 |
|
Алюминий и его сплавы
Алюминий - серебристо-белый, легкоплавкий (температура плавления - 659 °С), легкий (плотность - 2700 кг/м3). Разрушающее напряжение при растяжении алюминия особой чистоты (т. е. 99,996%) - порядка 6 кг/мм2, твердость по Бринеллю (НВ) составляет 17 единиц, относительное удлинение порядка 50%. Обладает высокой электро- и теплопроводностью. Алюминий хорошо обрабатывается давлением в горячем и в холодном состоянии, хорошо полируется. Его отражательная способность близка к серебру (коэффициент отражения - порядка 90%). Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость, а также стойкость к действию морской и пресной воды, аммиака, практически не взаимодействует с кислотами и пищевыми продуктами.
Высокая химическая стойкость алюминия обусловлена образованием на поверхности металла тонкой защитной пленки оксида алюминия (А12О3). Эта пленка предохраняет изделие из алюминия от разрушения и окисления.
Образование защитной оксидной пленки характерно не только для алюминия. Этот процесс можно наблюдать у меди (патина), хрома, титана. При нарушении защитной пленки начинается быстрое окисление поверхностного слоя металла, пленка образуется вновь, но металл становится чуть тоньше.
Для производства алюминия требуется высокая культура производства. Алюминий выпускается:
-особой чистоты, марка А999, т. е. чистого алюминия в металле содержится 99,999% (остальное примеси);
-высокой чистоты, марки А995 - А95, где содержание алюминия от 99,995% до 99,95%.
-технической чистоты, марки А8, А7, А5 (содержание чистого алюминия - от 99,8 до 99,5%).
Для перечисленных выше марок алюминия примеси нежелательны, их содержание нормируется соответственно в десятых, сотых и тысячных долях процента.
Примеси железа сильно снижают коррозионную стойкость алюминия, препятствуя образованию оксидной пленки.
Кремний уменьшает пластичность алюминия.
Магний снижает электропроводность, алюминия. Так, содержание в алюминии примеси магния более 5% снижает электропроводность вдвое.
Промышленность выпускает алюминий перечисленных марок в виде листов, фольги, прутков, проволоки и сортовых профилей (уголок, тавр, полутавр, швеллер). •
Чистый алюминий применяют в производстве зеркал и отражателей.
Чистый алюминий также используют при изготовлении электрических конденсаторов, выпрямителей, полупроводниковых приборов, электрических проводов и шнуров. В последнее время алюминий все больше вытесняет дефицитную и более дорогую медь. Между тем алюминий может заменить медь только в проводах и шнурах-, используемых стационарно. Шнуры бытовых электроприборов, испытывающих значительные деформации (например, шнур от фена), не допускают замены меди на алюминий. Медь более пластична и более стойка к деформациям кручения и изгиба.
Еще одним недостатком алюминия является его малая прочность, поэтому для производства бытовых металло-товаров применяют алюминиевые сплавы.
Все алюминиевые сплавы по способу переработки их в изделия подразделяют на деформируемые (подвергаемые обработке давлением) и литейные (для получения деталей и изделий методом литья).
Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые.
К неупрочняемым относят сплавы алюминия с магнием и марганцем. Марки АМГ-2 и АМГ-4. Эти сплавы имеют высокую коррозионную стойкость, относительно пластичны. Используются для изготовления металлической посуды: миски, сковороды (магний и марганец снижают теплопроводность алюминиевых сплавов).
Из деформируемых упрочняемых сплавов наиболее распространены сплавы алюминия с медью - дюралюмины ("дюр" - от фр. "твердый", т. е. твердый алюминий).
Сплав маркируется буквой Д и цифрой, указывающей номер сплава: Д1, Д6, Д18. Состав дюралюмина следующий: медь - от 3,8 до 4,8%, магний - от 0,4 до 2,3%, марганец - от 0,4 до 0,8%, остальное - алюминий.
Прочность и твердость дюралюмина более чем вдвое превосходит прочность и твердость чистого алюминия. Так, сплав Д1 (после отжига) имеет прочность порядка 21 кгс/мм2 и твердость - НВ45. За счет меди значительно повышается пластичность сплава.
Существенным недостатком дюралюминов является их низкая коррозионная стойкость, поэтому для изделий из дюралюминов проводят операцию плакирования, т. е. сплав покрывают тонким слоем алюминия высокой чистоты и нагревают. В результате этого на поверхности сплава образуется тонкий слой (3-5% общей толщины) коррозионно-стойкого чистого алюминия.
Деформируемые алюминиевые сплавы являются наряду со сталью основным конструкционным материалом, их используют в машино- и самолетостроении, для изготовления оборудования и аппаратов пищевой промышленности, в строительстве, в изготовлении металлической мебели, а также столовых приборов: алюминиевые ложки и вилки, ручки ножей и очень редко клинки (например, кабинетный нож для вскрывания конвертов).
Литейные алюминиевые сплавы используются для фасонного литья. Они обладают хорошей жидкотекучестью, высокой прочностью и малой усадкой.
Литейные алюминиевые сплавы делят на пять групп. В состав всех пяти групп, кроме алюминия, входит кремний и могут входить медь, цинк, магний, в различных сочетаниях. Медь увеличивает пластичность, цинк и магний - прочность. Маркируются литейные сплавы буквами АЛ (алюминий литейный) и порядковым номером, например АЛ 5.
Для изготовления бытовых металлотоваров из литейных сплавов наибольшее применение нашел сплав, называемый силумином (от "силициум" - кремний), содержащий в своем составе кремний в количестве от 4 до 13%. Прочность силуминов немного ниже, чем у дюралюминов, но значительно больше, чем у алюминия.
Сплав обладает хорошей жидкотекучестью, не дает трещин при остывании, имеет достаточную коррозионную стойкость.
Силумин применяется для изготовления посуды (казаны, утятницы), приборов для окон и дверей (петли), деталей бытовых машин и холодильников, велосипедов, мотоциклов, автомобилей.
После цифр в литейном сплаве может стоять буква В (например, АЛ 17В). Это означает, что используется вторичный сплав, т. е. этот сплав получен из металлолома. По составу и свойствам вторичные сплавы близки к первичным, но содержат большее количество примесей.
Если к маркировке алюминиевого сплава добавлена буква "П", значит, сплав достаточно безопасный и может быть использован для изготовления изделий, контактирующих с пищей.
Безопасность и безвредность для сплавов не являются тождественными понятиями. Безопасными считаются сплавы, в которых содержание мышьяка не более 0,015%, свинца не более 0,15%, цинка не более 0,3%.
Медь и ее сплавы
Медь - металл красно-бурого цвета, легкоплавкий (температура плавления - 1083 °С), тяжелый (плотность - 8940 кг/мм3), разрушающее напряжение при растяжении - 22-24 кгс/мм2, твердость - НВ45. По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру, но она значительно дешевле серебра. Очень пластична (уступает только золоту и серебру).
На воздухе (особенно если в атмосфере присутствуют сернистые соединения) на поверхности меди появляется тонкая пленка сульфита меди (Си8О3) и поверхность изделия приобретает черный оттенок (патина). Окисляясь на воздухе, сульфит меди переходит в сульфат (Си8О4) и патина приобретает зеленоватый оттенок.
При взаимодействии с пищевыми кислотами медь образует токсичные соединения, поэтому посуду из чистой меди изготавливать нельзя. Однако в ассортименте товаров имеются медные тазы для варенья. Это связано с тем, что сахар тормозит процесс окисления меди и препятствует образованию токсичных веществ. Кроме того, традиционно восточные турки для варки кофе изготовляют из меди. Такая посуда безвредна только в течение определенного срока эксплуатации (пока не образуется патина).
Свойства меди сильно изменяются даже при наличии небольшого количества примесей. Основные примеси: свинец, мышьяк, фосфор, железо, серебро, цинк. Все эти примеси значительно снижают электропроводность. Например, содержание фосфора в количестве 0,5% снижает электропроводность в пять раз.
Промышленностью выпускается медь 10 марок. Маркировки: МОО (99,99% меди), М4 (99% меди).
Большую часть всей добываемой меди потребляет электронная и радиотехническая промышленность. Также медь используется как гальваническое покрытие в порошковой металлургии, при производстве отдельных деталей велосипедов, машин, мотоциклов. В велосипедах: руль и ручки педалей изготовляются из конструкционной стали и хромируются (характерный цвет и блеск). Но железо и хром взаимно не растворяются, поэтому между ними наносят слой меди, с которым хорошо взаимодействуют оба металла. Медь в данном случае является скрепляющим элементом (своего рода клеем). При длительной эксплуатации таких изделий хромированное покрытие может стираться, и тогда на поверхности становится видна медь.
Медь широко используется при получении латуней, бронз и медно-никелевых сплавов.
Латунь - сплав меди с цинком, с содержанием последнего от 4 до 40%. Если латунь состоит только из меди и цинка, она называется двухкомпонентной. Латуни могут легироваться такими элементами, как марганец, железо, никель, кремний, свинец. Легированные латуни называют многокомпонентными.
При введении в медь до 39% цинка повышается прочность и значительно увеличивается пластичность. При содержании цинка более 40% свойства латуни изменяются - резко возрастает хрупкость и снижается прочность. Поэтому латунь не содержит более 40% цинка. Максимальная пластичность латуней достигается при содержании цинка в количестве 32%.
Цинк также оказывает влияние на цвет латуни. При содержании цинка до 20% латунь имеет желто-красный цвет, при 20-30% -буро-желтый, выше 30% - светло-желтый.
Двухкомпонентные латуни обозначают буквой Л и цифрой, указывающей на среднее содержание меди в сплаве (например: Л70 - латунь, содержащая 70% меди и 30% цинка). В многокомпонентных (легированных) латунях после буквы Л перечисляются буквы русского алфавита, соответствующие компонентам, затем цифра, обозначающая содержание меди, а затем цифры, указывающие концентрацию легирующих элементов (например, ЛАЖ60-1-1 - латунь, содержащая 60% меди, 1% - алюминия, 1% - железа и 38% цинка).
Латунь применяют при изготовлении изделий сложных форм: духовых музыкальных инструментов, самоваров, а также посуды, галантерейных изделий, гильз для охотничьих патронов, для рыболовных блесен. Кроме того, латунь может применяться для изготовления изделий станковой скульптуры. Хотя для станковой скульптуры традиционно предпочтительнее бронзовое литье.
Бронза - сплав меди с оловом. По цвету бронза напоминает латунь с небольшим содержанием цинка. Бронзы имеют малую усадку и хорошую жидкотекучесть, высокую усталостную прочность и коррозионную стойкость.
Маркируют бронзы буквами Бр и О, после чего могут стоять буквы основных легирующих элементов и цифры, показывающие содержание этих элементов в процентах. Например, БрОЦ 4-3 -бронза, содержащая 4% олова, 3% цинка и 93% меди. Обратите внимание: маркировка латуни - медь плюс все остальное, маркировка бронзы - все элементы плюс медь (остальное).
Из бронзы изготовляют станковую скульптуру и литые изделия сложных конфигураций: барельефы, подсвечники, канделябры, люстры, корпуса настольных часов, колокола и колокольчики.
По содержанию олова бронзы делят на пять групп:
1.Скульптурная или монетная (медные пятикопеечные монеты советского времени) бронза. Содержание олова - 4-5%.
2.Машинная бронза: в основном подшипники и вкладыши. Содержание олова - до 10%.
3.Колокольная бронза. Содержание олова-до 25%. Чем больше содержание олова, тем громче и чище колокольный звон, однако чрезмерное увеличение содержания олова повышает хрупкость бронзы.
4.Курантная бронза. Содержание олова - до 35%. Используется для колоколов с так называемым "дозированным ударом": католические храмы и башенные часы.
5.Зеркальная бронза. Содержание олова - до 40%. Эта бронза имеет уже белый цвет и может использоваться для зеркал ка заменитель серебра.
Кроме оловянистых, т. е. истинных бронз, существует понятие безоловянных бронз, хотя к бронзам данные сплавы могут быть отнесены чисто условно.
В таких сплавах олово заменяется каким-либо другим элементом: алюминием, кремнием, бериллием. Они обладают широким спектром свойств (в зависимости от легирующего элемента), и соответственно, разнообразным применением. Название такие сплавы получают по основному легирующему компоненту. Например, алюминиевую бронзу БрА5 применяют для чеканки монет, бериллиевую бронзу БрБ2 для изготовления ответственных деталей в приборостроении (прочность до 150 кгс/мм2) и т. д.
Мельхиор - сплав меди с никелем, с содержанием последнего 18-20%. Имеет серебристый цвет. Маркируется буквами МП (медь и никель) и цифрами, означающими процентное содержание никеля. Например, МН19 - мельхиор с содержанием никеля порядка 19%.
Применяется для изготовления чайной посуды, предметов для сервировки стола и медицинских инструментов. Столовые приборы из мельхиора часто золотят или серебрят (покрывают тонкой пленкой из драгоценного металла). Постепенно мельхиор вытесняется столовыми приборами из нержавеющей стали.
Мельхиор - любимый недрагоценный сплав ювелиров, поскольку прочен, пластичен, хорошо вытягивается в нити. Он позволяет изготовлять сканные изделия, мельхиоровая скань хорошо сочетается с ростовской эмалью. Применяется для предметов украшения одежды: брошей, булавок и т. п.
Нейзильбер - сплав меди, никеля и цинка (никель - 13-17%, цинк - 18-22%). Имеет серебристый цвет с синеватым отливом, высокую плотность, прочность, твердость, коррозионную стойкость. Маркируется буквами МНЦ (медь, никель, цинк) и цифрами, означающими процентное содержание никеля и цинка. Например: МНЦ15-20, нейзильбер с процентным содержанием меди - 65%, никеля - 15, цинка - 20%. Внешне изделия из нейзильбера очень похожи на серебряные.
Сплав применяется для производства так называемой посеребренной посуды и столовых приборов, "серебряных" монет, металло-галантереи, сувениров, медицинских инструментов и т. д.
Легирующие металлы
Никель. Металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 8900 кг/м3), температура плавления чуть меньше, чем у железа (1453 °С), прочность - 40-50 кгс/мм2, твердость - НВ80, достаточно пластичный, имеет высокую коррозионную стойкость, химическую стойкость к воде, воздуху и кислотам. Исключение составляют серосодержащие соединения. При взаимодействии с ними на поверхности металла образуются сульфиты и сульфаты (пленки зеленого и коричневого цвета).
Чистый никель не токсичен, хорошо полируется, характерный металлический блеск сохраняется длительное время, поэтому используется в качестве защитно-декоративных покрытий столовых приборов и посуды, а также для изготовления инструментов, металлической мебели, деталей автомобилей, мотоциклов, велосипедов.
Никель хорошо сохраняет свои свойства при работе в агрессивных средах, поэтому применяется для производства химической аппаратуры.
Из никеля изготовляют металлогалантерею: пряжки одежные и обувные, заколки, зажимы, металлические пуговицы.
Никель широко используется в качестве легирующего элемента в сплавах с железом и медью.
Хром. Металл серо-стального цвета, тяжелый (плотность -7140 кг/м3), температура плавления (1910 °С) выше, чем у железа.
Металл химически малоактивен, устойчив даже к атмосферному кислороду, но имеет высокую хрупкость, поэтому не применяется в качестве конструкционного материала.
В основном используется в качестве защитно-декоративных покрытий. Хромовые покрытия обеспечивают высокую износостойкость и стойкость к коррозии. Хромируют инструменты (белые, блестящие), корпуса и детали часов. Часто хромированные часы изготовляются вместе с браслетом. Иногда хромированные часы с браслетом имеют на корпусе крышку, тогда они выглядят как блестящий браслет.
Хромируются детали велосипедов, мотоциклов, машин (бамперы, решетки радиаторов) и др.
В металлургии хром используется в качестве легирующего элемента, особенно в легированных сталях, в нихромах (сплавах железа, никеля и хрома).
Хром является необходимым элементом при получении дубителей для производства кож в кожевенно-обувной промышленности, а также красителей для тканей в текстильной промышленности.
Цинк - металл светло-серого цвета с синеватым отливом, тяжелый (плотность - 7140 кг/м3), легкоплавкий (419 °С), прочность - не более 15 кгс/мм2, пластичен.
Марки: ЦО (99,975% цинка) и ЦЗ (97,5% цинка). В цинке всегда присутствуют вредные примеси: свинец, мышьяк, сурьма, кадмий, от которых трудно избавиться.
На воздухе покрывается оксидной пленкой, которая и предохраняет металл от коррозии.
Более половины добываемого цинка используется в качестве защитно-декоративных покрытий стальных изделий, например, оцинкованная листовая сталь и оцинкованная посуда. Оцинковке подвергаются днища кузовов автомобилей.
Оцинковка проводится в электролитической ванне (тогда покрытие будет дозированным, т. е. определенной толщины) или обычным окунанием (тогда покрытие будет недозированным).
Оцинкованная посуда (миски и ведра) обязательно должна иметь маркировку "Не для термической обработки: токсично!".
Эта посуда предназначена для хранения продуктов, но не для приготовления пищи.
Сейчас оцинкованные ведра, миски и лейки все более заменяются изделиями из пластмасс.
Цинк применяют в качестве легирующих элементов многих сплавов, особенно медных (латунь, нейзильбер).
Олово - металл серебристо-белого цвета, тяжелый (плотность 7300 кг/м3), один из самых легкоплавких (232 °С), очень мягкий и пластичный, легко прокатывается в фольгу, прочность -2-3 кгс/мм2, твердость - НВ5. Олово устойчиво к действию большинства пищевых продуктов и не образует токсичных соединений, поэтому его широко применяют как защитное покрытие изделий из углеродистых конструкционных сталей, для лужения посуды и изготовления консервных банок. Правда, в последнее время олово стараются заменить другими материалами из-за его высокой стоимости. Олово входит в состав бронз и многокомпонентных латуней.