Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

251

9.3 Применение благородных металлов и их сплавов

Запасы золота и платины являются обеспечением национальной валю-

ты большинства стран.

Сплавы благородных металлов широко используют для изготовления

ювелирных изделий. Их применяют также в зубном протезировании.

В современной технике (в производстве точных измерительных и регу-

лирующих приборов) в ряде случаев требуется применение металлов и спла-

вов с особыми физико-химическими и

механическими свойствами. К числу

особых свойств относятся: отсутствие износа (опоры измерительных прибо-

ров из сплавов Os–W–Co; Os–W–Ni; Rh–W–Ni), постоянство электросо-

противления (потенциометры), сильное и постоянное изменение электросо-

противления в зависимости от температуры (термометры сопротивления из

Рt высокой частоты), сильное и постоянное изменение электродвижущей си-

лы в в зависимости от температуры (термопары из сплавов:

Рt (Рt + 10 % Rh),

(60 % Au + 40 % Pd) и (90 % Рt + + 10 % Rh)), высокая коэрцитивная сила и

остаточная индукция (постоянные магниты из сплавов: (86,7 % Ag + 8,8 %

Мn + 4,5 % AI); (77,8 % Рt + 22,2 % Fe); (76,7 % Pt + 23,3 % Со)), низкая эро-

зия в сочетании с высоким комплексом механических свойстd (электриче-

ские коyтакты из сплавов: Pt + 8 % Ni; Pt + 3 % Сu; Pt + 10 % Ir).

252

Контрольные вопросы и задания

1. Укажите, какие металлы считают благородными.

2. Поясните основные свойства, структуру, применение золота и сереб-

ра.

3. Поясните основные свойства, структуру, применение металлов пла-

тиновой группы.

4. Поясните свойства, структуру, применение сплавов на основе золота

и серебра.

5. Поясните свойства, структуру, применение сплавов платиновой

группы

253

10 РАДИОАКТИВНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

10.1 Структура и свойства тория

Торий является радиоактивным элементом, что в значительной степени

предопределяет его роль и значение в технике.

Изотоп Th

232

при облучении в реакторе в результате захвата нейтронов

превращается в делящийся изотоп U

233

, являющийся основным ядерным го-

рючим. Таким образом, торий, так же как природный уран, может служить

ядерным топливом для получения атомной энергии. В связи с этим к торию

как ядерному горючему в последние годы проявляется большой интерес. По-

вышенный интерес к торию вызван также тем, что он имеет большую рас-

пространенность

в земной коре по сравнению с ураном: содержание урана

составляет 0,0004%, тория 0,0012%. Эти цифры показывают, что торий не яв-

ляется редким элементом и распространен в природе не меньше, чем свинец,

молибден и другие промышленные металлы.

Считают, что содержащийся в земной коре торий может дать большее

количество энергии, чем уран и добываемое из

недр земли топливо, вместе

взятые.

Торий является также ценным легирующим компонентом в ряде спла-

вов, сообщая им высокую прочность и жаропрочность. Важнейшие физиче-

ские свойства тория: температура плавления (Тпл) 1750 °С, температура ки-

пения (Ткип) 3500-4200 °С, кристаллическая решетка: до 1400

С – ГЦК, от

1400

С до Тпл – ОЦК, плотность при 20 °С 11,66 г/см3. В земной коре со-

держится 1,2·10

-3

% тория.

Торий технической чистоты в компактном виде получается путем пе-

реплавки в индукционных и электродуговых печах продуктов восстановле-

ния тетрахлорида тория металлическим кальцием в герметических емкостях

(бомбах). В промышленных сортах тория, выплавленного в электродуговых

печах, содержится до 0,18% О, <0,03% С и N, <0,02% Al, <0,05% Fe и Zn.

Наиболее чистый металлический торий получается методом диссоциации

йодида тория

(ThI4), который содержит <0,03% О, 0,02% С, 0,002% N,

<0,005% Al, <0,013% Fe, <0,002% Zn.

Слитки тория, выплавленные в дуговой электропечи, хорошо прессу-

ются и прокатываются при температуре 650—950 °С и из него могут быть

получены прутки, листы и другие полуфабрикаты. В связи с высокой хими-

ческой активностью тория обработку его обычно производят в защитной

медной, оболочке. Торий высокой чистоты, полученный йодидньш

методом в

виде листов, имеет низкую прочность и высокую пластичность: σ

= 121,6

МПа, σ

0.2

=48,5 МПа, δ= 36%, ψ=62%. Технический металл, полученный вос-

становлением, прокатанный и отожженный имеет: σ

= 278,4 МПа, σ

0,2

= 213,0

МПа, δ = 52%.

254

На механические свойства тория существенное влияние оказывают

обычные примеси (О, N и С). Наиболее сильное влияние на упрочнение то-

рия имеет углерод; кислород и азот мало влияют на свойства тория.

10.2 Сплавы тория

Торий образует сплавы с большинством элементов. Наиболее широкое

промышленное применение получили сплавы тория с магнием и вольфра-

мом. Рассмотрим структуру и свойства этих сплавов.

Сплавы тория с магнием

Торий способствует значительному упрочнению магния при комнатной

и повышенных температурах, а также улучшает его сопротивление ползуче-

сти при повышенных температурах.

В результате 100-ч стабилизации происходит небольшое снижение

твердости, однако общий характер изменения твердости с изменением соста-

ва остается таким же, как и для литого сплава. Заметное изменение в ходе

кривых наблюдается

после закалки сплавов. В этом случае твердость непре-

рывно растет по мере увеличения содержания тория вплоть до 10%. Дли-

тельная твердость при температуре 300° С достигает весьма высоких значе-

ний, в несколько раз превышающих твердость чистого магния и многих маг-

ниевых сплавов.

Однако повышение содержания тория ведет к увеличению плотности

сплава, делает

более вредными условия работы вследствие естественной ра-

диоактивности, присущей торию, а также приводит к увеличению расхода

дорогостоящего и дефицитного тория. Поэтому на практике получили при-

менение сплавы, содержащие 3—4% (по массе) Th.

Эффект упрочнения сплава связан с образованием частиц соединения

Th. Диаграмма состояния Mg—Th имеет эвтектический характер

(рис.10.1).

255

Рис. 10.1 Диаграмма состояния Mg—Th

Установлено также, что торий значительно растворяется в твердом

магнии, причем растворимость его резко уменьшается с понижением темпе-

ратуры.

Двойные Mg—Th сплавы (с 3% Th) можно значительно упрочнить пу-

тем дальнейшего легирования добавками Al, Mn, Zn, Се, Nd и др.

Разработан ряд литейных и деформируемых сплавов магния с торием,

легированных добавками марганца, цинка, циркония и неодима.

Сплавы магния с торием и цирконием. К этой группе относится стан-

дартный литейный магниевый сплав" ВМЛ1 (3% Th, 0,8% Zr, остальное Mg).

Учитывая, что основная масса циркония находится в твердом растворе, фазо-

вое равновесие в сплавах данного типа можно описать, руководствуясь двой-

ной диаграммой состояния Mg—Th.

В соответствии с составом сплава ВМЛ1 его структура состоит из зерен

легированного а-твердого раствора, фазы Mg

Th и включений частиц цирко-

ния.

Механические свойства сплава σ

=190МПа; δ=6%.

Сплав рекомендуется для отливки деталей с повышенной герметично-

стью, работающих при температурах 300—350° С.

Сплавы магния с торием, цинком и цирконием. Магнийториевые спла-

вы, легированные цирконием и цинком, являются весьма теплопрочными

сплавами и могут работать до температур 300—350° С, тогда как многие дру-

гие магниевые сплавы уже при температурах 200—250° С практически пол-

ностью разупрочняются.

Сплав рекомендуется для отливки высоконагруженных деталей, рабо-

тающих при температурах 300—350° С.

256

Деформируемые магниевые сплавы достаточно широко применяют в

различных областях техники.

Наряду с обычными легирующими добавками (Al, Zn, Мп, Са) в этих

сплавах в качестве упрочняющих добавок применяются также Th, Nd и др.

Для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна, кроме

указанных добавок, вводят цирконий.

Сплавы магния с торием и марганцем (МА13 и ВМД1). Оптимальными

свойствами обладают магниевые сплавы, содержащие 2,5—3,5% Th и 1—2%

Мn. Позднее сплавам данной группы в зависимости от содержания основных

легирующих добавок были присвоены промышленные марки МА13 (1,7—

2,5% Th, 0,4—0,8% Мn, остальное Mg) и ВМД1 (2,5—3,5% Th, 1,2—2% Мп,

остальное Mg). Сплавы МА13 и ВМД1 в соответствии с их составом принад-

лежат к трехфазной области α + Mg

Th + β(Mn) и отличаются по структуре

только количеством упрочняющихся фаз Mg

Th и β(Мn). Сплавы применяют

в основном в отожженном состоянии. Температура отжига 400° С, время вы-

держки 1 ч. Механические свойства при комнатной температуре сплава

ВДМ1: σ

=280МПа; δ=23%. МА13 имеет σ

=235МПа; δ=18%.

Сплавы рекомендуют для изготовления различных полуфабрикатов

(листов, плит, прутков, поковок), используемых в высокопрочных конструк-

циях, работающих при высокой температуре.

Сплавы магния с торием, марганцем и неодимом (ИМЕТ40). Сплавы

этой группы являются наиболее жаропрочными легкими сплавами. По пока-

зателям кратковременной и длительной прочности при 350—400° С сплав

ИМЕТ40 (1,5% Мп, 2,5—3% Th, 1,5— 2.5% Nd, остальное Mg) превосходит

все известные в России и за рубежом магниевые и алюминиевые сплавы.

Этот сплав пригоден для кратковременной работы при температуре 450° С.

При легировании Mg—Mn—Th сплавов неодимом, а также церием

до-

полнительно увеличивается прочность при комнатной и повышенных темпе-

ратурах.

При легировании сплавов Mg—Th—Мп неодимом, кроме фаз Mg5Th и

р(Мп), появляется новая высокопрочная и жаропрочная фаза Mg5Nd, которая

и способствует повышению прочности и жаропрочности сплава.

Сплав ИМЕТ40 применяют в отожженном и термически упрочненном

состоянии. Отжиг производится при 350—400° С в течение 2 ч, закалка

— с

550° С после выдержки 24 ч и отпуск —при 200° С в течение 11 ч. Меха-

нические свойства сплава при комнатной температуре: σb=250МПа; δ=17%.

Листы, прутки, поковки и штамповки из сплава ИМЕТ40 рекоменду-

ются для длительной работы в конструкциях при температуре 350—400° С и

кратковременной — до температуры 450° С.

257

Сплавы тория с тугоплавкими металлами

В промышленности широкое применение получили сплавы вольфрама

с 1 % ThO

и 2% ThO

. Эти сплавы, относящиеся к системам металл — оки-

сел (керметы), получают методами порошковой металлургии. Введение оки-

си тория повышает температуру собирательной рекристаллизации вольфрама

и способствует сохранению мелкозернистой структуры металла при высоко-

температурном нагреве. Образующиеся между зернами вольфрама прослойки

из окиси тория являются барьером и тормозят развитие собирательной рек-

ристаллизации.

Торированный вольфрам характеризуется также высокой жаропрочно-

стью и повышенной эмиссионной способностью. Добавки окиси тория к

вольфраму снижают работу выхода электронов (для чистого вольфрама ра-

бота выхода равна 4,55 эв, для торированного вольфрама 2,63 эв). Чем ниже

работа выхода, тем больше электронная эмиссия. Максимальная эмиссия на-

блюдается тогда, когда окисью тория покрыто около 70% активной

по-

верхности зерен.

Кроме двойных сплавов вольфрама с окисью тория, применяют торие-

вые сплавы с добавками до 5% Re.

Торированный вольфрам используют для изготовления катодов рентге-

новских ламп и электронных пушек плавильных печей. Значительное коли-

чество торирован-пого вольфрама идет в виде проволоки для сварки, а также

в качестве нерасходуемых электродов для

дуговой плавки тугоплавких и

других металлов. Двуокись тория стабилизирует горение дуги при сварке и

плавке металлов.

10.3 Структура и свойства урана

Природный уран состоит из ряда изотопов с массовыми числами: 234

(0;0056%), 235 (0,718%) и 236. (99,276%). Изотопы уран-234 и уран-235 яв-

ляются единственными встречающимися в природе делящимися изотопами,

что предопределило широкое применение природного урана как основного

ядерного горючего. При делении изотопа уран-234 выделяется огромное ко-

личество энергии. Сравнение этих количеств энергии с теплотворной спо-

собностью угля

(5000 кал/г) показывает, что при полном сгорании 1 г урана

выделяется тепло в количестве, эквивалентном сжиганию 4 т угля.

Наиболее распространенный изотоп уран-236 превращается при облу-

чении нейтронами в делящийся плутоний (Рu239). Основные физические

свойства урана: Тпл = 1132 °С, Ткип = 3813 °С, кристаллыческая решетка: α-

U до 668

С - ромбическая решетка, β-U 668 - 775

С – тетрагональная, γ-U от

775 оС – ОЦК, плотность при 20 °С 19,07 г/см3. В земной коре содержится

4·10

-4

% урана. Механические свойства урана: σв = 457 МПа; δ = 5 %.

258

Уран в компактном металлическом виде получают путем восстановле-

ния тетрафторида урана UF4 магнием или кальцием в герметических сосудах

(бомбах). В результате восстановления тяжелый металлический уран оседает

и отделяется, образуя компактный металл (черновой слиток) относительно

высокой степени чистоты (слиток содержит 0,01% N; 0,015—0,075% С;

0,015% Fe; 0,0065% Si; 0,0025% Мп; 0,01% Ni; 0,0025% Mg; 0,0065% Сг и

0,0001 % Ag).

Указанным выше способом можно получить достаточно большие

чер-

новые слитки, не требующие переплавки перед дальнейшей обработкой. Од-

нако в ряде случаем (например, для получения сплавов) производится по-

вторная переплавка чернового металла на слитки для обработки давлением.

Плавку в основном проводят в индукционных печах с применением

тиглей из окиси тория или окиси бериллия. Горячую ковку слитков проводят

при температуре

600° С. Для получения листовых материалов применяют го-

рячую прокатку при температуре 600°С и последующую тепловую прокатку

при 300° С. Заготовки перед горячей прокаткой нагревают в соляных ваннах

(смесь, карбонатов калия и лития), перед тепловой прокаткой — в масляных

ваннах. Прессование (выдавливание) урана проводят при температуре 800—

850°С с применением технологического защитного медного

покрыия, кото-

рое после обработки удаляют травлением. Это покрытие одновременно слу-

жит смазкой и предохраняет от налипания урана на матрице.

Уран значительно разупрочняется с повышением температуры. Резкое

различие в свойствах урана при 666 и 776 °С зависит от его модификации, в

которой он находится при температуре испытания.

Чистый уран используется в виде стержней

в ядерных реакторах. Как

конструкционный материал чистый уран не применяют. Для целей ядерной

техники применяют ряд сплавов урана, которые рассмотрены ниже.

10.4 Сплавы урана

Ниобий совместим с ураном и хорошо противостоит воздействию об-

лучения. Под воздействием медленных и быстрых нейтронов он со временем

заметно упрочняется, сохраняя при этом удовлетворительную пластичность.

Так, например, до облучения ниобий имел следующие механические свой-

ства: σв = 48 МПа, δ = 21%, ψ = 27%, после облучения σв =56, 3 МПа, δ = 8%,

ψ = 48%. Хорошей совместимостью с ураном

и низким поглощением тепло-

вых нейтронов обладает также и цирконий.

Поэтому эти металлы в сплавах с ураном применяют для оболочек и

топливных стержней в ядерной энергетику. Ниобий применяется также в ка-

честве присадки к урану для повышения его коррозионной стойкости в пе-

регретом паре, В ядерной технике получили применение сплавы урана

с 10—

20% Nb . Согласно диаграмме состояния U—Nb, при температурах выше

259

1000° С в системе образуется непрерывный ряд твердых растворов. Ниже

этой температуры происходит распад ^-твердого раствора на два твердых

раствора по реакции γ→γ(u)+γ(Nb).

Двухфазная область γ(u)+γ(Nb) (область расслоения) простирается от

6,2 до 51,5% (по массе) U. При температуре 634° С и ниже образуется смесь

твердых растворов α(U) + γ(Nb). Сплавы урана с ниобием лежат

в двухфаз-

ной области α(U) + γ(Nb).

Основа сплава — α-твердый раствор на основе урана, легированный

ниобием, обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем чистый

уран, что приводит к общему повышению стойкости урана в рабочих услови-

ях ядерного реактора.

Значительный интерес представляют также сплавы урана с цирконием.

Добавки циркония в уране, так

же как ниобия, повышают прочность урано-

вых стержней и их коррозионную стойкость. Практическое применение по-

лучили сплавы с содержанием до 10—15% Zr. Согласно диаграмме состояния

U—Zr, эти сплавы так же, как и сплавы с ниобием, принадлежат двухфазной

области α+γ(U) структура их состоит из смеси твердых растворов на основе

урана и циркония.

Легирование

урана цирконием приводит к его упрочнению и повыше-

нию коррозионной стойкости. В качестве топливных пластин и стержней ис-

пользуют также тройные сплавы урана с ниобием и цирконием.

10.5 Структура и свойства плутония

Плутонии является первым искусственным элементом, полученным че-

ловеком. Он обладает комплексом уникальных физических и ядерных

свойств (высокое электрическое сопротивление, необычно высокий коэффи-

циент линейного расширения и др.), которых не имеют другие металлы.

Характерной особенностью плутония, как и других радиоактивных ме-

таллов, является наличие большого числа полиморфных превращений, про-

исходящих с

повышением температуры. Данные о кристаллических струк-

турах различных модификаций плутония и температурных полиморфных

превращений приведены в табл. 10.1.

Как видно из этих данных, с повышением температуры происходит пе-

рестройка структуры металла из более сложных форм с большим числом

атомов в элементарной ячейке (до 30 и более) в более простые кристалличе-

ские решетки с

2—4 атомами в элементарной ячейке.

Наличием большого количества полиморфных превращений у плуто-

ния объясняется сложный характер фазового равновесия в сплавах с различ-

ными металлами.

Металлический компактный плутоний получают восстановлением тет-

рафторида (PuF4) кальцием в герметизированном реакторе (бомбе), нагре-

260

ваемом в индукционных или тигельных электропечах. Реакция восстановле-

ния достаточно интенсивно проходит при температуре 600 °С. Полученный

плутоний имеет чистоту 99,87% (по массе). Обычно металл содержит сле-

дующие примеси: 0,05% Fe,0,04% С, 0,02% 0,0,02% Ni,0,01% SbHO.01% Si.

Таблица 10.1

Кристаллическая структура различных модификаций плутония

и температуры полиморфных превращений

Модификация Плотность, г/см3 Решетка

Тполиморфного

превращ., оС

δ/

19,86

17,91

17,4

15,32

16,0

16,51

Моноклинная

Моноклинная ОЦ

Ромбическая

гранецентрированная

ГЦК

ТОЦ

ОЦК

121

208

310

450

470

Путем переплавки плутония в вакуумных печах можно получать слит-

ки чистого металла или его сплавов. Микроструктура литого плутония имеет

полиэдрическое строение, свойственное чистым металлам. Однако в зави-

симости от полиморфного состояния структура может иметь различное

строение.

Плутоний как радиоактивный элемент в настоящее время применяют в

основном в военной технике для

производства термоядерного оружия. Рас-

пад (деление) некоторых из его изотопов сопровождается выделением ог-

ромного количества энергии, которая используется при атомных взрывах.

Однако плутоний имеет также большое значение для мирных целей в качест-

ве горючего в энергетических ядерных реакторах.

При облучении нейтронами наиболее распространенного изотопа уран-

238 получается делящийся плутоний Рu

239

, применение которого как побоч-

ного продукта сжигания урана в ядерных реакторах может увеличить ми-

ровые запасы ядерной энергии более чем в 100 paз. Однако высокая стои-

мость исходного сырья, низкое содержание извлекаемого металла и слож-

ность процесса отделения плутония от сопровождающего его урана и про-

дуктов деления делают плутоний весьма дорогим

и пока мало доступным ма-

териалом для его использования в ядерной технике.

10.6 Сплавы плутония

Сплавы плутония с алюминием. Сплавы этого типа обычно содержат

2—20% (по массе) [0,2—2,8% (ат.)] Рu и используются в тепловых реакторах

как очень разбавленное твердое горючее.