Сплавы металлов название состав применение

Содержание статьи

• Сплавы металлов, их применение в промышленности
• Современные алюминиевые сплавы
• Какие металлы входят в состав бронзы

Цинковые сплавы

Цинковые сплавы в своем составе содержат такие металлы, как цинк, алюминий, медь и магний. В производстве и быту они применяются для изготовления сувениров, посуды, подшипников, оргтехники, конструкционных механизмов. Они используются в машиностроении, в сфере электромашиностроения и автомобильной промышленности.

Титановые сплавы

Титановые сплавы могут состоять из разнообразных металлов, в основном из алюминия, ванадия, титана, молибдена, марганца, хрома, меди, вольфрама и никеля. Они широко применяются в производстве конструкционных материалов, авиационном строительстве, ракетостроении, в космическом машиностроении, для производства химической посуды и аппаратуры.

Алюминиевые сплавы

Сплавы алюминия в своем составе могут содержать алюминий, магний, медь, цинк, марганец, литий и бериллий. В связи со своей коррозионной стойкостью, сплавы алюминия нашли свое применение в производстве корпусов самолетов и техники, машиностроении, изготовлении электротехнических устройств и материалов, посуды, облицовочных панелей, дверей и электрических кабелей.

Сплавы железа

Железные, или железоуглеродистые сплавы в своем составе содержат другие металлы и неметаллические элементы. Для производства стали, чугуна или ферросплавов применяется железо, углерод, сера, фосфор, марганец, азот, хром, никель, молибден, титан, кобальт и вольфрам. Сплавы железа применяются практически во всех отраслях производства, в области конструкционных материалов, хозяйстве, машиностроении, при производстве инструментов, приборов и деталей.

Медные сплавы

Сплавы меди могут иметь в своем составе цинк, олово, никель, алюминий, бериллий и фосфор. Они нашли широкое применение в отраслях изготовления труб, теплотехнической аппаратуры, подшипников, шестеренок и втулок, деталей, пружин, точных приборов. Также сплавы меди применяются в декоративно-прикладном искусстве и скульптуре.

Твердые сплавы

Твердыми называются сплавы, которые в своем составе содержат карбиды металлов кобальта, никеля, стали и молибдена. Они имеют высокую тугоплавкость, твердость, устойчивость к коррозии, а также износоустойчивость. Применяются твердые сплавы в изготовлении инструментов для обработки других металлов, сплавов и твердых неметаллов, как напайки для рабочих частей буровых агрегатов и как конструкционные материалы.

СПЛАВЫ, материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь.

Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.

Чугун.

Чугуном называется сплав железа с 2–4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала. См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ.

Сплавы на основе меди.

В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы.

Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (

70 ° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Легкие сплавы.

Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

Алюминиевые сплавы.

К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175 ° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы.

Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также СВАРКА.

Титановые сплавы.

Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600 ° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150 ° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430 ° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.

Бериллиевые сплавы.

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.

Штампы и контрштампы, применяющиеся в зуботехнической лаборатории, изготавливаются из специальных сплавов. Они должны обладать следующими свойствами:

— должны быть совместимы по температуре плавления;

— температура плавления должна быть низкой;

— должны быть достаточно твердыми;

— не должны быть хрупкими, не деформироваться при штамповке;

— не должны давать усадки.

В состав легкоплавких сплавов входят олово, свинец, висмут, иногда — кадмий. Заводы поставляют сплав в блоках («таблетках») по 60 г каждый. В коробку уложено 10 блоков.

Чаще всего употребляются сплавы следующих составов (в частях):

На каждую изготовленную методом штамповки коронку с зубного техника списывается 0,6 г легкоплавкого сплава, следовательно, на 100 зафиксированных в полости рта у пациента штампованных коронок списывается 60 г, т.е. один блок («таблетка»).

Сплавы на основе меди. Состав, свойства, применение.

Эти сплавы имеют вспомогательное значение. К ним относятся:

дюралюминий, нейзильбер, латунь алюминиевая бронза.

Дюралюминий (твердый алюминий) – сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца и меди. Сплав серовато-белого цвета. Плотность – 2,8,температура плавления — 605˚, твердость по Бринеллю – 120. Из сплава делают малые и большие кюветы.

Нейзильбер (мельхиор) – серый, блестящий сплав. Состоит из меди, цинка, никеля. Плотность – 7,5, температура плавлении — 1024˚, твердость – 80 В полости рта покрывается защитной матовой пленкой. До внедрения в ортопедическую практику стали применяется как основной материал для изготовления искусственных коронок и зубов. Можно применять дл временныхаппаратов и в виде проволок.

Латунь – соломенно-желтого цвета. Состоит из меди и цинка. Плотность – 8,4, температура плавления — 1050˚, твердость-60. В полированном виде некоторое время похоже на золото, но быстро окисляется. Хорошо растворяется в азотной кислоте. Из латуни готовят ортодонтические винты (замки), кюветы. Входит в состав золотых и серебряных припоев.

Алюминиевая бронза – сплав соломенно-желтого цвета с красноватым оттенком. Состоит из меди и алюминия. Плотность – 8,3, температура плавления 1030˚, твердость -50. В полости рта окисляется. Хорошо поддается волочению, из нее можно изготовить проволоку любой толщины. В стоматологии используется в виде лигатурной проволоки для фиксации к естественным зубам внутри ротовых шин, применяемых при лечении переломов челюстей.

Сплавы титана

Титан – серебристый металл, не темнеющий со временем ни в атмосфере, ни в морской воде; на него не действуют кислоты и щелочи. Коррозийная стойкость титана превышает таковую у нержавеющей стали. При удельной массе, почти такой же, как у алюминия, титан в 12 раз прочнее его и превосходит по прочности железо. В отличие от последнего титан не намагничивается, а такое свойство, как термостойкость (температура плавления – 1670 ˚) резко выделяет его среди других металлов. Стали с присадками титана обладают повышенной жаропрочностью и используются в космической технике и других технологиях. Соединения титана используется в качестве катализаторов в полимеризации мономеров, красителей, наполнителей высокомолекулярных соединений.

В настоящее время сплавы титана используются для получения цельнолитых каркасов зубных протезов, а также мостовидных протезов с последующей обработкой и нанесением покрытий нитрида титана. Это производится нагреванием в атмосфере азота или аммиака. Покрытие нитридом титана увеличивает твердость и придает эстетический вид, пленка имеет золотистый оттенок , (температура плавления — 2950˚, твердость — 7-8 ед. Для сравнения: твердость алмаза -10 ед. топаза-8ед.).

Наибольший интерес представляет применение сплавов титана для получения цельнолитых каркасов зубных протезов. Из всех сплавов наилучшими литейными свойствами наряду с высокими показателями прочности (предел прочности на разрыв 686 МПа) обладает сплав марки ВТ5Л (титан, легированный алюминием). Линейная и объемная усадка при литье у сплава ВТ5Л составляют 0,8-1%, что близко к таковым для золотых сплавов.

Технология получения ортопедических конструкций из литьевого титана, следующая: к смоделированной по обычной методике восковой модели протеза прикрепляются литниковая система из штифтов диаметром 5-6 мм и устанавливают центральный питатель. Модели с питателем присоединяются к коллекторам блока литниковой системы. Для изготовления керамической формы используется электрокорунд. Общее количество слоев покрытия -9. Каждый слой подвергается сушке в атмосфере аммиака. Затем блок моделей помещают в ванну для выталкивания воска. Формы для литья прокаливают при температуре 1000˚ С и обрабатывается пироуглеродом (подаваемый в печь углеводород при высокой температуре в отсутствии кислорода разлагается и атомарный углерод пропитывает стенки керамической формы, предотвращая ее химическое взаимодействие с металлом). Формы, остывшие до температуры не более 150˚, устанавливают в контейнер под заливку.

Плавку и литье титана проводят в вакуумно-дуговой гарнисажной литьевой установке. Плавку ведут в графитовом тигле с гарнисажем. Благодаря постоянному охлаждению тигля (водой) гарнисаж не расплавляется, защищает тигель от воздействия, расплавленного металла.

После наплавления необходимого количества металла включается центробежная установка, и расплавленный металл сливается в центральный метала

приемник контейнера с формами. Охлаждение металла проводится в вакууме или в среде аргона.

Обработка изделий из титана может быть осуществлена посредством:

1)механической шлифовки и полировки ( по обычной методике);

Состав электролита: серная кислота -60%; плавиковая кислота -30%; глицерин -10%. Деталь является анодом. Катод выполняет из графита. Плотность тока составляет 0,5-0,7 А/мм. Напряжение 24В.

Выдерживание изделий из титана в атмосфере азота при температуре 850-950˚ приводит к образованию на их поверхности золотистой пленки нитрида титана.