Классификация цветных металлов, их свойства и области применения

Цветные металлы по физико-химическим свойствам классифицируют условно на пять групп:
1.Тяжелые: медь, никель, свинец, цинк, олово.
2.Легкие: алюминий, магний, литий, натрий, калий, берил­лий, кальций, стронций, барий.
3.Благородные: золото, серебро, платина и ее спутники.
4.Малые: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть, кобальт.
5.Редкие. К этой группе в зависимости от технологических особенностей производства, содержания в рудах и других свойств относят от 50 до 60 элементов.
Редкие металлы распределяют на группы:
1.Легкие редкие металлы (литий, бериллий, рубидий, цезий) обладают малой плотностью — до 2000 кг/м3. Их соединения отличаются высокой химической стойкостью и с трудом восстанавливаются до металла. Получают их электролизом в расплав­ленных средах или металлотермическими способами.
2.Тугоплавкие редкие металлы (титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, вольфрам, молибден). Температура плавления более 1873 К. Обладают высокими антикоррозионными свойствами. Со многими металлами образуют твердые растворы и интерметаллиды.
3.Рассеянные редкие металлы (галлий, индий, таллий, герма­ний, гафний, рений, селен, теллур). Сырьем для их получения служат отходы производства основных цветных металлов, в ко­торых концентрация данных металлов в десятки раз превышает первоначальное содержание в руде.
4.Редкоземельные металлы (лантаноиды, скандий и иттрий).
5.Радиоактивные редкие металлы (радий, уран и другие элементы, встречающиеся в природе, а также искусственные заурановые элементы — от плутония до курчатовия).
Развитие промышленности и освоение новых месторожде­ний вносят коррективы в классификацию цветных металлов. Вольфрам, молибден, ванадий, уран, литий, бериллий, ниобий,
титан, цирконий, церий не являются редкими по основному определению и могут быть классифицированы по их физико-химическим свойствам.
 
В рудных месторождениях металлы присутствуют в виде комплексного сырья. Геохимическое семейство элементов при­ведено ниже.
1.Ti—V—Gr—Μη—Fe—Co—Ni;
2.Ru—Rh—Pd и Os, Ir, Pt;
3.Se—Y—Laи лантаноиды;
4.Zr—Hf—Nb—Та;
5.Mo—W—Re;
6.Cu—Ag—Au—Zn—Cd—Hg—Ga—In—Tl—Ge—Sn—Pb;
7.As—Sb—Bi;
8.Mg—Al—Si.
Распределение цветных металлов в земной коре приведено в табл. 1.
 
Таблица 1.
Распространенность элементов цветных металлов в земной коре по данным А.П. Виноградова и Мейсона (мощность 16км, без океана и атмосферы)
 
 
 
Элемент
Содержание
Элемент
Содержание
массовая доля,
%
γ/τ
массовая доля, %
г/т
Сu
0,01
70
Αl
8,80
81300
Ni
8*10-3
200
Mg
2,10
20900
Zn
0,02
550
Ti
0,60
4400
Pb
1,6 *10-3
16
W
1*10-4
69
Sn
4*10-3
40
Mo
1*10-4
15
Sb
5*10-5
1
Ga
1,5*10-3
15
Cd
5*10-5
0,15
In
1,4*10-5
0,14
Bi
2*10-5
0,2
Ti
3*10-5
0,6
Co
1,8*10-3
14
Ge
7*10-4
7
As
5*10-4
5
Se
6*10-5
0,09
Au
5*10-7
0,005
Te
1*10-5
0,002
Ag
1*10-5
0,1
Sc
6*10-4
5
Pt
5*10-7
0,005
U
3*10-4
4
Физические свойства металлов меняются в широких преде­лах. Так, температура плавления изменяется от 234,13 (Hg) до 3683 К (W). При плавлении металлы сохраняют свои электриче­ские, тепловые и оптические свойства.
Удельное электрическое сопротивление при 298 К имеет значения от0,016 (Ag) до 8104 (Se) мкОмм. Высокая теплопро­водность металлов коррелирует с их высокой электрической проводимостью. Удельный коэффициент теплопроводности (х) и электрической проводимости (σ) металлов связаны между собой соотношением х /(σ · Т) = 2,45 · 10-8 Вт-Ом/К2 (закон Видео­мана—Франца).
Особое значение соединения цветных металлов приобрета­ют применительно к явлению сверхпроводимости.
Температура перехода в сверхпроводящее состояние для некоторых элементов приведена ниже, К:
А1 (1,175); Be (0,026); V (5,40); Bi (7); W (0,0154); Cd (0,517); Ga (1,083—7,85); Ge (2,03); In (3,408); Ir (0,1125); Si (7,1 пленки); Mo (0,915); As (0,31—0,5); Nb (9,25); Sn (3,722); Re (1,697); Pb (7,196); Sb (2,6—2,7); Tl (2,88); Та (4,47); Те (2,05); Тс (7,8); Ti (0,40); Th (1,38); Zn (0,85); Zr (0,61—0,95).
Научное и практическое значение с 90-х годов стали приоб­ретать соединения в системах La—Sr—Си—О (Гс = 36 К); Υ— Ва—Сu—О (Тс = 77 К), Nb3Ge(Гс = 23,3 К) как основа для синте­за сверхпроводящих материалов.
При использовании металлов важное значение имеет сочета­ние механических свойств (пластичности, вязкости) со значи­тельной прочностью, твердостью и упругостью. Эти свойства за­висят не только от состава сплава или чистоты металла, но и от совершенства кристаллической решетки и структуры, определя­емых термической и механической обработкой.
Большинство металлов окисляется кислородом воздуха уже при обычной температуре, однако скорость и механизм реакции зависят от природы металла. Устойчивость металлов на воздухе определяется свойствами образующегося оксида, в частности, отношением молярных объемов VOKC/VM. Если VOKC /VM> 1, образу­ется защитная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего окисления, что характерно для алюминия, титана, хрома.
 
Способность металлов к взаимному растворению с образова­нием при кристаллизации твердых растворов лежит в основе получения сплавов. Известно свыше 30000 сплавов — легкоплавких и тугоплавких, очень твердых и пластичных, с большой и ма­лой электрической проводимостью, ферромагнитных и других.
Цветные металлы используют в чистом виде, в виде сплавов, как легирующие присадки при производстве сталей, как антикоррозионные покрытия, в виде порошков и различных химиче­ских соединений.
Латуни (медь + (8—40 %) цинка) хорошо обрабатываются давлением, ковкой и штамповкой. Используются для изготовле­ния деталей литьем, обладают антикоррозионными свойствами, широко применяются в производстве биметаллов. Основные по­требители латуней — машиностроение, химическая промыш­ленность, судостроение, оптика и приборостроение.
Бронзы — сплавы меди (80—94 %) и олова (20—6 %).
Алюминиевые бронзы — 5—11 % алюминия и добавки желе­за, марганца, никеля. Обладают высокими механическими свой­ствами и антикоррозионной стойкостью.
Свинцовые бронзы — 25—33 % свинца с присадками олова, цинка и никеля. Используются для приготовления подшипников, работающих при высоких удельных давлениях и больших скоро­стях скольжения.
Кремниевые бронзы — 4,5 % кремния с добавками цинка, никеля, марганца.
Бериллиевые бронзы — 1,8—2,3 % бериллия, обладают по­сле закалки высокой твердостью и упругостью. Используются для изготовления пружин.
Кадмиевые бронзы — сплавы меди с кадмием (до 1 %). До­бавляют олово и магний. Используют при производстве трол­лейных проводов и коллекторов машин постоянного тока, для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий.
Силумин — сплав алюминия с кремнием, по прочности не уступает стали, обладает хорошими литейными качествами. Ис­пользуется в машиностроении, автомобильной промышленнос­ти, в быту.
Дюралюминий — сплав алюминия с медью — 3,5—5,5 %, магнием — 0,6—0,8 % и марганцем. Нашел широкое применение в промышленной и бытовой технике, самолетостроении, авто­мобильной промышленности.
Баббиты — сплавы на основе олова, свинца, цинка, алюми­ния. Характеризуются высоким сопротивлением износу, механи­ческой прочностью, низким коэффициентом трения, стойкос­тью против коррозии. Используются при заливке подшипников и вкладышей.
Припои — сплавы цветных металлов для пайки. Мягкий при­пой — сплав олова, свинца и сурьмы. Твердый припой — медно-серебряный сплав.
Твердые сплавы — изготавливаются на основе карбидов вольфрама и титана с различным содержанием кобальта. Изготавливают методом порошковой металлургии; их используют для оснащения бурового и режущего инструмента и повышения износостойкости трущихся поверхностей.

 

Источник:
Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П., Жуков В.П., Елисеев Е.И., Карелов С.В., Лебедь А.Б., Мамяченков С.В. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург, 2005г.