Метали та їх сплави

Таблиця Вміст у земній корі найбільш поширених елементів

Класифікація металів

• Лужні Літій (Li), натрій (Na), калій (K), рубідій (Rb), цезій (Cs), францій (Fr).
• Лужноземельні. Берилій (Be), магній (Mg), кальцій (Ca), стронцій (Sr), барій (Ba) і радій (Ra).
• Перехідні метали. Титан (Ti), ванадій (V), хром (Cr), марганець (Mn), залізо (Fe), кобальт (Co), нікель (Ni), мідь (Cu), цинк (Zn), срібло (Ag), кадмій (Cd), вольфрам (W), платина (Pd), золото (Au), ртуть (Hg).
• Рідкоземельні. Лантан (La), церій (Ce), празеодій (Pr), неодим (Nd), прометій (Pm), самарій (Sm), європій (Eu).
• Актиніди. Актиній (Ac), торій (Th), проктактиній (Pa), уран (U), нептуній (Np), плутоній (Pu), америцій (Am).
• Трансактиніди. Рутерфордій (Rf), Дубній (Db), Сіборгій (Sg), Боріо (Bh), Хассій (Hs), Мейтнерій (Mt).

З кольорових металів і сплавів найбільше поширення отримали сплави алюмінію і міді. Титан і його сплави широко застосовуються в авіа-і ракетобудуванні, в хімічній промисловості, кольорової металургії і т.д.

Кольорові метали умовно поділяються на:

В· легкі (Літій, магній, берилій, алюміній, титан та ін), що володіють малою щільністю (До 5000 кг/м3);

В· легкоплавкі (Ртуть, цезій, галій, рубідій, олово, свинець, цинк та ін), що мають низьку температуру плавлення;

В· тугоплавкі (Вольфрам, тантал, молібден, ніобій та ін), температура плавлення яких вища, ніж у заліза (1539 В° С);

В· благородні (Золото, срібло, метали платинової групи), що володіють високою корозійної стійкістю;

В· ураново - актинійні, використовуються в атомній промисловості;

В· рідкоземельні (РЗМ) (скандій, ітрій, лантан і лантаніди), застосовуються як присадок до металів інших елементів;

В· лужні (Натрій, калій, літій тощо), що не знаходять застосування у вільному стані (за винятком особливих випадків, наприклад в якості теплоносіїв в ядерних реакторах).

Чорні метали

Чорні сплави — це з'єднання заліза з вуглецем. Залежно від кількості вмісту вуглецю чорні сплави поділяють на сталі і чавуни. Сталями називають сплав заліза з вуглецем, в якому вміст вуглецю не перевищує 2,14 %. Чавунами називають сплав заліза з вуглецем, в якому вміст вуглецю становить від 2,14 до 6,67 %.

1. Чавуни - сплави, в яких вміст вуглецю більше 1.7 % (середня щільність ρ_с = 7200 кг/м³). Їх одержують плавленням залізних руд у доменних печах при температурі порядку 1500 ^оС. Чавуни виробляють ливарні сірі, з яких роблять відливки труб, решіток, радіаторів, та переробні білі, що йдуть на виготовлення сталей.

2. Сталі - сплави, в яких вміст вуглецю менше 1.7 % (середня щільність ρ_с = 7850 кг/м³). Для будівництва їх виробляють конверторним способом з чавуну та мартенівським способом з чавуну або сталевого лому.

Сталі класифікують за хімічним складом:

а) вуглецеві, в склад яких, окрім заліза і вуглецю, входять тільки нормальні домішки (Si, Mn, P, S та ін.). Їх розрізняють за якістю вироблення (звичайної якості та якісні);

б) леговані, в склад яких, крім вказаних вище домішок, також вводяться в значних кількостях Cr, Ni, Ti, W, V, Al, Cu та інші компоненти. Легування, навіть у невеличких кількостях, сильно впливає на властивості сталей. Наприклад:

– хром (Cr) підвищує твердість, міцність, корозійну стійкість (при вмісті хрому більше 13 % сталі звуть нержавіючими), але незначною мірою знижує в`язкість;

– нікель (Ni) підвищує міцність та в`язкість, загартованість, ударотривкість при низьких температурах;

– вольфрам (W) значно підвищує твердість, але й крихкість;

– манган (Mn) підвищує прокалюваність, міцність та в`язкість;

– кремній (Si) підвищує прокалюваність, міцність при збереженні достатньої в`язкості, але погіршує зварюваність;

– мідь (Cu) підвищує межу текучості та міцності, зменшує атмосферну корозію.

Одночасне використання декількох легуючих елементів дозволяє гнучко дотримуватися необхідних властивостей сталей.

За кількістю домішок розрізняють:

– низьколеговані сталі (до 5 % додатків);

– високолеговані сталі (більше 5 % додатків).

2 За твердістю (і вмістом вуглецю):

– м'які (низьковуглецеві) - які вміщують до 0.3 % C;

– середньої твердості (середньовуглецеві) - які містять 0.3...0.6 % C;

– тверді (високовуглецеві) - які містять 0.6...1.7 % C.

Кольорові метали

Чиста мідь має високу пластичність, електро- і теплопровідність, корозійну стійкість. З чистої міді виробляють електричні проводи, кабелі, деталі приладів і електричних машин. Мідь добре обробляється тиском і витягується в тонкі листи (фольгу) завтовшки 0,05...0,06 мм, в дріт діаметром 0,02...0,03 мм. Марки міді розрізняють залежно під чистоти. Приблизно 75 % міді витрачається на сплави І іншими металами — цинком, оловом, свинцем, алюмінієм і т. д. Сплави на мідній основі об'єднуються в дві основні групи: латуні та бронзи.

Латунню називають сплав міді з цинком. Коли цинку менше 20 %, латунь називають томпаком. Латунь позначають літерою Л та цифрами, що відповідають відсотковому вмісту міді в сплаві. Якщо в латуні, крім міді та цинку, є інші домішки, то після літери Л ставлять позначення домішок, а далі — цифри, що вказують на середній вміст (у відсотках) компонентів латуні. Таку латунь називають відповідно до введених домішок. Наприклад, марка ЛС 59-1 означає: латунь свинцевиста з 59 % міді, 1 % свинцю та 40 % цинку.

За технологічними ознаками латуні поділяють на ливарні та такі, що обробляються тиском (деформівні). Для покращення механічних властивостей та оброблюваності латуні в мідно-цинковий сплав додають 2...8 % заліза, алюмінію, нікелю та інших елементів. Такі латуні називають спеціальними.

Бронзою називають сплав міді з оловом та іншими елементами, крім цинку. Розрізняють прості (олов'янисті) та спеціальні (безолов'янисті) бронзи. В спеціальних бронзах олово замінено свинцем, алюмінієм, залізом, манганом, кадмієм, берилієм. Залежно від хімічного складу такі бронзи називаються свинцевистими, алюмінієвими, манганистими, берилієвими тощо. Як і латуні, бронзи поділяють на ливарні та деформівні.

Принцип позначення бронзи такий, як і латуні, але цифри за літерами вказують лише на середній відсотковий вміст домішок у сплаві (решта - мідь). Наприклад, БрОЦСН-3-7-5 означає: бронза з вмістом 3 % олова, 7 % цинку, 5 % свинцю та до 1 % нікелю.

Таблиця 1 Марки латуней

Таблиця 2. Марки бронзи

Алюміній та його сплави

Алюміній - світло-сріблястий метал, який має кристалічну решітку гранецентрованого куба з періодом 4,0413 A. Нечутливий до поліморфних перетворень. Алюміній - легкий метал, його питома вага 2,703 г/см³ при 20 ^оС. Алюміній є основою сплавів для легких конструкцій, наприклад в авіаційній техніці. Алюміній має високу електропровідність (65% від міді), тому у великому обсязі використовується в якості провідникових матеріалів в електротехніці. Чистий алюміній має високу корозійну стійкість в зв'язку з утворенням на його поверхні стійкої і щільної окисної плівки Al₂O₃. Це властивість зберігається і в багатьох сплавах, що містять алюміній у вигляді легуючих елементів.

СПЛАВИ АЛЮМІНІЮ ДЛЯ ЛИТТЯ ПІД ТИСКОМ

Сплави з алюмінію ливарні в європейській класифікації в даний час визначає стандарт EN 1676. Він включає системи з різними комбінаціями алюмінію і легуючими елементами Si, Cu, Mg, Mn і Zn:
подвійні сплави Al-Si, Al-Cu, Al-Zn і Al-Mg;
потрійні сплави Al-Si-Mg і Al-Si-Cu;
четверні сплави Al-Si-Mg-Cu.

Сплави алюмінію мають високу питому міцність, здатність протидіяти інерційним і динамічним навантаженням та високі технологічні властивості. Більшість алюмінієвих сплавів мають добру корозійну стійкість (за винятком сплавів з міддю), високі тепло- та електропровідність, добре обробляються тиском, зварюються точковим зварюванням, а деякі і плавленням, добре обробляються різанням, алюмінієві сплави пластичніші, ніж сплави магнію та більшість пластмас.

Основними компонентами сплавів алюмінію є мідь, магній, кремній, марганець і цинк, деколи використовують літій, нікель і титан.

Сплави алюмінію класифікують за технологією виготовлення деталей (деформівні, ливарні, порошкові), за придатністю до термічної обробки (зміцнювані і незміцнювані) та за властивостями.

Деформівні сплави алюмінію розділяють за придатністю до термічної обробки. До незміцнюваних належать сплави системи Аl-Мn, що маркуються літерами АМц і числом — номером сплаву, та сплави системи А1-Мg, в марках яких записують літери АМг та номер сплаву. Ці сплави придатні для умов, що вимагають високої корозійної стійкості, наприклад, трубопроводів для бензину і мастил, зварних баків тощо. Зі сплавів АМг і АМц, які мають межу міцності 110...430 МПа, виготовляють також заклепки, перегородки, корпуси та щогли суден, деталі ліфтів, рами вагонів, кузови автомобілів тощо.

Сплави алюмінію, які зміцнюються термічною обробкою, поділяють на сплави з нормальною міцністю — дуралюміни та високоміцні. Серед деформівних сплавів виокремлюють сплави для обробки тиском — ковкі.

Дуралюмінихарактеризуються добрим співвідношенням міцності та пластичності і належать до сплавів системи А1-Сu-Мg. Дуралюміни мають невисоку корозійну стійкість, тому їх поверхню покривають тонким шаром чистого алюмінію — плакують. Товщина шару алюмінію становить 3...5% товщини листа. Паяння і зварювання дуралюміну не створюють рівноміц-ного з основним металом шва. Тому для нєрознімного з'єднання деталей з дуралюміну переважають заклепкові з'єднання. Заклепки також виготовляють з дуралюміну, причому пластичність загартованих заклепок із сплаву Д1 зберігається лише 2 год, а із сплаву Д16 — 20 хв. Тому для заклепок використовують сплав Д18, в якому завдяки меншому вмісту міді та магнію пластичність зберігається і після старіння.

Дуралюміни широко застосовують в авіації, будівництві та машинобуду-ванні (лопаті повітряних гвинтів (Д1), шпангоути, тяги керування (Д16), деталі будівельних конструкцій, кузови вантажних автомобілів, обсадні труби тощо).

Ковкі сплави алюмінію (АК4-1, АК-4), крім високої міцності, мають високу пластичність у нагрітому стані. За хімічним складом вони близькі до дуралюмінів і відрізняються більшим вмістом кремнію. Їх додатково легують залізом, нікелем і титаном. Ці сплави використовують для виготовлення поршнів, головок циліндрів, обшивки літаків.

Ливарні сплави алюмінію при густині 2,65 т/м³, що менша за густину чистого алюмінію, мають межу міцності від 130 до 360 МПа і твердість від 50 до 100 НВ. Ці сплави поділяють на 5 груп.

Найпоширенішими є сілуміни, що містять 6…13 % кремнію. Вони добре зварюються, мають високу рідкоплинність, малу усадку, не схильні до утворення гарячих тріщин, герметичні. Маркіруються літерами АК (міст кремнію у %). АК12, АК9, АК7 тощо використовуються для мало- та середньонавантажуваних литих деталей складної форми.

Мідні сілуміни (АК5М, АК8М3, АК12М2МгН та ін.) характеризуються високою міцністю при звичайних та підвищених температурах. Вони добре обробляються різанням і зварюються, але ливарні властивості гірші. Застосовуються для виготовлення корпусів компресорів, головок і блоків циліндрів двигунів.

До ливарних відносяться також сплави системи Аl-Cu (AM5) мають найбільш високу міцність, добре обробляються різанням і зварюються. Ливарні властивості цих сплавів є низькими.

Антифрикційні сплави

Антифрикційніматеріали призначені для виготовлення підшипників (опор) ковзання, які часто використовуються в сучасних машинах і приладах завдяки їх стійкості до вібрацій, безшумній роботі та незначним габаритам.

Основними функційними властивостями підшипникового матеріалу є антифрикцінність і стійкість до втоми. Антифрикційність— це здатність матеріалу забезпечувати низький коефіцієнт тертя ковзання з метою досягнення високої зносостійкості як самого підшипника, так і спряженого сталевого чи чавунного вала.

Бабітаминазивають м'які антифрикційні сплави на основі олова або свинцю. Їх маркують літерами "Б", якщо вони на основі олова, "БС" — містять олово і свинець, "БК" — свинець та кальцій, "БН" — олово й домішки нікелю, а також числами, що відповідають вмісту олова у відсотках.

За хімічним складом бабіти поділяють на олов'яні (Б88, Б83), олов'яно-свинцеві (Б16, БС6) та свинцеві (БКА, БК2).

Через великий вміст високовартісного олова такі бабіти використовують для відповідальних підшипників, які працюють при великих швидкостях і високих (Б88) та середніх (Б83, Б83С) навантаженнях (парових турбін, турбокомпресорів, дизельних двигунів суден, опор гребних гвинтів тощо). Через низький опір втомі товщина шару бабіту підшипника не перевищує 1 мм.

Олов'яно-свинцеві бабіти містять не більше 17% олова. М'якою основою у них є твердий розчин олова, сурми та міді у свинці. Бабіт Б16 крихкіший за Б83, тому замінює його у спокійних умовах роботи: у підшипниках електровозів, паровозів, парових машин, гідротурбін тощо. Найдешевшим з бабітів є бабіт БС6; його застосовують у підшипниках нафтових двигунів, металообробних верстатів, а також для ударно-навантажених підшипників автотракторних двигунів. Ще дешевшими с свинцеві бабіти з кальцієм і натрієм (БКА, БК2). Ці бабіти використовують у підшипниках трамваїв і залізничних вагонів, у гірничодобувних машинах тощо. Замінником високовартісних бабітів є алюмінієвий сплав АСМ (3,5...6,5% Sb, 0,3...0,7% Мg, решта — Аl).

До антифрикційних сплавів з м'якою основою належать також олов'янисті та олов'янисто-цинково-свинцевисті бронзи. Це, наприклад, бронзи БрО1ОФ1, БрО10Ц2, БрO5Ц5С5, БрО6Ц6СЗ. Iз них виготовляють підшипники ковзання електродвигунів, компресорів, що працюють при значних тисках і середніх швидкостях ковзання.

Рідкісні метали

За загальною номенклатурою до них зараховують: цирконій, германій, стибій та велику групу так званих акцесорних рідкісноземельних металів, найважливіші з яких вольфрам, кадмій, молібден, церій, берилій, ніобій, реній, ітрій, лантан, літій, гафній, уран і багато інших; умовно також золото та срібло

Родій

Вартість за 1 грам: 58 $

Родій ніколи не використовувався в ювелірній справі, тому любителям коштовностей він навряд чи був знайомий. Першочергова і ледь не єдине завдання цього досить дорогого матеріалу - створювати каталітичні з'єднання, завдяки яким суттєво знижується рівень автомобільних викидів в атмосферу. Про те, яким чином родій впливає на людський організм, вчені все ще сперечаються. Метал продовжують вивчати. Однак уже сьогодні загальновідомими є три факти про родій:

• він забарвлює шкіру людини;
• сплави родію є канцерогенними;
• метал відрізняється високою токсичністю.

У повсякденному житті родій ніде не зустрічається, і ніякої біологічної ролі він не грає.

Платина

Вартість за 1 грам: 60 $

Список, до якого входять кращі матеріали ювелірного виробу, очолює, звичайно ж, платина. Щороку для ювелірних потреб використовується 50 тонн платини, добутої на планеті. Примітно, що рівно половину прикрас, виготовлених з цього благородного металу, виробляють на території Китаю. Це означає лише одне: якщо у вашій скриньці є платинові сережки, браслет або кольє, то ймовірність їх китайського походження дорівнює 50%.

Плутоній

Вартість за 1 грам: 4 000 $

Плутоній - це точно не метал для ювелірних виробів. Як мінімум, тому що він має дуже високу радіоактивність. Не варто дивуватися такій високій, на перший погляд, вартості цієї речовини (далі ви дізнаєтеся, що є метали і подорожче). Досить уточнити, для яких потреб використовується плутоній, щоб в голові склався пазл з відсутніми елементами:

• виготовлення ядерної зброї;
• виробництво ядерного палива, яке дозволяє реакторів працювати;
• використання плутонію в якості джерела енергії для космічних кораблів.

Осмій-187

Вартість за 1 грам: 10 000 $

Далеко не всі дорогоцінні метали використовуються в ювелірній промисловості. Осмій-187 - ще одне яскраве тому підтвердження. Він відноситься до платинових металів, які не мають широкого застосування. Свою незвичайну назву осмій отримав від грецького слова, яке в перекладі означає "запах". Якщо лужної сплав осмірідій помістити в воду або кислоту, він почне розчинятися, виділяючи вкрай неприємний "аромат". Цей запах нагадує одне з двох:

1. або їдкий запах хлорки;
2. або сморід, що йде від підгнилого плода редьки.

У світі існує один-єдиний експортер осмію-187 - це Казахстан. Офіційно ця країна продає дорогоцінний метал за ціною 10 тисяч доларів за один грам

Тритій

Вартість за 1 грам: 30 000 $

Жоден перелік, що включає в себе найдорожчі метали на планеті, без тритію не обходиться. А все тому що на виробництво всього одного кілограма тритію людству доводиться витрачати не менш як три десятки тисяч американських доларів. Тритій - радіоактивний з періодом піврозпаду 1,3 року. Вперше його відкрив Ернест Резерфорд в 1934 році.

1. Приблизно 3 кг тритію - рівно стільки необхідно, щоб запустити Міжнародний експериментальний термоядерний реактор (International Thermonuclear Experimental Reactor).
2. Близько 10 кг тритію - стільки його потрібно для запуску електростанції, яка використовує термоядерний синтез (DEMOnstration Power Plant).

Останніми роками основним джерелом техногенного тритію в навколишньому середовищі стали атомні електростанції, які щорічно виділяють кілька десятків кілограмів тритію.

Каліфорній 252

Вартість за 1 грам: 250 000 000 $

Чверть мільярда доларів США - рівно стільки коштує грам ізотопу 252. Всього існує сімнадцять ізотопів цього металу, але саме ізотоп 252 є найбільш цінним, а значить, і найбільш дорогим. Як показує практика, найбільш дорогоцінні метали на планеті використовуються аж ніяк не для виробництва брязкалець на зразок підвісок чи кольє. Для чого ж використовується найдорожчий матеріал на Землі?

• Ізотоп 252 застосовується в якості потужного джерела нейтронів в ядерному процесі;
• він використовується для опромінення пацієнтів, які страждають раковими пухлинами.

На сьогодні світовий запас цього ізотопу каліфорнію не перевищує восьми грамів. Щорічно для потреб людства отримують не більше чотирьох десятків мікрограмів цього металу.

Індій

Вартість за 1 грам: 0,7 $

Індій - це метал, який можна легко розрізати за допомогою кухонного ножа. Він дуже м'який, легко плавиться і має підвищену ковкість. Самостійних родовищ індію не існує. Цей матеріал є складовою частиною руд - цинкової, мідної або свинцевої. Основні сфери застосування індію - це машинобудування та мікроелектроніка. Для потреб цих галузей виробництва щорічно проводиться кілька тонн індію. Цього цілком вистачає для того, щоб задовольнити запити зазначених вище областей людської життєдіяльності.

Срібло

Вартість за 1 грам: близько 1 $

Ціна цього благородного металу варіюється, починаючи від 50 центів і досягає свого максимального рівня якраз на одній умовній одиниці. Якщо почати перераховувати найпопулярніші ювелірні матеріали, то аргентум напевно виявиться в першій трійці лідерів. Однак ювелірна галузь - не єдина, в якій цей метал дуже популярний. Срібло також застосовують для:

• покриття дзеркал, які є в кожному будинку або квартирі;
• у виробництві фотографій;
• в медичній галузі і в стоматології зокрема;
• в електроніці.

Найбагатшою, з точки зору запасів срібла, країною є сусідня Польща. Багато срібла і в Китаї, а також в Південній і Північній Америці. Неабиякими запасами Аргентуму може похвалитися і Австралія. Загалом, срібла на планеті багато, а тому і ціна цього благородного металу куди більш доступна, ніж вартість інших рідкісних металів.

Рутеній

Вартість за 1 грам: около 2 $

Рутеній - це метал, який одночасно і твердий, і крихкий. Дивно, як ці два абсолютно протилежних властивості уживаються в матеріалі! А між тим рутеній є рідкісним серед металів платинової групи. Він має яскраво-сріблясту текстуру і використовується для:

• виготовлення ювелірних прикрас;
• виробництва електродів;
• створення резисторів;
• отримання лугів і хлору.

Єдиною країною, в якій зосереджено виробництво рутенію, є Південна Африка.

Скандій

Вартість за 1 грам: приблизно 4 $

Сріблястий з жовтим відливом - так можна описати колір, яким володіє скандій - метал, який отримав свою назву на честь Скандинавії. Цей матеріал дуже затребуваний в спортивній індустрії. Він присутній в кожній ключці, призначеної для гри в гольф, і в кожному елітному велосипеді, який може похвалитися міцною рамою. Крім цього скандій використовують при виробництві:

• лазерної техніки;
• роботів;
• літаків;
• ракет і супутників, а також інших інноваційних продуктів.

Батьківщиною скандію вважається Норвегія і острів Мадагаскар - саме там зосереджені найбагатші родовища цього матеріалу.

Реній

Вартість за 1 грам: біля 5 $

Реній має одну з найвищих температур плавлення серед металів. Завдяки цьому він займає почесне третє місце і використовується у виробництві елементів, які в процесі експлуатації повинні витримувати вплив дуже високих температур. Реній - метал дуже рідкісний. Вони має сріблясто-білий колір і найчастіше зустрічається у вигляді складової частини турбін літаків.

Іридій

Вартість за 1 грам: 18 $

У чистому вигляді іридій застосовується вкрай рідко. А ось сплави дорогоцінних металів, в складі яких він присутній, дуже затребувані. Прикраси з додаванням іридію володіють однією незвичайною особливістю: вони завжди виглядають так, ніби їх щойно вийняли з-під скла ювелірного бутика і наділи на тіло. Коштовності з іридію не зношуються і незалежно від терміну експлуатації завжди виглядають, як новенькі. Крім ювелірної справи, іридій бере участь у виробництві інструментів, за допомогою яких оперують хірурги. Зустріти цей рідкісний і дорогий метал можна і в лабораторних терезах, які володіють високою точністю.

Паладій

Вартість за 1 грам: 30 $

Росія і Південно-Африканська Республіка є головними постачальниками паладію на світовий ринок. Цей метал застосовується у виробництві антикорозійного покриття, тому що йому не властиво тьмяніти. Паладій відмінно піддається поліровці, а ще не втрачає блиску з часом. Завдяки невеликій питомій вазі цей метал останнім часом став особливо активно застосовуватися в ювелірній справі. Майстри виготовляють з його участю неймовірні фантазійні прикраси - візуально об'ємні, але досить легкі для того, щоб забезпечити власниці їх комфортну носку.

Золото

Вартість за 1 грам: 35-45 $

Самий ковкий з усіх існуючих металів зустрічається в природі виключно в чистому вигляді. Серед благородних матеріалів саме золото є абсолютним лідером списку. Крім ювелірної справи воно широко застосовується в стоматологічній галузі та електроніці. Велика частина металу надходить на світовий ринок зі Сполучених Штатів і Австралії. Найбільші золоті родовища є також у Південно-Африканській Республіці і Китаї.

Вам може бути цікаво: Запаси металів у земній корі