2. Свойства и области применения

Рассмотрим свойства и области применения цветных металлов - основных представителей всех классификационных групп.

Медь - металл розово-красного цвета с плотностью 8960 кг/м³ и температурой плавления 1083 ⁰С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку, не имеет аллотропических превращений.

Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью и хорошей жидкотекучестью. Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и лег­ко поддаются пайке.

Около 50 % всей добываемой меди идет на нужды электротехнической промышленности. Медь используется также для изготовления химической аппаратуры (теплооб­менников, холодильников и т.п.). Более 30 % меди применяется в виде медных сплавов, основными из которых являются латуни, бронзы и медно-никелевые.

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы меди, основным легирующим элементом которых является цинк. Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуней изменяются при увеличении содержания в них цинка. Их маркируют буквой Л, за которой ставится цифра, указывающая процентное содержание меди, например латунь марки Л68 содержит 68 % меди, остальное - цинк. Если латунь, помимо цинка, содержит другие элементы (Al, Mn, Si и др.), то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов (А - алюминий, Ж - железо, Н - никель, К - кремний, Т - титан, О - олово, С - свинец, Ф - фосфор, Мш - мышьяк, Мц - марганец и т.д.), а затем цифры, указывающие на среднее содержание элемента. Например, латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа и 2 % марганца, остальное - цинк. Латуни хорошо обрабатываются давлением, характеризуются достаточной прочностью, высокой пластичностью и стойкостью против коррозии.

Бронзы - сплавы на основе меди, в которых главными добавками являются олово, алюминий, бериллий, кремний, свинец, хром или другие элементы, за исключением цинка и никеля. Соответственно бронзы называют оловянными, алюминиевыми, бериллиевыми и т.д. Разнообразные бронзы, име­ю­щие высокие прочность, пластичность, стойкость против коррозии, антифрикционные свойства и другие ценные качества, применяют во многих отраслях техники и для отливки художественных изделий. Обозначают бронзы двумя буквами Бр, затем ставят первые буквы основных легирующих элементов и цифры, показывающие их процентное содержание. Так, например, Бр ОФ10-1 содержит 10 % олова и 1 % фосфора, остальное - медь.

Медноникелевые сплавы - сплавы на основе меди с преобладающим легирующим элементом - никелем. Медноникелевые сплавы условно делят на конструкционные и электротехнические. К первой группе относят коррозионностойкие сплавы типа куниаль (Cu-Ni-Al), мельхиор (Cu-Ni-Mn-Fe), нейзильбер (Cu-Ni-Zn), монель-металл (Ni-Cu-Fe-Mn), применяемые в судостроении, для производства посуды и художественных изделий. Ко второй - сплавы с относительно высоким электрическим сопротивлением типа константан (Cu-Ni-Mn), копель (Cu-Ni-Mn), манганин (Cu-Mn-Ni), применяемые для изготовления реостатов, резисторов и термопар.

Цинк - металл голубовато-белого цвета с плотностью 7130 кг/м³ и температурой плавления 419 ⁰С, имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. По объему производства цинк среди цветных металлов занимает 3-е место после алюминия и меди.

Цинк отличается достаточно высокой коррозионной стойкостью, хорошей жидкотекучестью, имеет удовлетворительные механические свойства и хорошо обрабатывается резанием.

О

2*

коло 50 % цинка потребляется для покрытий, предохраняющих стальные изделия от коррозии (цинкование), около 35 % - для производства различных сплавов, например с медью (латуни). Сплавы на основе цинка, содержащие алюминий, медь и магний, относятся к так называемым подшипниковым и типографским сплавам. Цинк широко применяется для изготовления литых под давлением деталей, электродов химических источников тока, легирования алюминиевых сплавов. Соединения цинка используются для приготовления красок: оксид ZnO - цинковых белил, сульфид ZnS - литопона, нетоксичных и обладающих хорошей кроющей способностью.

Свинец - мягкий ковкий металл синевато-серого цвета с плотностью 11340 кг/м³ и температурой плавления 327 ⁰С, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку.

Основная масса производимого свинца идет на изготовление пластин для кислотных аккумуляторов. Благодаря высокой коррозионной стойкости свинец применяется в качестве футеровки при изготовлении химической аппаратуры, для оболочек электрических кабелей и т.п. Свинец - основной материал для защиты от радиационного излучения.

Сплавы на основе свинца с добавками олова, сурьмы, меди и других элементов характеризуются малой твердостью, низкой температурой плавления, большой плотностью, хорошими технологическими и антифрикционными свойствами, стойкостью против коррозии. Применяются они как подшипниковые материалы (баббиты), типографские и другие легкоплавкие сплавы, для производства дроби и припоев. Разнообразно применение соединений свинца: антидетонатор-тетра­этилсвинец; различные краски - красный сурик Pb₃O₄, желтый глет PbO, белила 2PbCO₃Pb(OH)₂; сульфид PbS - полупроводник.

Олово в чистом виде имеет серебристо-белый цвет со светложелтым оттенком. Это мягкий и пластичный металл, легко обрабатывающийся давлением, температура плавления 232 ⁰С. Олово существует в трех кристаллических модификациях: кубической (до 14 ⁰С) - -Sn (серое олово) с плотностью 5846 кг/м³; тетрагональной (до 173 ⁰С) - -Sn (белое олово) с плотностью 7295 кг/м³; ромбической (до 232 ⁰С) - -Sn с плотностью 6520-6560 кг/м³. Переход при низких температурах белого олова в серое известен под названием “оловянной чумы”: металл при этом рассыпается в порошок из-за резкого (на 25 %) увеличения удельного объема в результате перестройки кристаллической решетки. Важным свойством олова является его высокая коррозионная стойкость, продукты окисления олова безвредны для организма. Благодаря этому треть производимого олова используется для лужения при производстве белой жести - упаковочного материала консервной промышленности.

Сплавы на основе олова можно разделить на три группы: подшипниковые, легкоплавкие и припои. Подшипниковые или антифрикционные сплавы - это баббиты, представляющие собой сплавы на основе олова или свинца с добавками сурьмы, меди и других элементов. Оловянистые баббиты (до 90 % олова) применяются для заливки подшипников, работающих со смазкой при высоких нагрузках и скоростях скольжения. Легкоплавкие сплавы на основе олова, свинца и висмута применяют в электротехнической промышленности и медицине, а также для других целей. В состав этих сплавов могут входить также кадмий и ртуть, температура плавления их не выше 140 ⁰С. Мягкие припои типа ПОС (припой оловянно-свинцовый) представляют собой сплавы легкоплавких элементов: олова, свинца, сурьмы. Они применяются для пайки латуни, меди, жести, посуды, медицинской аппаратуры и других металлов и изделий.

Олово, как легирующий элемент, входит в состав медных сплавов (бронз и латуней), свинцовых - типографских и сплавов для кабельных оболочек, циркониевых (для атомных реакторов), титановых (для турбин), ниобиевых (для сверхпроводников). Олово входит также в состав элементо-орга­нических соединений, применяемых для получения эффективных инсектицидов. Оловосодержащие стекла защищают от рентгеновского облучения.

О

2-Колобов Г.А.

лово - дефицитный цветной металл. Это объясняется тем, что ресурсы природного оловянного сырья весьма ограничены, а извлечение металла из него затруднено, так как перерабатываемые оловянные руды очень бедны. В связи с этим особенно важным становится проблема использования вторичного оловянного сырья.

Никель - блестящий ярко-белый металл, плотность его 8900 кг/м³, температура плавления 1453 ⁰С, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Никель обладает прекрасной коррозионной стойкостью, достаточно высокими механическими свойствами, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. В чистом виде и в виде сплавов никель применяется для изготовления химической и медицинской аппаратуры, деталей электронной и вакуумной техники. Сплавы на основе никеля характеризуются высоким электрическим сопротивлением и коррозионной стойкостью, повышенной жаропрочностью и жаростойкостью. Основными легирующими элементами в никелевых сплавах являются медь, марганец, хром, железо, молибден, кобальт, алюминий, кремний и другие. Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы - основной материал реактивной и ракетной техники. Почти половина никеля расходуется на производство нержавеющих сталей. Значительное количество никеля используется в процессах гальванического никелирования. Широкое применение находят медно-никелевые сплавы (см. медь) и другие известные сплавы, такие как нихром (65-80 % Ni; 15-30 % Cr), хромель (Ni, 9-10 % Cr, 1 % Co), алюмель (Ni, 1,8-2,5 % Al; 1,8-2,2 % Mn; 0,85-2,0 % Si, иногда 0,06-0,1 % Zr), пермаллой (Ni-Fe), нимоник (Ni-Cr-Ti-Al-Co и др.). Никель применяется и для изготовления щелочных железо-никелевых и никель-кадмиевых аккумуляторов, а также катализаторов.

Алюминий - металл серебристо-белого цвета, легкий и ковкий, устойчивый против коррозии, с высокой тепло- и электропроводностью. Плотность алюминия 2700 кг/м³, температура плавления 660 ⁰С, имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку, не имеет аллотропических превращений. Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию - второе (после железа).

Алюминий и его сплавы применяют в электротехнике (как заменитель меди), как конструкционный материал - в машиностроении, авиастроении, строительстве, производстве товаров народного потребления. Алюминий - одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе титана, магния, меди, цинка. Широко применяют и различные химические соединения алюминия. Так, алюминиевые квасцы [K₂SO₄Al₂(SO₄)₃24H₂O] используются как протрава при крашении тканей и для дубления кож, оксид алюминия (Al₂O₃) - как абразивный материал, адсорбент и катализатор, в производстве огнеупорных материалов.

В сплавах на основе алюминия в качестве добавок используются медь, магний, цинк. кремний, марганец, литий, кадмий, цирконий, хром и другие элементы. По способу производства алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые, идущие на изготовление полуфабрикатов - листов, прутков, профилей, поковок путем прокатки, прессования, ков­ки и т.д., литейные, предназначенные для фасонного литья, и спеченные.

Деформируемые сплавы по объему производства составляют около 80 %. Наибольшую известность среди них получили дуралюмины (система Al-Cu-Mg-Mn) - термоупрочняемые сплавы, широко применяемые в транспортном и авиационном машиностроении. К термически упрочняемым сплавам относятся также авиали (Al-Mg-Si-Cu-Mn или Cr), высокопрочные (Al-Cu-Mg-Zn), жаропрочные (Al-Mg-Ni-Si) и ковочные (Al-Cu-Mg-Mn) сплавы. Сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием - магналии (Al- 1-7 % Mg) относятся к термически неупрочняемым сплавам. Характеризуются средней прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, высокой коррозионной стойкостью; применяются в судо- и авиастроении, в производстве сварных емкостей, холодильников и т.д.

Среди литейных сплавов самые распространенные - силумины (Al- до 23 % Si-Cu-Mn-Mg). Обладают относительно высокими механическими свойствами в сочетании с коррозионной стойкостью во влажной и морской атмосферах; применяются для изготовления деталей сложной конфигурации в авто- и авиастроении. Кроме силуминов, находят применение литейные алюминиевые сплавы на основе систем Al-Cu; Al-Cu-Si; Al-Mg - магналии, содержащие 4-13 % магния.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) системы Al-Si-Ni изготавливают методами порошковой металлургии, так же как и спеченные алюминиевые порошки (САП), содержащие 6-22 % дисперсных частиц Al₂O₃. Первые, в основном, используют в приборостроении как материалы с низким коэффициентом линейного расширения, вторые - как жаропрочные материалы.

В металлургических процессах алюминий используется для легирования и раскисления стали, а также как восстановитель при получении некоторых металлов методом алюмотермии.

Магний - блестящий серебристо-белый очень легкий металл. Плотность его 1740 кг/м³, температура плавления 651 ⁰С, имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку, аллотропических превращений не имеет.

Магний как химически активный металл применяется для раскисления и десульфурации стали и цветных металлов и сплавов, для восстановления (магниетермия) редких металлов (титана, циркония и др.), для получения высокопрочного модифицированного чугуна.

Магний очень хорошо обрабатывается резанием, легко сваривается, но обладает низкой коррозионной стойкостью. Основная область его применения - основа легких и сверхлегких (с литием) сплавов, легирование алюминиевых сплавов.

В сплавах на основе магния в качестве основных добавок используются алюминий, цинк и марганец. Магниевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые. К литейным (сплавы МЛ) относятся сплавы на основе систем Mg-Al-Zr, Mg-Nb-Zr, Mg-Zn-Zr, к деформируемым (сплавы МА) - на основе систем Mg-Mn, Mg-Al-Zn, Mg-Nd, Mg-Zn-Zr. Легирование магния цирконием и торием улучшает механические и антикоррозионные свойства сплавов, а также повышает их жаропрочность. Магниевые сплавы отличаются высокой удельной прочностью и жесткостью, хорошо поглощают вибрации. Магний и сплавы на его основе немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Магниевые сплавы представляют особый интерес для конструкций, где масса является решающей (авиация, космическая и ракетная техника, транспортное машиностроение). Они применяются также в приборостроении, радиотехнике, текстильной и полиграфической промышленности. Детали из магниевых сплавов могут работать при криогенных и повышенных температурах.

Магний и его соединения используются в пиротехнике, химической промышленности, производстве строительных материалов и химических источников тока.

В подгруппу легких редких металлов входят литий и бериллий. Литий - металл серебристо-белого цвета, плотность его 534 кг/м³ (самый легкий из металлов), обладает широким интервалом нахождения в жидком состоянии (180-1336 ⁰С), высокой теплоемкостью и теплопроводностью, малой вязкостью. Литий - компонент сверхлегких сплавов на основе магния и бериллия. В черной металлургии литий служит для раскисления, легирования и модифицирования сплавов. Важная область применения лития - ядерная энергетика.

Бериллий - металл светло-серого цвета, плотность его 1848 кг/м³, температура плавления 1284 ⁰С. Удельная прочность бериллия выше, чем у лучших авиационных сталей и сплавов на основе титана и алюминия. Основные достоинства бериллиевых сплавов - высокая удельная прочность и удельная жесткость до температур 600-800 ⁰С, высокая теплоемкость и малое поперечное сечение захвата нейтронов. Используются в ядерной энергетике, космонавтике, авиации, судостроении и других областях.

Титан - один из “новых” металлов, обладающих совокупностью уникальных свойств. Имеет серебристо-белый цвет, плотность его 4500 кг/м³, температура плавления  1670⁰С, существует в двух аллотропических модификациях: - низкотемпературной с плотноупакованной гексагональной кристаллической решеткой и -высокотемпературной (выше 882⁰С) с кубической объемноцентрированной решеткой. Среди конструкционных металлов титан по распространенности в земной коре занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию. Титан относят к тугоплавким редким, иногда - к легким металлам.

Титан весьма прочен и пластичен, химически активен, но исключительно коррозионноустойчив не только в атмосферных условиях, но и во многих агрессивных средах, хорошо сваривается (в защитной атмосфере), но трудно обрабатывается резанием, обладает малой тепло- и электропроводностью, не магнитен. Высокий уровень механических свойств, хорошая технологичность, низкая плотность и высокая коррозионная стойкость сделали титан одним из важнейших материалов современной техники. Он используется для легирования и раскисления сталей, модифицирования чугуна, в вакуумной технике, как добавка в литейных алюминиевых и магниевых сплавах, при производстве твердых сплавов (в виде карбида TiC) и белил (в виде оксида TiO₂).

Титан - основа сплавов для авиационной и ракетной техники. В качестве легирующих добавок в титановых сплавах используются алюминий, ванадий, молибден, марганец, олово, ниобий, кремний, цирконий, палладий и другие элементы. Многие титановые сплавы по прочности превосходят легированные стали. Кроме авиа- и ракетостроения, титановые сплавы применяют в судостроении, энергомашиностроении, химической промышленности, в машинах и оборудовании легкой и пищевой промышленности, криогенной технике.

В подгруппу тугоплавких редких металлов входят также вольфрам и молибден. Вольфрам - тяжелый металл светло-серого цвета, плотность 19300 кг/м³, температура плавления 3410 ⁰С. Его широко применяют в металлургии качественных сталей (быстрорежущие стали), благодаря тугоплавкости и низкому давлению пара при высоких температурах - для изготовления нитей накаливания электроламп, деталей в электронике, рентгенотехнике, вакуумной технике (электронагре­вате­ли, термопары и т.п.). Вольфрам (в виде карбида WC) - основ­ной материал (наряду с MoC, TiC, NbC, ТаC, ZrC, HfC) твердосплавной промышленности. Твердые сплавы применя­ют для изготовления режущего и бурового инструмента.

Вольфрамовые сплавы легируют такими металлами, как Ni, Cr, Cu, Co, Ti, Mo, Re, Ag, а также ThO₂ (торированный вольфрам). Вольфрамовые сплавы отличаются высокими механическими (жаропрочность, большие модули упругости, износостойкость, низкий коэффициент термического расширения) и коррозионными свойствами при повышенных температурах, их используют в ядерной энергетике, космонавтике, радиотехнике и других областях.

Молибден - серебристо-серый металл, плотность 10200 кг/м³, температура плавления 2620 ⁰С. 75-80 % молибдена используют для производства легированных сталей, в которых он способствует образованию мелкокристаллической однородной структуры, что повышает предел прочности, сопротивление износу и удару. Исключительно важен молибден для создания жаропрочных сплавов (применяемых, например, в производстве деталей авиационных и ракетных двигателей), а также кислотоупорных (для аппаратов химической промышленности). Молибден применяется также в электрорадиотехнике, медицинской промышленности, производстве электровакуумных приборов. Сплавы молибдена с ураном применяют в качестве тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Дисульфид молибдена MoS₂ - твердая смазка в подшипниках и других трущихся металлических частях машин.

Рассеянные редкие металлы используются, в основном, как полупроводниковые материалы (чаще в виде соединений типа А^IIIB^V, например GaAs, GaP, GaSb), а также как компонент легкоплавких сплавов и припоев. Особняком в этой подгруппе редких металлов стоит рений - тяжелый тугоплавкий металл (плотность 21030 кг/м³, температура плавления 3180  20 ⁰С), который используют как компонент жаропрочных, тугоплавких и износостойких сплавов с вольфрамом, молибденом, танталом.

Редкоземельные металлы чаще всего используют при изготовлении специальных видов стекол и шлифовальных паст, а также как легирующие элементы в черной и цветной металлургии.

Радиоактивные металлы (основные - уран и торий) - горючий материал для ядерных реакторов и взрывчатое вещество в ядерных бомбах. Известны сплавы вольфрама и магния с торием, молибдена с ураном.

Благородные металлы используются как универсальная валюта и в ювелирном деле. Высокая химическая стойкость благородных металлов позволяет применять их в качестве антикоррозионных покрытий, для изготовления химической посуды и контактов. Высокая пластичность золота, серебра и платины и тугоплавкость металлов платиновой группы сочетаются в их сплавах, широко применяемых в технике.