Лабораторна робота № 8

Тема: ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ І МІКРОСТРУКТУРИ СПЕЦІАЛЬНИХ СПЛАВІВ.

Мета: ознайомитись з основними групами деяких спеціальних матеріалів, отриманих методом порошкової металургії; вивчити їх властивості та мікроструктуру; ознайомитись з технологією отримання металокерамічного сплаву САП-1.

Теоретичні відомості:

Розвиток нових видів техніки, наприклад, літальних апаратів з надзвуковими швидкостями, атомних реакторів, приладів радіотехніки і т.п., вимагає розробки нових металів і сплавів, що володіють визначеними фізичними властивостями, більш високою міцністю, жаростійкістю і корозійною стійкістю.

З найбільш розповсюджених нових матеріалів слід відмітити такі: титан і його сплави, САП-1, вольфрам, молібден, тантал, ніобій, мідно-вольфрамовий сплав і ферити.

Титан і його сплави. Титан і титанові сплави є новими конструкційними матеріалами, що одержали широке застосування в різних галузях техніки: у літакобудуванні, суднобудуванні, а також у машинобудівній і хімічній промисловості.

Технічний титан марок ВТ1-1 і ВТ1-2 має високу міцність, твердість і пластичність при малій густині. Титан марки ВТ1 має високу корозійну стійкість. За стійкістю на повітрі й у морській воді він не поступається платині, що пояснюється утворенням на поверхні деталі тонкої окисної плівки, яка має високу густину. Зварюваність титану хороша, оброблюваність різанням задовільна.

Титан має дві алотропні форми: нижче 882°С існує а-титан з гексагональною граткою, вище 882°С – β-титан з кубічною об’ємноцентрованою граткою.

У рівноважному (відпаленому) стані титан має поліедричну структуру а-твердого розчину. При швидкому охолодженні (литво, гартування) має голкову структуру (подібну до мартенситу в сталях), що називається а-фазою.

До недоліків титану як конструкційного матеріалу відносяться: низький модуль пружності (у 2 рази менший, ніж у заліза), повзучість, зношування при терті. З технічного титану виготовляють деталі, які працюють у різних середовищах, що кородують: вентилі, помпи, реактори, теплообмінники і т.д., а також внутрішні частини хімічної апаратури, обшивки корпусів гідролітаків, кораблів. Застосовується технічний титан і для виготовлення деталей, що працюють при температурах до 350°С.

Основним легуючим елементом титанових сплавів є алюміній, що підвищує жароміцність і утворює з титаном сплави, придатні для зварювання. Хром, марганець, залізо дозволяють одержувати високоміцні матеріали з титанових сплавів при збереженні хорошої пластичності. Недоліком цих легуючих добавок є те, що при тривалій витримці при температурі вище 400°С, вони надають сплавам здатність окрихчуватись. Молібден, ванадій, а також олово (разом з алюмінієм) є легуючими добавками, що стабілізують сплави, які схильні до окрихчення.

Основними перевагами титанових сплавів є мала густина, високі механічні властивості й опір корозії. Корозійна стійкість титанових сплавів близька до стійкості технічного титану ВТ1. Це дозволяє використовувати титанові сплави для роботи в різних агресивних середовищах. Основа сплавів – титан – має високу температуру плавлення (1660°С), що є необхідною умовою одержання жароміцних сплавів. Малий коефіцієнт лінійного розширення забезпечує роботу титанових сплавів в умовах теплових змін. Разом з тим титанові сплави володіють низькими антифрикційними властивостями, тому для виготовлення деталей, що працюють в умовах зносу вони є непридатними.

Хімічний склад, фізичні і механічні властивості титанових сплавів приведені в таблицях 9.1, 9.2, 9.3.

Таблиця 9.1

Хімічний склад титанових сплавів

Марка сплаву	Основні компоненти, % (Ті-решта)
	А1	Сr	Мо	Мn	V
ВТ3	4-6,2	2-3	–	–	–
ВТ3-1	4-6,2	1,5-2,5	1-2,8	–	–
ВТ4	4-5	–	–	1-2	–
ОТ4	2-3,5	–	–	1-2	–
ОТ4-1	1-2,5	–	–	0,8-2,0	–
ВТ5	4-2,5	–	–	–	–
ВТ5-1	4-5,5	–	–	Sn2-3	–
ВТ6	5-6,5	–	–	–	–
ВТ8	5,8-6,8	–	2,8-3,8	–	3,5-4,5

Таблиця 9.2

Фізичні властивості титанових сплавів

Марка сплаву	Густина г/см^3, (´10^3кг/м^3)	Коефіцієнт теплопровідності при 25°-500°С, кал/см´с´°С (´418,68 Вт/м´°С)	Коефіцієнт лінійного розширення 20-100^0С´10^6, 1/°С
ВТ3	4,46	0,017	8,4
ВТ3-1	4,5	0,019	8,6
ВТ4	4,6	0,020	8,4
ОТ4	4,55	0,020	8,0
ВТ5	4,4	0,018	8,3
ВТ6	4,43	0,020	8,41
ВТ8	4,48	0.017	8,4

Таблиця 9.3

Механічні властивості титанових сплавів

Марка сплаву	sВ	s0,2	d,%	НВ, МПа
	МПа
ВТ3	1050	950	13	2600-3400
ВТ3-1	1070	970	13	2600-3400
ВТ4	850	750	18	–
ОТ4	770	600	27	HRB 60-70
ВТ5	870	770	18	–
ВТ6	950	850	10	3200-3600
ВТ8	1110	1020	12	3100-3500

Титанові сплави залежно від структури розділяються на три види:

а-сплави (рис. 6.1,а), а+β -сплави (рис. 6.1,б) і β-сплави.

З найбільш розповсюджених промислових а-титанових сплавів слід відзначити сплави марок ВТ5, ВТ5-1.

До титанових сплавів з а+β -структурою відносяться сплави ВІД4, ВТ4, ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6 і ВТ8.

За призначенням титанові сплави підрозділяють на сплави загального призначення (ВТ6), сплави для листів (ОТ4, ВТ4. ВТ5) і жароміцні сплави (ВТЗ, ВТЗ-1 і ВТ8).

Сплав ВТ6 застосовується для виготовлення кріпильних і інших деталей, що працюють при температурі до 400–450°С, а також для виготовлення зварних деталей з наступною термічною обробкою.

Сплави ОТ4 і ВТ4 застосовуються для листових напівфабрикатів деталей, що працюють при температурах до 350°С і піддаються зварюванню, штампуванню, гнуттю. Сплав ВТ5 відрізняється від сплавів ВІД4 і ВТ4 кращою зварюваністю. Застосовується як листи для виготовлення деталей, що піддаються зварюванню і експлуатуються при температурах до 400°С.

Сплав ВТЗ застосовується як конструкційний матеріал для деталей, що працюють при температурах до 350°С. Сплав ВТЗ-1 є модифікацією сплаву ВТЗ (з добавкою молібдену), застосовується для виготовлення кованих і штампованих деталей, що працюють при температурах до 500°С.

Сплав ВТ8 має підвищену жароміцність порівняно з іншими титановими сплавами. Застосовується для виготовлення, катаних і штампованих деталей, що працюють при температурах до 600°С.

Спечені порошкові сплави. Спечений порошковий сплав САП-1 – тепломіцний матеріал, виготовлений з алюмінієвої пудри марки АПС-1 шляхом брикетування, спікання і потім гарячого пресування при питомому тиску 350–650МПа і температурі 450-550°С. САП-1 виготовляють у вигляді прутків, смуг, профілів, труб, дроту, листів, фольги, штамповок і широко застосовують у різних галузях промисловості. Хімічний склад САП-1: 6–9% Аl₂О₃; Fе<0,25%; інше Аl. Фізичні і механічні властивості САП-1 приведені в таблицях 9.4 і 9.5.

Таблиця 9.4

Фізичні властивості САП-1

Густина, г/см^3 (´10^3кг/м^3)	Коефіцієнт теплопровідності при 25-500°С, кал/см´с´°С (´418,68 Вт/м´°С)	Коефіцієнт лінійного розширення, 20-100^0С´10^6, 1/°С
2,73	0,4-0,36	21,2

Таблиця 9.5

Механічні властивості САП-1

Температура випробування, °С	Е	s0,2	sВ	d,%	НВ, МПа
	МПа
20	66000	230	330	6	95-1000
500	37000	80	100	1	–

САП-1 має таку ж корозійну стійкість, як і алюміній А00. Матеріал задовільно деформується в гарячому стані. Температура гарячої деформації 450-570°С. Оброблюваність різанням хороша. Матеріал характеризується стабільністю властивостей після нагрівання до 500°С. При перегріві до 600°С на деталях зі сплаву САП-1 з’являються тріщини.

Структура сплаву складається з механічної суміші алюмінію з оксидами алюмінію.Застосовується для виготовлення деталей, що довго працюють при температурах 350-500°С.

Тугоплавкі метали. До найбільш розповсюджених тугоплавких металів відносяться вольфрам, молібден, тантал і ніобій. Ці метали отримують методом порошкової металургії.

Тугоплавкі метали характеризуються високою температурою плавлення і високою жароміцністю, великою густиною і малим коефіцієнтом термічного розширення.

Тугоплавкі метали мають об’ємноцентровану кубічну гратку. Їх недолік – легка окислюваність при високих температурах. Основні фізичні і механічні властивості тугоплавких металів приведені в таблицях 9.6 і 9.7.

Таблиця 9.6

Фізичні властивості тугоплавких металів

Метал	Температура плавлення, °С	Густина, г/см^3(´10^3кг/м^3)	Коефіцієнт теплопровідності, кал/см´с´°С (´418,68 Вт/м´°С)	Коефіцієнт лінійного розширення, 20°С´10^6, 1/°С
W	3410	19,3	0,48	4,5
Мо	2610	10,2	0,35	5,4
Та	2996	16,6	0,13	6,6
Nb	2415	8,56	0,125	7,1

Таблиця 9.7

Механічні властивості тугоплавких металів

Метал	sв	s0,2	d,%	НV, МПа
	МПа
W	600	–	2	4000-5000
Мо	475	446	46	1870
Та	320-460	—	25-40	880-1100
Nb	250	170	60	1150

Структура вольфраму, молібдену, танталу і ніобію в рівноважному (відпаленому) стані поліедрична. Тугоплавкі метали використовуються в техніці у вигляді чистих металів у сплавах. Вольфрам застосовують у виробництві електроламп, рентгенівської апаратури, високовакуумних підсилювачів, випрямлячів високої напруги, в радіотехніці та ін. Вольфрамовий дріт, прутки, листи і труби використовують як нагрівальні елементи високотемпературних печей, що працюють при температурах до 3000°С.

Молібден у вигляді дроту чи стрічки використовують у виробництві електроламп і в електровакуумній техніці (радіолампи, генераторні лампи, рентгенівські трубки). Молібден широко використовується як нагрівальний елемент для високотемпературних печей (1700-1800°С) і т.д.

Тантал і ніобій використовують для виготовлення електродів лампових випрямлячів, анодів, та інших деталей електронних ламп. Завдяки високій антикорозійній стійкості тантал знаходить застосування в хімічній промисловості й у медицині (хірургії).

Мідно-вольфрамовий сплав. Мідь і вольфрам взаємно нерозчинні один в одному і не утворюють сплавів у прямому змісті цього слова, але суміш цих двох металів має промислове застосування і тому їх відносять до сплавів. Один з методів одержання мідно-вольфрамового сплаву полягає в тому, що на першій стадії пресується і спікається тільки порошкоподібний вольфрам з утворенням спеченого пористого тіла, що потім нагрівається до 1200-1800°С у водні в контакті з розплавленою міддю. Мідь всмоктується в пори за рахунок капілярних сил і підвищує міцність і в’язкість матеріалу, що отримується. Вольфрам здатний у такий спосіб всмоктувати близько 10% міді. Вольфрам забезпечує твердість, тепло і корозійну стійкість. Мідь додає сплаву високої електропровідності і теплопровідності. Механічні властивості мідно-вольфрамового сплаву за назвою альконіт приведені в таблиці 9.8.

Таблиця 9.8

Механічні властивості міді і мідно-вольфрамового сплаву

Матеріал	σв, МПа	НВ, МПа
Відпалена мідь	220	300
Нагартована мідь	450	820
Альконіт	400	2250

Мідно-вольфрамові сплави легко піддаються механічній обробці. Структура такого сплаву складається з темних включень міді на світлому тлі вольфраму, що залишився непротравленим під дією реактиву.

Альконіт застосовується для точкового зварювання і контактів для перемикачів і переривачів.

Ферити. Ферити – керамічні матеріали, виготовлені з оксидів металів методом порошкової металургії. Вони володіють високим електроопором r=10¹⁰ ом/см (r=10⁸ ом/м), тому мають малі теплові втрати при високих частотах, що дозволяє використовувати їх у високочастотній техніці (табл. 9.9).

Таблиця 9.9

Властивості феритів

Густина, г/см^3 (´10^3 кг/м^3)	Коефіцієнт теплопровідності, кал/см´с´°С (´418,68 Вт/м´°С)	Коефіцієнт лінійного розширення, 20°С´10^5, 1/°С
3,5-5,0	0,01	1

Ферити – це складні оксиди заліза, близькі за своєю будовою до залізної руди Fе₃O₄ (чи FеО-Fе₂O₃) – магнетиту, у якій частина іонів двовалентного заліза заміщена іонами легуючого металу, наприклад, Ni, Мn, Мg, Zn, Сu, Ва та ін.

У цьому випадку формула фериту приймає вигляд МеО-Fе₂O₃, і ферит називають з вказуванням металу – нікелевий, марганцевий і т д

Значно кращі магнітні властивості спостерігаються у складних феритів, легованих декількома елементами (нікель-цинком, марганець-цинком і ін ).

За діелектричними властивостями ферити є напівпровідниками з дірковою провідністю. Їх недоліки – порівняно невисока індукція, погана оброблюваність через високу твердість і крихкість, менша стабільність магнітної проникності в порівнянні з магнітодіелектриками.

Усі ферити можна розділити на дві групи:

1. Магнітом’ягкі ферити, що відповідають формулі МеО-Fе₂O₃ з кубічною ґраткою, що мають вигляд щільного керамічного матеріалу.

2. Магнітотверді чи магнітожорсткі, що мають відхилення від стехіометричного складу вищенаведеної формули, з гексагональною граткою, пористі.

Ферити знайшли широке застосування в радіотехніці, електроніці й обчислювальній техніці. Феритові сердечники найрізноманітнішої конфігурації використовуються для котушок індуктивності. трансформаторів, магнітних антен, для перемикаючих пристроїв і елементів пам’яті в електронно-обчислювальних машинах і автоматиці.

Прилади та матеріали:

1.     Колекція протравлених шліфів титанових сплавів ВТ3, ВТ6, ВТ8.

2.     Спечений порошковий сплав САП-1 на різних стадіях виготовлення листа.

3.     Мікроскоп МІМ-7.

4.     Алмазна паста.

5.    Шліфувальний папір.

Порядок виконання роботи:

1.   Вивчити і замалювати мікроструктури а- і а+β-титанових сплавів. Вказати марки, хімічний склад, властивості і область застосування сплавів.

2.   Вивчити і замалювати мікроструктури сплаву САП-1:

а) у стані постачання;

б) після нагрівання при робочій температурі 500°С;

в) після перегрівання при 600°С.

3.   Вивчити і замалювати мікроструктури тугоплавкого металу і мідно-вольфрамавого сплаву. Вказати властивості і застосування.

4.   Вивчити будову феритів. Вказати область застосування.

Контрольні питання:

1.     Титан і сплави на його основі (властивості, область застосування).

2.     Мікроструктура титанових сплавів.

3.     Технологія отримання, властивості та область застосування сплаву САП-1.

4.     Тугоплавкі метали, їх область застосування.

5.     Властивості та область застосування мідновольфрамового сплаву.

6.     Ферити, їх властивості та мікроструктура.