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.
7. Алюминиевая промышленность
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", "Рей- нолдз 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 Нор- вегии), 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-производителя- ми 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.
8. Медьи ее сплавы
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 кристаллизационного 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. Наибольшее 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 свинцово- серого 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 красного 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 способами. Наиболее распространённым 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 концентрат 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 друие 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 изготовления 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. 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.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. В.А.Рабинович, З.Я.Хавин “Краткий химический справочник”
2. Н.С.Ахметов “Общая и неорганическая химия”
3. Б.В.Некрасов “Учебник общей химии”
4. Н.Л.Глинка “Общая химия”