Медные сплавы. Медные сплавы - первые металлические сплавы, созданные человеком. До середины 20 века по мировому производству медные сплавы занимали первое место среди сплавов цветных металлов, уступив его затем алюминиевым сплавам. Со многими элементами медь образует области твердых растворов замещения, в которые атомы добавки занимают места атомов меди в гранецентрированной кубической решетке. Медь в твердом состоянии растворяет до 39%Zn, 15,8%Sn, 9,4%Al, а Ni - неограниченно. При образовании твердого раствора на основе меди растут ее прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, повышается коррозионная стойкость, при сохранении пластичности. При добавлении легирующего элемента свыше предела растворимости образуются соединения, в частности электронные, т.е. характеризующиеся определенной электронной концентрацией, например, CuZn, CU Sn, Cu Sn ,Cu Al , CuBe и др. Медные сплавы получают сплавлением меди с легирующими элементами или промежуточными сплавами - лигатурами, содержащими легирующие элементы. Для создания термически упрочняемых медных сплавов используют легирующие элементы, которые образуют с медью или между собой интерметаллические соединения (например, CuBe, NiBe, Ni Al), растворимость которых в твердом растворе на базе меди с понижением температуры уменьшается. При закалке таких сплавов образуется пересыщенный твердый раствор, из которого при искусственном старении выделяется дисперсные интерметаллические соединения, упрочняющие медные сплавы. Медные сплавы подразделяются на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы. В латунях главной добавкой является цинк, в бронзах - любой элемент, кроме цинка и никеля. Промышленные марки выпускаемых медных сплавов начинаются с первых букв их названий - Л(латуни), Бр(бронзы) и М(медно-никелевые сплавы). Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А - алюминий, Н - никель, О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, Ф - фосфор, Т - титан. В марке простой (двойной) латуни цифры указывают среднее содержание меди. Например, латунь Л90 содержит 90% Cu и 10% Zn и т.д. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии. Кислород при комнатной температуре не действует на медные сплавы. Окись углерода с ними не реагирует, пар действует на бронзы слабо. Сероводород при незначительной влажности и особенно при повышенных температурах сильно реагирует с медными сплавами. Азотная и соляная кислоты действуют на латуни и оловянные бронзы очень сильно, серные - значительно слабее. Медные сплавы используются как конструкционные, пружинные, антифрикционные и коррозионностойкие материалы, сплавы с высокой электро- и теплопроводностью с высоким электросопротивлением и низким температурным коэффициентом электросопротивления, сплавы для термопар, художественного литья и посуды. Медные сплавы применяют в общем машиностроении, авиа-, авто- и судостроении, на железнодорожном транспорте, в электротехнической промышленности, приборостроении, в производстве водяной и паровой арматуры и других изделий.

СПЛАВЫ ВЫСОКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Описанные выше металлы и сплавы, в основном, характеризуются низким электрическим сопротивлением, что является особенностью большинства металлов. Однако наряду с ними в промышленности используются так называемые сплавы высокого электрического сопротивления, у которых 0,3 мкОмм. Из них изготавливают различные элементы электроизмерительных устройств, образцовые резисторы, электронагреватели и др. изделия.

В

Таблица 1. Свойства сплавов для нагревательных элементов

Сплав	, мкОмм		10-6, К-1		Предельная рабочая температура, 0С
Манганин (60%Cu, 12%Mn, 2%Ni)		0,42-0,48		5-30		100-200
Константан (60%Cu, 40%Ni)	0,48-0,52		-(5-25)		450-500
Нихромы (сплавы никеля и хрома с добавками др. элементов)	1,0-1,2		100-200		1100

таблице 1 представлены некоторые сплавы, используемые в качестве нагревательных элементов.

В качестве термопар наиболее часто используют следующие сплавы.

Копель 56Cu%+44%Ni Измеряемая температура-до 350⁰С

Алюмель 95%Ni+Al, Si, Mn Измеряемая температура-до 900-1000⁰С

Хромель 90%Ni+10%Cr Измеряемая температура-до 900-1000⁰С

Платинородий 90%Pt +10%Rh Измеряемая температура-до 1600⁰С

5.ТЕХНИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА.

Керамика является одним из основных материалов, используемых в промышленности и повседневной жизни, ее называют третьим промышленным материалом, наряду с металлами и полимерами. Но керамика занимает особое место в ряду перспективных материалов, что обусловлено уникальностью ее химических и физических свойств, таких как инертность по отношению к воздействиям химически агрессивных сред, тугоплавкость, высокие твердость, прочность и модуль упругости.

Россия является страной с традиционно мощно развитой керамической промышленностью. Первые сведения о производстве бытовой керамики на территории нашей страны датированы 8-9 вв. н.э. Заметное развитие производства строительной керамики, создание стекольной и фарфоро-фаянсовой промышленности взаимосвязаны с реформами в Российском государстве, осуществленными в 17-18 вв.

В широком определении под керамикой понимают все материалы на основе неорганических неметаллических соединений, изготавливаемые спеканием (обжигом). Термин “техническая керамика” включает весьма обширный круг искусственно синтезированных при определенных условиях термообработки керамических материалов самого разнообразного химического и фазового состава, отличающихся в каждом отдельном случае некоторыми специфическими свойствами. Но несмотря на большое разнообразие видов технической керамики и методов ее изготовления имеются и некоторые особенности, объединяющие эти материалы в один класс. Такими объединяющими признаками являются:

• применение в качестве исходного сырья главным образом искусственно полученных материалов в виде окислов, солей и других химических соединений.

• повышенные требования к чистоте исходных материалов.

• весьма тонкая диспергация исходных материалов, достигаемая механическими и химическими способами.

• точная дозировка шихтового состава.

• применение пластифицирующих добавок при формовании изделий.

• обжиг в строго регламентированной и регулируемой газовой среде.

• применение нетиповой для обычного керамического производства аппаратуры.

• малотоннажность производства.

Применяемые для изготовления керамики кристаллические вещества, выпускаемые промышленностью (глинозем, MgO, ZrO₂ и др.) или специально синтезированные (муллит, клиноэнстатит, феррошпинели, BaTiO₃ и др.), при затворении их водой не проявляют пластических свойств подобно глиносодержащим массам. Это обстоятельство привело к необходимости подбирать особые пластифицирующие вещества и разрабатывать специальные метолы изготовления изделий.

В настоящие время развитие керамического производства происходит в трех качественных уровнях: традиционная керамика для строительства (кирпич, плитка и т. д.), санитарно - технические изделия, огнеупоры: керамика электротехнического назначения и высококачественные фарфорофаянсовые изделия: тонкая техническая керамика, включающая в себя материалы конструкционного и функционального назначения.

Технология технической керамики исходит из требования к созданию таких структурных состояний материала, которые обеспечивали бы максимальный уровень эксплутационных свойств. Не менее важной проблемой является достижение высокой воспроизводимости этих состояний и свойств, но при условии оптимальных технологических затрат. Структура керамического материала закладывается характеристиками исходных компонентов, наследуя их. Химический, фазовый составы и дисперсность исходных компонентов влияют и на технологические параметры процессов изготовления материалов, от которых зависят структура и свойства конечного продукта.

Керамика - это высокофункциональный материал с заданным химическим составом, структурой, микроструктурой и свойствами. Высокая температура - обязательное условие для производства керамики при полном расплавлении сырья, при ее упрочнении спеканием и при изготовлении с помощью химических реакций. Это обусловливает многочисленные трудности, в частности, связанные с выбором материала тигля, контролем газовой среды и т.п.

Поскольку керамика при обычной температуре малопластична и хрупка, то ее нельзя подвергать пластической обработке. Кроме того, из-за высокой твердости ее обработка резанием затруднена и в связи с этим чрезвычайно трудно получить изделия желаемой формы. Но поскольку твердые изделия подвергаются резанию лишь незначительно, то керамика отличается преимуществом - возможностью изготовления из нее изделий с высокой точностью обработки.

Так как керамика обладает превосходной коррозионной стойкостью, то исключается необходимость обработки поверхности изделий для защиты от коррозии. Из отдельной гомогенной фазы можно обычно в один прием изготовлять небольшие изделия, а также изделия простой формы: в виде пластинок, стержней, цилиндров или порошка. Таким образом получают различную керамику. Однако, изделия сложных форм (резервуары, трубы, шестерни и т.д.) или крупные фасонные изделия изготовляют из порошкообразных сырьевых компонентов формованием. После этого полуфабрикат спекают при высоких температурах (метод спекания). Для обеспечения образования керамики с заданными свойствами следует контролировать не только состав вещества, кристаллическую структуру, но и тонкую структуру. В связи с этим весьма важно получение порошка, служащего исходным материалом.

Для получения керамических материалов с заданным комплексом свойств существует новый универсальный путь, эффективный для самых разнообразных материалов - путь перевода взаимодействующих компонентов в ультрадисперсное состояние. При этом характерные геометрические размеры частиц конденсированного вещества оказываются соизмеримыми с тем или иным масштабом физического явления, в ультрадисперсных системах (УДС) может реализоваться совершенно уникальный комплекс механических свойств, например, сочетание высокой твердости и сверхпластичности. Подобным же образом соизмеримость размера частиц с характерной корреляционной длиной куперовской пары обусловливает качественно новые эффекты корреляции, что создает возможность поиска высокотемпературных сверхпроводников. Большинство характеристик УДС определяется свойствами малых частиц ансамбля. Когда размер частиц в одном, двух или трех измерениях становится соизмеримым с характерным корреляционным масштабом того или иного физического явления или характерной длиной какого-либо процесса переноса (размер домена, длина свободного пробега фотонов или электронов и др.), то в этих системах реализуются различные размерные эффекты. Обычно размеры малых частиц УДС находятся в области от 1 до 100 нм.

Конструкционные материалы с УД структурой по сравнению с обычными имеют пористость в 2-3 раза выше. Микротвердость возрастает в несколько раз, увеличивается вязкость разрушения. Снижение температуры спекания вследствие активности ультрадисперсных порошков (УДП) используют в технологии различных материалов. При изменении удельной поверхности порошков А1 от 3,4 до 34 м²/г температура спекания снижается на 200-300 С. Наиболее широкое применение УДП в мировой практике получили в производстве пигментов, красителей, наполнителей каучуков и резины, конструкционных неорганических материалов на основе нитридов, оксидов и карбидов.

Способы получения УДС подразделяются на физические и химические. Первый физический метод получения УДП основан на нагревании, испарении и конденсации материала в присутствии инертного газа этот метод не отличается высокой производительностью, но позволяет получить УДП, наиболее стабильные по химическому составу и со сравнительно узким распределением по размерам. К наиболее производительным относятся способы синтеза УДП с использованием плазмы дугового, высокочастотного и сверхвысокочастотного разряда. Применяют также методы получения УДП с помощью электрического взрыва проводников и с использованием неравновесной конденсации в высокоскоростных потоках газа.

Важная роль отводится химическим методам получения УДП с необходимой чистотой и узким спектром распределения по размерам, как отдельных материалов, так и их соединений, многокомпонентных УДП. Эти методы применяют в новых отраслях керамической технологии для получения материала из Si, Ge, Ba(Sn), TiO₂, SnO₂, GaAs, ZnO₂, Al₂O₃, TiB₂, шпинели и др.

В технологии производства изделий керамики имеется ряд особенностей. Большинство видов специальной керамики представляет собой тела с плотной спекшейся структурой поликристаллического строения. Это, например, окисная керамика, титанаты, цирконаты, шпинели, алюмосиликаты и ряд других видов керамики. При производстве изделий кристаллическая фаза керамики либо является исходным материалом (корунд, периклаз и др.), либо синтезируется непосредственно в процессе обжига изделия (шпинель, муллит и др.). Во многих случаях синтез кристаллической фазы является промежуточной операцией, как бы первой стадией двустадийного технологического процесса производства. Второй стадией в этом случае является подготовка уже синтезированного минерала и изготовление из него изделий (производство муллито-корундовой, стеатитовой, форстеритовой, шпинелевой керамики, титаната бария, титаната-цирконата свинца, феррошпинелей и др.). Применяемые для изготовления керамики кристаллические вещества, выпускаемые промышленностью (глинозем, MgO, ZnO₂ и др.) или специально синтезируемые (муллит, клиноэнстатит, феррошпинели, BaTО₃ и др.) при затворении их водой не проявляют пластичных свойств подобно глиносодержащим массам. Это обстоятельство привело к необходимости подбирать особые пластифицирующие вещества и разрабатывать специальные методы изготовления изделий.