Тема. Цветные металлы и их сплавы. Алюминий. Алюминиевые сплавы. Антифрикционные сплавы
ТЕМА. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
Алюминий. Алюминиевые сплавы. Антифрикционные сплавы.
Цель урока - формирование знаний об алюминии и его применении в промышленности и экономическом комплексе республики, антифрикционных материалах, алюминиевых сплавах и сплавах на оловянной и свинцовой основе (баббитах).
Тип урока — комбинированный.
Методы проведения урока - опрос устный. Объяснение и беседа с опорой на знания обучающихся, полученные на уроках физики, спецпредметов и уроке 2 по теме 3 данного учебного предмета. Поэтапное закрепление вновь излагаемого материала с постановкой проблемных вопросов, вопросов по актуализации прежних знаний и заполнением таблиц с взаимоконтролем. Закрепление материала в конце урока. Демонстрация наглядных пособий и фрагментов учебного кинофильма.
Вопросы для актуализации знаний
1 Объясните влияние примесей на свойства меди и изложите область применения чистой меди
2.Раскройте отличия латуни от бронзы. Изложите правила маркировки латуней.
3 Объясните влияние цинка на механические и технологические свойства латуни и изложите область применения латуней.
4. Изложите правила маркировки бронз и влияние олова на их механические свойства.
5. Какова классификация без оловянных бронз?
6. Изложите основания применения бронз как антифрикционного материла и опишите бронзу, наиболее часто применяемую для изготовления подшипников скольжения.
Изучаемые вопросы
1. Производство алюминия.
2. Алюминий. Его свойства и применение.
3. Алюминиевые сплавы.
4. Виды антифрикционных сплавов. Баббиты, их свойства, марки и применение.
Планируемый уровень усвоения учебного материала - понимание.
Материально-техническое обеспечение урока
1. Образец алюминия.
2. Образцы алюминиевых сплавов: литейных и деформируемых
3. Детали из алюминия, алюминиевых сплавов и с применением баббитов: алюминиевый провод, поршень, головка цилиндров КамАЗ (ЗИЛ, ЗМЗ), корпус ТНВД, алюминиевая трубка, вкладыши коленвалов ЗМЗ, ЗИЛ, КамАЗ и др.
4. Таблица «Механические свойства металлов и сплавов».
5 Таблица «Физические и химические свойства металлов».
6 Таблица «Технологические свойства металлов и сплавов».
7. Таблица «Классификация алюминиевых сплавов».
8. Таблица «Алюминий и алюминиевые сплавы».
9. Таблица «Виды антифрикционных сплавов».
10. Таблица «Антифрикционные сплавы. Баббиты»
11. Альбом с фотографиями или плакат с рисунками макро - и микроструктур.
12. Учебный кинофильм «Цветные металлы и сплавы».
Рекомендации к изложению темы
Показав образец алюминия, сообщить, что алюминий стал известен человеку сравнительно недавно. Сто лет назад он ценился очень высоко из-за трудности получения и шел главным образом на изготовление украшений. Но уже в то время этому металлу предсказывалось большое будущее. Очень ярко писал об этом великий русский революционер-демократ в романе «Что делать?», рисуя город будущего: «Какая легкая архитектура этого внутреннего дома, какие маленькие простенки между окнами, а окна огромные, широкие, во всю вышину этажей! Но какие это полы и потолки? Из чего эти двери и рамы окон? Что это такое. Серебро? Платина? Да и мебель почти вся такая же - мебель из дерева тут лишь каприз, она только для разнообразия, но из чего же вся остальная мебель, потолки и полы? «Попробуй подвинуть это кресло», - говорит старшая царица. Эта металлическая мебель легче нашей ореховой. Но что это за металл? Ах, знаю теперь Саша показывал мне такую дощечку, она была легка, как стекло и теперь уже есть такие серьги, брошки: да. Саша говорил, что рано или поздно, алюминий заменит собой дерево, может быть и камень. Но как же все это богато! Везде алюминий и алюминий, и все промежутки окон одеты огромными зеркалами. И какие ковры на полу. Вот в этом зале половина открыта, тут и видно, что он из алюминия».
Предоставить слово обучающемуся для краткого сообщения о производстве алюминия.
Для лучшего усвоения материала и большей наглядности целесообразно, чтобы обучающийся привел упрощенную схему электролитического способа производства алюминия, включающую два параллельно выполняющихся процесса: производство криолита и получение глинозема.
Из сообщения обучающиеся узнают, что процесс получения алюминия включает два этапа: производство глинозема (Аl2O3) из руды и электролиз раствора глинозема в расплавленном криолите. Электролиз нельзя вести из водного раствора, т. к. из него алюми
ний выделить не удается из-за того, что на катоде прежде всего осаждается водород, обладающий большим положительным потенциалом. Обучающийся кратко рассказывает сущность превращений, происходящих в процессе получения алюминия.
Обратив внимание на связь с географией, назвать месторождения бокситов: Тихвинский район Ленинградской области, Урал.
Сообщить, что возможно производство алюминия из нефелина - щелочного алюмосиликата. Месторождения нефелиновых пород находятся на Кольском полуострове, в Красноярском крае и Кемеровской области.
Задать вопрос по актуализации прежних знаний:
«Какими свойствами обладает алюминий?».
При обсуждении использовать таблицы свойств металлов и сплавов.
Обучающиеся должны изложить свойства алюминия:
физические - алюминий серебристо-белого цвета, легкий, обладает высокой тепло - и электропроводностью, не магнитен;
химические — коррозиестойкость на воздухе,
механические - алюминий хорошо поддается сжатию, изгибу, легко скручивается, вязкий;
технологические - хорошая обрабатываемость давлением, паяемость, плохая обрабатываемость резанием, хорошая свариваемость.
Подводя итоги собеседования, процитировать: «Алюминий металл серебристо-белого цвета. Он относится к легким металлам, плотность алюминия 2,7 г/см3. Температура плавления довольно низкая (659 °С), алюминиевая фольга легко плавится в пламени
спички.
Алюминий - хороший проводник теплоты и электрического тока: его электрическая проводимость составляет около 2/3 от электрической проводимости меди. Пластичность алюминия очень высока. Его можно вытягивать в проволоку и прокатывать в фольгу» (связь с химией).
Отметить, что при одинаковом электрическом сопротивлении масса алюминиевого провода вдвое меньше массы медного.
Алюминий первичный маркируется А995 А95 А8 А6 где А - алюминий, число после А - массовая доля алюминия (не менее).
Задать проблемный вопрос практического характера: «Каковы причины широкого применения алюминия и его сплавов?» В результате собеседования выясняется, что существуют две основные причины: большие запасы алюминия в природе в виде соединений а также сочетание различных положительных свойств, необходимых для техники (легкость, прочность, хорошая электро - и теплопроводность, высокая стойкость к воде и воздуху).
Можно задать еще один проблемный вопрос практического характера. «Где применяется чистый алюминий?».
В результате собеседования обучающиеся уясняют, что алюминии применяется в больших количествах для производства проводов и кабелей, а также деталей электрооборудования, фольги, трубок и даже посуды (показать имеющиеся в наличии детали и микроструктуру алюминия).
Перейти к изучению алюминиевых сплавов.
Используя образцы сплавов и таблицу «Классификация алюминиевых сплавов», рассказать о литейных и деформируемых сплавах.
ГОСТ 1583-93 распространяется на алюминиевые литейные сплавы, изготавливаемые для нужд народного хозяйства и экспорта.
В процессе объяснения отметить, что литейные алюминиевые сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др. Наиболее известны сплавы, получившие название силуминов (АК12, АК13, АК9, АК8л и другие), где число - номер сплава (показать микроструктуру силумина). «Наиболее прочным из силуминов является сплав марки АК8л, в котором увеличено содержание магния и введены добавки титана и бериллия. Сплав обладает высокой герметичностью и применяется для литья корпусных деталей, работающих под высоким внутренним давлением жидкостей и газов.
Детали из сплавов на основе системы Al-Si могут длительно работать при температурах не более 150-200 °С».
Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой, маркируются АМц или АМг, а упрочняемые термообработкой с буквой Д (Д1, Д16А и др.). _
Показывая детали из алюминиевых сплавов и используя таблицу «Алюминий и алюминиевые сплавы», рассказать о применении литейных, деформируемых алюминиевых сплавов, сплавов для ковки и штамповки, кратко охарактеризовать их.
Обратить внимание, что деформируемые сплавы подразделяются на не упрочняемые сплавы и упрочняемые термической обработкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы используются для получения деталей различными методами обработки (давлением, прокаткой, прессованием). Отметить, что они обладают небольшой плотностью, высокой тепло - и электропроводностью, достаточной коррозиестойкостью и хорошими пластическими свойствами. Деформируемые сплавы могут упрочняться термической обработкой (закалкой), которая заключается в нагреве сплава до выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры. За закалкой следует старение, т е. выдержка сплава при комнатной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10-24 часов при повышенной температуре (искусственное старение). Марки деформируемых алюминиевых сплавов - Д16П, АК6, АМц, АМг2, где числа после букв Д и К условный номер сплава, Мг - средняя массовая доля магния в сплаве; АМц - сплав алюминий-марганец; П - сплав предназначен для изготовления проволоки для холодной высадки (показать микро структуру дюралюминия).
В заключение рекомендуется отметить целесообразность применения солей алюминия.
Обратив внимание на связь с биологией, привести цитату. «Соли алюминия, в частности сульфат алюминия, применяются для очистки воды»
При добавлении к воде сульфата алюминия и извести первоначально получается коллоидный раствор гидроксида алюминия, который затем коагулирует, давая объемистый студенистый осадок. Этот осадок захватывает в процессе своего образования, взвешенные в воде частицы и бактерии и увлекает их затем на дно отстойника».
С целью закрепления изучаемого материала, формирования умении и навыков, предложить обучающимся свести в таблицу алюминиевые сплавы марок: АК6, Д16, AMr2, АК12, АМц, АК8л, АД1.
Таблица
Литейные | Деформируемые неупрочняемые | Деформируемые упрочняемые | Для ковки и штамповки |
После заполнения таблицы расшифровать марки АК6, АМг2, АМц. Результаты выполнения задания использовать для взаимоконтроля.
Дополнительно можно задать вопрос: «Что изготавливают из сплава АК8л?».
Проверив выполнение задания, перейти к изучению следующего вопроса:
Опираясь на знания, полученные обучающимися на уроке 2 по теме 3, рекомендуется задать проблемный вопрос практической направленности: «С какой целью применяют антифрикционные материалы?».
В результате собеседования обучающиеся уясняют, что антифрикционные материалы применяют для повышения срока службы трущихся поверхностей (например, вал-вкладыш, вал-втулка) Антифрикционные материалы предохраняют вал от износа минимально изнашиваются сами, создают условия для нормальной смазки, облегчают работу трущегося узла, т. е. уменьшают коэффициент трения.
Для продолжения собеседования можно задать вопрос: «Каковы виды трения на автомобиле и где расположены узлы трения?».
В результате собеседования обучающиеся систематизируют и углубляют свои знания по заданному вопросу, уясняют, что трение бывает сухое (тормоза, сцепление), граничное, когда детали разделены масляной пленкой толщиной примерно 0,1 мм (поршневые кольца-цилиндр), полужидкостное (под давлением: шейки коленвала и распредвала) и жидкостное (коробка передач, ведущие мосты, рулевое управление).
При обсуждении обратить внимание обучающихся, что под давлением смазываются наиболее нагруженные детали.
Задать вопрос по актуализации прежних знаний: «Какие антифрикционные сплавы вы знаете?».
Используя таблицу «Виды антифрикционных сплавов», обучающиеся определяют бронзы и чугуны, относящиеся к антифрикционным сплавам. Демонстрируя вкладыш двигателя КамАЗ, объяснить, что его рабочий слой состоит из свинцовой бронзы. У других дизельных и авиационных двигателей для вкладышей применяют бронзу БрСЗО (27-33 % свинца, остальное - медь). Она обладает высокой теплопроводностью, способностью сохранять свои свойства при нагреве и работать с большими скоростями, при повышенных давлениях (показать микроструктуры бронз).
Кратко рассказать о металлокерамических антифрикционных сплавах. Их получают из порошков черных и цветных металлов, куда часто вводят графит (1-3%) для заполнения пор. Наличие пор, в которых удерживается смазка, и графита - твердой смазки, позволяет достичь малого коэффициента трения, снизить потребление смазки. Используют порошковые железные, железографитовые (2 % углерода) и бронзографитовые (87 % меди, 10 % олова, 3 % углерода) подшипники.
Рассказывая о пластмассах, обратить внимание обучающихся, что ими заполняют поры в металле.
Об алюминиевых антифрикционных (подшипниковых) сплавах (ГОСТ 14113-78) следует сообщить, что чем больше в сплавах олова, тем выше их антифрикционные свойства. Однако в литых сплавах содержание олова не должно превышать 10-12 %, т. к. снижаются износостойкость и сопротивление усталости при повышении температуры.
Демонстрируя вкладыш двигателя 3M3-53 (или Г АЗ-24), объяснить, что на стальную ленту вкладыша нанесен антифрикционный сплав алюминия с медью и оловом. Сплав АН-2,5 содержит 2,7-3,3 % никеля, а сплав АО9-2 содержит 8-10 % олова, 2,0-2,5 /о меди, 0,8-1,2 % никеля, 0,3-0,7 % кремния.
Сообщить, что баббиты применяют для изготовления вкладышей и втулок методом штамповки из предварительно прокатанной ленты или полосы.
Объяснить, что эти сплавы должны иметь достаточную твердость, но не очень высокую, чтобы не вызвать сильного износа вала; сравнительно легко должны деформироваться, т. е. быть пластичными; должны удерживать смазку на поверхности; иметь малый коэффициент трения; температура плавления не должна быть высокой и сплавы должны обладать высокой теплопроводностью и устойчивостью против коррозии.
Показав образец баббита, сказать, что баббит Б83 состоит из 83 % олова, 11 % сурьмы и 6 % меди (можно показать микроструктуру баббита).
Используя таблицу «Антифрикционные сплавы. Баббиты», изложить область применения оловянных, свинцово-оловянных и свинцовых баббитов, кратко охарактеризовать их.
Отметить, что оловянные баббиты применяются только в ответственных деталях из-за высокой стоимости олова.
Демонстрируя вкладыш ЗИЛ-130, пояснить, что он триметаллический, изготовлен из стальной ленты, на которую нанесен медноникелевыми подслой; покрыт он антифрикционным сплавом СОС-б-6, который состоит из 5,5-6,5 % олова, 5,5-6,6 % сурьмы, а остальное - свинец. Обратить внимание, что олово - дорогой и дефицитный элемент, поэтому для автомобильных и тракторных двигателей, прокатных станков, металлообрабатывающих станков в баббиты вводят свинец и понижают содержание олова до 5-17 %.
В заключение показать фрагменты учебного кинофильма.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Опишите антифрикционные материалы.
2. Каково назначение антифрикционных сплавов?
3. Изложите область применения баббитов.
4. Объясните условия, влияющие на выбор сплава для подшипников скольжения.
Задание на дом: повторить свойства магния и титана (из учебного предмета «Химия»),
