Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

289

том электросопротивления. Плотность, температура плавления и твердость

сплавов на основе серебра приведены в табл. 9.5.

Рис. 9.10. Диаграмма состояния

системы Ag–Cu

Таблица 9.5

Свойства ювелирных сплавов на основе серебра

Марка

Расчетная плот-

ность, г/см

Температура плавле-

ния, °С (интервал)

Твердость HV

, кгс/мм

Твердый Мягкий

СрМ800 10,13 779–810 190 100

СрМ830 10,19 779–830 180 90

СрМ875 10,28 779–855 172 80

СрМ925 10,36 779–896 170 77

СрМ960 10,43 880–930 120 50

Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Сплавы на основе платины

Платину для изготовления ювелирных изделий легируют иридием,

медью, палладием, родием. Для промышленного применения к платине

добавляют железо, кобальт, никель.

Сплавы системы Pt–Ir (рис. 9.11) кристаллизуются с образованием

непрерывного ряда твердого раствора (Pt, Ir). При понижении температуры

происходит его распад на два твердых раствора α

и α

. Максимальная крити-

ческая температура распада твердого раствора отвечает 975

С при содержа-

290

нии 50 % (ат.) иридия. Пределы двухфазной области при 700

С – 7 и 99 % (ат.)

иридия. Равновесное состояние в системе Pt–Ir в области существования

двух фаз не достигается даже при выдержке в течение одного года.

Рис. 9.11. Диаграмма состоя-

ния системы Pt–Ir

Рис. 9.12. Диаграмма состояния

системы Cu–Pt

Сплавы системы Cu–Pt также кристаллизуются с образованием не-

прерывного ряда твердого раствора (рис. 9.12). В системе Cu–Pt существу-

ет ряд соединений: Cu

Pt, CuPt, CuPt

, CuPt

Сведения о некоторых свойствах ювелирных сплавов на основе

платины даны в табл. 9.6.

291

Таблица 9.6

Свойства ювелирных сплавов на основе платины

Марка

Расчетная плот-

ность, г/см

Температура плавле-

ния, °С (интервал)

Твердость HV

, кгс/мм

Твердый Мягкий

ПлИ900-100 21,54 1790–1800 145 80

ПлМ900 18,82 1650–1700 335 155

ПлИ950-50 21,50 1790–1800 145 75

ПлПд950-50 20,66 1700–1750 150 65

ПлРд950-50 20,70 1800–1825 195 80

ПлМ950 20,05 1700–1730 275 122

Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Платина

и родий неограниченно растворимы друг в друге. Сплавы,

содержащие до 30 % Rh, хорошо деформируются в холодном состоянии.

Сплавы с более высоким содержанием родия обрабатываются с большими

трудностями.

Коррозионная стойкость сплавов в кислотах постепенно возрастает

с увеличением содержания родия. Сплавы с концентрацией 20 % Rh и вы-

ше не растворяются в царской водке.

Из всех сплавов благородных металлов

сплавы платины с иридием

обладают наибольшей коррозионной стойкостью даже по отношению к

хлору и царской водке (смесь соляной и азотной кислот) и отличаются

большой прочностью и упругостью.

Платина и медь образуют непрерывный ряд твёрдых растворов

(рис. 9.12). При охлаждении наблюдается упорядочение твёрдых растворов

с образованием химических соединений. Механические свойства сплавов

рассматриваемой системы сильно зависят от содержания второго компо-

нента. С повышением содержания меди прочность возрастает, а пластич-

ность падает. Так, отожженные сплавы с 4,88 % Сu обладают σ

= 440 МПа

и δ = 20 %, а при повышении содержания меди до 9,08 % эти харак-

теристики составляют, соответственно, 560 МПа и 17 %.

При нагревании на воздухе сплавы, содержащие менее 10 % Сu, не

окисляются. При большем содержании меди происходит избирательное

окисление, и поверхность покрывается окислами меди. Азотная кислота не

действует на сплавы, если содержание меди не превышает 50 %.

Платина с γ-железом образует непрерывный ряд твёрдых раство-

ров. В сплавах с 40–50 % Fe наблюдается отрицательный температурный

коэффициент теплового расширения. Сплавы, закалённые с 1100

С, имеют

высокую коэрцитивную силу с максимумом при 22,2 % (мас.) Fe (50 % ат. Fe),

достигающим 1,2·10

А/м. В отожженном состоянии коэрцитивная сила

равна 2,5·10

А/м.

292

Ювелирные сплавы

на основе палладия

Палладий легируют серебром, никелем, медью. Плотность, темпе-

ратура плавления и твердость некоторых ювелирных сплавов на основе

палладия приведены в табл. 9.7.

Таблица 9.7

Свойства ювелирных сплавов на основе палладия

Марка

Расчетная плот-

ность, г/см

Температура плавления,

°С (интервал)

Твердость HV

, кгс/мм

Твердый

Мягкий

ПдСрН500-450 11,16 1200–1210 330 160

ПдСрН830-130 11,83 1420–1500 235 125

ПдМ850 11,54 1360–1415 220 155

Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Запасы золота и платины являются обеспечением национальной ва-

люты большинства стран.

Сплавы благородных металлов широко используют для изготовле-

ния ювелирных изделий. Их применяют также в зубном протезировании.

В современной технике (в производстве точных измерительных и

регулирующих приборов) в ряде случаев требуется применение металлов и

сплавов с особыми физико-химическими и

механическими свойствами. К

числу

особых свойств относят: отсутствие износа (опоры измерительных

приборов из сплавов Os–W–Co; Os–W–Ni; Ru–W–Ni), постоянство элек-

тросопротивления (потенциометры), сильное и постоянное изменение

электросопротивления в зависимости от температуры (термометры сопро-

тивления из платины высокой чистоты), сильное и постоянное изменение

электродвижущей силы в в зависимости от температуры (термопары из

сплавов: Рt и (Рt + 10 % Rh); (60 % Au + 40 % Pd) и (90 % Рt + 10 % Rh)),

высокая коэрцитивная сила

и остаточная индукция (постоянные магниты

из сплавов: (86,7 % Ag + 8,8 % Мn + 4,5 % Al); (77,8 % Рt + 22,2 % Fe);

(76,7 % Pt + 23,3 % Со)), низкая эрозия в сочетании с высоким комплексом

механических свойств (электрические контакты из сплавов: Pt + 8 % Ni;

Pt + 3 % Сu; Pt + 10 % Ir). К числу особых свойств платины и палладия

относят их способность служить катализаторами химических реакций.

Из благородных металлов и сплавов изготавливают также легкоплавкие

припои.

293

Контрольные вопросы

и задания

1. Какие металлы относят к благородным?

2. Охарактеризуйте основные свойства, структуру, применение се-

ребра.

3. Каковы основные свойства, структура и применение золота?

4. Охарактеризуйте основные свойства, структуру, применение ме-

таллов платиновой группы.

5. Какие структуры и свойства имеют сплавы на основе золота? Ка-

ковы области их применения?

6. Какие структуры и свойства имеют

сплавы на основе серебра?

Где их применяют?

7. Охарактеризуйте структуру, свойства и применение сплавов на

основе платины.

8. Каковы структура и свойства сплавов на основе палладия? Где их

применяют?

9. Как маркируют ювелирные сплавы?

10. Каковы особые свойства сплавов на основе благородных металлов?

10. РАДИОАКТИВНЫЕ МЕТАЛЛЫ

И ИХ СПЛАВЫ

Существуют 17 радиоактивных металлов. Из них 6 – природного

происхождения, 11 – искусственно полученные химические элементы

(табл. 10.1).

Первый элемент был открыт в 1789 г. – уран, но в металлическом

состоянии он был получен в 1841 г. Длительное время радиоактивные эле-

менты представляли интерес только для узкого круга химиков и имели ог-

раниченное использование. В настоящее время радиоактивные металлы

применяют для получения атомной энергии, в космических исследованиях

и микроэнергетике. Их используют для многих измерительных и калибро-

вочных приборов. Радиоактивные элементы являются актуальной темой

исследований в ядерной физике.

294

Таблица 10.1

Природные и искусственные радиоактивные металлы

№

п/п

Металлы природного

происхождения

Атомный

номер

№

п/п

Металлы искусственного

происхождения

Атомный

номер

1 Po – полоний 84 1 Np – нептуний 93

2 Ra – радий 88 2 Pu - плутоний 94

3 Ac – актиний 89 3 Am – америций 95

4 Th – торий 90 4 Cm – кюрий 96

5 Pa – протактиний 91 5 Bk – берклий 97

6 U – уран 92 6 Cf – калифорний 98

7 Es – эйнштейний 99

8 Fm – фермий 100

9 Md – менделевий 101

10 No – нобелий 102

11 Lr – лоуренсий 103

Рассмотрим наиболее распространенные металлы – торий, уран и

плутоний.

10.1. Торий и его сплавы

Торий является ядерным топливом. Однако он еще и ценный леги-

рующий элемент, который придает ряду сплавов высокую прочность и жа-

ропрочность. Торий был открыт в 1828 г. Берцелиусом в Норвегии. Назван

по имени бога грома в скандинавской мифологии – Тора.

Структура и свойства тория

Изотоп Th

232

при облучении в реакторе в результате захвата ней-

тронов превращается в делящийся изотоп U

233

, являющийся основным

ядерным горючим. Таким образом, торий так же, как природный уран, мо-

жет служить ядерным топливом для получения атомной энергии. В связи с

этим к торию как ядерному горючему проявляют большой интерес. Это

вызвано также тем, что он имеет большую распространенность в земной

коре по сравнению с ураном: содержание

урана составляет 0,0004 %, тория –

0,0012 %. Эти цифры показывают, что торий не является редким элемен-

295

том и распространен в природе не меньше, чем свинец, молибден и другие

промышленные металлы.

Считают, что содержащийся в земной коре торий может дать боль-

шее количество энергии, чем уран и добываемое из недр земли топливо,

вместе взятые.

Торий является также ценным легирующим компонентом в ряде

сплавов, сообщая им высокую прочность

и жаропрочность. Важнейшие

физические свойства тория: температура плавления

пл

= 1750

С, темпера-

тура кипения

кип

3500–4200

С, кристаллическая решетка: до 1400

С –

ГЦК, от 1400

С до t

пл

– ОЦК, плотность при 20

С – 11,66 г/см

. В земной

коре содержится 1,2·10

-3

% тория.

Торий технической чистоты в компактном виде получают путем

переплавки в индукционных и электродуговых печах продуктов восста-

новления тетрахлорида тория металлическим кальцием в герметических

емкостях (бомбах). В промышленных сортах тория, выплавленного в элек-

тродуговых печах, содержится до 0,18 % О; < 0,03 % С и N; < 0,02 % Al;

< 0,05 % Fe и Zn. Наиболее чистый металлический торий получают методом

диссоциации йодида тория

(ThI

), который содержит < 0,03 % О; 0,02 % С;

0,002 % N; < 0,005 % Al; < 0,013 % Fe; < 0,002 % Zn.

Слитки тория, выплавленные в дуговой электропечи, хорошо прес-

суются и прокатываются при температуре 650–950

С, и из него могут

быть получены прутки, листы и другие полуфабрикаты. В связи с высокой

химической активностью тория обработку его обычно производят в за-

щитной медной оболочке. Торий высокой чистоты, полученный йодидным

методом в виде листов, имеет низкую прочность и высокую пластичность:

= 121,6 МПа; σ

0,2

= 48,5 МПа; δ = 36 %; ψ = 62 %. Технический металл,

полученный восстановлением, прокатанный и отожженный, имеет времен-

ное сопротивление разрыву σ

= 278,4 МПа, условный предел текучести

0,2

= 213,0 МПа, относительное удлинение δ = 52 %.

На механические свойства тория существенное влияние оказывают

обычные примеси (О, N и С). Наиболее сильное воздействие на упрочне-

ние тория имеет углерод; кислород и азот мало влияют на свойства тория.

Торий в чистом виде как конструкционный материал в промышлен-

ности не применяют. Для техники представляют интерес некоторые

его

сплавы.

Сплавы тория

Торий образует сплавы с большинством элементов. Наиболее ши-

рокое промышленное применение получили сплавы тория с магнием и

вольфрамом. Рассмотрим структуру и свойства этих сплавов.

296

Сплавы тория с магнием

Торий способствует значитель-

ному упрочнению магния при ком-

натной и повышенных температурах, а также улучшает его сопротивление

ползучести при повышенных температурах.

При исследовании двойных сплавов системы Mg–Th выяснили, что

для сплавов, не подвергнутых закалке, значительный рост твердости в ли-

том и стабилизированном состояниях наблюдается до 4 % тория. Даль-

нейшее увеличение содержания тория до

6–10 % не приводит к сущест-

венному упрочнению сплавов.

Повышение содержания тория ведет к увеличению плотности спла-

ва, делает более вредными условия работы вследствие естественной ра-

диоактивности, присущей торию, а также приводит к увеличению расхода

дорогостоящего и дефицитного тория. Поэтому на практике получили

применение сплавы, содержащие 3-4 % (мас.) Th.

Диаграмма состояния Mg–Th имеет эвтектический характер (

рис. 10.1).

Рис. 10.1 Диаграмма состояния

системы Mg–Th

Торий значительно растворяется в твердом магнии, причем раство-

римость его резко уменьшается с понижением температуры.

Двойные Mg–Th сплавы (с 3 % Th) можно значительно упрочнить

путем дальнейшего легирования добавками Al, Mn, Zn, Се, Nd и др.

Разработан ряд литейных и деформируемых сплавов магния с тори-

ем, легированных добавками марганца, цинка, циркония и неодима.

К группе

сплавов магния с торием и цирконием относится стандарт-

ный литейный магниевый сплав ВМЛ1 (3 % Th; 0,8 % Zr; остальное Mg).

297

Учитывая, что основная масса циркония находится в твердом растворе, фа-

зовое равновесие в сплавах данного типа можно описать, руководствуясь

двойной диаграммой состояния Mg–Th (рис. 10.1).

В соответствии с составом сплава ВМЛ1 его структура состоит из

зерен легированного α-твердого раствора, фазы Mg

и включений час-

тиц циркония.

Механические свойства сплава: σ

= 190 МПа; δ = 6%.

Сплав рекомендуется для отливки деталей с повышенной герметич-

ностью, работающих при температурах 300–350

С.

Магнийториевые сплавы, легированные цирконием и цинком, явля-

ются весьма теплопрочными сплавами и могут работать до температур

300–350

С, тогда как многие другие магниевые сплавы уже при темпера-

турах 200–250

С практически полностью разупрочняются. Сплавы реко-

мендуют для отливки высоконагруженных деталей, работающих при тем-

пературах 300–350

С.

Деформируемые магниевые сплавы достаточно широко применяют

в различных областях техники.

Наряду с обычными легирующими добавками (Al, Zn, Мn, Са) в

этих сплавах в качестве упрочняющих добавок применяют также Th, Nd и др.

Для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна, кроме ука-

занных добавок, вводят цирконий.

Оптимальными свойствами обладают

сплавы магния с торием и

марганцем

(МА13 и ВМД1), содержащие 2,5–3,5 % Th и 1-2 % Мn. Позд-

нее сплавам данной группы в зависимости от содержания основных леги-

рующих добавок были присвоены промышленные марки МА13 (1,7–2,5 % Th,

0,4–0,8 % Мn, остальное Mg) и ВМД1 (2,5–3,5 % Th, 1,2–2 % Мn, осталь-

ное – Mg). Сплавы МА13 и ВМД1 в соответствии с их составом принадле-

жат к трехфазной области α + Mg

+ β(Mn) и отличаются по структуре

только количеством упрочняющихся фаз Mg

и β(Мn). Сплавы приме-

няют в основном в отожженном состоянии. Температура отжига 400

С,

время выдержки 1 ч. Механические свойства при комнатной температуре

сплава ВДМ1: σ

= 280 МПа; δ = 23 %. МА13 имеет σ

= 235 МПа; δ = 18 %.

Сплавы рекомендуют для изготовления различных полуфабрикатов

(листов, плит, прутков, поковок), используемых в высокопрочных конст-

рукциях, работающих при высокой температуре.

Сплавы магния с торием, марганцем и неодимом (ИМЕТ40) явля-

ются наиболее жаропрочными легкими сплавами. По показателям кратко-

временной и длительной прочности при 350–400

С сплав ИМЕТ40 (1,5 % Мn,

2,5–3 % Th, 1,5–2,5 % Nd, остальное Mg) превосходит все известные в Рос-

сии и за рубежом магниевые и алюминиевые сплавы. Этот сплав пригоден

для кратковременной работы при температуре 450

С.

298

При легировании сплавов Mg–Mn–Th неодимом, а также церием

дополнительно увеличивается прочность при комнатной и повышенных

температурах.

При легировании сплавов Mg–Th–Мn неодимом, кроме фаз Mg

и β(Мn), появляется новая высокопрочная и жаропрочная фаза Mg

Nd, ко-

торая и способствует повышению прочности и жаропрочности сплава.

Сплав ИМЕТ40 применяют в отожженном и термически упроч-

ненном состоянии. Отжиг производится при 350–400

С в течение 2 ч, за-

калка – с 550

С после выдержки 24 ч и отпуск – при 200

С в течение 11 ч.

Механические свойства сплава при комнатной температуре: σ

= 250 МПа;

δ = 17 %.

Листы, прутки, поковки и штамповки из сплава ИМЕТ40 рекомен-

дуют для длительной работы в конструкциях при температуре 350–400

и кратковременной – до температуры 450

С.

Сплавы тория

с тугоплавкими металлами

В промышленности широкое при-

менение получили сплавы вольфра-

ма с 1 % ThO

и 2 % ThO

. Эти спла-

вы, относящиеся к системам металл – окисел (керметы), получают метода-

ми порошковой металлургии. Введение окиси тория повышает температу-

ру собирательной рекристаллизации вольфрама и способствует сохра-

нению мелкозернистой структуры металла при высокотемпературном на-

греве. Образующиеся между зернами вольфрама прослойки из окиси тория

являются барьером и тормозят развитие собирательной рекристаллизации.

Торированный вольфрам характеризуется также высокой жаро-

прочностью и повышенной эмиссионной способностью. Добавки окиси то-

рия к вольфраму снижают работу выхода электронов (для чистого вольфрама

работа выхода равна 4,55 эв, для торированного вольфрама 2,63 эв). Чем

ниже работа выхода, тем больше электронная эмиссия. Максимальная

эмиссия наблюдается тогда, когда окисью тория покрыто около 70 % ак-

тивной

поверхности зерен. Поэтому сплавы типа керметов применяют в

качестве источника первичной электронной эмиссии.

Кроме двойных сплавов вольфрама с окисью тория, применяют то-

риевые сплавы с добавками до 5 % Re.

Торированный вольфрам используют для изготовления катодов

рентгеновских ламп и электронных пушек плавильных печей. Значитель-

ное количество торированного вольфрама идет в виде проволоки для

свар-

ки, а также в качестве нерасходуемых электродов для дуговой плавки ту-

гоплавких и других металлов. Двуокись тория стабилизирует горение дуги

при сварке и плавке металлов.