1. Классификация цветных металлов

Цветные металлы и их сплавы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, так как обладают рядом положительных свойств: низкой плотностью при удовлетворительной прочности, высокой теплопроводностью и электропроводностью, коррозионной стойкостью и др. Однако применение цветных металлов зависит не только от их свойств, но и от содержания в земной коре, доступности и рентабельности процесса добычи, обработки и производства. Специфика руд цветных металлов состоит в их сложном составе (многокомпонентности) и низком содержании полезных компонентов в руде – всего несколько процентов или долей процентов. На предприятиях цветной металлургии перерабатывают алюминий, медь, олово, цинк, никель, хром, благородные и другие металлы.

По физическим и химическим свойствам нежелезные металлы делят на следующие группы:

1. Легкие (плотность до 5 г/см³) – магний, бериллий, алюминий, титан.

2. Тяжелые (плотность более 5 г/см³) – медь, никель, кобальт, свинец, молибден, золото, серебро, платина, вольфрам, тантал и др.

3. Легкоплавкие – олово, свинец, цинк с температурами плавления 232, 327, 410 С.

4. Тугоплавкие (температура плавления выше, чем температура плавления железа – 1539 С) – вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром.

5. Благородные – золото, серебро и металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). Обладают высокой устойчивостью к коррозии.

6. Радиоактивные металлы, или актиниды (14 элементов), применяются преимущественно в сплавах для атомной энергетики (уран, торий, полоний, технеций, радий).

7. Рассеянные металлы – ванадий, кадмий, галлий, индий, таллий, германий, гафний, селен, теллур, рений.

8. Редкоземельные, или лантаноиды (17 элементов) применяются для модифицирования стали (лантан, церий, неодим).

9. Щелочноземельные металлы (калий, натрий, литий, кальций) в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев (например, теплоносителей в атомных реакторах).

Приведенная классификация условна, так как многие металлы могут быть отнесены одновременно к разным группам. Например, легкий металл титан является также тугоплавким.

2. Свойства и применение цветных металлов и сплавов

Медь и ее сплавы

Медь — пластичный металл красновато-розового цвета, легкоплавкий (температура плавления 1083 °С), тяжелый (плотность 8,93 г/см3). Твердость отожженной и прокатанной меди 85–115НВ, относительное удлинение 40–50 %, предел прочности на растяжение 200–250 МПа.

Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью (уступает только серебру), способностью образовывать сплавы, хорошей коррозионной стойкостью в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но не обладает коррозионной устойчивостью в среде с сернистым газом и аммиаком. На воздухе (особенно если в атмосфере присутствуют сернистые соединения) на поверхности меди появляется тонкая пленка сульфита меди (CuSO₃) и поверхность приобретает черный оттенок (патина).Окисляясь на воздухе, сульфит меди переходит в сульфат (CuSO₄) и патина приобретает зеленый оттенок. При взаимодействии с пищевыми кис­лотами медь образует токсичные соединения.

На свойства меди оказывают влияние примеси: кислород, сурьма, свинец и олово (уменьшают пластичность); фосфор, железо, мышьяк (снижают электропроводность). Наиболее вредные примеси — висмут и сера, которые придают хрупкость.

Медь получают из руд, где она находится в виде химического соединения с серой и железом (медный колчедан, медный блеск и др.) или в виде различных соединений с кислородом (куприт). Медные руды перед плавкой обогащают. После предварительного обжига для удаления избытка серы медные руды переплавляют на полуфабрикат — штейн, который содержит до 40 % меди и представляет собой сплав сернистых соединений меди и железа. Штейн обрабатывают в конверторе для максимального удаления железа и серы и получения черновой меди. Черновую медь рафинируют (очищают от примесей) огневым, а затем электролитическим способом.

Медь маркируется буквой М, после которой стоит цифра. Чем больше цифра в марке меди, тем больше в ней примесей. В обозначении марок: ВЧ — медь высокой чистоты, к — катодная, б — бескислородная, р — раскисленная, у — улучшенная. Примеры обозначения марок меди: МВЧк (99,993% Сu), М00к (99,99 % Сu), М0ку (99,97 % Сu), М0к (99,95 % Сu), М1к (99,9 % Сu), МЗ (99,5 % Сu).

Применяют медь в электротехнической промышленности (для про­водников тока), для легирования сталей, при изготовлении теплооб­менников, припоев, порошка для производства металлокерамики. Для изготовления бытовых изделий используют преимущественно спла­вы меди (латуни, бронзы, мельхиор, нейзильбер и др.).

Латуни — сплавы меди с цинком, содержащие часто не­большое количество других элементов. Различают латуни простые (двойные) и специальные (многокомпонентные).

При введении в медь до 39 % цинка повышается прочность и значительно увеличивается пластичность.

Простые латуни состоят только из меди и цинка. Они обозначаются буквой Л и цифрой, указывающей на среднее содержание меди в спла­ве в процентах. Например, латунь марки Л63 содержит 63 % Сu и 37 % Zn. Латуни марок Л90, Л96, содержащие наибольший процент меди, называют томпаки, а марок Л80, Л85 — полутомпаки.

Многокомпонентные латуни содержат легирующие компоненты, улучшающие механические свойства и коррозионную стойкость. Легирующие компоненты имеют следующие обозначения: свинец – С, железо – Ж, олово – О, марганец – Мц, никель – Н, кремний – К, алюминий – А, хром – Х. При маркировке многокомпонентных латуней после буквы Л перечисляются компоненты, затем цифра, обозначающая содержание меди, и далее – цифры, указывающие концентрацию легирующих элементов. Например, латунь марки ЛАН59-3-2 содержит 59 % Сu, 3 % А1, 2 % Ni, остальное (до 100 %) — Zn.

Латуни применяют для изготовления изделий сложных форм: духовых музыкальных инструментов, самоваров, а также посуды, галантерейных изделий, гильз для охотничьих патронов, для рыболовных блесен.

Бронза — это сплав меди с оловом или другими металлами.

По химическому составу бронзы классифицируются на оловянные и безоловянные (специальные).

Оловянные бронзы обладают высокими механическими, литейными, антифрикционными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью и обрабатываемостью резанием.

Специальные бронзы не содержат дефицитного олова. Они не только служат заменителем оловянных бронз, но и в ряде случаев по своим механическим, антикоррозионным и техническим свойствам превосходят их.

Алюминиевые бронзы (5–11 % алюминия) обладают более высоки­ми механическими и антикоррозионными свойствами.

Кремнистые бронзы (2–3 % кремния) имеют хорошие литейные и антикоррозионные свойства, обладают упругостью, применяются для изготовления пружин.

Бериллиевые бронзы (около 2 % бериллия) отличаются высокой твердостью, износоустойчивостью и упругостью.

По своим технологическим свойствам бронзы делятся на деформируемые и литейные.

Маркируют бронзы буквами Бр., затем следуют буквы легирующих элементов. Легирующие элементы в бронзах маркируются так же, как и в латунях.

В деформируемых бронзах (Бр.ОЦ4-3; Бр.ОЦС4-4-4; Бр.ОФ7-0,2; Бр.АЖ9-4; Бр.КН1-3 и др.) после букв Бр. перечисляются компоненты, а затем цифры, указывающие соответственно их содержанием процентах. Например, в бронзе марки Бр.ОЦ4-3, содержится 4 % олова, 3 % цинка, остальное — медь; в бронзе марки Бр.АЖ9-4, содержится 9 % алюминия, 4 % железа, остальное — медь.

Бронзы используют для изготовления потребительских товаров, а также различных художественных и скульптурных изделий.

Мельхиор — сплав меди с никелем, его марка МН19. В этом сплаве содержится 18 – 20 % никеля, остальное — медь. Белый, блестящий, неокисляющийся на воздухе и в органических кислотах сплав, иногда называемый за свой вид китайским серебром. Мельхиор используется для изготовления столовых приборов.

Нейзильбер— представляет собой сплав, содержащий 13,5–16,5 % никеля, 18–22 % цинка, остальное — медь. Марка — МНЦ 15-20. Его называют новое серебро, так как он отличается серебристым цветом с синеватым отливом.

Эти сплавы пластичны, устойчивы к коррозии. Мельхиор и нейзиль­бер применяют для производства посуды, столовых и чайных приборов, ювелирных изделий, медицинских инструментов.

Никель и его сплавы

Никель – серебристо-белый металл с желтоватым оттенком, плотность 8,9 г/ см3, относительно твердый и имеющий сравнительно высокую температуру плавления (1453 С), ферромагнитен. Характеризуется ковкостью, пластичностью, прочностью, а также имеет высокую стойкость к коррозии и окислению.

Никель в основном используют в производстве сплавов (особенно легированной стали); для покрытия других металлов, обычно методом электролитического осаждения (для повышения коррозионной стойкости и износостойкости, а также в защитно-декоративных целях); как катализатор многих химических процессов.

Никель является основой широко распространенных в настоящее время жаропрочных сплавов, что обусловлено не только его достаточно высокой температурой плавления, но и плотноупакованной ГЦК структурой. Жаростойкие никелевые сплавы применяют для изготовления газопроводов, камер сгорания и других узлов и деталей авиационных двигателей, газотурбинных двигателей, арматуры нагревательных печей. Кроме того, никель и его сплавы применяют для чеканки монет и изготовления бытовых галантерейных изделий (пряжки одежные и обувные, заколки, зажимы, пуговицы).

Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком, плотность 2,7 г/см³, температура плавления 659 °С твердость после прокатки и обжига около 20 - 25 НВ, относительное удлинение 30 - 40 %, предел прочности на растяжение 80 - 100 МПа.

Алюминий — пластичный металл, обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, хорошо обрабатывается давлением и сваривается, на воздухе покрывается тонкой оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, в воде и других средах.

Недостатками алюминия являются малая прочность, плохая обрабатываемость на металлорежущих станках и низкие литейные свойства.

Основными рудами для выплавки алюминия служат бокситы, алу-ниты, каолины и др. Наиболее богатые алюминием руды — бокситы — содержат от 50–60 % оксида алюминия (глинозема А1₂О_З).

Технологический процесс производства алюминия состоит из двух основных этапов: получение глинозема из руд и извлечение алюми­ния из глинозема и рафинирование (очищение).

Алюминий может быть также получен путем переплавки алюминиевых отходов и лома.

Существенное влияние на свойства алюминия оказывают примеси. Магний и марганец снижают его электро- и теплопроводность, железо — коррозионную стойкость, кремний — пластичность алюминия. За основу классификации алюминия принята его чистота. В зависимости от количества примесей установлены 13 марок алюминия: особой чистоты — А999; высокой чистоты — А995, А99, А97, А95; технической чистоты — А85, А8, А7, А6, А5, А5Е, АО, А. Число после буквы указывает на содержание алюминия в тысячных, сотых или десятых долях процента сверх 99 %. Например, в марке А95 содержится 99,95 % алюминия, в марке А8 — 99,8 %. Исключение составляют марки А и АЗЕ, в которых содержание алюминия такое же, как и в марках АО и А5. В марке А5Е буква Е означает, что этот алюминий используют для производства электропроводов. Промышленность выпускает алюминий перечисленных марок в виде листов, фольги, прутков, проволоки и сортовых профилей (уголок, тавр, полутавр, швеллер).

Применение алюминия обусловлено его свойствами. Из чистого алюминия изготавливают электрические конденсаторы, выпрямители, полупроводниковые приборы, электрические провода и шнуры; его используют в производстве зеркал и отражателей.

Наибольшее применение имеют алюминиевые сплавы, которые благодаря легирующим элементам имеют высокие прочность и твердость.

По способу переработки в изделия алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, подвергающиеся обработке давлением, и литейные, из которых изготовляют детали и заготовки литьем.

Деформируемые алюминиевые сплавы легируются медью, магнием, марганцем, цинком, железом, кремнием и другими элементами, имеют высокую пластичность, выпускаются в виде листов, полос, плит, прутков, проволоки, труб и т. д.

Деформируемые сплавы делятся на две группы: неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Наиболее распространенными неупрочнясмыми сплавами алюминия являются сплавы на основе алюминия и марганца, алюминия и магния. Эти сплавы маркируются буквами АМц и АМг. В сплавах алюминия с магнием цифры указывают на среднее содержание магния в процентах.

В сплаве алюминия с марганцем марки АМц содержится от 1,0 до 1,6 % марганца, а в сплавах с магнием марок АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгб — примерно 1–6 % магния. Неупрочняемые сплавы алюминия отличаются высокой коррозионной стойкостью, пластичностью. Их используют для изготовления металлической посуды.

Упрочняемые алюминиевые сплавы могут повышать свою прочность при термической обработке. Наиболее распространенными упрочняемыми сплавами являются сплавы алюминия с медью – дюралюмин (дуралюмины).Название происходит от немецкого города Дюрен, нем. Düren, где в 1909 году было начато его промышленное производство Сплавы маркируются буквой Д и цифрой, указывающей номер сплава: Д1, Д6, Д18. Состав дюралюмина следующий: медь – от 3,8 до 4,8 %, магний – от 0,4 до 2,3 %, марганец – от 0,4 до 0,8 %, остальное – алюминий. Прочность и твердость дюралюмина более чем вдвое превосходит прочность и твердость чистого алюминия.

Однако дюралюмин имеет низкую коррозионную стойкость и для защиты от коррозии подвергается плакированию — нанесению на по­верхность деталей и изделий тонкого защитного слоя из чистого алю­миния.

Близки по химическому составу к дюралюминам деформируемые сплавы для ковки и штамповки (АК4, АК6, АК8); их применяют для изготовления поршней авиационных двигателей, лопастей винтов, крыльчаток насосов и др.

Деформируемые алюминиевые сплавы являются наряду со сталью основным конструкционным материалом; их используют в машино- и самолетостроении, для изготовления оборудования и аппаратов пищевой промышленности, в строительстве, производстве мебели. Алюминиевые сплавы применяют в промышленных и бытовых холодильниках. Хорошо известно применение алюминия в пищевой промышленности. Тонкую алюминиевую фольгу толщиной 0,009 мм применяют для упаковки продуктов. Из алюминиевой ленты толщиной 0,2–0,3 мм изготавливают консервные банки.

Литейные сплавы алюминия используются для фасонного литья. Они обладают хорошей жидкотекучестью, высокой прочностью и малой усадкой.

Литейные сплавы в зависимости от основного легирующего элемента делятся на пять групп. Первая группа сплавов легируется магнием, вторая — кремнием, третья — медью, четвертая — кремнием и медью, пятая — несколькими легирующими элементами одновременно. Все литейные сплавы маркируются буквами АЛ (алю­миний литейный) и порядковым номером, например АЛ1, АЛ2. Сплавы алюминия с высоким содержанием магния обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами, но худшими литейными свойствами по сравнению с другими группами сплавов. Сплавы с высоким содержанием кремния, называемые силуминами, содержат 10–13 % кремния, характеризуются лучшими литейными свойствами, но недостаточно прочны. Для повышения прочности си­луминов снижают содержание в них кремния и увеличивают добавки меди, марганца и магния. Легирование силуминов цинком повышает их жидкотекучесть и коррозионную стойкость. Силумины применяются для изготовления деталей бытовых машин, велосипедов, мотоциклов, автомобилей, ноже­вых товаров, инструментов, приборов для окон и дверей (петли), посуды (казаны, утятницы). Литейные сплавы алюминия 5 группы отличаются жаропрочностью.

После цифр в литейном сплаве может стоять буква «В» (например, АЛ17В). Это означает, что используется вторичный сплав, полученный из металлолома.

Если в обозначение алюминиевого сплава добавлена буква «П», значит сплав достаточно безопасный и может использоваться для изготовления изделий, контактирующих с пищей. Безопасными считаются сплавы, в которых содержание мышьяка не более 0,015 %, свинца не более 0,15 %, цинка не более 0,3 %.

Свинец и его сплавы

Свинец - синевато-серый металл, тяжелый (плотность 11,34 г/см³), отличается высокой ковкостью, легкоплавкостью (температура плавления 327,4 °С) и мягкостью; характеризуется высокой стойкостью к воздействию кислот и поэтому используется на химических предприятиях. Свинец образует сплавы с другими элементами, главным образом с оловом, сурьмой, мышьяком, а также с медью, кадмием, кальцием, натрием. Многокомпонентные сплавы на основе свинца и олова, характеризующиеся повышенной прочностью и твердостью, называются баббитами.

Сплавы на основе свинца применяют в типографском деле, антифрикционных подшипниках, аккумуляторах, припоях, для изготовления свинцовой дроби, пуль и т.д.

Цинк и его сплавы

Цинк – синевато-белый металл плотностью 7,13 г/см³ и температурой плавления 419,5 С, коррозионностойкий при атмосферных воздействиях, поэтому широко используется для создания защитных покрытий других металлов (особенно железа и стали) с помощью разнообразных методов (гальванизации, электроосаждения, диффузионного цинкования, окраской, распылением). Цинк широко применяется для получения сплавов, которые подвергаются литью, штамповке. Из них изготовляют детали автомо­билей, велосипедов, холодильников, прессовый инструмент.

Олово и его сплавы

Олово – серебристо-белый, очень блестящий металл, мягкий (но тверже, чем свинец) и пластичный. Олово легко плавится (температура плавления 231,9 °С) и легко деформируется в холодном состоянии. Может подвергаться отливке, прессованию, прокату и экструзии. Олово полиморфно и имеет две модификации: -Sn (белое олово) c плотностью 7,29 г/см³, которое при температуре ниже 13,2 °С переходит в α-Sn (серое олово) плотностью 5,85 г/см³. Олово устойчиво к атмосферной коррозии, но поддается действию сильных кислот. Используется для создания покрытий других металлов для защиты их от коррозии (лужение), особенно железа или стали (изготовление белой жести для консервных банок).

Олово является компонентом многих сплавов, применяемых, например, в подшипниках, в типографских процессах. В чистом виде и в сплавах его используют для создания аппаратуры, труб и трубопроводов для пищевой промышленности, при изготовлении столовых приборов, фольги и мягких труб, а также в виде стержней и проволоки — для пайки.

Титан и его сплавы

Титан — металл, по внешнему виду похожий на сталь. Из-за своих уникальных свойств элемент назван так в честь титанов в греческой мифологии – могучих детей Урана (Неба) и Геи (Земли).

Титан — легкий, тугоплавкий, прочный и пластичный металл. Это один из наиболее распространенных в природе элементов (четвертое место после алюминия, железа, магния – около 0,60 %). Его плотность составляет 4,5 г/см³; температура плавления 1665 °С; тип кристаллической решетки — гексагональная плотноупакованная. Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью, которые обусловлены образованием прочной и плотной пленки оксида Ti0₂ на поверхности в атмосферных условиях, эта пленка обеспечивает высокое сопротивление коррозии более чем в 130 агрессивных средах.

Титан обладает оптимальным сочетанием механических харак-теристик: отличной пластичностью и высокой прочностью. По прочности титан не уступает многим углеродистым и нержавеющим сталям, превосходя по значениям пластичности и вязкости.

Титан применяется в тех отраслях техники, где выигрыш в весе играет доминирующую роль, в частности в ракетостроении и самолетостроении. Применение титановых сплавов наиболее целесообразно в интервале температур 250 – 500 С, когда легкие алюминиевые и магниевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности. Титан находит очень широкое применение в медицинской практике как у нас в стране, так и за рубежом, используется для изго­товления хирургических имплантатов, фиксаторов, протезов.

Титан обладает высокой совместимостью с тканями организма, это биологически инертный материал в агрессивных средах.