I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

О НЕОБХОДИМОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СВОЙСТВ СПЛАВОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Щирин И.Д. 1

---

1

Захирова Е.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

127.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Оглавление

Введение……………………………………………………………………..3

2.О химических особенностях сплавов.

2.1. Особенности сталей: легированные, жаропрочные, кислотоупорные, магнитные, ферросплавы…………………………………………………4

2.2.Особенности сплавов меди: латуни, бронзы, мельхиоры, сплавы специального назначения…………………………………………………7

Заключение………………………………………………………………….9

Список использованной литературы…………………………………….11

1. Введение

В условиях санкционных ограничений экономика России столкнулась с дефицитом целого ряда товаров и, в первую очередь, товаров, являющихся основой всей экономики – чугун, сталь, прокат. Особую ценность представляют жаростойкие сплавы. Они используются в оборудовании предприятий химической промышленности, при изготовлении турбин, как энергетической отрасли, так и в авиастроении. Перекачка агрессивных химических веществ требует создания специального состава сталей. При всей стратегической важности сталей разного вида объем их производства в России существенно ниже, чем в целом ряде других стран. Так, если в 2014 году объем производства стали и стальных труб составлял в России соответственно 70,3 млн. тонн и 11,5 млн. тонн, то в Японии, Индии и США еще в 2010 году только производство стали составляло соответственно 110 млн. тонн, 69 млн. тон и 80,5млн. тонн (4).

Цель данной работы - исследование химического состава разного рада сплавов, влияющих на их технические характеристики.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

1. Анализ химического состава различных сплавов (сталей и сплавов на основе меди);

2. Выявление свойств различных сплавов, обусловленных особенностями их химической структуры

При решении этих задач мы опирались на научные труды по поставленной проблеме, на прикладные исследования в области физикохимии металлургического процесса.

2.О химических особенностях сплавов.

2.1. Особенности сталей: легированные, жаропрочные, кислотоупорные, магнитные, ферросплавы.

Сталь – это особый сплав железа с углеродом (Fe+C), с такими примесями как кремний (Si), фосфор (P), марганец (Mn). Рассмотрим основные особенности легированных сталей.

С позиции химического состава стали подразделяются на:

• нелегированные;

• низколегированные;

• среднелегированные;

• высоколегированные.

Нелегированная сталь это по существу «чистое» железо (Fe).

К низколегированным сталям относят такие, в которых малое количество (не более 2,5%) дополнительно вводимых элементов и, в первую очередь углерода (С).

В средне легированную сталь входят по 2-3 и более легирующих элемента и их общее содержит в пределах от 2,5% до 10%. Если содержание кремния (Si), фосфора (P), марганца (Mn) и никеля (N_I) более 10%, то сталь считается высоколегированной.

В зависимости от назначения легированные компоненты вводят в разных соотношениях. Например, такая марка стали как 30ХРА называется легированной конструкционной сталью и содержит в себе углерода (C) - 0,3%, хрома (Cr) -1,5% и бора (B) - 1,5% . Введение дополнительных легирующих элементов в заданных концентрациях изменяет свойства стали. Так в высоколегированные стали включают, кроме уже названных, молибден (Mo), кобальт (Co), вольфрам (V), титан (Ti), цирконий (Zr), вольфрам (W) и др. Легирующие элементы обладают свойством замещать в кристаллической решетке атомы железа (Fe), таким образом, меняются химическая формула и соответственно свойства сплава.

Легированные стали отличаются от других по физико-химическим и механическим свойствам.

При высоких темпах перевооружения современной российской армии свойства стали 30ХРА, определяемые ее химическим составом, оказываются чрезвычайно ценными, т.е. такая сталь имеет повышенный предел упругости, не требует «подкалки», лучше полируется, а, следовательно, мы имеем лучшие стволы без серьезных дополнительных финансовых затрат.

Для конструкционных материалов в сталь вводится небольшие дозы (0,002 – 0,003%) хрома (Cr), который растворяется в феррите и цементите, благодаря чему появляются новые, улучшенные свойства сплава пластичного характера. В последнее время в литературе появились сообщения о включении хрома (Cr) до 13%

Особую значимость для экономики страны имеют жаропрочные сплавы. Их особые химические свойства неразрывно связаны с их кристаллической решеткой. Жаропрочные сплавы обладают свойством существенно уменьшить вес кристаллической решетки и увеличить продолжительность службы изделий, изготовленных на их основе.

Жаропрочные это такие сплавы в состав легирующих элементов которых обязательно входят железо (Fe) – 55%, хром (Cr) -18%, никель (Ni) – 20% и кремний (Si) -2,5%. Таким сплавам не свойственно быстрое разрушение.

Целый ряд промышленных и строительных объектов требует такой операции как «пайка», при которой качественный процесс возможен только с применением припоев, содержащих никель, железо, хром и никель. Такое сочетание химических элементов позволяет диффузировать припою в основной материал и таким образом получить высококачественное соединение

Каждая деталь, начиная от домашнего водопровода и заканчивая космическим объектом, должна быть сделана из коррозионно стойких сплавов. Из числа этих сплавов на основе железа можно назвать хромистые стали (Cr),а так же дополнительно легированные кремнием (Si), алюминием (Al), белые и серые чугуны. Последние различаются процентным содержанием C –углерода.

Все перечисленные стали явились результатом быстрого технического прогресса в технике и технологии их производства. Они обладают нередко уникальными свойствами в отношении прочности, упругости, коррозийности, теплостойкости, износостойкости, немагнитности и др.

Ниже приведены некоторые классы высоколегированных сталей с указанием основных физических свойств, определенных их специфическим химическим составом.

Стали аустенитно – мартеновского класса ЭИ – 65 и ЭП – 543 отличаются повышенной прочностью после термической обработки.

Стали марок ЭП 222 и ЭП 731 характеризуются способностью безотказной работы в условиях глубокого холода (до минус 253^о).

В химических производствах, имеющих высокую концентрацию серной, соляной фосфорной и азотной кислот, незаменимы аустенитные стали таких марок, как ЭИ – 35, ЭИ – 52.

К кислотоупорным материалам относят высококремневые сплавы (Si в пределах 14 – 18%), называемые ферросилидами. Кроме высокой устойчивости к агрессивным средам эти стали отличаются высокой твердостью и сопротивляемостью к стиранию.

Износостойкость сталей обеспечивается следующим составом легированных добавок: марганец (Mn) 11 – 14%, хром (Cr) 0,4 – 19%, ванадий (V) 0,15 – 9%.

Еще один специфический вид сталей – магнитные. Они используются для изготовления устройств, функционирующих в переменных полях. Рассмотренные нами выше высокоуглеродистые стали быстро намагничиваются и долгое время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники таких устройств производят из низко – углеродистых (менее 0,005% С) сплавов с кремнием. Достоинства рассматриваемых устройств – низкий уровень электропотерь.

Особую группу составляют ферросплавы, которые представляют собой синтез железа (Fe), кремния (Si), марганца (Mn), хрома (Cr), ванадия (V), молибдена (Mo), вольфрама (W) и др. Для удаления нежелательных химических элементов используется процесс, называемый «раскисление». Именно для этого и используются ферросплавы. К ферросплавному процессу относят и производство некоторых сплавов, не содержащих железо (Fe). К наиболее распространенным ферросплавам относят ферросилиций, силикомарганец, ферохром, феромарганец.

В процессе эксплуатации изделий из стали образуется окалина, которая является нежелательной составляющей изделия. Чем больше слой окалины, тем тоньше слой основного материала. Имеющиеся в литературе опытные данные о темпах образования окалин на сплавах железа показал, что на сплавах с хромом (Cr) и при высоких температурах и в условиях водяного пара уровень окалин находится на удовлетворительном уровне. Тем не менее, в связи с необходимостью ускоренного развития отечественной промышленности, необходимо интенсивное изучение и внедрение новых сортов стали, которые более точно будут отвечать потребностям производства.

2.2.Особенности сплавов меди: латуни, бронзы, мельхиоры, сплавы специального назначения.

Обратимся к сплавам меди, которые являются первыми сплавами, созданными человеком.

Медные сплавы имеют широкое применение во многих видах экономической деятельности, в том числе в космонавтике и при производстве оружия.

Названные сплавы имеют в своей основе компонент меди (Cu), а так же олово (Sn), цинк (Zn), алюминий (Al), никель (Ni), железо (Fe), марганец (Mn), хром (Cr), золото (Au), берилий (Ве) и др. Названные добавки значительно улучшают эксплуатационные свойства медных сплавов: коррозионные, антифрикционные, пружинные, прочностные. Включение добавок повышает электросопротивление, снижая при этом его температурный коэффициент сопротивления. При добавлении легирующих элементов выше предела образуются новые соединения, которым приписываются следующие формулы: CuZn, Cu 55n, Cu31Sn8, CuBe и др.

Сплавы на основе меди классифицируются на:

1. Латуни;

2. Бронза;

3. Мельхиоры;

4. Различные сплавы специального назначения (коррозионные, антифрикционные, пружинные, жаропрочные, ювелирные и др.).

Латунь в зависимости от состава добавок подразделяется на виды. Один из них – свинцовая латунь. В ее составе : медь(Cu) – 75%, свинец (Pb) – 2,4 – 3%, железо (Fe) – 0,1%, cурьма (Sb) – 0,005% а так же в незначительных долях висмут (Bi), фосфор (P) и цинк (Zn)

Другой вид латуни – простая. Она содержит тот же перечень химических элементов, что и в простой латуни, но в иных пропорциях. Так, процент свинца (Pb) содержит только 0,03%

Третий из наиболее распространенных видов латуней – сложнолегированная латунь. Она отличается от других меньшим, до 88 - 91% меди (Cu).

Значение бронзы в современной бытовой практике незаслуженно низкое, хотя в истории был «бронзовый век». Бронза это сплав из меди (Сu) и олова (Sn). К этим двум составляющим в разных пропорциях, в зависимости от требуемых физических свойств, добавляются в разных соотношениях цинк (Zn), фосфор (P), магний (Mg), свинец (Pb) и кремний (Si). Принципиальным для этого сплава является доля олова: она не должна быть ниже 15%. В противном случае возникает явление, называемое ликвацией: процесс расслоения и неравномерное застывание

К мельхиорам относят двойные и более сложные никелевые сплавы в которых содержится медь (Сu) в пропорции 18 – 30% с добавками железа (Fe) и марганца (Mn). Такие сплавы являются коррозийно - стойкими и применяются для изготовления монет, деталей точной механики, а так же для производства медицинского оборудования.

Качество всех сталей зависит от процентного содержания вредных примесей, главным образом серы и фосфора, а так же газов: азот, кислород и водород. Некоторые примеси, например сера, попадают с используемым в производстве сырьем. Железо сера образуют сульфат железа (FeS). В результате сталь при нагревании свыше 9000 С становится хрупкой, а заготовки из нее разрушаются: процесс называемый «красноломкостью». Добавление марганца (Mn), который плавится при температуре 16200 С, устраняет названный недостаток.

1. Заключение.

Теоретическая химия, соединяющая воедино принципы и представления, присущие всем ветвям химической науки, является стержнем для развития всех отраслей этой науки. Прикладная химия имеет дело с уточнением и детализацией химических законов в определенной сфере деятельности. Развитие химической науки как единого целого возможно только при взаимодействии теоретической и прикладной химии.

Теория и практика многих видов деятельности доказали, что физические свойства предметов зависят от их химического состава и структуры элементов, образующих эту структуру. Так сформировалась физикохимия.

Эти тезисы явились теоретической основой нашего исследования свойств металлов и прокатов, разных марок и видов.

Государственными стандартами РФ установлены более 60 наименований марок сталей, имеющих уникальные свойства, определяемые их специфическим химическим составом.

Жаропрочные сплавы, имеющие в своем составе такие легирующие элементы как железо (Fe) – 55%, хром (Cr) -18%, никель (Ni) – 20% и кремний (Si) -2,5%, являются обязательной составляющей в деталях турбин реактивной авиации, в газотурбинных установках морских судов, при перекачке нефти и нефтепродуктов, в металлургическом производстве, при производстве лопаток газовых турбин и др.

Область применения жаропрочных сплавов, как и сам перечень этих сплавов постоянно расширяется.

Жаропрочные сплавы на основе никеля имеют сложную химическую формулу (более 10 легирующих элементов) и как следствие, высокие требования к их производству. В этих сплавах используются сверхпрочные элементы и в результате этого изделия, полученные на их основе, успешно функционируют в агрессивной среде на протяжении длительного периода времени.

Каждый сплав создается для особых условий эксплуатации и в силу этого имеет характерную только для него химическую формулу.

В современных условиях необходимо интенсивное изучение и внедрение свойств различных металлов и сплавов. Думается, что теоретическая химия, физикохимия, металлургия еще далеки от то того, чтобы полностью удовлетворить потребности всех направлений отечественной промышленности в необходимых материалах. Это касается как тяжелой промышленности, считающейся основой экономической мощи любого государства, так и отдельных направлений сферы высоких технологий, медицины, других сфер деятельности, в которых нам необходимо обеспечить наше государство передовыми технологиями, обеспечивающими его лидирующую роль в мире. Поэтому изучение особенностей различных видов сплавов требует особого внимания к химическому составу различных сплавов (как сталей, так и на основе меди), выявлению их свойств и разработке новых видов сплавов более удовлетворяющих потребности отечественной промышленности на современном этапе ее развития.

Список использованной литературы:

1. Еланский Г. Н. Строение и свойства металлических расплавов : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению "Металлургия" и специальности «физикохимия процессов и материалов" направления подгот. "Физ. материаловедение" /Г.Н. Еланский, Д.Г. Еланский; Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования Моск. гос. вечер. металлург. ин-т. - [2-е изд., перераб. и доп.]. - Москва: МГВМИ, 2006. - 227 с.

2. Кишкин С.Т. Создание, исследование и применение жаропрочных сплавов: избранные труды (К 100-летию со дня рождения). Федер. гос. унитар. предприятие "Всерос. НИИ авиац. материалов". - Москва: Наука, 2006. - 406 с.

3. Федеральная служба государственной статистики. Режим доступа: http://www.gks.ru/bgd/regl/B12_39/IssWWW.exe/Stg/06-22.htm Обращение 24.01.2016.

4. Физико-химия металлургических процессов. Ч. 1: Химико-металлургические реакции и их законы /Под ред. инженера Б. Л. Фрадкина. - 1935. - Обл., 382 с.