коля / u_course

том электросопротивления. Плотность, температура плавления и твердость сплавов на основе серебра приведены в табл. 9.5.

Рис. 9.10. Диаграмма состояния системы Ag–Cu

*Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Сплавы на основе платины

Платину для изготовления ювелирных изделий легируют иридием, медью, палладием, родием. Для промышленного применения к платине добавляют железо, кобальт, никель.

Сплавы системы Pt–Ir (рис. 9.11) кристаллизуются с образованием непрерывного ряда твердого раствора (Pt, Ir). При понижении температуры происходит его распад на два твердых раствора α1 и α2. Максимальная критическая температура распада твердого раствора отвечает 975 оС при содержа-

289

нии50 % (ат.) иридия. Пределы двухфазной области при700 оС– 7 и99 % (ат.) иридия. Равновесное состояние в системе Pt–Ir в области существования двух фаз не достигается даже при выдержке в течение одного года.

Рис. 9.11. Диаграмма состояния системы Pt–Ir

Рис. 9.12. Диаграммасостояния системы Cu–Pt

Сплавы системы Cu–Pt также кристаллизуются с образованием непрерывного ряда твердого раствора (рис. 9.12). В системе Cu–Pt существу-

ет ряд соединений: Cu3Pt, CuPt, CuPt3, CuPt7.

Сведения о некоторых свойствах ювелирных сплавов на основе платины даны в табл. 9.6.

290

*Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Платина и родий неограниченно растворимы друг в друге. Сплавы, содержащие до 30 % Rh, хорошо деформируются в холодном состоянии. Сплавы с более высоким содержанием родия обрабатываются с большими трудностями.

Коррозионная стойкость сплавов в кислотах постепенно возрастает

сувеличением содержания родия. Сплавы с концентрацией 20 % Rh и выше не растворяются в царской водке.

Из всех сплавов благородных металлов сплавы платины с иридием обладают наибольшей коррозионной стойкостью даже по отношению к хлору и царской водке (смесь соляной и азотной кислот) и отличаются большой прочностью и упругостью.

Платина и медь образуют непрерывный ряд твёрдых растворов (рис. 9.12). При охлаждении наблюдается упорядочение твёрдых растворов

собразованием химических соединений. Механические свойства сплавов рассматриваемой системы сильно зависят от содержания второго компонента. С повышением содержания меди прочность возрастает, а пластич-

ность падает. Так, отожженные сплавы с 4,88 % Сu обладают σв = 440 МПа и δ = 20 %, а при повышении содержания меди до 9,08 % эти характеристики составляют, соответственно, 560 МПа и 17 %.

При нагревании на воздухе сплавы, содержащие менее 10 % Сu, не окисляются. При большем содержании меди происходит избирательное окисление, и поверхность покрывается окислами меди. Азотная кислота не действует на сплавы, если содержание меди не превышает 50 %.

Платина с γ-железом образует непрерывный ряд твёрдых раство-

ров. В сплавах с 40–50 % Fe наблюдается отрицательный температурный коэффициент теплового расширения. Сплавы, закалённые с 1100 оС, имеют

высокую коэрцитивную силу с максимумом при 22,2 % (мас.) Fe (50 % ат. Fe), достигающим 1,2·105 А/м. В отожженном состоянии коэрцитивная сила равна 2,5·105 А/м.

291

Ювелирные сплавы на основе палладия

Палладий легируют серебром, никелем, медью. Плотность, температура плавления и твердость некоторых ювелирных сплавов на основе палладия приведены в табл. 9.7.

Таблица 9.7

Свойства ювелирных сплавов на основе палладия

*Твердость определяли на образцах со степенью деформации 75–95 %.

Запасы золота и платины являются обеспечением национальной валюты большинства стран.

Сплавы благородных металлов широко используют для изготовления ювелирных изделий. Их применяют также в зубном протезировании.

В современной технике (в производстве точных измерительных и регулирующих приборов) в ряде случаев требуется применение металлов и сплавов с особыми физико-химическими и механическими свойствами. К числу особых свойств относят: отсутствие износа (опоры измерительных приборов из сплавов Os–W–Co; Os–W–Ni; Ru–W–Ni), постоянство электросопротивления (потенциометры), сильное и постоянное изменение электросопротивления в зависимости от температуры (термометры сопротивления из платины высокой чистоты), сильное и постоянное изменение электродвижущей силы в в зависимости от температуры (термопары из сплавов: Рt и (Рt + 10 % Rh); (60 % Au + 40 % Pd) и (90 % Рt + 10 % Rh)),

высокая коэрцитивная сила и остаточная индукция (постоянные магниты из сплавов: (86,7 % Ag + 8,8 % Мn + 4,5 % Al); (77,8 % Рt + 22,2 % Fe); (76,7 % Pt + 23,3 % Со)), низкая эрозия в сочетании с высоким комплексом механических свойств (электрические контакты из сплавов: Pt + 8 % Ni; Pt + 3 % Сu; Pt + 10 % Ir). К числу особых свойств платины и палладия относят их способность служить катализаторами химических реакций. Из благородных металлов и сплавов изготавливают также легкоплавкие припои.

292

Контрольные вопросы

изадания

1.Какие металлы относят к благородным?

2.Охарактеризуйте основные свойства, структуру, применение се-

ребра.

3.Каковы основные свойства, структура и применение золота?

4.Охарактеризуйте основные свойства, структуру, применение металлов платиновой группы.

5.Какие структуры и свойства имеют сплавы на основе золота? Каковы области их применения?

6.Какие структуры и свойства имеют сплавы на основе серебра? Где их применяют?

7.Охарактеризуйте структуру, свойства и применение сплавов на основе платины.

8.Каковы структура и свойства сплавов на основе палладия? Где их применяют?

9.Как маркируют ювелирные сплавы?

10.Каковыособыесвойствасплавовнаосновеблагородныхметаллов?

10. РАДИОАКТИВНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Существуют 17 радиоактивных металлов. Из них 6 – природного происхождения, 11 – искусственно полученные химические элементы

(табл. 10.1).

Первый элемент был открыт в 1789 г. – уран, но в металлическом состоянии он был получен в 1841 г. Длительное время радиоактивные элементы представляли интерес только для узкого круга химиков и имели ограниченное использование. В настоящее время радиоактивные металлы применяют для получения атомной энергии, в космических исследованиях и микроэнергетике. Их используют для многих измерительных и калибровочных приборов. Радиоактивные элементы являются актуальной темой исследований в ядерной физике.

293

Таблица 10.1

Природные и искусственные радиоактивные металлы

Рассмотрим наиболее распространенные металлы – торий, уран и плутоний.

10.1. Торий и его сплавы

Торий является ядерным топливом. Однако он еще и ценный легирующий элемент, который придает ряду сплавов высокую прочность и жаропрочность. Торий был открыт в 1828 г. Берцелиусом в Норвегии. Назван по имени бога грома в скандинавской мифологии – Тора.

Структура и свойства тория

Изотоп Th232 при облучении в реакторе в результате захвата нейтронов превращается в делящийся изотоп U233, являющийся основным ядерным горючим. Таким образом, торий так же, как природный уран, может служить ядерным топливом для получения атомной энергии. В связи с этим к торию как ядерному горючему проявляют большой интерес. Это вызвано также тем, что он имеет большую распространенность в земной коре по сравнению с ураном: содержание урана составляет 0,0004 %, тория – 0,0012 %. Эти цифры показывают, что торий не является редким элемен-

294

том и распространен в природе не меньше, чем свинец, молибден и другие промышленные металлы.

Считают, что содержащийся в земной коре торий может дать большее количество энергии, чем уран и добываемое из недр земли топливо, вместе взятые.

Торий является также ценным легирующим компонентом в ряде сплавов, сообщая им высокую прочность и жаропрочность. Важнейшие физические свойства тория: температура плавления tпл = 1750 оС, температура кипения tкип 3500–4200 оС, кристаллическая решетка: до 1400 оС – ГЦК, от 1400 оС до tпл – ОЦК, плотность при 20 оС – 11,66 г/см3. В земной коре содержится 1,2·10-3 % тория.

Торий технической чистоты в компактном виде получают путем переплавки в индукционных и электродуговых печах продуктов восстановления тетрахлорида тория металлическим кальцием в герметических емкостях (бомбах). В промышленных сортах тория, выплавленного в электродуговых печах, содержится до 0,18 % О; < 0,03 % С и N; < 0,02 % Al; < 0,05 % Fe и Zn. Наиболее чистый металлический торий получают методом диссоциации йодида тория (ThI4), который содержит < 0,03 % О; 0,02 % С; 0,002 % N; < 0,005 % Al; < 0,013 % Fe; < 0,002 % Zn.

Слитки тория, выплавленные в дуговой электропечи, хорошо прессуются и прокатываются при температуре 650–950 оС, и из него могут быть получены прутки, листы и другие полуфабрикаты. В связи с высокой химической активностью тория обработку его обычно производят в защитной медной оболочке. Торий высокой чистоты, полученный йодидным методом в виде листов, имеет низкую прочность и высокую пластичность:

σв = 121,6 МПа; σ0,2 = 48,5 МПа; δ = 36 %; ψ = 62 %. Технический металл,

полученный восстановлением, прокатанный и отожженный, имеет временное сопротивление разрыву σв = 278,4 МПа, условный предел текучести σ0,2 = 213,0 МПа, относительное удлинение δ = 52 %.

На механические свойства тория существенное влияние оказывают обычные примеси (О, N и С). Наиболее сильное воздействие на упрочнение тория имеет углерод; кислород и азот мало влияют на свойства тория.

Торий в чистом виде как конструкционный материал в промышленности не применяют. Для техники представляют интерес некоторые его сплавы.

Сплавы тория

Торий образует сплавы с большинством элементов. Наиболее широкое промышленное применение получили сплавы тория с магнием и вольфрамом. Рассмотрим структуру и свойства этих сплавов.

295

натной и повышенных температурах, а также улучшает его сопротивление ползучести при повышенных температурах.

При исследовании двойных сплавов системы Mg–Th выяснили, что для сплавов, не подвергнутых закалке, значительный рост твердости в литом и стабилизированном состояниях наблюдается до 4 % тория. Дальнейшее увеличение содержания тория до 6–10 % не приводит к существенному упрочнению сплавов.

Повышение содержания тория ведет к увеличению плотности сплава, делает более вредными условия работы вследствие естественной радиоактивности, присущей торию, а также приводит к увеличению расхода дорогостоящего и дефицитного тория. Поэтому на практике получили применение сплавы, содержащие 3-4 % (мас.) Th.

ДиаграммасостоянияMg–Th имеетэвтектический характер (рис. 10.1).

Рис. 10.1 Диаграмма состояния системы Mg–Th

Торий значительно растворяется в твердом магнии, причем растворимость его резко уменьшается с понижением температуры.

Двойные Mg–Th сплавы (с 3 % Th) можно значительно упрочнить путем дальнейшего легирования добавками Al, Mn, Zn, Се, Nd и др.

Разработан ряд литейных и деформируемых сплавов магния с торием, легированных добавками марганца, цинка, циркония и неодима.

К группе сплавов магния с торием и цирконием относится стандарт-

ный литейный магниевый сплав ВМЛ1 (3 % Th; 0,8 % Zr; остальное Mg).

296

Учитывая, что основная масса циркония находится в твердом растворе, фазовое равновесие в сплавах данного типа можно описать, руководствуясь двойной диаграммой состояния Mg–Th (рис. 10.1).

В соответствии с составом сплава ВМЛ1 его структура состоит из зерен легированного α-твердого раствора, фазы Mg23Th6 и включений частиц циркония.

Механические свойства сплава: σв = 190 МПа; δ = 6%.

Сплав рекомендуется для отливки деталей с повышенной герметичностью, работающих при температурах 300–350 оС.

Магнийториевые сплавы, легированные цирконием и цинком, явля-

ются весьма теплопрочными сплавами и могут работать до температур 300–350 оС, тогда как многие другие магниевые сплавы уже при температурах 200–250 оС практически полностью разупрочняются. Сплавы рекомендуют для отливки высоконагруженных деталей, работающих при температурах 300–350 оС.

Деформируемые магниевые сплавы достаточно широко применяют в различных областях техники.

Наряду с обычными легирующими добавками (Al, Zn, Мn, Са) в этих сплавах в качестве упрочняющих добавок применяют также Th, Nd и др. Для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна, кроме указанных добавок, вводят цирконий.

Оптимальными свойствами обладают сплавы магния с торием и марганцем (МА13 и ВМД1), содержащие 2,5–3,5 % Th и 1-2 % Мn. Позд-

нее сплавам данной группы в зависимости от содержания основных легирующих добавок были присвоены промышленные марки МА13 (1,7–2,5 % Th, 0,4–0,8 % Мn, остальное Mg) и ВМД1 (2,5–3,5 % Th, 1,2–2 % Мn, осталь-

ное – Mg). Сплавы МА13 и ВМД1 в соответствии с их составом принадлежат к трехфазной области α + Mg23Th6 + β(Mn) и отличаются по структуре только количеством упрочняющихся фаз Mg23Th6 и β(Мn). Сплавы применяют в основном в отожженном состоянии. Температура отжига 400 оС, время выдержки 1 ч. Механические свойства при комнатной температуре сплава ВДМ1: σв = 280 МПа; δ = 23 %. МА13 имеет σв = 235 МПа; δ = 18 %.

Сплавы рекомендуют для изготовления различных полуфабрикатов (листов, плит, прутков, поковок), используемых в высокопрочных конструкциях, работающих при высокой температуре.

Сплавы магния с торием, марганцем и неодимом (ИМЕТ40) явля-

ются наиболее жаропрочными легкими сплавами. По показателям кратковременной и длительной прочности при 350–400 оС сплав ИМЕТ40 (1,5 % Мn, 2,5–3 % Th, 1,5–2,5 % Nd, остальное Mg) превосходит все известные в России и за рубежом магниевые и алюминиевые сплавы. Этот сплав пригоден для кратковременной работы при температуре 450 оС.

297

При легировании сплавов Mg–Mn–Th неодимом, а также церием дополнительно увеличивается прочность при комнатной и повышенных температурах.

При легировании сплавов Mg–Th–Мn неодимом, кроме фаз Mg23Th6

иβ(Мn), появляется новая высокопрочная и жаропрочная фаза Mg5Nd, которая и способствует повышению прочности и жаропрочности сплава.

Сплав ИМЕТ40 применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии. Отжиг производится при 350–400 оС в течение 2 ч, закалка – с 550 оС после выдержки 24 ч и отпуск – при 200 оС в течение 11 ч.

Механические свойства сплава при комнатной температуре: σв = 250 МПа;

δ = 17 %.

Листы, прутки, поковки и штамповки из сплава ИМЕТ40 рекомендуют для длительной работы в конструкциях при температуре 350–400 оС

икратковременной – до температуры 450 оС.

В промышленности широкое применение получили сплавы вольфра-

ма с 1 % ThO2 и 2 % ThO2. Эти спла-

вы, относящиеся к системам металл – окисел (керметы), получают методами порошковой металлургии. Введение окиси тория повышает температуру собирательной рекристаллизации вольфрама и способствует сохранению мелкозернистой структуры металла при высокотемпературном нагреве. Образующиеся между зернами вольфрама прослойки из окиси тория являются барьером и тормозят развитие собирательной рекристаллизации.

Торированный вольфрам характеризуется также высокой жаропрочностью и повышенной эмиссионной способностью. Добавки окиси тория к вольфраму снижают работу выхода электронов (для чистого вольфрама работа выхода равна 4,55 эв, для торированного вольфрама 2,63 эв). Чем ниже работа выхода, тем больше электронная эмиссия. Максимальная эмиссия наблюдается тогда, когда окисью тория покрыто около 70 % активной поверхности зерен. Поэтому сплавы типа керметов применяют в качестве источника первичной электронной эмиссии.

Кроме двойных сплавов вольфрама с окисью тория, применяют ториевые сплавы с добавками до 5 % Re.

Торированный вольфрам используют для изготовления катодов рентгеновских ламп и электронных пушек плавильных печей. Значительное количество торированного вольфрама идет в виде проволоки для сварки, а также в качестве нерасходуемых электродов для дуговой плавки тугоплавких и других металлов. Двуокись тория стабилизирует горение дуги при сварке и плавке металлов.

298