Применение металлов и сплавов

Железо

Издавна стало основным материалом для строительных конструкций, машиностроения и транспорта однако уже в XIX в. с возникновением и ростом ряда новых отраслей промышленности и техники выявились некоторые его недостатки. Разумеется, речь идет не о чистом металле, а об обычных углеродистых чугунах и сталях. Они, обладая большим разнообразием ценных свойств, вместе с тем недостаточно стойки против коррозии на воздухе и особенно под действием воды, растворов солей и кислот, мало теплопроводны, недостаточно злектропроводны и имеют довольно высокий коэффициент трения.
 
С начала прошлого столетия наряду с железом все большим спросом стали пользоваться тяжелые цветные металлы в чистом виде и сплавах. Медь, никель, свинец, цинк и олово оказались необходимыми для ряда отраслей промышленности и техники. Производство и потребление этих металлов непрерывно и быстро увеличивались. Позднее вошли в обиход и попутно извлекаемые младшие металлыкобальт, висмут, кадмий. Последние связаны в сырье и производстве соответственно с никелем, свинцом и цинком.
 

Медь

Имеет высокую электропроводность и теплопроводность. В этом она уступает только серебру. Пластичность позволяет легко обрабатывать ее прокаткой, штамповкой и волочением. С развитием электротехники этот металл стал основным материалом для проводов, шин, контактов и токопроводящих деталей.
Высокая теплопроводность позволяет применять медь в различных устройствах, проводящих тепло. В химической промышленности из нее делают змеевики для нагревания и охлаждения растворов, варочные котлы, трубопроводы, радиаторы автомобилей и другие теплопроводящие устройства.
 
Даже малые примеси других элементов сильно снижают электропроводность, теплопроводность и коррозионную стойкость меди. Для полного использования ценных свойств необходим металл, содержащий не более 0,05—0,01% других эле-ментов.
Чистая медь слишком мягка для конструкций, деталей машин и арматуры. Сплавы ее с другими металлами имеют значительно большую прочность и твердость, многие из них прев ходят медь и по иным качествам — противокоррозионным и антифрикционным.
 
Сплавы с 10—40% цинка латуни дешевле чистой меди, вместе с тем, они хорошо обрабатываются давлением и резанием, более прочны, тверды и стойки против коррозии. Небольшие добавки железа, алюминия, свинца, марганца в различных комбинациях придают латуням еще большую прочность и твердость, а присадки олова, алюминия, марганца и никеля усиливают антифрикционность. В виде листов, прутков, труб и разных отливок латуни широко применяют в химическом и общем машиностроении, судостроении и военной технике.
 
Бронзами раньше называли только сплавы меди с 6—20% олова, известные с древних времен своими хорошими механическими свойствами, а теперь также — коррозионной стойкостью и антифрикционностью. Из-за дефицитности олова подобные сплавы стали получать, добавляя к меди другие металлы. Теперь, помимо оловянных, широко пользуются алюминиевыми (5—11% Аl), свинцовыми (25—33% Pb), кремниевыми (4—5% Si), бериллиевыми (1,8—2,3% Be), кадмиевыми (до 1% Cd) и другими бронзами. Все эти сплавы содержат небольшие количества вторичных легирующих компонентов, которые усиливают те или иные их качества.
 
Каждый вид бронзы ценен по-своему: алюминиевые с добавками свинца нужны для подшипников, а бериллиевые идут для изготовления пружин.
Латуни и бронзы, подобно многим другим сплавам, подразделяются! на литейные и деформируемые — пригодные для литья либо для обработки давлением, — прокаткой, ковкой, штамповкой, волочением.
 
Медноникелевые и медноникелевоцинковые сплавы: мельхиор (5—35% Ni) и нейзильбер (5—30% Ni и 13—45% Zn) особенно стойки в агрессивных средах, содержащих активные химические вещества. В виде ленты, листов и проволоки они идут на изготовление медицинских инструментов, изделий точной механики, столовых приборов, бытовых и художественных изделий.
 
В первой половине нашего столетия медь занимала среди цветных металлов первое место по масштабам мирового производства. Теперь она уступает в этом алюминию, но все еще остается дефицитным металлом, требующим заменителей. В электротехнике часть меди стали заменять алюминием — менее электропроводным, но более легким. Это выгодно: расход алюминия по массе почти в -два раза меньше. 
 
При применении на железнодорожном транспорте медь и бронзу частично заме-няют цинковыми сплавами. В военной технике патронные гильзы теперь делают из стали и только покрывают их тонким слоем латуни — плакируфт. Замена меди другими, менее дефицитными металлами и сплавами — важная проблема нашего времени.
Никель в сравнении с другими тяжелыми цветными металлами наиболее прочен, тверд, тугоплавок и стоек против коррозии. Подобно железу и кобальту, он ферромагнитен. Чистый металл пластичен и легко обрабатывается. В виде листов, труб, проволоки и порошка его расходуют на особые изделия для химических производств — детали аппаратуры и приборов.
 

Никель

Сравнительно дорог, и потребление его в чистом виде невелико. Для защиты от коррозии и декоративных целей тонким слоем этого металла покрывают изделия из железа, алюминия, магния, цинка — никелируют.
 
Никель требуется также в производстве щелочных аккумуляторов— железоникелевых и никелекадмиевых; они легче и компактнее свинцовых. Во многих производствах химической технологии применяют никелевые катализаторы.
Более половины всего никеля идет в сплавы с железом — хромоникелевые, нержавеющие и кислотоупорные стали, содержащие обычно до 8% никеля, хром и другие металлы. Эти сплавы необходимы в химической промышленности, станкостроении, для постройки долговечных сооружений, в машиностроении и военной технике.
 
Прочные и износоустойчивые никелистые чугуны, содержащие хром, молибден и медь, нужны для производства мощных двигателей внутреннего сгорания локомотивов, некоторых станков и штампов.
Многие никелевые сплавы жаростойки: они не окисляются на воздухе при высоких температурах. Примерами тому сплавы ЭИ, инконель, нимоник, гастеллой и др., способные работать при температурах до 600° С. Они пригодны для производства турбин реактивных самолетов, газотурбинных установок и в атомных реакторах.
 
Нихром (75—85% Ni, 10—20% Сr, остальное железо) и другие подобные термоэлектрические сплавы не только жаростойки, но и обладают высоким омическим сопротивлением, они служат для изготовления нагревателей из проволоки или ленты.
Сильномагнитный сплав никеля с железом — пермаллой и другие ему подобные применяют в электротехнике и радиотехнике.
В 1971 г. в капиталистических странах от общего количества потребленного никеля (374000 т) 60% израсходовано на производство нержавеющих сталей и специальных чугунов. Остальной металл распределился между производством спла- bob на собственной основе 12%, никелированием 16%, использованием в качестве легирующей добавки 3% и на прочие нужды 9%.
 
В противоположность другим тяжелым металлам, известным с глубокой древности, первый металлический никель был получен в Швеции Клапротом в 1751 г., а производство его для продажи началось только в 1825 г. Долгое время оно оставалось незначительным: многие ценные свойства никеля не были известны до начала XX в. В нашем столетии спрос начал быстро расти и теперь потребление никеля во всех странах строго учитывают, принимая меры к экономному его расходованию. Все большую долю никеля в нержавеющих сталях заменяют хромом, а обычные стали покрывают тонким слоем нержавеющей — плакируют.
 

Кобальт

У нас в основном получают попутно с никелем из никелевых руд. Мировое производство этого младшего металла приблизительно в 15 раз меньше, чем никеля, но он почти в 3 раза дороже и имеет важное особое применение в технике. Добавка кобальта существенно повышает жаростойкость и жаропрочность сталей, в том числе хромоникелевых; качества быстрорежущих сталей, содержащих вольфрам, хром, молибден, улучшаются от добавок кобальта. Из сплавов кобальта делают постоянные магниты с высокой магнитной энергией, к числу которых относится, например, алнико-24 (50% Fe, 24% Со, 14% Ni, 9%Аl и 3%Сu). Сплав 75% Со+13% Si+7%Cr+ +3% Мn корродирует в сильных кислотах меньше платины. Известны и другие специальные сплавы кобальта.
 
Кобальт нужен также в виде солей и окислов в составе катализаторов для» ряда органических синтезов, для ускорения сушки лаков и масляных красок (сиккативы), а также при изготовлении стойких эмалей и красок. Радиоактивным изотопом Со60 пользуются для лечения злокачественных опухолей. Небольшие количества солей кобальта необходимы для нормального развития растений и животных.
 

Свинец

Известен с древних времен — не менее двух тысячелетий до н. э. Тогда особенно ценились его легкая обрабатываемость, мягкость, легкоплавкость и большая плотность. Из этого металла делали монеты, украшения, сосуды, водопроводные трубы, метательные снаряды для пращей и катапульт, а с изобретением пороха — картечь, пули и дробь.
 
Стойкость против разбавленной серной, соляной кислот и многих других реагентов сделала свинец в XIX в. основным материалом возникавшей тогда химической промышленности. Способность легко прокатываться в лист толщиной 2—10 мм оказалось удобной для покрытия аппаратуры и защиты ее от коррозии.
Оболочки кабелей, предназначенных для долговременной работы под землей, в воде или во влажной атмосфере, делают и теперь из свинца, добавляя к нему небольшие количества других металлов.
 
Свинцовые аккумуляторы по-прежнему необходимы для зажигания двигателей внутреннего сгорания, несмотря на появление никелевых, которые значительно дороже. На кабель аккумуляторы затрачивается около половины всего свинца.
В атомной технике свинец служит защитой от γ-лучей, которые он хорошо поглощает.
Сплавы отличаются от чистого металла большей прочностью и твердостью, либо антифрикционностью; в большинстве они еще и стойки против коррозии. Широко известны баббиты, названные так по фамилии их изобретателя. Баббиты подразделяются на оловянистые и безоловянистые. Первые содержат, кроме свинца, олово, медь, сурьму, кадмий, никель и теллур, а вторые — натрий, кальций, теллур и другие элементы. Баббиты легкоплавки, их заливают в жидком виде во вкладыши подшипников или наносят слоем на стальную ленту.
 
В типографские сплавы для отливки шрифтов, где свинец составляет основу, вводят сурьму, олово и медь: сурьма придает твердость, а олово — литейные качества.
В химической промышленности часто применяют сплавы свинца с сурьмой — твердые и стойкие против коррозии.
В сплавах для пайки — припоях свинцом частично заменяется более дорогое и дефицитное олово.
 
Спрос на свинец всегда опережает производство, поэтому постоянно ищут новых путей его экономии. Оболочки кабелей стараются по возможности делать пластмассовыми, а антикоррозионные покрытия — из синтетических органических материалов. Типографские свинцовые сплавы иногда удается заменять цинковыми, а в перспективе — пластмассами, когда будут пластмассы с хорошими литейными свойствами.
 

Висмут

Получают преимущественно из отходов производства свинца и меди, а собственные его руды встречаются редко. Благодаря легкоплавкости, высокой температуре кипения, достаточной теплопроводности (см. табл. 4), а также малой способности захватывать тепловые нейтроны, металл применяют в качестве теплоносителя в атомных реакторах. Он дает весьма легкоплавкие сплавы, в частности, сплав Вуда (50% Bi; 27% Pb; 13%Sn; 10% Cd) плавится при 70° С, а другой сплав с температурой плавления 47° С имеет состав 41 % Bi, 22,1% Pb; 10,6%Sn; 8,2% Cd; 18,1% In. Низкая температура плавления важна для спринклерных устройств, автоматически открывающих подачу воды при возникновении пожара.
 

Цинк

Начали широко применять в прошлом веке, сведения об истории развития его производства различны. По некоторым из них этот металл извлекали в Индии и Китае еще в V к однако промышленное производство его в Европе возникла лишь в XVIII столетии.
 
Около половины цинка расходуют теперь на покрытие железа для предохранения его от коррозия. Тонкий слой металла наносят горячим способом или электролизом. Электролитическое покрытие тоньше и экономичнее; однако из-за меньшей стойкости и необходимости более сложного и дорогого оборудования пока его применяют реже. Цинк надежно предохраняет железо от коррозии на воздухе и в холодной воде: вследствие более высокого перенапряжения водорода цинк в гальванической паре с железом становится анодом и растворяется, выделяя Н2 на железе. Оцинкование значительно дешевле покрытия оловом — лужения или никелем — никелирования.
Другая важная область потребления цинка — изготовление сплавов, в том числе известных нам латуней и нейзильбера.
 
Сплавами на основе цинка частично заменяют бронзы и баббиты в подшипниках, они содержат алюминий (8—11%), медь (1—2%) и магний (0,03—0,06%). Те же компоненты, но в иных соотношениях с Цинком, вводят в типографские сплавы, сходные по свойствам со свинцово-сурьмяными.
 
В сравнении с другими цветными металлами цинк дешев, а ресурсы его в известных месторождениях достаточно велики. Поэтому проблема замены цинка другими металлами не возникала. С ростом производства алюминия и снижением его стоимости может оказаться выгодным покрытие железа не цинком, а алюминием — алитирование.
 
Кадмий почти весь получают попутно с цинком, свинцом, медью. Из-за хорошей способности захватывать тепловые нейтроны из него делают стержни, регулирующие работу атомных реакторов. Металл нужен также для производства щелочных аккумуляторов, декоративных противокоррозионных покрытий., антифрикционных сплавов и в зубоврачебном деле. Небольшие добавки кадмия незначительно снижают электропроводность, но заметно повышают прочность меди: из кадмиевых бронз делают троллейбусные и другие подвесные провода.
Кадмий служит основой подшипниковых сплавов, работающих при больших нагрузках в авиационных, автомобильных и судовых двигателях; он входит также в состав баббитов. Интересны и легкоплавкие сплавы его с висмутом, свинцом, оловом и цинком, о которых говорилось выше. Помимо спринклеров, легкоплавкие сплавы применяют для скрепления стекла с металлом и изготовления точных анатомических слепков.
 
Олово — один из древнейших металлов, а в наши дни оно ценно своей противокоррозионной стойкостью, безвредностью окиси и гидроокиси для человека и животных, а также легкоплавкостью и способностью при этом легко смачивать многие
металлы, образуя с ними поверхностные сплавы при лужении и пайке. В производстве бронзы, оловосодержащих латуней и баббитов потребляется теперь около трети всего выплавляемого металла. Столько же, или несколько больше олова расходуют на лужение жести для консервных банок. Последнюю статью расхода постоянно стараются сокращать, заменяя железные банки и оловянные тубы алюминиевыми или пластмассовыми, а также покрывая жесть алюминием, либо лаками и применяя более экономичное электролитическое лужение.
В пайке и производстве припоев олово пока незаменимо; однако его и здесь экономят, добавляя свинец.
 
Статья на тему Применение металлов и сплавов