Шулга Получение и обработка металлов и соединений 2011

УДК 669(07)+621.7(07) ББК 34.3я7+34.5 я7 Ш 95

Шульга А.В. ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СОЕДИНЕ-

НИЙ: Учебно-методическое пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. 64 с.

Рассмотрены современные направления получения и обработки металлов и соединений. Приведены основные модули и темы учебной дисциплины «Получение и обработка металлов и соединений», при изучении которых целесообразно использовать методические материалы в виде комплекса тестовых вопросов и ответов для контроля знаний студентов, а также в виде методических указаний к лабораторным работам и перечня тем рефератов. Пособие подготовлено на основе многолетнего опыта преподавания данной дисциплины и непосредственно связано с программой. Сделан акцент на современные перспективные материалы и методы их получения, в частности быстрозакаленные сплавы, методы порошковой металлургии и модифицирования поверхности.

Предназначено для студентов групп Ф8-04, 05, 08, специализирующихся в области физики металлов, физического материаловедения и технологии получения материалов.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. ИМЕТ РАН В.Ф. Шамрай

ISBN 978-5-7262-1540-2

©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011

Редактор М.В. Макарова

Подписано в печать 15.11.2011. Формат 60х84 1/16. Печ. л. 4,0. Уч.-изд. л. 4,0. Тираж 100 экз.

Изд. № 4/11. Заказ № 85.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., 31.

ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д.42

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание новых материалов, разработка и совершенствование технологических схем их обработки в значительной мере определяют развитие техники и науки.

Существует три основные технологические схемы получения материалов. Первая схема основана на классическом подходе, включающем плавление и затвердевание расплава с последующими термомеханическими обработками литого материала и при необходимости дополнительной финишной технологией модифицирования поверхностных слоев материала (изделия) путем химикотермической обработки (при традиционном подходе) или радиационным воздействием. Вторая технологическая схема базируется на смешении веществ (порошков, нанокристаллов и др.) с последующим силовым и термическим воздействием для их компактирования и стабилизации структуры. Третья технологическая схема реализует принцип одновременного создания материала и изделия. Это осуществляется путем по-атомной сборки материала методами нанотехнологии.

Получение и обработка металлов и соединений содержит всестороннее рассмотрение и классификацию материалов, используемых в технике, основные этапы получения чистых металлов, включая первичную обработку руды, обогащение, вскрытие концентрата, извлечение, разделение и очистку металлов. Получение заготовок и изделий различными традиционными методами обработки, в том числе методом выплавки слитков, обработки давлением, термической обработки, при традиционных технологических схемах рассматривается наряду с современными методами порошковой металлургии, в частности с использованием быстрозакаленных аморфных и наноматериалов.

Рекомендуемые учебно-методические материалы подготовлены с учетом мероприятий по совершенствованию учебного процесса в НИЯУ МИФИ.

4

1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛОВ И СОЕДИНЕНИЙ

Получение и обработка металлов и соединений, применяемых в качестве конструкционных и функциональных материалов для ядерной энергетики, авиационно-космической техники, осуществляется, в основном, по первым двум технологическим схемам получения и обработки материалов перечисленным выше – традиционной и порошковой металлургии. Эти схемы являются достаточно сложными и содержащими такие обязательные технологические операции как добыча и переработка руды, получение порошков и выплавка слитков.

В этой связи важным аспектом является рассмотрение основ металлургии металлов и, прежде всего, самых применяемых сплавов – углеродистых и легированных сталей, а также некоторых цветных металлов, методов получения заготовок и изделий, обработки давлением, модифицирования поверхности изделий.

1.1. Производство стали

Производство стали базируется на использовании в качестве исходных материалов передельного чугуна и стального скрапа. При выплавке легированных сталей в их состав вводят легирующие элементы, обеспечивающие формирование заданного структурнофазового состояния и соответствующего уровня служебных характеристик.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2 % углерода. Кроме углерода, в нем обычно присутствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фосфор и сера. Чугун (передельный) является основным исходным материалом для получения стали (передел чугуна). Вместе с тем чугун – наиболее распространенный литейный сплав. В легированных чугунах дополнительно содержатся хром, никель и другие элементы. Чугун выплавляют в доменных печах, которые являются шахтными печами. Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы постепенно опускаются вниз. Навстречу – снизу вверх – движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.

5

Образование металлического железа начинается при 400–500 °С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300–1400 °С. При этих температурах восстановленное железо находится в твердом состоянии в виде губчатой массы. В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание по реакции: 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q и образуется сплав железа с углеродом. С повышением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается. При 1,8–2 % С она составляет 1200–1150 °С, и начинается плавление сплава. Стекая каплями в горн, расплав омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. Конечный состав чугуна характеризуется наличием постоянных примесей: полезных – Мn и Si и вредных – Р и S. В чугуне могут быть и другие полезные примеси – никель, хром, ванадий и др.

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5 % углерода (теоретически до 2,14 % углерода). Кроме углерода, сталь всегда содержит в небольших количествах постоянные химические элементы-раскислители: марганец (до 0,8 %) и кремний (до 0,4 %), а также примеси: фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %) и др., что связано с особенностями технологии ее выплавки. Кроме углеродистых сталей, широко применяют легированные стали, в состав которых входят хром, никель и другие элементы. Существует свыше 1500 марок углеродистых и легированных сталей – конструкционных, инструментальных, коррозионно-стойких.

Для массового производства стали в современной металлургии основными исходными материалами являются передельный чугун и стальной скрап. Выплавка стали сводится к удалению в процессе окислительной плавки избытка углерода и других элементов. Ки- слородно-конвертерный процесс – главный способ массового производства стали. Обеспечение высокого качества стали достигается удалением вредных примесей – серы, фосфора, кислорода, азота и неметаллических включений. Кислородно-конвертерным способом выплавляют спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Выплавка легированных сталей в конвертерах затруднена; в них выплавляют, в основном, низколегированные стали.

6

Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, путем электрошлакового, плазменного переплава и другими новейшими способами.

1.2. Производство некоторых цветных металлов

Производство меди. Медь является главным электропроводниковым материалом в электро- и радиотехнике. Медь как легирующий элемент входит в состав многих алюминиевых и других сплавов. Примерно 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом; около 10 % – гидрометаллургическим способом.

Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми растворами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора.

Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт – штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафинирование, т. е. очистку от примесей. Штейн – сплав, состоящий, в основном, из сульфида меди Cu2S и сульфида железа

FeS. Он обычно содержит (20–60) % Сu, (10–60) % Fe и (20–25) % S. В расплавленном состоянии (tпл = 950–1050 °С) штейн поступает на переработку в черновую медь путем продувки расплавленного штейна воздухом. Рафинирование меди – ее очистку от примесей – проводят огневым и электролитическим способами.

Производство алюминия. По размерам производства алюминий занимает первое место среди всех цветных металлов. Алюминиевые сплавы – важнейшие конструкционные материалы в различных областях техники. Вследствие высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы используют в химической и пищевой промышленности. Наиболее важные алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты. Основная руда – бокситы, горные породы сложного состава, содержащие гидраты АlO(ОН), Аl(ОН)3 и др. Содержание глинозема А12О3 составляет от 30 до 70 %.

Современное производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема А12О3 из бокситов и получения металлического алюминия путем электролиза расплавленного гли-

7

нозема. Полученный электролизом первичный алюминий содержит примеси (железо, кремний, частицы глинозема и т. п.), ухудшающие его свойства, и поэтому подвергается рафинированию. Рафинирование хлором заключается в продувке расплавленного алюминия при 700–750 °С газообразным хлором. Электролитическое рафинирование применяют для получения алюминия более высокой чистоты.

Производство титана. Титановые сплавы имеют наиболее высокую удельную прочность среди всех металлических материалов, а также высокую жаропрочность и коррозионную стойкость и находят все более широкое применение в авиационной технике, химическом машиностроении и других областях.

Титан по распространению в природе занимает четвертое место среди металлов и входит в состав более чем 70 минералов. К основным промышленным титансодержащим минералам относятся рутил (более 90 % ТiO2) и ильменит TiO2 FeO (60 % TiO2).

Наиболее широкое распространение получил магнитермический способ, осуществляемый по следующей технологической схеме: титановая руда → обогащение → плавка на титановый шлак → получение четыреххлористого титана → восстановление титана магнием (металлотермическое восстановление).

Титановые руды обогащают электромагнитным и другими способами, получая концентрат, содержащий до 50 % TiO2 и около

35 % Fe2O3 и FeO.

Плавку на титановый шлак проводят в электродуговой печи. Шихтой служат прессованные брикеты, состоящие из мелкоизмельченного концентрата, угля и связующего. В результате плавки получают богатый титановый шлак, содержащий до 80 % TiO2. Побочным продуктом является чугун, содержащий до 0,5 % Ti. Измельченный шлак подвергают магнитной сепарации (для удаления железосодержащих частиц), смешивают с мелким нефтяным коксом и связующим и спрессовывают в брикеты. После обжига при 700–800 °С брикеты подвергают хлорированию.

Восстановление титана магнием из ТiСl4 проводят в герметичных реакторах (ретортах) из нержавеющей стали, установленных в электрических печах сопротивления. После установки в печь из реторты откачивают воздух и заполняют ее очищенным аргоном;

8

после нагрева до температуры 700 °С заливают расплавленный магний и начинают подачу жидкого TiCl4. Титан восстанавливается магнием по реакции TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2. Частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу (титановая губка), пропитанную магнием и хлористым магнием. Рафинирование титановой губки проводят методом вакуумной дистилляции. Наиболее чистый титан получают методом газофазной металлургии (иодидное рафинирование).

1.3. Получение заготовок и изделий

Сущность литейного производства, как основного в традиционной металлургии производства заготовок и изделий, состоит в получении отливок – литых металлических изделий путем заливки расплавленного металла или сплава в литейную форму или кристаллизатор.

В машиностроении масса литых деталей составляет около 50 % массы машин и механизмов, в станкостроении – около 80 %, в тракторостроении – около 60 %. Это объясняется рядом преимуществ литейного производства по сравнению с другими способами получения заготовок или готовых изделий. Литьем получают детали как простой, так и сложной формы с внутренними полостями, которые нельзя или очень трудно получить другими способами. Во многих случаях это наиболее простой и дешевый способ получения изделий.

Некоторые специальные способы литья позволяют получать отливки с высокой чистотой поверхности и точностью по размерам, что резко сокращает или исключает совсем их последующую механическую обработку. Кроме «традиционных» литейных сплавов (чугуна, стали, бронзы), литье все шире применяют для изготовления изделий из коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, магнитных и других сплавов c особыми физическими свойствами.

1.4.Обработка давлением

Кобработке металлов давлением относят прокатку, прессование, ковку, штамповку, волочение и некоторые специальные про-

9

цессы, например, упрочняющую обработку пластическим деформированием и т. д.

При обработке давлением полуфабрикаты и изделия получают пластическим деформированием исходной заготовки или слитка. Этот процесс отличается значительной экономичностью, высоким выходом годного и большой производительностью. Обработкой давлением можно изготовить детали самых различных размеров (от миллиметра до нескольких метров) и формы.

Обработка металлов давлением обычно преследует две основные цели: получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и улучшение структурно-фазового состояния исходного литого металла с повышением его физико-механических свойств. Давлением обрабатывают примерно 90 % всей выплавляемой стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов.

Прокатка – наиболее распространенный вид обработки металлов давлением. Более 80 % выплавляемой стали в нашей стране обрабатывается в прокатных цехах.

При продольной прокатке заготовка под действием сил трения втягивается в зазор между валками, вращающимися в различных направлениях. Почти 90 % всего проката производится продольной прокаткой, в том числе весь листовой и профильный прокат.

При поперечной и винтовой прокатке заготовка деформируется валками, вращающимися в одну сторону. При винтовой прокатке вследствие расположения валков под углом друг к другу прокатываемый металл, кроме вращательного, получает еще и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии.

В промышленности поперечную прокатку используют, главным образом, для получения специальных периодических профилей. Винтовую прокатку широко применяют для получения пустотелых трубных заготовок из различных металлов.

При прессовании (экструзии) металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, получая пруток или трубу с профилем, соответствующим сечению отверстия инструмента. Исходным материалом для прессования являются слитки или отдельные заготовки.

10