7.6. Цинковые конструкционные сплавы

Для изготовления мелких, неответственных изделий, получаемых в производстве методом литья под давлением, применяют литейные цинковые сплавы, легированные алюминием (3,5-4,5%), либо совместно алюминием и медью (до 5%), например, сплавы марок ЦА 4, ЦАМ 4-1, ЦАМ 4-3. Отливки, отливаемые под давлением, обычно не подвергают дальнейшей механической обработке, поскольку они имеют точные размеры и гладкую блестящую поверхность, хотя и характеризуются повышенной пористостью. Такие сплавы обеспечивают следующие свойства: в =250-380 Н/мм²,  =2-6%, твердость НВ 70-120. Для защиты от коррозии такие отливки никелируют или создают на поверхности какое-либо иное покрытие.

Деформируемые цинковые сплавы также легируют алюминием (ЦАМ 15), алюминием и медью (ЦАМ 10-1), либо только медью (ЦМ 1). Такие сплавы прокатывают в листы, обрабатывают глубокой вытяжкой и прессуют в горячем состоянии. Высоколегированные сплавы обладают значительной прочностью (в до 460 Н/мм²) и удовлетворительной пластичностью (  =8-12%) и вязкостью. Цинковые сплавы часто используют взамен латуней.

7.7. Коррозионно-стойкие покрытия

Легкоплавкие металлы - цинк, олово, свинец - используют для создания коррозионно-стойких металлических покрытий на поверхности изделий из стали и других сплавов. Коррозионно-стойкие металлические покрытия по механизму своего влияния делят на катодные и анодные.

Катодные покрытия изготавливают из более электроположительного металла. Они экранируют анодные участки металла и повышают электродный потенциал поверхности. Вследствие высокой коррозионной стойкости они долговечны, но не выносят механических повреждений. При появлении царапин основной металл при наличии покрытия - второго катода - корродирует даже быстрее, чем без покрытия. Покрытия свинцом или оловом (лужение) для железа и низкоуглеродистой стали являются катодными. Луженую сталь применяют в пищевой промышленности (консервные банки и др.), а покрытие свинцом - в химической промышленности.

Анодные покрытия изготавливают из более электроотрицательного металла. Разрушаясь, они предохраняют металл от коррозии. При механических повреждениях такое покрытие выполняет роль дополнительного более электроотрицательного анода, который забирает большую долю коррозионного тока и тем самым защищает основной анод - защищаемый металл. Анодные покрытия применяют для защиты от атмосферной и морской коррозии. Анодными покрытиями для железа и углеродистых сталей являются покрытия цинком или кадмием.

8. Тугоплавкие и благородные металлы и сплавы

8.1. Общая характеристика тугоплавких металлов и их сплавов

Традиционно к тугоплавким металлам относят металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа (1539 °С), исключая из этого ряда при этом металлы групп платины и урана и некоторые редкоземельные металлы. Поэтому к группе тугоплавких металлов относят ванадий, вольфрам, гафний, молибден, ниобий, рений, тантал, технеций, титан, хром, цирконий. Все эти элементы относятся к металлам переходных групп. Самостоятельное применение в прикладном материаловедении в качестве конструкционных материалов и материалов с особыми свойствами (исключая из рассмотрения титан, свойства и применение которого приведены ранее) находят V, W, Mo, Nb, Ta, Zr. Физические свойства этих металлов приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Физические свойства тугоплавких металлов

Металл	Плот-ность, г/см3	Темпера-тура плавле-ния,С	Темпера-тура кипения,С	Удельное электросо-противление, мкОм*см	Тип кристалли-ческой решетки
Ванадий	6.1	1902	3410	19.6	ОЦК
Вольфрам	19.3	3400	5555	5.4	ОЦК
Молибден	10.2	2615	4610	5.7	ОЦК
Ниобий	8.6	2467	4740	16.0	ОЦК
Тантал	16.6	2980	5370	13.5	ОЦК
Цирконий	6.49	1852	4400	44	ГП и ОЦК

Общими свойствами этих металлов являются: высокие температуры плавления, кипения и рекристаллизации; обладание преимущественно ОЦК-кристаллической решеткой; отсутствие полиморфизма (исключение - цирконий, у которого низкотемпературная модификация обладает ГП-решеткой, а высокотемпературная - ОЦК-решеткой); высокая плотность и малый коэффициент теплового расширения; высокая жаропрочность; высокая стойкость в кислотах; малая распространенность в природе и поэтому - высокая их стоимость (см. табл. 1.2, 1.3).

Ниже приведены специфичекие свойства отдельных металлов и области их применения в технике.

Ванадий. Стоек против окисления до 600 С, имеет относительно небольшую плотность. Сплавы ванадия используются в авиационной, ракетной и атомной технике, а также в химической промышленности благодаря их высокой коррозионной стойкости.

Ниобий. Характеризуется удачным сочетанием тугоплавкости, высокой прочности, пластичности и малого коэффициента захвата тепловых нейтронов. Легирование ниобия другими металлами лишь незначительно повышает его хрупкость, что выделяет ниобий среди других тугоплавких металлов. Недостатком ниобия и его сплавов является их высокая окисляемость на воздухе при повышенных температурах. При разработке сплавов на основе ниобия перспективной является система Nb - W - Mo - Zr. Так, сплав Nb с 15% W, 5% Mo и 1% Zr при температуре 1200 С имеет предел прочности 240 Н/мм² и относительное удлинение 35%. Применяемый для изготовления листов сплав РН-6 ( Nb + 5,3% W + 5,3 % Mo + 1% Zr) имеет после деформации и отжига предел прочности 890 Н/мм². Защита ниобиевых сплавов от окисления (например, защитным покрытием из дисилицида молибдена) позволяет использовать их при высоких температурах в реактивных турбинах и ракетно-космической технике. Благодаря высокой пластичности, жаропрочности, хорошей свариваемости и высокой температуре плавления ниобий является перспективной основой для создания жаропрочных сплавов. Хорошая коррозионная стойкость и низкий коэффициент захвата тепловых нейтронов делают ниобий перспективным конструкционным материалом для ядерных реакторов. Ниобий является основой для создания сверхпроводящих материалов: критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние сплавов системы Nb - Zr около 11 К, а сое-динения Nb Sn - 20 К.

Цирконий. Он не используется для изготовления жаропрочных сплавов, поскольку испытывает полиморфное превращение (То=865 С), развитие которого при нагреве приводит к разупрочнению металла. На основе циркония разработаны высокопрочные теплоустойчивые (до 500-700 С) конструкционные сплавы, способные работать в химически активных средах и при низких температурах. Имея малый коэффициент захвата тепловых нейтронов и высокую коррозионную стойкость, цирконий и его сплавы находят применение для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов, труб охлаждения и других деталей ядерных реакторов. Характерными примерами сплавов на основе циркония являются циркалой-2 (1,5% Sn), Н1 (1% Nb), Н2,5 (2,5% Nb). Эти сплавы при 400 °С имеют временное сопротивле-ние разрыву и относительное удлинение на уровне: для сплава циркалой-2 - 70 Н/мм² и 36%, для сплава Н2,5 - 180 Н/мм² и 38% соответственно.

Молибден. Имеет высокие значения модуля упругости, электропроводности, теплопроводности и малый коэффициент термического расширения. Технический Мо хрупок при комнатной температуре (из-за высокого содержания примесей внедрения), плохо сваривается и сильно окисляется при повышенных температурах. Наибольшее распространение в странах СНГ приобрел жаропрочный сплав ЦМ-2А (0,15% Ti, 0,12% Zr), имеющий при 1200 С в =220 Н/мм² и  =18%. Молибден и его сплавы, наряду с ниобием и сплавами на его основе, являются наиболее перспективными материалами для изготовления обшивки и деталей каркаса ракет и сверх-звуковых самолетов.

Тантал. Обладает высокой пластичностью до очень низкой температуры. Для сплавов тантала характерны высокая прочность и высокая температура рекристаллизации (например, 1600 С для сплава Ta+20% W). Сплавы тантала с вольфрамом, выпускаемые промышленностью, имеют структуру твердых растворов и применяются как жаропрочные материалы. Чистый тантал применяют в электронной технике для изготовления пружин, конденсаторов, сопротивлений и т.д. Из тугоплавких металлов тантал является наиболее кислотостойким: он не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при ее концентрации до 80%.

Вольфрам. Обладает исключительной тугоплавкостью и высокой прочностью. Однако, малая пластичность и сильная окисляемость при высоких температурах затрудняют разработку и применение сплавов вольфрама. В радиоэлектронике и светотехнике широко применяют нелегированнй вольфрам, а также вольфрам с добавками TaC и ThO₂, а также сплавы системы W - Mo, изготовляемые методами порошковой металлургии. Карбид вольфрама (WC) используют для изготовления твердых сплавов для режущего инструмента: системы WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC-Co.