Понятие о металлах и сплавах

4 

Понятие о металлах и сплавах

Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью. По последнему свойству металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т.д.). Всё металлы и образованные из них сплавы делят на черные, к которым относят железо и сплавы на его основе (на их долю приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции), и цветные. В технике принята условная классификация, по которой цветные металлы делят на группы: легкие (Al, Mg), тяжелые (Си, РЬ), тугоплавкие (W, Мо), благородные (Au, Pt), рассеянные (Gd, In), редкоземельные (Sc, Y), радиоактивные (Ra, U). 

 

Понятие «чистый металл»  условно, любой чистый металл содержит примеси. Под этим термином понимается металл, содержащий 0,010…0,001 % примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999%). Однако примеси, даже в малых количествах, могут оказывать влияние на свойства металла. Чистые металлы обладают низкой прочностью, поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограниченно. Наиболее широко применяют сплавы, которые по сравнению с чистыми металлами обладают более высокой прочностью и твердостью.

Сплавы — это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или более компонентов. Компоненты — простые вещества (часто это химические элементы), образующие сплав. При сплавлении все компоненты сплава первоначально находятся в жидком состоянии; при спекании, по крайней мере, один из компонентов находится в твердом состоянии. Сплавы могут состоять только из металлов, например латуни — это сплавы двух металлов: меди и цинка, или металлов и неметаллов, так, наиболее распространенные в технике материалы — стали и чугуны являются сплавами железа и углерода. Строение металлического сплава более сложное, чем у чистого металла.  

 

Для рассмотрения строения, превращений и свойств металлов и сплавов введем понятия «фаза» и «структура». Фазой называется однородная часть сплава, обладающая одинаковым химическим составом, строением и имеющая границы раздела с другими фазами, при переходе через которые свойства сплава резко меняются. Например, жидкий металл является однофазной системой. В процессе кристаллизации система состоит уже из двух фаз: жидкой и твердой. При этом свойства фаз значительно различаются. Фазами могут быть отдельные металлы или неметаллы, химические и другие соединения. Под структурой понимается строение металла, т. е. количество фаз, их форма и размер, а также взаимное расположение. Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз.

ГЛАВА III. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ 
 
§ 10. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ

 
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. 22): 
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов. 
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой. 
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др. 
4. Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна. 
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов. 
6. Заводов для производства различных ферросплавов. 
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали. 
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п. 
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун - сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором. 
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

 
Рис. 22. Схема современного металлургического  производства

 
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат. 
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4,4% С; до 0,6-0,8%. Si; до 0,25-1,0% Мп; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный. 
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75-3,25%). 
Ферросплавы - сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам, относят доменный ферросилиций, содержащий 9-13% Si и до 3% Мп; доменный ферромарганец, содержащий 70-75% Мп и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25% Мп и до 2% Si. 
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки. 
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката. 
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150х150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65-300 мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов. 
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной - фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т. д.). 
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4-160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм - тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой. 
Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами). 
Специальные виды проката – колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т. п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси. 
Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлак и колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаС0₃ - известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов. 
Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процессоЦветной металл – это простое вещество, отличающееся блеском и обладающее такими качествами, как способность проводить электрический ток и тепло, ковкость. Сюда относятся все сплавы и металлы, кроме железа. Поэтому во многих европейских странах вместо понятия «цветной металл» используется «нежелезный».

Цветные металлы, в  свою очередь, также подразделяются на несколько групп. К легким металлам относится титан и магний, а  также алюминий. Группу тяжелых металлов составляют цинк, медь, никель и свинец. Платиновые металлы принято именовать  благородными. Существуют также редкоземельные, тугоплавкие, радиоактивные и рассеянные металлы.

Цветной металл используется при производстве техники различного назначения. Поэтому производство этого сырья имеется в подавляющем большинстве российских регионов. Данной цели служит цветная металлургия. Она занимается добычей и последующей обработкой металлов: от обогащения руд до выплавки сплавов.

Самыми распространенными  металлами данной группы являются алюминий, медь, цинк. Рассмотрим их более подробно. Так, цинк – цветной металл, поддающийся ковке и прокатке лишь при нагреве до ста-ста пятидесяти градусов. При меньшей температуре он очень хрупок. Цинк не боится воздействия коррозии, но не имеет стойкости против действия щелочных растворов и кислот. Плавление наступает при температуре четыреста девятнадцать градусов Цельсия. Алюминий отличается тем, что его механические свойства достаточно низки (но сохраняются даже при низких температурах), пластичность и способность проводить тепло находятся на высоком уровне. Этот цветной металл необходим в пищевой, строительной сфере, ракето- и самолетостроении. Связано это с тем, что алюминий имеет малую плотность, но отличается прочностью. Медь, в свою очередь, более всего распространена (по сравнению с предыдущими цветными металлами) в природе. Благодаря высоким показателям тепло- и электропроводности, пластичности и способности сплавляться с обширным перечнем металлов, она активно применяется в сфере машиностроения (в том числе, химического), при производстве сосудов и емкостей, трубопроводом разной спецификации.

В авиастроении и  химической промышленности, а также  при производстве атомной техники  в роли конструкционных материалов используют цирконий, гафний, молибден, титан и ниобий. Таким образом, области применения цветных металлов многообразны.

Каждый цветной металл обладает целым рядом особенностей, которые позволяют ему принадлежать к данной группе металлов. Так, большинство из них благодаря высоким показателям теплоемкости и теплопроводности имеют способность быстро охлаждаться после сварки. Но этот плюс имеет обратную сторону. Так, при работе, например, с магнием и медью детали нужно разогревать перед сваркой, а в процессе сварочных работ использовать мощные источники тепла. Следующая черта цветных металлов – при нагревании их механические свойства снижаются, поэтому следует избегать ударов по изделиям на этом этапе. По сравнению с черными металлами, цветные в больших объемах при нагревании растворяют газы, находящиеся в окружающей среде. То есть вступают со всеми газами в реакцию (за исключением инертных). Ярче всего это свойство демонстрирует такой цветной металл, как титан, молибден или тантал, часто именуемый активным благодаря этой способности.

Все цветные металлы  и изделия из них имеют долгий эксплуатационный срок. Однако при  условии, что будут надежно защищены от кислорода, под влиянием которого разрушаются.

Чтобы защитить цветной металл от коррозии, на него наносят лакокрасочные материалы, обладающие защитными свойствами. Не менее полезны грунтовка и краски. Так, грунтование в два слоя производят перед окраской. Эта мера помогает избежать окисления, а также позволяет покрытию в большей степени «прикипеть» к основанию. При этом стоит помнить о том, что разные виды металлов нуждаются в грунтовках различного состава. Так, алюминиевому основанию подходит цинковая грунтовка. Бронза и латунь, как правило, обрабатываются на заводах специальными составами, которые в случае повреждения (в ходе эксплуатации) целесообразнее удалить растворителем. После такой манипуляции основание должно быть отполировано и покрыто лаком на базе полиуретана.

Таким образом, цветной металл – это важный элемент, используемый в различных сферах производства (от пищевой до космической промышленности), отличающийся набором специфических свойств.

в. Прокатка металлов, способ обработки металлов и металлических сплавов давлением, состоящий в обжатии их между вращающимися валками прокатных станов. Валки имеют большей частью форму цилиндров, гладких или с нарезанными на них углублениями (ручьями), которые при совмещении двух валков образуют т. н. калибры (см. Валки прокатные, Калибровка прокатных валков, Профилировка валков).

Дрессировка (от франц. dresser — выправлять) в технике, операция отделки в производстве тонких полос из стали и цветных металлов, состоящая в холодной их прокатке с очень малыми обжатиями (не более 3%). Как правило, металл подвергается Д. после термической обработки. В результате Д. предел текучести повышается на 30—50 Мн/м2 (3—5 кгс/мм2), благодаря чему снижается возможность образования на металле при холодной штамповке линий сдвига, портящих поверхность изделий. Д. необходима для листового металла, подвергаемого холодной штамповке с глубокой вытяжкой, например стальных листов, предназначенных для изготовления деталей кузовов автомобилей (так называемых автолистов), жести и т.п. При Д. в зависимости от назначения листового металла его поверхность подвергают различной степени обработки; при этом происходит его частичное выравнивание. Д. производят на дрессировочных станах (см. Прокатный стан), в основном в один, реже в несколько проходов.

Сортамент проката, перечень всех прокатных профилей (с размерами), выпускаемых в стране, на металлургическом заводе (или группе заводов), на данном прокатном стане. Различают профильные С. п. (перечень профилей одного назначения) и размерные С. п. (перечень размеров одного профиля). Часто С. п. даётся одновременно по признаку и профилей, и размеров. Весь С. п. можно разделить на 3 основных группы: сортовой прокат (в т. ч. специальные профили), листовой прокат и трубы.

Плакирование (от франц. plaquer — накладывать, покрывать), нанесение на поверхность металлических листов, плит, проволоки, труб тонкого слоя др. металла или сплава термомеханическим способом. Осуществляется в процессе горячей прокатки (например, П. листов и плит) или прессования (П. труб). П. может быть одно- и двусторонним. Применяется для получения биметалла и триметалла, для создания антикоррозийного слоя алюминия на листах, плитах, трубах из алюминиевых сплавов, нанесения латунного покрытия на листы стали (вместо электролитического покрытия) и т.д.

Катанка, горячекатаная проволока  обычно круглого сечения диаметром  от 5 до 10 мм. К. получают на специальных  проволочных или комбинированных  проволочно-сортовых станах (см. Прокатный  стан) и с помощью моталок сматывают  в бунты. Основная масса К. идёт на производство холоднотянутой проволоки  диаметром до 0,01 мм. Из стальной К. изготовляют  также пружины и арматуру для  железобетона.

Благодаря свойственной Прокатка непрерывности рабочего процесса она  является наиболее производительным методом  придания изделиям требуемой формы. При Прокатка металл, как правило, подвергается значительной пластической деформации сжатия, в связи с чем разрушается его первичная литая структура и вместо неё образуется структура, более плотная и мелкозернистая, что обусловливает повышение качества металла. Т. о., Прокатка служит не только для изменения формы обрабатываемого металла, но и для улучшения его структуры и свойств.

Прокатное производство, получение  путём прокатки из стали и других металлов различных изделий и  полуфабрикатов, а также дополнительная обработка их с целью повышения  качества (термическая обработка, травление, нанесение покрытий). В промышленных странах прокатке подвергается больше 4/5 выплавляемой стали. Прокатное производство обычно организуется на металлургических заводах (реже на машиностроительных); как правило, особенно в чёрной металлургии, является завершающим звеном цикла производства (см. Металлургия; о Прокатное производство как отрасли металлургической промышленности см. в статьях Чёрная металлургия, Цветная металлургия).

К основным видам проката  относятся: полупродукт, или заготовка, листовой и сортовой прокат, катаные  трубы, заготовки деталей машин (особые виды проката) - колёса, кольца, оси, свёрла, шары, профили переменного сечения  и др. Перечень прокатываемых изделий  с указанием размеров называемым сортаментом проката, большая часть  которого в СССР стандартизована. Основное количество проката изготовляется  из низкоуглеродистой стали, некоторая  часть - из легированной стали и стали  с повышенным (больше 0,4%) содержанием  углерода. Прокат цветных металлов производится главным образом в  виде листов, ленты и проволоки; трубы  и сортовые профили из цветных  металлов изготовляются преимущественно  прессованием (см. Прессование металлов).