Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Кафедра материаловедения и физики металлов

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Материаловедение»

Тема работы «Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям»



Введение

Материаловедение -- междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука -- материаловедение.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.



Задание №1

В данном задании изучена диаграмма W-Ni и рассмотрен сплав ВНЖ 7-3 основными компонентами которого являются вольфрам и никель

1.1 Вольфрам

Вольфрамм -- химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл

Вольфрамовые руды, хотя и довольно широко распространены, но редко встречаются в виде крупных скоплений. Эти руды обычно находят в виде тонких жил, но в некоторых богатых месторождениях жилы могут достигать нескольких метров в ширину. Обычно вольфрамовые руды встречаются совместно с касситеритом и довольно часто с минералами, содержащими висмут, молибден, свинец, и медь; в заметных количествах могут присутствовать весьма нежелательные минералы - пирит и арсенопирит. Другими, обычными минералами являются кварц и флюорит.

Имеется несколько типов рудных месторождений, классифицируемых на пегматитово-пневматолитовые, замещенные отложения, жилы и россыпи. Содержание вольфрама в разрабатываемых рудах обычно 0,5 до 2,0% и в редких случаях достигает 6,0%. Обогащение вольфрамовых руд осуществляется главным образом гравитационными методами, обладающими преимуществом при обработке руд металлов высокой плотности, хотя также применяются и флотационные методы обогащения. Концентраты, которые содержат 60--70% или в более высоких сортах 75--79%, должны быть в сущности свободными от S, Р, As, Bi, Си, Sn, Ti и Mo.

Основными вольфрамсодержащими рудами являются вольфрамит, представляющий собой вольфрамат железа и марганца, и шеелит, являющийся вольфраматом кальция.

1.1.1 Получение вольфрама

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200--1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

1.1.2 Свойства вольфрама

Вольфрам - самый тугоплавкий элемент, и поэтому он является потенциальной основой наиболее жаропрочных сплавов на металлической основе.

Вместе с тем вольфрам отличается большой плотностью, высокой склонностью к хладноломкости, малым сопротивлением окислению даже при не слишком высоких температурах. Эти недостатки ограничивают возможные области применения вольфрама.

В зависимости от чистоты и структурного состояния временное сопротивление разрыву вольфрама при комнатной температуре колеблется от 500 до 1000 МПа при практически нулевых относительном удлинении и поперечном сужении. Температура хладноломкости вольфрама выше комнатной, его технологическая пластичность очень невелика. Прочность нагартованной металлокерамической вольфрамовой проволоки очень высока. С уменьшением ее диаметра от 0,635 до 0,025 мм временное сопротивление разрыву вольфрама увеличивается от 1575 до 4270 МПа, а у листа толщиной 0,25 мм составляет 2100 МПа. При повышении температуры пластические свойства вольфрама повышаются, но прочность остается довольно высокой. При температуре 1370 °С длительная 110-ч прочность вольфрама равна 70 МПа, т.е. он более жаропрочен, чем лучшие сплавы на основе ниобия. Поэтому нелегированный вольфрам широко используют как жаропрочный материал. Обычно его применяют в нагартованном состоянии или после отжига для снятия напряжений (1000 °С, 1 ч). Прочность нагартованных листов и прутков начинает снижаться после отжига при температурах выше 1200°С, а полное разупрочнение происходит при температурах выше 1600... 1800 °С. Рекристаллизационный отжиг резко ухудшает пластичность вольфрама и повышает температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Кристаллическая решетка моноклинная, призматическая. Кристаллы обычно плоскопараллельные до ортопинакоидальных, образующих пластинчатые формы. Призматическая зона прочерчена вертикальными бороздками (полосами). Встречаются в пластинчатой или столбчатой форме. Вольфрамит крупнозернист.

1.1.3 Металлический вольфрам применение

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.

Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.

Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам -- важный компонент лучших марок инструментальных сталей.

Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

1.2 Никель

Нимкель -- элемент десятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) -- это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен.

1.2.1 Свойства никеля

Никель -- серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m. В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.

Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мкОм•м.

Коэффициент линейного теплового расширения б=13,5•10?6 K?1 при 0 °C

Коэффициент объёмного теплового расширения в=38--39•10?6 K?1

Модуль упругости 196--210 ГПа.

Никель довольно распространён в природе -- его содержание в земной коре составляет ок. 0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 -- 0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

В промышленных условиях никелевую руду делят на два типа: магнезиальные и железистые.

Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5-50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые -- латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые -- нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей.[10] Ещё один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии -- до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла.

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

Никель является основой большинства суперсплавов -- жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина. Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей.

1.2.2 Применение никеля

Никель является основой большинства суперсплавов -- жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок

Никелирование -- создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 -- 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Чистый никель ввиду очень низкой теплопроводности иногда применяется для изготовления разного рода держателей нагретых предметов, сочетая хорошую теплоизоляцию с высокой прочностью и достаточной электропроводностью. В частности, из никеля делаются держатели и проводники для кварцевых горелок дуговых ртутных ламп.

Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея.

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

1.3 Сплавы вольфрама и никеля

Сплавы вольфрама и никеля представляют интерес, так как с ними связан один из наиболее ранних методов получения ковкого вольфрама. Сплав, содержавший 8% Ni, можно было протянуть в тончайшие нити для ламп накаливания, причем никель впоследствии улетучивался при нагревании. Этот сплав применялся до тех пор, пока не были разработаны современные методы обработки вольфрама. Никельвольфрамовые сплавы имеют также важное значение, так как являются основой ряда кислотоупорных сплавов. Никельвольфрамовые сплавы могут быть получены прессованием смеси порошкообразных металлов в штабики или в результате восстановления смеси окислов. Однако для того, чтобы получить нормальный сплав, необходимо не только их спекание, но и последующая плавка. Сплав, содержащий 60% Ni, не магнитен в том случае, если штабик только спечен, и магнитен, если он был расплавлен.

Множество исследований было проведено с целью изучения строения сплавов никеля и вольфрама, причем последняя диаграмма (по Эллингеру и Сайксу) показана на рис. 1.

1.4 Исследование диаграммы вольфрам-никель

От точки плавления никеля кривая ликвидуса поднимается до пологого максимума (1505°) при 35% W, а затем падает до эвтектической температуры (1495°), причем сплав эвтектического состава содержит 45% W. Твердая фаза г, выпадающая из расплава, является твердым раствором вольфрама в никеле. Максимальная растворимость при эвтектической температуре составляет около 40% W, снижаясь до 38% при 970° и до 32% при 800°. Максимальная растворимость никеля в вольфраме при эвтектической температуре составляет около 0,3%. По охлаждении до 970° протекает перитектическая реакция между б-фазой и богатым вольфрамом твердым раствором у с образованием промежуточной фазы в, содержащей около 43% W. Благодаря отмеченному изменению растворимости твердой фазы с падением температуры сплавы содержащие 32--45% W, показывают твердение, связанное со старением. Старение происходит очень медленно при температурах порядка 600°, но сравнительно быстро при 900°. Сопротивление никеля коррозии в серной кислоте очень сильно возрастает при сплавлении его с вольфрамом. Сплав, содержащий 18% W, показывает минимальное растворение, составляющее менее 1/4 от значения растворимости для чистого никеля.



Рис. 1 Диаграмма состояния никель-вольфрам

Рис 2. Кривая охлаждения сплава Внж 7-3

1.5 Сплав ВНЖ 7-3

Таблица 1. Химический состав сплава ВНЖ 7-3

Наименование компонентов	Массовая доля, %
Никель	от 6,8 до 7,4
Железо	от 2,8 до 3,4
Вольфрам	остальное



Таблица 2. Физико-механические свойства

Наименование параметра	Норма
1) Плотность, г/см3	от 16,6 до 17,35
2) Временное сопротивление разрыву, кг/мм2, не менее:	70
3) Относительное удлинении при растяжении, % не менее	3
4) Твердость, HRc	от 20-30
5) Разноплотность в пределах одной заготовки цилиндрической формы г/см3, не более	0,7

Сплав ВНЖ 7-3 - тяжелый сплав на основе вольфрама ( хим. состав представлен в таблице 1). Производство сплава ВНЖ 7-3 относится к порошковой металлургии (физико-механические свойства представлены в таблице 2), в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. Исходную смесь, содержащую не менее 95 мас.% вольфрама, остальное - никель и железо с массовым отношением между ними 7:3, измельчают до получения однородной порошковой смеси с размерами частиц порядка 100 нм путем высокоэнергетического помола с обеспечением механической активации частиц. Соотношение массы мелющих шаров и массы исходной порошковой смеси составляет 10:1. Заготовки порошковых изделий формуют прессованием в гидростате при давлении порядка 50 МПа и подвергают электроимпульсному плазменному спеканию в твердой фазе с нагревом в вакууме со скоростью 100-300°С/мин. Полученное изделие имеет предел макроупругости не менее 2000 МПа, предел текучести не менее 2500 МПа, при плотности ~18,0 г/см3, и нанодисперсную структуру с размерами частиц не более 500 нм. Концентрация атомов вольфрама в твердом растворе «никель-железо»зерен г -фазы на основе никеля, механически легированной вольфрамом, составляет до 20,4 мас.%. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Технология производства относится к нанотехнологии порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама, и может быть использована для улучшения их механических свойств в широкой области применения с повышенными требованиями к прочностным характеристикам изделий.

Назначение порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама в значительной степени определяется механическими свойствами указанного конструкционного материала, область использования которых недостаточно широка в связи с ограниченным сочетанием прочностных и пластических свойств тяжелых вольфрамовых сплавов, полученных традиционным методом порошковой металлургии (жидкофазным спеканием).

Так, известно для сплава (W - 93%, Ni - 4,9%, Fe - 2,1%) с плотностью - 17,52 г/см3, полученного методом порошковой металлургии спеканием при 1500°C в течение 30 мин с последующим вакуумным отжигом при 1100°C, следующее сочетание механических свойств: предел прочности - 996 МПа и относительное удлинение - 23%. При этом уровень техники в отношении порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама характеризуется технологическим решением задачи изготовления таких изделий из рассматриваемого сплава либо с высокой плотностью для защиты от гамма-излучения, в качестве мощных электродов и других, либо с приемлемой прочностью для изготовления головок и корпусов боевых снарядов.

Причем во втором случае для увеличения прочности и пластичности тяжелые сплавы на основе вольфрама упрочняют рекристаллизованными вольфрамовыми нитями или проводят другие технологические операции по модифицированию структуры сплавов, что усложняет технологию изготовления изделий из них.

Примером изготовления изделий, относящихся к первой группе, является известный способ изготовления спеченных изделий на основе вольфрама с добавками никеля, в результате прессования гидростатическим давлением 0,2-1,0 ГПа высокодисперсных порошков вольфрама с размерами частиц 0,05-0,5 мкм после добавки к ним никеля, последующего предварительного спекания в водороде при 1000°C в течение 30 мин и окончательного спекания в вакууме при 1300°C в течение 1 ч и получения образцов с плотностью до 18,9 г/см3.

Примером изготовления изделий, относящихся ко второй группе, является известный способ изготовления заготовок из смеси порошков на основе вольфрама, включающей непрерывное послойное спекание с подпрессовыванием каждой порции смеси порошка с частью изготавливаемой длинномерной заготовки путем индукционного нагрева в среде водорода до температуры 1700-2000°C. В результате материал длинномерных заготовок имеет следующие физико-механические свойства: предел прочности ~1020 МПа, относительное удлинение ~27% и плотность ~17,1 г/см3, что определяет область использования заготовок - при изготовлении корпусов бронебойных подкалиберных снарядов, потребность которой в повышении прочностных характеристик материала таких изделий - очевидна и актуальна.

Технический результат использования данной технологии - повышение эффективности улучшения механических свойств порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама в результате значительного повышения прочности при приемлемой пластичности за счет задействования предлагаемых особенностей наноструктурного механизма диспергирования и спекания порошковой смеси и при повышении технологичности получения данных изделий и целевых возможностей их использования, вытекающих из получаемого нового сочетания улучшенных механических свойств и высокой плотности указанного перспективного материала для специализированных изделий.

Сплав ВНЖ 7-3 применяется: для изготовления мелких и средних изделий массой до 2,0 кг различных форм, используемых в приборостроении и при производстве оборудования специального назначения для защиты от проникающей радиации и жестких рентгеновских излучений; деталей оборонной промышленности; медицинского рентгеновского оборудования; деталей приборов прикладной, экспериментальной и ядерной физики; балансиров и гирокомпасов в приборах для ориентации в пространстве.

1.6 Термическая обработка вольфрамоникелевых сплавов

сплав вольфрам никель жаропрочность

Термообработка вольфрамовых сплавов мало изучена.. Вольфрам обжатый при прессовании на 60-75%, отжигается при температуре 1200-1400 °С. Продолжительность отжига определяется заданной температурой а так же размерами заготовки. Считается, что заготовки из вольфрамоникелевых сплавов охрупчиваются в рекристаллизованном состоянии. Рекристаллизационная хрупкость не является природным свойством этих металлов, а связана с перераспределением примесей при рекристаллизационном отжиге. Рекристаллизационный отжиг вольфрама высокой частоты по примесям внедрения должен приводить не к охрупчиванию а к увеличению пластичности, как это наблюдается у всех остальных металлов. Рекристаллизационный отжиг вольфрамовых сплавов заключаеться в нагреве до температуры рекристаллизации, выдержке и медленном охлаждении отжиг производиться в атмосфере водорода.

Анализ диаграмм состояния показывает, что имеется значительная температурная зависимость предельной растворимости многих металлов м примесей внедрения в вольфраме,в твердом состоянии. Это обстоятельство создает возможность изменения механических свойств сплавов путем закалки и старения.

При отжиг проволоки из сплава ВНЖ 7-3, с увеличением температуры отжига повышается температура перехода вольфрама в хрупкое состояние. Доказано, что резкая закалка вольфрама из области твердого раствора (с 2500° в жидком азоте) на много повышает пластичность и снижает температуру перехода вольфрама в хрупкое состояние на 200--300° вследствие перевода неметаллических примесей в твердый раствор.



Задание №2

Сравнить свойства нихромовых сплавов с разным химическим составом, и выбрать сплав, обладающий наибольшей электропроводностью.

2.1 Физические свойства нихрома

Нихромм -- общее название группы сплавов, состоящих, в зависимости от марки сплава, из 55--78 % никеля, 15--23 % хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия.

Физические свойства

Плотность нихрома, г/	8,4
Температура плавления, °С	1400
Удельное сопротивление нихрома, Ом·м	1,09±0,05
Твердость НВ, Мпа	140-150
Удельная теплоемкость, кДж/кг·К при 25°С	0,44
Предел прочности на разрыв Н/мм	686-736
Максимальная температура продолжительной работы, °С	1200

2.2 Применение

Нихром обладает высокой жаростойкостью в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,05--1,4 Ом·ммІ/м), имеет минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления. Он имеет повышенную жаропрочность, крипоустойчивость, пластичность, хорошо держит форму. Нихром -- дорогостоящий сплав, но, учитывая его долговечность и надёжность, цена не представляется чрезмерной.

Основная продукция (заготовки), сфера применения

Основной сортамент заготовок из нихрома - это нить, проволока, лента и полоса.

Проволока и лента являются очень востребованными изделиями для электротехнических работ. Полоса и нить из нихрома имеют высокую пластичность и применяются в приборостроении, автоматике и других областях техники. Нихромовая проволока и нихромовая лента применяются в основном в качестве химически стойкого и жаропрочного сплава при создании различных нагревательных и резисторных элементов. Проволока представляет собой изделие, имеющее круглое поперечное сечение. Диаметры нихромовой проволоки лежат в интервале от 0,01 до 12 мм. Мелкие размеры, от 0,01 до 0,1 мм часто называются микронными. Как правило, проволоки изготавливаются и транспортируются намотанными на катушки или свернутыми в бухты. Проволока изготавливается с применением прокатки, прессования или волочения в точном соответствии с требованиями ГОСТ 25501-82 „Заготовки и полуфабрикаты из цветных металлов и сплавов. Термины и определения. Лента представляет собой изделие, имеющее толщину примерно от 0,1 мм до 4 мм. Более тонкие ленты -- фольга. Поставляется в рулонах. Изготавливается лента/полоса с применением прокатки или специальным электролитическим способом с точным соблюдением требований ГОСТ 25501-82. Полоса представляет собой изделие, которое имеет прямоугольное сечение. Конечная длина 2-3 м или более. Толщина изделия может составлять от 0,1 мм. Изготавливают полосу, используя метод прокатки или разрезки листов по ГОСТ 25501-82. Нихромовая лента и нихромовая проволока успешно применяется в настоящее время в запайщиках пакетов и в качестве нагревательного и режущего элемента в термоножах, при производстве промышленных и бытовых электроприборов, в частности бытовых водо- и воздухонагревательных систем. Благодаря высокой пластичности нихром можно успешно использовать при „холодных“ методах обработки. Стоимость нихрома высока, и это, пожалуй, единственный его существенный недостаток. Однако, учитывая обилие полезных свойств, затраты на изготовление и приобретение изделий из нихрома окупаются сторицей. При производстве нихрома применяются самые последние достижения науки, которые значительно улучшают технико-эксплуатационные свойства проволоки, ее прочности и надежности. Сплавы нихрома обычно получают методом смешивания ингредиентов в расплавленном состоянии и последующего охлаждения. В том случае, когда расплавленные компоненты не взаиморастворимы, применяется способ их смешивания в порошкообразном состоянии и последующего спекания. Высокое удельное сопротивление нихромов (r = 1,08-1,13 мкОм*м) в сочетании с небольшим значением температурного коэффициента электрического сопротивления -- 1,3*10-4 [1/°C], а также повышенная стойкость к коррозии и возможность работать в различных температурных интервалах - все это вместе взятое позволяет использовать нихром для создания широкого спектра изделий, которые могут работать в различных средах, вплоть до применения в газотурбинной авиации. За счет повышенной пластичности нихрома этот материал применяют также для сварочных и штамповочных работ. Благодаря высокой жаропрочности и хорошим показателям пластичности, возможности придания соответствующей формы, нихром часто применяется для создания различных нагревательных элементов, которые входят в состав специальных высокотемпературных муфельных электропечей. Высокое же электрическое сопротивление и возможность использования в условиях высоких температур позволяет применять нихром для изготовления различных резисторных элементов, в качестве подслоя и покрытия при газотермическом напылении.

2.3 Сплавы на основе никеля и хрома

Сплав нихром X20H80 представляет собой соединение, которое состоит из таких элементов, как Cr (19-21%); Ni(73-78%); Mn (0,7%); Si (1%). Очень часто, данный сплав легируют различными редкоземельными элементами для того, чтобы получить высокую продолжительность работы. Сплав данной марки приобрел широкую популярность среди самых различных категорий потребителей. X20H80 обладает исключительной пластичностью по сравнению с другими аналогичными материалами, которые по большей части содержат в своей основе большое количество железа. Использование железа далеко не лучшая альтернатива нихромовым сплавам. На таких материалах может образовываться поверхностный окисел, что значительно снижает срок эксплуатации, помимо этого, данные элементы обладают значительно большей ломкостью по сравнению со спиралями из нихрома. Именно поэтому, нихром может быть успешно использован при изготовлении нагревателей электротермического оборудования повышенной надежности (ГОСТ 10994-74). Нихром X15H60 - это сплав, содержащий 15 процентов хрома, 60 процентов никеля. Остальные элементы сплава - это железо и различные легирующие добавки. Данный элемент является аналогом X20H80 и имеет более низкую себестоимость. Благодаря повышенному содержанию железа, сплав менее коррозиеустойчив, а также обладает меньшей пластичностью и повышенной ломкостью. Все это ограничивает сферу применения сплавов этой марки. В то же время, нельзя не отметить такую важную характеристику данного сплава, как высокий уровень нагрева, меньшее удельное сопротивление и более высокая экономичность. Х15Н60-Н и Х15Н60-ВИ - содержат 55 - 61% никеля и 15-18% хрома. В качестве легирующих добавок используются алюминий (0.15%), титан (0.05%), кремний (0.4 - 1%), а также фосфор, сера, марганец и углерод. Основное отличие X15H60-Н от Х15Н60-ВИ - использование, соответственно, легирующей добавки циркония либо церия. X20H80-Н и Х20Н80-ВИ - это прецизионные сплавы с высоким химическим соединением, который применяется для непрецизионных резисторов, нагревателей с температурой до 1200°C, соединителей в электронной технике, деталей внутривакуумных приборов, а также для промышленных электропечей и нагревательных устройств. X15H60-Н также известный, как „ферронихром“ - сплав, содержащий 15 процентов хрома и 60 процентов никеля. Такой сплав способен работать при достаточно высокой температуре (до 1125°C), что позволяет применять его в электротермическом оборудовании с высокой надежностью и точностью работы. В то же самое время X15H60-Н имеет значительно более низкую себестоимость по сравнению со сплавом X20H80.

2.4 Выбор сплава

Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и т.д.).

Свойства сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 1).

При образовании непрерывного ряда твердых растворов свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис. 1, б). Твердость компонентов А и В ниже, чем твердость сплавов. При образовании смесей (рис. 1, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно).

Рисунок 2. Свойства сплавов и их диаграммы состояния

Значение свойств сплавов находятся в интервале между свойствами чистых компонентов. При увеличении V_охл происходит измельчение структуры, в связи с этим свойства против эвтектики оказываются более высокими (пунктирная линия).

ESK - линия эвтектического превращения.

Т_А - температура плавления компонента А.

Т_АSТ_В - линия ликвидус.

В сплавах с ограниченной растворимостью (рис. 1, в; диаграммы с эвтектическим или перитектическим превращениями) свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области - по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов. Линия EN - линия ограниченной растворимости В в А. При образовании химического соединения (рис. 1, г) на кривой концентрация - свойства, будет иметься максимум (или минимум) - а на прямой перелом. Зная характер взаимодействия между двумя металлами и тип диаграммы состав - свойства, можно легче и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства.

Диаграмма состояния системы никель-хром относиться к третьему типу (рис 2.в).

Рисунок 3. Диаграмма состояния никель-хром



Вывод: сплавы, содержащие 5 и 20% хрома находятся в однофазной области, значение электропроводности и пластичности возрастает по криволинейной зависимости. Сплав, содержащий 50% хрома находиться в двухфазной области, и согласно правилу Н.С. Курнакова, именно он наиболее удовлетворяет требованиям задачи: обладает наибольшей электропроводностью и пластичностью по сравнению с остальными.



Задание №3

Сравнить марки стали и выбрать сталь, обладающую наибольшей жаропрочностью и жаростойкостью.

10Х11Н20Т3: эта марка стали относится к сталям аустенитного класса (ГОСТ 5632 - 72). Хромоникелетитаноалюминиевые аустенитные стали 10Х11Н20Т3 и X11H23T3MP применяются для изготовления турбинных дисков, различных кольцевых деталей и т. п. По жаропрочным свойствам указанные стали весьма близки к сплаву на никелевой основе ХН77ТЮР, равноценны сплаву ХН77ТЮ и среди сплавов на железной основе являются одними из наиболее жаропрочных(хим. состав представлен в таблице 3). При температурах 500--650° С эти стали по механическим свойствам несколько уступают сплаву ХН77ТЮР, а при 700 и 750° С очень близки к нему. По сравнению с хромомарганценикелевыми сталями, например 37Х12Н8Г8МФБ, стали типа Х10Н20 обладают большей жаропрочностью и рекомендуются для изготовления наиболее нагруженных деталей. Введение в эти стали бора заметно повышает их жаропрочность.

Таблица 3.

Химический состав, %
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti	Al	B
до 0.1	до 1	до 1	18 - 21	до 0.02	до 0.035	10 - 12.5	2.6 - 3.2	до 0.8	до 0.02

Высокие жаропрочные свойства сталей типа Х10Н20 достигаются после термообработки, состоящей из закалки с температур 1100--1200° С и последующего старения при 700--800° С. Чем больше сечение изделия, тем выше должны быть температуры закалки и старения. Для малых сечений хорошие результаты получаются после закалки на воздухе с 1100--1150° С, а для больших сечений после закалки на воздухе с 1150--1180° С. В первом случае достаточно старение в течение 16 ч при 700° С, а во втором температуру старения необходимо повышать до 750 -- 800° С.

Использование в промышленности: турбинные диски, кольцевые детали, крепежные детали, детали компрессора и рабочей части турбины с рабочей температурой до 700 град.; сталь аустенитного класса.

Сталь 40Х9С2, сталь жаропрочная высоколегированная. Сталь с особыми физическими и химическими свойствами: коррозионно-стойкие, жаростойкая и жаропрочная, (ГОСТ 5632-72),предназначена для деталей, работающих в условиях высоких температур и агрессивных газов(хим состав представлен в таблице 4). К сталям стойким против всех видов коррозии относятся, например, такие стали, как 20Х13, 17Х18Н9; к жаростойким (стойким к образованию окалины при температуре >550°С) 40Х9С2; к жаропрочным (прочным при температурах до 1000°С и более) - 36Х18Н25С2 и др. Из указанных сталей изготавливают детали газораспределительных механизмов, выпускных трубопроводов, системы питания и др. Например, сталь 40Х9С2 используется для тарелок выпускных клапанов (стержень из стали 40Х) автомобильных, тракторных моторов, трубок рекуператоров, теплообменников, колосников. Жаростойкие стали и сплавы получают на базе системы Fe - Cr с добавками алюминия и кремния (сильхромы, хромали, сильхромали). Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С.

Таблица 4.

Химический состав, %
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti	Cu
0.35 - 0.45	2 - 3	до 0.8	до 0.6	до 0.025	до 0.03	8 - 10	до 0.2	до 0.3

Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900 - 1200°С в воздухе, печных газах, в том числе, серосодержащих (15Х5, 15Х6СЮ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2,12Х17, 15Х28), окислительных и науглероживающих (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Cr - 1300°С.Жаростойкость зависит от состава стали, а не от её структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова. Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др. Для работы при температуре 500-600 гр. С применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин: хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов моторов: сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов.

Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей подвергают закалке в масле с температуры 100-150гр С и отпуску при 700-800 С (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет структуру мартенсита и твердость НRС~60, а после отпуска - структуру сорбита, твердость НRC~30. Жаростойкость сталей мартенситного класса до температуры 750-850 гр.С. Сталь 15ХМ- сталь жаропрочная низколегированная (ГОСТ 4543 - 71), применяется для изготовления втулок гусениц тракторов, различных деталей, работающих при температуре от -40 °С до +560 °С под давлением, деталей трубопроводов с закалкой в воду или на воздухе и отпуском на воздухе, трубной заготовки, предназначенной для изготовления бесшовных холоднодеформированных, теплодеформированных, горячедеформированных, в том числе горячепрессованных, и горячепрессованных редуцированных труб, предназначенных для паровых котлов и трубопроводов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара.

Химический состав сплава 15ХМ приведен в таблице 5.



Таблица 5.

Химический состав %

Fe

C

Cr

Cu

Mn

Mo

Ni

P

S

Si

Ti

W

96

0,11- 0,18

0,8-1,1

?0,30

0,4-0,7

0,4-0,55

?0,30

?0,035

?0,035

0,17-0,37

-

-

Вывод: на основании приведенных свойств материалов можно сделать вывод что сталь 40Х9С2 наиболее подходит для изготовления изделий работающих при температуре 700 °С так как является жаропрочным и жаростойким материалом.



Заключение

Материаловедение является одной из важнейших дисциплин, рассказывающей о свойствах чистых металлов и сплавов, рассматривает как поведет себя заданный материал при определенной температуре.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.

В ходе выполнения первой части курсовой работы изучили диаграмму W-Ni, построили кривые охлаждения для данной диаграммы, изучили вольфрамоникелевый сплав, а также назначать вид термической обработки.

Во второй части, исходя из поставленной задачи, научились выбирать сплавы по заданным условия электропроводности, пластичности и выбирать сталь удовлетворяющую условиям жаропрочности.

Задание на курсовую работу выполнено в полном объеме.



Список литературы

1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 648 с.: ил.

2. Конструкционные материалы: Справочник / под редакцией Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990

3. Марочник сталей т сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Ваткин; под общ. Ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640с.

4. Вольфрам/ государственное научно-техническое изд-во черной и цветной металлургии Коллин Дж. Смителлс 1988-340с.

5. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов / Ю.М. Лахтин, Изд.2, «Металлургия», 1979

6. Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов/ Е.М Савицкий; Изд-во «Наука» 1985-460с.

Размещено на Allbest.ru