Общая характеристика цветных металлов и сплавов

1. Общая характеристика цветных металлов и сплавов

1.1. Классификация цветных металлов и сплавов

         Существует несколько признаков классификации.

         По их характерным свойствам цветные металлы можно разделить на следующие группы:

- легкие металлы (плотность менее 3 г/куб.см): бериллий, магний, алюминий;

- легкоплавкие металлы : цинк, кадмий, олово, сурьма, свинец, ртуть, висмут, теллур, имеющие низкую температуру плавления;

- тугоплавкие металлы: титан, хром, цирконий, ниобий. молибден, вольфрам, ванадий, тантал и др., температура плавления которых выше, чем у железа;

- благородные металлы - серебро, золото, платина и металлы группы платины, которые обладают высокой коррозионной стойкостью; к ним иногда относят и “полублагородную” медь;

- урановые металлы (U, Th, Ra, и др.), обладающие радиоактивностью и используемые в ядерной энергетике;

Рекомендуемые материалы

- редкоземельные металлы: лантаноиды (La, Ce, Pr, Sm  и др.), а также иттрий и скандий, используемые преимущественно как присадки в сплавы;

- щелочноземельные металлы  и т.д.

         По назначению цветные металлы и сплавы можно разделить на 2 группы:

1. Конструкционные материалы, используемые для изготовления различных деталей, узлов машин и конструкций. К ним относится большинство сплавов на основе меди, алюминия, магния, титана и т.д.: а)материалы с особыми технологическими свойствами (сплавы на основе меди - латуни и бронзы), б)материалы с малой плотностью (сплавы на основе алюминия и магния), в)материалы с высокой удельной прочностью (титан, бериллий и сплавы на их основе), г)антифрикционные материалы - подшипниковые сплавы (баббиты и др.), д)материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды - коррозионностойкие (серебро, золото, платина и др.), жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие, радиационно-стойкие материалы и др.

2. Металлы и сплавы с особыми физическими свойствами: а) материалы с особыми электрическими свойствами - с высокой электропроводностью, с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов и реостатов, припои, полупроводниковые материалы; б) материалы с особыми магнитными свойствами;        в) материалы с особыми тепловыми свойствами.

                Учитывая, что один и тот же металл часто является основой сплавов разного назначения, распространена классификация металлических сплавов по основному металлу. Наиболее широкое применение в технике в соответствии с этим классификационным признаком находят следующие материалы: а) сплавы на основе меди,  б) сплавы на основе алюминия, в) сплавы на основе титана, г) сплавы на основе магния, д) сплавы на основе бериллия, е) сплавы на основе легкоплавких металлов - цинка, олова, свинца и др., ж) тугоплавкие металлы (V, Nb, Zr, W, Mo, Ta) и сплавы на их основе,  з) благородные металлы (Ag, Au, Pt и др.) и сплавы на их основе.

         Эти материалы и будут преимущественно рассматриваться в данном курсе.

1.2. Сопоставительная характеристика цветных металлов

         Как следует из данных таблицы 1.1, элементы в разной степени распространены в природе. Если содержание таких металлов, как Al, Fe, Mg,  составляет несколько процентов, то содержание таких элементов, как W, Ag, Au, Pt, не превышает десятитысячных и даже миллионных долей процента.

         Таблица 1.1 - Распространенность ряда металлов в природе

         В таблице 1.2 приведены некоторые физические свойства наиболее широко применяемых цветных металлов, определяющие многие направления их использования. Так, минимальные значения электросопротивления имеют (в порядке его возрастания) серебро, медь, золото и алюминий. Поэтому эти металлы используются в электротехнике как материалы с высокой электропроводимостью. Из сравнения плотности этих металлов следует, что в сравнении с алюминием медь тяжелее его в 3,3 раза, серебро - в 3,9 раза, а золото - в 7,1 раза. Поэтому алюминий, имея несколько более высокие значения удельного электрического сопротивления в сравнении с этими металлами, вследствие малой плотности часто применяется для изготовления проводников большого сечения (например, провода для высоковольтных линий электропередач). В то же время серебро и золото, обладающие высокой коррозионной стойкостью, используются как материал для контактов и других токоведущих элементов точных приборов и электронных устройств, работающих в агрессивных средах.

         При необходимости обеспечения минимального веса конструкций и изделий их изготавливают из сплавов таких металлов, как магний, бериллий, алюминий, титан, плотность которых соответственно в 4,5,  4,2,  2,9 и 1,8 раза меньше, чем у железа. Тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден, ниобий- используются для изготовления изделий, нагревающихся в процессе работы до высоких температур, в частности, нагревательных элементов, нитей накаливания  осветительных приборов (вольфрам).

         Таблица 1.2 - Физические свойства ряда чистых металлов

                Металлы с низкой температурой плавления - олово, свинец, цинк - являются основой легкоплавких сплавов, подшипниковых материалов, припоев. Коррозионностойкие непассивирующиеся металлы (золото, серебро, платина) используются для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах, например, химической посуды (платина), декоративных и защитных покрытий и т.д. Высокой коррозионной стойкостью обладают и такие элементы, как титан и алюминий, но, в отличие от “благородных” металлов, они являются пассивирующимися (самопассивирующимися) металлами, высокая коррозионная стойкость которых обусловлена образованием на поверхности изделий стойкой пленки окислов.

         Свойства, характерные для чистых металлов, в значительной мере присущи и сплавам на их основе. Безусловно, свойства сплавов изменяются в зависимости от их состава и структуры. Так, например, сплавы на основе алюминия в сравнении с чистым металлом характеризуются более высокой прочностью, но более низкими показателями электропроводности и коррозионной стойкости. Температура плавления сплава, в зависимости от его состава, может оказаться как выше, так и ниже таковой у чистых компонентов.

         Поэтому выбор материала для конкретного применения определяется комплексом требований, учитывающих действующие нагрузки, условия эксплуатации, требования по массе изделий, их удельной прочности и т.д. При этом, безусловно, следует учитывать и стоимость материала, конкурентоспособность изделий и другие факторы.

         В таблицах 1.3 и 1.4. приведены данные об относительной стоимости чистых металлов (табл. 1.3, за 1 принята стоимость алюминия технической чистоты марки А8) и некоторых сплавов  (табл.1.4., за 1 принята стоимость силумина АЛ 2).

         Таблица 1.3 - Относительная ориентировочная стоимость цветных

                                   металлов промышленной чистоты

         Таблица 1.4 - Относительная стоимость некоторых сплавов