В процессе электролиза происходит разложение MgCl2. Образующиеся при этом ионы Mg разряжаются на катодных пластинах, собираются в капли и всплывают на поверхность электролита. Жидкий магний периодически удаляют вакуум ковшом. Хлор, после разряда ионов хлора на аноде, собирается над поверхностью электролита под перегородкой, откуда отсасывается через хлоропровод.
Окись магния, частично восстановленное железо и другие примеси электролита опускаются на дно в виде шлама.
Рафинирование магния. В электролизных ваннах получают черновой магний, содержащий до 5% примесей (Fe, Na, K, Ca, MgCl2, KCl, NaCl, CaCl2, MgO). Поэтому его подвергают переплавке с флюсами, содержащими хлориды Mg, Ba, K, Na и других. Переплавка осуществляется в электропечах при 720 0C в течение 0,5…1часа. Перемешивание расплава способствует растворению примесей во флюсе, всплыванию и переходу их в шлак. Чистота рафинированного Mg достигает 99,5…9,9%. Более глубокую очистку Mg можно осуществить путем его возгонки в вакууме, в реторте, нижняя часть которой подогревается, а верхняя охлаждается для конденсации паров Mg.
Термические способы получения магния разработаны в связи с дороговизной электролитического, получают широкое развитие вследствие безвредности производства и простоты.
1 Химико-термический способ основан на восстановлении Mg из MgO при помощи Si и Ca
+CaO+Si→
CaO·SiO2+Mg.
Процесс ведется при 1100…1200 0C в нержавеющих ретортах с кристаллизатором.
Карбидо-термический метод основан на восстановлении Mg из MgO при помощи карбида CaC2:
+CaC2→Mg+CaO+CO↑
Из MgO и CaC2 изготавливают брикеты, которые обжигают в ретортах (в вакууме) при 1100…1200 0C. Образующиеся при этом пары Mg кристаллизуются в кристаллизаторах.
Углетермический метод основан на восстановлении Mg углеродом:
+C =Mg + CO при
2000 0C.
4.4 Производство титана
Титан - металл стального цвета с Тпл =1665 0С и плотностью ρ = 4,5 г/см3 имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК). Чистый титан достаточно прочный (Gв=250 МПа) и весьма пластичен (d =20…30%). Улучшение механических свойств титана достигается при легировании его Al, Cr, Mo, Nb, V, Zn, Sn и другими элементами. Сочетанием легирования и термической обработки получают сплавы на основе титана с пределом прочности при растяжении до 1300…1600 МПа, т.е. по механическим характеристикам титан может конкурировать с высокопрочными сталями. Следует также указать, что многие стали (особенно высокопрочные) с понижением температуры становятся хрупкими. Титан с понижением температуры становится прочнее и не теряет пластичности.
Благодаря тому, что титановые сплавы прочны, легки, тугоплавки, а также коррозионно устойчивы, они являются весьма ценным конструкционным материалом. Титан и его сплавы находят широкое применение в авиационной технике и ракетостроении, судостроении, химической и пищевой промышленности.
Наиболее широкое распространение получил магнийтермический способ получения титана. Титан и магний обычно производят на одном заводе: MgCl2 - побочный продукт производства титана, служит сырьем для получения магния.
Процесс получения титана складывается из следующих этапов.
Добыча титановой руды. В земной коре титана приблизительно 0,61%. Известно более 70 минералов, содержащих титан. Промышленное значение имеют следующие минералы:
1) Ильменит (FeO·TiO2)
2) Рутил (TiO2)
2 Обогащение руды. Титановые руды обычно обогащаются. Содержание двуокиси титана (TiO2) в рудах составляет 10…60%. В результате обогащения получают концентраты руд с содержанием 42…65%TiO2.
Производство титанового шлака заключается в отделении окислов железа от двуокиси титана. Этот процесс осуществляется путем плавления брикетов, состоящих из смеси концентрата, древесного угля и связующего, в специальных дуговых печах. В процессе плавки и выдержки при температуре 1700 0C железо восстанавливается: FeO + C= Fe+CO2, далее оно науглероживается, и получается чугун. Оксид титана TiO2 переходит в шлак, который скачивают и применяют для получения тетрахлорида титана (TiCl4).
Получение тетрахлорида титана производится из титанового шлака (65…85% TiO2, SiO2, Al2O3, FeO, CaO), который подвергают хлорированию. Для этого шлак брикетируют с коксом и связующим, прокаливают без доступа воздуха при 650…800ºC, после чего подвергают хлорированию в специальных шахтных печах электросопротивления при 800…12500C. В присутствии углерода, интенсифицирующего реакцию, образуются TiCl4: TiO2+Cl2+C→TiCl4 +CO2. При этом в качестве побочных продуктов образуются хлориды других металлов (Ca, Mg, Fe и так далее). Смесь хлоридов в парообразном состоянии идет на разделение. По методу ректификации за счет различной температуры кипения хлоридов происходит очищение TiCl4 от побочных продуктов. Малолетучие хлориды Mg и Ca и других металлов образуют жидкость, из которой электролизом получают магний и хлор.
Получение титановой губки из тетрахлорида титана осуществляется в
специальных стальных ретортах. В стальной стакан реторты помещают магний,
реторту закрывают крышкой с теплоизоляцией и откачивают из нее воздух. Затем
реторту заполняют аргоном и подогревают до температуры 850…900 0C. В нагретую
реторту подают в парообразном состоянии TiCl4, который взаимодействует с
расплавленным магнием:
TiCl4+Mg→Ti+MgCl2
Металлический титан осаждается на стенках реторты в виде губки, а MgCl2 в виде расплава периодически сливают через трубопровод по желобу. По окончании процесса реторту охлаждают и извлекают из печи. Получается титановая губка, имеющая состав: 55…60% Ti, 20…30% Mg, 15…20% MgCl2.
Очистка титановой губки методом вакуумной дистилляции заключается в выдержке губки в течение нескольких десятков часов в вакууме при температуре 900…950 0C в специальной вакуумной печи. В результате Mg и MgCl2 испаряются, и титановая губка становится более чистой.
Рафинирование титановой губки методом переплава. Плавка титана связана с
большими техническими трудностями, так как при высоких температурах
расплавленный титан очень активен, поэтому плавку титановой губки осуществляют
в вакуумных электродуговых печах с медным водоохлаждаемым тиглем. Одним из
электродов служит стержень из прессованной титановой губки, другим -
расплавленный металл. Нижняя часть электрода при горении дуги оплавляется.
Капли титана стекают в тигель, образуя после затвердевания слиток. Слитки
получают массой 500кт…5т диаметром 800…850мм. Вакуум предохраняет слитки от
окисления и способствует очищению металла от газов. Полученные слитки могут
иметь дефекты (раковины, поры), поэтому их вторично переплавляют, используя как
расходуемые электроды. Чистота титана, полученного переплавкой губки,
составляет обычно 99,6…99,7%. Более чистый титан получают методом йодидной
очистки, основанной на термической диссоциации TiJ4 на поверхности титановой
проволоки (эффективный, но малопроизводительный и дорогой метод).
5 Классификация и маркировка металлических конструкционных материалов
.1 Классификация и маркировка сталей
Детали машин и приборов, передающие нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа и углерода.
Углеродистая сталь - сложный по химическому составу сплав железа Fe с углеродом C и другими постоянными примесями: марганцем Mn, кремнием Si, серой S и фосфором P, которые оказывают влияние на ее свойства. Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами (в процентах): С - до 2,14; Mn - до 0,8; Si - до 0,5; Р - до 0,07 и S - до 0,06.
Все стали классифицируют по следующим основным признакам.
По химическому составу - на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (<.0,3% С), среднеуглеродистые (0,3…0,7 %С) и высокоуглеродистые (>0,7% С). По количеству введенных элементов легированные стали разделяют на низколегированные с суммарным содержанием легирующих элементов до 5%, среднелегированные - 5…10% и высоколегированные - не более 10%. По качеству стали делят на стали обыкновенного качества - содержание S до 0,060% и Р до 0,070%, качественные - не более 0,040 % S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
По степени раскисления стали подразделяют на спокойные (сп), раскисленные полностью марганцем, кремнием и алюминием; кипящие (кп), раскисленные не полностью только марганцем; полуспокойные (пс), занимающие промежуточное значение между спокойными и кипящими, раскисленные марганцем и кремнием.
По назначению стали классифицируют: конструкционные, инструментальные и стали со специальными физико-химическими свойствами.
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества наиболее дешевые. Их выпускают в виде различного проката. Маркируют их сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Чем больше цифра в марке стали, тем больше содержится в стали углерода, выше ее прочность и твердость, но ниже пластичность и вязкость. Степень раскисления обозначается добавлением в конце марки соответствующего индекса: сп, кп или пс. В марке спокойной стали такой индекс может отсутствовать. Например, несколько марок сталей: Ст0, Ст3кп, Ст4сп, Ст5пс.
Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются двухзначными числами: 05, 08, 10, 15, 20…85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С, сталь 45…0,45% С и т.д.
Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9…У13 и высококачественными: У7А, У8А…У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а число - среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А указывает, что сталь высококачественная.
К углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7…1,2%), например стали марок Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс, 15Г, 20Г, 25Г…70Г.
Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Принято обозначать: хром - Х, никель - Н, марганец - Г, кремний - С, молибден - М, вольфрам - В, титан - Т, ванадий - Ф, алюминий - Ю, медь - Д, ниобий - В, бор - Р, кобальт - К, цирконий - Ц, фосфор - П, редкоземельные металлы - Ч, азот - А. Цифры, стоящие после буквы, указывают на примерное содержание легирующего элемента в целых процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента около 1,0%. При этом в начале марки легированной конструкционной стали стоят две цифры, указывающие на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХН3 в среднем содержит 0,20% С, 1% Cr , 3% Ni. Если сталь содержит менее 0,1% углерода, то первой цифрой марки будет ноль, например 08Г2С (содержит 0,08% С).
В марке легированной инструментальной стали на первом месте стоит цифра, указывающая на содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 5ХНТ содержит 0,5% С. Если на первом месте цифра отсутствует, то сталь содержит около 1% углерода, например: сталь ХВГ содержит 0,9…1,0% С.
По качеству легированные стали бывают качественные, высококачественные и особовысококачественные. То, что сталь высококачественная, означает буква А в конце марки, особовысококачественная - буква Ш в конце марки, например: 20ХН3А - сталь высококачественная, 30ХГСШ - особовысококачественная.
Легированные стали со специальными физико-химическими свойствами составляют особенную группу сталей. Это, в большинстве, стали средне- и высоколегированные. К ним относятся, например, рессорно-пружинные стали, имеющие высокий модуль упругости, (50С2, 60С2, 65Г, 70С3А, 50ХФА. 60С2Н2А); жаростойкие и жаропрочные стали, обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б); коррозионно-стойкие или нержавеющие стали, стойкие против действия внешней среды, (08Х13, 40Х13, 12Х17, 15Х28, 12Х18Н8); износостойкие стали (ШХ15, 30Х10Г10, 110Г13Л).
Более полные сведения о специальных сталях, их назначении и свойствах приведены в учебниках по металловедению и в соответствующих стандартах.
Марки некоторых групп углеродистых и легированных сталей имеют свои особенности, указывающие на принадлежность к этой группе.
Так, быстрорежущие инструментальные стали обозначаются буквой Р (рапид - скорость) в начале марки. Цифры после буквы Р указывают на содержание основного легирующего элемента - вольфрама в целых процентах. Кроме того, в состав быстрорежущих сталей входит 4,5% хрома и 2,5% ванадия, которые в марке не обозначаются. При более высоком содержании ванадия его среднее количество обозначается в марке. Например, сталь Р6М5 содержит: 0,85…0,95% С; 5,5…6,5% W; 3,0…3,6% Mo; 3,0…3,6% Cr; 2,0…2,5% V, а сталь Р9Ф5: 1,4…1,5% C; 9,0…10,5% W; 4,5…5,1% V; 3,8…4,4% Cr.
Марка подшипниковых сталей начинается с буквы Ш, дальше идут буква Х (хром) и цифры, указывающие на содержание хрома в десятых долях процента. Например, стали марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 содержат более 1% С и, соответственно, 0,6; 0,9; 1,5% Cr. Эти стали дополнительно могут быть легированы кремнием до 0,85% и марганцем - до 1,7% (например, стали ШХ15ГС, ШХ20ГС).
Автоматные стали с увеличенным содержанием серы и фосфора дополнительно легируются свинцом (0,15…0,35%) - обозначается в марке буквой С, селеном (0,08…0,30%) - Е, кальцием (0,002…0,008%) - Ц. Они имеют особенно хорошую обрабатываемость резанием, поэтому применяются для обработки на станках-автоматах. В начале марки этих сталей ставится буква А, после которой записывается двухзначное число, показывающее среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: А12, АС14, АЦ30ХН, А35Е.
Литейные стали для получения фасонных отливок маркируются двухзначным
числом, которое показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента.
После числа ставится буква Л. Легированные литейные стали маркируются
соответственно общепринятой системе, а в конце марки ставится буква Л. Для
определения степени ответственности отливок в марке литейных сталей, как
правило, после буквы Л через дефис записывается цифра І, ІІ или ІІІ: І -
отливки общего назначения; ІІ - ответственного назначения; ІІІ - особо
ответственного назначения. Например: 30Л-І, 35ХМЛ-ІІ, 110Г13Л-ІІІ.
.2
Маркировка чугунов
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% С. Постоянных примесей в них также больше, чем в сталях.
В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны. Название белых и серых чугунов определяется цветом излома, название ковкого - условное.
Серые обыкновенные, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.
Серыми обыкновенными называют чугуны с пластинчатой формой графита. При маркировке обозначаются буквами СЧ и двухзначным числом, показывающим наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз. Например: СЧ15, СЧ25 (sв ³ 150 МПа).
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Принцип маркировки высокопрочных чугунов тот же, что и серых обыкновенных. Например: ВЧ38 (sв ³ 380 МПа).
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму.
Маркируют ковкие чугуны двумя буквами КЧ и двумя цифрами, разделенными тире:
первое число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности на
растяжение (в мегапаскалях), уменьшенное в 10 раз, а второе - относительное
удлинение (в процентах). Например: КЧ30-6 (sв ³ 300 МПа, d ³ 6%).
5.3 Маркировка меди и ее сплавов
Техническая медь маркируется буквой М и числом. Например: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu), М4 (99,0% Cu).
В состав медных сплавов могут входить: цинк - Ц, алюминий - А, марганец - Мц, кремний - К, железо - Ж, фосфор - Ф, никель - Н, свинец - С, олово - О, бериллий - Б.
Латунями называют сплавы меди с цинком. Они бывают двух- и многокомпонентными. Подразделяют латуни на литейные и деформируемые.
Литейные латуни обозначаются буквами ЛЦ. Дальше идет число, которое указывает на содержание цинка в процентах, затем буквы и числа, указывающие на состав и содержание компонентов. Например: ЛЦ40С2 (40% Zn, 2% Pb, остальное Cu), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (23% Zn, 6% Al, 3% Fe, 2% Mn, остальное - Cu).