Материаловедение

Металл серебристо-белого цвета — магний химически очень  активен. Если магний сильно нагреть, он ослепительно вспыхивает, давая яркое  белое пламя. Раньше такой вспышкой магния пользовались при фотографировании.

Однако сплавы магния не только не загораются с повышением температуры, но остаются твердыми даже при таком нагреве, когда сталь  плавится и течет. Поэтому из сплавов  магния делают детали самолетов и  двигателей, которые работают при очень высокой температуре. Применяются магниевые сплавы и в космических ракетах.

Еще большую роль играет в технике т и-т а н. Он почти вдвое тяжелее алюминия, зато в 6 раз прочнее его. Поэтому титановые детали можно делать очень тонкими, и они будут легче и прочнее алюминиевых. Кроме того, титан — чрезвычайно тугоплавкий металл. Его температура плавления 1668° С — выше, чем у стали. Поэтому самолеты из титановых сплавов достигли скоростей, в 2 и 3 раза превышающих скорость звука: их обшивка не плавится при больших температурах, образующихся при трении об атмосферу. Уникальна химическая стойкость титана. Химическое оборудование из титановых сплавов служит во много раз дольше, чем из нержавеющей стали.

Все большее применение в промышленности находит ртуть. Все знают ртутные термометры. Но ртуть входит и в состав некоторых  лекарств, употребляется в горном деле («гремучая ртуть» в детонаторах), в электротехнике, в химической промышленности.

Разнообразие свойств цветных металлов обусловило и разные методы их получения.

Как и черные металлы, цветные получают из рудного концентрата: предварительно обогащенной руды (см. Обогащение полезных ископаемых). Но здесь процесс обогащения сложнее, поскольку в рудах всегда присутствуют и «посторонние» элементы, от которых необходимо избавляться. В первую очередь это сера, железо и кислород.

Сначала из руды путем  «обмена» удаляют серу: место серы временно должен занять другой элемент. Обычно «заменителем» оказывается  кислород. Делают это при обжиге руды: при высокой температуре  металлы «соглашаются» расстаться с серой и принять на ее место  кислород. Теперь перед металлургами новое соединение — оксид: соединение металла с кислородом. Иногда серу вытесняют не кислородом, а хлором. Тогда концентрат не обжигают, а  хлорируют. Затем необходимо освободить металл от кислорода или хлора. С  этим процессом — восстановлением  металла — вы можете познакомиться  в статье Доменная печь. При высоких  температурах в расплав вводят углерод, водород или кремний. Кислород покидает металл и соединяется с этими  элементами. Также и для хлора  подбирают элементы, которые он «любит»: например, титан или цирконий освобождают  от хлора с помощью магния.

Сложность получения  цветных металлов хорошо видна на примере меди. Ее плавят в печах, напоминающих мартеновские (см. Мартеновская печь). Но выходит из печей не чистая медь, а так называемый штейн — сплав меди с железом, серой, серебром, золотом, цинком и другими элементами. Этих примесей в штейне 70—80%. Затем штейн заливают в конвертор и продувают через него воздух, в результате чего выжигаются остатки серы и удаляется железо. Занимает этот процесс часы, а не минуты, как в конверторе для переработки чугуна. Штейн превращается в черновую медь, которая содержит всего 1—2% примесей. Но и это слишком много.

Следующая стадия —  очистка меди от примесей — огневое  рафинирование. Выжигаются последние  остатки серы и некоторых других элементов. Зато часть меди вновь  окисляется. Чтобы освободить медь от кислорода, в ванну с расплавом  погружают деревянные жерди, словно «дразнят» медь. Расплав при этом бурлит и фыркает. Эта операция так  и называется — дразнение. Потом  в печь забрасывают древесный  уголь, который окончательно отбирает от меди кислород. Теперь примесей уже  только десятые доли процента, и  среди них золото и серебро.

С этим можно было бы мириться. Но электротехнике нужна  очень чистая медь. Поэтому в дело вступает электролиз (см. Электрохимические методы обработки). Пластину очищаемой меди — анод — помещают в электролитическую ванну с раствором серной кислоты и медного купороса. Катодом служит лист чистой меди. Электрический ток переносит на катод только медь. Золото, платина и серебро опускаются на дно ванны, а другие примеси остаются в растворе. С помощью электролиза получают и многие другие цветные металлы. В первую очередь алюминий.

Получать алюминий тоже очень сложно. Его рудный концентрат — глинозем (оксид алюминия) плавится при 2050° С (это почти в 2 раза выше температуры плавления меди), да еще не отдает кислород углероду. Поэтому, чтобы снизить температуру плавки, приходится растворять глинозем в расплавленном криолите — минерале, в состав которого входят алюминий,   натрий   и   фтор.   Точка   плавления этого раствора ниже 1000° С, а с такой температурой уже можно работать.

В электролитической  ванне молекулы глинозема распадаются  на составные части — ионы алюминия и кислорода. Электрический ток  разносит их в разные стороны. Алюминий осаждается на катод, которым является угольное дно самой ванны. Отсюда его потом и собирают.

Так же с помощью  электролиза получают титан, магний, кальций, бериллий и другие металлы, разлагая их соединения с хлором. Хлористые  соли этих металлов нагревают до 500—700° С и заливают в ванну с электролитом.

Однако цветные  металлы можно получать и без  нагрева — с помощью жидкости. Есть целая отрасль — гидрометаллургия (см. Металлургия). Металл переводят в раствор с помощью химического растворителя — воды или растворов кислот, щелочей и солей.

Из раствора чистый металл извлекают разными способами. В одних случаях с помощью  электролиза (см. Электрический ток), в других прибегают к обменным химическим реакциям, но тоже в электролизной ванне. Суть их в том, что анодом служит какой-либо другой металл, который отдает в раствор свои ионы. А из раствора извлекают ионы нужного металла. Так получают, например, цинк.

В рудных концентратах цветных металлов присутствует ряд  элементов. Поэтому у нас есть комбинаты, получающие из концентрата (его называют комплексным или  полиметаллическим) около 20 химических элементов. Их последовательно извлекают  из раствора каждый раз особым реактивом. Для 'этого применяют  иониты — особые синтетические смолы. Они обладают избирательной способностью: погруженные в соответствующий раствор, Забирают из него только один элемент, скажем ионы золота. Иониты значительно ускоряют и удешевляют получение металлов. С их помощью выгодно даже извлекать драгоценные металлы  из  морской  воды.

В последнее время  все большее распространение  получило бактериальное выщелачивание. Некоторые виды бактерий растворяют в воде определенные металлы или  их соединения, а также вредные  примеси (например, мышьяк).

Так называемые тионовые бактерии растворяют медь, уран, цинк, кобальт, марганец и др. Для растворения и извлечения золота применяют гетеротрофные бактерии, выделенные из рудниковых вод золотоносных приисков.

Аппаратура для  бактериального выщелачивания   очень   проста.   Это дает  возможность резко снизить себестоимость  полезных ископаемых и значительно  увеличить их добычу за счет использования  бедных руд и отвалов из   отходов   обогащения  руды,   шлаков   и  др. 

10.   Сплавы на основе  меди и их характеристика

Медь и ее сплавы

В начале, отметим  такие технические характеристики меди и ее сплавов, как высокая  стойкость по отношению к воздействию  различных химических веществ, сохранение высоких механических свойств в  условиях глубокого холода, высокие  показатели теплопроводности и электропроводности.

Техническая медь в  зависимости от марки может иметь  различное количество примесей: Bi, Sb, As, Fe, Ni, Рb, Sn, S, Zn, P, О. В наиболее чистой меди марки M00 примесей может быть до 0,01%, марки М4 - до 1%. Сплавы на медной основе в зависимости от состава легирующих элементов относятся к латуням, бронзам, медно-никелевым сплавам. 

Латунь. Латунями называют сплавы меди с цинком (простые латуни); содержание цинка может достигать 42 %. Если, помимо цинка, сплав содержит и другие легирующие элементы (Al, Fe, Ni, Si), сплав относят к сложным латуням. Латуни имеют повышенную прочность по сравнению с чистой медью (sigmaв до 50 кгс/мм2)(или предел выносливости до 470 МПа). Однако при содержании свыше 20% Zn появляется склонность сплава к коррозионному растрескиванию и образованию трещин при местном нагреве. Латуни широко применяют в качестве конструкционного материала, обладающего высокой коррозионной стой-костью и более прочного, чем медь.

Сплавы на медной основе, в которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами. Название бронзы уточняется по главному легирующему элементу, благодаря которому бронза приобретает  те или иные свойства. Широкое применение находят бронзы оловянные (2-10% Sn), алюминиевые (4-11,5% А1), кремнистые (0,5-3,5% Si), марганцевые (4,5- 5,5% Мп), бериллиевые (1,9-2,2% Be), хромистые (0,4-1% Сг).

Оловянная бронза имеет  хорошую коррозионную стойкость  и антифрикционные свойства. Поэтому  они широко применяются при изготовлении коррозионно-стойкой арматуры, для  различных трубопроводов, вкладышей  подшипников и т. д. Бронзы алюминиевые  и кремнистые имеют высокие механические свойства и хорошую коррозионную стойкость. Они более дешевы. Если позволяют условия работы, их широко используют взамен оловянных. Марганцовистые бронзы помимо хорошей коррозионной стойкости обладают повышенной жаропрочностью. Бериллиевые бронзы имеют высокую  коррозионную стойкость и после  термообработки становятся немагнитными с очень высокой прочностью, соответствующей прочности стали. Из этих бронз изготовляют различные гибкие, прочные элементы в приборах и различных устройствах,

Медно-никелевые  сплавы могут содержать до 30% Ni, а также железо, марганец. Сплав МНЖ 5-1, прочный и коррозионно-стойкий, широко используют как конструкционный для изготовления трубопроводов и сосудов, работающих в агрессивных средах (морской воде, растворах солей, органических кислотах). Сложная композиция сплавов на медной основе, наличие разнообразных компонентов в виде примесей в технической меди обусловливают определенные трудности при сварке этих металлов.

Необходимо учитывать  следующие особенности меди и  ее сплавов, влияющие на технологию сварки.

Особенности меди

1. В связи с  высокой температурой и теплопроводностью,  затрудняющими локальный разогрев, требуются более концентрированные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов металл каждого прохода для измельчения зерна проковывают при температурах 550-800 град. С.

2. Легкая окисляемость  меди при высоких температурах  приводит к засорению металла  шва тугоплавкими окислами. Закись  меди растворима в жидком металле  и ограниченно - в твердом. С  медью закись образует легкоплавкую  эвтектику Си-Си2О (температура  плавления 1064 град. С), которая сосредоточивается  по границам зерен и снижает  пластичность меди, что может  привести к образованию горячих  трещин.

Как следует из диаграммы  состояния медь - кислород, незначительная концентрация кислорода снижает  температуру плавления меди, при  содержании кислорода 0,38% (что соответствует 3,4% Сu2О) образуется эвтектика с температурой плавления 1064 град. С. В связи с  указанным и ввиду ограниченной по времени возможности металлургической обработки металла сварочной  ванны (малое время существования  из-за большой теплопроводности меди) необходимо введение энергичных раскислителей - фосфора, марганца, кремния и др. при ограничении содержания кислорода до 0,03%; в особо ответственных конструкциях (например, судовые трубопроводы, сосуды и т. п.) содержание кислорода допускается не более 0,01%.

Для разрушения тугоплавких  окислов, образующих пленку на поверхности  сварочной ванны, применяют флюсы  на основе буры (95% Na2B4O7 и 5% Mg), которые способствуют химической очистке, переводя тугоплавкие окислы в легкоплавкие комплексные соединения.

Однако применение фосфора для целей раскисления следует ограничивать, так как он также дает легкоплавкие эвтектики. Раскислитель, участвуя в металлургическом процессе сварки, не только раскисляет металл, но одновременно и легирует его, что может снизить его коррозионную стойкость и электропроводность.

3.Наличие некоторых  примесей может способствовать  склонности сварных соединений  к образованию трещин. Так, например, висмут, образующий ряд окислов  BiO, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5, дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270 град. С, а свинец, образующий окислы РЬО, РЬО2, РЬ2О3, дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 326 град. С. По указанной причине должно быть резко ограничено содержание этих примесей (Bi < 0,002%; Pb < 0,005%), либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, играющих одновременно роль модификаторов.

При сварке алюминиевых  бронз легко образуется тугоплавкий  окисел Аl2О3, засоряющий сварочную ванну, ухудшающий сплавление металла и  свойства сварного соединения. Для  его разрушения применяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов, щелочных и других металлов.