Какие свойства металлов используют в технике

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.

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.

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

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

Источник

Материальный фундамент, на котором стоит современная человеческая цивилизация, образует железо. Из сплавов железа – сталей – изготовлена и построена подавляющая часть машин, аппаратов, сооружений. На долю железа от общего объема производства металлов приходится более 90%.

Второе место по масштабам использования занимает алюминий, хотя его история насчитывает всего около двух столетий. Конструкторов – создателей новой техники привлекают такие качества алюминия, как малая плотность (в 3 раза меньше, чем у меди и железа), пластичность при относительно высокой прочности, коррозионная стойкость. По электро- и теплопроводности он лишь немного уступает меди. В результате легирования другими элементами (Si, Мg, Ве, Тi, Сu, Ni) и термообработке удается получать сплавы, значительно превосходящие по прочности и твердости чистый алюминий. Благодаря этим свойствам алюминий является основным металлом в авиационной и ракетно-космической промышленности. Алюминий составляет примерно половину массы ракет, а в пассажирских самолетах его доля доходит до 2/3 или даже до 3/4. Непрерывно увеличиваются масштабы использования алюминия и в других видах транспорта.

В последние годы интенсивно развивается индустрия строительных конструкций из алюминиевых сплавов. Крупный потребитель алюминия – электротехническая промышленность: провода, кабели, обмотки моторов и трансформаторов, конденсаторы и др.

Коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тончайшей (0,0001 мм) оксидной пленки, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления воздухом.

Алюминий широко применяется и в металлургии: в качестве активного химического элемента-восстановителя для раскисления стали и в алюмотермических способах получения многих металлов и сплавов.

Третье место по объему производства и потребления занимает медь. Медь – главный металл электротехники, обладающий наивысшей электропроводностью (за исключением серебра). В сочетании с хорошей пластичностью и достаточно высокой прочностью медь является «идеальным» материалом для изготовления токопроводящих изделий: проводов, кабелей, контактов и др. Очень высокая теплопроводность меди делает ее незаменимой в производстве многих теплотехнических устройств: нагревателей, холодильников.

Широкое распространение в промышленности нашли сплавы меди с цинком (латуни) и с оловом (бронзы). Сплавы меди с никелем служат для изготовления монет (денежных знаков).

Примерно половина производимой меди в настоящее время используется в радиотехнике и электротехнической промышленности. Древнейший сплав меди с цинком – латунь и в настоящее время производится в больших количествах. Содержание цинка в латуни составляет 30-45%. Она применяется для изготовления различной арматуры, соприкасающейся с водой (краны, вентили и т.д.), а также для производства различных труб.

Добыча и производство рафинированной меди в мире резко увеличилось за последние 30 лет. Это связано, в первую очередь с увеличением спроса на металл, так как большие развивающиеся страны, такие как Китай, Индия и Бразилия вышли на мировой рынок. В тот же период крупнейшей областью добычи меди стала Южная Америка. Чили – лидер по добыче меди в мире.

Медь – важная составляющая в двигателях, радиаторах, соединителях, тормозах и других комплектующих, используемых в легковых автомобилях и грузовиках. Средний автомобиль содержит 1,5 километра медного провода, а общая масса медных деталей составляет от 20 килограммов в маленьких автомобилях до 45 килограмм в роскошных и гибридных автомобилях.

Никель. В течение почти 150 лет со времени открытия никель не находил промышленного применения. И лишь во второй половине XIX века, когда были открыты замечательные свойства никеля улучшать качество сталей, его производство начало быстро расти.

До 70% никеля используется в производстве жаропрочных и нержавеющих сталей. Совместно с другими металлами никель входит в состав твердых и сверхтвердых сплавов. Сплав «инвар» обладает очень малым коэффициентом термического расширения; сплав «нихром» используется в нагревательных приборах; упругий сплав «элинвар» – отличный материал для пружин; ряд никелевых сплавов обладает высокими магнитными свойствами. Всего в технике и в быту используется более 3000 сплавов, в состав которых входит никель.

Никель используется как катализатор ряда химических процессов, как прекрасное декоративное и антикоррозионное покрытие других металлов (меди, железа). В промышленности налажено широкое производство железоникелевых щелочных аккумуляторов. Находят применение и некоторые соли никеля.

Магний. Одной из отличительных особенностей магния является его низкая плотность – 1,74 г/см3, что в 4,5 раза меньше, чем у железа и в 1,5 раза меньше, чем у алюминия. Ученым удалось создать с участием магния ряд сплавов – легких, прочных, термостойких. Для легирования Мg используют Тi, Аl, Zn, Мn, Ве, Li, Сd, Се, Сu.

Элементы ракет и ядерных реакторов, детали моторов, баки для бензина и масел, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, фото- и киноаппараты – вот неполный перечень изделий из магниевых сплавов. Немаловажную роль играет магний и в металлургии: в качестве раскислителя сталей, восстановителя ряда других металлов (титана, ванадия, хрома, циркония), для модификации чугунов. Наконец, оксид магния используют для производства огнеупорных материалов, применяющихся при строительстве металлургических печей.

Не потеряли своей ценности и старые хорошо известные человеку металлы. Цинкиспользуют в качестве антикоррозионного покрытия железа, для изготовления электрических батарей, в качестве осадителя золота и серебра из цианистых растворов, для производства сплавов с медью и другими металлами. Олово входит в состав сплавов с Сu и Рb – бронз и бабиттов (материалов для изготовления подшипников скольжения). Около одной трети свинцарасходуется на производство электрических аккумуляторов для автомобильного и других видов транспорта; свинцовыми пластинами облицовывают помещения для защиты от проникающих излучений (рентгеновских лучей, излучения радиоактивных изотопов); свинцом покрывают внутренние поверхности многих химических реакторов (учитывая его высокую химическую стойкость против воздействия некоторых кислот и щелочей).

Благодаря своей химической стойкости, привлекательному внешнему виду и высокой стоимости золото и серебро в эпоху развития товарно-денежных отношений приобрели значение меновых эквивалентов и меры стоимости, выполняя функции денег. В дальнейшем функции денежного эквивалента стало выполнять только золото.

Из благородных металлов и сплавов изготавливают припои, электроконтакты, термосопротивления, термопары, фильеры для искусственного волокна, постоянные магниты, нагреватели лабораторных печей, химическую посуду, антикоррозионные покрытия на других металлах, медицинский инструмент, катализаторы, зубные протезы, ювелирные, наградные и другие изделия промышленного и бытового назначения.

Серебро находит широкое применение в химической промышленности в качестве катализатора ряда химических процессов, в производстве светочувствительных эмульсий для фото- и киноматериалов (до недавнего времени). Значительное количество серебра расходуется на изготовление припоев, применяемых при пайке. Серебряные припои образуют прочные и пластичные спаи. Их стойкость к окислению послужила причиной широкого применения в авиационной и космической технике, а высокая электропроводность – в электротехнике. Золото и серебро в настоящее время кроме производства ювелирных изделий используют в электронных приборах – для изготовления надежных неокисляющихся контактов.

Наряду с электронной промышленностью потребителями золота выступают и другие отрасли: химическая, аэрокосмическая, часовая, легкая, а также архитектура. Использование золота в этих отраслях может быть объединено термином «золочение». Золотом стали покрывать архитектурные детали, а также купола церквей, мечетей и соборов.

По итогам 2011 года Россия добыла и произвела 212 тонн золота.

В результате технической революции середины XX века появились новые процессы, технологии, отрасли промышленности: электроника, ядерная энергетика, ракетно-космические комплексы. Оказалось, что многие редкие металлы способны удовлетворять заданным требованиям.

Бериллий – высокая радиационная стойкость (замедлитель нейтронов в ядерных реакторах), самая высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности).

Литий – самый легкий металл (вдвое легче воды), литиевые аккумуляторы (срок службы в 3 раза, емкость в 6-7 раз выше), литиевые смазки (-60оС).

Вольфрам, молибден – нагреватели в электропечах, выплавка легированных сталей (инстр., быстрореж., жаропроч.), производство твердых сплавов (инструменты).

Титан – реактивная авиация, ракетно-космическая техника, твердые, жаростойкие сплавы (карбид титана).

Цирконий – изготовление элементов ядерных реакторов (трубы, оболочки), огнеупоры, фарфор, эмали (ZrO2).

Уран – основное горючее ядерных реакторов.

Германий – полупроводниковая электроника.

Рений – химическая и нефтяная промышленность в качестве катализаторов, электровакуумная техника.

Селен, теллур – электро- и радиотехника, фототранзисторы, солнечные батареи, термоэлектрические устройства.