—13 кгс /мм2, относительное удлинение 3—6%, Магний интенсивно окис­ляется кислородом, а будучи в порошке или в виде ленты, легко воспламеняется на воздухе. Применяют его в виде магниевых сплавов плотностью около 2 г/см3 и пределом прочности около 27 кгс/мм3.

Литейные магниевые сплавы МЛ1, Д1ЛЗ и т. д. до МЛ6 содержат (%): алюминия до 9, цинка до 3, марганца до 2, остальное —магний. Деформируемые магниевые сплавы MA1, MA2 и т. д. до МА5 близки по химическому составу к литейным магниевым сплавам. Изделия из деформируе­мых магниевых сплавов штампуют в нагретом состоянии с последующей термической обработкой. Сплав МА5 (7,8 — 9.2% алюминия, 0,2—0,8% цинка, 0,15—0,5% марганца, остальное — магний) после закалки при 410—425°С и ох­лаждения на воздухе имеет предел прочности 27 кгм/мм2, относительное удлинение 6%, твердость НВ56.

Для предохранения от коррозии детали из магниевых сплавов сверху покрывают защитной окисной пленкой, по­лучаемой при обработке их растворами хромпика и азот­ной кислоты.

Цинк — металл синевато-белого цвети, используется в виде чушек, листов, лент, проволоки. Применяется для ле­гировании медных сплавов и покрытия стальных изделий с целью защиты их от коррозии. Кроме того, расплавленная цинковая проволока применяется для покрытия деталей методом распыления. Температура плавления цинка около 420 градусов Цельсия. Сварка цинка затрудняется из-за его быстрого окисления. Под действием кислот и щелочей цинк раз­рушается,

Свинец —тяжелый, легкоплавкий металл с темпера­турой плавления 327*С и плотностью 11,34 г/см3. Применя­ется для приготовления припоев, изготовления и облицовки сосудов для химической промышленности, прокладок, за­щитных стенок от действия лучей радиоактивных элементов, облицовки электрических кабелей, пластин электроаккумуляторов и пр. При нагревании легко окисляется, покрыва­ясь пленкой окиси с температурой плавления 850°С. Свинец достаточно легко поддается газовой сварке.

Олово — легкоплавкий металл серебристого цвета, 'температура плавления 232°С, плотность 7,3 г/с л3. Приме­няется для изготовления припоев в сплаве со свинцом, для фольги, а также для получения различных медных сплавов (бронз).

Титан — металл серебристо-белого цвета, плотностью 4,54 s/cm-1 и температурой плавления 1800° С, обладающий ..высокой коррозийной стойкостью. Технический титан высо­кой чистоты содержит менее 0,1 % примесей, обладает невы­сокой прочностью, но очень пластичен.

В сплавах титана, кроме углерода, могут содержаться в десятых и сотых долях процента алюминий, хром железо, марганец, молибден, ванадий, олово. Ряд сплавов титана имеет предел прочности 100-110 кгс/мм2 и относитель­ное удлинение 10-15%. Прочное этих сплавов титана, равная прочности высококачественной стали, наряду с лег­костью, высокой жаропрочностью, коррозийной стойкостью и хорошей свариваемостью, обеспечивает им широкое при­менение в самолетостроении, производстве ракет и космиче­ских кораблей.

Твердые сплавы

Применяют два основных вида твердых сплавов: металлокерамические и наплавочные.

Металлокерамические твердые сплавы состоят из карбидов тугоплавких металлов — вольфрама и титана, сцементированных кобальтом или никелем. К ним относятся вольфрамовые сплавы БК2, ВКЗ, ВК4 и др., титановольфрамо - кобальтовые— Т5К10, T14K8, Т15К6 и др. Сплав ВК4 имеет в составе 4% кобальта, ос­тальное — карбиды вольфрама; сплав Т5К10 — 5% карби­дов титана, 10% кобальта, остальное — карбиды вольфрама. Твердость сплава ВК4 равна HRA89,5 , сплава Т5К10 — HRА88,5.

Пластинки из металлокерамических сплавов припаива­ют латунью к резцам из углеродистой стали. Это увеличи­вает стойкость резцов и позволяет применять высокие ско­рости резания.

Наплавочные сплавы — литые карбиды, стелли­ты, зернообразные, электродные. Эти сплавы приобретают свойства твердых сплавов после наплавки.

Литые карбиды ТЗ, К, Ф (релиты - сокращенное наименование, означает редкий элемент, литой)  состоят из карбидов вольфрама и выпускаются в виде мелких зерен (крупки). При наплавке ими заполняют тонкостенные трубки из мало­углеродистой стали. Литые карбиды нашли широкое приме­нение в нефтедобывающей промышленности для наплавки бурового инструмента. Твердость ТЗ равна HRA83.

Стеллиты (ВК-2, ВК-3, ВЗК-ЦЭ) — круглые литые стержни, содержат кобальт, никель, хром, вольфрам, крем­ний, углерод. Выпускаются более дешевые стеллитоподобные сплавы — сормайт № 1 и сормайт № 2, в которых отсут­ствуют кобальт и вольфрам, но имеются хром и марганец. Стеллитами наплавляют изнашиваемые детали, которые должны сохранять точную поверхность, например седла клапанов двигателей,

Зернообразные наплавочные смеси (сталинит, вокар, висхом, КБХ) имеют зерна размером 1—3 мм и представляют смесь металлов или сплавов. В их состав вхо­дят хром, углерод, кремний, марганец, вольерам (только в вокаре) и железо. Например, сталинит получают, смешивая (%): феррохрома 27, ферромарганца 22, чугунной стружки 47 и нефтяного кокса 4. При наплавке смеси дают следую­щую твердость: сталинит HRC56-57, вокар HRC60-63, висхом HRC40-45. Сталинитом наплавляют зубья ковшей экскаваторов, щеки дробилок и др. Вислом применяют для наплавки деталей сельскохозяйственных машин—лемехов плугов, дисков и зубьев борон.

Наплавочная смесь КБХ имеет состав (%): феррохро­ма 60, железного порошка 30, карбидов хрома 5, боридов хрома 5; она дает наплавленный слой твердостью HRA79.

Электродные наплавочные сплавы выпускают в виде электродов диаметром 3—6 мм, длиной 400—500 мм, со спе­циальным покрытием.

Коррозия металлов

Коррозия — процесс разрушения металлов и сплавов под действием веществ, находящихся в окружающей среде.

Химическая коррозия вызывается действием кислорода, сухих газов или жидкостей, не проводящих электрического токи (спирт, бензин, масло и др.). При химической корро­зии вещества вступают в химическое соединение с металлом, образуя окислы, сульфиды (сернистые соединения) и др. В результате коррозии на металле образуется налет, напри­мер ржавчина на железе и стали, зеленый налет на меди и металл постепенно разрушается, Коррозия в обычных усло­виях протекает медленно, но при повышении температуры она может значительно ускоряться.

Электрохимическая коррозия возникает в том случае, если в окружающей металл среде имеется электролит (во­да, пар, растворы солей, кислот и щелочей) и между ними существует разность потенциалов. При взаимодействии ме­талла или сплава с электролитом образуется множество мельчайших гальванических элементов, в которых частицы металла получают положительный заряд, т. е. становятся ионами и переходят в раствор. Металл при этом постепенно разрушается.

Разрушение от коррозии может иметь общий или мест­ный характер. Общая коррозия разрушает металл по всей поверхности в тонком слое, а местная коррозия происходит в отдельных точках и может достигать значительной глуби­ны, Местная коррозия более опасна, чем общая, к часто приводит к поломке деталей, так как определить степень поражения ею металла труднее.

Крайне опасной является межкристаллитная коррозия возникающая в толще металла, по границам его кристаллов и зерен. Чем неоднороднее структура металла или сплава, чем больше в нем пор. газовых и шлаковых включений, тре­щин и прочих дефектов, тем скорее может возникнуть кор­розия. Поэтому сварные швы чаше подвергаются коррозии, чем основной металл.

Для защиты от коррозии применяют следующие четыре способа.

Легирование металла элементами, снижающими склонность его к коррозии. Для стали такими элементами являются хром, никель, алюминий, кремний. Хромистые стали, содержащие свыше 3% хрома, и хромоннкелевые ста­ли, содержащие около 18% хрома и около 8% никеля, ус­тойчивы против коррозии.

Для придания стали высокой коррозийной стойкости не­обходимо, чтобы в ее структуре отсутствовали карбиды хро­ма и преобладала аустенитная структура с небольшим со­держанием (от 2 до 5%) феррита Образованию аустенит-ной структуры способствуют углерод, марганец и никель, а образованию ферритной хром, кремний, титан и молиб­ден, Подбирая наиболее благоприятное соотношение ука­занных элементов, можно получить марки стали, хорошо сопротивляющиеся коррозии в различных агрессивных средах.

Характер агрессивной среды сильно влияет на коррозий­ную стойкость стали. Нержавеющие стали хорошо сопро­тивляются атмосферной коррозии; кислотоупорные — дей­ствию различных кислот. Однако одна и та же сталь не является устойчивой против коррозии во всех кислотах. Например, хромистые и хромоникелевые кислотоупорные стали хорошо сопротивляются действию азотной кислоты, но плохо — действию серной и соляной кислот.

Защитные окисные пленки на поверхности ста­ли и чугуна, получаемые оксидированием или воронением с помощью водного раствора едкого натра и селитры. При фосфатировании в растворе соли фосфорнокислого железа и марганца образуется черная защитная пленка из солей

фосфорной кислоты, фосфатов железа и марганца. Пропи­танная минеральным маслом пленка обеспечивает хорошую защиту поверхности металла от коррозии.

Сплавы из магния, меди и цинка защищают от коррозии обработкой в водном растворе хромпика, азотной кислоты в хлористого аммония, вследствие чего на поверхности сплава образуется окисная пленка серого цвета.

Сплавы алюминия подвергают анодизации в ванне с 20%-ным раствором серной кислоты действием постоянного электрического тока. Деталь в ванне является анодом ( + )• После анодизации деталь погружают в раствор хромпика.

Покрытие металла, создающее на поверхности де­тали тонкий защитный слой, устойчивый к действию корро­зийной среды. Металлические покрытия наносят: способом погружения в расплавленный металл (лужение, освинцование, цинкование, кадрирование, алитированне - покрытие алюминием); гальвани­ческим способом (хромирование, никелирование, лужение, цинкование, калибрование), диффузионным способом (хро­мирование, алитировапие, цинкование) путем нагрева детали в порошке из соответствующего металла; напылелием сжатым воздухом расплавленного металла, получаемого при расплавлении его проволоки в газо­кислородном пламени или электрической дуге (цинком, алюминием, кадмием, латунью); плакированием, т. е. покрытием углеродистой стали тонким слоем другого металла (алюминия, нержавеющей стали, томпака) путем совмест­ной прокатки в нагретом состоянии; нанесением защитных покрытий из красок, лаков, пластических масс, масел и раз­личных смазок (вазелина, пушечного сала и др.).

Применение ингибиторов — специальных хими­ческих веществ, задерживающих и резко снижающих ско­рость коррозии. Ингибиторы создают на поверхности ме­талла тончайшую пленку, препятствующую его взаимодей­ствию с агрессивной средой.