Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

Реальная прочность металлов, полученных по обычным промышленным технологиям, - так называемая техническая прочность, во много раз ниже теоретической - той, которую имеют эти же металлы с бездефектной кристаллической структурой. Как видно из рис. 3.23, прочность находится в сложной зависимости от степени нарушений правильности кристаллической решетки - плотности дислокаций. Минимальная прочность в области «а» с плотностью дислокаций 106- 108 см-2 характерна для отожженных металлов. Повышать проч-

ПЛОТНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ

ность  металлов  можно  путем  применения  двух групп технологий,  одна  из  которых  имеет  цель  снизить  до минимума плотность дислокаций - получать металлы с идеальной кристаллической структурой. Другая группа технологий, наоборот, направлена  на увеличение плотности дислокаций в металле.

Рис. 3.23. Зависимость сопротивления деформации

 от количества  дефектов в кристаллах металлов:

I - теоретическая  прочность; 2-4 - техническая проч-

    ность (2-усы; 3 - чистые неупрочненные металлы;

            4-сплавы, упрочненные легированием, наклепом, терми-

           ческой или термомеханической  обработкой)

 

В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Это нитевидные кристаллы небольших размеров: длиной 2-10 мм и толщиной 0,5 - 2,0 мкм - «усы». Их прочность приближается к теоретической. Так, например, пределы прочности технических металлов (числитель) и нитевидных кристаллов (знаменатель) составляют, МПа: Fe - 350/ 14000; Сu - 300/3000 и Zn - 20/250. Пока нитевидные кристаллы из-за малых размеров не находят прямого применения в технике. Однако они с успехом используются для производства композиционных материалов.

Повышение прочности металлов в результате увеличения плотности дислокаций до величины 1010 - 1012см-2 (путем легирования, пластической, термической и термомеханической обработки) объясняется затруднениями в перемещении дислокаций в сильно искаженных кристаллических решетках - появлением дислокационных барьеров.

 

3. Деформация металлов и сплавов

Деформация монокристалла. Основным видом нагрузки, вызывающим деформацию кристалла, т. е. необратимое смещение атомов относительно друг друга без нарушения между ними связи, является сдвиговая. Перемещение одной части кристалла относительно другой в первую очередь будет происходить по плоскостям скольжения, т. е. сдвигаться будут параллельно друг другу соседние плоскости, связь атомов между которыми слабее связи атомов в самой плоскости сдвига. В этом случае происходит минимальное нарушение правильности расположения атомов, требующее приложения минимальных затрат энергии.

Способность кристалла к пластической деформации тем больше, чем больше в его решетке плоскостей и направлений сдвига (см. 3.3). К числу легко деформируемых относятся металлы с кубической кристаллической решеткой.

Вначале, при малых сдвигающих нагрузках, происходит только упругая деформация. По достижении определенной критической величины - τкрит, происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой. Схема процесса деформации монокристалла представлена на рис. 3.24.

 

Рис. 3.24. Схема упругой (б) и пластической (в) деформации; а - кристалл в исходном состоянии

 

Поскольку в этом процессе участвуют одновременно все атомы, находящиеся в плоскости сдвига, для осуществления его требуется большое сдвиговое напряжение. В соответствии с теоретическими расчетами τкрнт для идеальных кристаллов железа, меди, алюминия составили соответственно 2350, 1600 и 910 МПа. В реальных кристаллах (с большим количеством нарушений кристаллической решетки) сдвиговая деформация требует значительно (в сотни и тысячу раз) меньших напряжений - для Fe, Си, AI соответственно: 30; 1,0 и 1,2 МПа. Считают, что деформация реальных кристаллов осуществляется по иному механизму - путем перемещения по кристаллу дислокаций.

На рисунке 3.25 показан участок кристалла с краевой дислокацией, обозначенной линией АВ, в виде лишней плоскости (экстра-плоскости), доходящей до линии сдвига. Под действием сдвигающего напряжения, даже незначительного, дислокация способна менять свое положение в кристалле: из положения АВ она легко перемещается в положение А'В'. Это объясняется тем, что меняет свое положение лишь небольшое число атомов вблизи экстраплоскости.

 

Рис. 3.25. Схема перемещения краевой дислокации АВ (а) в результате частичного

сдвига в положение А'В' (б); в - выход дислокации на поверхность кристалла

 

 

Таким образом, сдвиг происходит не путем разрыва связей и одновременного перемещения всех атомов, лежащих в плоскости сдвига (как на рис. 3.24), а в результате последовательной эстафетной смены положения экстра-плоскости в кристалле в направлении вектора сдвига. Если не возникнет препятствий, скольжение дислокаций под действием сдвигающего напряжения будет продолжаться через весь кристалл; в конечном итоге часть кристалла окажется сдвинутой относительно другой части на величину периода решетки (рис. 3.25, в). На полированных образцах после небольшой пластической деформации под микроскопом наблюдаются следы скольжения* в виде прямых параллельных линий с расстоянием между ними примерно 0,2 мкм (около 100 межатомных расстояний). При большой деформации в результате процессов скольжения зерно меняет свою форму: округлое до деформации оно становится вытянутым (рис. 3.26).

 

Эксперименты показывают, что в результате пластической деформации плотность дислокаций металла не только не уменьшается (как можно было бы ожидать на основании рассмотренной выше схемы), а увеличивается. Причиной «размножения» дислокаций являются другие несовершенства кристаллической решетки - часто движению дислокации по кристаллу мешает расположенная на ее пути другая дислокация. Стремясь преодолеть это препятствие, первая дислокация дробится на две-три новых.

Подвергаемые пластической обработке металлические заготовки являются поликристаллическими. Деформация их протекает аналогично деформации монокристалла - путем сдвига (скольжения) каждого отдельного зерна. Поскольку все они ориентированы по-разному, то и их деформация протекает в неодинаковой степени. С увеличением степени деформации зёрна металлического образца вытягиваются и ориентируются определенным образом (рис. 3.26). Структура металла становится волокнистой или слоистой (рис. 3.27).

 

            Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна упруго напряжены, а кристаллическая решетка по границам и близ плоскостей скольжения искажена. Пластическая деформация приводит к изменению физических свойств металла: повышается электросопротивление, изменяются магнитные свойства, уменьшается плотность и растет прочность (на рис. 3.23, участок 3-4) - происходит деформационное упрочнение металла, которое называют наклепом. Это явление широко используют как способ упрочнения деталей, изготовление которых включает холодную обработку давлением.

 

4. Возврат и рекристаллизация

Наклепанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние (с меньшим уровнем свободной энергии). Происходит это в результате диффузии атомов в металле. Решающее влияние на скорость диффузионных процессов оказывает температура. С ее повышением в деформированном металле идут процессы возврата и рекристаллизации. В ходе первого процесса снимается часть внутренних остаточных напряжений, устраняются искажения кристаллической решетки, уменьшается количество вакансий, дислокаций и других дефектов. Но никаких видимых изменений в микроструктуре металла при этом не наблюдается.

При рекристаллизации существенно меняется структура и свойства металла (рис.3.27).

В ходе первичной рекристаллизации (при Т = 0,4Тпл, К) происходит образование новых равноосных зерен, исчезает волокнистая структура металла. При этом растет пластичность (d), а прочностные свойства снижаются. При более высоких температурах (выше t1) происходит увеличение размеров зерен за счет объединения более мелких. Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией.

Размер зерен металла оказывает большое влияние на его свойства. Для получения высокой прочности и вязкости следует получать мелкозернистую структуру. Для повышения магнитных свойств трансформаторной стали, наоборот, нужно крупное зерно. Размер зерен металла зависит как от условий деформации (степени, температуры), так и от условий рекристаллизации (температуры, продолжительности). При холодной деформации - при температурах ниже порога рекристаллизации (Т < 0,4Тпл) - процесс идет с образованием волокнистой структуры металла и наклепа.

При малых степенях деформации рекристаллизации в ходе нагревания не происходит. При степенях деформации 3-15% размер зерен после отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна (рис. 3.28). При более высоких степенях деформации зерна становятся более мелкими. Повышение температуры и времени отжига всегда увеличивает размер зерен.

 

 

 

 

 

 

 

                         Рис. 3.28. Влияние степени деформации и

                температуры отжига на величину  зерна металла

 

 

 

Если деформация проводится при высоких температурах (0,60-0,75Тпл) - горячая деформация - процессы рекристаллизации идут одновременно с деформацией.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Основы металлургии

 

5.1  Принципиальные основы производства металлов

Исходным сырьём для производства абсолютного большинства металлов являются минеральные образования, добываемые из земной коры, - руды. В результате проведения научных исследований в лабораториях и на производстве разрабатывают технологическую схему металлургического передела руды, т. е. последовательность и оптимальные условия операций (физических и химических процессов), при которых достигаются наиболее высокие технико-экономические показатели процесса по себестоимости и по качеству получаемого продукта – металла.

В практике применяются сотни разнообразных технологических схем получения металлов. Однако принципиальная сущность всех этих схем одна и та же – отделение данного металла от пустой породы и сопутствующих элементов.

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных производств, базирующийся на месторождениях руд, коксующихся углей, энергетических мощностях. Оно включает следующие комбинаты, заводы, цехи (рис. 4.1):

1) шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

2) горно-обогатительные комбинаты, где подготовляют руды к плавке, т. е. обогащают их;

3) коксохимические заводы или цехи, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов;

4) энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, а также очистки газов металлургических производств;

5) доменные цехи для выплавки  чугуна и ферросплавов;

6) заводы для производства ферросплавов;

7) сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали;

8) прокатные  цехи, в которых  слитки стали перерабатывают  в сортовой прокат - балки, рельсы, прутки, проволоку, а также лист  и т. д.

 

Для удобства анализа металлургического производства весь комплекс операций, входящих в технологические схемы, целесообразно разделить на четыре стадии, на каждой из которых решается определенная задача:

 

Как правило, на первой стадии технологического процесса производят отделение от рудного минерала максимально возможного количества пустой породы механическими способами, используя различия рудного минерала и минералов пустой породы в плотности, магнитной восприимчивости, электрических свойствах, смачиваемости поверхности частиц жидкостью. При этом руда разделяется на две части: концентрат, куда переходит основное количество природного рудного минерала, и хвосты, состоящие главным образом из пустой породы.

            При механическом обогащении  руд невозможно полное отделение  металла от сопутствующих соединений - в концентрате всегда имеется  достаточно большое количество  частиц, представляющих сростки  рудного минерала с пустой  породой. Содержание пустой породы  в концентратах изменяется примерно  от 10% для железных руд и до 80-90% для руд цветных металлов.

Удаление оставшегося количества пустой породы руды производят на второй стадии технологической схемы химико-металлургическими методами, используя различия в растворимости рудного минерала и пустой породы в химических реагентах или различия в плотностях расплавленных металлической и шлаковой фаз. В тех случаях, когда не удаётся найти эффективный способ разделения пустой породы и природного рудного минерала, последний путем химической обработки преобразуют в другое соединение, существенно отличающееся по своим физико-химическим свойствам от пустой породы.

Итогом процессов второй стадии технологической схемы является получение либо химического соединения данного металла (содержащего небольшое количество примесей), либо металлический сплав.

Иногда для краткости вторую стадию называют стадией получения «химического» концентрата.

На третьей стадии в одних технологических схемах получают «черновой» металл (загрязненный примесями), в других - чистое химическое соединение металла, которое обычно служит исходным материалом для получения чистого металла на следующей стадии.