Где применяются металлы – Применение металлов и их сплавов — урок. Химия, 8–9 класс.

Применение металлов и их сплавов — урок. Химия, 8–9 класс.

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

 

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

 

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

 

Сплав по сравнению с исходным металлом может быть:

• механически прочнее и твёрже,
• со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
• устойчивее к коррозии,
• устойчивее к высоким температурам,
• практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) %). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Применение сплавов в качестве конструкционных материалов

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

 

В строительстве и в машиностроении наиболее широко используются сплавы железа и алюминия.

 

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

  

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

 

В некоторых узлах самолётов используются сплавы магния, очень лёгкие и жароустойчивые.

 

В ракетостроении применяют лёгкие и термостойкие сплавы на основе титана.

 

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

 

Конструкция из стальных балок	Радиаторы центрального отопления	Ажурные перила, отлитые из чугуна

Инструментальные сплавы

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Добавление к сплавам веществ, улучшающих их свойства, называют легированием.

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Применение сплавов в электротехнической промышленности, электронике и приборостроении

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

 

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

 

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

 

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

 

Бронзы идут на изготовление пружин и пружинящих контактов.

 

Нагревательные элементы бытовых электроприборов	Запорные краны для водопроводов и газопроводов	Пружинящие контакты электрических розеток

 

Применение легкоплавких сплавов

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

 

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

 

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.

 

Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Легкоплавкие сплавы используются в литейном деле	Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

 

Применение сплавов в ювелирном деле

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

 

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

 

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

 

Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

 

Ювелирные изделия из сплавов золота	Позолоченные электрические контакты

 

Сплавы в искусстве

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

 

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

 

Бронзовая скульптура	Колокола отливают из специального сорта бронзы	Чугунная лестница.  Практично и очень красиво

 

www.yaklass.ru

2 Область применения металлов

В настоящее время находят практическое применение почти все металлы или в чистом виде, или в виде сплавов друг с другом. Это применение целиком определяется теми или иными свойствами металлов и их сплавов. Область применения металлов очень широка.

Металлы и их сплавы – одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Металлические конструкции на сегодняшний день используются фактически в каждом сооружении и здании, наверно ни одно здание не может обойтись без металлических конструкций, особенно если в конструкции нужны значительные пролеты, нагрузки, высота. [7]

Нужда в конструкциях из металла достаточно велика, фактически в каждом доме есть хоть часть, изготовленная из металла – это могут быть лестницы, каркас, крыша и так далее [1]. Это определяется, прежде всего, их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью дляжидкостейигазов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Металлы используются и в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром).

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика. [7]

Хорошо известно бактерицидное действие малых концентраций серебра на питьевую воду. При содержании ионов этого металла 10-30 мг на 1 т воды предотвращается рост бактерий и других микроорганизмов. При этом вкус воды не изменяется. Вот почему препараты на основе серебра все шире используются для стерилизации питьевой воды. В бытовые фильтры иногда помещают «посеребренный» активированный уголь, выделяющий в воду малые количества серебра и являющийся одновременно адсорбентом. [2]

Также металлы используются для ювелирных изделий, создания протезов, в автомобилестроении, авиации и во многих других отраслях для разнообразных целей.

3 Общие свойства металлов

Все металлы и сплавы характеризуются физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами.

К физическим свойствам металлов относятся: цвет, удельный вес, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, расширение металла при нагреве и магнитные свойства. Например, температура плавления сплавов имеет большое значение в литейном производстве.

К химическим свойствам металлов относятся: окисляемость, растворяемость и коррозийная стойкость. Все перечисленные свойства важны для выбора литейных сплавов, применяемых для отливок деталей, работающих в окислительных средах (колосниковые решетки печей, насосы для перекачивания кислот).

К механическим свойствам металлов относятся: прочность, твердость, упругость, вязкость и пластичность. Эти свойства металлов и сплавов имеют большое значение при использовании их в машиностроении.

Эксплуатационные свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.

К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность и антифрикционность.

Технологические свойства характеризуются жидкотекучестью, прокаливаемостью, ковкостью, свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Эти свойства металлов и сплавов играют важную роль в машиностроении.

К технологическим свойствам металлов относятся также литейные свойства металлов и сплавов, характеризующие способность их хорошо заполнять все очертания формы и образовывать плотные отливки при затвердевании. При недостаточной жидкотекучести в отливке, особенно в тонких ее частях, образуются спаи и недоливы. При склонности металлов и сплавов к большой усадке во время затвердевания (кристаллизации) появляются усадочные раковины и большие внутренние напряжения.

Все перечисленные свойства в необходимых случаях определяются испытанием металлов и сплавов в лабораториях с помощью специальных приборов и установок. [3]

studfiles.net

Металл, все о металле, свойства металлов

Металл (название происходит от лат. metallum — шахта) — один из классов элементов, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами являются большинство химических элементов (примерно 80 %). Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий.

Металлы — суть светлые тела, которые ковать можно. (Михаил Васильевич Ломоносов)

Некоторые металлы

Щелочные металлы:  Литий, Натрий, Калий

Щелочноземельные металлы: Бериллий, Магний, Кальций

Переходные металлы: Железо, Платина

Другие металлы: Алюминий, Свинец, Медь, Цинк

Металлургия — совокупность связанных между собой отраслей и стадий производственного процесса от добычи сырья до выпуска готовой продукции — черных и цветных металлов и их сплавов. К черным металлам относят железо, марганец и хром. Все остальные — цветные. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний).

Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды черных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Исключением можно назвать около 16 элементов: т. н. благородные металлы (золото, серебро и др.), и некоторые другие (например, ртуть, медь), которые присутствуют без примесей. Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде, растениях, живых организмах (играя при этом важную роль).

Характерные свойства металлов

Металлический блеск Хорошая электропроводность Возможность легкой механической обработки (например, пластичность) Высокая плотность Высокая температура плавления Большая теплопроводность

Физические свойства металла

Все металлы (кроме ртути) тверды при нормальных условиях. Температуры плавления лежат в диапазоне от 39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В зависимости от их плотности, металлы делят на легкие (плотность 0,53 ч 5 г/смі) и тяжелые (5 ч 22,5 г/смі). Металлы тонут

Механические свойства металла

Это способность металлов подвергаться различным способам механической обработки.

Микроскопическое строение металла

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решетке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решетки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твердость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.). Из-за легкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий. Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твердых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешенные зоны, причем зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для ее полного заполнения. Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течет электрический ток. Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придает металлам характерный блеск).

Применение металлов

Конструкционные материалы

Металлы и их сплавы — один их главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твердые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

acrossteel.ru

Получение металлов и их применение

Несмотря на то что все чаще в промышленности и быту используются искусственно созданные материалы, отказаться от применения металлов пока не представляется возможным. Они обладают уникальным сочетанием свойств, а сплавы позволяют максимально использовать их потенциал. В каких областях происходит получение и применение металлов?

Характеристика группы элементов

Под металлами понимают совокупность неорганических химических веществ, обладающих характерными свойствами. Как правило, они включают следующее:

• высокая теплопроводность;
• пластичность, относительная легкость механической обработки;
• сравнительно высокая температура плавления;
• хорошая электропроводность;
• характерный «металлический» блеск;
• роль восстановителя в реакциях;
• высокая плотность.

Разумеется, не все элементы этой группы обладают всеми этими свойствами, например, ртуть при комнатной температуре жидкая, галлий плавится от тепла человеческих рук, а висмут вряд ли можно назвать пластичным. Но в общем и целом все эти черты прослеживаются в совокупности металлов.

Внутренняя классификация

Металлы условно делят на несколько категорий, каждая из которых объединяет элементы, наиболее близкие друг другу по различным параметрам. Различают следующие группы:

• щелочные — 6;
• щелочноземельные — 4;
• переходные — 38;
• легкие — 7;
• полуметаллы — 7;
• лантаноиды — 14+1;
• актиноиды — 14+1;

Вне групп остается еще два: бериллий и магний. Таким образом, на данный момент из всех открытых элементов 94 ученые относят к металлам.

Кроме того, стоит упомянуть, что есть и другие классификации. Согласно им, отдельно рассматриваются благородные, металлы платиновой группы, постпереходные, тугоплавкие, черные и цветные и т. д. Такой подход имеет смысл лишь при определенных целях, так что удобнее использовать общепринятую классификацию.

История получения

Человечество на протяжении всего своего развития было тесно связано с обработкой и использованием металлов. Помимо того что они оказались наиболее распространенными элементами, из них можно было изготавливать различные изделия лишь с помощью механической обработки. Поскольку навыков работы с рудой еще не было, сначала речь шла лишь об использовании самородков. Сначала это был мягкий металл, давший название медному веку, сменившему каменный. В этот период был разработан метод холодной ковки. В некоторых цивилизациях стала возможной выплавка. Постепенно люди освоили получение цветных металлов, таких как золото, серебро, олово.

Позднее на смену медному пришел бронзовый век. Он продлился примерно 20 тысячелетий и стал переломным моментом для человечества, поскольку именно в этот период стало возможным получать сплавы. Происходит постепенное развитие металлургии, совершенствуются способы получения металлов. Однако в 13-12 вв. до н. э. произошел так называемый бронзовый коллапс, который положил начало железному веку. Это предположительно произошло из-за истощения запасов олова. А свинец и ртуть, открытые в это время, не смогли стать заменой бронзе. Так что людям предстояло развивать получение металлов из руд.

Следующий период продлился относительно недолго — меньше тысячелетия, но оставил яркий след в истории. Несмотря на то что железо было известно гораздо раньше, оно почти не применялось из-за своих недостатков по сравнению с бронзой. Кроме того, последнюю было гораздо проще получить, в то время как выплавка руды была более трудоемким занятием. Все дело в том, что самородное железо встречается довольно редко, так что неудивительно, что отказ от бронзы происходил настолько медленно.

Значение навыков выделения металлов

По аналогии с тем, как предок человека впервые изготовил орудие труда, привязав острый камень к палке, переход к новому материалу оказался настолько же грандиозен. Основные преимущества металлических изделий состояли в том, что их было легче сделать, а также существовала возможность починки. Камень же не обладает пластичностью и ковкостью, так что любые орудия из него можно было сделать только заново, отремонтировать их не получалось.

Таким образом, именно переход к использованию металлов привел к дальнейшему совершенствованию орудий труда, появлению новых предметов быта, украшений, изготовить которые было ранее невозможно. Все это дало толчок техническому прогрессу и заложило фундамент для развития металлургии.

Современные методы

Если в древности людям было знакомо лишь получение металлов из руд, либо они могли довольствоваться самородками, то в настоящее время существуют и другие способы. Они стали возможными благодаря развитию химии. Таким образом, появилось два основных направления:

• Пирометаллургия. Она начала свое развитие раньше и связана с высокими температурами, необходимыми для обработки материала. Современные технологии в этой области позволяют также использование плазмы.
• Гидрометаллургия. Это направление занимается извлечением элементов из руд, отходов, концентратов и т. д. с помощью воды и химических реактивов. Например, крайне распространен способ, предполагающий получение металлов электролизом, также довольно популярен метод цементации.

Есть и еще одна интересная технология. Получение драгоценных металлов высокой чистоты и с минимальными потерями стало возможно именно благодаря ей. Речь об аффинаже. Этот процесс — один из видов рафинирования, то есть постепенного отделения примесей. Например, в случае с золотом используется насыщение расплава хлором, а платину растворяют в минеральных кислотах с последующим выделением реагентами.

Кстати, получение металлов электролизом чаще всего применяется, если выплавка или восстановление экономически невыгодны. Именно так происходит с алюминием и натрием. Есть и более инновационные технологии, делающие возможных получение цветных металлов даже из достаточно бедных руд без значительных затрат, но речь об этом пойдет чуть позднее.

О сплавах

Большая часть металлов, известных в древности, не всегда отвечала некоторым потребностям. Коррозия, недостаточная твердость, ломкость, хрупкость, недолговечность — у каждого элемента в чистом виде есть свои недостатки. Поэтому стало необходимо найти новые материалы, объединяющие в себе преимущества известных, то есть найти способы получения сплавов металлов. На сегодняшний день существует два основных метода:

• Литье. Расплав смешанных компонентов охлаждается и кристаллизуется. Именно этот способ позволил получить первые образцы сплавов: бронзу и латунь.
• Прессование. Смесь порошков подвергается высокому давлению, а потом спекается.

Дальнейшее совершенствование

В последние десятилетия наиболее перспективным кажется получение металлов с применением биотехнологий, в первую очередь с помощью бактерий. Уже стало возможным извлечение из сульфидного сырья меди, никеля, цинка, золота, урана. Ученые надеются подключить микроорганизмы к таким процессам, как выщелачивание, окисление, сорбции и осаждение. Кроме того, крайне актуальной является проблема очистки глубоких сточных вод, для нее тоже пытаются найти решение, предполагающее участие бактерий.

Применение

Без металлов и сплавов была бы невозможна жизнь в том виде, в котором она сейчас известна человечеству. Высотные дома, самолеты, посуда, зеркала, электроприборы, автомобили и многое другое существует лишь благодаря далекому переходу людей от камня к меди, бронзе и железу.

Из-за своей исключительной электро- и теплопроводности металлы используются в проводах и кабелях самого различного назначения. Золото применяется для изготовления неокисляемых контактов. Благодаря своей прочности и твердости металлы широко используются в строительстве и для получения самых разных конструкций. Еще одна область применения — инструментальная. Для изготовления рабочей, например, режущей части часто используются твердые сплавы и специальные виды стали. Наконец, благородные металлы высоко ценятся как материал для ювелирных изделий. Так что областей применения предостаточно.

Интересное о металлах и сплавах

Использование этих элементов настолько широко и имеет такую длинную историю, что неудивительно возникновение различных курьезных ситуаций. Их и просто пару любопытных фактов и стоит привести напоследок:

• До своего широкого распространения алюминий очень ценился. Столовые приборы, которыми при приеме гостей пользовался Наполеон III, были изготовлены именно из этого материала и были предметом гордости монарха.
• Название платины в переводе с испанского означает «серебришко». Такое нелестное имя элемент получил в связи с относительно высокой температурой плавления и, следовательно, невозможностью на протяжении долгого времени его применять.
• В чистом виде золото мягкое, и его легко можно поцарапать ногтем. Именно поэтому для изготовления украшений его сплавляют с серебром или медью.
• Существуют сплавы с любопытным свойством термоупругости, то есть эффектом «памяти» формы. При деформации и последующем нагревании они возвращаются к изначальному состоянию.

fb.ru

Применение металлов и сплавов — Знаешь как

Железо

Содержание статьи

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 металлы — кобальт, 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

znaesh-kak.com

Цветные металлы и их применение.

Цветные металлы и их сплавы очень востребованы, широко применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. К ним относятся все металлы за исключением железа и его производных, которые классифицируются как черные металлы.

Практически все цветные металлы обладают следующими свойствами:

• Устойчивостью к коррозии и значительным перепадам температур;
• Пластичностью;
• Многосторонностью применения.

Кроме этого, важной особенностью цветных металлов является то, что их свойства можно изменить с помощью закалки, искусственного старения или термической обработки. Также они хорошо обрабатываются штамповкой, прокаткой, ковкой, сваркой, пайкой, прессованием и резкой.

Наиболее ценными цветными металлами являются: Алюминий; Медь; Никель; Олово; Свинец; Цинк; Магний.

Алюминий.

Обладая высокой электропроводностью, алюминий в чистом виде широко применяется там, где это свойство важно, к примеру, для изготовления проводов линий электропередач.

Широко используются и алюминиевые сплавы, которые разделяются на две группы: упрочняемые и не упрочняемые.

Упрочняемые сплавы, которые подвергаются термообработке, известны под названиями дуралюмин и авиаль, в составе их содержится медь, цинк и определенное сочетание магния с кремнием.

Помимо термической обработки, такие сплавы подвергаются естественному старению и закалке, что увеличивает их прочностные характеристики. Из этих видов сплавов создаются высокопрочные конструкции с малой массой для применения в аэрокосмической промышленности.

Не упрочняемые термической обработкой сплавы, широко применяются в транспортном машиностроении для изготовления узлов самых разнообразных транспортных средств.

Медь

Медь стала первым металлом, которым человек стал пользоваться, и случилось это, скорее всего, за много тысячелетий до нашей эры. Кроме этого медь была первым материалом, который был использован для передачи электричества. Ее основными техническими характеристиками являются высокая электропроводность и ковкость.

Чистая медь широко применяется в электротехнической промышленности для изготовления кабельных изделий и различного вида проводов. Также, она используется в производстве электрогенераторов, радиоаппаратуры, телеграфного и телефонного оборудования.

В других отраслях чаще используются ее сплавы. Особенно популярны латуни, которые содержат цинк и другие элементы для придания необходимых свойств. Они обладают великолепными механическими характеристиками, легко обрабатываются, поэтому широко применяются в химической промышленности и машиностроении для изготовления различных емкостей и трубопроводов. Также они используются, повсеместно, для производства бытовых товаров различного назначения.

Кроме них широко применяются бронзы, содержащие, в качестве основной составляющей сплава, олово.

Никель

Чистый никель используется в качестве защитного антикоррозионного покрытия поверхностей от воздействия химически активных веществ.

Кроме этого, из него изготавливаются различные котлы, цистерны и тигли, обладающие высокой коррозионной стойкостью, и применяемые в химической, текстильной, пищевой промышленности. Широко используется никель при производстве различного вида аккумуляторов и электродов для топливных элементов.

В некоторых областях используется порошкообразный никель в качестве катализатора химических процессов. К примеру, он применяется в реакциях гидрогенизации спиртов, циклических альдегидов ароматических и непредельных углеводородов.

Олово

Из чистого олова, в основном, получают белую жесть, которую используют для изготовления консервных банок.

Очень популярными в различных отраслях являются сплавы из этого цветного материала. Например, при книгопечатании используются шрифты, отлитые из гарта, который представляет собой сплав олова со свинцом и сурьмой.

Очень востребованным является баббит, получаемый методом сплавления олова со свинцом, сурьмой и медью. Из этого сплава изготавливается огромное количество деталей, в частности подшипников, рабочая поверхность которых высокоустойчива и обладает низким коэффициентом трения.

Свинец и цинк.

Хотя свинец и цинк добываются на одних и тех же природных месторождениях, области их применения значительно отличаются. Устойчивость свинца к агрессивным воздействиям позволяет использовать его в качестве защитных покрытий телефонных и телеграфных проводов. В химическом производстве из него делают специальное оборудование.

Цинк в чистом виде, зачастую, применяется для изготовления оцинкованного железа. И тот и другой метал, широко используются в различных сплавах для изготовления узлов оборудования в машиностроении, металлургии, медицине и других отраслях народного хозяйства.

metresspb.ru

Применение металлов и сплавов | Химическая энциклопедия

Карбид вольфрама WC — очень твердое и химически инертное вещество, температура плавления которого составляет около 2800 °С. Оно используется для производства сверхтвердого сплава — победита, состоящего из карбидов вольфрама и кобальта. Из этого сплава производят наконечники сверл для сверления твердых материалов (победитовые сверла).

Нихром благодаря высокой жаростойкости применяют для изготовления электрических нагревательных элементов. Из-за высокой твердости некоторые виды бронзы используются в приборостроении. Из бронзы делают художественные отливки (памятники, барельефы и др.). Невозможно представить себе современные высокотехнологичные производства без металлов и их сплавов: изготовление микросхем, оптических приборов, электроники (промышленной и бытовой). Соединения металлов широко используются также во многих других технологических процессах. Рассмотрим некоторые области применения металлов, сплавов и соединений металлов.

Области применения металлов:
1. Ядерная энергетика (U).
2. Производство осветительных приборов (W, Mo).
3. Медицина (протезы) (Ti, Ni, Au).
4. Легирующие добавки для стали (W, Mo, Ni, Cr, V).
5. Ювелирные изделия (Au, Ag, Cu).
6. Защита от коррозии (Ni, Cr).
7. Автомобильный, авиационный, железнодорожный транспорт (Fe, Al, Ti).
8. Строительство (конструкционные материалы) (Fe).
9. Катализаторы (Pt, Fe, Ni и др.).
10. Электротехническая промышленность (Cu, Al).

Хорошо известно бактерицидное действие малых концентраций серебра на питьевую воду. При содержании ионов этого металла 10—30 мг на 1 т воды предотвращается рост бактерий и других микроорганизмов. При этом вкус воды не изменяется. Вот почему препараты на основе серебра все шире используются для стерилизации питьевой воды. В бытовые фильтры иногда помещают «посеребренный» активированный уголь, выделяющий в воду малые количества серебра и являющийся одновременно адсорбентом. Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосовать

abouthist.net