Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИАНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)

Кафедра материаловедения и физики металлов

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Материаловедение»

 

Тема работы «Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по  заданным условиям»

Студент группы

Номер варианта 3

Технические условия _____________________________________________

Содержание и объем работы (графические работы, расчеты и прочее)

________________________________________________________________

Сроки выполнения этапов _________________________________________

________________________________________________________________

Срок защиты курсовой работы ____________________________________

 

Руководитель                                                                    

                                                    Подпись, дата                Инициалы, фамилия 

Задание принял студент                                                  

                                                    Подпись, дата                Инициалы, фамилия 

 

Лист замечаний руководителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Материаловедение — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Задание №1

В данном задании изучена диаграмма W-Ni и рассмотрен сплав ВНЖ 7-3 основными компонентами которого являются вольфрам и никель.

1.1 Вольфрам

Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл

Вольфрамовые руды, хотя и довольно широко распространены, но редко встречаются в виде крупных скоплений. Эти руды обычно находят в виде тонких жил, но в некоторых богатых месторождениях жилы могут достигать нескольких метров в ширину. Обычно вольфрамовые руды встречаются совместно с касситеритом и довольно часто с минералами, содержащими висмут, молибден, свинец, и медь; в заметных количествах 
могут присутствовать весьма нежелательные минералы - пирит и арсенопирит. Другими, обычными минералами являются кварц и флюорит.

Имеется несколько типов рудных месторождений, классифицируемых на пегматитово-пневматолитовые, замещенные отложения, жилы и россыпи. Содержание вольфрама в разрабатываемых рудах обычно 0,5 до 2,0% и в редких случаях достигает 6,0%. Обогащение вольфрамовых руд осуществляется главным образом гравитационными методами, обладающими преимуществом при обработке руд металлов высокой плотности, хотя также применяются и флотационные методы обогащения. Концентраты, которые содержат 60—70% или в более высоких сортах 75—79%, должны быть в сущности свободными от S, Р, As, Bi, Си, Sn, Ti и Mo.

Основными вольфрамсодержащими рудами являются вольфрамит, представляющий собой вольфрамат железа и марганца, и шеелит, являющийся вольфраматом кальция.

1.1.1 Получение вольфрама

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

1.1.2 Свойства вольфрама.

Вольфрам - самый тугоплавкий элемент, и поэтому он является потенциальной основой наиболее жаропрочных сплавов на металлической основе. 
Вместе с тем вольфрам отличается большой плотностью, высокой склонностью к хладноломкости, малым сопротивлением окислению даже при не слишком высоких температурах. Эти недостатки ограничивают возможные области применения вольфрама.

В зависимости от чистоты и структурного состояния временное сопротивление разрыву вольфрама при комнатной температуре колеблется от 500 до 1000 МПа при практически нулевых относительном удлинении и поперечном сужении. Температура хладноломкости вольфрама выше комнатной, его технологическая пластичность очень невелика. Прочность нагартованной металлокерамической вольфрамовой проволоки очень высока. С уменьшением ее диаметра от 0,635 до 0,025 мм временное сопротивление разрыву вольфрама увеличивается от 1575 до 4270 МПа, а у листа толщиной 0,25 мм составляет 2100 МПа. При повышении температуры пластические свойства вольфрама повышаются, но прочность остается довольно высокой. При температуре 1370 °С длительная 110-ч прочность вольфрама равна 70 МПа, т.е. он более жаропрочен, чем лучшие сплавы на основе ниобия. Поэтому нелегированный вольфрам широко используют как жаропрочный материал. Обычно его применяют в нагартованном состоянии или после отжига для снятия напряжений (1000 °С, 1 ч). Прочность нагартованных листов и прутков начинает снижаться после отжига при температурах выше 1200°С, а полное разупрочнение происходит при температурах выше 1600... 1800 °С. Рекристаллизационный отжиг резко ухудшает пластичность вольфрама и повышает температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое.

Кристаллическая решетка моноклинная, призматическая. Кристаллы обычно плоскопараллельные до ортопинакоидальных, образующих пластинчатые формы. Призматическая зона прочерчена вертикальными бороздками (полосами). Встречаются в пластинчатой или столбчатой форме. Вольфрамит крупнозернист.

1.1.3 Металлический вольфрам применение.

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.

Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.

Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.

Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

1.2 Никель

Ни́кель — элемент десятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) — это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен.

1.2.1 Свойства никеля

Никель — серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m. В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.

Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мкОм∙м.

Коэффициент линейного теплового расширения α=13,5∙10−6 K−1 при 0 °C

Коэффициент объёмного теплового расширения β=38—39∙10−6 K−1

Модуль упругости 196—210 ГПа.

Никель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет ок. 0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 — 0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

В промышленных условиях никелевую руду делят на два типа: магнезиальные и железистые.

Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5-50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые — латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые — нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей.[10] Ещё один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии — до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла.

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина. Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей.

 

 

1.2.2 Применение никеля

Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок

Никелирование — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 — 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).