Сплав железа с другими металлами

Обновлено: 18.04.2024

Сплав железа и меди как таковой не существует. Причины – разные температуры плавления и свойства растворимости. По сути, получается нечто вроде слоеного пирога. Однако и такой результат смешивания двух металлов с успехом используется в самых разных сферах.

Большее распространение получили сплавы меди с другими металлами: алюминием, оловом, свинцом, с добавлением никеля и др. О свойствах медных сплавов, а также интересные факты о сплаве железа и меди вы узнаете из нашего материала.

Сплав железа и меди в чистом виде – редкость

Существование сплава железа и меди вполне возможно. Фазовая диаграмма с этими двумя элементами имеет следующий вид:

На ней заметно, что фазовые поля «ααFe» и «Cu» значительно сужаются к краям диаграммы. Это значит, что в одном веществе нельзя растворить большое количество другого.

Растворимость железа в фазах меди и меди в фазах железа ограничена. Так, в фазе аустенита (гамма-Fe) можно растворить не более 18% меди. Для этого необходима высокая температура (около +1400 °С), которая резко должна смениться комнатной для предотвращения повторного разделения. Все, что получится в других условиях, – двухфазная смесь, которую нельзя назвать сплавом железа и меди.

Также по диаграмме заметно, что возникновение интерметаллических соединений невозможно. Если именно их вы подразумевали под сплавом, то ошибались.

Следовательно, сплав имеет эвтектоидную микроструктуру со сменяющими друг друга слоями материала, насыщенного железом и медью. Точная микроструктура и формула сплава железа и меди зависит от составных компонентов.

Лигатура медь-железо имеет формулу CuFe. Ее используют для алюминиевой бронзы и определенных латунных сплавов в роли рафинера. Также сфера применения лигатуры распространяется на повышение качества других сплавов, а именно улучшение коррозионной стойкости медно-никелевых сплавов и механических свойств низколегированных медных сплавов.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Есть несколько разновидностей сплавов железа и меди, в которых доля железа варьируется от 1% до 2,5%. Медные сплавы отличаются высокой прочностью, благодаря которой могут использоваться в трубках конденсаторов и электрических контактах с хорошей электропроводностью (около 65 % IAC).

Это сплавы вариации серии C19xxxx, например, C19200, C19500, C19600.

Классификация сплавов меди

Медь – это крайне значимый материал, который сопровождал человечество практически всю жизнь. Первобытные люди использовали в качестве орудий труда именно медные изделия. При этом способы обработки металла в разные времена отличались.

Раньше было принято обрабатывать медь холодным методом, о чем говорят археологические находки в пределах современной Северной Америки. Традиции по использованию меди сохранялись еще до приезда Христофора Колумба. Медную руду начали добывать около 7 тысяч лет назад, и благодаря податливости материала он быстро стал востребованным. Даже спустя столько лет медь не теряет своей актуальности.

Металл отличается красноватым цветом, который ему придает кислород. Если этот компонент полностью убрать, то оттенок станет желтым. Насыщенность цвета также зависит от валентности. Так, карбонаты меди имеют выраженный синий либо зеленый тон. Начищенная медь придаст металлу яркий блеск.

По электропроводимости медь занимает почетное второе место, уступая лишь серебру. Благодаря своим качествам ее используют в электронике. Однако важно помнить недостатки металла. Один из основных – плохое взаимодействие с кислородом. На свежем воздухе медь покрывается пленкой, связанной с процессом окисления.

Медный оксид можно получить прокаливанием гидрокарбоната меди либо нитрата на воздухе. Данное соединение способно окисляющим образом влиять на органические соединения.

Медный купорос дает растворение материала в серной кислоте. Сфера применения полученного вещества – химическая промышленность. Медный купорос используют и для профилактики вредителей на огороде.

Примеси способны по-разному воздействовать на характер медного сплава. По данному критерию выделяется три группы:

Первая группа включает в себя соединения, создающие твердые вещества. Среди них: сурьма, цинк, железо, олово, фосфор, сурьма, никель и др.
Во вторую группу входят соединения, имеющие низкую растворимость в меди. Из-за их наличия обработка давлением становится сложнее. Однако стоит отметить, что электропроводность остается практически неизменной. Пример таких соединений – свинец и висмут.
В третьей группе содержатся вещества, создающие вместе с медью хрупкие соединения (кислород, сера).

Характеристики сплавов меди

Сплав меди может иметь разные характеристики, которые зависят от примесей и их количества. Например, прочность, коррозионную стойкость, низкий коэффициент трения. На практике часто используются смеси меди с магнием, цинком, марганцем и алюминием. При этом в промышленности можно найти и другие варианты сплавов.

Чтобы определить состав по Межгосударственному стандарту, необходимо использовать классификацию из специальной таблицы. Там указана маркировка меди и перечислены ее главные характеристики:

Так, в марках М1 и М1р, М2 и М2р, М3 и М3р содержание меди одинаковое, а буква «р» означает наличие фосфора (до 0,04% от общего количества вещества) и меньшее количество кислорода (до 0,01%). В марках с обычным количеством кислорода его доля составляет от 0,05 до 0,08%.
В марках М00 и М1 содержится как минимум 99,9% меди.
Марка М0 состоит из меди на 99,95%.
Для М0б содержание металла – около 99,97%.
Вещество с обозначением М2 состоит из меди на 99,7%.
Для марки М3 характерна доля металла, составляющая 99,5%.
В марке М4 основное вещество занимает 99% от общего количества сплава.
Буква «б» в составе марки означает полное отсутствие кислорода. Так, в М0б его нет, а в М0 содержится около 0,02%.

Основные характеристики сплавов с содержанием меди:

Способность сопротивляться коррозии, которая особенно выражена у веществ с полированной поверхностью. Она проявляется при воздействии на сплав пресной воды. Кислотная среда ухудшает коррозионную стойкость. Например, мельхиор (сплав из железа, никеля и меди) в кислотной среде (при контакте с водой) обретает зеленоватый оттенок.
Прочность, что позволяет использовать материал в промышленных целях. Так, при высоких удельных и знакопеременных нагрузках часто применяют детали из сплава меди с железом и марганцем.
Антифрикционность, что дает сплаву устойчивость к трению. Так, например, бронза применяется в производстве подшипников даже без использования смазки. Это происходит именно благодаря идеально гладкой поверхности. Сплав железа с медью и серебром также обладает хорошими антифрикционными свойствами.
Теплопроводность и электропроводность. Эти свойства позволяют делать из медного сырья электропроводные кабели.

Медные сплавы могут использоваться в разных сферах деятельности: в самолето- и судостроении, ювелирном деле, при создании часовых механизмов и других приспособлений, в которых вероятно возникновение трения двух парных компонентов.

Если говорить о сплавах, в которых также есть железо, то на практике чаще всего применяют сплав из меди, железа и олова, сплав из меди, алюминия и железа, а также сплав из меди, цинка и железа.

Основные сферы применения сплавов меди

В производстве используется как медь в чистом виде (катодная медь), так и полуфабрикаты, сделанные на ее основе. Особенно это касается катанок, проката и других промышленных изделий. Характеристики и сфера применения зависят от доли примесей в общем продукте. В марке может содержаться от 10 до 50 добавок.

Чтобы сделать высокоточный и чистый металл, потребуется медь именно той марки, в которой нет кислорода. Для криогенной промышленности его отсутствие – важнейший критерий. В противном случае изделие не будет соответствовать условиям использования. Однако в других сферах применения подойдут и те виды, в которых есть кислород.

Рассмотрим их более подробно:

М00 и М0 могут использоваться для создания высокочастотных и электропроводниковых деталей. Полученные изделия обычно создаются на заказ и считаются дорогими.
М001ф и М001бб подойдут для изготовления электрических шин и медной проволоки с маленьким диаметром сечения.
М1 и марки с таким же содержанием меди (М1р, М1ф, М1ре) используются в качестве проводников электрического тока. Небольшое количество олова позволяет их задействовать в производстве высококачественной бронзы. Также их часто включают в состав прутьев для сварки чугуна и электродов.
М2, М2р и М2к – идеальный вариант для деталей, производимых в криогенной промышленности. Так как литой прокат подвергается обработке под давлением, для него тоже подойдут перечисленные марки.
Из М3, М3р и М3к создают плоский и прессованный прокат, а также проволоку для электромеханической сварки деталей из чугуна и меди.

Самые распространенные сплавы меди

В сплавах меди и железа последнее выступает легирующим компонентом. Также таковым может выступать золото, марганец или цинк. Их доля в общем количестве составляет менее 10 %. Единственное исключение из правил – латунь. Ее концентрация может быть больше заявленной, конкретное число будет зависеть от условий применения.

Среди основных видов медных сплавов следует выделить:

Смесь меди и железа. Для обоих металлов характерны похожие химические показатели. Основное отличие заключается в температуре плавления, поэтому сплав железа и меди имеет пористую структуру.
Смесь с оловом. Сплав меди и олова использовали еще в давние времена. Так, в Древней Греции из смеси создавали настоящие произведения искусства, которые сейчас являются огромной ценностью для людей. Разумеется, современные характеристики сплава значительно отличаются от тех, которые существовали тысячи лет назад. Во многом это связано с улучшенными методиками производства. Сейчас для создания сплава применяются дуговые электропечи, а защита от окисления обеспечивается вакуумом. Закаливание смеси позволяет достичь высокого уровня пластичности и прочности.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Сплавы железа

Сплавы железа широко применяются в промышленности, а полученные изделия занимают практически любую сферу нашей жизни. Дома, автомобили, предметы быта, инструменты, медицина – вот далеко не полный перечень направлений, где применимы сплавы железа.

Несмотря на то, что наиболее часто используют всего два таких сплава – сталь и чугун, каждый из них имеет свои разновидности, которые определяют сферу применения. В нашей статье мы расскажем, что такое сплавы железа, какими они бывают, и поговорим о тех сферах, где их используют чаще всего.

Описание сплава железа

Металлы в чистом виде имеют недостаточную прочность, поэтому относительно редко используются в машиностроении, а роль конструкционных материалов обычно играют сплавы.

Сплавом называют вещество, для получения которого два и более компонента, в том числе металлы и неметаллы, смешиваются в жидком виде. Также в составе данного соединения присутствуют примеси – они делятся на полезные и вредные. Первые улучшают эксплуатационные характеристики материала, тогда как вторые, наоборот, негативно отражаются на его качествах. Кроме того, примеси могут быть случайными и специально добавленными в металл, чтобы обеспечить ему определенные показатели.

Отвердение сплава приводит к тому, что компоненты формируют твердый раствор, химическое соединение или механическую смесь. В первом случае кристаллическая решетка основного компонента остается неизменной, а другой распределяется в ее пределах в виде отдельных атомов. В химическом соединении элементы взаимодействуют, что приводит к формированию новой кристаллической решетки. В механической смеси компоненты имеют полную нерастворимость, поэтому их кристаллические решетки сохраняются, и сплав представляет собой смесь кристаллов веществ.

У сплавов всегда есть основа, в соответствии с которой их делят на группы. Допустим, сплавы железа принято обозначать как черные – в эту категорию входят стали и чугуны.

Металлы на основе алюминия, магния, титана и бериллия обладают незначительной плотностью, поэтому носят название легких цветных сплавов. Материалы на базе меди, свинца, олова считаются тяжелыми цветными сплавами. Цинк, кадмий, олово, свинец, висмут являются основой для легкоплавких цветных сплавов. А из молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и прочих металлов делают тугоплавкие цветные сплавы.

В промышленности активнее всего применяются сплавы на основе железа с добавлением углерода – их принято обозначать как железоуглеродистые сплавы. В эту категорию входят стали и чугуны. Разница между этими двумя видами сплавов железа состоит в доле углерода: если этого компонента менее 2,14 %, то речь идет о стали, при большем показателе металл считается чугуном.

Стали и чугуны являются основными металлическими сплавами для современной техники, поэтому объемы их производства в десять раз превышают аналогичный показатель для всех вместе взятых остальных металлов.

Сталь как один из самых распространенных сплавов железа

Сталью называется сплав железа с углеродом, если содержание последнего не выходит за пределы 2,14 %. Точное соблюдение пропорций позволяет достичь очень высокой прочности металла.

За счет дополнительных компонентов материалу придают необходимые технические характеристики. Еще один способ получения особых свойств – термообработка. Она дает возможность изготавливать марки стали с улучшенными магнетическими показателями, повышенной прочностью, стойкостью к появлению ржавчины. Для каждого вида таких сплавов железа используется отдельная маркировка, включающая в себя комбинацию цифр и букв.

На основании содержания углерода среди сталей выделяют:

малоуглеродистые;
среднеуглеродистые;
высокоуглеродистые.

Повысить качество металла позволяют специальные добавки, поэтому принято говорить о трех видах легированных сплавов:

низколегированные;
среднелегированные;
высоколегированные сплавы, в которых может присутствовать до 50 % примесей.

По маркировке легированного сплава, например, железа с никелем, можно судить о его назначении. Причем буквы устанавливают вещество, использованное в качестве добавки.

Для обозначения сплавов железа используются:

С – строительная сталь, буква обозначает текучесть материала;
Ш – подшипниковые стали, далее в маркировке идет указатель металла, внесенного в сплав;
У – признак индустриальной стали;
Р – ставится на быстрорежущих сплавах;
Сп – является маркировкой конструкционного сплава.

За счет термической обработки на производстве могут задавать новое внутреннее строение кристаллической решетки железа. Для этой цели используют различные технологии.

Литье позволяет изготавливать сплавы разного качества. Данная характеристика зависит от присутствия посторонних включений, например, фосфора и серы. Поэтому принято говорить об обыкновенных и высококачественных сплавах, которые обозначаются буквой А. В норме, доля серы не может выходить за пределы 0,25 %.

При критическом нагреве кислород разрушает сплавы железа. Поэтому его влияние снижают за счет компонентов, призванных до начала химической реакции присоединить данный элемент.

По раскислению стали и сплавы делят на такие виды:

Кипящие – имеют плохие свойства, что связано с увеличением выхода готового расплава за счет сокращения доли легирующих компонентов. Для маркировки используют «КП».
Спокойные – вредное раскисление уже завершено. Здесь улучшается качество производства, однако повышаются финансовые расходы. Такой металл обозначается как СП.
Полуспокойные – это промежуточное состояние между двумя описанными выше, маркируется как «ПС».

Элементы, включенные в состав конкретного сплава железа, фиксируют при помощи марочника сталей. Подобные обозначения позволяют определять легирующие материалы:

вольфрам имеет маркировку в виде буквы В;
кобальт – К;
молибден – М;
никель – Н;
титан – Т;
хром – Х;
марганец – Г;
алюминий – Ю;
кремний – К.

В металлургической промышленности свойства металла улучшают, в том числе при помощи неметаллов, таких как азот и кремний. Они обозначаются буквами А и К соответственно.

Сферы применения стали различного типа

Сплавы железа, в том числе с медью, являются ключевыми конструкционными материалами для сферы техники и промышленности. Железо в сочетании с углеродом используется для производства подавляющего большинства конструкций в машиностроении и тяжелой промышленности. Сталь является материалом для легковых, грузовых автомобилей, станков, железных дорог, многих элементов судов.

В целом, из стали делают примерно 95% всей металлической продукции. В современном мире по масштабам производства данного металла можно судить об общем технико-экономическом уровне развития страны.

Легированные стали идут на изготовление инструментов и машинных узлов, поскольку имеют особую прочность, стойкость к высоким температурам и образованию ржавчины, что достигается за счет внесенных добавок. Углеродистые стали чаще всего используют для каркасных сооружений, прокладки водопроводов, пр.

Исходя из назначения, стали как сплавы железа делятся на такие основные категории:

Строительные. В эту группу входят преимущественно высоко- или среднеуглеродистые марки. Их задействуют во время строительных работ на всех этапах от подготовки каркасов до производства кровельного листа и даже бытовых предметов.
Конструкционные. Это металлы с низким содержанием углерода, то есть не более 0,75 %. Они играют роль основного материала для машиностроения, используются как при изготовлении обычных велосипедов, так и морских судов.
Инструментальные. Еще одни вид низкоуглеродистой стали, который характеризуется малой долей марганца в пределах 0,4 %. Его используют для производства измерительных, штампованных, режущих инструментов.
Специальные. В данной группе есть два подвида с особыми физическими и химическими свойствами. Под первым понимают электротехническую сталь с заданными магнитными характеристиками, а второй – это жаропрочная нержавеющая сталь и другие типы.

Сфера использования легированных сталей зависит от их характеристик:

Нержавеющие сплавы применяют в строительстве, машиностроении, если необходима повышенная способность противостоять образованию ржавчины.
Жаропрочные стали, в соответствии с названием, задействуются при высоких температурах, будучи материалом для турбин, отопительных магистралей. Дело в том, что они не подвержены окислению под действием значительного нагрева, в этом основное качество для большинства рабочих узлов в теплотехнике.

Интересующие нас сплавы железа используются таким образом:

Сталь обыкновенного качества содержит не более 0,06 % серы и 0,07 % фосфора. Из нее делают стандартные материалы для строительства, например, металлопрокат: трубы, швеллеры, уголки, пр.
Качественная может иметь максимум по 0,035 % серы и фосфора. Идет на изготовление металлопроката, а также корпусов, деталей автомобилей. Является основой для ряда видов инструментальной стали.
Высококачественная предполагает долю серы и фосфора до 0,025 %. Это инструментальные, конструкционные стали, подвергаемые значительным нагрузкам.
Особовысококачественная имеет долю серы до 0,015 % и фосфора в пределах 0,025 %. Обладает наибольшим сопротивлением к износу среди всех сплавов железа. Есть виды, которые принято выносить в отдельную категорию с особой маркировкой. Это шарикоподшипниковая (быстрорежущая) сталь, которая является обязательным компонентом любого режущего инструмента.

Виды и область использования чугуна

Чугун практически также популярен в сфере производства, как и сталь, ведь по механическим характеристикам он сравним со многими ее марками. Использование данного сплава железа зависит от его категории.

Принято говорить о таких видах чугуна:

Серый. Углерод в его составе представляет собой графитовые пластинки. Имеет высокие литьевые характеристики при незначительной усадке. Но основным свойством металла считается способность выдерживать переменные нагрузки. Поэтому его применяют в качестве материала для прокатных станков, станин, подшипников, маховиков, поршневых колец, деталей тракторных и автомобильных двигателей, корпусов, пр.
Белый. Здесь углерод связан с железом, поэтому такой сплав железа идет преимущественно на изготовление стали.
Высокопрочный. Углерод выглядит как шарообразные включения, за счет чего достигается повышенная стойкость к растяжению и изгибу. Материал используется для производства элементов турбин, коленчатых валов тракторов и автомобилей, шестерней, пр.

Чугун может быть легирован, если необходимо обеспечить ему дополнительные характеристики:

Износостойкий – используется как материал для насосных деталей, тормозов, дисков сцепления.
Жаростойкий – идет на доменные, мартеновские, термические печи.
Жаропрочный – подходит для изготовления газовых печей, компрессорного оборудования, дизельных двигателей.

Менее распространенные сплавы железа

Сплав феррит

Это твердый раствор углерода, доля которого не превышает 0,02 % в α-железе. Стоит понимать, что в данной разновидности железа углерод растворяется при комнатной температуре в тысячных долях процента. Поэтому феррит по своим качествам похож на железо в чистом виде, то есть пластичен, но обладает низкой прочностью и твердостью. Данная структура чаще всего встречается у тонколистовой и низкоуглеродистой стали.

Сплав аустенит

Аустенит также является твердым раствором углерода, но содержание последнего доходит до 2 %. В этом сплаве α-железа присутствуют легирующие добавки. Он имеет в 2–2,5 раза более высокую твердость, чем феррит, при этом характеризуется высоким уровнем пластичности. Добиться подобного эффекта позволяет термическое и химико-термическое воздействие на металл.

Сплав цементит

Сплав представляет собой химическое соединение железа с углеродом в пределах 6,67 %. Он имеет высокую хрупкость, зато по своей твердости сравним с алмазом.

Сплав перлит

Речь идет о механической смеси феррита с цементитом, которая получается вследствие распада аустенита. Доля углерода в данном сплаве железа составляет 0,8 %. Перлит является самым распространенным структурным элементом сталей и чугунов.

Сплав ледебурит

Это одна из ключевых структурных составляющих сплавов железа с углеродом. Она представляет собой цементит и аустенит в момент образования, но, остывая, превращается в сочетание цементита и перлита. В составе ледебурита 4,3 % углерода, такой металл имеет значительную твердость, при этом хрупок.

Это все ключевые свойства наиболее распространенного в промышленности металла. Люди научились применять сплавы железа очень давно, сделав их материалом для орудий труда, украшений, оружия, домашней утвари.

Современные производства работают более чем с 10 000 видов сплавов железа. Это объясняется тем, что лишь данный металл способен претерпевать такое количество превращений, сильно меняя характеристики под действием легирования и высокой температуры. Ученые непрерывно ищут новые методы получения и обработки сплавов железа с необходимыми дополнительными свойствами.

Сплав железа с никелем

Инвар (сплав железа с никелем) просто необходим для создания высокоточных механических систем, одним из требований к которым является сохранение стабильных размеров при изменении температуры. Ни один из природных материалов такими свойствами не обладает.

Именно поэтому прецизионный сплав инвар сегодня настолько востребован предприятиями. Он применяется в самых разных сферах человеческой деятельности, например, в приборостроении, бытовой электронике. И адекватную замену ему пока не нашли.

Понятие прецизионных сплавов

Прецизионные сплавы отличаются от любых других тем, что в них основной металл обретает предварительно выбранные дополнительные характеристики. Они имеют уникальные физические, химические и механические свойства. Нужно понимать, что особенности сплава зависят от содержания в нем каждого из компонентов, таких как железо, никель, медь, кобальт и другие металлы.

Отдельно стоит сказать о прецизионных сплавах с «аномальными свойствами», как их принято обозначать. Их физические характеристики могут сохраняться либо претерпевают минимальные изменения под действием таких внешних факторов, как:

температура;
магнитное и электрическое поле, а именно здесь важны такие их свойства, как амплитуда, частота, фаза, поляризация;
изменение уровня механической нагрузки;
реактивные среды.

Чаще всего используются примерно двенадцать прецизионных сплавов, в том числе: элинвар, константан, перминвар, манганин, инвар. Инваром называется сплав никеля с железом, о котором говорится в данной статье.

Краткая характеристика железа и никеля

Железо в чистом виде имеет серебристо-серый цвет, является пластичным, ковким. Его самородки обладают заметным металлическим блеском, кроме того, отличаются значительной твердостью. Электропроводность также находится на высоком уровне, ведь металл легко передает ток за счет свободных электронов.

Железо имеет среднюю тугоплавкость, становится мягким при температуре +1 539 °C, из-за чего утрачивает свои ферромагнитные свойства. Данный элемент является химически активным, поэтому в нормальных условиях быстро реагирует с другими веществами.

При повышении температуры эти свойства проявляются еще ярче. Находясь на воздухе, окисляется, в результате чего на его поверхности появляется оксидная пленка – именно она останавливает дальнейшую реакцию. При повышенной влажности на железе формируется ржавчина, что не мешает металлу и сплавам на его основе активно использоваться в промышленности.

Самородки никеля встречаются в железных метеоритах, а в более привычных условиях этот металл находят в сочетании с другими химическими элементами. Если говорить точнее, то для получения сплава, состоящего из железа и никеля, последний компонент получают из сульфидных, медно-никелевых руд:

никелин – помимо никеля, содержит мышьяк;
хлоантит – белый колчедан, в составе которого есть кобальт и железо;
гарниерит – силикатная порода с долей магния;
магнитный колчедан – представляет собой смесь серы, железа, меди;
герсдорфит – имеет мышьяково-никелевый блеск;
пентландит – содержит серу, железо, никель.

Выбор метода для получения никеля из руды зависит от типа сырья. Стоит отметить, что в некоторых случаях интересующий нас металл выступает в роли второстепенного материала обогащения породы.

История открытия сплава железа и никеля

Инвар представляет собой сплав железа с никелем, причем на легирующий компонент приходится 36% от общей массы. Этот металл появился в 1896 году во Франции, а его создателем стал физик Шарль Гийом, который искал доступный по цене материал для эталонов мер массы и длины. Прежде для их производства использовали дорогой сплав на основе платины и иридия. За свое открытие физик был удостоен Нобелевской премии в 1920 году.

Название металла «инвар» переводится с латинского как «неизменный». Дело в том, что у сплава железа с никелем сохраняется постоянный коэффициент теплового расширения при температурах от -80 °С до +100 °C. Также этот металл обозначают как нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл.

Разнообразие названий объясняется тем, что инвар является торговым брендом французской компании Imphy Alloys. Ведь именно она первой начала промышленное производство данного сплава железа с никелем. Правда, наименование продукта звучит как «Invar 36».

Процесс изготовления сплава

По своим внешним характеристикам и на ощупь инвар похож на сталь. И это вполне логично, ведь речь идет о сплаве черных металлов, где железо играет роль главной составляющей. В инваре содержится в пределах 0,01–0,1% углерода, но обычно это показатель находится у нижней границы, так как речь идет об очень чистом металле.

Для производства данного сплава железа и никеля применяют гальванический метод. Сопоставление свойств интересующих нас металлов показало, что создать инвар не так сложно. Но проблема оказалась в том, что в результате реакции железо переходит из двухвалентного в трехвалентное состояние. Этот побочный эффект и вызвал основные трудности при изготовлении столь важного сплава, приводя к сниженному выходу материала и понижению его физических характеристик.

Сократить негативный эффект удалось за счет комплекса добавок, содержащего органические вещества, кислоты, амины. Таким образом получили соединения низкой растворимости с трехвалентным железом, улучшив качества материала.

Избавиться от осадка позволяет метод эффективной диффузии электролитического раствора. Последний содержит в себе сернокислое железо, борную кислоту, сахарин, сернокислый никель и сульфат натрия.

При использовании пластин никеля и железа важно учитывать размер пластины. В некоторых случаях соединения получают при помощи электрических печей.

Структура полученного сплава

При плавлении сплав железа с никелем представляет собой растворенное твердое железо в никелевой основе. За счет подобного соединения удается повысить температуру структурной устойчивости на 200 °С. Проникновение никеля в железо происходит при достижении +500 °С, а ускорение наблюдается только при +800 °С.

Составляющая FeNi3 является основным структурным элементом сплава, поэтому содержание никеля доходит до 55%. Данный эффект связан с температурой обработки материала. Стоит оговориться, что предельная доля никеля составляет 60%.

Немаловажно, что одно железо в составе сплава не позволяет придать материалу необходимые свойства. Настолько важная временная стабильность инвара объясняется присутствием углерода и прочих примесей. К ним относятся кобальт, хром, углерод, марганец, фосфор.

Также в составе сплава железа с никелем может быть кремний, сера, алюминий, магний, цирконий, титан. Их доля во многом определяется спецификацией сплава и производством. Так, суперинвар включает в себя примерно 5% кобальта, что достигается за счет отказа от 5% никеля. В еще одном варианте сплава – коваре – присутствует 54% железа, 29% никеля, 17% кобальта.

Физические и химические свойства сплава

Основными физическими характеристиками сплава железа с никелем являются:

температура плавления +1 430 °C;
предел механической прочности 49 кгс/мм2;
плотность стандартного сплава 8 130 кг/м³.

Названные физические свойства являются уникальными и связаны с химическими особенностями инвара:

характерно выраженная однофазная структура;
низкий коэффициент теплового расширения, так как во время повышения температуры общее тепловое расширение компенсируется магнитострикционным снижением объемного показателя.

Благодаря названным физическим, химическим характеристикам металл имеет такие важные положительные качества:

повышенная устойчивость к механическим воздействиям, за счет чего из сплава железа с никелем можно изготавливать механизмы, функционирующие в условиях серьезных нагрузок;
высокая внутренняя магнитная проницаемость элементов, состоящих из инвара;
постоянный КТР, позволяющий применять металл для изготовления компонентов приборов, датчиков;
способность сохранять неизменные характеристики даже в агрессивных средах;
устойчивость к появлению ржавчины;
пластичность.

Чтобы добиться еще более высоких показателей от сплава железа с никелем, применяют разные способы механической обработки. Так, для увеличения уровня прочности используют холодную пластическую деформацию с последующей термообработкой при низкой температуре.

Защитить металл от корродирования позволяет специальная полировка. Повышенная устойчивость к воздействию агрессивной внешней среды достигается посредством нанесения защитных покрытий.

Сферы применения инвара

Этот сплав железа с никелем производят в виде проволоки, тонкой плоской ленты либо могут придавать иную форму по желанию заказчика. Например, иногда требуются небольшие листы, прутки, лента из инвара. В процессе изготовления удается улучшить свойства металла при помощи особых технологических условий, таких как плавка с последующей термической обработкой, специфическая деформация и обработка поверхности.

Разные виды инвара используют для создания переходов от металла к стеклу, производства мембранных емкостей, применяемых в процессе транспортировки сжиженного газа. В микроэлектронике сплав железо плюс никель играет роль подложек чипов, корпусов лазерных установок, волноводов. Не так давно появился надежный способ сварки инвара, за счет чего металл стал применяться в еще большем числе отраслей.

Поскольку речь идет именно о магнитном сплаве железа с никелем, что объясняется наличием внутреннего магнетизма у его основных компонентов, инвар активно используется в электротехнике. Он является материалом для постоянных магнитов, сердечников трансформаторов, электроизмерительных приборов, электромагнитов.

Кроме того, детали из него можно встретить в бытовой технике, например, телевизорах, радиоприемниках, аудио- и видеомагнитофонах и иногда в высокоточных маятниковых часах.

Данный сплав применяется в производстве деталей приборов, измерительной и экспериментальной аппаратуры, обеспечивая им способность сохранять линейные размеры при любых внешних условиях.

Без инвара сегодня не обходится производство датчиков, преобразователей энергии, он играет роль компонента в биметаллических элементах. Особые характеристики позволили использовать этот металл по его первоначальному назначению – как материал эталонов длины и массы.

Однако малые размеры деталей, сложность, высокая цена производства элементов из прецизионных металлов приводят к тому, что все оборудование, компоненты которого состоят из инвара, должно эксплуатироваться с особой осторожностью.

В современной промышленности используются только сплавы. Так, почти все добываемое в мире железо идет на производство чугунов и сталей. Это связано с тем, что сплавы превосходят чистые металлы по своим свойствам, ведь их характеризуют такие качества, как прочность, твердость, упругость, пластичность. А сплавы железа с никелем, помимо прочего, имеют магнитные свойства. На предприятиях их дополнительно усиливают за счет легирования.

Анализ сплавов на основе железа: стали и цветных металлов

Железо считается самым популярным материалом. Его используют во всех отраслях промышленности. Людям этот металл знаком с глубокой древности. Когда кузнецы научились получать чистый материал, он превзошёл известные на то время сплавы, вытеснил их из производства. Сплавы железа появились в результате попыток людей изменить характеристики этого металла.

Сплав железа

Состав и свойства

Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:

Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
Удельная масса — 55,8.
Плотность — 7,409 г/куб см.
Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.

Нельзя забывать, что железо считается одним из важнейших элементов в организме человека. Однако он крайне сложно усваивается из пищи. Суточная норма, которую должен употреблять мужчина — 10 мг. Женщины должны потреблять 20 мг этого вещества, чтобы организм работал нормально.

Литейные чугуны

Литейные чугуны могут быть разделены на 5 основных категорий:

Серые чугуны. Содержат углерод (графит) в пластинчатой форме. Большинство типов серого чугуна имеют графит в перлитовой структуре.
Пластичные чугуны, или чугуны с шаровидным графитом. Содержат графит в форме шаровидных включений, образовавшихся во время литья при добавлении к расплавам магния или церия. Материал имеет большую пластичность, чем серые чугуны.
Белые чугуны. В них нет графита, содержат твердый цементит. Название получили за специфический белый (светлый) блеск в изломе.
Ковкие чугуны. Получаются при тепловой обработке белых чугунов. Их иногда разделяют на две категории, ферритовый и перлитовый, или рассматривают как три группы: белосердечный, черносердечный и перлитовый. Ковкие чугуны имеют лучшую тягучесть, чем серые литейные чугуны, и это, в сочетании с их высоким пределом на растяжение, способствует их широкому применению.
Высоколегированные чугуны. Сплавы, которые содержат соответствующие добавки таких элементов, как кремний, хром, никель или алюминий. Их можно рассматривать как две категории чугунов: безграфитные белые чугуны и чугуны, содержащие графит. Безграфитные белые чугуны имеют очень высокое сопротивление истиранию. В содержащих графит чугунах он находится в форме чешуек или шаровидных включений, и к ним применимы определения теплового сопротивления серых и пластичных чугунов. Такие типы чугунов имеют весьма высокое коррозионное сопротивление и называются коррозионностойкими.

История открытия

Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени. По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы. Так появлялись новые сплавы.

Нержавеющие стали

Есть несколько типов нержавеющих сталей: ферритные, мартенситные и аустенитные. В их состав входит хром, повышающий сопротивление коррозии.

Ферритные стали содержат хрома 12.25% и меньше 0.1% углерода. Такие стали после охлаждения жидкого состояния только изменяются к ферриту и таким образом, поскольку не образуется аустенит, затвердевают при закалке и не могут дать мартенсит. Тем не менее они могут твердеть при холодной обработке.

Мартенситные стали содержат хрома 12.18% и углерода 0.1…1.2%. После охлаждения жидкого состояния они образуют аустенит и, таким образом, могут твердеть путем закалки до заданного состояния структуры мартенсита с частицами карбида хрома. Мартенситные стали подразделяются на три группы: нержавеющие чугуны, нержавеющие стали и высокохромистые стали. Нержавеющие чугуны содержат около 0.1% углерода и 12.13% хрома, нержавеющие стали — 0.25…0.30% углерода и 11.13% хрома, а высокохромистые стали — 0.05…0.15% углерода, 16.18% хрома и 2% никеля.

Аустенитные стали содержат хрома 16.26%, более 6% никеля и очень мало углерода, 0.1% или менее. Такие сплавы полностью аустенитные при всех температурах. Они могут твердеть и при закалке, и при холодной обработке.

Во время сварки у нержавеющих сталей могут происходить структурные изменения, которые снижают коррозионную стойкость материала. Этот эффект, известный как разрушение сварного соединения, является результатом выделения преципитатов хрома, богатого карбидами на границах зерен. Единственный путь к преодолению его заключается в стабилизации стали путем добавки к ней других элементов, таких как ниобий и титан, которые имеют большее сходство с углеродом, чем хром, и таким образом формируются карбиды во включениях преципитатов в хроме.

Сферы применения

Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:

Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
Приборостроение — изготовление электроники для дома.
Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
Изготовление оружия.

Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.

Мартенситно-стареющие высокопрочные стали

Мартенситно-стареющие высоколегированные стали обладают значительной прочностью, которая может быть увеличена выделением вторичных фаз (преципитатов). Это сплавы железа с никелем (8.22%), иногда с кобальтом и очень малым содержанием углерода (меньше 0.03%). Для старения в мартенсите сплавы легируют титаном, молибденом, вольфрамом. Никель и кобальт уменьшают растворимость легирующих добавок в α- железе (Feα), что приводит к упрочнению при старении и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Содержание углерода небольшое, поскольку относительно высокое содержание никеля приводит к образованию графита в структуре, что может вызвать снижение прочности и твердости стали.

Типичная тепловая обработка состоит в нагреве стали выше 830°С и охлаждении на воздухе. В результате получается безуглеродистый мартенсит. Последующая механическая обработка и деформация стали приводят к увеличению ее твердости путем выделения преципитатов при нагреве выше 500°С в течение двух или трех часов. До обработки материал имеет типичный предел прочности на растяжение около 700 МПа, или МН·м-2, и твердость 300 НV, в то время как после обработки соответственно около 1700 МПа, или МН·м-2, и 550 НV.

Разновидности сплавов на основе железа

Сплав железа — это соединение, которое состоит из основного металла и дополнительных примесей. Соединения на основе этого материала называются чёрными металлами. К ним относятся:

Сталь — соединение углерода с другими элементами. Углерода в составе сплава может содержаться до 2.14%. Выделяют конструкционные углеродистые, строительные, специальные и легированные стали.
Чугун — смесь, которая пользуется огромной популярностью. Соединения могут содержать до 3,5% углерода. Дополнительно смеси содержать марганец, фосфор, серу.
Перлит — смесь на основе железа. Содержит не более 0.8% углерода.
Феррит — его называют чистым материалом. Связанно это с низким содержанием углерода, сторонних примесей (около 0.04%).
Цементит — химическое соединение железа с углеродом.
Аустенит — соединение с содержанием углерода до 2.14%. Дополнительно имеет сторонние примеси.

Легированная сталь

Состав и структура сплавов

Из-за большого количество соединений на основе железа была разработана маркировка, по которой можно отделить стали с высоким содержанием углерода от менее углеродистых, определить наличие основных легирующих элементов в составе материала, их количество. Зависимо от количества дополнительных элементов изменяются свойства соединений. К ним относится бор, ванадий, молибден, марганец, титан, углерод, хром, никель, кремний, вольфрам.

Характеристики смесей зависят от их структуры, состава. От этого изменяется прочность, пластичность, температура плавления, плотность, электропроводность и другие параметры. Например, структура чугуна определяет его хрупкость при ударах, больших физических нагрузках.

Свойства и маркировка сплавов

Относительно маркировки, первые цифры, которые идут на маркировке, говорят о процентном содержании углерода в составе. Далее идут заглавные буквы основных легирующих элементов. Начало маркировки могут начинать дополнительные буквы. Они указывают на назначение сплава.

Пластичность и вязкость будут уменьшаться при повышении количества углерода в составе сплава. На другие свойства металлов влияют основные легирующие элементы.

Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Фазы, структуры

Сплавы состоят из двух и более элементов периодической системы. Элементы, образующие сплавы, называют компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но, прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением.
Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину:

формирования структуры любого сплава;
определить оптимальную температуру заливки сплава для получения литых деталей;
оценить жидкотекучесть выбранного сплава и возможность получения химической неоднородности;
сделать заключение о возможности и условиях обработки давлением;
определить режим термической обработки, необходимый для данного сплава.

Основные определения.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состава сплавов данной системы в функции температуры и химического состава сплава (рис.1, рис.2)

Рис.1 Метод построения диаграмм состояния

Рис.2 Экспериментальная установка для построения диаграмм состояния

где: 1 – печь; 2 – тигель; 3 – расплавленный металл; 4 – горячий спай; 5 – термопара; 6 – колпачок; 7 – холодный спай; 8 гальванометр

Экспериментально построенные диаграммы состояния проверяют по правилу фаз, дающему возможность теоретически обосновать направление протекания процессов превращения для установления равновесного состояния системы.

Правило фаз даёт возможность:

предсказать и проверить процессы, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении;
оно показывает, происходит ли процесс кристаллизации при постоянной температуре или в интервале температур;
указывает, какое число фаз может одновременно существовать в системе.

Правило фаз выражается следующим уравнением:

где: К – число компонентов в системе; Ф – число фаз; С – число степеней свободы (или вариантность системы). Число степеней свободы – это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твёрдом состоянии (рис.3).

Имея диаграмму состояния, можно проследить за фазовыми превращениями любого сплава и указать состав и количественное соотношение фаз при любой температуре.

Это осуществляется при помощи двух простых правил (рис.4):

Правило концентраций – правила определения состава фаз;
Правило отрезков – правило определения количественного определения фаз.

Рис.3 Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью и кривые охлаждения для сплавов и чистых компонентов

Рис.4 Применение правила концентраций и правила отрезков

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют эвтектику (рис.5).

Рис.5 Построение кривых охлаждения для диаграммы с ограниченной растворимостью и с эвтектикой

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии (рис.6).

Рис.6 Построение кривых охлаждения для диаграммы с ограниченной переменной растворимостью

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и образуют перитектику (рис.7)

Рис.7 Построение кривых охлаждения для диаграмм с перитектикой

Диаграммы состояний сплавов, с полиморфным и эвтектойдным превращением компонентов (рис.8)

Эвтектойдное превращение: γЕ → αК + βF

Рис.8 Построение кривых охлаждения для диаграммы с полиморфным превращением

Диаграммы состояний сплавов, компоненты которых образуют химические соединения (рис.9)

Рис.9 Диаграмма состояния, компоненты которых образуют химические соединения

Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.

Свойства сплавов в значительной степени определяется фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния (рис.10). Большой практический интерес представляют технологические свойства твёрдых растворов.

Сплавы в состоянии твёрдых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно – резанием. Литейные свойства твёрдых растворов, как правило, не удовлетворительны. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы.

Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твёрдостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).

Закономерности, отмеченные Н.С.Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами.

Таким образом, помимо классификации кристаллов по видам связи, используют классификацию по типам кристаллической решётки. Такая классификация позволяет прогнозировать характер изменения свойств сплава в функции состава.

Рис.10 Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояний (правило Н.С.Курнакова)

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

метод изготовления:
порошковые;
технология производства:
деформируемые;
порошковые;
однородность структуры:
- гомогенные;

Виды сплавов по их основе

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Модификации железа — рычаг термической обработки

Температура плавления чистого железа составляет 1536 °С. В твердом состоянии чистое железо обладает тремя аллотропическим модификациями, а именно: — дельта-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 1392 до 1536 °С; — гамма-железо – гранецентрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 911 до 1392 °С; — альфа-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура при температуре до 911 °С.

Среди всех аллотропических превращений самую важную роль играет превращения альфа → гамма и гамма → альфа. Именно эти превращения дают теоретическую базу для большинства процессов термической обработки.

Железо образует твердые растворы со многими неметаллическими элементами. Оно образует растворы замещения с хромом, никелем, кобальтом и ванадием, тогда как с углеродом образует очень важный раствор внедрения.

Железоуглеродистые сплавы – стали

Популярность сталей можно объяснить несколькими факторами: 1) Руды, из которых производится железо, относятся к наиболее доступным минералам, которые находят в земной коре. Около 4,2 % земной коры составляют различные железные руды. Из этих руд железо можно извлекать относительно простыми и дешевыми методами по сравнению с другими металлами. 2) Точка плавления чистого железа составляет 1536 °С. Ниже этой температуры железо существует в виде различных модификаций – альфа-железа, гамма-железа и дельта-железа – в различных температурных интервалах. Поэтому существует много различных термических процессов – и при не слишком высоких температурах – которые дают возможность выгодно модифицировать свойства сплавов железа в очень широком диапазоне. 3) Ниже температуры 769 °С – точки Кюри – железо становится ферромагнитным, что делает возможным применение стали во многочисленных электротехнических приложениях.

Читайте также: