Медь обладает хорошей пластичностью как в холодном, так и в горячем состоянии. Но не все перечисленные примеси одинаково влияют на пластичность и другие свойства меди. Наиболее осложняют горячую прокатку меди висмут и свинец, не растворяющиеся в меди в твердом состоянии, образующие с ней легкоплавкие эвтектики (висмут с температурой плавления 270°С, а свинец с температурой плавления 326°С). Поэтому их содержание в высших сортах меди лимитируется тысячными долями процента.
Отрицательно влияет на горячую прокатку и кислород, но при больших концентрациях (0,1—0,2%). Другие примеси (олово, цинк, никель, серебро) не ухудшают пластичности меди и других механических свойств, так как, присутствуя в небольших количествах, они входят в твердый раствор.
Наиболее распространенными и известными сплавами меди являются латуни и бронзы.
Латунями называют группу сплавов меди с цинком, получившую наиболее широкое применение в технике. В группу латуней входят томпак (90% и более меди, остальное цинк, если эти сплавы содержат от 79 до 86% меди, их называют полутомпак) и много других, не только двойных, но и более сложных сплавов.
Механическая прочность латуней выше, чем меди, и они хорошо обрабатываются резанием. Большим их преимуществом является их пониженная стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Латуни широко применяют в приборостроении, в общем и химическом машиностроении.
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий — второй (после железа) металл современной техники. Его мировое производство в ближайшие годы достигнет 15 млн. т. в год.
Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение в технике, является его небольшая плотность, равная 2,7 г/см3, т. е. алюминий почти в три раза легче железа.
Вторым очень важным свойством алюминия является его относительно высокая электропроводность, которая равна 34´104 Ом-1´см-1, что составляет 57% электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660° С, температура кипения около 2500° С.
Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводность и теплоемкость. Алюминий химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая, в отличие от окиси железа, не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий, несмотря на быстрое окисление при нормальных условиях коррозионностоек. Его кристаллическая решетка. Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Сопротивление на разрыв находится в пределах от 90 до 180 МПа (от 9 до 18 кгс/мм2) НВ20—40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Необходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линейную усадку — 1,8%.
Вторая область его применения — электротехника. Это обусловлено тем, что алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; электропроводность алюминия меньше меди, хотя провод из алюминия такой же электропроводности, как аналогичный медный провод, получается толще, но зато легче. Это важно для проводки во всех летательных и транспортных аппаратах, а также для проводов воздушных линий электропередач, где, применяя алюминиевые провода, можно реже ставить опоры.
Алюминий широко применяется в металлургии, где используется его большое сродство к кислороду для получения в чистом виде дорогих и редких металлов (например, хрома, ванадия и др.), низкие сорта алюминия используются для раскисления стали.
Руды алюминия
Алюминий — наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в чистом виде он не встречается, зато минералов, содержащих алюминий, очень много.Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы.
Бокситы представляют собой сложную горную породу, которая содержит алюминий в виде гидроокисей. Вторая руда, которая используется для производства алюминия в нашей стране, — нефелин. Химическая формула этого минерала
Na(K)2OAl2O3-2Si02
Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апатитонефелиновых пород очень много на Кольском полуострове. Они давно разрабатываются для получения фосфорных удобрений и их отходом являются нефелины.
Электротермические способы. Суть этих способов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия, но в шлаке остаются некоторые частично невосстановленные примеси. Эти способы применяются для получения глинозема, идущего на изготовление шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.
Кислотные способы. Сущность этих способов сводится к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо минеральной кислотой, например соляной или серной. В процессе такой обработки кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий).
Щелочные способы. Эти способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи (едким натром, кальцинированной содой и др.).
5. Рафинирование алюминия
Рафинирование алюминия осуществляется в расплавленной среде. Анодом является сплав загрязненного алюминия с тяжелым металлом, к которому через подовые угольные блоки 1 подводится ток большой силы (рис. 160), катодом — чистый рафинированный металл, отрицательный полюс к которому подводится с помощью подвесных графитовых катодов 5.
В качестве электролита обычно применяют смесь ВаС12 (60%), A1F3 (23%) и NaF (17%), имеющую плотность в условиях процесса 2,7 (плотность чистого алюминия в этих условмях 2,3). В качестве утяжелителя для анодного сплава наиболее удобно применять медь, которую обычно вводят в количестве 25%, что вполне предохраняет анодный сплав от всплывания со дна электролизера (плотность 3,0—3,5).
Сущность процесса электролитического рафинирования по трехслойному методу сводится к следующему. Если на дно электролитической ванны (рис. 160) поместить расплавленный анодный сплав из алюминия-сырца и меди, а над ним электролит указанного выше состава и через них пропускать постоянный электрический TOKJ то через некоторое время на катоде начнется выделение чистого алюминия. По мере хода процесса содержание алюминия в анодном сплаве постепенно уменьшается, а количество чистого алюминия на катоде увеличивается.
Высота слоя анодного сплава в ванне 200—250 мм, электролита — 120—150 мм. Рекомендуется всегда иметь на катоде слой металла толщиной около 100 мм. Во избежание окисления катодного металла его засыпают сверху тонким слоем порошкообразного электролита. Процесс ведут при температуре 760—800° С. Напряжение на ванне выдерживают в пределах 6—7 В. При этом может быть получен алюминий чистотой до 99,99%.\
Рафинирование по этому методу обходится очень дорого и поэтому применяется в ограниченных масштабах.
Для получения алюминия особой чистоты широкое применение получил метод зонной перекристаллизации, в основе которой лежит не одинаковое распределение примесей алюминия (или другого рафинируемого металла) между жидкой и твердой фазой при частичном расплавлении.
Процесс зонной перекристаллизации алюминия практически ведут следующим образом. Слиток алюминия высокой чистоты (А99, А995), очищенный от пленки окислов травлением, помещают в графитовую лодочку и затем в кварцевую трубку, внутри которой создается - вакуум (остаточное давление не выше 0,1 Па (10-4— 10-5 мм рт. ст.). Снаружи вдоль трубки медленно (1 см в минуту) передвигают узкий нагреватель (обычно кольцо высокочастотного индуктора), с помощью которого создается узкая расплавленная зона слитка (25—30 мм). Если в алюминии нет примесей второй группы, более чистой получается та часть слитка, с которой начиналась зонная переплавка. Обычно зонную переплавку повторяют в одном направлении подряд 10—15 раз, после чего можно получить металл особой чистоты (до 99,9999% А1).
ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ
Титан — металл серебристого цвета с голубоватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см3; плавится при температуре около 1660° С, кипит при 3260° С. Титан имеет две аллотропические модификации; до 882° С существует a-титан, имеющий гексагональную решетку и при более высоких температурах b-титан с кубической объемноцентрированной решеткой.
Механические свойства титана значительно изменяются от содержания в нем примесей. Чистый титан ковок и имеет невысокую твердость НВ ~ 70; технический металл хрупок и тверд (НВ180— 280).
Вредными примесями титана являются азот и кислород, резко снижающие его пластичность, а также углерод, который при содержании более 0,15% снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость. Водород сильно повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водородной хрупкостью.
На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротивляемостью коррозии в некоторых кислотах, в морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изменяет свои механические свойства при нагреве до 400° С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кислород и постепенно ухудшаются его механические свойства, а выше 540° С—становится хрупким. При нагреве выше 800" С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии для раскисления стали.