Цветные металлы и сплавы

1. Лекция 11 Цветные металлы и сплавы

Содержание
1. Тугоплавкие металлы и сплавы
2. Редкоземельные элементы
3. Платиновые металлы
4. Медь и сплавы на основе меди

2. Тугоплавкие металлы и сплавы

К тугоплавким относятся металлы, у которых температура
плавления превышает 1700°С. Наибольшее применение получили
металлы VA подгруппы – V, Nb, Ta и металлы VIA подгруппы – Cr, Mo, W,
а также цирконий. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные
связи и отличаются высокими температурами плавления и
рекристаллизации, малым тепловым расширением, небольшой
теплопроводностью, высоким модулем упругости. Однако при высоких
температурах тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро
окисляются.
Высокая температура плавления, большие значения энергии
активации самодиффузии, слабая температурная зависимость модуля
упругости – все это создает предпосылки для разработки на основе
тугоплавких металлов сплавов, способных выдерживать большие
нагрузки при повышенной температуре.

3. Физические свойства тугоплавких металлов

Свойства
Кристаллическая структура
Плотность, г/см³
Температура плавления, °С
Модуль упругости, кгс/мм²
Коэффициент
теплопродности (кал/см·с·град)
Теплоемкость, кал/(г·град)
Сечение захвата, 10-24см²:
тепловых нейтронов,
быстрых нейтронов (Е=65КэВ)
V
Nb
Ta
Cr
Mo
W
ОЦК
ОЦК
ОЦК
ОЦК
ОЦК ОЦК
6,11
8,57
16,6
7,19 10,22 19,3
1919 2487 2996 1903 2625 3380
13520 12400 18500 28000 33400 42000
0,079
0,12
0,126
0,063
0,15
0,033
0,16
0,107
0,39
0,06
0,40
0,032
5,0
0,003
1.1
0,135
21,3
0,44
2,9
2,5
0.0035 0,069
19,2
0,19

4. Механические свойства тугоплавких металлов

Металл
При 25°С
σ0,2
σв
МПа
Ванадий
Ниобий
Тантал
Хром
Молибден
Вольфрам
200-220
200-350
200-400
270
800-900
600-1100
100-115
120-260
180
190
420-450
-
δ
%
25
25-50
50-70
0-3
10-15
0
σв
При 1100°С
σ0,2
МПа
60
70
120
25-85
175
235
30
57
57
110
200
δ
%
35
35-42
43
70
52

5. Механические свойства тугоплавких сплавов

Марка сплава и хим. состав
Сплавы на основе ниобия
ВН2 (Nb; 4,1Mo; 0,7Zr; <0,08C)
BH4 (Nb; 9,5Mo 1,5Zr; 0,3C)
Сплавы на основе тантала
Ta +10%W
Ta +2%W +4%Hf
Сплавы на основе хрома
BX2 (0,15Ti; 0,2V; 1Y)
BX4 (32Ni; 0,15Ti; 0,25V; 1,5W)
Сплавы на основе молибдена
ВМ1 (0,4Ti; <0,01C)
BM3 (1,1Ti; 0,5Zr; 0,4C; 1,4Nb)
Сплавы на основе вольфрама
При 25°С
σв
σ0,2
МПа
δ,
%
При 1200°С
σв,
δ,
МПа
%
900
810
620
730
5
16
260
550
-
760
-
600
-
3,5
-
400
530
1,2
-
350
950
240
800
3
8
250
240
30
12
800
860
680
-
10
0,03
340
550
14
12

6. Применение тугоплавких металлов и сплавов

Наименование сплава
Области применения
Ванадий и ванадиевые сплавы
Ядерная энергетика, реакторы на быстрых нейтронах
Ниобий и ниобиевые сплавы
Ядерная энергетика, сверхпроводники
Тантал и танталовые сплавы
Химическая
промышленность,
энергетические системы, теплообменники.
Молибден и молибденовые сплавы
Сотовые конструкции космических
аппаратов,
высокотемпературные вакуумные печи.
Вольфрам и вольфрамовые сплавы
Сопла
реактивных
контакты.
Хром и хромовые сплавы
Нагревательные элементы, термопары.
Цирконий и сплавы на его основе
Оболочки ТВЭЛов, заменитель благородных металов
двигателей,
ядерные
летательных
электрические

7. Редкоземельные элементы

К группе редкоземельных элементов (РЗЭ) относится семейство из 14
элементов с порядковыми номерами от 58 (церий) до 71 (лютеций):
церий Ce, празеодим Pr, неодим Nd, прометий Pm, самарий Sm, европий
Eu, гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Ho, эрбий Er, тулий
Tm, иттербий Yb, лютеций Lu. расположенных в VI периоде за
лантаном и сходных с ним элементов по свойствам. Поэтому обычно
в эту группу включают и лантан, а элементы называют лантаноидами
Ln (т. е. подобные лантану). Кроме того, к лантаноидам примыкают
химические аналоги лантана - элементы третьей группы скандий и
иттрий. По физико-химическим свойствам лантаноиды сходны между
собой. Это объясняется особенностями строения их электронных
оболочек: по мере роста заряда ядра (увеличения порядкового
номера) структура двух внешних электронных уровней у атомов
лантаноидов одинакова.

8. Некоторые свойства скандия, иттрия и лантана

Элемент
Ат. номер.
ТПЛ, °C
ρ, г/см3
Скандий
Sc
21
1539
2,99
Иттрий
Y
39
1509
4,48
La
57
920
6,17
Лантан
Крист.
реш
α-Sc – гп,
β-Sc - оцк
α-Y - гп
β-Y - оцк
α-La - гп,
β-La - гцк,
γ- La - оцк,
ТПР, ºC
α↔β
1336 ºC
α↔β
1482 ºC
α↔β
277ºC
β↔γ
861ºC

9. Области применения редкоземельных элементов

Производство катализаторов (самарий,тербий)-------------------21 (18%)
Производство стекла (неодим) -----------------------------------------7,5 (7%)
Полирующие материалы (оксиды РЗМ)------------------------------19,7 (16%)
Производство сплавов (скандий, лантан)---------------------------22 (19%)
Производство магнитов (самарий)------------------------------------22,5 (20%)
Производство люминофоров (иттрий)-------------------------------9,5(8%)
Производство керамики (лантан, скандий)------------------------6,5(6%)
Другое применение (эмиттеры, пироматериалы)----------------7 (6%)
Всего--------------------------------------------------------------------115 тыс. тонн

10. Платиновые металлы

Металлы платиновой группы (Платиноиды) — это
обозначение шести переходных металлических элементов
(рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина),
имеющих схожие физические и химические свойства, и, как
правило, встречающихся в одних и тех же месторождениях. В
связи с этим, имеют схожую историю открытия и изучения,
добычу, производство и применение. Металлы платиновой
группы являются драгоценными металлами и природе, чаще
всего встречаются, в полиметаллических (медно-никелевых)
рудах, а также в месторождениях золота и платины. Иногда,
металлы платиновой группы подразделяют на две триады:
рутений, родий и палладий — лёгкие платиновые металлы, а
платина, иридий и осмий — тяжёлые платиновые металлы.

11. Свойства платиновых элементов

Ru
рутений
Rh
родий
Pd
палладий
Os
осмий
Ir
иридий
Pt
платина
Кр. реш.
гп
гцк
гцк
гп
гцк
гцк
Ат. номер
44
45
46
76
77
78
ТПЛ, °C
2250
1960
1552
3070
2410
1769
ρ, г/см3
12,2
12,42
11,97
22,5
22,4
21,45
Свойство

12. Применение платиновых металлов

• Rh родий, Pt платина, Ir иридий - материалы для лабораторной
и заводской химической аппаратуры для работы до 2000 °C;
• Rh родий, Pt платину применяют для изготовления термопар
(сплав 90% платины и 10% родия);
• Платиноиды применяют в качестве катализаторов; палладий
используется в качестве нейтрализатора выхлопных газов.
• Pd палладий, Pt платина используются в ювелирной
промышленности (10 % всей добываемой платины).

13. Медь и сплавы на основе меди

• Медь - металл красновато-розового цвета, атомный номер 29, имеет
температуру плавления 1083°С, кристаллизуется с образованием решетки
ГЦК, полиморфных превращений не испытывает. Период кристаллической
решетки а = 0,3608нм. Плотность меди равна 8,93 г/м3.
• Наиболее
характерными
свойствами
меди
являются:
высокая
технологичность, электропроводность, теплопроводность и коррозионная
стойкость. В связи с этим основными потребителями меди являются
электротехническая
промышленность,
энергомашиностроение
и
судостроение. Основные примеси: O, S, Se, Te, Pb, Bi.
Марка меди
Содержание меди, %
М00
99,99
М0
99,7
М1
99,9
М2
99,7
М3
99,5

14. Микроструктура меди

15. Структура и свойства латуней

α – твердый раствор цинка в меди, β – электронное соединение CuZn,
β' – упорядоченная β-фаза.

16. Микроструктура однофазной (Zn=30%) и двухфазной (Zn=40%)латуни

17. Химический состав и свойства латуней

• Повышение содержания цинка удешевляет латуни, улучшает их
обрабатываемость резанием и сопротивление изнашиванию. Вместе
с тем уменьшаются теплопроводность и электропроводность.
• Из латуней изготовляют детали методом глубокой вытяжки
(радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы),
а также детали требующие по условиям эксплуатации низкую
твердость.
• Из двухфазных латуней изготовляют фитинги, втулки, гайки,
тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования.
• Легированные латуни применяют как для деформируемых
полуфабрикатов, так и в виде фасонных отливок. Литейные латуни,
как правило, содержат большее количество легирующих элементов.
• Для легирования латуней используют Al, Fe, Ni, Sn, Si. Эти элементы
повышают прочность и коррозионную стойкость латуней. Поэтому
легированные латуни широко применяют в судостроении.

18. Хим. состав и свойства некоторых деформируемых латуней

Марка
латуни
Cu,
%
1
Л90
2
88-91
Прочих
элементов,
%
3
-
Л68
67-70
ЛМц58-2
ЛК80-3
σв,
МПа
σ0,2,
МПа
δ,
%
ψ,
%
KCU,
МДж/м2
НВ
4
260
5
120
6
45
7
80
8
1,7
9
53
-
320
190
55
70
1,6
55
57-60
1 – 2 %Mn
400
160
40
52
1,4
85
79-81
2 -4 % Si
400
200
50
55
0,4
100

19. Марки, свойства и назначение литейных латуней

Марка
латуни
σ в,
МПа
δ,
%
НВ
ЛЦ40С
215
12-20
70-80
ЛЦ40Мц3Ж
390-490
10-18
90-100
ЛЦ38Мц2С2
245-340
10-15
80-85
ЛЦ30А3
290-390
12-15
80-90
ЛЦ23А6Ж3Мц2
700
7
Область
применения
Арматура, втулки, сепараторы для
подшипников качения.
Несложные детали ответственного
назначения, гребные винты и лопасти,
судовая арматура, работающая при
температуре до 300 °С.
Антифрикционные втулки, вкладыши,
ползуны, судовая арматура.
Коррозионно-стойкие детали.
Детали ответственного назначения,
зажимные винты и гайки прокатных станов,
160-165
венцы червячных колес.

20. Бронзы

• Бронзами называют сплавы меди, в которых цинк или никель не
являются основными легирующими элементами.
• По химическому составу бронзы подразделяются на две группы:
оловянные, в которых основным легирующим элементом
является олово, и безоловянные, не содержащие олово в
качестве легирующего компонента.
• По технологическому признаку бронзы делятся на литейные и
деформируемые. Литейные бронзы предназначены для
фасонных отливок. Деформируемые бронзы хорошо поддаются
обработке давлением.
• Бронзы по сравнению с латунью обладают лучшими
механическими, антифрикционными свойствами и коррозионной
стойкостью. В качестве легирующих элементов в бронзе
используют олово, алюминий, никель, марганец, железо,
кремний, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий, магний и
другие элементы.

21. Влияние олова на механические свойства бронз

Из диаграммы состояния медь - олово следует, что При содержании олова менее 5%
сплавы состоят из кристаллов α – твердого раствора. При содержании олова более 5-8%
в структуре сплавов появляется эвтектоид ( где -фаза -- электронное соединение
Cu31Sn8 со сложной кубической решеткой. Появление -фазы в структуре бронз
вызывает резкое снижение пластичности и вязкости

22. Микроструктура оловянистой бронзы

23. Механические свойства оловянистых бронз

Марка
бронзы
БрОФ6,5-0,15
Sn,
%
6-7
Прочих
элементов,
%
σ в,
МПа
σ0,2,
МПа
δ,
%
ψ,
%
KCU,
МДж/м2
НВ
Деформируемые бронзы
0,1-0,25Р
400
250
65
80
0,49
70
БрОФ4-0,25
3,5-4
0,2-0,3Р
340
-
50
85
-
63
БрОЦ4-3
3,5-4
2 – 4 Zn
350
65
40
-
0,39
60
3-5
3-5Zn, 2-3Pb
350
130
40
34
0,36
60
Литейные бронзы
0,5-2,0 Ni
210
170
5
-
-
60
БрОЦС4-4-2,5
БрО3Ц7С5Н1
2,5-4
БрО5Ц5С5
4-6
4-6Zn, 4-6Pb
180
100
4
2,05
60
БрО10Ц2
9-11
1 -3 Zn
250
180
5
1,47
80
БрО10Ф1
9-11
1 -2 Р
270
195
3-10
0,88
90
10

24. Алюминиевые бронзы

Медь с алюминием образует -твердый раствор, концентрация которого при понижении
температуры с 1035° до 565°С увеличивается от 7,4 до 9,4%. -фаза представляет собой
твердый раствор на базе соединения Сu3Al. При температуре 565 С -фаза распадается с
образованием эвтектоида 2, где 2-фаза является электронным соединением Cu32Al19.

25. Микроструктура двухфазной алюминиевой бронзы

26. Механические свойства алюминиевых бронз

KCU,
σ0,2,
σВ,
МДж/м2
МПа
МПа
БрАМц 9-2
0,6
170
460
16
БрАЖНМц 9-4-4-1
0,3
350
700
12
БрАЖ 9-4
0,34
260
500
12
БрАЖМц 10-3-1,5
0,33
290
680
12
БрАНЖ 7-4-2
0,3
240
600
18
Марка бронзы
,%

27. Назначение безолвянистых бронз

• Алюминиевые бронзы - БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрА9Ж3Л,
БрА10Ж3Мц2 – применяются для обработки давлением, в
качестве деталей химической аппаратуры, арматуры и
антифрикционных деталей
• Кремниевые бронзы - БрКМц3-1- применяются в качестве
проволоки для пружин, лент, арматуры
• Бериллиевая бронза - БрБ2 – используется как прутки, проволоки
для пружин, ленты, полосы
• Свинцовая бронза- БрС30- применяется в антифрикционных
деталях

28. Медно-никелевые сплавы Пунктирная линия - бинодаль, отделяет область существования твердого р-ра от области существования

двухфазной системы.

29. Механические свойства медно-никелевых сплавов

Наименование сплава
Марка
Механические свойства
сплава
σв,МПа
σ0,2 , МПа
,%
Монель - металл
НМЖМц28-2,5-1,5
500
135
35
Мельхиор
МНЖМц30-1-1
380
70
Нейзильбер
МНЦ15-20
400
70
35-45
-
МНЖ5-1
270
88
30
23-28

30. Назначение медно-никелевых сплавов

• Монель – металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью и
высокими механическими свойствами.
• Мельхиор обладает хорошими механическими свойствами и высокой
антикоррозионной стойкостью в пресной и морской воде. Поэтому
мельхиор
применяют
в
судостроении
для
изготовления
конденсаторных труб, работающих в особо тяжелых условиях.
• Нейзильбер отличается высокой антикоррозионной стойкостью и
применяется в основном для изготовления деталей морского
приборостроения.
• Медно-никелевые сплавы типа МНЖ обладают хорошими
механическими свойствами, не склонны к коррозионному
растрескиванию. Их применяют в судостроении для изготовления
трубопроводов.