Самые прочные металлы в мире: топ-10

 

Самые прочные металлы в мире: топ-10

Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.

Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие — настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.

А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:

• Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
• Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
• Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.

10. Тантал

У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.

Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.

9. Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

8. Уран

Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.

Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения — ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.

7. Железо и сталь

Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.

Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).

6. Титан

Титан — это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.

Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.

Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.

5. Рений

Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.

Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.

Россия — третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.

4. Хром

По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.

Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.

А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).

3. Иридий

Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.

Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

2. Осмий

Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.

Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.

1. Вольфрам

Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).

Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых — Хуана Хосе и Фаусто д’Эльхуяра — к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.

Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.

Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности — для изготовления ракетных сопел.

Таблица предела прочности металлов

Металл	Обозначение	Предел прочности, МПа
Свинец	Pb	18
Олово	Sn	20
Кадмий	Cd	62
Алюминий	Al	80
Бериллий	Be	140
Магний	Mg	170
Медь	Cu	220
Кобальт	Co	240
Железо	Fe	250
Ниобий	Nb	340
Никель	Ni	400
Титан	Ti	600
Молибден	Mo	700
Цирконий	Zr	950
Вольфрам	W	1200

Сплавы против металлов

Сплавы представляют собой комбинации металлов, и основной причиной их создания является получение более прочного материала. Наиболее важным сплавом является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода.

Чем выше прочность сплава — тем лучше. И обычная сталь тут не является «чемпионом». Особенно перспективными представляются металлургам сплавы на основе ванадиевой стали: несколько компаний выпускают варианты с пределом прочности до 5205 МПа.

А самым прочным и твердым из биосовместимых материалов на данный момент является сплав титана с золотом β-Ti3Au.

Легкие сплавы

Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (3 кг/дм 3 ), высокой теплопроводностью [λ = 0,12—0,18 Вт/(м·°С) и удовлетворительной прочностью; пластичны и хорошо обрабатываются режущим инструментом. Многие из них можно сваривать с помощью аргонодуговой или аргонной дуговой сварки с неплавящимися вольфрамовыми электродами. Применяют также газовую сварку под флюсом (LiCl, NaCl, КСl, KF). Листовые материалы сваривают контактной сваркой.

Алюминиевые сплавы противостоят коррозии в сухой атмосфере, устойчивы против действия щелочей и слабых растворов кислот, но подвержены коррозии в условиях влажного (особенно морского) воздуха; неустойчивы против действия сильных кислот, мягки (НВ 60—130). В интервале 0—100°С коэффициент линейного расширения α = (20—26)·10 -6 . Модуль упругости Е = (7,0—7,5)·10 4 МПа.

Прочность алюминиевых сплавов быстро падает с повышением температуры (хотя есть сплавы, сохраняющие удовлетворительные механические качества до 250—400°С).

Алюминиевые сплавы делятся на литейные и деформируемые .

Для литья применяют сплавы систем: Аl—Сu; Al—Zn; Al—Mg; Al—Si; Al—Cu—Si; Al—Zn—Si (табл. 11).

Наиболее прочны сплавы Al—Mg; однако их литейные свойства невысокие. Сплав АЛ13 повышенной коррозионной стойкости и жаропрочности используют для изготовления термически напряженных деталей. Для отливок несложной формы широко применяют сплавы АЛ7 и АЛ19.

Наилучшими суммарными показателями обладают сплавы Al—Si ( силумины ). Они отличаются малой плотностью (2,6—2,7 кг/дм 3 ), хорошими литейными свойствами, свариваемостью и повышенной коррозионной стойкостью. Силумины применяют для литья тонкостенных деталей сложной формы. Для повышения механических свойств силумины модифицируют металлическим натрием, фторидами Na и К, в результате чего включения кремния приобретают благоприятную для прочности зернистую форму.

Термообработка (нагрев до 520—530°С с выдержкой 4—6 ч, закалка в горячую воду, старение при 150—180°С в течение 10—15 ч) повышает прочность на 20—25%.

Крупногабаритные фасонные детали изготовляют из силуминов AЛ4, АЛ5, АЛ12.

Сплав АЛ9 отличается хорошей свариваемостью и применяется для сварных конструкций. Прочность его ниже, чем остальных силуминов.

Сложнолегированный сплав АЛ1 используют для литья головок цилиндров и поршней двигателей воздушного охлаждения.

Детали из алюминиевых сплавов, нуждающиеся в герметичности (картеры), пропитывают синтетическими термореактивными веществами (чаще всего бакелитом-сырцом) с последующим нагревом до температуры отверждения бакелита (140—160°С).

Из деформируемых сплавов (табл. 12) наиболее распространены дюралюмины (сплавы Аl—Cu—Mg—Mn, иногда с присадками Cr, Zn, Fe, Si).

Дюралюмины типа Д1, Д16, В95 подвергают термообработке, заключающейся в закалке в воду с 500—520°С с последующей выдержкой при нормальной температуре в течение 75—100 ч (естественное старение) или при 175—150°С в течение 1—2 ч (искусственное старение). Дюралюмины применяют преимущественно для изготовления листового и профильного проката.

Для защиты от коррозии изделия из алюминиевых сплавов подвергают анодированию (электролитическая обработка в ванне с 20%-ным раствором H₂SО₄ при плотности тока 1—2 А/дм 2 и напряжении 10—12 В). Деталь является анодом; катодом служат свинцовые пластины. На поверхности детали образуется пленка окиси алюминия AI₂O₃, эффективно защищающая металл от коррозии и вместе с тем придающая поверхности твердость и абразивную стойкость. Для увеличения стойкости покрытие обрабатывают горячим 10%-ным раствором хромпика К₂Сr₂O₇. Анодирование, как и всякая кислотная обработка, несколько (на 20—25%) снижает циклическую прочность.

Листовой прокат защищают также плакированием — нанесением на поверхность тонких слоев технически чистого алюминия.

Сплавы типа АК применяют для ковки и штамповки деталей (шатунов быстроходных двигателей, дисков центробежных и аксиальных компрессоров и др.). Из жаропрочного сплава АК4 изготовляют поршни двигателей внутреннего сгорания и головки цилиндров двигателей воздушного охлаждения.

Магниевые сплавы. Магниевые сплавы состоят из Mg (90% и выше) и легирующих элементов (Al, Mn, Zn, Zr и др.). Они обладают малой плотностью (1,8 кг/дм 3 ), низким значением модуля упругости Е = (4,2—4,5)·10 4 МПа и малой твердостью (НВ 60—80). Коэффициент линейного расширения очень высок α = (27—30)·10 -6 (в интервале 0— 100°С), теплопроводность 0,07—0,08 Вт/(м·°С).

Прочность магниевых сплавов ниже прочности алюминиевых сплавов и быстро падает с повышением температуры. Магниевые сплавы весьма чувствительны к концентрациям напряжений. Они хорошо обрабатываются (однако необходимы меры предосторожности против загорания стружки). Некоторые магниевые сплавы свариваются аргонодуговой сваркой.

Литейные сплавы по составу делятся на сплавы систем Mg—Mn, Mg—Al—Zn, Mg—Zn, Mg—Th—Zr (табл. 13).

Наиболее распространены сплавы Mg—Al—Zn и Mg—Zn, обладающие хорошими литейными свойствами, прочностью и пластичностью и сохраняющие удовлетворительные механические свойства до 200—250°С. Сплавы Mg—Th—Zr применяют для деталей, работающих при высоких температурах (до 300—350°С).

Недостатком магниевых сплавов является низкая коррозионная стойкость, особенно во влажной атмосфере.

Детали из магниевых сплавов защищают от коррозии оксидированием , дихромизацией и селенированием .

Чаще всего применяют дихромизацию — процесс, в результате которого на поверхности металла образуется устойчивая против коррозии пленка хромовых солей магния. Деталь предварительно обрабатывают холодным 20%-ным раствором хромового ангидрида СrО₃ с целью удаления окисных пленок. Затем следует электролитическая обработка в ванне с подкисленным водным раствором хромового ангидрида, хромпика К₂Сr₂O₇ и персульфата аммония (NH₄)₂SO₄. В заключение поверхность обрабатывают горячим 10%-ным раствором хромового ангидрида.

Селенирование заключается в обработке 20%-ным раствором селеновой кислоты H₂SeО₃ с добавкой небольшого количества хромпика. Обрабатывают детали по меньшей мере дважды: после изготовления заготовки (отливка, штамповка) и после окончательной механической обработки.

Следует избегать прямого контакта между деталями из магниевых сплавов и деталями из металлов с более высоким, чем у магния, электрохимическим потенциалом (сталь, сплавы Сu и Nr). Такие детали нужно цинковать или кадмировать. Для защиты изделий, работающих во влажной атмосфере (особенно в атмосфере морского воздуха), рекомендуется применять цинковые или кадмиевые протекторы.

Для предохранения расплавов от окисления, а также для удаления неметаллических включений и придания сплавам эвтектического строения применяют флюсы (хлориды и фториды Mg, Са, Аl, Мn, борную кислоту).

В состав формовочных смесей вводят серу, борную кислоту, фтористый аммоний. При заливке используют защитную атмосферу (например, сернистый газ).

Для измельчения зерна и улучшения механических качеств сплавы Mg—Мn и Mg—Al—Zn подвергают модифицированию (модификаторы: СаСо₃, мрамор, графит, карбиды Аl, Са).

Литые магниевые сплавы МЛ4, МЛ5 упрочняют термообработкой (нагрев до 380—410°С в течение 10—18 ч, охлаждение на воздухе, старение при 175°С в течение 16—18 ч).

Состав и свойства деформируемых магниевых сплавов приведены в табл. 14.

Магниевые сплавы применяют преимущественно для изготовления несиловых деталей (ненесущие корпуса, крышки, поддоны картеров). Известны примеры изготовления из магниевых сплавов и ответственных крупных корпусов. Из деформируемых магниевых сплавов изготовляют детали, подвергающиеся высоким центробежным нагрузкам при умеренных температурах.

Недостатки магниевых сплавов, особенно пониженная коррозионная стойкость, ограничивают область их применения только теми случаями, когда масса играет главную роль.

Конструирование деталей из легких сплавов. Пониженную прочность и жесткость легких сплавов компенсируют увеличением сечений, моментов инерции и сопротивления деталей и рациональным оребрением. Мягкость и невысокая прочность легких сплавов исключают применение ввертных крепежных болтов (рис. 87, а), так как резьба в деталях из легких сплавов при повторных завертываниях сминается и разрабатывается.

Если применение ввертных болтов необходимо по конструктивным условиям, то отверстия под резьбу армируют стальными футорками (рис. 87, б). Предпочтительнее крепление на стяжных болтах (рис. 87, в) или на шпильках (рис. 87, г). Резьбовые отверстия под шпильки следует делать длиной не менее (2—2,5)·d. Под головки болтов и гайки необходимо устанавливать стальные подкладные шайбы большого диаметра во избежание сминания опорных поверхностей.

Подшипники качения в деталях из легких сплавов следует устанавливать на промежуточных стальных гильзах (рис. 87, д, е).

В часто разбираемых соединениях отверстия под контрольные штифты целесообразно армировать стальными втулками (рис. 87, ж, з). Глубина запрессовки штифтов в детали из легких сплавов не менее (2—2,5)·d.

Недопустимо опирать на поверхность из легкого сплава пружины (рис. 87, и), особенно работающие при циклических нагрузках. В таких случаях необходимо применять опорные шайбы из твердого металла (рис. 87, к, л), предотвращающие истирание опорных поверхностей под действием многократно повторяемых нагрузок.

Не рекомендуется передавать крутящий момент с помощью шпоночных и шлицевых соединений, выполненных непосредственно в детали из легкого сплава (рис. 88, а).

Целесообразно армировать посадочные поверхности стальными втулками (рис. 88, б, в), с максимальной допускаемой конструкцией радиальной разноской элементов, передающих крутящий момент.

В случае, когда деталь должна иметь определенные качества (высокую твердость, износостойкость), которые легкий сплав обеспечить не может, корпус детали выполняют из легкого сплава и к нему крепят рабочие части, изготовленные из материала с необходимыми свойствами.

В составной конструкции кулачковой шайбы (рис. 88, г) корпус выполнен из алюминиевого сплава; к нему присоединен на заклепках венец кулачков и приводного зубчатого колеса с внутренними зубьями, выполненный из закаленной стали.

При сопряжении деталей из легких сплавов со стальными деталями следует учитывать различие их коэффициентов линейного расширения. В неподвижных сопряжениях, когда расширение деталей, выполненных из легких сплавов, ограничено смежными стальными деталями, могут возникнуть высокие термические напряжения. В подвижных соединениях, где охватываемая деталь выполнена из легкого сплава, а охватывающая из стали, например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания с алюминиевым поршнем, следует предусматривать увеличенные зазоры во избежание защемления поршня при повышенных температурах.

Титановые сплавы. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882°С существует α-титан с гексагональной атомно-кристаллической решеткой, выше — β-титан с ОЦК-решеткой. Введение легирующих элементов значительно изменяет температуру аллотропического превращения и области α- и β-фаз.

Стабилизаторами α-фазы являются Al, Zn, Sn и Zr, повышенное содержание которых приводит к образованию однофазных α-сплавов. Стабилизаторами β-фазы являются Сr, Мо, Мn, V, Сu, Со и Fe, которые снижают температуры аллотропического превращения вплоть до минусовых и способствуют образованию однофазных β-сплавов. При определенном соотношении α- и β-стабилизаторов получаются смешанные (α + β)-сплавы.

Сплавы α + β и β упрочняются термообработкой, состоящей в закалке в воду с 800—1000°С. При этом β-фаза превращается в неустойчивую β’-фазу, которая при последующем старении (длительная выдержка при 400—550°С) упрочняется выделением высоко-дисперсных частиц α-фазы в β-твердом растворе, а также интерметаллидов (титанитов). Твердость после старения повышается на 15—25 единиц HRC, а прочность на 30—50%.

Сплавы группы α + β обладают высокой прочностью при достаточной термостабильности (до 450 °C и получили наибольшее распространение. Оптимальное содержание α-фазы ~30%.

Однофазные α-сплавы имеют при нормальной температуре пониженные механические свойства, но меньше разупрочняются с повышением температуры. Устойчивы против горячей коррозии. Их применяют для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (до 600°С). Однофазные β-сплавы наименее термостабильны (~300°С) вследствие склонности к горячей коррозии под напряжением и усиленного газопоглощения при высоких температурах.

Сплавы α + β поддаются термомеханической обработке (пластическая деформация на 40—60% при 850°С, закалка и старение при 500—550°С), в результате которой дополнительно увеличивается прочность на 20—30% при сохранении и даже повышении пластичности. Плотность титановых сплавов ~4,5 кг/дм 3 ; модуль нормальной упругости (11,5—12,0)·10 4 МПа; модуль сдвига (4,0—4,3) 10 4 МПа; коэффициент линейного расширения в интервале 0—100°С равен (8—10)·10 -6 1/°С.

Титановые сплавы немагнитны, очень чувствительны к концентрации напряжений. В циклически нагруженных конструкциях целесообразно подвергать детали упрочняющей обработке холодной пластической деформацией (наклепу) с целью создания остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое.

Титановые сплавы сохраняют удовлетворительную прочность от –250°С до 500°С (рис. 89).

Крипостойкость характеризуется следующими цифрами: предел ползучести за 300 ч при 300°С и удлинения 0,1% σ 300° _{0,1/300 ч} = 400—600 МПа; при 400°С σ 400° _{0,1/300 ч} = 200—400 МПа. Релаксационная стойкость высокая. При умеренных температурах (до (200—300°С) титановые сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью.

При более высоких температурах титан активно соединяется с газами с образованием стойких оксидов, нитридов, гидридов и карбидов, снижающих прочность и вызывающих охрупчивание металла. Процесс усиливается, если металл находится под действием напряжений.

Длительной теплостойкостью называют температуру, которую металл переносит без заметного теплового перерождения. Таким образом, кривые прочности в зависимости от температуры, определяемые на основании кратковременных испытаний, должны быть дополнены данными о коррозионной теплостойкости металла.

Титановые сплавы хорошо поддаются горячей пластической деформации (в интервале 800—1000°С), которая является основным методом изготовления полуфабрикатов. Отливка титановых сплавов крайне затруднительна, так как титан в расплавленном состоянии поглощает кислород, азот и водород и взаимодействует с формовочными материалами.

Обрабатываемость титановых сплавов резанием хуже, чем сталей. Титановая стружка при высоких скоростях резания может загораться; титановая пыль взрывоопасна.

Большинство титановых сплавов сваривают аргонной дуговой и контактной сваркой. Для снятия внутренних напряжений и восстановления пластичности материала шва применяют стабилизирующий отжиг при 700—800°С.

Антифрикционные качества сплавов Ti низкие. Детали, работающие в условиях повышенного трения, подвергают цементации или азотированию (выдержка в атмосфере аммиака при 850—870°С в течение 10—20 ч. толщина азотированного слоя 0,07—0,10 мм, твердость HV 1000—1200).

Износостойкость деталей из титановых сплавов повышают также диффузионным насыщением медью, теллурированием и селенированием.

Сочетание прочности, легкости, термостабильности и коррозионной стойкости делает титановые сплавы превосходным конструкционным материалом, особенно когда конструкции работают в широком температурном диапазоне. В сверхзвуковой авиации, где вследствие аэродинамического нагрева температура оболочек достигает 500—600°С, титановые сплавы используют для изготовления обшивок и силовых элементов. Благодаря малой плотности и хладостойкости их широко применяют в космической технике. Из них изготовляют детали, подверженные высоким инерционным нагрузкам, в частности, скоростные роторы, напряжения в которых прямо пропорциональны плотности материала. Температуростойкие титановые сплавы применяют для изготовления лопаток последних ступеней аксиальных компрессоров и паровых турбин. Высокая коррозионная стойкость при умеренных температурах обусловливает применение титановых сплавов в химической и пищевой промышленности. Для работы в сильных агрессивных средах используют сплавы особо высокой коррозионной стойкости с присадками 0,2%Pd.

Состав и свойства отечественных и зарубежных титановых сплавов приведены в табл. 15 и 16.

Наиболее распространен из конструкционных титановых сплавов термически упрочняемый сплав ВТ6, обладающий при высокой прочности хорошей коррозионной и эрозионной стойкостью. Для работы при повышенных температурах наиболее широко используют сплав ВТ5—1. Сплавы ОТ4, ВТ4 повышенной пластичности применяют для изготовления листов и лент.

В связи с ростом требований к прочности и теплостойкости титановые сплавы подвергаются непрерывному усовершенствованию. Прочность увеличивают комплексным легированием V, Mo, Sn и Zn, теплостойкость — введением Со, Zn, W и Nb, сопротивление ползучести — присадками Si.

В настоящее время прочность сплавов группы α + β достигла 1500 МПа; длительная теплостойкость сплавов группы α повышена до 600°С. В ближайшие годы вероятно повышение прочности титановых сплавов до 2000 МПа.

Твердые сплавы

Металлы, отличающиеся повышенной твёрдостью и износостойкостью — это твердые сплавы. Изготавливаются, как правило, из карбидов металлов (титана, хрома, вольфрама и прочих), что делает их особенно стойкими к высоким температурам и механическим воздействиям. Такие сплавы невероятно прочные, а потому, пригодные для различных производств.

Характеристика

Помимо прочности и износостойкости к полезным свойствам данных материалов можно отнести тугоплавкость. При нагреве до 900 — 1150°C твердый сплав сохраняет все свои качества.

Существует специальная маркировка, которая указывает свойства и характеристики сплава. В основе принципа маркирования – буквы, указывающие на наличие того или иного металла и цифры, показывающие его количество в %. Необходимо точно понимать их значение, так как от данных показателей зависит пригодность материала для проведения необходимых работ.

Классификация

Как и любые металлические материалы, твердые сплавы имеют собственную классификацию, которая помогает подобрать наиболее подходящий материал для своих целей.

В зависимости от способа получения, сплавы бывают:

Как видно из названия, литые сплавы изготавливают технологией литья. Среди них: стеллиты (которые состоят из хрома, вольфрама, углерода и никеля; как связка используется кобальт), сормайты (состоящие из хрома, углерода и никеля на железной основе), а также твердые сплавы, в которых в качестве основы использован никель. Чаще всего, в процессе литья применяется технология пресса, которая позволяет получить изделия высокого качества, требующие минимальной обработки перед использованием (однако, чаще всего необходимо проведение термической постобработки).

Спеченные сплавы (или металлокерамические), в свою очередь, производятся по технологии порошковой металлургии. Она представляет собой высокоточное производство, благодаря чему, получаемый на выходе материал имеет максимально высокую степень качества и не требует дополнительной обработки. Максимум, что может потребоваться – небольшая шлифовка полученного изделия. Металлокерамическими данные сплавы называют, потому что способ их производства схож с производством керамических изделий.

По химическому составу различают:

1. ВК – однокарбидные, вольфрамо-кобальтовые;
2. ТК – двухкарбидные, титано-вольфрамо-кобальтовые;
3. ТТК – трехкарбидные, титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые;
4. ТН — безвольфрамовые.

Вольфрамо-кобальтовые

Сплавы на основе карбида вольфрама – наиболее распространённые представители данной группы. К ним относятся BK6 и BK8, упомянутые выше. Сплавы можно разделить ещё на две группы, в зависимости от их состава: содержащие в своём составе вольфрам – как уже говорилось ранее, такие сплавы состоят из карбида вольфрама и ещё минимум одного металла, играющего роль связки (чаще всего таковым является кобальт).

В основном сплавы группы ВК используют для изготовления режущего инструмента. Это резцы, пластины.

Состав и характеристики сплавов ВК

Характеристика физико-механических свойств

Предел прочностипри изгибе

* Буква М означает, что сплав является мелкозернистым, ОМ — особо мелкозернистый.

Из таких материалов получаются высококачественные инструменты, которые используются в промышленности, различных производствах и в быту, изготовление деталей различных конструкций. Это могут быть детали для автомобилей, механических предметов, приборов и любых механизмов. изготовление деталей, требующих высокой жаростойкости.

Титановольфрамовокобальтовые

Группа сплавов ТК производится для иструментов, выполняющих резание сталей, дающих сливную стружку. В основе состава карбид титана и карбид вольфрама. В связке идёт кобальт. Титан дает снижение адгезии со сталью, благодаря этому сплавы группы ТК более износостойкие при обработки сталей. При увеличении карбидов титана повышается твердость и износостойкость, но прочностьснижается.

Характеристика физико-механических свойств

Предел прочности при

Титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы

По ГОСТ 3882-74 имеется 5 марок. Титан в составе улучшает свойства и эксплуатационные показатели, выражающиеся в повышении прочности при обычной и повышенной температуре. Благодаря карбиду тантала в составе улучшается износостойкость при резании

Характеристика физико-механических свойств

Безвольфрамовые сплавы

Такие сплавы в СССР появились в 1970 гг. ввиду дефицита вольфрама. По ГОСТ 26530-85 существует две марки безвольфрамовых сплавов на основе карбидов, карбонитридов титана с никель-молибденовой связкой.

Содержание основных компонентов

Эти марки обладают меньшей прочностью и теплостойкости они не могут заменить традиционные вольфрамовые. Сплав КНТ16 хорошо подходит для прерывистого резания. А марка ТН20 может эффективно заменить Т30К4 и Т15К6. Им можно проводить чистовую и получистовую обработку незакаленной стали.

Так или иначе, благодаря своим свойствам сплавы массово применяются во многих производствах.

По классификации ИСО, твердые сплавы делят по областям применения при обработке резанием:

• Р — для стальных отливок, дающих сливную стружку;
• М — труднообрабатываемые стали, сплавы;
• К — обработка чугуна;
• N — обработка алюминия и других цветных металлов и их сплавов;
• S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;
• H — для закаленной стали.

Сплавы группы Р маркируются синим цветом, М — желтым и К — красным цветом

Свойства

Основные свойства твёрдых сплавов: твердость; жаростойкость; прочность; износостойкость;

Однако, стоит понимать, что данные характеристики зависят от соотношения элементов, из которых изготовлен сплав. Так, например, материалы, в названии которых используется сочетание букв «BK» напрямую зависимы от размера от карбида вольфрама. При уменьшении зерна карбида, сплав становится более твёрдым. При этом, велика вероятность уменьшения его прочности. При увеличении зерна происходит обратный процесс – прочность увеличивается, но сплав получается менее твёрдый. Поэтому при закупке данного материала важно понимать значение маркировок, так они напрямую говорят о его свойствах.

Титаносодержащие сплавы более твердые и жаростойкие. Температура их плавления выходит за пределы 1200°C. Кроме того, они меньше подвержены окислению. Из недостатков можно отметить худшую теплопроводность, по сравнению с материалами группы «BK», а также слабую прочность при изгибаниях.Однако эта проблема решается добавлением в состав карбида тантала – сплавы, маркированные как «TTK» гораздо более прочны при работе.

Активному использованию в различных производствах способствует также и тот факт, что твердые металлы, как ни странно, весьма пластичны. Поэтому работать с ними можно как при высоких, так и при низких температурах. Однако, резать, гнуть и проводить прочую механическую работу следует с большой осторожностью в связи с большой ломкостью и слабой прочностью при изгибах. При обработке материала необходимо знать его плотность, так как от этого зависит его прочность. Так, например плотность вольфрамовых сплавов варьируется от 14 до 15 г/см³; титаносодержащих – от 9 до 13,5 г/см³; материала с примесью тантала – от 12 до 13,6г/см³.

От всех перечисленных свойств зависит, где и каким образом могут применяться твердые сплавы.

Примеры маркировки твердых сплавов

По принципу маркировки твердые сплавы делят согласно химическому составу:

1. ВК — в составе карбид вольфрама и кобальт. Цифра означает содержание кобальта в процентах. Например это сплав ВК8, ВК10, ВК6
2. ТК. Титаносодержащие сплавы, содержащие карбид титана, карбид вольфрама, кобальт. Обозначение буквами ТК. Цифра после буквы Т означает содержание карбида титана в процентах, а после буквы К — процент содержания кобальта. Это сплавы Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4
3. ТТК. Титано-тантало-вольфрамовые. Сплав включает в себя сразу три металла: титан, вольфрам и тантал и кобальт. Маркируется буквами ТТК. Цифра после ТТ, например «7» указывает на содержание карбидов титана и тантала, цифра после «К» , например «12» — процент кобальта. Марки ТТ7К12, ТТ20К9;
4. ТН. Безвольфрамовые. ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30.

Применение и продукция из твердых сплавов

Материал широко распространен в современной промышленности. Развивается и технология производства самих сплавов, улучшается их качество, меняется состав, появляются новые маркировки. Но помимо изменения самого материала, меняются и принципы работы с ним. Появляются новые типы соединений, наносимые на изделия, благодаря чему, они приобретают новые функции и роли в промышленности.

На сегодняшний день твёрдые сплавы применяются:

1. В производстве режущего инструмента. Изготовленные из высокопрочных материалов инструменты позволяют повысить качество производства, ускорить его и снизить затраты на брак и закупку материалов. Высокая жаростойкость и прочность позволяют работать на предельных скоростях. Поэтому сплавы гораздо более ценны в производстве инструмента, нежели простая сталь. В их производстве зачастую используют алмазные заготовки, значительно повышающую качество материала и его свойства. К примерам таких инструментов можно отнести резцы, свёрла и т.д.;
2. В изготовлении высокопрочных деталей для механических изделий, производственных машин, автомобилей и техники, ножей и лезвий для грейдеров – в механизмах, испытывающих высокие перегрузки и усилия;
3. В производстве оборудования, предназначенного для больших нагрузок. Например, рудодобывающее оборудование, буровые установки. Сплавы применяются в опорах промышленных весов и в прочих механизмах, рассчитанных на большие усилия и давления;
4. При изготовлении мелких, но ключевых деталей различных механизмов. Например, из данного материала производятся подшипники, клеммы, различные защитные напыления и прочее.
5. В производстве различных форм и матриц, при отливке стальных изделий как простых, так и имеющих сложную форму.
6. Для механической постобработки сложных материалов (сталь, чугун, цветные металлы, жаростойкие материалы и т.д.).
7. При штамповании различных изделий.

Перед закупкой инструмента, деталей или просто исходного материала, в составе которого есть сплавы, необходимо тщательно изучить к какому классу они относятся и какими свойствами обладают. В этом поможет понимание значений маркировок, которые указывают на состав изделия и, как следствие, на его способность выдерживать те или иные нагрузки. Каждый класс материала предназначен для применения в конкретной сфере производства и может быть абсолютно не пригоден для иной, что также следует учитывать.

Источник https://basetop.ru/samye-prochnye-metally-v-mire-top-10/

Источник https://inzhener-info.ru/razdely/konstruirovanie/metalloemkost-konstruktsij/legkie-splavy.html

Источник https://prompriem.ru/splavyi/tverdye-splavy.html