Экзаменационный билет № 13

1. Производство алюминия.

В чистом виде алюминий —металл серебристого цвета с плотностью 2700 кг/м³ (2,7 г/см³) и температурой плавления 657° С.

Получение чистого алюминия из руд осуществляется в две стадии: в первой из бокситов или других алюминиевых руд выделяют глинозем, а во второй стадии в расплавленных солях глинозем восстанавливают электролизом до металлического алюминия. Получение глинозема может производиться одним из трех способов: щелочным, кислотным и электротермическим. Наибольшее распространение имеет мокрый щелочный способ.

При этом способе размельченную руду обрабатывают в автоклаве при температуре 250° С щелочью под давлением 250—300 кн/м² (25—30 кГ/см²). При этом образуется алюминат натрия, а примеси оседают. Осадок отфильтровывают. Из раствора алюмината натрия осаждают гидрат окиси алюминия. Его сушат, прокаливают и охлаждают, в результате чего получают чистую окись алюминия. Получение чистого алюминия из глинозема производят путем электролиза.

Схема электролизной ванны — «электролизера» показана на рис. 12. В каркасе ванны 1 помещена теплоизоляция 3 и угольная набивка 2, к которой подведены катоды 6. По шине 4 ток подводится к анодам 5. После нагрева электрическим током стенок ванны до температуры 1000° С загружают электролит (криолит) и расплавляют его. Криолит (Na₈AlF₆) производится искусственным способом. Он имеет низкую температуру плавления и способен в жидком состоянии растворять глинозем.

Затем загружают глинозем, который растворяется в электролите. Из него выделяется алюминий и осаждается на катоде (слой В). Электролит (слой А) располагается над слоем выделенного алюминия. На нем образуется корка, на которую вновь загружают глинозем (слой Б), проходящий предварительный подогрев в таком положении.

Полученный алюминий подвергается рафинированию для удаления примесей и газов. Это осуществляется путем переплавки алюминия в электрических печах с продувкой жидкого металла хлором или посредством дополнительного электролитического рафинирования, что позволяет получить наиболее чистый алюминий. Затем алюминий разливают в изложницы на чушки.

2. Термическая обработка стали.

Термическая обработка заключается в нагревании деталей по определенному режиму до заданной температуры, выдержке при этой температуре, а затем охлаждении с определенной скоростью. В случае обработки холодом, т. е. при отрицательных температурах, процесс состоит в охлаждении деталей в камере холода с некоторой скоростью, выдержке при заданной отрицательной температуре и нагревании до комнатной температуры. Таким образом, режим термической обработки определяется совокупностью ряда факторов — температурой и скоростью нагрева или охлаждения, продолжительностью выдержки при заданной температуре.

Назначение термической обработки — придать металлу или сплаву необходимые свойства: повышенную или пониженную твердость, прочность, пластичность. Изменение физико-механических свойств металлов и сплавов в результате термической обработки вызывается изменениями их структуры.

Отжиг

Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это — побочное явление).

Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.

Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением

Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30…50 градусов выше АС3) и охлаждают на спокойном воздухе

Дисперсионное твердение (старение). После проведения закалки (без полиморфного превращения) проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

Криогенная обработка — это упрочняющая термическая обработка металлопродукции при криогенных, сверхнизких температурах (ниже минус 153°С).

3. Влияние некоторых факторов на обработку металлов давлением.

1. Химический состав Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы, наименьшей - химические соединения (больше сопротивление движению дислокаций). Легирующие добавки Cr, Ni, W, Co, Mo - увеличивают пластичность; С, Si - снижают пластичность. 2. Микро-, макроструктура С уменьшением величины зерна пластичность увеличивается (сверхпластичность). Разнородность зерен снижает пластичность. 3. Фазовый состав Наибольшей пластичностью обладает металл однородного строения. Разные фазы, имеющие некогерентные решетки, затрудняют движение дислокаций и понижают пластичность. Кроме того, они деформируются по-разному, что способствует образованию трещин.

4. Скорость деформации Следует различать скорость перемещения инструмента или скорость деформирования (V, м/с) и скорость деформации - изменение степени деформации в единицу зремени (u или ε, с-1),

5. Окружающая среда. Некоторые поверхностно активные вещества повышают пластичность металла (олеиновая кислота) - облегчают пластический сдвиг, другие - способствуют хрупкому разрушению (керосин). Таким образом, необходимо уделять должное внимание смазкам.

6. Дробность деформации Увеличение дробности деформации приводит к повышению пластичности легированных марок стали.

7. Механическая схема деформации Наиболее благоприятной схемой пластической деформации является схема трехстороннего неравномерного сжатия. При прочих равных условиях уменьшение растягивающего напряжения благотворно влияет на пластические свойства металла.

8. Масштабный фактор Чем больше объем тела, тем ниже его пластические свойства при прочих равных условиях - следует учитывать при разработке процессов ОМД и при проектировании оборудования

4. Алюминий его сплавы. Маркировка. Область применение. Химический состав Д 1, АЛ 12.

Алюминий - один из наиболее легких конструкционных металлов (ρ = 2,7 кг/м³). Он обладает высокой пластичностью. В чистом виде алюминий имеет небольшую прочность, кристаллическую решётку ГЦК и обладает высокой коррозионной стойкостью из-за образования на поверхности пленки, содержащей химическое соединение Al₂O₃.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы делятся на деформируемые (термически не упрочняемые и упрочняемые) и литейные.

К деформируемым алюминиевым сплавам относятся:

- сплавы алюминия с марганцем АМц (АМц3) и сплавы алюминия с магнием АМг (АМг6). Марганец и магний повышают прочность алюминия в три раза. Используют эти сплавы при изготовлении сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, трубопроводов, средне-нагруженных деталей конструкций;

- дюралюмины - сплавы алюминия с медью (2,2-4,8 %), магнием (0,4-2,4 %), марганцем (0,4-0,8 %). Это термически упрочняемые сплавы. Их обозначения: Д1, Д6, Д16 (номера условные). Для защиты дюралюминов от коррозии используют так называемое плакирование (покрытие тонким защитным слоем из чистого алюминия);

- сплав В95 - наиболее прочный алюминиевый сплав (2 % Си, 2,5 % Mg, 0,5 % Mn; 6 % Zn, 0,15 % Сr, 0,5 %Si, 0,5 % Fe), используется он для изготовления элементов летательных аппаратов;

- ковочные сплaвы (АК) для деталей, изготавливаемых ковкой и давлением. Обозначение: АК1, АК5 (номер условный). Эти сплавы обладают способностью сохранять механические свойства при повышенных температурах.

К литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы алюминия с кремнием (так называемые силумины), содержащие 4-13 % Si. Силумины маркируют: АЛ2, АЛ13 (порядковый номер). Применяют такие сплавы для изготовления литых деталей приборов, корпусов турбонасосов, тонкостенных отливок сложной формы.

Принята буквенно-цифровая система маркировки. Буква, стоящая в начале, означает: А — технический алюминий; Д — дюралюминий; АК — алюминиевый сплав, ковкий; АВ — авиаль; В — высокопрочный алюминиевый сплав; АЛ — литейный алюминиевый сплав; АМг — алюминиево-магниевый сплав; АМц — алюминиево-марганцевый сплав; САП — спечённые алюминиевые порошки; САС — спечённые алюминиевые сплавы.

Вслед за буквами идёт номер марки сплава. За номером марки сплава ставится буква, обозначающая состояние сплава: М — сплав после отжига (мягкий); Т — после закалки и естественного старения; А — плакированный (нанесён чистый слой алюминия); Н — нагартованный; П — полунагартованный.