Контрольная работа по "Металлургии"

 Медные и медно-цинковые  колчеданные руды характеризуются  высоким содержанием сульфидных  минералов, представленных в основном  пиритом (50-100%). Главными рудными  минералами являются халькопирит  и сфалерит. Второстепенное значение  имеют халькозин, борнит, марказит, пирротин. Присутствуют также арсенопирит,  кубанит, аргентит, галенит и в небольших количествах – золото, серебро, селен, теллур. Существенной особенностью этих руд является тонко зернистость и взаимная вкрапленность медных и сульфидных минералов.

 3 Кристаллический состав металлов. Дефекты кристаллического строения.  Процесс кристлизации. Алотропические превращения в металлах.основные свойства металлов

У металлов  электроны  на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между  положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными  электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично  частицам  газа,  то используется  термин «электронный газ».

Металлургический тип  связи характерен тем, что нет  непосредственного соединения атомов друг с другом,  нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются  закономерно, образуя кристаллическую  решетку.

Кристаллическая решетка - это  мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие  атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают  колебательные движения. В итоге  образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема кристаллической  решетки 

Расстояния (а,b,с) между атомами , т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6  Ao  (1 Ao=10-8 см). Каждый атом принадлежит 8  кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 1.2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для   упрочнения их.

Реальные металлы состоят  из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют  правильного расположения, здесь  скапливаются примеси,  дефекты и  включения. Экспериментально установлено , что внутреннее  кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках:

Точечные (рис. 1.3):

    а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не  занятых атомами. Это происходит  из-за смещения атомов от равновесного  состояния. Число вакансий увеличивается  с ростом температуры.

    б) Дислоцированные  атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

    в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например,  в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными- атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при  значительных размерах в двух других направлениях.   

Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и  т. д.). Линейные дефекты малы в двух  направлениях и значительно большего размера в третьем.

Рис. 1.2. Виды кристаллических  решеток

Рис. 1.3. Дефекты кристаллической  решетки.

Количество дефектов в  металле оказывает существенное влияние на его прочность.

Повышение прочности с  увеличением  плотности дислокаций выше их критического значения объясняется  тем, что имеются не только параллельные, но и взаимопересекающиеся  (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

Все современные способы  упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение  и т.д.)  – это  увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая  прочность,  которую можно получить путем  увеличения  количества дефектов в  металле , составляет около 1/3  от теоретически возможной (идеальной)  прочности.

Переход металла из жидкого  состояния в твердое с образованием кристаллической решетки называется кристаллизацией.

 Превращения, происходящие  в процессе кристаллизации, имеют  важное значение, так как в значительной степени определяют свойства металла. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д. К. Черновым.

Рис. 2 Механизм кристаллизации (источник: http://stroyunid.ru/)

 Кристаллизация состоит  в следующем:

 В жидком металле  атомы непрерывно движутся. По  мере понижения температуры движение  замедляется, атомы сближаются  и группируются в кристаллы.  Эта первичная группа кристаллов  получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются  вновь образующиеся кристаллы.  Одновременно продолжается образование  новых центров. Таким образом,  кристаллизация состоит из двух  стадий: образования центров кристаллизации  и роста кристаллов вокруг  этих центров. 

 Сначала рост кристаллов  не встречает препятствий (рис. 1, а), и растущие кристаллы сохраняют  правильность строения кристаллической  решетки. При дальнейшем движении  кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся  группы имеют уже неправильную  форму, но сохраняют правильность  строения внутри каждого кристалла.  Такие группы кристаллов называют  зернами (рис.1, б, в, г и д). На рис. 1, е показаны границы зерен различных размеров, что влияет на эксплуатационные свойства металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке мешает получению требуемого класса шероховатости поверхности. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла и условий кристаллизации.

Рис.3 Кривые охлаждения (источник: http://stroyunid.ru/)

Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают  во времени, то кривые охлаждения (рис. 2) строятся в координатах температура  — время. На кривой 1 показан идеальный  процесс кристаллизации металла  без переохлаждения. Сначала температура  понижается равномерно — кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается — на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что процесс кристаллизации проходит с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

 Практически кристаллизация  протекает несколько иначе, так  как часто имеет место переохлаждение, т. е. металл при температуре  затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается  при более низкой температуре.  Разница между идеальной и  истинной температурой кристаллизации  называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу  кристаллизации с переохлаждением.  Кривая 3 характерна для кристаллизации  неметаллов: нет четко выраженной  температуры кристаллизации, затвердевание  происходит постепенно. Степень  переохлаждения является важнейшим  фактором, определяющим величину  зерна. При большой скорости  охлаждения степень переохлаждения  больше и зёрна мельче. Например при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, а при отливке толстостенных, соответственно, крупнозернистая.

 Вторичная кристаллизация (аллотропия). Некоторые металлы:  железо, кобальт, олово и др. —  имеют в твердом состоянии  две и более кристаллических решеток при неодинаковых температурах

Рис. 4 Аллотропические превращения  в железе (источник: http://stroyunid.ru/)

 Существование одного  и того же металла в разных  кристаллических формах называют  аллотропией, (или полиморфизмом)  а процесс перестройки одного  вида атомов кристаллической  решетки в другой — аллотропическим  превращением.

 Аллотропные формы, в которые кристаллизуется металл, обозначают буквами α, ү, β и т. д. Так, при температуре 1539°С железо из жидкого состояния переходит в твердое и образуется - β -железо с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 3); между 1390 и 910°С устойчиво ү -железо немагнитное с гранецентрированной кубической решеткой, которая при дальнейшем охлаждении не перестраивается. При температуре 768°С железо из немагнитного ү -железа становится магнитным α -железом. Эти модификации имеют важное практическое значение для термической обработки.

4 Химио-термическая обработка. Назначение и цель цементации. Азотирование, цианирование. Диффузионная металлизация

Химико-термическая обработка  металлов, совокупность технологических  процессов, приводящих к изменению  химического состава, структуры  и свойств поверхности металла  без изменения состава, структуры  и свойств его сердцевидных зон. Осуществляется с помощью диффузионного  насыщения поверхности различными элементами при повышенных температурах. Выбор элемента (или комплекса  элементов) определяется требуемыми свойствами поверхности детали. Насыщение производят углеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом (нитроцементация, цианирование), металлами (см. Диффузионная металлизация), бором (борирование), кремнием (силицирование) и т.д.

В зависимости от физико-химического  состояния среды, содержащей диффундирующий элемент, различают Х.-т. о. из газовой, жидкой, твёрдой или паровой фазы (чаще применяются первые 2 метода). Х.-т. о. проводится в газовых, вакуумных  или в ванных печах. Х.-т. о. подвергаются изделия из стали, чугуна, чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия и др.

Физико-химические процессы, происходящие вблизи поверхности при  Х.-т. о., заключаются в образовании  диффундирующего элемента в атомарном  состоянии вследствие химических реакций  в насыщающей среде или на границе  раздела среды с поверхностью металла (при насыщении из газовой  или жидкой фазы), сублимации диффундирующего  элемента (насыщение из паровой фазы), последующей сорбции атомов элемента поверхностью металла и их диффузии в поверхностные слои металла. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, а также структура и свойства диффузионного слоя зависят от метода Х.-т. о. Глубина диффузии элемента возрастает с повышением температуры (по экспоненциальному закону) и с увеличением продолжительности процесса (по параболическому закону). Диффузионный слой, образующийся при Х.-т. о. деталей, изменяя структурно-энергетическое состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на объёмные свойства деталей. Х.-т. о. позволяет сообщить изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и т.д. (см. статьи о конкретных процессах Х.-т. о.).

Азотирование, насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. А. подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто — легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.

Азотирование стали происходит при t 500—650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 ® 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре А. ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): e — нитрида Fe2N, g' — нитрида Fe4N, a — азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре А. 600—650° С возможно образование ещё и g-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591°C на эвтектоид a + g1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2)и сохраняется при повторных нагревах до 500—600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. А. — длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2—0,4 мм требуется 20—50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих А., применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя А. жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

Азотирование титановых  сплавов проводится при 850—950 °С в азоте высокой чистоты (А. в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла).

При А. образуется верхний  тонкий нитридный слой и твёрдый  раствор азота в a-титане. Глубина  слоя за 30 ч —  0,08 мм с поверхностной  твёрдостью HV = 800—850 (соответствует 8—8,5 Гн/м2). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3—5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии. А. титановых сплавов в разреженном азоте [100—10 н/м2 (1—0,1 мм рт ст.)] позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.

А. широко применяют в промышленности, в том числе для деталей, работающих при t до 500—600 °С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).

Цементация в цветной металлургии, гидрометаллургический процесс, основанный на вытеснении более электроположительных металлов из растворов их соединений менее электроположительными металлами, находящимися в твёрдом состоянии. Например, нормальный электрохимический потенциал меди + 0,344 в, цинка — 0,762 в; эта разность потенциалов позволяет осуществлять реакцию Cu2+раствор + Znмeталл ® Zn2+раствор + Cuмeталл.. Чем больше разность потенциалов, тем меньше остаточное содержание в растворе осаждаемого металла. Ц. широко применяют для очистки растворов от примесей и для извлечения металлов из растворов. Процесс может быть применен также для осаждения металлов из расплавленных шлаков.