Занятие 13  медь и медные сплавы

Получение меди и ее сплавов. В настоящее время медь получают из сульфидных руд, содержащих медный колчедан (CuFeS 2). Обогащенный кон­центрат медных руд (содержащий 11-35% Сu), сначала обжигают для снижения содержания серы, а затем плавят на медный штейн. Цель плавки на штейн - отделение сернистых соединений меди и железа от рудных примесей. Штейны содержат до 16-60% Сu. Медные штейны переплав­ляют в медеплавильном конвертере с продувкой воздухом и получают черновую медь, содержащую 1 -2% примесей железа, цинка, никеля мы­шьяка и др. Черновую медь рафинируют для удаления примесей. Содер­жание меди после рафинирования возрастает до 99,5-99,99% (медь первичная – технически чистая). Чистая медь имеет 11 марок (МООб, МОб, М1б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, МЗр, М2 и МЗ). Суммарное количество примесей в лучшей марке МООб - 0,01%, а в марке МЗ - 0,5%

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. При введении других элементов (кроме цинка) латуни называют специальными по наименованию элементов, например железофосфорномарганцевая латунь и т.п.

Сплав обозначают начальной буквой Л - латунь. Затем следуют пер­вые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц-цинк 0-олово, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий и т.д. Цифры

следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛАЖМцбб-6-3-2 алюминиевожелезомарганцовистая латунь, содержащая 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, и 2% марганца, остальное - цинк.

По технологическому признаку латуни, как и все сплавы цветных ме­таллов, подразделяют на литейные и деформируемые. Литейные латуни предназначены для изготовления фасонных отливок, их поставляют в виде чушек (таб. 11).

Деформируемые латуни выпускают в виде простых латуней, например Л90 (томпак), Л80 (полутомпак), и сложных латуней, например ЛАЖ60-1-1,

Табл. 11.

Механические свойства латуней

Марка	Предел прочно­- сти растя- жения σв,МПа	Относи­ тельное удлине­ние   δв,%	Твер­ дость, НВ	Назначение
Деформируемые латуни Деформиии ируемые е   латуни
Л90 Л80   Л68	260 320   320	45 52   55	53 53'   55	Детали трубопроводов, фланцы, бобышки Теплообменные аппараты, работающие при температуре 250°C
		Литейные л.а т у н и
ЛС59-1Л	200	20	80	Втулки, арматура, фасонное литье
ЛМцС58-2-2	350	8	80	Антифрикционные детали — подшипники, втулки
ЛМцЖ55-3-1	500	10	100	Гребные винты, лопасти, их обтекатели, арматура, работающая до 300 °С
ЛА67-2,5	400	15	90	Коррозионностойкие детали
ЛАЖМц-66- 6-3-2	650	7	160	Червячные винты, работающие в тяжелых условиях

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д.

Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатыва­емостью резанием. Для повышения механических характеристик и при­дания особых свойств бронзы легируют железом, никелем, титаном, цин­ком, фосфором. Введение марганца способствует повышению коррози­онной стойкости, никеля - пластичности, железа — прочности, цинка -улучшению литейных свойств, свинца — улучшению обрабатываемости (табл. 12).

Табл. 12.

Механические свойства бронз

Марка	Предел прочно­сти σв, МПа	Относи-­ тельное удлине­ ние δв, %	Твер-­ дость, НВ	Назначение
БрОЦНЗ- 7-5-1	210	5	60	Детали арматуры (клапаны, задвижки, краны), работающие на воздухе, в пресной воде, масле, топливе, паре и при температуре 250˚С
БрОЦС5- 5-5	180	4	60	Антифрикционные детали и арматура
БрАЖ9-4 БрАЖ9-4Л	500-700 350-450	4-6 8-12	160 90-100	Арматура трубопроводов для различных сред (кроме морской воды) при температуре до 250°С
БрАМц9-2Л	400	20	80	Детали, работающие в морской воде (винты, лопасти)
БрБ2	900-1000	2-4	70-90	Пружины, пружинящие контакты приборов и т.п.
БрАМц10-2 БрОФ10-1	500 250	12 1-2	110 100	Подшипники скольжения

Примечание. Механические свойства литейных бронз даны применительно к литью в кокиль

Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О — олово, Ц — цинк, С — свинец, А — алюминий, Ж — железо, Мц — марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содер­жание элементов в процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят). Например, марка БрОЦС5-5-5 означает, что бронза содержит олова, свинца и цинка по 5%, остальное - медь (85%).

Оловянные бронзы содержат в среднем 4—6% олова, имеют высокие механические (δв= 150-350 МПа; δ=3-5%; твердость НВ 60-90), анти­фрикционные и антикоррозионные свойства; хорошо отливаются и об­рабатываются резанием. Алюминиевые бронзы содержат 4— 11% алюминия. Алюминиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства.

Марганцовистые бронзы (БрМ Ц5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но обладают высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии, а также сохраняют механические свойства при повышенных температурах.

Свинцовистые бронзы (БрСЗО) отличаются высокими антикоррозион­ными свойствами и теплопроводностью (в четыре раза большей, чем у оловянных бронз); применяют для высоконагруженных подшипников с большими удельными давлениями.

Бериллиевые бронзы (БрБ2) после термообработки имеют высокие меха­нические свойства, например у БрБ2 σв= 1250 МПа, НВ350, высокий пре­дел упругости, хорошую коррозионную стойкость, теплостойкость. Из бериллиевых бронз изготовляют детали особо ответственного назначения.

Кремнистые бронзы (БрКН1-3, БрКМцЗ-1) применяют как замените­ли дорогостоящих бериллиевых бронз.

Сплавы меди с никелем. Медноникелевые сплавы — это сплавы на ос­нове меди, в которых основным легирующим компонентом является никель. По назначению их подразделяют на конструкционные и элект­ротехнические сплавы.

Куниалu (медь -никель -алюминий) содержат 6—13% никеля, 1,5-3% алюминия, остальное — медь. Куниали подвергают термической обработ­ке (закалка - старение). Куниали служат для изготовления деталей повы­шенной прочности, пружин и ряда электромеханических изделий.

  Нейзильберы (медь - никель - цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное - медь. Нейзильберы имеют приятный белый цвет, близкий кцвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии; при­меняют в приборостроении и производстве часов.

Мельхиоры (медь — никель и небольшие добавки железа и марганца до 1 %) обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности в морской воде. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штам­пованных и чеканных изделий.

Капель (медь - никель 43% — марганец 0,5%) - специальный сплав с высоким удельным электросопротивлением, используемый в электротех­нике для изготовления электронагревательных элементов.

Константан (медь — никель 40% — марганец 1,5%) имеет такое же на­значение, как и манганин.

 ЗАНЯТИЕ 14  ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ

Получение титана. Титан — серебристо-белый металл с высокой ме­ханической прочностью и высокой коррозионной и химической стой­костью.

 Для производства титана используют рутил, ильменит, тита­нит и другие руды, содержащие 10—40% двуокиси титана TiO2.

 После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% TiO2. Т iO 2 и сопутствующие окислы железа разделяют восстановительной плавкой.

В процессе плавки окислы железа и титана восстанавливаются, в резуль­тате чего получают чугун и титановый шлак, в котором содержится до 80—90% TiO2.

Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан со­единяется с хлором в четыреххлористый титан TiCl4. Затем четыреххло­ристый титан нагревают в замкнутой реторте при температуре 950—1000°С в среде инертного газа (аргон) вместе с твердым магнием.

Магний от­нимает хлор, превращаясь в жидкий MgCl2, а твердые частицы восста­новленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку.

 Путем сложных процессов рафинирования и переплава их тита­новой губки получают чистый титан.

Технически чистый титан содер­жит 99,2-99,65% титана.

Свойства и применение титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных кон­струкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойства­ми его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элемента­ми. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочета­нии высоких механических свойств (σв≥ 1500 МПа; δ=10-15%) и корро­зионной стойкости с малой плотностью.

Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность ти­тана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной

 

Табл. 13.

Механические свойства титановых сплавов

Марка	Термическая обработка	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение δв ,%	Твер­дость, НВ
ВТ5	Отжиг при 750°С	750-900	10-15	240-300
ВТ8	Закалка 900-950°С + старение при 500°С	1000-1150	3-6	310-350
ВТ 14	Закалка 870°С + старение при 500°С	1150-1400	6-10	340-370

 

об­работке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные ли­тейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350—500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности - натри группы: низкой      (σв =300-700 МПа), средней (σв=700-1000 МПа) и высокой (σв более 1000 МПа) прочности. К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй - ВТЗ, ВТ4, ВТ5 и др., к третьей - ВТ6, ВТ14, ВТ15(после закалки и старения).

Для литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы. Литей­ные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответству­ющие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков. Титановые сплавы (табл. 13) применяют в авиационной и химической промышленности.

Получение магния. Магний - самый легкий из технических цветных металлов, его плотность 1740 кг/м³, температура плавления 650°С.

Тех­нически чистый магний - непрочный металл с низкой тепло- и электро­проводностью.

Для улучшения прочностных свойств в магний добавля­ют алюминий, кремний, марганец, тори и, церий, цинк, цирконий и под­вергают термообработке.

Для производства магния используют преимущественно карналлит

(MgCl2* КС1*6Н20), магнезит (MgCO3), доломит (CaCO3-MgCO3) и отходы ряда производств, например титанового. Карналлит подвергают обога­щению, в процессе которого отделяют КС1 и нерастворимые примеси путем перевода в водный MgC12 и КС1. После получения в вакуумкристаллизаторах искусственного карналлита его обезвоживают и электролитическим путем получают из него магний, который затем подвергают рафинированию. Технически чистый магний (первичный) содержит 99,8-99,9% магния. Маркировка и химический состав магниевых спла­вов для фасонного литья и, слитков, предназначенных для обработки давлением, регламентируются стандартами.

Свойства и применение магния. В зависимости от способа получения изделий магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые.

Литейные магниевые сплавы применяют для изготовления деталей ли­тьем. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими поряд­ковый номер сплава, например МЛ5. Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для изготовления высоконагруженных деталей в авиационной промышленности: картеры, корпуса приборов, фермы шасси и т.п.

Деформируемые магниевые сплавы предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Их маркируют буквами МА и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МА5. Сплавы МА применяют для изготовления различных деталей в авиационной промышленности. Ввиду низкой кор­розионной стойкости магниевых сплавов изделия и детали из них под­вергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.