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
Элемент | Количест-во, % | Элемент | Количест- во, % | Элемент | Количест-во, % |
Алюминий | 8,8 | Медь | 0,01 | Вольфрам | 0,0001 |
Железо | 5,1 | Никель | 0,008 | Сурьма | 0,000004 |
Магний | 2,1 | Цинк | 0,02 | Серебро | 0,000001 |
Титан | 0,6 | Свинец | 0,0016 | Палладий | 0,000001 |
Хром | 0,02 | Ниобий | 0,001 | Золото | 0,0000005 |
Цирконий | 0,02 | Молибден | 0,0003 | Платина | 0,0000005 |
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
Элемент | Плот-ность при 20 °С, г/см3 | Температу-ра плавления, °С | Теплопро-водность (0-100°С), Вт/(м х К) | Средняя удельная теплоемкость (0-100°С), Дж/(кг х К) | Электросопротивление при 20°С, МкОм х см |
Железо Магний Алюминий Бериллий Титан Медь Серебро Золото Свинец Олово Ниобий Молибден Вольфрам | 7,87 1,74 2,70 1,85 4,5 8,96 10,5 19,3 11,68 7,3 8,6 10,2 19,3 | 1539 649 660 1287 1667 1083 961 1063 327 232 2467 2615 3400 | 78,2 155,5 238 194 21,6 397 425 315,5 34,9 73,2 54,1 137 174 | 456 1038 917 2052 528 386 234 130 129,8 226 268 251 138 | 10,1 4,2 2,67 3,3 54 1,694 1,63 2,2 20,6 12,6 16 5,7 5,4 |
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
Металл | Относительная стоимость, ед. | Металл | Относительная стоимость, ед. |
Бериллий Алюминий Медь Свинец Ниобий Молибден Тантал | 311 - 324 1 - 1,8 1,5 - 1,9 1,2 - 2,2 50 - 87,8 27,7 - 40,8 723 | Магний Титан Цинк Олово Ванадий Вольфрам Цирконий | 1,5 - 1,6 1,2 - 4 1,1 - 1,2 25,5 - 29 58,1 - 294,6 30,3 - 31,1 36,5 |
Таблица 1.4 - Относительная стоимость некоторых сплавов
Основа сплава | Тип или марка сплава | Относительная стоимость, ед. |
Алюминий Медь Магний Олово Свинец Железо | Деформируемые сплавы Литейные сплавы Латуни Бронзы: оловянные/безоловянные Обычные / с Zr и Nb Баббиты: Б88/ Б83 Баббиты: БН / БК 2 Углеродистые качественные конструк-ционные стали (прокат) | 1,2 - 1,6 1 - 2,4 Рекомендация для Вас - 34 Карусельные и лобовые станки. 1,7 - 2,4 (2,5-7,1)/(1,8-2,5) (2 - 2,45)/ 7,3 42,9 / 37,4 4,4 / 2,8 0,47 - 0,52 |
Рекомендуемые лекции
- 1 Оглавление
- 3 Острые и хронические заболевания носа и его придаточных пазух
- 12 Общие принципы медико-тактической характеристики химических очагов поражения
- 20 Взаимодействие судебных органов с органами законодательной и исполнительной ветвей власти по вопросам законодательства
- 34 Карусельные и лобовые станки