Лекции по "Металлургии"

На основе цветных  металлов возможно получение полуфабрикатов при скоростях охлаждения на один - два порядка меньше, чем для сплавов на основе железа. Такие скорости, в перспективе, могут обеспечить не только увеличение толщины и ширины ленты, проволоки и т.д., но и упрощение некоторых сложных установок для быстрой закалки расплава. При этом можно будет использовать и некоторые традиционные методы литья (например, под давлением и т.п.) с получением не только полуфабрикатов, но и готовых изделий.

Необходимо отметить, что наряду с особыми физическими  свойствами аморфные сплавы на основе ряда цветных металлов обладают высокими прочностными свойствами (табл. 2.7).

В целом тенденции  применения аморфных сплавов таковы, что в настоящее время сохраняется приоритет их использования для изготовления деталей электротехнических и электронных устройств и приборов в качестве материалов с заданными электромагнитными свойствами.

Таблица 2.7 - Свойства некоторых аморфных сплавов на

основе титана

СПЛАВ	НВ	sв, МПа	Тд, К
Ti85Si15	510	196	702
Ti70Mn20Si10	580	274	826
Ti60C56o30Si10	720	261	841

 

Малое количество исследований по конструктивной прочности аморфных сплавов, а также трудности получения заготовок крупных размеров не позволяют точно указать все возможные области применения этих сплавов как конструкционных материалов.

Тема 3   НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ

3.1  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: различные виды пластмасс, КМ на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные материалы, а также графит, стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная  прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании.

В следующем разделе  будут рассмотрены неорганические полимерные материалы, как природные (графит), так и синтетические (стекло, керамика).

 

3.2  НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

 

К неорганическим полимерным материалам относятся минеральное стекло, ситаллы, керамика и др. Этим материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются  растягивающим и изгибающим усилиям и имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикитные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия, магния, циркония и другие, обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

В группу неорганических полимеров входит также графит. Таким  образом, неорганические материалы  подразделяют на графит, неорганическое стекло, стеклокристаллические материалы - ситаллы и керамику.

 

3.2.1  НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

СТРОЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СТЕКОЛ

Неорганическое стекло следует  рассматривать как особого вида затвердевший раствор - сложный расплав  высокой вязкости кислотных и основных оксидов.

Самые древние образцы стекла обнаружены в Египте. В Индии, Корее, Японии найдены стеклянные изделия, возраст которых 4000 лет. Несмотря на такую древнюю историю, массовый характер производства стекло приобрело лишь в конце ХIХ столетия, благодаря изобретению печи Сименса - Мартина и заводскому производству соды. А технология изготовления листового стекла была разработана лишь в начале ХХ века.

Основу стекла образует объемная сетка из однородных структурных элементов. В наиболее простом по составу кварцевом стекле такими элементами являются тетраэдры SiO₄, которые соединяются своими вершинами (рис. 3.1). Из таких же тетраэдров образована структура кристаллического кварца. Различие между двумя веществами одинакового химического состава объясняется размещением SiO₄. Углы между связями кремний - кислород в соседних тетраэдрах в кварцевом стекле меняется в широких пределах (120 - 180°), чем и объясняется неупорядоченное расположение тетраэдров SiO₄. В кристаллическом кварце тетраэдры SiO₄ размещены упорядоченно и образуют кристаллическую  решетку, в этом случае значения углов находятся в более узком интервале. Структура аморфного стекла возникает, когда повышение вязкости стеклянной массы препятствует ее кристаллизации.

 

Рисунок 3.1 – Расположение тетраэдров SiO₄ в стекле

(α – угол между связями Si – O)

 

Стеклянные изделия получают в результате расплавления измельченных веществ определенного химического состава с последующей переработкой расплавленной стекломассы.

Для этого используют стеклообразующие, модифицирующие и промежуточные окислы.

К стеклообразующим относят окислы Si, B, P, Ge, As.

Модифицирующими являются окислы Na, K, Li, Ca, Mg, Zn, Ba и другие, которые придают  изделиям различные физико-химические свойства.

К промежуточным относят окислы Al, Pb, Fe, Ti, Be, которые могут замещать некоторую часть стеклообразующих окислов в структуре стекла.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической природы  стеклообразующего вещества стекла подразделяют на:

- силикатные (SiO₂);

- алюмосиликатные (Al₂O₃ - SiO₂);

- боросиликатные (B₂O₃ - SiO₂);

- алюмоборосиликатные  (Al₂O₃ - B₂O₃ - SiO₂);

- алюмофосфатные (Al₂O₃ - P₂O₅);

- борофторалюмосиликатные  (B₂O₃ - F - Al₂O₃ -  SiO₂);

- алюмосиликофосфатные (Al₂O₃ - SiO₂ - P₂O₅);

- силикотитанатные (SiO₂ - TiO₂);

- силикоцирконатные (SiO₂ - ZrO₂).

По содержанию модификаторов  стекла бывают:

- щелочными (содержащими  оксиды Na₂O, K₂O);

- бесщелочными;

- кварцевыми.

По назначению все  стекла подразделяют  на:

- технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химиколабораторные, приборные трубные);

- строительные (оконные,  витринные, армированные, стеклоблоки);

- бытовые (стеклотара, посудные, бытовые  зеркала и т.п.).

Технические стекла в  большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих оксидов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛА

При нагреве стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава (рис. 3.2). Для промышленных силикатных стекол температура стеклования t_c = 425 - 600°С, температура размягчения лежит t_р лежит в пределах 600 - 800°С. В интервале температур между t_с и t_р стекла находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температуре выше t_р (1000 - 1100°С) проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность стекла колеблется от 2,2 до 6,5 г/см³ (для стекла с оксидами свинца или бария она может достигать 8,0 г/см³).

Механические  свойства стекла зависят от химического состава и термической обработки и характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500 - 2000 МПа), низким пределом прочности при растяжении (30 - 90 МПа) и изгибе (50 – 150 МПа). Модуль упругости высокий (45 – 100 МПа), коэффициент Пуассона (0,184 - 0,26). Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапания по минералогической шкале Мооса и равна 5 - 7 единицам (за 10 единиц принята твердость алмаза, за единицу - талька). Ударная вязкость стекла низкая (1,5 - 2,5 кДж/м²), оно хрупкое. Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.

Прочность стекла зависит от нескольких составляющих: способа выработки и обработки поверхностей и торцов, однородности, степени отжига или закалки, состояния поверхности листа и его размеров.

Химическая стойкость стекол зависит от химического состава,  температуры и давления. Оксиды, увеличивающие химическую стойкость: SiO₂, ZrO₂, TiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, CaO, MgO, ZnO. Оксиды, уменьшающие химическую стойкость: LiO₂, Na₂O, K₂O, BaO, PbO.

Стекло растворяется (корродирует) под воздействием HF, H₃PO₄, растворов щелочей, карбонатов, кислот. С повышением температуры и увеличением давления химическая стойкость стекла уменьшается.

 

Рисунок 3.2 – Зависимость свойств стекла от температуры:

                                             η – вязкость;

                                            Е – удельный объем и теплосодержание;                            

                                           dE/dt – теплоемкость и температурный коэффициент    

                                                        линейного расширения;

                                            t_c - температура стеклования;

                                            t_p – температура размягчения

 

Электропроводность стекла резко возрастает с повышением температуры и с увеличением содержания ионов Li, Na, K, Pb.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90%, отражает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47 - 1,96; коэффициент рассеяния (дисперсии) находится в интервале 20 - 71. Стекло с большим содержанием PbO поглощает рентгеновское излучение.

Термостойкость стекла зависит от  состава и методов переработки. Так стекла, содержащие окислы Al и Fe, лучше проводят тепло, а содержащие окислы Ba и Pb - хуже. Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде (Т°С = 0).

Механическая прочность  и теплостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термического упрочнения.

Закалка заключается  в нагреве стекла до температуры  выше t_с и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3 - 6 раз, ударная вязкость в 5 - 7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры  стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение. Повышения прочности и термостойкости можно добиться травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

 

ВИДЫ СТЕКОЛ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Обычное промышленное силикатное стекло выпускается следующих марок и видов:

- листовое стекло (тянутое) - оконное, витринное, технические и пеностекло (71,5 - 72,5 % SiO₂);

- сортовое стекло (посудное) - 73 - 75 % SiO₂;

- свинцовый хрусталь (52 - 62 % SiO₂, 18 - 36 %PbO);

- тарное полубелое  стекло (бутылочное, баночное и т.д.) - 72 - 75 % SiO₂;

- электроколбочное стекло  БД - 1 (для деталей ламп и т.д.) - 69,5 SiO₂;

- светорассеивающее молочное стекло (для светотехнической арматуры, оболочек ламп, художественных изделий) - 57 - 73 % SiO₂;

- медицинское нейтральное стекло  НС - 1 (для ампул) - 73 % SiO₂;

- химико - лабораторное стекло N 23 - 68,6  % SiO₂;

- термометрическое стекло - 72 % SiO₂;

- электровакуумное стекло 3С - 5к (для спаивания с металлами) - 66,9  % SiO₂; 20,3 % B₂O₃;

- кварцевое стекло - 99,6 - 99,9 % SiO₂;

- термостойкое стекло “пирекс” (МКР - 1) - 80,2 - 80,6 % SiO₂; 11,6 - 12,9% B2O₃;

- стекло “викор” (прозрачное  для ультрафиолетовых лучей) - 94 % SiO₂;

- стекло Линдемана (прозрачное  для рентгеновских лучей) - 64 - 83 % B₂O₃;