Виды металлов, применение сплавов в промышленности

Виды металлов, применение сплавов в промышленности

Современное машиностроение характеризуют непрерывно растущая энергонапряженность, а также тяжелые условия эксплуатации машин (высокий вакуум, низкие или высокие температуры, агрессивные среды, высокая радиация и т. д.). Такие условия работы машин предъявляют к материалам особые требования. Для удовлетворения этих требований создано много сплавов на основе различных металлов.

Железо и сплавы на его  основе (сталь, чугун) принято называть черными металлами, а остальные  металлы (Al, Mg, Cu, Ni, Sn, Pb, Zn, Cd, Ті, W, Mo, Mb, Та, Ag, Аи, Pd, Pt и др.)- и их сплавы — цветными. Кроме того, различают:

1) легкие металлы (Be, Mg, Al, Ті), обладающие малой плотностью;

2) легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Та, Sb);

3) тугоплавкие металлы (W, Mo, Nb, Та и др.), имеющие температуру плавления выше, чем железо;

4) благородные металлы (Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ru, Os), обладающие химической инертностью;

5) урановые металлы-актиниды, используемые в атомной технике;

6) редкоземельные металлы (лантаниды — Се, Pz, Nd, Pm и др.);

7) щелочноземельные металлы (Na, К, Li).

В современной технике  широко применяются стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность, и сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах (1000—3000°  С), вязкими при температурах, близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных "средах или другими физико-химическими свойствами.

Некоторые давно освоенные  металлы и сплавы, например алюминиевые  и даже титановые, раньше применявшиеся  преимущественно в авиационной  технике, теперь становятся одним из основных конструкционных материалов в строительстве, машиностроении и  в других отраслях промышленности.

Количество новых сплавов  непрерывно растет. Особенно большие  возможности открылись перед  создателями новых материалов благодаря  широкому применению тугоплавких и  редких металлов: циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена, вольфрама, рения, редкоземельных металлов, которые  обладают уникальными физическими  свойствами.

Наряду с металлами  в машиностроении все шире применяют  неметаллические материалы. Понятие  «Неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов, таких как пластические массы, пленки, волокна, резиновые материалы, клоп, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

Неметаллические материалы  являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные виды обладают высокой  механической прочностью, легкостью, термической  и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность  неметаллических материалов.

До сего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы  имеют много положительных качеств  и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность  деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20 % годового производства изделий из стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20—40 лет  все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических  сплавов на базе титана, алюминия, магния. Эти легкие и прочные сплавы позволяют  в 2...3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт. Важное значение имеют исследования в области использования новых  материалов взамен традиционных (металлических) — пластмасс, керамики, изделий, изготовляемых  методом порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты  энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий. Так, расчетами  установлено, что замена ряда металлических  деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить  массу машины на 40%; она станет более  прочной; уменьшится расход топлива, резко  возрастет стойкость против коррозии.

Разработка различных  способов химической обработки поверхности  металла позволяет оперативно воздействовать на структуру окисной пленки и  ее толщины. Так, подтверждено эффективное  воздействие на величину окисной  пленки химической полировки и электрополировки.

Кристаллизационные (горячие) трещины. Одна из основных проблем при  сварке сплавов на алюминиевой основе — склонность материала к трещинообразованию. 
А. А. Бочвар, Н. Н. Рыкалин, Н. Н. Прохоров, И. И. Новиков и Б. А. Мовчан обобщили основные положения исследований горячих трещин при сварке и литье. Они отмечают, что сопротивляемость образования кристаллизационных трещин при сварке и литье определяется тремя характеристиками: величиной «эф 
фективного» интервала кристаллизации, пластичностью в этом интервале и темпом деформации.

Таким образом, изменяя химический состав основного металла и сварочной  проволоки, представляется возможным  оказывать влияние на эффективный  интервал кристаллизации и пластичность. Что касается темпа деформации, то он в основном предопределяется процессом  сварки и условиями его выполнения. 
Вольфрамовые включения. При стабильном горении дуги вольфрамовый электрод практически не расплавляется. Однако незначительный расход его все же имеет место. Зависит он от многих факторов: активирующих присадок, токовой нагрузки, чистоты и расхода инертного газа, числа зажиганий или коротких замыканий дуги. 
Частицы вольфрама, попадая в сварочную ванну, загрязняют сварной шов. Они являются инородным телом в наплавленном металле и ухудшают работоспособность сварного узла. 
С введением активирующих добавок возрастает эрозионная стойкость вольфрама при сварке в аргоне на переменном токе. Введение оксида лантана (~3 %) или оксида натрия (~3 %) снижает электродные потери в 1,5—2 раза по сравнению со сваркой с электродом из чистого вольфрама. Эффективным средством повышения стойкости вольфрама следует признать сварку в импульсном режиме. 
 
Применение сплавов в промышленности 
 
Магниевые сплавы широко используются в современной технике, в первую очередь, благодаря низкой плотности, что позволяет существенно снизить вес изделий и конструкций. Например, разработанные в последние годы промышленные магниевые сплавы, содержащие литий, имеют плотность 1,35-1,6 г/см куб. при достаточно высоких прочностных свойствах и хорошем модуле упругости. Кроме того, сплавы магния химически устойчивы в щелочах, минеральных маслах, фторсодержащих газовых средах. Из-за высокого электрического потенциала эти сплавы используются в качестве протекторов при электрохимической защите стальных конструкций от коррозии в морской воде и подземных сооружениях. 
 
Предварительные исследования показали, что магниевые сплавы обладают повышенной способностью аккумулировать водород, который рассматривается как возможная альтернатива углеводородному сырью в будущем, и поэтому являются весьма перспективными материалами для его накопления и хранения в специальных устройствах. К особым физическим свойствам магниевых сплавов относится их способность эффективно поглощать упругие колебания (демпфирующая способность), что обеспечивает большую устойчивость при ударных нагрузках и снижает чувствительность к возникновению резонансных явлений. Магний имеет сравнительно низкий коэффициент поглощения тепловых нейтронов, что в сочетании с хорошей теплопроводностью и слабым взаимодействием с ядерным топливом обусловливает его применение в качестве оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. В сравнительно небольшом объеме магниевые сплавы в последние годы нашли также применение в различных радиотехнических системах для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки электрических сигналов. Магний имеет хорошую сырьевую базу. Основными минералами, содержащими этот метам, являются карналит, бишофит, доломит, магнезит, серпентин, брусит. 
 
В электротехнической промышленности алюминий и его сплавы применяют для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении он используется при производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов. 
Алюминий начали широко применять при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов благодаря его высокой коррозионной стойкости и нетоксичности.

Алюминиевая фольга стала  очень распространенным упаковочным  материалом, так как она гораздо  прочнее и дешевле оловянной. Также алюминий стал широко использоваться для изготовления тары для консервирования  и храпения продуктов сельского  хозяйства. Но хранение не ограничивается маленькими баночками, алюминий используется для строительства зернохранилищ  и других быстровозводимых сооружений, востребованных в сельском хозяйстве. 
Также широко алюминий применяется в военной промышленности при строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, и дл многих других целей в военной технике.

Широкое применение алюминий высокой чистоты находит в  таких новых областях техники  как ядерная энергетика, полупроводниковая  электроника, радиолокация. 
Большое распространение алюминий получил как антикоррозийное покрытие, он прекрасно защищает металлические поверхности от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии.

Широко используется еще  одно полезное свойство алюминия - его  высокая отражающая способность. Поэтому  из него изготовливаются различные отражающие поверхностеи нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал. 
 
Микролегирование проводниковых сплавов поверхностно-активными добавками типа бора способствует понижению удельного электросопротивления алюминиевых сплавов в определенных температурных интервалах и повышению пластичности. Считают, что небольшие по размеру атомы бора (0,09 нм.) образуют нерастворимые бориды хрома, циркония и, выводя их из твердого раствора и из сплава, подавляют вредное действие титана, марганца и ванадия, повышают проводимость изготавливаемых из них электротехнических изделий. В последние годы алюминиевые проводниковые сплавы стали более широко применять для воздушных проводов и кабелей связи (главным образом сплавы АД31Е, АВЕ). Высокая прочность проводов из алюминиевых сплавов позволяет увеличить размеры пролетов линии электропередач, способствует уменьшению количества повреждений при монтаже. По величине сопротивления действию дуги, возникающей при коротком замыкании, провода из алюминиевых сплавов занимают второе место после медных и значительно устойчивее проводов из алюминия. Стоимость алюминиевого провода в линиях электропередач составляет от 1/2 до 1/3 стоимости медного провода равной проводимости.