- •Введение.
- •1. Цели и задачи предмета «Материаловедение и ткм».
- •2. Связь предмета «Материаловедение и ткм» с другими предметами.
- •3. Роль отечественных и зарубежных учёных в развитии материаловедения как науки.
- •Основные задачи курса:
- •Раздел 1. Основы металловедения.
- •Тема 1. Строение и свойства металлов.
- •Тема 2. Механические свойства металлов
- •Тема 3. Основы теории сплавов
- •1. Понятие о сплаве, компоненте, фазе, системе.
- •2. Структурные составляющие при кристаллизации сплавов: твердые растворы, химические соединения, механические смеси.
- •3.Диаграммы состояния двойных сплавов. Критические точки и линии.
- •Тема 4 . Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния «железо-цементит».
- •1.Диаграмма состояния системы «железо-цементит» в упрощенном виде.
- •2.Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.
- •3.Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны.
- •Темы 5. Производство чугуна и стали.
- •Тема. Производство алюминия и меди, титана и магния. (самостоятельное изучение)
- •Тема 6. Чугуны и углеродистые стали, их свойства, маркировка и область применения.
- •Тема 7. Легирование сталей и чугунов
- •1. Общие сведения о легированных сталях. Легирование сталей, их классификация и маркировка.
- •2. Область применения легированных сталей.
- •3. Легирование чугунов, их маркировка и область применения.
- •2. Конструкционные легированные стали (гост 4543–71).
- •Тема 8. Сплавы цветных металлов, их маркировка и область применения.
- •2. Алюминий и его сплавы.
- •3. Магниевые и титановые сплавы.
- •Тема 9. Коррозия металлов, её виды. Металлокерамические твёрдые сплавы.
- •(Самостоятельное изучение)
- •1. Превращения при нагревании стали.
- •2. Диаграмма изотермического превращения аустенита.
- •3. Структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения.
- •Тема 10. Термическая и химико-термическая обработка.
- •1. Отжиг и нормализация стали.
- •2. Термообработка. Закалка. Виды закалки. Отпуск, его виды.
- •Тема 11. Литейное производство. Литьё в разовые формы.
- •1. Сущность и назначение литейного производства. Модельный комплект, его назначение и состав.
- •2. Требования к стержневым и формовочным смесям, их состав.
- •3. Основные сведения об изготовлении литейной формы.
- •Тема 12. Специальные методы литья.
- •Тема 13. Обработка металлов давлением, её виды. Прокатка.
- •Тема 14. Прессование и волочение.
- •Тема 15. Сварка и резка металлов. Электродуговая сварка, применяемое оборудование.
- •Тема 16. Специальные способы сварки.
- •1. Электроконтактная сварка, ее виды и области применения.
- •2. Общие сведения об автоматической сварке под слоем флюса, в среде защитных газов, электрошлаковой сварке.
- •3. Сварка трением, холодная сварка, ультразвуковая, плазменная, лазерная сварка, сварка электронным лучем.
- •Тема 17. Газовая сварка и резка металлов.
- •1. Сущность газовой сварки, применяемые материалы.
- •2. Оборудование и принадлежности для газовой сварки и резки.
- •3. Технология газовой сварки и резки.
- •3. Оборудование и аппаратура для газовой сварки и резки
- •Тема . Методы контроля сварных соединений. ( на самостоятельное изучение).
- •Тема 18. Пайка металлов и сплавов.
- •Тема. Основы слесарной обработки. (самостоятельное изучение)
- •1. Рабочее место слесаря.
- •2. Разметка.
- •3. Основные виды слесарных операций.
- •3. Основные виды слесарных операций.
- •Тема 19. Обработка резанием. Основы теории резания.
- •Тема 20. Сверлильные и расточные станки.
- •Тема 21. Строгальные, долбёжные и шлифовальные станки.
- •Тема 22. Электрические методы обработки изделий.
- •2. Понятие об анодно-механическом и электроконтактном способах обработки.
- •3. Ультразвуковая обработка материалов.
- •4. Лазерная и электронно - лучевая обработка.
- •Тема 23. Древесные материалы и пластические массы.
- •4. Способы получения изделий из пластмасс
- •Тема. Лакокрасочные и клеевые материалы. (самостоятельное изучение)
- •Тема 24. Резиновые и прокладочные материалы
- •Тема 25. Проводниковые материалы.
- •1. Классификация и основные свойства проводниковых материалов.
- •2. Материалы высокой проводимости.
- •3. Сверхпроводники и криопроводники.
Тема. Производство алюминия и меди, титана и магния. (самостоятельное изучение)
Вопросы:
1. Производство меди. Исходные материалы. Получение медных штейнов. Рафинирование меди.
2. Производство алюминия. Исходные материалы. Производство глинозема. Электролитическое производство алюминия. Рафинирование алюминия.
3. Производство титана. Титановые руды. Схемы получения титана.
4. Производство магния. Магниевые руды. Понятие об электролитическом способе получения магния.
1. Медь – металл красновато – розового цвета, плотностью 8940 кг/м3, с температурой плавления 1083°С. Она обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью, хорошо куется, прокатывается, но плохо отливается. Медь в чистом виде применяют для изготовления проводов, шин и других деталей в электротехнике. По электропроводности она уступает только серебру. Широко используют медь для изготовления различных сплавов. В природе этот металл встречается в самородном виде и в виде руды.
Из самородков выплавляют примерно 5% меди. Медные руды содержат небольшое количество меди. Пригодной для переработки считается руда, содержащая 0,5% меди и более. Для получения 1 т меди расходуется до 200 т руды. По химическому составу руды делят на сульфидные, в которых медь находится в виде соединений с серой, и окисленные, содержащие соединение меди с кислородом. Примерно 80% меди выплавляют из сульфидных руд.
Рис. 26. Схема пламенной печи для плавки медных руд и концентратов:
1 – под печи; 2 – воронки для загрузки руды; 3 – бункер с рудой; 4 – шихта на поду печи; 5 – отверстие для выпуска готового продукта
Руды, содержащие менее 3% меди, перед плавкой обогащают обжигом флотационным способом. Флотационный способ основан на различном смачивании водой частиц руды, содержащих металл, и пустой породы. В обогащенной руде (концентрате) содержится от 10 до 40% меди.
Из руд медь извлекают двумя способами: пирометаллургическим и гидрометаллургическим. Преимущественное распространение получил пирометаллургический способ. Он включает в себя следующие стадии производства: обжиг концентрата, плавку на штейн, получение черновой меди, рафинирование. Обжиг проводят в многоподовых печах или в печах кипящего слоя в окислительной среде при температуре до 850ºС. В процессе обжига из концентрата удаляют значительную часть серы и других примесей. Образуется обожженная шихта (огарок) и газ SО2, который используют для производства серной кислоты. Следующим процессом является плавка обожженной шихты на штейн в шахтных или пламенных печах (рис. 26) при температуре до 1550°С. Наибольшее применение имеют пламенные печи. В них поддерживается слабоокислительная или нейтральная атмосфера, чтобы сернистое железо FeS не окислялось печными газами.
Продуктами плавки являются штейн и шлак. Штейн, имеющий большую, чем шлак, плотность, собирается на поду печи, а шлак образует верхний жидкий слой. Шлак выпускают по мере накопления через окно, расположенное в хвостовой части печи, а штейн – через отверстия (обычно два), расположенные в боковой стенке печи. Штейны содержат 16...60% Сu, 15„.50% Fe и 23...28% S.
Черновую медь получают из жидкого штейна, продувая его воздухом, в горизонтальных цилиндрических конвертерах с боковым дутьем или в вертикальных конвертерах.
Впервые продувку штейна в конвертере осуществил в 1886 г. русский инженер В. А. Семенников. В процессе продувки, которая длится от 16 до 24 ч, выгорает сера.
Черновая медь содержит до 2% различных примесей, и ее в дальнейшем рафинируют (очищают). Применяются два вида рафинирования: огневое и электрическое. Огневому рафинированию подвергают медь, содержащую незначительное количество благородных металлов. Рафинированная огневым способом медь содержит 99...99,7% Сu. Ее выпускают из печи и разливают в слитки для прокатки или в анодные пластины для электрического рафинирования. Электрическим рафинированием получают медь высокой чистоты (не менее 99,9% Си) и извлекают находящееся в ней золото и серебро.
2. Алюминий – серебристо-белый металл, обладающий хорошей электропроводностью и теплопроводностью. По электропроводности он уступает только серебру и меди. На воздухе в присутствии влаги алюминий покрывается синевато-серой пленкой, защищающей его от дальнейшего окисления. Плотность алюминия 2700 кг/м3, температура плавления 658 °С. Главные природные запасы алюминия заключены в бокситах, алунитах, нефелинах и глинах. Наибольшее промышленное применение получили бокситы, которые содержат 30... 57% А12О3 и пустую породу.
Рис. 27. Схема электролизной ванны для получения алюминия:
1 – катодные шины; 2 – угольные плиты; 3 – футеровка; 4 – кожух; 5 – анодные стержни; 6 – угольные блоки; 7 – шихта; 8 – дно ванны
Технология производства алюминия включает следующие процессы: получение чистого глинозема из руд. Получение первичного алюминия электролизом глинозема, рафинирование первичного алюминия. Чистый глинозем А12О3 получают из бокситов щелочным, кислотным, электро-металлургическим и комбинированным методами.
Металлический алюминий получают по методу, разработанному профессором П. П. Федотьевым в 20-х годах XX в., – электролизом глинозема, растворенного в криолите. Электролизная ванна заключена в стальной кожух 4 (рис. 27), внутри она выложена угольными блоками 2. К подине подведены катодные шины 1, и весь корпус ванны является, таким образам, катодным устройством. Анодами служат угольные блоки 6, которые присоединены к электрододержателям 5. Через загруженную глиноземом и криолитом ванну пропускают постоянный ток силой 70...75 кА и напряжением 4...4,5 В. Шихта нагревается и расплавляется теплотой, выделяющейся при прохождении тока между анодом и катодом. Рабочая температура составляет 930...950°С. Образующийся в процессе электролиза жидкий алюминий собирается на подине ванны, откуда его выкачивают вакуум-насосом в ковш.
Для получения 1 т алюминия расходуется до 18 5000 кВт·ч электроэнергии. Для очистки расплавленного алюминия от растворенных в нем газов и примесей его продувают в течение 10...15 мин хлором.
После рафинирования хлором получают алюминий чистотой до 99,85%, а после дальнейшего электролитического рафинирования – чистотой до 99,99%.
3. Титан – металл серебристого цвета, плотностью 4500 кг/м3 с температурой плавления 1660°С. Титан и его сплавы имеют большую .коррозионную стойкость, жаропрочность и легко поддаются механической обработке. Они хорошо куются, штампуются и прокатываются в листы, ленты и даже в фольгу. Наиболее распространенными рудами для производства титана являются ильменит FeO·TiО2 и рутил TiО2. Существует несколько способов получения металлического титана из руд.
Наиболее широкое применение на заводах получил магнийтермический способ производства титана, который включает следующие технологические операции: обогащение титановой руды; плавку на титановый шлак; получение четыреххлористого титана TiCI4; восстановление титана магнием; очистку титана. Из титана и его сплавов изготовляют насосы для перекачки агрессивных жидкостей, применяемых на животноводческих фермах, которые работают во много раз дольше аналогичных насосов, изготовленных из чугуна, стали и других материалов. Применение деталей из титана и его сплавов в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей примерно на 20%.
4. Магний – серебристо-белый металл, плотностью 1740 кг/м3, с температурой плавления 651°С. Магний и сплавы на его основе имеют малую плотность при сравнительно высоких механических свойствах. Магниевые сплавы обладают способностью хорошо противостоять ударным нагрузкам. Они подразделяются на деформируемые и литейные. Эти сплавы исключительно хорошо обрабатываются резанием. Основными рудами для производства магния являются карналит (MgCI2·KCI·6H2О), магнезит (MgCО3) и другие. Магний получают электролизом из его расплавленных солей.
Электролиз производят при температуре 720°С, напряжении около 3 В и силе тока до 50 кА. Расход электроэнергии на получение 1 т магния составляет 15... 17 тыс. кВт·ч. После рафинирования чернового магния, полученного электролизом, его разливают в изложницы на чушки.
Чистый магний применяют при получении высокопрочного чугуна, в пиротехнике, для приготовления сплавов.
Магниевые сплавы используются для изготовления деталей колес автомобилей, самолетов, а также отбойных молотков, фотоаппаратов, радиодеталей.