Какие сплавы существуют: СПЛАВЫ | Энциклопедия Кругосвет
alexxlab | 29.07.1993 | 0 | Разное
Самые известные виды сплавов | Тверьтехмаш
В производственных процессах металлы в первозданном виде используются довольно редко. Для улучшения физико-химических свойств в их состав добавляют другие элементы. Но кроме добавок, существует большое количество сплавов – металлических материалов которые состоят из двух и более химических элементов.
Всего в промышленности и народном хозяйстве применяется более 5 000 различных сплавов. Сплавы являются основными конструкционными материалами. В промышленности наибольшее распространение получили сплавы на основе железа и алюминия.
По способу производства различают порошковые и литые сплавы. Литой сплав получается путем смешивания компонентов в жидком состоянии с последующей кристаллизацией. А компоненты порошкового сплава сначала смешивают, а потом запекают полученную смесь при высокой температуре.
Также сплавы разделяются на черные и цветные. Черные сплавы – это сплавы, в которых основным компонентом является железо.
Наиболее востребованные черные сплавы – сталь и чугун. Оба эти сплава имеют два основных компонента – железо и углерод, но в стали содержится углерода намного меньше. Чугун более дешевый в производстве материал, к тому же довольно хрупкий, и применяется он в основном для изготовления изделий, не требующих пластичной обработки. Сталь напротив, отлично плавится, и поэтому получила более широкое распространение в промышленности. Кроме этого, благодаря легированию сталей, удалось значительно улучшить их эксплуатационные свойства. Сейчас сталь – наиболее востребованный в промышленности сплав.
Также очень распространены конструкционные сплавы на основе алюминия. Самым известным из них является дюралюминий. Этот сплав помимо основного элемента – алюминия, включает в себя медь, магний и марганец. Долевая часть всех этих компонентов не превышает 7%. Благодаря своей высокой прочности и малому весу, дюралюминий получил широкое применение в авиационной промышленности, ракетостроении и машиностроении.
Из цветных сплавов, помимо дюралюминия необходимо выделить бронзу и латунь. Бронза – самый первый сплав, который стал известен человечеству. Этот материал состоит из меди и олова. Олово здесь выступает в качестве легирующего элемента. Изобретение бронзы в корне изменило жизнь человечества, ведь на смену медному веку – пришел бронзовый. И на протяжении нескольких тысяч лет, бронза была самым востребованным материалом. После открытия стали, бронза утратила свое доминирующее значение. Сейчас этот сплав применяется в приборостроении, машиностроении и для изготовления предметов повседневного обихода.
Еще один известный сплав на основе меди – латунь. Только в качестве легирующего элемента здесь выступает цинк. Латунь долгое время использовалась в качестве заменителя золота, а сейчас широко применяется в приборостроении. Из латуни изготавливают различные детали химической аппаратуры, самолетов, судов, автомобилей.
Кроме вышеперечисленных широко применяются еще несколько сплавов.
Для производства корпусов подшипника используются баббиты – сплавы свинца и олова. Для производства украшений и предметов домашнего обихода применяется мельхиор – сплав меди и никеля. Для изготовления режущих инструментов применяют сплав карбида вольфрама и кобальта – победит.
Сделать анализ сплавов: Нержавеющие, быстрорежущие, износостойкие, прецизионные стали, медные и аллюминиевые сплавы
Номенклатура сплавов на основе железа и других металлов очень велика, что связано с многообразием условий эксплуатации деталей, технологических сред и технологий, используемых при их производстве. Современная промышленность требует разработки новых сплавов с особыми свойствами, которые удовлетворяют возрастающим и изменяющимся потребностям.
Это в свою очередь заставляет работать над созданием совершенных приборов, которые позволяют анализировать сложные сплавы быстро и точно. Атомная эмиссионная спектрометрия дает возможность решать любые аналитические задачи, и служит мощным инструментом в системе контроля качества.
Стали
Конструкционные стали получили наибольшее распространение в промышленности, и обладают комплексом механических свойств, среди которых значение какого-либо не слишком высоко. Основная задача таких железоуглеродистых сплавов – обеспечение достаточной прочности и надежности, а также сопротивляемость усталости и воздействию знакопеременных нагрузок. Такие характеристики достигаются путем легирования и термической обработки. Методики спектрального анализа углеродистых сталей отработаны и не представляют сложности.
Специальные стали обладают особым набором свойств, один из которых наиболее выражен, и определяет ее назначение. Особые свойства обуславливаются наличием одного или нескольких особых факторов: химический состав, способ производства, обработка. Высоколегированные стали также относятся к этой категории. Как правило, специальные стали имеют сложный химический состав, анализ которого требует использования современных методов и более совершенных приборов.
Нержавеющие стали
К этому виду сталей относятся свыше 120 марок, число которых постоянно растет.
В сплаве содержится хром, который образует оксидный слой, служащий защитой от коррозии.
Коррозионно-стойкие стали бывают:
- хромистые;
- хромо-никелевые;
- хромо-никель-молибденовые;
- хромо-никель-молибден-медистые;
- хром-никель-марганцевые.
Структура нержавеющих сталей различается в зависимости от соотношения в них углерода и хрома.
Инструментальные быстрорежущие стали
К быстрорежущим относят стали, из которых изготавливаются инструменты высокой производительности. Они обладают повышенной стойкостью к красноломкости, и отличаются высокой износостойкостью. Основные легирующие элементы: W, Mo, V, Cr, Co. В этих сплавах присутствуют сложные карбиды, массовая доля которых составляет около 30%, причем при повышении температуры содержание легирующих элементов снижается, так как они переходят в твердый раствор.
Износостойкие стали
Конструкционные износостойкие стали обладают высоким сопротивлением износу. К ним относят стали:
- Шарикоподшипниковые.
Они имеют повышенное содержание углерода (0,95-1,15%) и хром. Находят применения для изготовления элементов подшипников качения. - Высокомарганцовистые. В них высокое содержание не только марганца, но и углерода.
Они имеют повышенное содержание углерода (0,95-1,15%) и хром. Находят применения для изготовления элементов подшипников качения.Существует ряд других марок сталей, относящихся к износостойким. Все они способны работать в условиях воздействия больших нагрузок, давлений и обладают сопротивлением к истиранию.
Мартенситно-стареющие стали
Эти стали обладают высокими прочностными и технологическими характеристиками, и в своем составе практически не содержат углерод. В их основу входят, кроме железа и никеля, кобальт, молибден, титан алюминий, ниобий и хром. Содержания Ni находится в диапазоне 7-20%.
Из мартенситно-стареющих сталей изготавливают ответственные детали с высокой прочностью, и обладающие вязкостью при низких температурах.
Подшипниковые стали
Характер нагрузок при работе подшипниковых сталей связан с высокими локальными нагрузками, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по чистоте сплава.
Они должны обеспечивать высокую статическую грузоподъемность и сопротивление контактной усталости. Требуемая износостойкость достигается введением углерода и хрома.
Прецизионные стали
Эта группа сталей характеризуется высоким уровнем определенных свойств, и подразделяется на следующие виды:
- магнитомягкие и магнитотвердые;
- с заданным коэффициентом теплового расширения;
- с особыми упругими свойствами;
- жаропрочные;
- сверхпроводящие;
- обладающие комплексом физических свойств.
Множество прецизионных сплавов получают на основе металлов, входящих в подгруппы: железа, кобальта, никеля. В настоящее время созданы сплавы, основу которых составляет: марганец, хром, титан, ниобий, ванадий, переходные и редкоземельные металлы.
Цветные металлы и сплавы
К черным металлам принято относить железо и сплавы на его основе, а к цветным – все остальные металлы. Последние находят ограниченное применение по сравнению с черными металлами, тем не менее роль их в промышленности велика, и новые сплавы создаются постоянно в соответствии с развитием технологий.
Спектральный эмиссионный анализ играет большую роль в этих процессах, и позволяет решать задачи любой сложности.
Медь и сплавы
Медь (Cu) – цветной металл, который получил наибольшее распространение в промышленности. Чистая медь используется в электротехнике, а сплавы на ее основе – в различных отраслях техники.
Основные примеси технически чистой меди: висмут, сурьма, мышьяк, железо, никель, сера. Их источником служат руды. Эти примеси не удаляются даже после очистки меди. Медь обладает высокими показателями пластичности, что облегчает ее деформацию давлением, а присутствие Bi и Sn резко их снижают.
Латуни – сплавы меди с цинком.
Они бывают:
- Однофазные с содержанием цинка менее 39%. Они хорошо поддаются пластической деформации в холодном и горячем состоянии.
- Двухфазные, в которых содержание цинка находится в диапазоне 39-50%. Прочность и износостойкость двухфазных латуней выше, чем у однофазных сплавов.
Латуни плохо обрабатываются резанием.
Добавление в сплав свинца позволяет улучшить показатели обрабатываемости.
Специальные латуни обладают улучшенными механическими и химическими свойствами. Это достигается путем введения Sn, Si, Mn, Al и Fe.
Бронзы – это сплав на основе меди с другим элементом, за исключением цинка. Наибольшее распространение получили следующие бронзы:
- Оловянные;
- Безоловянные: алюминиевые, кремнистые, марганцовистые, бериллиевые, свинцовистые.
Алюминий и сплавы
Алюминий (Al) – легкий металл с высокой электропроводностью, который широко используется в электротехнике и машиностроении. Металл имеет низкую температуру плавления и высокую пластичность.
Железо и кремний – неизбежные примеси в алюминии, которые снижают его технологические характеристики. При одновременном присутствии в металле Fe и Si пластичность ухудшается.
Сплавы на основе алюминия с легирующими элементами очень разнообразны. Присутствие в сплаве меди, кремния, магния, цинка приводит к резкому изменению свойств.
Все алюминиевые сплавы подразделяются на две группы:
- Деформируемые. Предназначены для производства изделий обработкой металла давлением.
- Литейные. Используются для получения отливок.
Магний и сплавы
Магний – металл светло-серого цвета с малой плотностью и низкой температурой плавления. Он способен воспламеняться на воздухе. Область применения: пиротехника и химическая промышленность.
Сплавы на основе магния представляют соединение металла с алюминием, цинком, марганцем. Они бывают деформируемые и литейные. Магниевые сплавы обладают высокой прочностью и пластичностью, поэтому используются в машиностроении для изготовления ответственных деталей.
Титан и сплавы
Титан – полиморфный металл, который обладает малой плотностью и высокой прочностью.
Уникальные свойства этого металла делают его ценным конструкционным материалом, и позволяют использовать его при строительстве летательных аппаратов, судов, ракет и в химической промышленности.
Для улучшения свойств технический титан легируют с использованием следующих металлов: алюминий, хром, железо, марганец, олово, ванадий. Присутствие того или иного элемента изменяет точку аллотропического превращения титана и структуру твердого раствора. Алюминий представляет особую ценность в титановых сплавах, и содержится в любом их них, так как улучшает свойства.
Методы анализа сложных сплавов
Из сказанного выше становится очевидно, насколько велика номенклатура сплавов, представляющих практический и научный интерес, и как разнообразны аналитические задачи. Современные подходы к построению системы контроля качества требуют использования измерительных средств, которые обеспечивают возможность оперативного получения точных результатов анализа элементного состава металла или сплава.
При этом обязательно учитывается экономический эффект и окупаемость приборов.
Рентгено-флюоресцентный анализ
Возможности рентгено-флуоресцентного анализа при исследовании сложных сплавов впечатляют. Метод отличается экспрессностью, и позволяет с высокой степенью точности определить элементы от бериллия до урана, начиная с тысячных долей процента до 100%.
К преимуществам РФА относят:
- Возможность проведения исследования твердых проб без изменения их агрегатного состояния, а жидких – без необходимости отделения органики.
- Приборы не нуждаются в калибровке.
- Неразрушающий характер возбуждения спектра.
- Высокая скорость получения результатов анализа.
Несмотря на большие возможности рентгено-флуоресцентных спектрометров при решении аналитических задач любой сложности, существует ряд факторов, которые сдерживают массовое использование этого оборудования:
- Высокая стоимость.
- Необходимость придания пробе определенной формы и приведение к размерам, позволяющим поместить в измерительную кассету.
- Дорогостоящая периферия прибора и его обслуживание.
Спектрометры с индуктивно-связанной плазмой
Приборы этого типа способны проводить спектральный анализ проб, находящихся в жидком состоянии. Эта особенность спектрометров с индуктивно-связанной плазмой определяет их достоинства и недостатки.
Преимущества ИСП-спектрометров:
- Возможность одновременного определения десятков элементов.
- Линейная зависимость градуировочных характеристик по всему спектру.
- Доступная стоимость градуировочных растворов.
К недостаткам относят:
- Необходима помощь химико-аналитической лаборатории.
- Большая продолжительность исследования, которая связана с необходимостью перевода пробы в раствор.
- Прибор не способен определять углерод.
- При повышении концентрации снижается точность результатов исследования.
- Недостаточная нормативная база.
- Высокая стоимость оборудования.
Оптико-эмиссионная спектрометрия
Для анализа сложных сплавов широко используются оптико-эмиссионные спектрометры с низковольтной искрой в среде аргона.
Они лишены недостатков приборов с высоковольтной искрой и дуговых спектрометров, и позволяют определять неограниченное число элементов при их концентрации от тысячных долей процента. Измерения отличаются стабильностью и имеют низкую погрешность. На подавляющее большинство металлов и сплавов разработана нормативная документация.
Основные достоинства ОЭС:
- Возможность определения неограниченного числа элементов.
- Низкий предел обнаружения и погрешность.
- Экспрессность.
- Невысокая стоимость оборудования по сравнению с РФА и ИСП-приборами.
- Простота эксплуатации и обслуживания.
Оптико-эмиссионные спектрометры не лишены недостатков:
- Повышенные требования к качеству аргона.
- Проведение пробоподготовки должно выполняться в соответствии с требований ГОСТ.
- При повышении концентрации происходит снижение надежности измерений.
- Возможен анализ только монолитных токопроводящих проб.
Выводы
Выбор спектрального прибора для анализа сложных сплавов обусловлен особенностями производства и частотой проведения исследований:
- При необходимости проведения анализа только цветных металлов и сплавов с невысокими требованиями к легитимности, можно обратить внимание на эмиссионный искровой спектрометр.
- Если к указанным выше требованиям присоединяется необходимость определять большое число элементов и повышенные требования к погрешности, то оптимальный вариант – спектрометр с низковольтной искрой в среде аргона.
- На производствах, занимающихся выпуском жаропрочных и жаростойких сталей может быть рассмотрен вариант применения спектрометров РФА. При этом его вероятно придется дополнить прибором для исследования легких элементов.
Сплав | Компоненты | Типичное использование |
|---|---|---|
Алнико | Железо (50%+), алюминий (8–12%), никель (15–25%), кобальт
(5–40%), а также другие металлы, такие как медь и титан. | Магниты в громкоговорителях и звукосниматели в электрогитарах. |
Амальгама | Ртуть (45–55%), а также серебро, олово, медь и цинк. | Зубные пломбы. |
Баббит металлический («белый металл») | Олово (90%), сурьма (7–15%), медь (4–10%). | Покрытие, уменьшающее трение в подшипниках машин. |
Латунь | Медь (65–90%), цинк (10–35%). | Дверные замки и засовы, латунь музыкальные инструменты, центральное отопление трубы. |
Бронза | Медь (78–95%), олово (5–22%), плюс марганец, фосфор, алюминия или кремния. | Декоративные статуэтки, музыкальные инструменты. |
Чугун | Железо (96–98%), углерод (2–4%), плюс кремний. | Металлические конструкции, такие как мосты
и тяжелая посуда. |
Константан | Медь (55%), никель (45%). | Тензорезисторы и термопары. |
Медно-никелевый сплав (медно-никелевый) | Различные пропорции меди и никеля. В наиболее распространенном варианте используется 90% меди и 10% никеля. но другие разновидности включают 70% меди и 30% никеля. В других разновидностях используется небольшое количество алюминия, хрома, олова, или марганец. | Монеты. |
Дюралюминий | Алюминий (94%), медь (4,5–5%), магний (0,5–1,5%), марганец (0,5–1,5%). | Кузовные детали автомобилей и самолетов, военная техника. |
Бронзовый металл | Медь (80–90%), олово (3–10%), цинк (2–3%) и фосфор. | Ружья, декоративные изделия. |
Инвар | Железо (64%), никель (36%), чем и объясняются его альтернативные названия: FeNi36 и 64FeNi. | Маятниковые часы и научные приборы, которым необходимо противостоять тепловое расширение. Необычное название сокращено от слова «неизменность» (поскольку размер блок инвара очень мало изменяется при нагревании). |
Магнокс | Магний, алюминий. | Контейнеры с твэлами в ядерных реакторах. |
Монель® | Никель (66%), медь (31,5), а также небольшое количество углерода, кремния, марганца и железа. | Сплав с высокой коррозионной стойкостью, используемый в корпусах самолетов и транспортных компонентах. |
Нихром | Никель (80%), хром (20%). | Устройства розжига фейерверков, нагревательные элементы в электроприборах. |
Нитинол | Никель (50–55%), титан (45–50%). | Сплав с памятью формы, используемый в медицинских изделиях, оправах для очков
которые возвращаются к форме, и температура переключается. |
Олово | Олово (80–99%) с медью, свинцом и сурьмой. | Украшения, используемые для изготовления посуды перед стеклом стал более распространенным. |
Припой | Варьируется. Старомодные припои содержат смесь олова (50-70%), свинца (30-50%), меди, сурьмы и др. металлы. Новые припои обходятся без свинца из соображений безопасности. Типичный современный припой имеет 99,25% олова и 0,75% меди. | Соединение электрических компонентов в цепи. |
Сталь (общая) | Железо (80–98%), углерод (0,2–2%), а также другие металлы, такие как хром, марганец и ванадий. | Металлоконструкции, детали автомобилей и самолетов и многое другое. |
Сталь (нержавеющая) | Железо (50%+), хром (10–30%), плюс меньшее количество
углерод, никель, марганец, молибден и другие металлы. | Ювелирные изделия, медицинские инструменты, посуда. |
Стеллит | Кобальт (67%), хром (28%), вольфрам (4%), никель (1%). | Покрытие для режущих инструментов такие как зубья пилы, токарные станки и бензопилы. |
Серебро пробы | Серебро (92,5%), медь (7,5%). | Столовые приборы, украшения, медицинские инструменты, музыкальные инструменты. |
Суперсплавы | Обычно (но не всегда) на основе никеля: никель (45–70%), хром (14–30%), плюс небольшое количество различных других металлов (обычных, таких как железо, молибден и медь, или более необычных). такие как рений, гафний и рутений) и неметаллы (например, кремний, углерод или фосфор). | Защитные высокотемпературные материалы, широко используемые в аэрокосмических двигателях, где алюминий и сталь не подходят. |
Белое золото (18 карат) | Золото (75%), палладий (17%), серебро (4%), медь (4%) | Ювелирные изделия. |
Металл Вуда | Висмут (50%), свинец (26,7%), олово (13,3%), кадмий (10%). | Припой, плавкий элемент в спринклерных системах пожаротушения. |
Примеры включают семейство Inconel®, сплавы Waspaloy®, Hastelloy® и сплавы CMSX (такие как CMSX-4®).Сплав | Компоненты | Типичное использование |
|---|---|---|
Алнико | Железо (50%+), алюминий (8–12%), никель (15–25%), кобальт
(5–40%), а также другие металлы, такие как медь и титан. | Магниты в громкоговорителях и звукосниматели в электрогитарах. |
Амальгама | Ртуть (45–55%), а также серебро, олово, медь и цинк. | Зубные пломбы. |
Баббит металлический (“белый металл”) | Олово (90%), сурьма (7–15%), медь (4–10%). | Покрытие, уменьшающее трение в подшипниках машин. |
Латунь | Медь (65–90%), цинк (10–35%). | Дверные замки и засовы, латунь музыкальные инструменты, центральное отопление трубы. |
Бронза | Медь (78–95%), олово (5–22%), плюс марганец, фосфор, алюминия или кремния. | Декоративные статуэтки, музыкальные инструменты. |
Чугун | Железо (96–98%), углерод (2–4%), плюс кремний. | Металлические конструкции, такие как мосты
и тяжелая посуда. |
Константан | Медь (55%), никель (45%). | Тензорезисторы и термопары. |
Медно-никелевый сплав (медно-никелевый) | Различные пропорции меди и никеля. В наиболее распространенном варианте используется 90% меди и 10% никеля. но другие разновидности включают 70% меди и 30% никеля. В других разновидностях используется небольшое количество алюминия, хрома, олова, или марганец. | Монеты. |
Дюралюминий | Алюминий (94%), медь (4,5–5%), магний (0,5–1,5%), марганец (0,5–1,5%). | Кузовные детали автомобилей и самолетов, военная техника. |
Бронзовый металл | Медь (80–90%), олово (3–10%), цинк (2–3%) и фосфор. | Ружья, декоративные изделия. |
Инвар | Железо (64%), никель (36%), чем и объясняются его альтернативные названия: FeNi36 и 64FeNi. | Маятниковые часы и научные приборы, которым необходимо противостоять тепловое расширение. Необычное название сокращено от слова «неизменность» (поскольку размер блок инвара очень мало изменяется при нагревании). |
Магнокс | Магний, алюминий. | Контейнеры с твэлами в ядерных реакторах. |
Монель® | Никель (66%), медь (31,5), а также небольшое количество углерода, кремния, марганца и железа. | Сплав с высокой коррозионной стойкостью, используемый в корпусах самолетов и транспортных компонентах. |
Нихром | Никель (80%), хром (20%). | Устройства розжига фейерверков, нагревательные элементы в электроприборах. |
Нитинол | Никель (50–55%), титан (45–50%). | Сплав с памятью формы, используемый в медицинских изделиях, оправах для очков
которые возвращаются к форме, и температура переключается. |
Олово | Олово (80–99%) с медью, свинцом и сурьмой. | Украшения, используемые для изготовления посуды перед стеклом стал более распространенным. |
Припой | Варьируется. Старомодные припои содержат смесь олова (50-70%), свинца (30-50%), меди, сурьмы и др. металлы. Новые припои обходятся без свинца из соображений безопасности. Типичный современный припой содержит 99,25% олова и 0,75% меди. | Соединение электрических компонентов в цепи. |
Сталь (общая) | Железо (80–98%), углерод (0,2–2%), а также другие металлы, такие как хром, марганец и ванадий. | Металлоконструкции, детали автомобилей и самолетов и многое другое. |
Сталь (нержавеющая) | Железо (50%+), хром (10–30%), плюс меньшее количество
углерод, никель, марганец, молибден и другие металлы. | Ювелирные изделия, медицинские инструменты, посуда. |
Стеллит | Кобальт (67%), хром (28%), вольфрам (4%), никель (1%). | Покрытие для режущих инструментов такие как зубья пилы, токарные станки и бензопилы. |
Серебро пробы | Серебро (92,5%), медь (7,5%). | Столовые приборы, украшения, медицинские инструменты, музыкальные инструменты. |
Суперсплавы | Обычно (но не всегда) на основе никеля: никель (45–70%), хром (14–30%), плюс небольшое количество различных других металлов (обычных, таких как железо, молибден и медь, или более необычных). такие как рений, гафний и рутений) и неметаллы (например, кремний, углерод или фосфор). | Защитные высокотемпературные материалы, широко используемые в аэрокосмических двигателях, где алюминий и сталь не подходят. |
