Свойства алюминия

Свойства алюминия

Алюминий-самый распространненый металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7.45 % (больше, чем железа, которого только 4.2 %). Алюминий как элемент открыт недавно-в 1825 г., когда были получены первые небольшие комочки этого металла. Начало его промышленного освоения относится к концу прошлого столетия. Толчком к  этому послужила разработка в 1886 г. способа его получения путем электролиза глинозема, растворенного в криолите. Принцип способа лежит в основе современного промышленного извлечения алюминия  из глинозема во всех странах мира.

По внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой

матовой пленкой Al O . Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.

Алюминий достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. В концетрированной азотной кислоте и органических кислотах он обладает высокой стойкостью.

Наиболее характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2.7, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность. При 0 C удельная электропроводность алюминия, т.е. электропроводность алюминиевой проволоки сечением 1 мм и длиной 1 м равна 37 1 ом.

Коррозионная стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем меньше в нем примесей.

Температура плавления алюминия невысокая, она равна приблизительно 660 C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая-около 100 кал г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у  которой температура плавления 1083 C, скрытая теплота плавления 43 кал г.

Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность. Прокатанный и отожженный алюминий имеет =10 кГ мм, а твердость НВ25, =80% и =35%.

Кристаллическая решетка алюминия представляет собой гранецентрированный куб, имеющий при 20 C параметр (размер стороны) 4.04 . Аллотропических превращений алюминий не имеет.

В природе аллюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.

Получение алюминия из руд состоит из двух последовательно проводимых этапов-сначала производят глинозем (Al O ), а затем из него получают алюминий.

Известные в настоящее время методы получения глинозема можно разбить на три группы: щелочные, кислотные и электротермические. Наиболее широкое применение получили щелочные методы.

В одних разновидностях щелочных методов боксит, обезвоженный при 1000 C, измельчают в шаровых мельницах, смешивают в определенных пропорциях с мелом и содой и спекают для получения растворимого в воде твердого алюмината натрия по реакции

Al O  + Na CO  = Al O Na O + CO  .

Спекшуюся массу измельчают и выщелачивают водой, алюминат натрия при этом переходит в раствор.

В других разновидностях щелочного метода глинозем, содержащийся в боксите, связывают в алюминат натрия путем непосредственной обработки руды щелочами. При этом сразу получается раствор алюмината в воде.

В обоих случаях образование водного раствора алюмината натрия приводит к отделению его от нерастворимых компонентов руды, представляющих собой в основном окиси и гидроокиси кремния, железа и титана. Отделение раствора от нерастворимого осадка, называемого красным шламом, осуществляют в отстойниках.

В полученный раствор при 125 C и давлении 5 ам добавляют известь, что приводит к обескремниванию-CaSiO  уходит в осадок, образуя белый шлам. Очищенный от кремния раствор после отделения его от белого шлама обрабатывают углекислым газом при 60-80 C, в результате чего в осадок выпадает кристаллический гидрат окиси алюминия:

Al O Na O + 3H O + CO  = 2Al(OH)  + Na CO  .

Его промывают, просушивают и прокаливают. Прокаливание приводит к образованию глинозема:

2Al(OH)  = Al O  + 3H O .

Описанный способ обеспечивает довольно полное извлечение глинозема из боксита-около 80%.

Получение металлического алюминия из глинозема заключается в его электролитическом разложении на составные части-на алюминий и кислород. Электролитом в этом процессе является раствор глинозема в криолите (AlF  3NaF). Криолит, обладая способностью растворять глинозем, одновременно снижает его температуру плавления. Глинозем плавится при температуре около 2000 C, а температура плавления раствора, состоящего, например, из 85 % криолита и 15 % глинозема, равна 935 C.

Схема ээлектролиза глинозема достаточно проста, но технологически этот процесс сложный и требует больших затрат электроэнергии.

В поду ванны с хорошей теплоизоляцией 1 и угольной набивкой 2 заложены катодные шины 3, соединенные с отрицательным полюсом источника электрического тока. К анодной шине 4 присоединены электроды 5. Перед началом электролиза на дно ванны насыпают тонкий слой кокса, электроды опускают до соприкосновения с ним и включают ток. Когда угольная набивка накалится, постепенно вводят криолит. При толщине слоя расплавленного криолита, равной 200-300 мм, загружают глинозем из расчета 15% к количеству криолита. Процесс происходит при 950-1000 C.

Под действием электрического тока глинозем разлагается алюминий и кислород. Жидкий алюминий 6 скапливается на угольной подине (дно угольной ванны), являющейся катодом, а кислород соединяется с углеродом анодов, постепенно сжигая их. Криолит расходуется незначительно. Глинозем периодически добавляют, электроды для компенсации сгоревшей части постепенно опускают вниз, а накопившийся жидкий алюминий через определенные промежутки времени выпускают в ковш 8. 

При электролизе на 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема,

0.6 т угольных электродов, служащих анодами, 0.1 т криолита и от

17000 до 18000 квт ч электроэнергии.

Полученный при электролизе глинозема алюминий-сырец содержит металлические примеси (железо, кремний, титан и натрий), растворенные газы, главным из которых является водород, и неметаллические включения, представляющие собой частицы глинозема, угля и криолита. В таком состоянии он непригоден для применения, так как имеет низкие свойства, поэтому его обязательно подвергают рафинированию. Неметаллические и газообразные примеси удаляют путем переплавки и продувки металла хлором. Металлические примеси можно удалить только сложными электролитическими способами.

После рафинирования получают торговые сорта алюминия.

Чистота алюминия является решающим показателем, влияющим на все его свойства, поэтому химический состав положен в основу классификации алюминия.

Неизбежными примесями, получающимися при производстве алюминия, являются железо и кремний. Обе они в алюминии вредны. Железо не растворяется в алюминии, а образует с ним хрупкие химические соединения FeAl  и Fe Al . С кремнием алюминий образует эвтектическую механическую смесь при 11.7% Si. Поскольку растворимость кремния при комнатной температуре очень мала (0.05%), то даже при его незначительном количестве он образует эвтетику Fe+Si и включения очень твердых (НВ 800) хрупких кристалликов кремния, которые снижают пластичность алюминия. При совместном присутствии кремния и железа образуется тройное химическое соединение и тройная эвтектика, тоже понижающие пластичность.

У нас в стране в зависимости от количества примесей установлены тринадцать марок алюминия, выпускаемых промышленностью.

______________________________________________________________

		|	Чистота алюминия разных марок	|

Группа

чистоты

Марка

Содержание

алюминия, %

не менее

| Группа

| чистоты

|

Марка

Содержание

алюминия, %

не менее

Особой

чистоты

А999

99.999

|

| Техни-

| ческой

| чистоты

|

|

|

|

А85

А8

А7

А6

А5

А0

А

АЕ

99.85

99.80

99.70

99.60

99.50

99.00

99.00

99.50

Высокой

чистоты

А995

А99

А97

А95

99.995

99.99

99.97

99.95







Контролируемыми примесями в алюминии являются железо, кремний, медь и титан.

Алюминий всех марок содержит более 99 % Al. Количественное же превышение этой величины в сотых или десятых долях процента указывают в названии марки после начальной буквы А. Так, в марке А85 содержится

99.85 % Al. Исключение из этого принципа маркировки составляют марки А

АЕ, в которых содержание алюминия такое же, как в марках А0 и А5, но другое соотношение входящих в состав примесей железа и кремния.

Буква Е в марке АЕ означает, что алюминий данной марки предназначается для производства электропроводов. Дополнительным требованием к свойствам алюминия является низкое электросопротивление, которое для проволоки, изготовленной из него, должно быть не более 0.0280 ом мм  м при 20 C.

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе, свойства которых требуют большой степени его чистоты.

В зависимости от назначения алюминий можно производить в различном виде. Алюминий всех марок (высокой и технической чистоты), предназначенный для переплавки, отливают в виде чушек массой 5; 15 и 1000 кг. Их предельные величины следущие: высота от 60 до 600 мм, ширина от 93 до 800 мм и длина от 415 до 1000 мм.

Если же алюминий предназначается для проката листа и ленты, то непрерывным или полунепрерывным методом отливают плоские слитки семнадцати размеров. Толщина их колеблется в пределах от 140 до 400 мм, ширина-от 560 до 2025 мм, а масса 1 м длины слитка-от 210 до 2190 кг. Длину слитка согласовывают с заказчиком.

Основным видом контроля алюминия как в чушках, так и в плоских слитках, является проверка химического состава и его соответсвие марочному. К чушкам и слиткам, предназначенным для обработки давлением, предьявляют дополнительные требования, такие, например, как отсутсвие раковин, газовых пузырей, трещин, шлаковых и других посторонних включений.

Для раскисления стали в процессе ее выплавки, а также для производства ферросплавов и для алюмотермии можно применять более дешевый алюминий меньшей чистоты, чем это указано таблице "Чистота алюминия разных марок". Для этой цели промышленность выпускает шесть марок алюминия в чушках массой от 3 до 16.5 кг, содержащих от 98.0 до 87.0 % Al. В них содержание железа достигает 2.5 %, а кремния и меди до 5 % каждого.

Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять

алюминий как проводник электрического тока, заменяя им более дорогую

медь. Разницу в электропроводности меди (63 1 ом) и алюминия (37 1 ом)

компенсируют  увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса

алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при

значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между

опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса.

Из него изготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Высокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев незаменимым иатериалом в химическом машиностроении, например для изготовления аппаратуры, применяющейся при производстве, хранении и перевозке азотной кислоты и ее производных.

Широко его применяют также в пищевой промышленности-из него изготовляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и высокую теплопроводность.

Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу, которая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более дорогую оловянную фольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообразных пищевых продуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др.

Алюминий применяют так же, как антикоррозионное покрытие других металлов и сплавов. Его можно наносить плакированием, диффузионной металлизацией и другими способами, включая покраску алюминийсодержащими красками и лаками. Особенно сильно распространено плакирование алюминием плоского проката из менее коррозионноустойчивых алюминиевых сплавов.

Химическую активность алюминия по отношению к кислороду используют для раскисления при производстве полуспокойной и спокойной стали и для получения трудновосстановимых металлов путем вытеснения алюминием из их кислородных соединений.

Алюминий применяют как легирующий элемент в самых различных сталях и сплавах. Он придает им специфические свойства. Так например, он повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов.

Можно назвать и иные области применения алюминия различной степени чистоты, но самое большое его количество расходуют на получение различных легких сплавов на его основе. Сведения о главных из них приведены ниже.

В целом применение алюминия в различных отраслях хозяйства на примере развитых капстран оценивают следущими цифрами: транспортное машиностроение 20-23% (в том числе автомобилестроение 15%), строительство 17-18%, электротехника 10-12%, производство упаковочных материалов 9-10%, производство потребительских товаров длительного пользования 9-10%, общее машиностроение 8-10%.

Алюминий завоевывает все новые области применения, несмотря на конкуренцию других материалов и особенно пластмасс.

Основными промышленными рудами, содержащими алюминий, являются боксит, нефелин, алунит и каолин.

Качество этих руд оценивают по содержанию в них глинозема Al O , который содержит 53% Al. Из других показателей качества алюминиевых руд наиболее важным является состав примесей, вредность и полезность которых определяются применением руды.

Б о к с и т является лучшим и во всем мире основным сырьем для получения алюминия. Его используют также для производства искусственного

корунда, высокоогнеупорных изделий и для других назначений. По химическому составу эта осадочная горная порода представляет собой смесь гидратов глинозема Al  O  nH O с окислами железа, кремния, титана и других элементов. Наиболее распространенными гидратами глинозема, входящими в состав бокситов, являются минералы: диаспор, бемит и гидраргеллит. Содержание глинозема в боксите даже в одном месторождении колеблется в очень широких пределах-от 35 до 70%.

Входящие в состав боксита минералы образуют очень тонкую смесь, что затрудняет обогащение. В промышленности в основном применяют сырую руду. Процесс извлечения алюминия из руды сложный, очень энергоемкий и состоит из двух стадий: сначала извлекают глинозем, а затем из него получают алюминий.

Предметом мировой торговли является как сам боксит, так и извлеченный из него или других руд глинозем.

На территории СНГ залежи бокситов распределены неравномерно, и бокситы разных месторождений неравноценны по качеству. Месторождения наиболее высококачественных бокситов находятся на Урале. Большие запасы бокситов имеются также в Европейской части СНГ и в Западном Казахстане.

Из индустриально развитых стран ныне практически обеспечена лишь Франция, где впервые началась его разработка. Его достоверные и вероятные запасы в этой группе государств в 1975 г. оценивались в 4.8 млрд. т (в том числе в Австралии 4.6 млрд. т), тогда как в развивающихся странах в 12.5 млрд. т, в основном в Африке и Латинской Америке (самые богатые-Гвинея, Камерун, Бразилия, Ямайка).

За послевоенное время резко расширился круг стран, где ведется добыча боксита и производится первичный алюминий. В 1950 г. боксит добывали лишь в 11 странах, не считая СССР, в том числе в трех в количестве свыше 1 млн. т (Суринам, Гайяна, США) и в четырех более по 0.1 млн. т (Франция, Индонезия, Италия, Гана). К 1977 г. обьем добычи возрос в 12 раз и резко изменилась  ее география (более половины добычи капиталистического мира приходилось на развивающиеся страны).

В отличие от развивающихся стран, богатая топливом Австралия большую часть добываемых бокситов (в основном на полуострове Иорк-в крупнейшем бокситовом месторождении мира) перерабатывает в глинозем, играя решающую роль в его мировом экспорте. Не пример ей, страны бассейна Карибского моря и западноафриканские вывозят преимущественно боксит. В этом сказывается как причины политического характера (мировым алюминиевым монополиям предпочтительнее производство глинозема за пределами бокситодобывающих, зависимых от них стран), так и чисто экономические: бокситы, в отличие от руд тяжелых цветных металлов, транспортабельны (содержат 35-65 % двуокиси алюминия), а глиноземное производство требует значительных удельных расходов, которым не располагает подавляющая часть бокситодобывающих стран.

Стремясь пртивостоять диктату мировых алюминиевых монополий бокситоэкспортирующие страны в 1973 г. создали организацию "Международная ассоциация бокситодобывающих стран" (МАБС). В нее вошли Австралия, Гвинея, Гайана, Ямайка, а также Югославия; позднее к ней присоединились Доминиканская республика, Гаити, Гана, Сьерра-Леоне, Суринам, а Греция и Индия стали странами-наблюдателями. На год создания на долю этих государств приходилось примерно 85 % добычи бокситов в несоциалистических государствах.

Для алюминиевой промышленности характерен территориальный разрыв как между добычей боксита и производством глинозема, так и между последним и выплавкой первичного алюминия. Крупнейшие производства глинозема (до 1-1.3 млн. т год) локализованы как при алюминиевых заводах (например, при канадском заводе в Арвида в Квебеке, занимающем по производственной мощности-0.4 млн. т алюминия в год), так и в бокситоэкспортирующих портах (например, Паранам в Суринаме), а также на путях следования боксита от вторых к первым-например в США на побережье Мексиканского залива (Корпус-Кристи, Пойнт-Комфорт).

У нас в стране все добываемые бокситы разделены на десять марок. Основное различие между бокситами разных марок состоит в том, что они содержат разное количество основного извлекаемого компонента-глинозема и имеют разную величину кремниевого модуля, т.е. разное содержание глинозема к содержанию вредной в бокситах примеси кремнезема (Al O  SiO ). Кремниевый модуль является очень важным показателем качества бокситов, от него в сильной мере зависят их применение и технология переработки.

Основные показатели качества бокситов всех десяти марок приведены в таблице. Там же указано и преимущественное применение бокситов разных марок.

|

|

|

|

Марка  |

боксита |

Содержа

ние

Al O ,%

| Весовое |

|отношение|

|Al O :SiO|

|

|

Примерное  назначение        |

|

|

не

менее      |

|

|

БВ..... |

52

|   12.0  |

Производство электрокорунда        |

|

|

|

|

Б-0.... |

|

|

Б-1.... |

52

49

|   10.0  |

|         |

|         |

|    9.0  |

Производство глинозема, электроко- |

рунда и глиноземистого цемента     |

|

То же                              |

|

|

Б-2.... |

Б-3.... |

46

46

|    7.0  |

|    5.0  |

Производство глинозема, плавленых | огнеупоров и глиноземистых цементов|

|

|

Б-4.... |

Б-5.... |

42

40

|    3.5  |

|    2.6  |

Производство глинозема и огнеупо- | ров |

|

|

Б-6.... |

|

37

|    2.1  |

|         |

Производство огнеупоров, мартенов- | ское производство |

|

|

|

|

Б-7.... |

|

|

Б-8.... |

30

28

|    5.6  |

|         |

|         |

|    4.0  |

Производство глинозема и глиноземи-|

стого цемента                      |

|

Производство глинозема             |

Как видно из таблицы, бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использован для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предьявляют разные требования по содержанию примесей серы, окиси кальция и фосфора.

Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) устанолена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%. Показатель влажности не является браковочным признаком и служит только для расчетов с потребителем.

Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

Н е ф е л и н Na(AlSiO )-минерал светло-серого или зеленоватого цвета. Твердость 5.5-6. Содержит 30-40% Al O . Используют нефелин как

металлургическую руду для последовательного извлечения глинозема и

алюминия, а также в химической, стекольной и кожевенной промышленности.

А л у н и т (квасцовый камень) KAl (SO ) (OH) -минерал белого, серого или красноватого цвета. Твердость 3.5-4.0. Содержит 37 % Al O .

Служит для получения квасцов, глинозема и калиевых солей.

К а о л и н Al O 2SiO 2H O-распространенная горная порода. По внешнему виду это белая землянистая масса, являющаяся продуктом раз-

рушения кристаллических пород-гранитов, гнейсов и др. Твердость около

1, содержит 37.5 % Al O . Каолин применяют для производства фарфоровых и фаянсовых изделий, изоляторов, а также как наполнитель в резиновой промышленности.

Г л и н о з е м Al O является концетратом, получаемым из различных алюминиевых руд. Его поставляют в виде белого кристаллического

порошка.

Глинозем является основным сырьем для получения металлического алюминия. Кроме того, его используют и в других отраслях промышленностиабразивной, радио и др. У нас в стране производят глинозем восьми марок, физико-химическим составом и назначением.

Для производства первичного алюминия предназначен глинозем марок ГА85, ГА8, ГА6 и ГА5. Буквенная часть марок указывает на область применения глинозема, а цифры-на степень чистоты получаемого алюминия: это сотые и десятые доли процента сверх 99 %. Например, марка ГА85- глинозем для получения алюминия со степенью чистоты 99.85 %, а марка ГА5-то же, но со степенью чистоты 99.5 %.

Для производства белого электрокорунда применяют глинозем марки

ГЭ5, высокоглиноземистых огнеупоров-ГО, электроизоляционных изделий-

ГК и для электровакуумной промышленности и специальных видов радиокерамики-ГЭВ.

В глиноземах всех назначений нормируются потери при прокаливании

(в разных марках от 0.4 до 1.2 %), содержание кремнезема (от 0.03 до

0.5 %), окиси железа (от 0.035 до 0.1 %) и окиси щелочных металлов

(от 0.1 до 0.6 %).

Влага, удаляемая при 120 C,  не нормируется.

Как уже сказано, по физическому состоянию глинозем имеет вид порошка. Особенно строгие требования по гранулометрическому составу предьявляют к глинозему марки ГЭВ, в котором частицы должны иметь округлую форму и их размер не должен превышать 3 мкм.

Глинозем марок ГК и ГЭВ при поставке обязательно упаковывают в многослойные бумажные мешки или в сухие мешки из плотной ткани. Перевозят их в закрытых железнодорожных вагонах и трюмах. Глинозем остальных шести марок можно упаковывать в мешки, но чаще его перевозят без тары навалом в специальных (цементовозах, цистернах и т.д.).

Прочность алюминия незначительна, поэтому для изготовления любых изделий,предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы: деформируемые и литейные. Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов: деформируемые имеют высокую пластичность в нагретом состоянии, а литейные-хорошую жидкотекучесть. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.

Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, о котором речь шла выше, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и несколько отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общей содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами и маркируют у нас в стране СИЛ-00 (наиболее чистый по примесей), СИЛ-0, СИЛ-1 и СИЛ-2. Поставляют их в виде гладких чушек или чушек с пережимами массой 6 и 14 кг. Силумин в чушках тоже является товаром на мировом рынке.

Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. В них не должно эвтектики, которая легкоплавка и резко снижает пластичность.

Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.

Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.

Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и неупрочняемые. Это наименование отражает способность или неспособность сплава заметно повышать прочность при термической обработке.

Структурные превращения, происходящие в алюминиевых сплавах при их термической обработке, существенно отличается от таковых в стали потому, что алюминий не имеет аллотропического превращения. В них повышение прочности может происходить только за счет процессов, связанных с выделением из перенасыщенного в результате закалки твердого раствора каких-то упрочняющих фаз.

Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии-сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.

Название марок дюралюминия начинается буквой Д, затем идет цифра, которая не отражает химического состава, а представляет собой просто номер. В разное время было разработано много марок дюралюминия, но многие из них не нашли широкого применения. Сейчас промышленность выпускает пять основных марок дюралюминия, химический состав которых приведен в таблице.

|

|

|

|

|

Дюралюми-| ний |

|

Основной химический состав, % ____________________________________________

Cu | Mn | Mg | Si,не

| | | более

|

___________|

Fe,не | более |

|

|

|

Д1...... | |

Д16..... |

3,8-4,8 | 0,4-0,8 | 0,4-0,8 | 0,7 | | |

3,8-4,9 | 0,3-0,9 | 1,2-1,8 | 0,5

0,7 | |

0,5    |

|

|

|

Д18..... | |

Д19..... |

2,2-3,0 | <0,2 | 0,2-0,5 | 0,5 | | |

3,8-4,3 | 0,5-1,0 | 1,7-2,3 | 0,5

0,5 | |

0,5    |

|

Д20..... |

6,0-7,0 | 0,4-0,8 | <0,05 | 0,3

0,3    |

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре  и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C .

Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C ). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.

Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl . Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C ,то произойдет искуственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Обьясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl  и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.

Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.

Близкими по химическому составу к дюралюминию, но в горячем состоянии несколько более пластичными, чем они, являются алюминиевые сплавы для поковок и штамповок, которые маркируют буквами АК (алюминий кованый) и порядковым номером (АК4, АК4-1, АК6 и АК8).

К группе деформируемых упрочняемых сплавов сплавов относят также более высокопрочные, чем дюралюминий, сплавы системы Al-Cu-Mg-Zn, название марок которых начинаются буквой В (высокопрочные)-это сплавы марок В93, В94, В95.

Характерной особенностью осноного химического состава сплавов В93, В94 и В95 является то, что при сравнительно небольшом содержании меди (0.8-2.4 %) и магния (1.2-2.8 %) в них вводят большое количество цинка (5-7 %). Цинк не образует упрочняющих фаз, но, входя в состав твердого раствора, увеличивает эффект старения, что приводит к значительному повышению твердости.

Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Обьясняется это следущим образом.

В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.

В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последущим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы-химического соединения Mg Al . Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметного эффекта упрочнения.

Несмотря на сказанное, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.

Значительное повышение прочности сплавов алюминия с марганцем и магнием может быть достигнуто путем их пластической деформации. Наклепанные (нагартованные) изделия из этих сплавов обладают существенно более высокой прочностью, чем в отожженном состоянии. В сплаве АМц, например, при поклепе временное сопротивление повышается с 13 до 22 кГ/мм .

Название марок сплавов системы Al-Mn обозначают буквами АМц, а системы Al-Mg буквами АМг, далее в обоих случаях следует цифра, указывающая номер сплава.

Для получения литейных сплавов в алюминий вводят такие легирующие элементы и в таком количестве, чтобы обеспечить получение в их структуре эвтектики. Эвтектика легкоплавка и кристаллизуется при постоянной температуре, что создает хорошую жидкотекучесть, т.е. способность сплава в жидком состоянии хорошо заполнять литейную форму.

Применяемые в настоящее время литейные алюминиевые сплавы, делят на пять групп в зависимости от того, какой основной легирующий элемент введен в них. К группе 1 относят сплавы, легированные магнием, к группе 2-кремнием, 3-медью, 4-одновременно кремнием и медью, к группе 5 относят сплавы, легируемые другими элементами, включающие в свой состав иногда до пяти легирующих компонентов одновременно.

Марки литейных сплавов независимо от их принадлежности к той или иной группе обозначают буквами АЛ (алюминиевый литейный) и номером.

Наиболее характерные составы литейных алюминиевых сплавов всех пяти групп приведены в таблице. Там же указаны и другие марки сплавов, относящихся к каждой из этих групп.



Груп-

па

спла-

вов

Сплавы

Основной химический __________________________

Mg | Si | Cu

| |

состав,%

________

Zn

________

Ni

Перечень | марок |

входящих в|

группу  |



1

2

3

4

5

АЛ8

АЛ2

АЛ7

АЛ3

АЛ1

АЛ11

АЛ26

9,5-11,5| - | -

| |

| |

| |

| |

| |

| |

- | 10-13 | -

| |

- | - | 4-5

| |

0,35-0,6|4,5-5,5 |1,5-3,0 | | | | | | | |

1,2-1,75| - |3,75-4,5 | | | |

0,1-0,3|6,0-8,0 | -

| |

| |

0,4-0,7|  20-22 | 1,5-2,5

-

-

-

-

-

7-12

-

-

-

-

1,75-2,3

-

1,0-2,0

АЛ13,   |

АЛ22,   |

АЛ23,   |

АЛ27,   |

АЛ28,   |

АЛ29, | |

АЛ4,АЛ9 | |

АЛ19 | |

АЛ5,АЛ6, | АЛ10, | АЛ14, | АЛ15 |

|

АЛ16,  |

АЛ17,  |

АЛ18,  |

АЛ20,  |

АЛ21,  |

АЛ24,  |

АЛ25,  |

Сплав алюминия с высоким содержанием магния (марка АЛ8) обладает наиболее высокими механическими и антикоррозионными свойствами среди литейных сплавов, но его литейные свойства существенно хуже, чем у других. Отливка изделий из него сопряжена с определенными технологическими трудностями.

Литейные сплавы с высоким содержанием кремнием часто называют силуминами, т.е. так же, как и сырьевые двойные сплавы алюминия с кремнием. Нормальный силумин АЛ2, содержащий 10-13% Si, является сплавом с прекрасными литейными свойствами, но он недостаточно прочен и не может упрочняться путем термической обработки, так как кремний почти нерастворим в алюминии. В его структуре на фоне грубой эвтектики находятся крупные весьма твердые включения первичного кремния, что делает сплав малопластичным. Во избежания этого структуру измельчают путем модифицирования-введением перед отливкой незначительных количеств, например натрия. Такой сплав называют модифицированным силумином.

Для повышения прочности силумина содержание кремния в нем снижают до 4,5-5,5%, но дополнительно вводят легирующие добавки меди, марганца и магния, например марка АЛЗ. Это делает его и более прочным и упрочняемым при закалке и старении.

Силумин марки АЛ11, содержащий большое количество цинка, обладает особенно высокой жидкотекучестью; его применяют для получения отливок очень сложной конфигурации.

Легирование заметно улучшает свойства алюминия. Так только временное сопротивление алюминия разрыву повышается с 10 до 22 кГ мм  в дюралюминии марки Д16. В состоянии же максимального упрочнения прочность некоторых сплавов повышается до 58 кГ мм .

Высокий уровень механических свойств в сочетании с низкой удельной плотностью обеспечивает очень широкое применение алюминиевых сплавов в самых разнообразных отраслях, особенно в самолетостроении, авиамоторостроении, транспортном машиностроении и др., где от снижения массы конструкции увеличивается ее полезная мощность.

Алюминиевая промышленность относительно новая, самая крупная и быстрее всех растущая среди основных подотраслей цветной металлургии, а вместе с тем и наиболее монополизированная. В конце 70-х годов почти половина всего производства первичного алюминия в несоциалистических сранах была сосредоточена на заводах трех американских ("Алкоа", "Рейнолдз металз" и "Кайзер алюминиум") и одной канадской ("Алкан") монополий, тесно связанной с американским капиталом. Они не только господствуют в алюминиевой промышленности США и Канады, но и захватили важные позиции в ряде европейских государств (особенно сильны они в Норвегии), в Японии и Австралии, в бокситодобывающих странах Центральной Америки и Африки. Предприятия широкоизвестных монополий французкой "Пешине С. А.", швейцарской "Алюсюис", западногерманской "Ферайнигте Алюминиумверке А. Г." и трех японских дают более 1 5 производства алюминия в развитых капиталистических странах.

В 1950 г. алюминиевые заводы имелись в 12 промышленно развитых капиталистических странах и лишь в одной развивающейся, причем 99% выплавки было сконцетрировано в шести главных капиталистических странах и четырех, где основную роль в электроэнергетики играли ГЭС-в Канаде, Норвегии, Австрии и Швейцарии. К 1977 г. доля последних четырех государств в мировом капиталистическом производстве упала более чем вдвое (до 8.9%), а число стран, производящих алюминий, превысило 30; среди них одиннадцать развивающихся: Гана, Индия, Бразилия, Бахрейн (c производством свыше 100 тыс. т год), Аргентина, Суринам, Камерун (свыше 50 тыс. т), Венесуэла, Мексика, Иран, Южная Корея. Алюминиевой промышленностью обзавелись Австралия, Новая Зеландия, ЮАР и Исландия. Она теперь есть в преобладающем большинстве западноевропейских государств. Однако все вместе взятые, появившиеся после 1950 г., 19 новых производителей алюминия дают его меньше, чем одна Япония, опередившая по масштабам производства Канаду. Из европейских государств бедная гидроресурсами ФРГ опередила не только Францию и Италию, но и Норвегию, а Нидерланды производят теперь больше алюминия, чем альпийские Швейцария и Австрия вместе взятые. Эти изменения-отчасти результат снижения удельной элекроемкости алюминиевого производства (с 22-25 тыс. кВт ч на 1 кг до 11-12 тыс. на новейших предприятиях подотрасли), а главным образом-изменившейся ситуации в электроэнергетике большинства государств: резкого падения доли ГЭС в электробалансе и переводе их в этой связи на работу преимущественно в пиковом и полупиковом режиме; кроме того, благодаря техническому прогрессу, удешевилась выработка элекроэнергии на ТЭС, особенно работающих на дешевом топливе. В большинстве экономически развитых стран новые алюминиевые заводы локализуют в расчете на собственные топливные базы (например, в Руре) или на привозное топливо (близ Гамбурга, в портах Японии); в Великобритании построен даже завод в расчете на получение электроэнергии от АЭС (на о-ве Энглси).

Большинство развитых капиталистических государств, в том числе все шесть главных держав, хотя и покрывают основную часть внутреннего спроса на алюминий собственным производством, являются все же его нетто-импортерами. Важнейшими нетто-экспортерами остались Канада и Норвегия. К числу "новых" экспортеров алюминия относятся-Гана, Камерун, Суринам, с недавних пор Новая Зеландия, Исландия и вовсе не богатые гидроэнергоресурсами Нидерланды, Греция, и Бахрейн и некоторые другие страны Ближнего Востока.

На сегодня цена тонны алюминия составляет примерно 1640 $ за тонну на Лондонской бирже металлов. И надо отметить, что сейчас на рынке алюминия спрос сильно снизился. Обвальное падение цен на алюминий в 1993 г. вынудило семь основных мировых производителей сократить выпуск металла на 1044 миллиона тонн в год. Основными странами-производителями было заключено соглашение об ограничении производства алюминия, которое истекает в декабре 1995 г. Уже сейчас известно, на сколько по истечении срока действия соглашения основные производители расширят свое производство алюминия. Так, норвежская группа "Норск хидро" в 1996 г. вернется к полной загрузке мощностей, что преполагает дополнительный выпуск 70000 тонн металла. Голландская "Хуговенс" увеличит свое производство на 42000 тонн, канадская  "Алкан"-на 124000 тонн. Крупнейшие заводы России обьявили о том, что полная загрузка производственных мощностей будет достигнута уже в будущем году, однако, скорее всего, по мнению французкой газеты "Трибюн", намеченная задача не будет выполнена из-за проблем со снабжением сырьем. Тем не менее, по оценкам, в 1996 г. Россия произведет 2.7 миллиона тонн и экспортирует

2.2 миллиона тонн алюминия. Плюс к этому отмечается быстрое расширение предложение алюминия со стороны Индии, государств Южной Америки и особенно государств Персидского залива.

Специалисты полагают, что начало 1996 г. на мировом рынке алюминия будет отмечено незначительным дефицитом предложения-от 180000 до 260000 тонн, которого, однако будет явно недостаточно, чтобы приостановить падение цен, вызванное замедлением спроса. По всей видимости, мировая цена на алюминий в 1996 г. будет колебаться на критическом для производителей уровне - 1400-1500 $ за тонну.

Из цветных металлов в хозяйстве также очень широко используется медь и ее сплавы. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее широкое применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны человечеству с доисторических времен, когда они были единственным металлом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда (бронзовый век).

По внешнему виду медь легко отличить от всех остальных металлов, так как она имеет специфический красновато-розовый цвет.

Медь химически мало активна. В разбавленных соляной и серной кислотах растворяется только в присутсвии окислителя (например, кислорода). Легко растворяется в азотной кислоте. Она обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в парах воды.

Относительная плотность меди 8.95, температура плавления 1083 C .

Характерными физическими свойствами меди являются ее высокие тепло-

и электропроводность. По электропроводности медь занимает первое место

среди других технических металлов. При 0 C удельная электропроводность

меди равна 64 1/ом. Незначительно выше электропроводность только у серебра (68 1/ом), но оно существенно дороже меди. Электропроводность меди тем выше, чем она чище. Любые примеси снижают это ценное ее свойство.

Медь-очень пластичный металл с невысокой прочностью. Ее механические свойства в сильной мере зависят от состояния поставки. Следует иметь в виду, что у нагартованной, т.е. упрочненной холодной пластической деформацией меди электропроводность ниже. Снять наклеп можно с помощью рекристаллизационного отжига.

Медь кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку с параметром 3,6 А. Аллотропических превращений не имеет.

Медь встречается в земной коре главным образом в виде комплексных соединений, содержащих, кроме меди, свинец, цинк, сурьму, мышьяк, золото и серебро. В рудах медь находится в виде сульфидных и окисленных соединений; встречается и самородная медь. Наибльшее распространение и значение имеют сульфидные руды, содержащие от 1 до 5% Cu. К сульфидным рудам относятся медный колчедан, медный блеск и пестрая медная руда.

М е д н ы й к о л ч е д а н или х а л ь к о п и р и т-минерал латунно-желтого цвета. Представляет собой химическое соединение меди с

железом и серой CuFeS , содержащее 34,5% Cu. Твердость по Моосу 3-4.

Это главная медная руда, из которой извлекают большую часть добывающей меди.

М е д н ы й б л е с к, или х а л ь к о з и н,-минерал свинцовосерого или черного цвета. По химическому составу это соединение меди с

серой Cu S, в котором содержится 79,8% Cu, а иногда присутствует примесь серебра. Твердость минерала по шкале Мооса 2-3. Медный блеск относится к богатым медным рудам.

П е с т р а я м е д н а я р у д а, или б о р н и т, является продуктом распада медного колчедана. Химический состав минерала Cu FeS ,

т.е. это сульфид меди и железа с содержанием 52-65% Cu. Твердость по

Моосу около 3.

Из окисных медных руд наибольшее значение имеет красная медная руда. К р а с н а я м е д н а я р у д а, или к у п р и т,-минерал крас-

ного цвета, имеющий химический состав Cu O с содержанием 88,8% Cu. Твердость по Моосу 3,5-4. Это-богатая медная руда.

Медь можно получить пирометаллургическим и гидрометаллургическим спосабами. Наиболее распространным в современной практике является пирометаллургический способ.

Богатые окисленные руды с содержанием меди 3-5% и более подвергают непосредственной плавке. Руды со средним содержанием меди (1-2%) и все комплексные руды, в состав которых входят цинк, свинец, никель и другие металлы, включая благородные, перед плавкой проходят обогащение. Наиболее широко его осуществляют флотационным методом, позволяющим почить концетрат с 15-30% Cu.

Богатую руду или концетрат вначале обжигают при 600-700 C для удаления избытка серы и образования окислов железа, а затем переплавляют в отражательных печах. При переплавке получается еще не медь, а медный штейн, состоящий из сернистых соединений меди и железа. В нем содержится приблизительно 20-25% Cu, 20-40% Fe и 22-25% S. Медный штейн в жидком виде поступает на дальнейшую переработку для получения черновой меди.

Черновую медь получают в горизонтальных конвертерах путем продувания воздуха через расплавленный штейн. В первой стадии процесса проходящий через расплав кислород окисляет железо и получающиеся окислы, соединяясь с кремнеземом, образуют шлак:

	2FeS + 3O  + SiO	2FeO SiO  + 2SO .

Эти реакции проходят с выделением большого количества тепла, поэтому никакого дополнительного подогрева ванны не требуется. Шлак удаляют.

Вторая стадия процесса состоит из двух этапов и приводит к получению черновой меди:

Cu S  + 1,5O   Cu O + SO ;

Cu S  + 2Cu O   6Cu + SO .

Продолжительность конвертирования штейна, содержащего 24% Cu, при емкости конвертора 40 т составляет около 15 ч, а при более крупных конверторах 25-30 ч.

Готовую черновую конверторную медь разливают в металлические формы (изложницы) и получают слитки. Эта медь еще непригодна для технических целей, ее необходимо подвергнуть огневому или электролитическому рафинированию.

При огневом методе через черновую медь в пламенных отражаельных печах под давлением продувают воздух, кислород которого выжигает примеси. Этод метод применяют для получения меди не особенно высокой чистоты и в тех случаях, когда медные руды, из которых приготовлена черновая медь, содержит ничтожно малое количество благородных металлов или не содержат их совсем. При этом способе они не извлекаются, а полностью остаются в получающейся огневой меди.

В настоящее время в большинстве случаев применяют электролитическое рафинирование, обеспечивающее более полную очистку меди от примесей и позволяющее более полную очистку меди от примесей и позволяющее извлечение благородных металлов. Используют также последовательное комбинирование более дешевого огневого способа с электролитическим.

При электролитическом рафинировании в ванну с электролитом опускают аноды, в качестве которых служит подлежащая очистке медь с примесями, и катоды-тонкие (0,5-0,7 мм) листы чистой меди. Первые соединяют с положительным полюсом, а вторые-с отрицательным. При пропускании тока медь анода сначала переходит в электролит в виде положительно заряженных ионов, а потом осаждается на катодах, которые вынимают через каждые 10-12 дней по достижении массы 60-90 кг.

Примеси, находящиеся в аноде, частично растворяются в электролите, частично переходят в шлам-нерастворимый осадок.

Электролитную катодную медь для переплавки в проволоку, листы и другие изделия переплавляют в плавильных печах и разливают в слитки различной удобной для прокатки формы.

Если медь предназначена для изготовления медных сплавов, то катодные листы режут на части и переплавляют с необходимым для этой цели добавлением легирующих элементов.

На мировом рынке в основном обращается технически чистая медь разной степени чистоты.

Наша промышленность производит десять марок меди, отличающихся друг от друга количеством примесей.

				Марка меди...................  М00	М0	М0б	М1	М1р

Содержание меди, % не менее.. 99,99  99,95   99,97   99,90  99,90

				Марка меди...................   М2	М2р	М3	М3р	М4

Содержание меди, % не менее.. 99,70  99,70   99,50   99,50   99,0

Медь марок М1р, М2р и М3р при суммарном содержании примесей, одинаковом с медью марок М1, М2 и М3, отличается от них тем, что они более полно раскислены-содержание кислорода в них снижено до 0,01 % вместо 0,05-0,08 %. Кроме того, в них дополнительно содержится до 0,04 % P. Марка М0б кислорода не содержит, тогда как в марке М0 он быть в количестве до 0,02 %.

Примесями в меди являются висмут, сурьма, мышьяк, железо, фосфор и серебро. Влияние различных примесей на свойства меди неодинаково, поэтому в контрактах описывается не только суммарное содержание примесей, но приведены также предельно допустимые количества каждой из них.

Наиболее вредны в меди висмут и свинец. Они с нею образуют легкоплавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерна. При нагреве под обработку давлением эвтектики расплавляются и делают хрупким, неспособным воспринимать пластическую деформацию, т.е. красноломким. Поэтому висмут и свинец допускаются в меди разной степени чистоты в количестве тысячных и даже десятитысячных долей процента.

В зависимости от чистоты применение меди различно. Поскольку любая примесь в той или иной мере снижает электропроводность, то для изго-

товления проводников электрического тока (проводов, шин, контактов и

др.) применяют преимущественно наиболее чистую медь марок М00 и М0.

Менее чистую медь применяют для разных целей, используя ее основные положительные свойства: высокую теплопроводность и коррозионную стойкость.

Большое количество меди идет на изготовление сплавов на ее основе и для легирования других цветных сплавов, например медноникелевых, медносеребряных и др. При этом более чистые сорта меди (М0, М1, М2) применяют для получения сплавов высокой чистоты и высококачественных, обрабатываемых давлением, а менее чистые-для деформируемых сплавов обычного качества (М3) и для литейных сплавов (М3, М4).

Технически чистую медь поставляют или в виде катодных листов, или в виде полуфабрикатов-слитков, предназначенных для дальнейшего передела прокаткой. Поставляют также и готовые медные изделия, полученные литьем (отливки разной формы и назначения) и главным образом методами обработки давлением-проволоку, листы, ленты, полосы и др.

Наиболее широко применяемыми в народном хозяйстве являются медные сплавы двух типов, носящие общее групповое название латуней и бронз. В каждой из этих групп содержатся сплавы разного химического состава, обладающие различными свойствами.

Л а т у н я м и называют сплавы меди с цинком. Различают двухкомпонентные латуни, состоящие только из меди, цинка и неизбежных примесей, и многокомпонентные латуни, в которые дополнительно введены еще один

или несколько легирующих элементов для придания тех или иных свойств.

Первые латуни часто называют простыми, а вторые-специальными.

Двухкомпонентные латуни. Предел растворимости цинка в меди при комнатной температуре равен 39 %. При повышении температуры он снижается и при 905 C становится равным 32 %. Латуни, содержащие цинка менее 39 %, имеют однофазную структуру твердого раствора цинка в меди; их называют  -латунями.

Если вводят большое количество цинка, то появляется вторая более сложная  -фаза. Структура сплавов становится двухфазной. Их называют ( + )-латунями.

В практически применяемых латунях количетво цинка не превышает 45 %. В пределах этого содержания цинк сильно изменяет свойства сплавов. Цинк повышает прочность и пластичность меди.

Максимальной пластичностью обладает -латунь, содержащая 30 % Zn. Прочность ее сравнительно низкая. Резкое снижение пластичности наблю-

дается при переходе через границу растворимости цинка в меди, когда

сплав становится двухфазным и представляет собой механическую смесь  -

и  -кристаллов. Максимальная прочность достигается в сплавах с 45% Zn,

но пластичность при этом становится невысокой. Дальнейшее повышение

содержание цинка приводит к резкому снижению прочности без повышения

пластичности, поэтому в практике такие сплавы не используют.

|

|

|

|

|

|

Сплав | | | |

Содержание цинка, %

Механические свойства | ____________________________|

Временное | Относител. | сопротивление | удлинение |

кГ/мм      |     %      |

|

|

|

|

|

Медь.........| |

-латунь.....|

-

30

|            |

19 | 22 | | |

28      |     40     |

|

|

|

( + )-латунь.|

|

-латунь     |

45

50

42 | 7 | | |

6      |      3     |

Коррозионная стойкость латуней в атмосферных условиях оказывается средней между стойкостью элементов, образующих сплав, т.е. цинка и меди.

Латуни обладают высокими технологическими свойствами. Из них получают хорошие отливки, так как они обладают хорошей жидкотекучестью и малой склонностью к ликвации. Одновременно с этим латуни легко поддаются пластической деформации и поэтому основное их количество идет на изготовление катанных полуфабрикатов-листов, полос, лент, проволоки и разных профилей.

Особенностью обработки латуней давлением является то, что для обработки в холодном состоянии (тонкие листы, проволока, калиброванные профили) используют  -латунь с содержанием цинка до 32 %, так как она при комнатной температуре имеет высокую пластичность и малую прочность. При повышении температуры до 300-700 C ее пластичность уменьшается, поэтому в горячем состоянии ее обрабаывать нет смысла. Для этой цели целесообразно использовать или  -латунь с большим содержанием цинка (до 39 %), которая при нагреве переходит в двухфазное состояние

+ , или еще лучше ( + )-латунь. Обьясняется это тем, что менее пластичная при комнатной температуре -фаза при высоких температурах ста-

новится более пластичной, чем  -фаза.

Цинк более дешевый материал по сравнению с медью, поэтому его введение в сплав одновременно с повышением механических, технологических и антифрикационных свойств приводит к снижению стоимости-латунь дешевле меди. Электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди.

Поскольку содержание меди и цинка решающим образом влияет на все свойства латуней, его отражают в наименовании марки. Марка латуни составляется из буквы Л, указывающей тип сплава-латунь, и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Количество цинка не отражают, так как его легко определить по разности от 100 %. Например, марка Л80-латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn.

Классификация латуней дана в таблице.



Сплав

|

Марка  |

сплавов|

|

|

Химический состав,

__________________

|примеси,

медь | более

|

%

__

не

Механические ______________

Временное | сопротивление|

кГ/мм    |

свойства   |

___________|

Относител. |

удлинение, |

%      |



Томпак

Полутомпак

Латунь

|

Л96  |

Л90  |

|

Л85  |

Л80  |

|

Л70  |

Л68  |

Л63  |

Л60  |

|

95-97 | 0,2

88-91 | 0,2 |

84-86 | 0,3

79-81 | 0,3 |

69-72 | 0,2

67-70 | 0,3

62-65 | 0,5

59-62 | 1,0



|

24      |

26 | |

28      |

32 | |

32 |

32      |

33 | - |

|

50     |

45 | |

45     |

52 | |

55 |

55     |

49 | - |

Остальное-цинк.

Контролируемыми примесями в медноцинковых сплавах являются свинец, железо, сурьма, висмут и фосфор, а в марке Л70 еще дополнительно-мышьяк, олово и сера. Их вредное влияние на латунь такое же, как и в чистой меди-они делают ее хрупкой при горячей обработке давлением.

Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их поставляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, ленты, проволоки и прутков различного профиля.

Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагартованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряжение, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.

Многокомпонентные латуни. Количество марок многокомпонентных латуней, естественно, больше, чем двухкомпонентных, так как в них варьируется не только содержание цинка, но также наименование и количество входящих легирующих элементов.

Наименование специальной латуни отражает ее легирование. Так, если она легирована железом и марганцем, то ее называют железомарганцевой, если алюминием-алюминиевой и т.д.

Марку этих латуней составляют следующим образом: первой, как в простых латунях, ставится буква Л, вслед за ней-ряд букв, указывающих, какие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь; затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие-каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала тот, которого больше, а далее по нисходящей закономерности. Содержание цинка определяется по разности от 100%. Например, марка ЛАЖМц66- 6-3-2 расшифровывается так: латунь, в которой содержится 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe и 2 % Mn. Цинка в ней 100-(66+6+3+2)=23 %.

Основными легирующими элементами в многокомпонентных латунях являются алюминий, железо, марганец, свинец, кремний, никель. Они по-разному влияют на свойства латуней.

М а р г а н е ц повышает прочность и коррозионную стойкость, особенно в сочетании с алюминием, оловом и железом.

О л о в о повышает прочность и сильно повышает сопротивление коррозии в морской воде. Латуни, содержащие олово, часто называют морскими

латунями.

Н и к е л ь повышает прочность и коррозионную стойкость в различных средах.

С в и н е ц ухудшает механические свойства, но улучшает обрабатываемость резанием. Им легируют (1-2 %) латуни, которые подвергаются ме-

ханической обработке на станках-автоматах. Поэтому эти латуни называют

автоматными.

К р е м н и й ухудшает твердость, прочность. При совместном легировании кремнием и свинцом повышаются антифрикционные свойства латуни и

она может служить заменителем более дорогих, например оловянных бронз,

применяющихся в подшипниках скольжения.

Еще наиболее распространенными медными сплавами являются бронзы.

Б р о н з а м и называют все медные сплавы за исключением латуней. Следовательно, бронзы-это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием,

бериллием и другими элементами. Наиболее раннее применение нашли оловянные бронзы, которые знали и широко использовали еще в древности. Эти бронзы не утратили своего значения и в настоящее время, но в силу высокой стоимости и дефицитности оловаисследователи искали и нашли ряд заменителей оловянной бронзы, в которых олово содержится в меньшем количестве по сравнению с ранее применявшимися бронзами или не содержат совсем.

В зависимости от легирования бронзы называют оловянными, алюминиевыми, кремневыми, бериллиевыми и т.д. Марку бронз составляют из букв Бр, характеризующих тип сплава-бронза; букв, указывающих перечень входящих легирующих перечень входящих легирующих элементов в нисходящем порядке их содержания, и цифр, соответсвующих их среднему количеству в процентах. Указывать в марке содержание меди в противоположность латуням нет необходимиости. В латунях два обязательно присутствующих не указанных в марке элемента-медь и цинк, а в бронзах-только медь и ее легко определить по разности от 100 %. Например, маркой Бр. ОЦС4-4-2,5 обозначают бронзу, содержащую 4% Sn, 4% Zn, 2.5% Pb и 100-(4+4+2.5)= =89,5% Cu.

Принято все бронзы делить на оловянные и безоловянные.

Оловянные бронзы. Олово на механические свойства меди влияет аналогично цинку: оно повышает прочность и пластичность. Количественно это влияние выражено еще более сильно. Кроме того, сплавы меди с оловом обладают высокой антикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Этим обусловливается применение бронз в химической промышленности для изготовления литой арматуры, а также в качестве антифрикционного материала в других отраслях.

Бронза хорошо обрабатывается давлением и резанием. Она имеет очень малую усадку при литье: менее 1%, тогда как усадка латуней и чугуна составляет около 1,5%, а стали-более 2%. Поэтому, несмотря на склонность к ликвации и сравнительно невысокую жидкотекучесть, бронзы применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литье.

Оловянные бронзы легируют цинком, никелем и фосфором. Цинка добавляют до 10%, в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле. Свинец и фосфор улучшают антифрикационные свойства бронзы и ее обрабатываемость резанием.

Оловянные бронзы дорогие, поэтому в народном хозяйстве их применяют ограниченно.

Бронзы безоловянные. В настоящее время существует ряд марок бронз, не содержащих олова. Это двойные или чаще многокомпонентные сплавы меди с алюминием, марганцем, железом, свинцом, никелем, бериллием и кремнием.

Во многих случаях эти бронзы не только не уступают оловянным бронзам, но по некоторым свойствам и превосходят их. Алюминиевые, кремниевые и особенно бериллиевые бронзы превосходят их по механическим свойствам, алюминиевые-по коррозионной стойкости, кремнецинковая-по жидкотекучести.

Преимуществом некоторых из них (алюминиевой, бериллиевой) является также и то, что они могут быть подвергнуты термической обработке, в результате чего увеличивается их прочность. Величина усадки при кристаллизации у всех этих бронз более высокая, чем у оловянных. В этом отношении оловянная бронза непревзойденный литейный сплав.

С п л а в ы м е д ь-ф о с ф о р не могут служить машиностроительным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они являются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатура

при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскисления сплавов на медной основе.

Среди других медных сплавов, кроме латуни и бронз, наиболее значимой является группа м е д н о н и к е л е в ы х  с п л а в о в.

Медь и никель имеют одинаковую кристаллическую решетку и почти одинаковый размер атомов, поэтому при сплавлении они образуют непрерывный ряд твердых растворов. Изменение свойств тведого раствора в такой системе происходит тоже непрерывно. Поэтому деление медноникелевых сплавов на те, у которых основой является медь, и те, у которых основа никель, следует считать условным.

Никель, введенный в медь, сильно изменяет ее свойства. Твердость, прочность и пластичность сплавов при увеличении содержания никеля возрастают. Электропроводность резко снижается, и это используют для создания сплавов на медной основе с высоким электросопротивлением. Легирование никелем вызывает значительное повышение антикоррозионной стойкости. Изменяется и внешний вид сплавов-уже при 15% Ni получается серебристо-белый цвет сплавов, совершенно отличный от цвета меди.

Назначение каждого медноникелевого сплава, как правило, узкое и вполне определенное, соответствующее его основным свойствам. Так, сплав с 19% Ni красив по внешнему виду, пластичен, хорошо сопротивляются коррозии и истиранию, поэтому его применяют, в частности, для чеканки монет и медалей; сплав с 40% Ni, легированный марганцем имеет наиболее высокое электросопротивление из всех медноникелевых сплавов, поэтому его применяют для электротехнических целей, в термопарах и т.д.

Наиболее широко применяемые сплавы меди с никелем: мельхиор, нейзильбер, манганин, константин, конель, куниаль А, куниаль Б. В этих сплавах, кроме химического состава, по основным элементам контролируют содержание одиннадцати примесей, в числе которых кремний, углерод, висмут, мышьяк, свинец, сурьма и т.д.