Материал: Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Кафедра материаловедения и физики металлов

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Материаловедение»

Тема работы «Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям»

Введение

Материаловедение - междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука - материаловедение.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.

Задание №1

В данном задании изучена диаграмма W-Ni и рассмотрен сплав ВНЖ 7-3 основными компонентами которого являются вольфрам и никель

.1 Вольфрам

Вольфра́м - химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл

Вольфрамовые руды, хотя и довольно широко распространены, но редко встречаются в виде крупных скоплений. Эти руды обычно находят в виде тонких жил, но в некоторых богатых месторождениях жилы могут достигать нескольких метров в ширину. Обычно вольфрамовые руды встречаются совместно с касситеритом и довольно часто с минералами, содержащими висмут, молибден, свинец, и медь; в заметных количествах могут присутствовать весьма нежелательные минералы - пирит и арсенопирит. Другими, обычными минералами являются кварц и флюорит.

Имеется несколько типов рудных месторождений, классифицируемых на пегматитово-пневматолитовые, замещенные отложения, жилы и россыпи. Содержание вольфрама в разрабатываемых рудах обычно 0,5 до 2,0% и в редких случаях достигает 6,0%. Обогащение вольфрамовых руд осуществляется главным образом гравитационными методами, обладающими преимуществом при обработке руд металлов высокой плотности, хотя также применяются и флотационные методы обогащения. Концентраты, которые содержат 60-70% или в более высоких сортах 75-79%, должны быть в сущности свободными от S, Р, As, Bi, Си, Sn, Ti и Mo.

Основными вольфрамсодержащими рудами являются вольфрамит, представляющий собой вольфрамат железа и марганца, и шеелит, являющийся вольфраматом кальция.

.1.1 Получение вольфрама

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200-1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

.1.2 Свойства вольфрама

Вольфрам - самый тугоплавкий элемент, и поэтому он является потенциальной основой наиболее жаропрочных сплавов на металлической основе.

Вместе с тем вольфрам отличается большой плотностью, высокой склонностью к хладноломкости, малым сопротивлением окислению даже при не слишком высоких температурах. Эти недостатки ограничивают возможные области применения вольфрама.

В зависимости от чистоты и структурного состояния временное сопротивление разрыву вольфрама при комнатной температуре колеблется от 500 до 1000 МПа при практически нулевых относительном удлинении и поперечном сужении. Температура хладноломкости вольфрама выше комнатной, его технологическая пластичность очень невелика. Прочность нагартованной металлокерамической вольфрамовой проволоки очень высока. С уменьшением ее диаметра от 0,635 до 0,025 мм временное сопротивление разрыву вольфрама увеличивается от 1575 до 4270 МПа, а у листа толщиной 0,25 мм составляет 2100 МПа. При повышении температуры пластические свойства вольфрама повышаются, но прочность остается довольно высокой. При температуре 1370 °С длительная 110-ч прочность вольфрама равна 70 МПа, т.е. он более жаропрочен, чем лучшие сплавы на основе ниобия. Поэтому нелегированный вольфрам широко используют как жаропрочный материал. Обычно его применяют в нагартованном состоянии или после отжига для снятия напряжений (1000 °С, 1 ч). Прочность нагартованных листов и прутков начинает снижаться после отжига при температурах выше 1200°С, а полное разупрочнение происходит при температурах выше 1600... 1800 °С. Рекристаллизационный отжиг резко ухудшает пластичность вольфрама и повышает температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Кристаллическая решетка моноклинная, призматическая. Кристаллы обычно плоскопараллельные до ортопинакоидальных, образующих пластинчатые формы. Призматическая зона прочерчена вертикальными бороздками (полосами). Встречаются в пластинчатой или столбчатой форме. Вольфрамит крупнозернист.

.1.3 Металлический вольфрам применение

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.

Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.

Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам - важный компонент лучших марок инструментальных сталей.

Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

.2 Никель

Ни́кель - элемент десятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) - это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен.

.2.1 Свойства никеля

Никель - серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m. В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.

Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мкОм∙м.

Коэффициент линейного теплового расширения α=13,5∙10−6 K−1 при 0 °C

Коэффициент объёмного теплового расширения β=38-39∙10−6 K−1

Модуль упругости 196-210 ГПа.

Никель довольно распространён в природе - его содержание в земной коре составляет ок. 0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 - 0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

В промышленных условиях никелевую руду делят на два типа: магнезиальные и железистые.

Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5-50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые - латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые - нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей.[10] Ещё один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии - до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла.

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

Никель является основой большинства суперсплавов - жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина. Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей.

.2.2 Применение никеля

Никель является основой большинства суперсплавов - жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок

Никелирование - создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 - 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Чистый никель ввиду очень низкой теплопроводности иногда применяется для изготовления разного рода держателей нагретых предметов, сочетая хорошую теплоизоляцию с высокой прочностью и достаточной электропроводностью. В частности, из никеля делаются держатели и проводники для кварцевых горелок дуговых ртутных ламп.

Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея.

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

.3 Сплавы вольфрама и никеля

Сплавы вольфрама и никеля представляют интерес, так как с ними связан один из наиболее ранних методов получения ковкого вольфрама. Сплав, содержавший 8% Ni, можно было протянуть в тончайшие нити для ламп накаливания, причем никель впоследствии улетучивался при нагревании. Этот сплав применялся до тех пор, пока не были разработаны современные методы обработки вольфрама. Никельвольфрамовые сплавы имеют также важное значение, так как являются основой ряда кислотоупорных сплавов. Никельвольфрамовые сплавы могут быть получены прессованием смеси порошкообразных металлов в штабики или в результате восстановления смеси окислов. Однако для того, чтобы получить нормальный сплав, необходимо не только их спекание, но и последующая плавка. Сплав, содержащий 60% Ni, не магнитен в том случае, если штабик только спечен, и магнитен, если он был расплавлен.

Множество исследований было проведено с целью изучения строения сплавов никеля и вольфрама, причем последняя диаграмма (по Эллингеру и Сайксу) показана на рис. 1.

.4 Исследование диаграммы вольфрам-никель

От точки плавления никеля кривая ликвидуса поднимается до пологого максимума (1505°) при 35% W, а затем падает до эвтектической температуры (1495°), причем сплав эвтектического состава содержит 45% W. Твердая фаза γ, выпадающая из расплава, является твердым раствором вольфрама в никеле. Максимальная растворимость при эвтектической температуре составляет около 40% W, снижаясь до 38% при 970° и до 32% при 800°. Максимальная растворимость никеля в вольфраме при эвтектической температуре составляет около 0,3%. По охлаждении до 970° протекает перитектическая реакция между α-фазой и богатым вольфрамом твердым раствором у с образованием промежуточной фазы β, содержащей около 43% W. Благодаря отмеченному изменению растворимости твердой фазы с падением температуры сплавы содержащие 32-45% W, показывают твердение, связанное со старением. Старение происходит очень медленно при температурах порядка 600°, но сравнительно быстро при 900°. Сопротивление никеля коррозии в серной кислоте очень сильно возрастает при сплавлении его с вольфрамом. Сплав, содержащий 18% W, показывает минимальное растворение, составляющее менее 1/4 от значения растворимости для чистого никеля.

Рис. 1 Диаграмма состояния никель-вольфрам

Рис 2. Кривая охлаждения сплава Внж 7-3

.5 Сплав ВНЖ 7-3

Таблица 1. Химический состав сплава ВНЖ 7-3