Цветные металлы: их свойства и основные сплавы, применение

Цветные металлы: их свойства и основные сплавы, применение

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы, в составе которых нет железа. Самые востребованные из них в промышленности – это медь, бронза, латунь, титан и алюминий. Эти металлы используют в авиа- и машиностроении, из них выпускают разнообразные детали и механизмы, изготавливают предметы интерьера, строительные материалы, провода и трубы.

Какими свойствами обладают цветные металлы:

• Алюминий – легкий вес, пластичность, хорошая электропроводность, устойчивость к воздействию коррозии;
• Титан – высокие прочностные характеристики, термоустойчивость, легковесность, химическая инертность к агрессивным средам;
• Медь – пластичность, тепло- и электропроводность, сопротивляемость к появлению коррозии.

Из меди изготавливают латунь и бронзу – многокомпонентные и двухкомпонентные сплавы, которые получаются при смешивании металла с цинком, оловом и другими элементами. Из алюминия производят литейные и деформируемые металлические материалы – авиали, силумины, дюралюмины. Из титана создают высокотехнологичные сплавы, обладающие повышенным уровнем прочности и жаростойкости.

Характеристики меди и медных сплавов

Медь относится к тяжелым металлам с высокой плотностью. Характерная внешняя особенностью этого материала – красный цвет. По параметрам электро- и теплопроводности медь стоит на втором месте после серебра. Она имеет большую температуру кипения и плавления – 1083 °C, хорошо поддается обработке.

По уровню востребованности и потребления в промышленности медь находится на втором месте после алюминия.

Основные сплавы цветных металлов из меди:

1. Бронза – отличается хорошими литейными качествами, используется для изготовления фасонных отливок, деталей, к которым предъявляются повышенные требования по коррозийной стойкости. Для получения бронзы используют различные присадки – это многокомпонентный вид сплава. В зависимости от своего состава он может быть оловянным, алюминиевым, бериллиевым, свинцовым и кремнистым;
2. Латунь – имеет в своем составе до 45% цинка, характеризуется высокой пластичностью, применяется для создания листового проката, прутков, труб, проволоки и отливок, производства ювелирных украшений. При низком содержании цинка латунь имеет красноватый оттенок, при высоком (свыше 20%) – желтый. Самые распространенные наименования латунных сплавов с низким содержанием цинка – симилор, ореид, хризохалк, хризорин и томпак. Сплавы из латуни чаще представлены в ассортименте латунного проката.

Чаще всего медь сплавляют с цинком и никелем, оловом, фосфором, бериллием и алюминием. Цинк улучшает прочностные характеристики этого металла, олово и алюминий – коррозийную стойкость. Никель повышает твердость и жидкотекучесть меди, изменяет ее температуру плавления. Фосфор играет роль раскислителя, удаляет вредные примеси. Бериллий улучшает показатели износостойкости и упругости.

Добавление примесей в медь позволяет снизить ее уровень тепло- и электропроводности, улучшить прочностные и антикоррозийные характеристики, устойчивость к агрессивным средам.

В нашем интернет-магазине можно подробнее ознакомится с ассортментом медного прокатата

Разновидности бронзовых сплавов и их применение

Бронзовые сплавы делятся на следующие группы:

• Бериллиевые – содержат до 2,5% бериллия, часто используются для изготовления пружинных элементов для механизмов, которые эксплуатируются в агрессивных средах;
• Свинцовые – содержат до 30% свинца, отличаются прекрасными антифрикционными свойствами, применяются для производства подшипников скольжения;
• Алюминиевые – содержат до 11% алюминия, имеют более низкие литейные качества, чем у оловянных бронз, но превосходят их по антифрикционным и механическим характеристикам. В составе алюминиево-бронзовых сплавов часто присутствуют никель, марганец и железо. Эти присадки улучшают антикоррозийные и прочностные свойства металла, делают алюминиевые изделия более долговечными. Из бронз такого типа производят направляющие и втулки, трубные заготовки, гайки нажимных винтов, седла клапанов.
• Кремнистые – содержат до 3-4% кремния. Кремнистые бронзы часто легируют марганцем, цинком и никелем, что делает их похожими по механическим свойствам на стали. Из такого вида сплавов чаще всего изготавливают разнообразные запчасти для транспорта, баки, резервуары, антифрикционные детали, проволоку, листы и ленты.

Основные свойства цветных металлов и сплавов из алюминия

Алюминий – серебристо-белый металл малой плотности. Он плавится при температуре 660 °C и отличается высоким уровнем ковкости. Чистый алюминий практически не используют в производстве, так как он очень пластичен и недостаточно прочен. Для улучшения его механических свойств в него добавляют различные примеси:

• Магний – повышает прочность и предел текучести алюминия;
• Марганец – делает металл более износоустойчивым и сопротивляемым к коррозии;
• Медь – улучшает механические свойства и термоустойчивость изделий из алюминия;
• Кремний – повышает износостойкость и литейные качества сплава, его степень жидкотекучести;
• Цинк – защищает металлический сплав от коррозии.

Из алюминия изготавливают проводники тока, листовой материал для горячей и холодной штамповки. Сплавы с добавлением меди и магния используют в производстве обшивки для самолетов, лопастей винтов, из них создают изделия, выдерживающие высокие нагрузки, кованые и штампованные детали сложной конфигурации. Подробнее ознакомится с продукией можно к разделе алюминиевый прокат

Виды и использование цветных сплавов из алюминия:

• Деформируемые – алюминиевые сплавы, для упрочнения которых используют термическую обработку. Из них изготавливают шпангоуты и лонжероны для самолетов, заклепочные соединения, фасонные профили, трубы, листы и тали.
• Литейные – к наиболее часто встречающимся разновидностям такого сплава можно отнести силумины. Это металлы, в составе которых, помимо самого алюминия, присутствует до 10% кремния. Силумины используются для изготовления водопроводных кранов, посуды и других бытовых изделий. Из них производят пневматические винтовки, скульптуры и технику, детали для машинных двигателей

Основные свойства литейных алюминиевых сплавов – прочность, легкий вес и высокие литейные характеристики.

Ключевые химические свойства цветных металлов и сплавов из титана

Титан обладает низкой теплопроводностью, легким весом, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Его температура плавления – 1670 °C, а модуль упругости — 110 Гпа. Сплавы из этого металла широко используют в космической промышленности, авиации и ракетостроении.

Какие сплавы цветных металлов изготавливаются из титана:

• Жаропрочные – производятся путем добавления в титан присадок из циркония, молибдена, алюминия, хрома, кремния и железа;
• Конструкционные – помимо титана, содержат примеси ванадия, алюминия, кремния и молибдена;
• Химические – сплавы, основанные на интерметаллической фазе, для высокотемпературного применения.

Сплавы из титана используют для изготовления установок опреснения морской воды и сжижения природного газа. Из них выпускают различные элементы для атомных электростанций и нефтеперерабатывающих заводов, создают теплообменники и биомедицинские изделия.

Медь

Медь (лат. cuprum) — химический элемент с символом Cu и атомным номером 29. Это металл 4-го периода в 11-й группе периодической таблицы химических элементов. Латинское название cuprum происходит от «aes cyprium» (руда с острова Кипр), где медь добывалась в древности.

Как относительно мягкий металл, медь относительна легка по весу и прочна по форме, обладает прекрасной гибкостью и пластичностью. Является отличным проводником тепла и электричества.

Историческая справка

Медь является одним из самых важных элементов древности. Медь, золото, серебро и олово были первыми металлами, которые человечество узнало в своем историческом развитии. Поскольку медь легко обрабатывается, она использовалась древнейшими культурами более 10 000 лет назад. Время широкого использования меди пришлось с 5 тысячелетия до н.э. до 3-го тысячелетия до н.э.

Однако, в чистом виде медь оказалась относительно мягкой для производства оружия и инструментов. Поэтому древние люди путем экспериментов, добавляя в расплавленную медь кусочки свинца и олова, получили бронзу. Это гораздо более твердый материал, чем нелегированная медь. Бронза используется человечеством уже более 5000 лет. Этот сплав дал название целой исторической эпохе.

В алхимии медь ассоциировалась с Венерой (женственностью). Безусловно не в последнюю очередь потому, что первые зеркала, которыми пользовались женщины, были сделаны из этого металла.

Физические свойства

При плотности 8920 кг/куб.м медь является одним из тяжелых металлов с температурой плавления 1083,4 С. Она кристаллизуется в гранецентрированную кубическую систему (ГЦК) и имеет твердость по Моосу от 2,5 до 3. Медь очень хорошо проводит электричество. Немного хуже, чем серебро, и значительно лучше золота. Кроме того, медь является очень хорошим проводником тепла.

Однако алюминий является лучшим электрическим проводником на грамм вещества, чем медь. Но он более объемный, так что медь на квадратный сантиметр сечения кабеля проводит электричество лучше, по сравнению с аналогичным сечением провода из алюминия.

Чистая металлическая медь имеет ярко-красный цвет с розовым отливом. На воздухе медь приобретает красновато-коричневый оттенок. Из-за дальнейшего окисления и коррозии очень медленно (часто в течение столетий) на поверхности меди образуется патина. Металлический блеск теряется, а цвет меняется с красновато-коричневого на голубовато-зеленый.

Месторождения меди

Медь иногда встречается в природе в чистом виде как твердый элемент. В основном в базальтовых лавах. Она находится там в виде самородка (затвердевшего расплава) или в разветвленных породных структурах, так называемых дендритах, очень редко в кристаллической форме. Доля чистой меди в природе очень низка.

Напротив, медные руды очень распространены. Медь добывается из следующих минералов: халькопирита (медный гравий — CuFeS2), халькоцита (медный глянец — Cu2S), реже из борнита (Cu5 FeS4), атакамита, малахита и других. Крупнейшие месторождения меди в мире находятся в Чили, США, России, Замбии, Канаде и Перу.

Основной страной-производителем меди является Чили, за ней следуют Индонезия и США. Основные страны-экспортеры объединены в содружество стран-производителей — CIPEC. К CIPEC принадлежат Чили, Перу, Австралия, Индонезия, Демократическая Республика Конго и Папуа-Новая Гвинея.

Производство меди

Для производства меди из медного гравия (CuFeS2) первоначально получают так называемый медный камень (Cu2S с различным содержанием FeS) с содержанием меди около 70%. Для этого исходный материал нагревают с добавлением кокса и содержащихся в нем оксидов железа, зашлакованных кремнистыми заполнителями. Полученный шлак из силиката железа плавает в расплаве на поверхности и может быть легко слит. Далее медный камень перерабатывается в сырую медь (черная медь) с содержанием меди около 98%.

Для этого расплав заливают в конвертер и вдувают воздух. На первой стадии (продувка шлаком) содержащийся в нем сульфид железа обжаривается до оксида железа, и происходит связывание хлопьевидного кварца со шлаком, который можно слить. На втором этапе две трети оставшегося Cu2S окисляются до Cu2O. Затем оксид реагирует с оставшимся сульфидом с образованием неочищенной меди. Сырая медь (цементная медь) затем очищается электролитическим способом.

Медь мигрирует в виде ионов через электролит к катоду и осаждается там. Итоговое содержание меди — 99,99% с очень маленькой примесью других веществ. Менее благородные металлы этих примесей остаются растворенными в электролите, более благородные металлы (включая серебро и золото) образуют «осадок электролита» и далее обрабатываются отдельно.

Применение меди

Современный рынок предлагает широкий спектр потребительских товаров с содержанием меди: от посуды до компьютеров. Медь используется для производства монет, электрических проводов, ювелирных изделий, столовых приборов, фитингов, чайников, прецизионных деталей, произведений искусства, музыкальных инструментов, трубопроводов и многого другого.

Для электрических токопроводящих кабелей и линий, печатных плат и интегральных схем, электрических компонентов (обмотки трансформаторов, дроссели индуктивности, анодные тела магнетронов) используется только чистая медь из-за ее очень хорошей электропроводности. Для воздушных линий используется бериллиевая медь.

Медь обладает высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне и поэтому используется в качестве зеркал для лазерных установок на углекислом газе. Из-за ее хорошей теплопроводности, медь часто используется в качестве тепловых радиаторов.

Медь является частью многих сплавов, таких как золотисто-желтая латунь (с цинком), бронза (с оловом) и никелированное серебро (с цинком и никелем). Кованые сплавы (латунь и никелированное серебро) приводятся в желаемую форму с помощью пластического формования (горячая штамповка: прокатка, ковка или холодная штамповка: волочение проволоки, ковка, холодная прокатка, глубокая вытяжка), в то время как литые материалы (оружейная сталь, бронза) обычно трудно или невозможно формовать пластическим способом.

Объекты с серебристо-белым (похожим на нержавеющую сталь) внешним видом часто на самом деле представляют собой сплавы с высоким содержанием меди, так как цвет меди полностью исчезает при добавлении никеля. Современные монеты изготовлены из сплава меди, цинка, алюминия и олова. Соединения меди используются в цветных пигментах, в качестве тонеров, в медицинских препаратах и гальванических покрытиях. Благодаря благородному внешнему виду медь незаменима в мебельной промышленности и в области декора.

Биологический эффект

Медь является компонентом голубого гемоцианина, который используется многими моллюсками и членистоногими в качестве красителя крови для транспортировки кислорода. Медь также является жизненно важным микроэлементом высших организмах и входит в состав многих ферментов.

Суточная потребность меди для взрослого человека составляет около 2 миллиграммов.

Депо меди в организме человека находится в печени. Избыток меди выводится через пищеварительную систему вместе с желчью. По сравнению со многими другими тяжелыми металлами переизбыток меди не наносит существенного вреда организму. Человек может съедать 0,04 грамма меди в день, не причиняя вреда своему здоровью. Медь в основном содержится в шоколаде, печени, злаках, овощах и орехах.

Дефицит меди редко диагностируется у людей. В основном он наблюдается при хронической диарее, у недоношенных детях, при длительном голодании. Потребление высоких доз цинка, железа или молибдена может привести к снижению количества меди в организме. В свободной (не связанной с белком) форме медь обладает выраженными антибактериальными свойствами. Такими же качествами обладает и чистое серебро.

Сульфат меди (медный купорос) является сильным рвотным средством и поэтому используется для лечения многих интоксикационных заболеваний на стадии острого реагирования.

Медь и вода

Средняя концентрация меди в морской воде составляет около 0,2–3 частей на миллиард, хотя значения могут сильно варьироваться. Речная вода обычно составляет 2-5 частей на миллиард. Водоросли содержит около 2-68 частей на миллион (сухое вещество), в то время как устрицы содержат около 63 частей на миллион. В растворенном состоянии элемент находится в форме CuOH + или в виде неионного CuCO3. Кроме того, медь имеет сильную тенденцию к образованию хелатов с использованием доступных органических веществ.

Как и в каких соединениях медь реагирует с водой?

Металлическая медь при нормальных условиях является коррозионно-стойким материалом.

Растворимость меди и / или ее соединений в воде

Элементарная металлическая медь нерастворима в воде, как и оксид меди, сульфат меди. С другой стороны, хлорид меди (I) имеет растворимость в воде 200 мг / л, а медный купорос до 220 г / л.

Как медь может попасть в воду?

Медь содержится в различных минералах, таких как халькопирит, малахит, азурит или куприт. Несмотря на возможное выветривание, его можно найти лишь в небольших количествах в природных водах. Соединения меди также используются в сельском хозяйстве и, таким образом, выбрасываются в окружающую среду. Некоторая часть меди и ее соединений может быть переработана. Однако они часто попадают на мусоросжигательные заводы, откуда, в свою очередь, в определенной степени могут попадать в окружающую среду.

Не следует недооценивать количество меди, которая растворяется при взаимодействии дождевой воды с кровельными материалами. В результате также часто увеличивается содержание меди в осадке сточных вод.

Какие экологические проблемы может вызвать загрязнение воды медью?

Медь имеет важное значение для многих, если не для всех живых существ, в том числе потому, что она входит в состав многих ферментов.

Содержание меди в нормальных воздушно-сухих почвах в среднем составляет около 10-20 частей на миллион с диапазоном около 1-80 частей на миллион. Однако в загрязненных почвах может встречаться даже 3500 частей на миллион. Медь относительно неподвижна в почве, растворимость этого элемента самая низкая при pH 5-6. Она в основном накапливается в верхних слоях почвы, где связывается как с неорганическими, так и с органическими веществами.

Содержание азота в почве, вероятно, влияет на пассивный перенос меди. Симптомы дефицита у растений обычно возникают при концентрациях ниже 5 ppm. Травянистые растения и листья деревьев обычно содержат около 2-20 частей на миллион (в пересчете на сухое вещество), при этом можно предположить, что дефицит меди проявляется менее 3 частей на миллион. Кроме того, молодые растения содержат больше меди, чем более старые. В лишайниках содержится около 9-24 частей на миллион, а в грибах — около 7-160 частей на миллион.

Ионы Cu 2+ особенно токсичны для многих мелких организмов, таких как бактерии, грибы и водоросли. Таким образом, токсичность металлической меди для теплокровного организма очень ограничена, поскольку она почти не растворяется в нем. Отравление медью более вероятно при приеме уже растворенных соединений или ионов меди. Особенно чувствительны к этому жвачные животные.

Медь наносит косвенный ущерб окружающей среде, поскольку она катализирует образование диоксинов и фуранов во время сжигания отходов.

Источник https://colormet.by/stati/cvetnye-metally-ih-svojstva-i-osnovnye-splavy-primenenie/

Источник https://snab365.ru/copper-main/