Багров Н.М., Г.А. Трофимов, В.А. Андреев В.В. Основы отраслевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

Сочетание высокой механической прочности, немаг-

нитности и коррозионной стойкости при достаточной техноло-

гичности делают титан и его сплавы весьма ценными для

применения в ряде областей техники и медицины. Например,

в авиационной промышленности из них изготовляют обшивки

самолетов и многие детали компрессоров; в судостроении –

обшивку судна, теплообменники, гребные винты; в химиче-

ском и нефтяном машиностроении – резервуары, фильтры,

теплообменники, трубопроводы.

Большое значение титановые сплавы приобретают в

космическом аппаратостроении, судо- и кораблестроении, в

энергетическом машиностроении. Из них изготовляют лопатки

турбин низкого давления, лопатки компрессоров, бандажные

кольца, крепежные и другие изделия. Нашли они также приме-

нение и в медицине для изготовления скрепляющих пластин и

гвоздей при переломах костей, изготовления хирургических ин-

струментов и аппаратуры современной медицины.

В последние годы титан широко стал применяться для

изготовления бытовой техники и инструмента, однако широкое

применение титана в ряде областей ограничивается его высокой

стоимостью.

Титан впервые был открыт в 1791 г., в чистом виде вы-

делен в 1925 г., а первый промышленный металл получен толь-

ко в 1948 г. Ценные свойства титана как конструкционного мате-

риала привели к такому росту его производства, какого не знала

даже рекордная в этом отношении алюминиевая промышлен-

ность. В 1948 г. было получено всего 2,5 т титана, а в 1957 г. ми-

ровое производство его было уже 30 000 т.

По распространенности в земной коре титан среди ме-

таллов занимает четвертое место после алюминия, железа и

магния, т. е. в природе его больше, чем таких давно и широко

применяемых металлов, как медь, свинец, олово, цинк, никель,

серебро, золото и платина, вместе взятых.

Широкая распространенность в земной коре и прекрас-

ное сочетание физических и химических свойств делают титан

одним из лучших металлов настоящего и будущего.

Производство титана. Основными промышленными

рудами, из которых получают титан, являются рутил (TiO

) и

ильменит (FeTiO

), содержащий 53% TiO

и 47% FeO. Техноло-

гия получения титана очень сложная и экологически вредная.

Краткое описание технологического процесса. Ос-

новным материалом для получения титана являются ильме-

нитовые руды. Полученный после электромагнитного или

гравитационного обогащения руды концентрат подвергают

восстановительной плавке с целью удаления оксидов железа.

Для этого концентрат в смеси с коксом плавят и выдержива-

ют в печи при 1700°С. В результате железо восстанавлива-

ется, науглероживается и образует побочный продукт — чу-

гун, а оксид титана TiO

переходит в шлак. Полученный шлак,

состоящий из (65–85)% TiO

и других примесей, брикетируют

с коксом и подвергают хлорированию в специальных шахтных

печах при температуре 600 °С. В присутствии угля титан из

диоксида переходит в тетрахлорид TiCI

Тетрахлорид титана плавится при температуре -23

°С и кипит при +136 °С, поэтому в условиях печи он испаряет-

ся и, увлекая за собой летучие хлориды примесей (SiCl

, MgCl

FеСl

и др.), направляется в конденсационную установку. На-

личие в установке ряда секций с различным перепадом темпе-

ратур позволяет разделить хлориды и таким образом выде-

лить четыреххлористый титан, который дальше подверга-

ют очистке методом ректификации.

Малолетучие хлориды магния, кальция и других ме-

таллов образуют жидкость, из которой электролизом полу-

чают магний и хлор.

Четыреххлористый титан восстанавливают в

стальных ретортах

диаметром до 1,5 и высотой до 3 м. Ре-

торта устанавливается в электропечь, которая заполняется

аргоном. Затем печь нагревают до 750–800°С и в реторту

заливают жидкий тетрахлорид титана и магний.

Частицы восстановленного титана спекаются в по-

ристую массу – губку, а жидкий хлористый магний сливают и

направляют на электролиз для получения магния и хлора.

Титановая губка содержит в порах до 35–45 % магния

и хлористого магния, а также некоторых других примесей,

поэтому ее подвергают очистке методом вакуумной дистил-

ляции – выдержке в течение нескольких десятков часов в ва-

кууме при температуре 900 °С. При этом часть примесей

удаляется в виде расплава, другие испаряются и затем кон-

денсируются. Плавку титановой губки осуществляют в ваку-

умных электродуговых печах. Одним из электродов служит

стержень из прессованной титановой губки, другим — рас-

плавленный металл. При горении дуги стержень оплавляется,

капли титана стекают в тигель и затвердевают в слиток.

Вакуум предохраняет металл от окисления и способствует

его очистке от растворенных газов.

Реторта – герметизированный сосуд, изготовленный из огнеупорного мате-

риала.

К титану и его сплавам применимы все виды механической

обработки: точение, сверление, фрезерование, шлифование, по-

лирование и др. Однако для этого требуются специальный инст-

румент и разработка наиболее рациональных режимов резания.

3.3.5. Никель: свойства и применение. Никель – се-

ребристо-белый металл с голубоватым оттенком, легко подда-

ется полировке до зеркального блеска, коррозийностойкий, об-

ладает высокими механическими свойствами, относительно до-

рогой металл. В чистом виде никель применяют главным обра-

зом для антикоррозионных и декоративных покрытий, основная

масса используется для производства сплавов. Является одним

из главных продуктов цветной металлургии, составляющих экс-

порт.

3.3.6. Легкоплавкие металлы: общая характеристика,

свойства и применение. К легкоплавким металлам относятся

металлы, температура плавления которых ниже температуры

плавления цинка – 419

С. К промышленно используемым легко-

плавким металлам относятся: цинк, свинец, олово, сурьма, кад-

мий и ртуть.

Цинк и его сплавы. Сплав цинка с медью – латунь –

был известен еще древним грекам и египтянам. Однако полу-

чить чистый цинк долгое время не удавалось. Выплавка цинка в

промышленных масштабах началась лишь в XVII в.

Цинк – металл светло-серо-голубоватого цвета, хруп-

кий при комнатной температуре, при нагревании до 100–150°С

становится пластичным. Больше половины цинка идет на покры-

тие сталей с получением т.н. кровельного (оцинкованного) же-

леза, так как цинк, аналогично алюминию, благодаря оксидной

пленке, обладает антикоррозионными свойствами и способно-

стью покрывать сталь плотным, хорошо прилегающим слоем.

Значительная часть цинка идет на производство латуни.

Свинец – отличается высокой плотностью, пластичен,

температура плавления 327

С, обладает аналогичными алюми-

нию оксидными свойствами, поэтому широко используется для

защиты от коррозии в виде пластин, труб и т.д., так как нанести

его тонким слоем очень трудно. Свинец используется также при

приготовлении припоев для пайки металлов, для защиты от

рентгеновского излучения, для изготовления типографских

шрифтов, в аккумуляторах, в подшипниках скольжения, как

этилсвинец добавляется в бензин для повышения детонацион-

ных свойств или октанового числа и т.д. Свинец токсичен и био-

логически вреден для организма человека, накапливается и не

вымывается из организма, приводит к тяжелым отравлениям.

Олово – наиболее легкоплавкий из применяемых ме-

таллов, температура плавления 232

С. По коррозийной стойко-

сти приближается к благородным металлам, легко покрывает

металлы тонким слоем, не токсичен, широко применяется в пи-

щевой промышленности для изготовления белой жести (кон-

сервные банки), для производства бронзы, входит в состав при-

поев.

Ртуть – жидкий при комнатной температуре металл,

температура плавления (-38,9

С), пары очень токсичны, раство-

ряет другие металлы, включая золото, с получением ртутной

амальгамы, используется в медицине, приборостроении, элек-

тронике и электротехнике.

3.3.7. Порошковая металлургия. Общие сведения.

Продукция порошковой металлургии нашла применение во

всех отраслях промышленности, особенно – в автомобиле-

строении, энергомашиностроении, в радиотехнической про-

мышленности и т. д. Технология порошковой металлургии по-

зволяет получать изделия как из одного металла, например,

железа (такие изделия называют однокомпонентными), так и из

смеси порошков металлов или металлов с неметаллами (мно-

гокомпонентные изделия), причем в самых различных сочета-

ниях. По этой технологии можно получить сплавы (точнее,

псевдосплавы) из металлов, которые не образуют растворов,

не смешиваются в жидком состоянии (железо – свинец, вольф-

рам – медь и др.), а также из металлов с неметаллами (медь –

графит, алюминий – оксид алюминия, карбид и др.), из некото-

рых оксидов металлов (Fe

и MnO, Fe

Из порошковых материалов изготовляют и такие изде-

лия, которые технологически могут быть получены и с помощью

других методов – отливкой, штамповкой или обработкой резани-

ем, однако порошковая металлургия дает большую экономию

металла (коэффициент использования металла достигает 0,9) и

значительное снижение себестоимости деталей. Например, при

изготовлении некоторых деталей методами литья с последую-

щей механической обработкой отходы металла составляют до

40%, а при получении такой детали методами порошковой ме-

таллургии отходы металла могут составлять 2–5%. Однако изго-

товление деталей методами порошковой металлургии экономи-

чески оправданно только при массовом производстве вслед-

ствие высокой стоимости пресс-форм.

Технология изготовления порошковых материалов и из-

делий состоит из операций, таких как:

 получение металлических порошков восстановлением из

окислов и других соединений или измельчение исходного мате-

риала в мельницах; составление смеси заданного состава (при-

готовление шихты), очистка порошков от примесей, классифика-

ция по размеру частиц, смешивание;

 холодное прессование смеси порошков в стальных пресс-

формах (рис. 3.13) на механических или гидравлических прессах

при давлении 0,1–1 гПа;

 спекание полученных спрессованных заготовок или изделий

в защитной атмосфере или в вакууме при температуре несколь-

ко ниже температуры плавления материала или его наиболее

легкоплавкого компонента для придания им необходимых физи-

ко-механических свойств.

Рис. 3.13. Простейшая пресс-форма

для прессования порошков:

1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – порошок;

4 – основание

Для изготовления изделий из плохо спекающихся мате-

риалов, например, из тугоплавких соединений, прессование и

спекание совмещают в одну операцию. В этом случае применя-

ют давление в 5—8 раз ниже, чем при холодном прессовании.

Основные виды продукции, получаемые порошко-

вой металлургией. Материалы, получаемые порошковой ме-

таллургией, подразделяются на конструкционные порошковые

материалы общего назначения, заменяющие обычные углеро-

дистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы, и ма-

териалы, обладающие специальными свойствами: высокой из-

носостойкостью, жаропрочностью, твердостью, коррозионной

стойкостью, особыми магнитными и электрическими характери-

стиками.

В зависимости от структуры порошковые материалы де-

лятся на пористые и плотные. Обычные пористые материалы

получают путем холодного прессования и спекания, плотные

материалы – путем холодного прессования и спекания с после-

дующей дополнительной горячей обработкой давлением (горя-

чей штамповкой, горячим прессованием и др. видами термиче-

ской и химико-термической обработки).

Конструкционные детали, изготовленные по технологии

порошковой металлургии, являются наиболее распространен-

ным видом ее продукции. Так как при их получении практически

полностью отсутствуют отходы, то они имеют минимальную

стоимость и трудоемкость. Изделия, полученные порошковой

металлургией, отличаются от литых или обработанных давле-

нием металлов и сплавов того же состава отсутствием усадоч-

ных раковин, трещин, полосчатой структуры и др. дефектов.

Порошковые конструкционные материалы применяют

для изготовления деталей машин и приборов (рис. 3.14), в том

числе из них изготавливают шестерни, кулачки, поршневые

кольца, диски, втулки и др. детали. При этом сокращается объ-

ем механической обработки, снижается трудоемкость, повыша-

ется коэффициент использования металла.

Рис. 3.14. Примеры деталей,

изготовленных прессованием

из металлических порошков

Методом порошковой металлургии получают детали из

железоуглеродистых сплавов, в том числе коррозионностойких,

из порошков алюминия, магния, бериллия, меди, никеля, бронз,

латуней, титана, хрома и др. металлов и сплавов.

Порошковые металлокерамические твердые сплавы

применяют в виде пластинок к режущему инструменту и инстру-

менту для буров при бурении горных пород, а также для изготов-

ления фильер (волок), применяемых при волочении (§ 4.4.4). Не-

которые мелкие режущие инструменты (сверла, развертки, фрезы)

изготовляют целиком из твердых сплавов.

Металлокерамические твердые сплавы отличаются вы-

сокой твердостью (82–92 HRA) и способны сохранять режущую

способность до температур 1000–1100°С. Основной составляю-

щей таких сплавов являются карбиды вольфрама, титана, тан-

тала. В качестве связующего применяют кобальт.

Порошковые антифрикционные

материалы применяют

для изготовления подшипников скольжения наряду с литыми

сплавами типа баббитов, бронз и т.д. Их получают из порошков

как черных, так и цветных металлов. Изменяя режимы прессова-

Антифрикционный материал – (от греч. аnti– против и лат. frictio – трение) –

материал для деталей, работающих в условиях трения.

ния и спекания, можно получить материалы различной степени

пористости.

Антифрикционные порошковые материалы характеризу-

ются низким коэффициентом трения, хорошей износостойко-

стью, способностью легко прирабатываться к валу и выдержи-

вать значительные нагрузки. Они обладают рядом преимуществ

по сравнению с обычными антифрикционными материалами. Их

износостойкость в несколько раз выше, чем у бронз и баббитов.

Они работают при более высоких скоростях и давлениях. Нали-

чие в структуре пористости, регулируемой в широких пределах

(до

35%), позволяет их предварительно пропитывать смазочными

маслами. Во время работы, по мере нагревания, масло, удержи-

ваемое в порах и мельчайших каналах материала капиллярны-

ми силами, постепенно вытесняется наружу и образует смазоч-

ную пленку на рабочей поверхности. При остановке и после-

дующем охлаждении подшипника масло частично всасывается

обратно в поры. Поэтому пористые подшипники могут работать

длительное время без дополнительной смазки.

Композиционные антифрикционные порошковые мате-

риалы могут иметь равномерно распределенные включения из

веществ, играющих роль твердой смазки. К ним относятся гра-

фит, сульфиды, пластмассы и некоторые другие соединения.

Они имеют сравнительно низкий коэффициент трения при рабо-

те без жидкой смазки (в режиме сухого трения). Сочетание по-

вышенных антифрикционных свойств твердых смазок и пласт-

масс со свойствами металлов позволяют получать материалы,

способные работать в воде, агрессивных жидкостях, бензине,

различных газовых средах, в вакууме, а также в условиях высо-

ких и низких температур. Наиболее широко используются порис-

тые порошковые железные, железографитовые (2% углерода) и

бронзографитовые (87% меди, 10% олова, 3% углерода) под-

шипники.

Фрикционные материалы применяют для тормозных

устройств. Эти материалы, наряду с высоким коэффициентом

трения, должны обладать износостойкостью, высокой теплопро-

водностью, хорошей прирабатываемостью. Таким требованиям

удовлетворяют только порошковые материалы, представляю-

щие собой сложные по химическому составу композиции на ос-

нове железа и меди. Фрикционные материалы отличаются не-

высокой прочностью, и поэтому тонкий слой материала соеди-

няют (чаще всего спеканием под давлением) со стальной осно-

вой (диском, лентой).

Из пористых материалов (с пористостью не менее

40–50%) изготовляют фильтры для очистки жидкостей и газов от

твердых примесей. В качестве материалов для изготовления

фильтров используют порошки железа, бронзы, латуни, никеля и

др. Их применяют для очистки воздуха от пыли, водяного и мас-

ляного тумана, очистки дизельного топлива, для защиты гидро-

систем и трубопроводов и т.д. Применение порошковых порис-

тых материалов позволяет увеличить срок службы насосов, дви-

гателей и других агрегатов, работающих на очищенных жидко-

стях.

3.3.8. Благородные металлы. Общая характери-

стика и применение. Понятие о пробах. К благородным ме-

таллам относят золото, серебро, платину и металлы платино-

вой группы – палладий, рутений, осмий, родий, иридий. Метал-

лы имеют красивый внешний вид, стойки против окисления и

воздействия кислот, обладают высокой температурой плавле-

ния, хорошо обрабатываются давлением, являются редкими.

За все существование человечества добыто около 100 тыс. т

золота. В отличие от других металлов благородные металлы,

в основном, находятся в самородном, т.е. металлическом со-

стоянии. Под самородком не следует понимать чистый металл

– как правило, это сплавы. Например, самородное золото мо-

жет содержать до 40% серебра. Область применения благо-

родных металлов специфична. Раньше их использовали ис-

ключительно для изготовления украшений и как валюту, в на-

стоящее время все большую часть потребляет техника, осо-

бенно – микроэлектроника. В США и Японии среднее потреб-

ление золота на технические нужды составляет 80–90 т в год.

В ювелирных сплавах содержание золота, платины, се-

ребра характеризуется пробой, в технических сплавах – маркой

сплава. В мире существует 4 системы проб: тысячная, золотни-

ковая, каратная и унциевая. Они отличаются тем, что принято за

100%.

В России стандартной принята тысячная проба, кото-

рая характеризует содержание золота в сплаве с точностью до

десятых долей процента. Тысячная проба показывает количе-

ство грамм благородного металла, содержащееся в 1000 г.

сплава. Например, 583 проба содержит 58,3% золота, остальная

часть сплава называется лигатурой, состав элементов которой

не регламентируется. Для ювелирных изделий в России уста-

новлены: для золота – 375, 500, 583, 750, 958 пробы, для се-

ребра – 750, 800, 916, 925, 960 пробы.

В каратной пробе за 100% принято 24 карата, 1 карат ра-

вен 0,2 г. Каратная проба применяется для измерения массы кам-

ней.

В унциевой пробе за 100% принято 480 унций, одна

тройская унция равна 31,1035 г, 1 английская унция = 16 драхм=

437,5 гран=28,35 грамма.

В золотниковой пробе за 100% принято 96 золотников,

1 золотник=4,266 г., 1 русская унция была равна 29,85 г.

В технических марках сплава указывается полный хими-

ческий состав в процентах.

Золото. Свойства и применение золота. Золото –

металл ярко желтого цвета, с ярким металлическим блеском, в

3,5 раза тяжелее железа, не растворимо в кислотах и щелочах,

растворимо в царской водке (смесь соляной и азотной кислоты),

растворимо в ртути и цианистых солях. Очень пластично – рас-

катывается в прозрачную фольгу толщиной 10

-4

мм зеленоватого

цвета. По электропроводности занимает третье место. Широко

используется в технических целях, особенно – для золочения

контактов, работающих в микроэлектронике. Это объясняется

тем, что поверхность медных контактов окисляется и межкон-

тактное соединение может нарушиться.

Состояние отрасли (рис. 3.15). В Российской импе-

рии действовала классическая форма абсолютной ликвидности

золота – золотой стандарт, при котором размер золотого запа-

са полностью соответствовал массе бумажных денег в обра-

щении. Это исключало необходимость экспорта золота и спо-

собствовало аккумулированию драгоценного металла в золо-

том запасе страны.

Производство золота осн отр тех рис.15 по 3 15

см. Аосновы отр техн сбор 2010а граф