Сплавы черных металлов компоненты

Эти черные металлы стали неотъемлемым компонентом нашей цивилизации. Без стали и чугуна сложно представить и повседневную жизнь, и высокие технологии.

Под термином «черные металлы» понимаются железо и сплавы с ним как основным компонентом (стали, чугуны).

По некоторым классификациям к черным металлам относятся марганец, ванадий, хром. Это сырье при производстве чугунов и сталей.

Основные железистые сплавы – чугуны, стали, ферросплавы. Они составляют 90% объема продукции металлургических предприятий. Остальное добирают цветные металлы.

Почти все металлы (90+%), востребованные экономикой, относятся к «черному» сегменту.

Неофициальное наименование сегмента черных металлов – чермет.

Классификация

Главные продукты чермета – сталь и чугун. Это сплавы железа, углерода плюс легирующие присадки, улучшающие утилитарные характеристики продукта.

Сталь и чугун различает доля углерода в составе. У стали его менее 2,14%, у чугуна – больше, у некоторых марок до 5,9%.

Данные сплавы черных металлов также классифицируются на основе физических параметров и химического состава.

Чугуны

Главная разновидность чугуна – литейный. Другие виды:

• антифрикционный;
• передельный;
• низко-, высоко-, просто легированный;
• с графитом (шаровидным либо вермикулярным).

По другой классификации чугуны подразделяют на белые, серые, ковкие.

Стали

Подразделяются на простые (нелегированные) и легированные:

• Основной компонент нелегированных сталей – углерод, поэтому их называют также углеродистыми. В зависимости от количества углерода (%) различают низко- (менее 0,25), высоко- (0,6+), просто углеродистый (0,25-0,6) сплав.
• Свойства легированных определяют добавки из других элементов. Их доли микроскопичны, но свойства (стойкость к коррозии, твердость, прочность) меняются существенно.

Традиционные добавки-лигатуры к чугуну, стали: вольфрам, кремний, марганец, медь, хром, никель.

При переработке руды избавляют от азота, кислорода, серы, фосфора, других вредных примесей.

Самые известные виды легированной стали – нержавеющая и оцинкованная.

Технология получения продукции

Продукцию получают на металлургических комбинатах из двух источников: руды (первичное производство) и металлического лома (метод вторичной переработки).

Первичное производство

Исходник для получения черных металлов – железная руда.

С месторождения ее отправляют на металлургические комбинаты, где подвергают многоступенчатой обработке:

1. Сырьем загружают доменную печь. Добавляют кокс, известняк.
2. Смесь переплавляют.
3. Железо поглощает углерод. Затвердев, становится очень твердым, но хрупким. Это чугун.
4. Часть чугуна отправляют на механическую обработку и изготовление изделий.
5. Основная масса направляется в сталеплавильную печь.
6. Здесь излишек углерода выжигается. Получается сталь.

Из расплава формируют чушки, прокат, болванки, другие виды заготовок для промышленности.

Чугун, отлитый в виде чушек

Второй способ – кислородно-конвертерный. Процесс проходит в конвертере – стальной печи, выложенной изнутри огнеупорным кирпичом. Здесь на избыточный углерод, другие примеси чугуна воздействуют кислородом. То есть продувают его сквозь массив чугунного расплава под давлением.

Процессы идут при температурах, исчисляемых тысячами градусов по Цельсию. Они плохо совместимы с экологией, поскольку загрязняют атмосферу, воду, почву.

Вторичная переработка

В широком понимании черный металлолом – это некондиционные, утратившие первоначальные свойства изделия из чугуна или стали.

Ассортимент широк:

• изношенное промышленное оборудование;
• металлические конструкции;
• отходы производства (включая стружку);
• бытовые приборы;
• обезвреженные боеприпасы;
• другие виды лома.

Лом черного металла – востребованное сырье. В пункты приема берут все – от стружки до крупных конструкций.

Такое разнообразие обусловило необходимость классификации чермета по ГОСТу. Виды лома описаны ГОСТом РФ №2787-75, №278-86 (ознакомиться с ГОСТ 2787-75).

Цена черных металлов обычных кондиций, по сравнению с цветметом, невелика – 8-20 руб. за кг. Стоимость изделий смешанного состава, например, хромистой стали вчетверо – впятеро больше.

Учитывая массивность изделий (чугунные радиаторы отопления, ванны, ограды), заработать можно и на простом ломе. Заодно очистить пространство от хлама.

Вторичная переработка лома выгодна и производителям. Процесс впятеро дешевле получения продукта из руды. Кратно уменьшаются выбросы, а значит и штрафы за загрязнение окружающей среды.

Сферы использования

Сталь и чугун – традиционный материал промышленности.

Этому способствуют его прочность, твердость, устойчивость к внешним воздействиям, долговечность, легкость обработки, ценовая доступность (по сравнению с цветметом). Такие кондиции присущи материалу независимо от способа получения – из руды или лома.

В промышленности это материал деталей механизмов, конструкций, инструментария:

• Сталь востребована строителями авто-, авиа-, водного и железнодорожного транспорта. А также химиками, пищевиками, медицинским сегментом.
  Углеродистая сталь
• Более массивный чугун ценится машиностроителями, нефтяниками, тяжелой промышленностью. Это материал для трубопроводов, тормозных колодок, валков. А также ограждений, заборов, посуды (сковород, казанов).

Из чугуна получаются эстетичные ажурные решетки, ворота, другой декор для открытых пространств и интерьеров.

Чугунный забор

Сталь в строительстве – это прочные крыши, перекрытия, лестницы, шахты лифтов.

Еще одна сфера применения вторичных черных металлов – полезные вещи, сделанные своими руками либо в маленьких мастерских. Самые востребованные: летний душ, мангал, пресс, буржуйка, аксессуары для рыбалки, накопитель воды на дачном участке. Дизайнеры создают инсталляции, которые становятся музейными экспонатами либо пополняют частные коллекции.

Чугунная печь — буржуйка

Бизнес проектом может стать и пункт приема вторсырья, и создание артефактов из лома черных металлов.

Виды и характеристики сплавов железа

Железо считается самым популярным материалом. Его используют во всех отраслях промышленности. Людям этот металл знаком с глубокой древности. Когда кузнецы научились получать чистый материал, он превзошёл известные на то время сплавы, вытеснил их из производства. Сплавы железа появились в результате попыток людей изменить характеристики этого металла.

Сплав железа

Состав и свойства

Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:

1. Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
2. Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
3. Удельная масса — 55,8.
4. Плотность — 7,409 г/куб см.
5. Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
6. Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.

Нельзя забывать, что железо считается одним из важнейших элементов в организме человека. Однако он крайне сложно усваивается из пищи. Суточная норма, которую должен употреблять мужчина — 10 мг. Женщины должны потреблять 20 мг этого вещества, чтобы организм работал нормально.

История открытия

Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени.

По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы.

Так появлялись новые сплавы.

Сферы применения

Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:

1. Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
2. Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
3. Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
4. Приборостроение — изготовление электроники для дома.
5. Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
6. Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
7. Изготовление оружия.

Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.

Разновидности сплавов на основе железа

Сплав железа — это соединение, которое состоит из основного металла и дополнительных примесей. Соединения на основе этого материала называются чёрными металлами. К ним относятся:

1. Сталь — соединение углерода с другими элементами. Углерода в составе сплава может содержаться до 2.14%. Выделяют конструкционные углеродистые, строительные, специальные и легированные стали.
2. Чугун — смесь, которая пользуется огромной популярностью. Соединения могут содержать до 3,5% углерода. Дополнительно смеси содержать марганец, фосфор, серу.
3. Перлит — смесь на основе железа. Содержит не более 0.8% углерода.
4. Феррит — его называют чистым материалом. Связанно это с низким содержанием углерода, сторонних примесей (около 0.04%).
5. Цементит — химическое соединение железа с углеродом.
6. Аустенит — соединение с содержанием углерода до 2.14%. Дополнительно имеет сторонние примеси.

Легированная сталь

Состав и структура сплавов

Из-за большого количество соединений на основе железа была разработана маркировка, по которой можно отделить стали с высоким содержанием углерода от менее углеродистых, определить наличие основных легирующих элементов в составе материала, их количество. Зависимо от количества дополнительных элементов изменяются свойства соединений. К ним относится бор, ванадий, молибден, марганец, титан, углерод, хром, никель, кремний, вольфрам.

Характеристики смесей зависят от их структуры, состава. От этого изменяется прочность, пластичность, температура плавления, плотность, электропроводность и другие параметры. Например, структура чугуна определяет его хрупкость при ударах, больших физических нагрузках.

Свойства и маркировка сплавов

Относительно маркировки, первые цифры, которые идут на маркировке, говорят о процентном содержании углерода в составе. Далее идут заглавные буквы основных легирующих элементов. Начало маркировки могут начинать дополнительные буквы. Они указывают на назначение сплава.

Пластичность и вязкость будут уменьшаться при повышении количества углерода в составе сплава. На другие свойства металлов влияют основные легирующие элементы.

Производство и обработка сплавов на основе железа

Чтобы понять, как получают популярные соединения на основе железа, нужно кратко поговорить о технологиях получения чугуна, стали. Получить сталь можно несколькими способами:

1. Прямая технология. Окатышки железной руды продуваются смесью угарного газа, кислорода аммиака. Процедура проводиться в шахтной печи разогретой до 1000 градусов.
2. Мартеновский метод. Твердый чугун переплавляют с помощью мартеновских печей. Прежде чем закончить процедуру материал насыщается примесями.
3. Электроплавильный способ. С его помощью получают высококачественный материал. Обработка проводится в закрытых печах при температуре до 2200 градусов.
4. Кислородно-конверторный метод. Чугун, расположенный в печи, обдувается смесью кислорода с воздухом, что ускоряет процесс отжига.

Производство чугуна:

1. Подготовка руды. Она дробится до мелкой фракции.
2. Измельчение коксового угля.
3. Дробление флюса.
4. Загрузка в печь.

Для изготовления чугуна используются доменные печи.

Помимо процессов производства смесей, их подвергают дополнительно обработке. Это отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Характеристики улучшаются.

Сплавы железа используются в разных отраслях промышленности. Они обладают разными характеристиками, однако не теряют параметров основного металла, входящего в их состав.

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

Черные металлы и их сплавы

• ЛЕКЦИЯ № 8
•  Материалы изготовления непродовольственных товаров.
• Химический состав сырья и материалов, используемых для производства непродовольственных товаров, имеет свои особенности.
• Непродовольственные товары изготавливаются из минеральных материалов: стекло, керамика, металлы, минеральные вяжущие вещества; и органических материалов: пластмассы, древесина, резина, волокнистые вещества.

В промышленном материаловедении материалы делятся на металлически и неметаллические.

Металлические материалы делятся н металлы черной металлургии (стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами) и материалы цветной металлургии (алюминий, цинк, свинец, олово, никель и сплавы на их основе и благородные металлы).

Неметаллические материалы: стекло, керамика, древесина, волокнистые материалы и т.д. Часть материалов имеет природное происхождение: древесина, растительные и животные волокна, шкуры, песок, камень, глины. Часть искусственное: стекло, керамика. Часть синтетическое: пластмассы.

Металлические материалы

Используются для изготовления металлохозяйственных товаров, а это посуда, ножевые изделия, столовые приборы и принадлежности, приборы, облегчающие домашний труд, инструменты, садово-огородный инвентарь, и ювелирных товаров, строительных материалов (приборы для окон и дверей, крепежные изделия, конструкционные элементы), при производтве транспортных средств (велосипедов, мопедов, мотоциклов, автомобилей, лодок катеров).

Металлы – химические элементы, характеризующиеся в твердом состоянии внутренним кристаллическим строением. Они имеют характерный блеск, непрозрачны, при деформации пластичны, характеризуются теплопроводностью и электропроводностью.

Черные металлы и их сплавы.

Железо – один из наиболее распространенных в природе металлов. Технически чистое железо это серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл с высокой прочностью. Процесс обработки железа от примесей достаточно дорогой, поэтому и производство товаров из железа не велико. Более распространены железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны.

Стали – содержат углерода не более 2.14%, а чугуны – свыше.

Стали по химическому составу подразделяются на углеродистые и лигированные.

Углеродистые стали кроме углерода содержат в небольших количествах только неизбежные примеси – кремний, марганец, серу, фосфор.

В легированные стали входят, кроме этого, добавки цветных металлов: хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама и т.д. Химический состав существенно влияет на свойства стали и ее применение в производстве.

С увеличением концентрации углерода возрастают твердость и хрупкость стали. Поэтому практическое применение находят стали с содержанием углерода около 1.3%.

Кремний – повышает твердость и повышает упругие свойства металла. Включают в состав стали до 2%. Изготовляют рессоры, пружины для транспортных средств.

Марганец – увеличивает твердость и прочность стали, ее износостойкость. Изготавливают металлоинструмент – пилы.

Сера и фосфор – вредные примеси. Сера вызывает красноломкость (растрескивание металла при механической обработке в горячем состоянии), ухудшает пластичность и снижает коррозионную стойкость стали. Фосфор вызывает хладноломкость стали, т.е. растрескивание при механическом воздействии на сталь в холодном состоянии.

Хром – увеличивает твердость и износостойкость стали. При содержании хрома более 13% сталь приобретает стойкость к коррозии. Из такой сравнительно недорогой стали изготовляют ножи и столовые приборы.

Никель – упрочняет сталь, повышает ее ударную вязкость и снижает хладноломкость. При совместном введении в сталь хрома и никеля сплав приобретает жаропрочность и высокую коррозионную стойкость в кислой среде. Отсюда, хромоникелевые сплавы применяют для производства посуды и столовых приборов.

Молибден, ванадий и вольфрам – придают стали высокую твердость и красностойкость, даже при нагреве «докрасна». Используют для изготовления металлорежущих инструментов и резцов.

Углеродистые стали в зависимости от наличия углерода подразделяют на конструкционные (углерода не более 0,75%) и инструментальные (до 1.3%).

Конструкционные стали используют при изготовлении посуды, приборов для окон и дверей, крепежных изделий, нагревательных и осветительных приборов. Инструментальные стали применяются при изготовлении инструментов, ножей, ножниц и т.д. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) различают углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

1. Стали обыкновенного качества: содержание вредных примесей не ограничивается (группа А); или содержание каждого до 0,07% (группы Б и В).
2. Качественные — содержание каждого – не более 0,04%.
3. Высококачественные – содержание серы не более 0,02% и фосфора не более 0,03%.

Отрицательно влияет на свойства стали кислород. Он вызывает красноломкость, снижает пластичность и вязкость металла. Поэтому в процессе получения сталь раскисляют («отбирают» у железа кислород) добавками марганца, алюминия и кремния.

По степени раскисления сталь делят на: спокойную (сп) – она раскислена полностью; полуспокойную (пс) – раскислена меньше; кипящую (кп) – раскислена не полностью, при разливке она кипит (выделяет кислород).

Спокойная сталь – однородная, плотная, отличается высокими механическими свойствами. Полуспокойная сталь – занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей. В кипящей стали много мелких раковин, которые снижают ее прочностные показатели, но выход металла больше, и он дешевле, а при прокатке мелкие раковины запаивают.

Кипящая сталь отличается пластичностью, содержит минимальное количество кремния и марганца, ее раскисляют только алюминием.

Изготовляют из кипящей стали методом штамповки: стальную посуду, корпуса бытовой газовой аппаратуры, холодильников и т.д.

А вот спокойную и полуспокойную сталь применяют там, где сплав при эксплуатации подвергается большим нагрузкам: инструменты, ножи, детали бытовых машин и т.д.

• Легированные стали подразделяются по назначению на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.
• Конструкционные используются в производстве ответных деталей машин (совместимые друг с другом), когда требуется сочетание прочности, твердости, износостойкости и пластичности, вязкости.
• Из легированных инструментальных сталей изготовляют такие металлообрабатывающие инструменты: сверла, ножовочные полотна, напильники, метчики, плашки (для нарезания резьбы).

К сталям с особыми свойствами относятся коррозионностойкие или нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и т.д. Для товаров народного потребления из этой категории используют нержавеющие стали: посуда, ножи, столовые приборы, лезвия и т.д.

Чугун – вырабатывают выплавкой из железных руд в доменных печах.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (из которых «переделывают» в сталь), литейные, высокопрочные, ковкие, легированные. Для производства товаров народного потребления: посуда, замки, мясорубки, печные приборы, радиаторы отопления – используют серый литейный чугун.

Изделия из чугуна дешевле аналогичных из стали или цветных металлов, но очень хрупок. Этот недостаток необходимо учитывать при хранении, транспортировке и эксплуатации изделий из чугуна. СЧ 12-28 – серый чугун, первые две цифры предел прочности при растяжении, вторые – при изгибе.

Цветные металлы и сплавы – наиболее часто применяются в производстве непродовольственных товаров: алюминий, медь, цинк, никель, хром, олово, серебро, золото, платина и их сплавы.

Алюминий – белый серебристый металл с малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью к атмосферным воздействиям и пресной воде, нетоксичен, пластичный, с высокой тепло- и электропроводностью. Но уступает в прочности и жесткости черным металлам, нестоек к кислой и щелочной среде (посуда из алюминия не используется для солений и маринадов, а также для хранения кисломолочных продуктов).

Из алюминия изготовляют упаковочный материал фольгу, электрические провода, детали бытовых холодильников, посуду. Но технически чистый алюминий не употребляют, а используют его сплавы.  Все сплавы алюминия делятся по способу переработки их в изделия: деформируемые и литейные.

Деформируемые, перерабатываемые методом давления. Они, в свою очередь, бывают не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Не упрочняемые сплавы почти такие же, как технически чистый алюминий, но они имеют высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Их используют для баков стиральных машин (вместо нержавеющей стали) и посуды 9бидонов, кастрюль, чайников, кофейников), методом глубокой вытяжки. Эти сплавы могут быть получены сплавлением алюминия с марганцем АМц и с магнием АМг.

Наиболее распространенный упрочняемый сплав – дюралюмин – медь, магний, марганец. По механическим свойствам он близок к углеродистой конструкционной стали, но меньшую коррозионную стойкость. Для защиты от коррозии его покрывают чистым алюминием – плакируют.

Этот сплав используют как конструкционный материал — для изготовления мебели с металлическим каркасом, спортивного инвентаря.

Литейные сплавы алюминияполучают на основании системы алюминий + кремний.

Их называют силуминами, и используют для отливки деталей сложной конструкции, для которых не обязательны высокие механические свойства (художественно-декоративные изделия, дверные ручки, чайники).

Для изделий с более высокими прочностными показателями используют сплавы с медью, марганцем и магнием: замки, мясорубки, посуда, столовые приборы, детали инструментов).

Сплав, изготовленный из металлолома и отходов, называется вторичным литейным сплавом алюминия.

Сплав, содержащий не более 0,15% свинца 0,015% мышьяка и 0,3% цинка называется пищевым и применяется для изготовления изделий, соприкасающихся в процессе эксплуатации с пищей: посуда, кухонные принадлежности, столовые приборы, мясорубки, соковыжималки, шинковки).

Медь – розово-красный металл, тяжелый, эластичный, с высокой тепло- и электропроводностью.

Она хорошо противостоит коррозии на воздухе, но во влажной среде и в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, быстро тускнеет, покрывается зеленым налетом, при этом образуются очень токсичные соединения.

Широко используется ля изготовления электрических проводов, шнуров, контактов. На ее основе получают многочисленные сплавы, объединенные в две группы – латунь и бронзу.

Латуни — это сплавы меди с цинком.

К никелевым латуням относят мельхиор и нейзильбер. Обычные латуни могут содержать до 50% цинка, с возрастанием концентрации цинка возрастает прочность сплава при сохранении достаточной пластичности. Из латуни методом глубокой вытяжки изготовляют чайники, кофейники, самовары, охотничьи гильзы.

Мельхиор – сплав меди с 18-20% никеля.

Нейзильбер – содержит меди 13,5% и 18-22% цинка, по внешнему виду напоминает серебро, имеет высокую коррозийную стойкость и пластичность. Используются никелевые латуни доя изготовления столовой посуды, столовых приборов, художественно-декоративных и ювелирных изделий.

Бронзы – сплав меди с другими элементами. Наиболее распространены оловянные бронзы (олова до11%). Они обладают хорошими литейными свойствами и малой усадкой при затвердевании и охлаждении.

Методом литья из нее изготовляют: подсвечники, статуэтки, барельефы, дверные ручки, краны, вентили.

Вводят также 5-10% цинка – для удешевления, 3-5% свинца – для уменьшения хрупкости, и до 1% фосфора – для облегчения обрабатываемости резцом.

Цинк – светло-серый с синеватым оттенком металл, легкоплавкий, хрупкий. Используют для нанесения защитных покрытий на стальную посуду получаются сплавы с хорошими дверей. Цинковые покрытия образуют плотную защитную пленку при повышенной влажности.

Но при воздействии на оцинкованное покрытие щелочей, кислоты или горячей воды образуются токсичные вещества. При легировании цинка алюминием получают сплавы с хорошими литейными свойствами, но не очень прочные. Для придания им прочности вводят 3,5% меди.

Эти сплавы используют для отлива замков, ручек, ножей, вилок.

Никель – серебристый с желтоватым оттенком металл, очень пластичный, тяжелый, с высокими механическими свойствами. Хорошо поддается полировки и имеет высокую степень блеска. Никель противостоит коррозии на воздухе, в воде и растворах кислот.

Поэтому активно используют в защитно-декоративных покрытиях столовых приборов, приборов для окон и дверей, инструментов, посуды, велосипедов, металлической мебели и т.д. Сплавы никеля с хромом – нихромы – используют при изготовлении электротоваров.

Они отличаются высоким электрическим сопротивлением и окалиностойкостью, используют для изготовления электронагревательных элементов электроплиток, утюгов, чайников.

Хром – твердый, тугоплавкий, серебристо-синеватый металл с очень высокой коррозионной стойкостью. Применяют для получения защитно-декоративных покрытий, обеспечивающих повышенную износостойкость деталей инструментов, приборов для окон и дверей, автомашин, велосипедов, мотоциклов, часов.

Олово – серебристый легкоплавкий металл мягкий и пластичный. Имеет высокую коррозионную стойкость и безвредность, используется как покрытие для латунной и стальной посуды, чугунных мясорубок, консервных банок, крышек для консервирования.

Но это покрытие легко царапается, а при минусовых температурах осыпается и это необходимо учитывать при транспортировании, хранении и эксплуатации изделий покрытых оловом.

Олово легкоплавкий металл — его применяют для паяния или в составе припоя олово-свинец.

Благородные (драгоценные) металлы и сплавы используют для производства ювелирных, художественно0декоративных и электронных товаров. К этой группе относятся серебро, золото, платина и металлы платиновой группы – палладий, рутений, родий, иридий, осмий. Для бытовых ювелирных изделий используют в основном серебро, золото, платину.

Серебро обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью, хорошей отражающей способностью. Оно устойчиво к действию воды, соляных и органических кислот, но растворяется в азотной кислоте. Серебро используют для защитно-декоративного покрытия, изготовления ювелирных изделий, припоев, светочувствительных материалов, контактов приборов и т.д.

Золото металл ярко-желтого цвета с сильным блеском, тяжелый, но мягкий и пластичный.

Золото имеет высокую химическую прочность к действию атмосферы, воды при высоких и низких температурах, к кислотам, щелочам, но растворяется в «царской водке» (смесь соляной и азотной кислоты), бромной и хлорной воде.

Ювелирные изделия изготавливают не из чистого золота, так как оно очень мягкое, а из сплавов золота с медью, серебром, палладием (белое золото).

Платина — белый металл с сероватым оттенком, имеет высокую плотность и температуру плавления. Обладает высокой твердостью, но меньшей пластичностью.

Для повышения прочности ее сплавляют с металлами платиновой группы: родием, иридием, палладием, а также золотом, серебром и медью.

В ювелирном деле платина применяется 950 пробы при изготовлении украшений, а также в качестве оправы для бриллиантов, так как у платины одинаковый коэффициент расширения с алмазом и бриллиант в оправе из платины дает лучший блеск.

Урок 13. сплавы металлов — Химия — 11 класс — Российская электронная школа

• Химия, 11 класс
• Урок № 13. Сплавы металлов
• Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению сплавов чёрных и цветных металлов, роли легирующих добавок, зависимости свойств сплавов от состава.
• Глоссарий

Бронза – сплав на основе меди; оловянная бронза содержит до 8,5% олова. Может содержать также алюминий, кремний, свинец. Используется для изготовления деталей машин, инструментов, при ударе не образующих искр.

Баббиты – сплавы на основе олова и свинца. Применяются для изготовления подшипников, так как отличаются высокой устойчивостью к истиранию.

Дюралюминий – высокопрочные сплавы на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца. Основной конструкционный материал в авиа- и ракетостроении.

Константан – сплав на основе меди, никеля и марганца, используется для изготовления электроизмерительных приборов.

Латунь – сплав меди и цинка, с небольшими добавками никеля, олова, свинца, марганца. Используется для изготовления деталей машин и запорной аппаратуры.

1. Легированная сталь – сталь, в состав которой включены легирующие добавки, повышающие прочность, коррозионную устойчивость, жаропрочность и другие свойства сплава.
2. Легирующие добавки – вещества, вводимые в сплав в определённых количествах, для придания сплаву необходимых свойств.
3. Мельхиор – медно-никелевый сплав с добавлением железа, используется для изготовления монет, инструментов, столовых приборов.
4. Нейзильбер – трёхкомпонентный сплав на основе меди, цинка и никеля.

Силумин – сплав алюминия с кремнием. Применяется для литья деталей в авто- моторостроении.

Сплав — материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, один из которых обязательно металл.

Сплав Вуда – легкоплавкий сплав на основе висмута, свинца, олова и кадмия. Используется для изготовления металлических моделей, заливки образцов, пайки некоторых сплавов.

• Сталь – сплав железа с углеродом, причем доля углерода не превышает 2,14%.
• Цветные металлы – алюминий, медь, никель, цинк, олово, свинец и другие металлы, не относящиеся к чёрным.
• Цементит – карбид железа Fe3C, образуется в виде отдельной фазы в чугуне с высоким содержанием углерода.
• Чёрные металлы – железо, марганец, иногда к чёрным металлам относят хром.
• Чугун – сплав железа с углеродом, содержание углерода в пределах от 2,14 до 4,3%.

Электрон – сплав на основе магния и алюминия с добавлением цинка, и марганца. Используется в авиа- и ракетостроении.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Сплавы металлов и их классификация

Одним из первых металлов, который человек стал применять для своих нужд, была медь. Но ещё в III тысячелетии люди обнаружили, что медь, сплавленная с оловом, позволяет делать более прочное оружие, долговечную посуду. Материал, полученный при сплавлении меди с оловом, получил название «бронза». Это был первый сплав, изготовленный человеком.

Сплавом называют искусственный материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один является металлом.

В зависимости от количества компонентов различают двойные (бинарные), тройные и многокомпонентные сплавы. Сплавы могут иметь однородную структуру (гомогенные сплавы), а также состоять из нескольких фаз (гетерогенные сплавы).

В зависимости от своих свойств сплавы подразделяются на легкоплавкие, тугоплавкие, жаропрочные, высокопрочные, твердые, коррозионно-устойчивые.

По предполагаемой технологии обработки различают литейные (изделия производят путём литья) и деформируемые (обрабатывают путём ковки, проката, штамповки, прессования) сплавы.

Чёрные металлы и сплавы на их основе

В зависимости от природы металла, составляющего основу сплава, различают чёрные и цветные сплавы. В чёрных сплавах основным металлом является железо. Самыми распространенными из чёрных сплавов являются сталь и чугун. К чёрным металлам относятся железо, а также марганец и хром, которые входят в состав чёрных сплавов.

Чугун

Чугун – сплав на основе железа, содержание углерода в котором превышает точку предельной растворимости углерода в расплаве железа (2,14%). При остывании сплава, углерод кристаллизуется в виде отдельных включений цементита и графита.

Углерод придает чугуну твердость, но снижает пластичность сплава, поэтому чугун хрупкий.

Чугун применяют для изготовления литых деталей (коленчатых валов, колёс, труб, радиаторов отопления, ванн, решеток ограждения), кухонной посуды (сковородок, чугунков, казанов).

Сталь

В стали содержание углерода значительно меньше. В низкоуглеродистых сталях количество углерода не превышает 0,25%, в высокоуглеродистой стали содержание углерода может достигать 2%. Самые первые стальные изделия появились 4000 лет назад. В настоящее время выплавляют стальные сплавы с различными свойствами. Это конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные стали.

Легирующие добавки

Для придания стали особых свойств в процессе её изготовления, вводят легирующие добавки. Легирующими добавками называют вещества, которые добавляют в сплав в определенном количестве для изменения механических и физических свойств материала.

Легированные стали

В зависимости от количества легирующих добавок различают низколегированную, среднелегированную и высоколегированную сталь. Марка стали обозначается с помощью букв и цифр.

Буква указывает на химическую природу легирующей добавки, а цифра, стоящая после буквы – на примерное содержание этой добавки в сплаве. Если содержание добавки меньше 1%, то цифру не ставят.

Цифры впереди букв показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 18ХГТ содержится 0,18 % С, 1 % Сr, 1 % Мn, около 0,1 % Тi.

Стали применяют для изготовления армирующих железнодорожных рельсов, дробильных установок, конструкций, турбин электростанций и двигателей самолётов, инструментов (пилы, сверла, резцы, зубила, фрезы), химической аппаратуры, деталей автомобилей, тракторов, дорожных машин, труб и много другого.

Цветные металлы и сплавы на их основе

К цветным металлам относят алюминий, цинк, медь, никель, олово, свинец и др. Сплавы на основе цветных металлов называют цветными. Это бронза, латунь, силумин, дюралюминий, баббиты и многие другие. В авиации широкое применение нашли легкие и прочные сплавы на основе алюминия и титана.

Изделия из медных сплавов: бронзы и латуни, применяются в химической промышленности, для изготовления запорной аппаратуры: кранов, вентилей. Сплавы на основе олова и свинца используют для изготовления подшипников.

Из мельхиора и нейзильбера – сплавов меди и никеля, изготовляют столовые наборы, монеты.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет массовой доли металла в сплаве

Условие задачи: Кусочек нейзильбера массой 2,00 г поместили в раствор гидроксида натрия. В ходе реакции выделилось 0,14 л водорода (н.у.). Вычислите массовую долю цинка в сплаве. Ответ запишите в процентах с точностью до десятых долей.

1. Шаг первый: запишем уравнение реакции цинка с раствором гидроксида натрия:
2. Zn + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2↑.
3. Один моль цинка вытесняет из щёлочи один моль водорода.
4. Шаг второй: найдём количество цинка, которое вытеснило 0,14 л водорода.

Для этого найдём в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева молярную массу цинка: М(Zn) = 65 г/моль. При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объём, равный 22,4 л. Составим пропорцию:

• 65 г цинка вытесняет 22,4 л водорода;
• х г цинка вытесняет 0,14 л водорода.
• 65 : х = 22,4 : 0,14, откуда х = (65·0,14) : 22,4 = 0,41 (г) – масса цинка в сплаве.
• Шаг третий: найдём массовую долю цинка в сплаве:
• ω = (0,41 : 2,00)*100 = 20,5 (%).
• Ответ: 20,5
• 2. Расчёт массы легирующей добавки

Условие задачи: Для придания стали противокоррозионных свойств в сплав добавляют хром. Сталь марки С1 должна содержать 12% хрома, 1% кремния, 1,5% марганца и 0,2% углерода. Сколько хрома необходимо добавить к железному лому (посторонними примесями пренебрегаем) массой 500 кг, чтобы получить нержавеющую сталь требуемой марки? Ответ записать в килограммах с точностью до десятых долей.

1. Шаг первый: найдём массовую долю железа в стали марки С1:
2. Для этого от 100% отнимем массовые доли остальных элементов:
3. 100 – 12 – 1 – 1,5 – 0,2 = 85,3 (%).
4. Шаг второй: найдём массу одного процента сплава.
5. Для этого массу железного лома разделим на массовую долю железа:
6. 500 : 85,3 = 5,9 (кг).
7. Шаг третий: найдём необходимую массу хрома. Для этого массу одного процента сплава умножим на массовую долю хрома в сплаве:
8. 5,9*12 = 70,8 (кг).
9. Ответ: 70,8