Металловедение

281

Добавки этих металлов к латуням дают или для повышения их механиче-

ских свойств, или для улучшения их обрабатываемости, или коррозионной стойкости. Так, добавки никеля повышают прочность и коррозионную стой-

кость; добавки свинца ухудшают механические свойства латуней, но улучшают обрабатываемость резанием. Микроструктура латуни приведена на рис. 148

Широко известны сплавы меди с оловом, называемые бронзами. Из брон-

зы еще в древности делали оружие и инструменты, сосуды и украшения, так как эти сплавы более прочны и коррозионно-стойки, чем медь. Благодаря от-

личным литейным качествам из этих сплавов в более позднее время стали от-

ливать пушки, колокола и статуи. Современные оловянистые бронзы редко со-

держат более 10% олова. Они значительно тверже меди, но хорошо заполняют форму при литье и обрабатываются резцами, а также отличаются высокой кор-

розионной стойкостью. Наряду с применением бронз для монументальных па-

мятников они используются при изготовлении арматуры газовых и водопро-

водных линий и в химическом машиностроении. Малый коэффициент трения и устойчивость к износу делает их незаменимыми при

изготовлении вкладышей подшипников, червяков и червячных колес,

шестерен и других деталей ответственных и точных приборов.

Бронзы маркируют русскими буквами Бр; справа ставят элементы, вхо-

дящие в бронзу: О - олово, А - алюминий, Ф - фосфор, Т - титан и другие, обо-

значаемые так же, как и в латунях, но цифры, стоящие за буквами, обозначают

282

среднее содержание добавок этих дополнительных элементов в бронзе (цифры,

обозначающие процентное содержание меди в бронзах, не ставят). Так, напри-

мер, БрОЦ4-3 обозначает в бронзе в среднем 4% олова, 3% цинка, остальное медь.

Часть диаграммы состояния Сu - Sn, необходимая для понижения струк-

тур оловянистых бронз, приведена на рис. 149, а. Из диаграмм видно, что спла-

вы, содержащие небольшое количество олова, образуют α-фазу - твердый рас-

твор замещения меди оловом, имеющим кристаллическую решетку куба с цен-

трированными гранями, т. е. решетку, аналогичную чистой меди.

Большинство современных бронз редко содержат больше 7% олова и обычно имеют однофазную структуру, состоящую из α-кристаллов. Влияние олова на механические свойства показано на рис. 149, б, а состав некоторых стандартных бронз приведен в табл. 19. Микроструктура оловянной бронзы приведена на рис. 150.

Олово дороже и дефицитнее меди. Поэтому широкое применение нашли заменители оловянистых бронз, именуемые без-

оловянистыми бронзами. К ним следует отнести в первую очередь алюминиевые бронзы БрА5 и бо-

лее сложные - алюминиевожелезомарганцови-

стые БрАЖМц10-3-1,5 и некоторые другие, при-

веденные в табл. 19.

Сплавы меди с небольшими добавками алюминия (до 10%) характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой ликвацией, хорошо де-

формируются в горячем и холодном состоянии,

так как эти сплавы образуют однофазный твер-

дый раствор алюминия в меди. Добавки никеля,

железа, марганца и свинца улучшают механиче-

283

ские и некоторые технологические свойства алюминиевых бронз. Высокими механическими свойствами, пластичностью и коррозионной стойкостью отли-

чаются кремнистые бронзы; например, БрКН-1-3, содержащая 0,6-1,1% крем-

ния, 2,4-3,4% никеля и 0,1-0,4% марганца.

Очень большой прочностью и упругостью славятся бериллиевые бронзы БрБ2, в состав которых входят 1,8-2,1 % бериллия и 0,2-1,5% никеля (остальное медь) и некоторые другие. Из них изготовляют пружины, пружинящие контак-

ты ответственных приборов и многое другое.

В последнее время получили известность сплавы меди и никеля - мельхи-

ор (80% Сu и 20% Ni, иногда часть меди в этих сплавах бывает заменена цин-

ком), широко применяемый для изготовления украшений, столовых и чайных приборов, а также используемый для изготовления монет так называемый мо-

нель-металл (68% Ni, 28% Сu и небольшие добавки марганца и железа). Высо-

кая коррозионная стойкость этого сплава, хорошие механические свойства и легкая обрабатываемость сделали возможным его использование не только для изготовления разменной монеты, но и как материал для хирургических инстру-

ментов, деталей в точном машиностроении и в тонкой химической технологии.

284

Т а б л и ц а 19

285

Г л а в а XVII

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

§ 1. Общие сведения об алюминии

Алюминий - второй (после железа) металл современной техники. Его ми-

ровое производство в ближайшие годы достигнет 15 млн. т в год.

Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение в технике, является его небольшая плотность, равная 2,7 г/см3, т. е.

алюминий почти в три раза легче железа.

Вторым очень важным свойством алюминия является его относительно высокая электропроводность, которая равна 34•104 Ом-1•см-1, что составляет

57% электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660° С, тем-

пература кипения около 2500° С.

Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую тепло-

проводность и теплоемкость. Алюминий химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень бы-

стро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая, в отли-

чие от окиси железа, не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно,

алюминий несмотря на быстрое окисление при нормальных условиях коррози-

онностоек. Его кристаллическая решетка - куб с центрированными гранями с параметром а = 0,404 Нм (4,04 А). Никаких аллотропических превращений у алюминия не обнаружено.

Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Со-

противление на разрыв находится в пределах от 90 до 180 МПа (от 9 до 18

кгс/мм2) НВ20-40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность про-

катывать его в очень тонкие листы. Необходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линей-

ную усадку - 1,8%.

286

Для устранения этих отрицательных свойств алюминия (малой механиче-

ской прочности, большой усадки и трудности обработки резанием) в алюминий вводят различные добавки. Так, возникло большое количество различных спла-

вов алюминия, в которых устранены полностью или частично эти недостатки. В

настоящее время в технике известно несколько сот различных алюминиевых сплавов.

Алюминий и его сплавы широко применяются в машиностроении для из-

готовления различных транспортных аппаратов. В технике очень важно, чтобы собственный вес транспортной машины был минимален, что дает возможность при той же мощности мотора повысить грузоподъемность аппарата. Использо-

вание алюминия в авиации всем хорошо известно. За границей алюминий ши-

роко применяется для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов,

автомобилей и подъемных кранов различных конструкций.

Вторая область его применения - электротехника. Это обусловлено тем,

что алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; электропроводность алюминия меньше меди, хотя провод из алюминия такой же электропроводности, как аналогичный медный провод, получается толще, но зато легче. Это важно для проводки во всех летательных и транс-

портных аппаратах, а также для проводов воздушных линий электропередач,

где, применяя алюминиевые провода, можно реже ставить опоры.

Алюминий широко применяется в металлургии, где используется его большое сродство к кислороду для получения в чистом виде дорогих и редких металлов (например, хрома, ванадия и др.), низкие сорта алюминия использу-

ются для раскисления стали.

Алюминий используется при производстве органических кислот, где час-

то применяются алюминиевые сосуды и арматура. Ввиду того, что соединения алюминия безвредны для человека, он широко применяется в пищевой про-

мышленности - для обертки конфет, сыра и других продуктов, а также для ап-

287

паратуры молочных, пивоваренных и многих других предприятий пищевой промышленности.

Свободный алюминий был получен сравнительно недавно, поэтому его считают молодым металлом. Впервые он был выделен датским физиком Эрсте-

дом в 1825 г., но он получил очень небольшое количество металла. Только че-

рез 20 лет, в 1845 г., немецкий химик Веллер получил такое количество алюми-

ния (исчисляемое граммами), что сумел определить его основные свойства. Эти свойства оказались настолько интересными и важными, что с этого времени в ряде стран ученые занялись разработкой таких способов получения этого ме-

талла, которые давали бы возможность получать его дешевле и больше. В Рос-

сии над получением алюминия работал химик Н.Н. Бекетов. В 1865 г. он защи-

тил докторскую диссертацию, которая называлась «Вытеснение одних элемен-

тов другими», составной частью которой был способ получения алюминия.

Царское правительство не заинтересовалось этим изобретением, но разработан-

ный Н. Н. Бекетовым способ был применен на первом немецком алюминиевом заводе в Гмелингине и использовался там около 10 лет.

В начале XX в. русские ученые А. Н. Кузнецов, Е. И. Жуковский, П. П.

Федотьев и другие изучали способы получения алюминия, однако его произ-

водство было организовано лишь после Великой Октябрьской социалистиче-

ской революции.

Первый алюминиевый завод в нашей стране был пущен в 1932 г., базиру-

ясь на электроэнергии первой советской Волховской электростанции. В 1933 г.

вошел в строй второй алюминиевый завод в Запорожье, который использовал энергию Днепрогэса. В дальнейшем был создан целый ряд других предприятий.

Алюминиевая промышленность является сложным производством. Для получения алюминия недостаточно иметь только алюминиевую руду; требуется еще другой вид сырья - плавиковый шпат для получения криолита и других фтористых солей, необходимых в производстве алюминия. Нужны также чис-

288

тые углеродистые материалы для получения анодной массы и других электрод-

ных изделий, без которых невозможно электролитическое производство алю-

миния. Нельзя его осуществить и без электрической энергии.

Таким образом, современное производство алюминия складывается из четырех часто самостоятельных предприятий: производства глинозема, полу-

чения криолита, электродного производства и электролитического получения алюминия (рис. 151).

§ 2. Руды алюминия

Алюминий - наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в

чистом виде он не встречается, зато минералов, содержащих алюминий, очень много. По данным акад. А. Е. Ферсмана, их больше 250, но алюминиевыми ру-

дами являются далеко не все из них.

Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы.

Бокситы представляют собой сложную горную породу, которая содержит алюминий в виде гидроокисей. Кроме того, в бокситах всегда присутствуют окиси и гидроокиси железа, содержится кремнезем в виде кварца, каолинита, а

также карбонат кальция, окись титана и др. Внешний вид и химический состав

289

бокситов очень непостоянен. Качество бокситов определяется количеством и формой окиси алюминия (хорошие бокситы содержат ее 50-60%) и содер-

жанием кремнезема, вредной примеси, затрудняющей получение алюминия.

Вторая руда, которая используется для производства алюминия в нашей стране, - нефелин. Химическая формула этого минерала

Na(K)2O·Al2О3·2SiО3

Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апа-

тито-нефелиновых пород очень много на Кольском полуострове. Они давно разрабатываются для получения фосфорных удобрений и их отходом являются нефелины. Поскольку в нашей стране уделяется особое внимание комплексно-

му использованию сырья, в настоящее время организовано производство глино-

зема из нефелинов на нескольких заводах.

Алуниты, которые также относят к алюминиевым рудам, широко встре-

чаются на Кавказе и в других южных районах. Их химическая формула

K2SО4A12(SО4)3•4Al(ОH)3

Из алунитов алюминия получают пока немного, но в ближайшее время это производство будет расширяться.

К рудам алюминия относятся также каолины, или глины. Химическая формула каолина

Al2О3·2SiО2•2H2О

Лучшие сорта глин содержат до 39% окиси алюминия. Однако глины по-

ка не используются для получения алюминия.

§ 3. Производство глинозема

Как видно из схемы (см. рис. 151), для производства алюминия сначала нужно получить чистую окись алюминия.

В настоящее время известны патенты на несколько сотен способов полу-

чения чистой окиси алюминия. Современная алюминиевая промышленность использует несколько способов, которые можно разбить на три группы.

290

Электротермические способы. Суть этих способов заключается в восста-

новлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, вос-

станавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремни-

стый чугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия, но в шлаке остаются некоторые частично невосстановленные примеси. Эти спосо-

бы применяются для получения глинозема, идущего на изготовление шлифо-

вальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высокока-

чественного алюминия такой глинозем не пригоден.

Кислотные способы. Сущность этих способов сводится к тому, что алю-

миниевая руда подвергается обработке какой-либо минеральной кислотой, на-

пример соляной или серной. В процессе такой обработки кислота взаимодейст-

вует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (на-

пример, хлористый алюминий).

Основные примеси с кислотами не реагируют (кремнезем, окись кальция и целый ряд других). Однако ряд примесей взаимодействует со многими кисло-

тами (например, окислы железа), что создает большие дополнительные трудно-

сти, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует мно-

го патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кис-

лотой только в кислотоупорной аппаратуре, это очень удорожает и осложняет производство глинозема.

Щелочные способы. Эти способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи (ед-

ким натром, кальцинированной содой и др.).

В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, с ед-

ким натром при определенных условиях образуются так называемые алюмина-

ты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде. Ос-