Приготовление и корректирование сульфатных электролитов. Компоненты, входящие в состав электролита, кроме декстрина и блескообразующих добавок, каждый отдельно растворяют в воде, нагретой до температуры 60— 70 °С, и сливают в одну емкость. Декстрин размешивают в небольшом объеме холодной воды, нагревают и через фильтр добавляют в электролит. Блескообразующие добавки прибавляют в последнюю очередь. Аноды используют в хлопчатобумажных чехлах. Ванна прорабатывается с использованием стальных катодов при плотности тока 3—5 А/дм2 и перемешивании сжатым воздухом. Электролит корректируют, руководствуясь результатами анализа. Приготовление и корректирование аммиакатных электролитов. Хлористый аммоний растворяют в горячей воде, уротропин — в холодной. Растворы смешивают, подогревают до температуры 70—80 °С, добавляют 100 мл/л 25 %-ного аммиака и при интенсивном перемешивании всыпают окись цинка Клей амачивают в холодней воде на 24 ч, нагревают до температуры 60— 80 С, размешивают и полученную однородную массу выливают в отфильтрованный раствор. Приготовленный раствор прорабатывается при плотности тока 0,5—1,5 А/дм2. Электролиты корректируют не реже двух раз в месяц по данным химического анализа на содержание цинка, хлористого аммония и уротропина. Содержание железа и меди в электролите не должно превышать соответственно 3 и 0,2 г/л. Электролит с добавлением ДХТИ готовится следующим образом: в половине объема ванны при нагревании растворяют хлористый аммоний, в другой половине — сернокислый цинк. Борная кислота растворяется отдельно и через фильтр вводится в ванну. В охлажденную ванну вводятся последовательно добавки ДХТИ-Ю2А и ДХТИ-102Б. Последнюю рекомендуют вводить непосредственно перед началом работы. Допустимые концентрации примесей металлов составляют: железо двухвалентное — 0,5 г, трехвалентное — 0,5, медь — 0,015, никель — 0,05.
читать далее »

Наиболее распространенными электролитами для никелирования являются сульфатные. Значительная хрупкость блестящих никелевых покрытий, их низкая коррозионная стойкость обусловила появление электролитов для нанесения нескольких слоев никеля.

Сущность этого процесса заключается в том, что первый основной слой наносится в электролите, дающем полублестящие ненапряженные осадки, второй слой толщиной до 3 мкм — в электролите для блестящего никелирования В результате получают малонапряженные блестящие покрытия, характеризующиеся высокой стойкостью. Наилучшие свойств достигаются при нанесении состава, содержащего взвешенные частицы каолина («сил-никеля»).

Приготовление электролитов. Все основные компоненты — сернокислый никель, хлористый никель, хлористый натрий — растворяют отдельно в горячей воле. При составлении электролитов для блестящего никелирования используются дистиллированная или обессоленная вода. После приготовления электролит обрабатывают (марганцовкой) перманганатом калия (2 г/л при 50 °С, рН 5) и активированным углем (1—2 г/л) для удаления органических примесей. Для удаления свинца, меди, цинка проводят селективную очистку электролита при рН 2,5—3,0 и плотности тока 0,1—0,2 А/кв.дм на гофрированных железных анодах до получения светлых покрытий. Железо удаляют 3 %-ной перекисью водорода, затем электролит подщелачивают до рН 6 и отфильтровывают гидроокисью.

После удаления всех примесей рН доводят до нормы и прибавляют блескообразователи: бутиндиол — ежедневно, сахарин и фталимид — один раз в 3 дня, нафталиндисульфокислота — 0,5 г/(л - ч).

Электролиты для блестящего никелирования хорошо работают при постоянной фильтрации, качании анодов, перемешивании воздухом и селективной очистке.


читать далее »

МЕДНЕНИЕ

 

Для меднения применяются цианистые, сернокислые, кремнефтористоводородные и другие электролиты. Приготовление электролитов. Для приготовления цианистого электролита цианистую медь растворяют в цианистом натрии или калии, после чего вводят предварительно растворенные остальные компоненты. В случае отсутствия цианистой меди электролит можно приготовить из свежеосажденной основной углекислой соли или соли Шевреля (CuSO3 • Cu2SO3), получаемой в виде осадка при взаимодействии сернокислой меди и сернистокислого натрия Для получения основной углекислой меди расчетное количество сернокислой меди растворяют в теплой воде (40—50 °С) и добавляют концентрированный раствор углекислого натрия до обесцвечивания раствора. В результате выпадает осадок основной углекислой меди CuC03 X Cu(ОН)2. Раствор сливают, а осадок промывают теплой водой. Затем основную углекислую мель восстанавливают с помощью сульфита натрия до Cu03, которую затем растворяют в цианистом калии или натрии. Железистосинеродистую медь готовят на основании соли Шевреля. Свежеосажденную медь промывают слабым раствором едкого кали, затем вводят в кипящий раствор железистосинеродистого калия, кипятят 40 мин, после чего вводят раствор едкого калия и продолжают кипячение 4 ч. В отфильтрованный раствор вводится сегнетовая соль. Пирофосфатные электролиты готовят путем последовательного осаждения пирофосфата меди и растворения его в избытке пирофосфата натрия. При этом раствор приобретает интенсивно-синюю окраску.

 

ОСАЖДЕНИЕ СПЛАВОВ МЕДИ

 

Медь осаждают чаще всего совместно с пинком или оловом, получая при этом сплавы типа латуни или бронзы.


читать далее »

КАДМИРОВАНИЕ

Кадмированием зовется процесс нанесения на поверхность стальных изделий методом кадмия - Cd (15—25-мкм ) методом электролитического осаждения для защиты изделий от атмосферного влияния, коррозии. Кадмированию подвергаются наиболее ответственные детали самолетов, кораблей и проч., а также изделия, предназначенные для эксплуатации в тропическом климате - тропического исполнения.

Присутствие оксида серы SO2 в атмосфере промышл. районов снижает защитные свойствава кадмиевых покрытий, антикоррозионную стойкость металлических изделий в этом случае можно обеспечить цинкованием.

Обычно для кадмирования применяют электролиты на основе простых солей кадмия (Cd) с добавками коллоидов (желатина или клея), получая необходимую структуру покрытия.

 

Для кадмированных изделий сложного профиля используют растворы комплексных солей, чаще всего цианидов.

 

Наиболее распространенными электролитами для кадмирования являются цианистые, сульфатные и хлористые.

 

   Для приготовления цианистых электролитов предварительно в небольшом объеме теплой воды растворяют цианистый натрий (или калий).

 

  После декантации в него небольшими дозами при перемешивании вводят окись кадмия, растворенные сернокислый натрий, сернокислый никель и остальные добавки.

 

  Обработка изделий после кадмирования аналогична обработке после цинкования, а именно осветляют и пассивируют в специальных растворах,для повышения их коррозионной стойкости и улучшения внешнего вида.

 

  Обезводораживание деталей, после покрытия подвергающиеся механической деформации (изгибу, развальцовке, растяжению и др.)


читать далее »

АНОДЫ


При эксплуатации анодов необходимо придерживаться следующих правил:

 

Перед использованием анодов в первый раз их следует протравить.

Медные и никелевые аноды травятся в азотной кислоте, цинковые — в соляной, оловянные — в щелочи.

 

Крюки для навески анодов на анодные штанги должны быть выше уровня электролита. Аноды следует хранить в чехлах из тканей, стойких к действию электролитов, для предотвращения засорения их анодным шламом.

 

Для чехлов используются бязь (ГОСТ 11680), капроновая ткань (ГОСТ 18436), ткань фильтровальная хлорирновая (ГОСТ 20714) и др. После окончания работы аноды следует удалять из ванны, расчехлять и чистить до металлического блеска стальными щетками. Свинцовые аноды можно очищать химическим способом в растворе, содержащем 80—120 г/л едкого натра и 80—100 г/л сегнетовой соли, при комнатной температуре в течение 1—2 ч. Распределение анодов по штангам должно обеспечивать равномерность покрытий деталей со всех сторон. Глубина погружения анодов должна соответствовать глубине погружения подвесок с деталями.

 

Для более полного использования материала анода его остатки помещают в плоскую рамку из металла, не растворимого в электролите. В щелочных и цианистых электролитах применяются анодные рамки из нержавеющей стали, в кислых электролитах — из титана.

 

Аноды, применяемые при электрохимических процессах, приведены ниже.

 

Процесс

Аноды

Меднение

Медные МО, Ml, М2 (ГОСТ 767)

Никелирование

Никелевые НПА1, НПА2

(ГОСТ 2132)

Хромирование

Свинцовые (ГОСТ 3778);

Цинкование

Цинковые ЦО, Ц1, Ц2 (ГОСТ 1180)

Кадмирование

Кадмиевые (ГОСТ 1468—71)

Лужение

Оловянные (ГОСТ 860—75)

Осаждение сплавов

олово — висмут

Оловянные

олово — никель

Сплав олово — никель (70 *)

олово — свинец

Сплав олово — свинец (60*)

Олово-цинк

Сплав олово — цинк (80*)

Серебрение

Серебряные Ср999,9 (ГОСТ 51214)

Осаждение сплава серебро — сурьма

То же

Золочение

Золотые Зл 999,9 (ГОСТ 6837)

 

Из стали I2X18H9T (ГОСТ 5632) и платинированного титана

Палладироваиие

Палладиевые, из платинированного титана

Оксидироваиие алюминия

Из стали 12X1 ИНТ и свинца

Электрополирование:

 

алюминия

Из стали I2X18Н9Т и алюминия

стали

Из стали 12Х18Н9Т и свинца

Электрохимическое обезжиривание

Никелевые НПА1, НПА2

Железнение

Из низкоуглеродистой стали

 

 

 

* В скобках указывается процентное содержание первого компонента

 


читать далее »

В гальванотехнике применяется большое количество различных химикатов (кислоты, щелочи, окислы, соли, органические соединения). Для обезжиривания используются органические растворители (трихлорэтилен, че-тыреххлористый углерод и др.), щелочи, углекислый натрий, тринатрийфосфат, смачивающие добавки (синтанол ДС-10, жидкое стекло), моющие вещества (ТМС-31 и др.); для травления — серная, азотная, соляная и другие кислоты, различные ингибиторы; для нанесения покрытий — соли или окислы того металла, которым покрывается изделие (сернокислый никель, окись хрома, двухлористое олово и др.). Для повышения электропроводности электролитов в них добавляют нейтральные хорошо растворимые соли, например сернокислый натрий, сернокислый магний. Для регулировки рН добавляются соли, кислоты, щелочи в зависимости от применяемого электролита. Некоторые соединения вводятся в ванну для образования комплексов (цианистый калий или натрий, железистосинеродистый калий и др.) и повышения качества осадка. Для уменьшения внутренних напряжений, улучшения структуры осадка, придания блеска и т. д. применяются самые различные органические добавки (1,4-бутиндиол, хлорамин Б, нафталинсульфокислота н др.). Различные химикаты используются для окончательной обработки покрытий: пассивирования, пропитки и т. д. (Список химикатов, применяемых в гальванотехнике, приведен в этой статье).
читать далее »

В настоящее время широко используется покрытие сплавами олова. При осаждении сплава олово — висмут детали загружаются и выгружаются под током, в первые 10 с дается толчок тока до 2—4 А/кв.дм.. После прекращения процесса аноды вынимают из ванны во избежание контактного вытеснения висмута оловом.

 

При нанесении покрытии в колоколах концентрацию серной кислоты увеличивают до 140 г/л. Для приготовления электролитов для осаждения покрытия олово — висмут все химикаты растворяют отдельно в воде и смешивают, в последнюю очередь прибавляют продукт конденсации и сернокислый висмут. Для приготовления 1 л продукта конденсации смешивают 730 мл ацетона с 330 мм аммиака и 400 мл 50 % -ного раствора едкого натра.

 

К смеси медленно, по каплям, добавляют из ампул 400 мл уксусного альдегида, предварительно охлажденного до температуры 12—16 °С. Реакционную смесь непрерывно перемешивают и охлаждают, не допуская увеличения ее температуры свыше 30 град. С. В результате реакции образуется вещество коричневого цвета, верхнюю часть которого (продукт конденсации) после расслоения отделяют с помощью делительной воронки и хранят в темных бутылях.


читать далее »

Улучшение качества машин и механизмов неразрывно связано с повышением их надежности.

Осуществление этой задачи возможно только на базе новейших достижений науки, техники и передового опыта. Большое значение в решении этой проблемы имеет освоение новой технологии получения покрытий, в частности распыленными материалами, широко применяемой в автотракторной и текстильной промышленности, в сельскохозяйственном машиностроении, на предприятиях и в ряде других отраслей.

Восстановление изношенных деталей машин и возвращение им высоких эксплуатационных свойств, постепенно утерянных во время работы вследствие износа, является важнейшей проблемой ремонтной техники и технологии. Прогресс технологии дает возможность использовать различные металлы, сплавы и псевдосплавы, нанося их на поверхность деталей из тех пли иных мате¬риалов для защиты от износа, коррозии, а также для восстановления размеров, получения антифрикционных изделий и т. п.

Покрытия могут быть однослойными или многослойными. Последние создают путем постепенного наращивания одного или нескольких слоев различных металлов. При выборе способа покрытия необходимо учитывать свойства получаемого поверхностного слоя в комплексе со свойствами наращиваемых изделий. Разнообразие условий эксплуатации определяет сложность выбора устойчивого покрытия.

 

К покрытиям часто предъявляют требования сохранения

        • жаростойкости,
        • жаропрочности,
        • коррозионной стойкости,
        • высокой теплопроводности,
        • антифрикционных свойств,
        • износоустойчивости при переменных, контактных, ударных, статических нагрузках или при нескольких видах нагрузок, действующих на изделия одновременно.

 

Свойства, а часто и состав покрытия — не такие, как у исходного металла, применяемого для наращивания. Так, технически чистый алюминий плавится при температуре 657° С, а покрытие из напыленного алюминия плавится при температуре около 1000°С. Твердость алюминия в исходной проволоке равна НВ 21, а после распыления повышается до НВ 26—40.

Свойства цинка также резко меняются в процессе нанесения покрытий распылением. Цинковая проволока имеет температуру плавления 419° С. В процессе распыления, плавления и нанесения, при которых образуются окислы, температура плавления цинкового покрытия повышается до 600° С. Покрытия из цинка более пористы, лучше прирабатываются и значительно износоустойчивее, чем исходный технически чистый металл, и в отличие от него способны впитывать смазки.

Температура плавления меди 1083° С, а покрытия, получепного из того же материала распылением при помощи газового аппарата в окислительном пламени, 1200° Сив восстановительном пламени 1100° С. Твердость медной проволоки 50; твердость покрытия, получаемого из нее распылением, повышается до НВ 61—87.

Картинка


читать далее »

Противокоррозионная защита алюминия и алюиниевых сплавов - ЭМАТАЛИРОВАНИЕ  

 

  Широкое использование алюминия и алюминиевых сплавов, несмотря на недостаточную антикоррозионную стойкость, возможно благодаря применению надежных противокоррозионных покрытий.

Особо распространены способы защиты алюминия от коррозии оксидированием в серной, хромовой и щавелевой кислотах, а также с помощью твердого анодирования.   

 Среди новых технологических способов защиты от коррозии и декоративной отделки поверхности алюминиевых сплавов важное место занимает эматалирование. Эматалирование — электрохимическая анодная обработка алюминия и его сплавов, в результате которой на их поверхности образуются непрозрачные молочно-эмалевидные пленки. Это один из наиболее эффективных способов защиты алюминия и его сплавов от коррозии, значительно превосходящий по своим защитным качествам самый распространенный способ — сернокислотное оксидирование.

 

Эматалированием получают защитно-декоративное покрытие, устойчивое в условиях тропиков.    Широко применяется эматалирование в электролитах, содержащих соли титана, циркония и тория, однако соли титана, циркония и тория представляют собой дефицитные и дорогие материалы, а электролиты на их основе недостаточно стабильны. Взамен разработаны доступные и стабильные электролиты, обеспечивающие возможность широкого применения эматалировання в промышленности.    Эматалирование в хромовоборном электролите, подробно рас-сматриваемое в настоящей книге, характеризуется простотой технологического процесса.    

 

Эматаль-пленки наряду с высокими защитными и декоративными качествами обладают рядом ценных физико-химических свойств: термостойкостью, износостойкостью, химической стойкостью и электропрочностью, что дает возможность при их использовании повысить качество и долговечность конструкций и оборудования, снизить трудоемкость и себестоимость их изготовления, сократить сроки подготовки производства.

 

 


читать далее »

Наиболее распространенными электролитами для серебрения являются цианистые, дицианоаргентатные и железистосинеродистые.

Цианистые электролиты отличаются высокой рассеивающей способностью, дают матовые, мелкокристаллические осадки.

Для уплотнения серебряного покрытия и придания ему блеска изделие полируют, не вынимая из ванны, в том же электролите при токе обратной полярности в течение 3 с с интервалом 0,8—1,2 с. Общее время полирования составляют 60—70 с.

Анодная плотность тока при этом в 2—3 раза превышает катодную. Толщина снимаемого покрытия достигает 0,5—1,5 мкм. Для получения блестящего покрытия непосредственно в процессе электролиза в электролит вводят блескообразующие добавки.

Дицианоаргентатные и железистосинеродистые электролиты дают хорошие осадки, но рассеивающая способность этих электролитов невелика, что несколько ограничивает их применение. Для увеличения твердости и износостойкости серебряного покрытия в него вводят 0,3— 0,8 % сурьмы, для обеспечения постоянства переходного сопротивления — 0,1—2 % палладия.

Для предупреждения контактного вытеснения серебра детали из меди и ее сплавов перед покрытием подвергают специальной обработке — предварительному серебрению или амальгамированию. При амальгамировании деталь опускают на несколько секунд в один из следующих растворов: 5—10 г/л окиси ртути и 50—100 г/л цианистого калия, 10—12 г/л азотнокислой ртути, 7,5 г/л хлористой ртути и 4 г/л хлористого аммония.

Амальгамированная поверхность должна быть блестящей, без пятен Нужно учесть, что амальгамирование вызывает растрескивание латунных деталей, а соприкосновение амальгамированных деталей с алюминием резко увеличивает скорость коррозии последнего.


читать далее »

Для интенсификации процесса серебрения и улучшения качества осадка следует применять реверс анодного и катодного тока при соотношении 10 : 1. При электролизе используются серебряные аноды. Соотношение поверхностей анода и катода составляет 1:1.

Приготовление электролитов.

Цианистый электролит для серебрения готовят двумя способами: осаждают цианистое серебро из раствора азотнокислого серебра точно рассчитанным количеством 5 % -ного раствора цианистого калия отделяют осадок и растворяют его в избытке цианистого калия, осаждают соляной кислотой хлорид серебра из азотнокислого серебра, после отделения осадок растворяют в избытке цианистого калия.

Для блестящего серебрения цианистый калий растворяют в воде, очищают 30 %-ной перекисью водорода (2 мл/л) в течение 12 ч, вводят активированный уголь (1— 2 г/л) и через 1,5—2 ч отфильтровывают. После этого к нему добавляют предварительно растворенные азотнокислое серебро и селен, диспергатор из расчета на сухой остаток и этамон ДС в виде 50 % ного водного раствора. Для приготовления дицианоаргентатного электролита смешивают все его компоненты, предварительно растворенные в воде


читать далее »

АЛЮМИНИРОВАНИЕ - это процесс нанесения на поверхность металлических изделий покрытий из алюминия или алюминиевых сплавов с целью придания коррозионной стойкости, а также жаростойкости, и с декоративной целью. В отличие от АЛИТИРОВАНИЯ, насыщения поверхности стальных и других металлических изделий алюминием.

Наиболее распространено горячее алюминирование. Преимущественно алюминируются изделия из низкоуглеродистой стали путем погружения в ванну с расплавом алюминия (с добавками до 10 % кренния (Si)).

Горячее алюминирование классифицируется по виду предварительной обработки металлических изделий:

  • с нанесением и сушкой растворов флюса;
  • с применением расплавленных флюсов;
  • с обработкой в реакционном газе;
  • с нанесением металлического подслоя, напр. Си, Со, Sn, Zn и др.

Толщина горячего алюминироввания - 20-200-мкм (микрон).

Применяют также и другие способы алюминирования:

  • плакирование,
  • пульверизацию алюминиевой краской и т.п.

читать далее »

АЛИТИРОВАНИЕ - это процесс насыщения поверхности стальных и других металлических изделий алюминием с целью повышения окалиностойкости до 1100 °С и сопротивления атмосферной коррозии.

Чаше всего алитируются детали из малоуглеродистых аустенитных сталей и жаропрочных сплавов. Алитирование проводят в порошкообразных смесях (50 % алюминия или ферроалюминия, 49 % оксида алюминия (А12О3) и 1 % NH^Cl или 99 % ферроалюминия и 1 % NH^Cl).

При 1000 ºС и выдержке в течение 8 часов образуется слой 0,4—0,5 мм, насыщенный алюминием.

Алитирование выполняют также:

  • металлизацией (на поверхность детали наносят слой алюминиевого порошка и после изоляционной обмазки деталь подвергают диффузионному отжигу);
  • покраской деталей алюминиевой краской (с послед, диффузионным отжигом в защитной газовой среде);
  • в расплаве алюминия (с 6-8 % Fe).

Алитирование применяют при изготовлении клапанов автомобильных двигателей, лопаток и сопел газовых турбин, деталей аппаратуры для крекинга нефти и газа и т.п.

Алитирование в расплавленном алюминии широко используют вместо горячего цинкования (листы, проволока, трубы, строительные изделия).

 


читать далее »

 

Осаждение сплава олово — никель

При приготовлении электролита для осаждения сплава олово — никель хлористый никель и фтористый аммоний растворяют в теплой воде.

Раствор подкисляют соляной кислотой до рН 3,5—4 при температуре 70—80 °С и тщательном перемешивании вводят хлористое олово, дают отстояться 12 ч и прорабатывают при плотности тока 0,3—0,5 А/кв.дм. в течение 3—5 ч. При электролизе используют аноды из никеля или из сплава олово — никель (70 % олова, 30 % никеля).

Можно также применять никелевые и оловянные аноды с раздельным подводом тока Для осаждения сплава олово — свинец используется борфтористоводородный электролит.

При его приготовлении к одной половине расчетного количества борфтористоводородной кислоты добавляют при перемешивании окись свинца, к другой — углекислую медь для образования борфтористоводородной меди, которую затем восстанавливают гранулированным или порошкообразным оловом. Полученный прозрачный раствор сливают в ванну, и туда же вводят растворенные в горячей воде клей и гидрохинон.

Аноды изготовляются из сплава олово — свинец (60 % олова, 40 % свинца). Сплав олово — цинк осаждается из пирофосфорного электролита. Для приготовления этого электролита раствор сернокислого цинка добавляют к раствору пирофосфата натрия. Затем раствор подогревают, доливают к нему раствор сернокислого олова, доводят до рабочего объема и прибавляют лимоннокислый аммоний, азотнокислый аммоний и клей, предварительно замоченный в воде.

Материалом анодов служит сплав олово — цинк (80 % олова и 20 % цинка).


читать далее »

Для повышения каталитической активности поверхности после обработки в совмещенном растворе детали обрабатывают в растворе акселерации, который представляет собой слабый раствор кислоты или щелочи. Затем на детали наносится тонкий токопроводящий слой меди путем восстановления меди из комплексных щелочных растворов с помощью формалина (40 % раствора фольмальдегида).

Токопроводящий слой на активированной поверхности можно получить также путем химического восстановления никеля. Полученный токопровидящий слой усиливают при помощи гальванически осажденной меди, а после этого наносят другие гальванические покрытия в зависимости от назначения изделия.

Для нанесения декоративного покрытия на пластмассы после меднения в обычном электролите детали покрывают в электролите блестящего меднени.

При этом процессе используются аноды из сплава АМФ в чехлах из материала «Хлорин» В течение всего процесса необходима непрерывная фильтрация и перемешивание электролита очищенным сжатым воздухом.

Следующая операция — блестящее никелирование на толщину 6—10 мкм. 3атем при необходимости детали хромируют. После каждой операции, начиная с травления и активирования, изделия промываются сначала в обычной, затем в обессоленной воде.


читать далее »

Никель, осажденный химическим путем, представляет собой сплав никеля с фосфором (от 5 до 12 % фосфора).

Основой процесса является реакция восстановления никеля из водных растворов его солей гипофосфитом натрия. При приготовлении растворов все компоненты растворяют в теплой воде в отдельных емкостях. Затем все растворы (кроме раствора гипофосфита) смешивают и доводят рН до нормы аммиаком или уксусной кислотой.

Тио-мочевину добавляют в виде 0,1 %-ного раствора. Раствор гипофосфита прибавляют в последнюю очередь, непосредственно перед началом процесса.

Для инициирования химического никелирования деталей из меди и ее сплавов в начале процесса необходимо обеспечить контакт этих деталей с электроотрицательным металлом (например, со сталью, алюминием). После покрытия детали подвергаются термообработке при 200 °С в течение 2 у для снятия внутренних напряжений и повышения прочности сцепления покрытия с основой.

Для увеличения твердости до 10 ГПа детали необходимо подвергнуть термообработке при 400 °С в течение 1 ч.

Олово можно осаждать химическим путем на медь и медные сплавы из кислых растворов.

Золото химически осаждают из раствора на основе дицианоаурата калия.

В процессе контактно-химического серебрения детали контактируют с алюминием или магнием при соотношении их поверхностей и поверхности покрываемых деталей 1 : 6. Контакт происходит вне рабочего раствора.

Химическое серебрение производится осаждением из сульфитного комплекса.


читать далее »

Для золочения используются цианистые и кислые электролиты.

Электролиты без блескообразователей дают мягкие матовые осадки.

Для улучшения внешнего вида покрытий и увеличения их твердости применяются электролиты с небольшой добавкой сурьмы, никеля, кобальта. Содержание кобальта и никеля в покрытии достигает 0,3—0,5 %, сурьмы до 1 %. Приготовление электролитов. Для приготовления цианистою электролита необходимо дицианоаурат калия растворить в воде и кипятить 5—20 мин, после фильтрации ввести 40—50 %-ный раствор цианистого калия.

Для приготовления цитратного электролита растворяют лимонную кислоту (либо ее соли) в воде и рН раствора доводят едким кали до 3,5—4,5. После этого прибавляют сернокислый никель или кобальт, дицианоаурат и окончательно корректируют рН.

В процессе работы рН корректируют лимонной кислотой или 15 %-ным раствором ортофосфорной кислоты.


читать далее »

С учетом физико-химических свойств, распространенности и применения редкие элементы условно подразделяются на легкие — литий, рубидий, цезий, бериллий, бор, стронций; тугоплавкие — цирконий, гафний, ниобий, тантал; рассеянные — германий, галлий, индий, таллий, рений, селен, теллур, скандий; редкоземельные — лантаноиды и относящийся к ним иттрий; радиоактивные — тулий и прометий.

Особо остановимся на редких землях. Этот термин установлен химиками еще в XVIII в. В те времена землями называли вещества, похожие своим видом на обычную землю. Словом «редкий» подчеркивалась малая распространенность этих элементов в природе.

Всех редких элементов насчитывается 35, а некоторые ученые склонны причислять к ним еще и тугоплавкие легирующие металлы, такие, например, как титан, молибден, вольфрам, ванадий, и радиоактивные — полоний, франций, актиний, кюрий.

Современная систематика редких элементов довольно сложна, и существует несколько видов их классификации. Так, например, в условиях, когда в мире нет полного спокойствия и некоторые капиталистические государства активно наращивают военный потенциал, довольно широкое распространение имеет классификация военно-стратегического характера. В соответствии с ней химические элементы группируются по значимости:

I. Имеющие решающее значение — наряду с водородом, ураном, титаном, магнием также литий (основной компонент ядерного оружия) и германий (основа полупроводниковых приборов, которыми оснащены самолеты, ракеты, установки по изучению космоса).

II. Исключительно важные — наряду с медью, никелем также ниобий и тантал, используемые в сплавах для военной техники и электровакуумных приборах.

III.  Очень важные — бериллий (конструктивные детали ракет, сверхзвуковых самолетов), который, как и бор, является регулятором нейтронов в ядерных реакторах, а также селен, стронций, иттрий, цирконий, цезий, теллур, лантан, церий, празеодим, неодим, европий, рений.

IV.  Важные — галлий, индий, таллий, самарий, гадолиний, диспрозий (радиоэлектронная аппаратура, сплавы, лазеры), гафний (ракетно-космическая техника).

V. Вспомогательные — скандий, рубидий, прометни и тулий (атомные батарейки и двигатели).

VI. Неиспользуемые — тербий, гольмий, эрбий, иттербий, лютеций. Это означает, что их соединения еще не внедрены широко в военную промышленность, но опыты по их применению и небольшое использование есть.

Путь редких элементов в науку, технику и хозяйство оказался долгим и мучительным. Было потрачено много сил, подчас напрасных, прежде чем редкие элементы предстали перед человечеством во всем многообразии своих необычных свойств. На поиски этих свойств ушло около двух столетий.


читать далее »

Хотя литий открыли в начале XIX в., более ста тридцати лет он не находил применения, несмотря на замечательное достоинство — литий в два раза легче воды, в пять раз легче алюминия. Это самый легкий металл на Земле. Казалось, сфера использования несомненна — воздухоплавание. Однако литиевый воздушный корабль моментально рассыпался бы, не успев даже взлететь — так жадно литий поглощает кислород и водород.

Применение лития ограничивалось еще и потому, что в природе он рассеян и не образует крупных концентраций.

Внимание к литию усилилось в конце 40-х — начало 50-х годов нашего столетия в связи о производством ядерного оружия. В США было налажено производство трития на основе изотопа литий-6, компонента водородных бомб, и это сразу же сделало литий важнейшим стратегическим элементом.

Наступила эра космических полетов, и тогда-то пригодилась способность лития к активному взаимодействию с окислителями — его стали использовать в ракетном топливе. Помимо этого, в наши дни литий наряду с водородом, бором, фтором, хлором служит топливом для сверхзвуковых самолетов, управляемых снарядов, подводных лодок. Запатентовано и твердое ракетное топливо, в котором 51— 68% металлического лития. Приоритет в разработке топлива на основе лития принадлежит советским ученым, которые занимались испытанием малых ракет с жидким топливом еще в 30-х годах.

Со временем были использованы и другие интересные свойства самого легкого металла. Литий жадно поглощает углекислоту, а поэтому улучшает воздушную среду в подводной лодке, долго плывущей в глубинах моря.

Один килограмм гидрида лития, смоченного водой, бурно выделяет 1500 л водорода. Это свойство использовано при спасании приводнившихся летчиков и космонавтов: можно наполнить водородом резиновую лодку.

Используется литий также в долговечных атомных батареях. Работают они без перезарядки 20 лет. А если в аккумуляторы вместо обычной щелочи залить щелочной раствор с гидроокисью лития, батареи будут работать вдвое дольше. Использовать такие аккумуляторы можно в электромобилях, которые в скором времени займут место привычных нам автомобилей, загрязняющих атмосферу городов выхлопными газами. Соединения лития очищают газы в кондиционерах воздуха, а также применяются в морозильных камерах.

Заинтересовалась литием и металлургия. Ничтожные его добавки к стали (0,005%) снижают содержание кислорода, азота и водорода, и благодаря этому сталь становится устойчивой к коррозии. Литий не без успеха может заменить олово в подшипниковых сплавах — работа подшипников приобретает долговечность и надежность.

Химическая промышленность также предъявляет спрос на литий. Литиевые соединения оказались хорошими катализаторами при переработке нефти. Без литиевых смазок, изготовленных на основе гидроокиси лития, вездеход ни в Антарктиде, ни в пустыне Сахаре работать не будет. Эти смазки сохраняют рабочие свойства в диапазоне температур от —60° до +100° С.

Необычайно расширилась сфера потребления лития в стекольно-керамическом деле. Огнеупорную керамику, фарфор, фаянс покрывают эмалью, изготовленной с добавлением лития. Спрос на литиевые соединения появился и со стороны сельского хозяйства. Литий входит в состав стимуляторов роста и инсектицидов, служит микроудобрением. Мы найдем литий, пожалуй, теперь в любом жилище, конечно, в скромных дозах. В телевизионном кинескопе, например, литиевые соединения защищают нас от ультрафиолетовых лучей.

Не обходится без лития и медицина. В домашней аптечке найдется уродан, который излечивает от подагры и болезней суставов. Литий входит в состав витамина А. Новая область применения самого легкого металла — лечение нервных заболеваний. Вот сколь многообразно применение лития.


читать далее »

Бериллий принадлежит к числу тех редких элементов, о которых еще 20—25 лет назад знали понаслышке. Замечательный советский геохимик А. Е. Ферсман предсказал бериллию блестящее будущее.

Действительно, теперь бериллий используется так же широко, как медь и алюминий. Природа наделила бериллий удачным сочетанием важных для новой техники химических, физических и механических свойств, и это делает его не только стратегическим, но и мирным материалом. Удельный вес его меньше, чем у алюминия, поэтому бериллий относится и к легким металлам. Температура плавления бериллия +1284°С, и он считается тугоплавким. Отличают его также теплоемкость и электропроводимость, стойкость против коррозии. Помимо этого, бериллий беспрепятственно пропускает рентгеновские лучи и замедляет скорость нейтронов в ядерных реакторах. Окись бериллия, облученная ультрафиолетовыми лучами, светится.

Между открытием бериллия (XVIII в.) и началом его применения огромный разрыв во времени. За короткий срок бериллиевая промышленность прошла 3 этапа: 1) 1Э30—1945 гг. В ходу была только бериллиевая бронза, которую получают при добавке 2—3% бериллия к меди. Пружина из этого сплава выдерживает 20 миллионов сжатий, тогда как стальная выходит из строя после одного миллиона сжатий. 2) 1945—1960 гг. Бериллиевую продукцию (окись, карбид, чистый металл) поглощала атомная техника, что послужило толчком к ускорению добычи бериллиевого сырья, производства бериллия и его соединений. 3) С 60-х годов нынешнего столетия главной и наиболее ответственной отраслью промышленного производства становится авиационная и ракетно-космическая техника. Немало бериллия стала поглощать и радиоэлектроника. Стоит добавить бериллий к алюминию и магнию, как он приобретает высокую стойкость к коррозии, да и вес сплава уменьшается на 15—20% по сравнению с алюминиевыми материалами. Следовательно, летательный аппарат, сконструированный из бериллий-алюминий-магниевого сплава, поднимется выше и полетит быстрее. Бериллиевые бронзы по-прежнему в ходу, и теперь они используются в подшипниках для самолетных шасси. Обнаружилось, что инструменты, изготовленные на основе соединений бериллия с хромом и никелем, не дают искры. Поэтому их применяют на сахарорафинадных заводах, где случайная искра может вызвать детонацию смеси сахарной пудры с воздухом.

Новейшее достижение техники — соединения бериллия с танталом, ниобием, цирконием. У соединений появлялись доселе неизвестные свойства, ранее не обнаруживавшиеся в каждом из этих металлов в отдельности. Жаропрочность, устойчивость к окислению при высоких температурах, легкий вес делают бериллиевые конструкции идеальным материалом для корпусов ракет, обшивки космических кораблей, самолетов, управляемых снарядов, ракет-носителей и межконтинентальных баллистических ракет, кассетных боеголовок, деталей турбореактивных и турбовинтовых двигателей, тормозных устройств.

Бериллий и его сплавы применялись в американских ракетах типа «Поларис», космических кораблях «Дже-мини», «Меркурий», «Аполлон», ракетоносителях «Титан», «Сатурн», искусственных спутниках. Бериллиевые детали имел и космический корабль «Аполлон», состыковавшийся с «Союзом» в 1975 г. Благодаря способности сохранять высокую точность и неизменность размеров бериллиевые детали используются в различных приборах системы ориентации ракет, а также космических кораблей.


читать далее »

Тантал и ниобий известны как тугоплавкие, жаропрочные металлы. По физико-химическим свойствам они довольно близки, да и по внешнему виду похожи. Их нередко принимают за благородные металлы, особенно тантал, который напоминает платину. Оба они устойчивы к различным кислотам. На тантал, например, не действует коррозионно-активная фтористоводородная кислота. Тантал чрезвычайно жаропрочен и выдерживает космические температуры, а потому незаменим в носовых частях космических кораблей, испытывающих большую тепловую нагрузку; сплав тантала с вольфрамом плавится только при температуре +2800°. Космический корабль, который совершит регулярные рейсы между Землей и ближайшими планетами, обязательно будет иметь детали из ниобия и тантала. Эти металлы нужны и судостроению. Из них изготавливают различные ответственные детали для речных и морских судов.

Есть отрасли, где каждый из этих металлов совершает скромную, но полезную работу. Например, в медицине используются танталовые детали. Пластинки из него применяют при операциях на черепе, танталовыми скрепками сшивают кровеносные сосуды, а нитями из тантала заменяют разорванные сухожилия.

Ниобий первенствует в химических производствах там, где получают соляную, азотную, серную кислоты. Аппаратура, изготовленная из сплавов с ниобием, выдерживает сильное воздействие кислот. Ниобий не взаимодействует с уроном и плутонием, а значит, может быть использован как защита от ядерных излучений. И еще одна важпая сфера применения ниобия и тантала — радиоэлектроника. Сетки, аноды, катоды, выпрямители дольше служат, если сделать их из этих металлов.

А совсем недавно обнаружено еще одно интересное свойство соединения ниобия с германием. При 25,2° Кельвина, что составляет —247,8° по Цельсию, это соединение становится сверхпроводником. Подобное условие создает возможность передачи электроэнергии на огромные расстояния.


читать далее »

Так называют цирконий и гафний потому, что при переработке руд гафний трудноотделим от циркония. Эти редкие элементы очень близки по своим физико-химическим свойствам, а значит, у них общая сфера применения. Так, например, подобно ниобию и танталу, эти металлы жаропрочны, антикоррозионны, а кроме того, задерживают радиоактивные излучения. Следовательно, области их использования — жаропрочная металлургия, химическая индустрия, атомная энергетика и др.

И все же цирконий и гафний — разные элементы. Гафний вдвое тяжелее циркония и плавится при температуре 2230°, тогда как цирконий — при 1830°. Керамика из сплава гафния и тантала выдерживает температуру выше 4000° С и поэтому идет на изготовление тиглей, в которых выплавляются тугоплавкие соединения и детали для реактивных двигателей. Гафний также прекрасно сваривается. Он с полным основанием считается идеальным материалом для» сверхзвуковой и ракетной техники. Однако широко использовать гафний пока не удается, так как его получение связано с большими затратами. Стоимость 1 кг этого металла в несколько раз больше стоимости 1 кг золота.

Гораздо доступнее для использования цирконий, хотя его соединения менее тугоплавки, чем гафния. Все же сплав циркония с бором имеет все основания считаться тугоплавким. Отсюда многогранность применения этого сплава: легированные стали, газовые турбины, реактивные двигатели, атомные реакторы, огнеупорные керамики, режущие инструменты. Циркониевые соединения устойчивы к окислению и резким температурным перепадам. Двуокись циркония, пропитанная фенольной смолой, выдерживает кратковременный нагрев до 2200°С и может использоваться для изоляции на космических кораблях.

Сплавы ниобия, тантала и циркония все шире используются в химическом машиностроении, поскольку они стойки к различным кислотам. Тем не менее 80% потребления циркония приходится на сферы, где он с успехом заменяет многие вредные вещества. Так, например, цирконием стараются заменить в глазурном производстве свинец, а при изготовлении эмалей его используют для придания им чисто-белого цвета.

Цирконий и его сплавы применяются для защиты от излучения на атомных станциях, вырабатывающих электроэнергию.

Знакомый незнакомец

Речь здесь пойдет о боре, соединения которого — борная кислота и бура — наверняка найдутся в домашней аптечке.

Впервые соединения бора упоминаются в древних арабских манускриптах под названием «борак», в латинских как «borax», откуда и произошло название элемента.

Чистый бор получают искусственно в виде бурых и черных кристаллов. Карбид бора при резании заменяет алмаз. Тугоплавкие бориды титана, циркония, тантала, ниобия, хрома, молибдена входят в жаропрочные сплавы для электроники и космической техники.

Особо важное значение приобретают соединения бора с водородом, литием, бериллием как реактивное топливо, обладающее огромной теплотворной способностью — около 15 тыс. ккал/кг. Изотоп бора В-10 — сильный поглотитель нейтронов, а значит, регулятор ядерных реакций. Однако не в этих сферах применяется бор. В первую очередь до 80% его соединений идут для самых мирных целей — в стекольно-керамическую промышленность и сельское хозяйство. Оказывается, горох, хлопчатник, злаки успешно выращиваются при небольшом обогащении почвы солями бора. Вот почему спрос на бораты повышается.

Без соединений бора не получишь стекла, стекловолокна, нейлона.


читать далее »

Индий по внешнему виду напоминает свинец и по температуре плавления ( + 155° С) близок к нему. Из индия легко получить сплавы со свинцом, таллием, оловом, серебром. Эти сплавы имеют большую коррозионную стойкость. Благодаря таким сплавам долго служат подшипники, авиационные двигатели, подводные части судов.

Индий обладает еще одним редким свойством — высокой отражательной способностью. Поэтому он нашел применение при изготовлении зеркал, рефлекторов, оптических приборов, телескопов.

Новая отрасль применения германия  катализ при производстве искусственного волокна, — особенно широко развивающаяся в США и Японии.

Соединения германия можно найти в зеркалах для  телескопов, керамике, инфракрасной оптике, медицине. Сплав никеля, алюминия, германия является сверхпроводником при температурах ниже 20,4° Кельвина (—252,6°С). (в дальнейшем обозначается К). Попытка создать сверхпроводник при более высоких температурах оказалась безуспешной.


читать далее »

Вскоре после открытия таллия о нем почти забыли. А если изредка вспоминали, то говорили как об элементе редком, рассеянном и еще странном.

А странностей в свойствах таллия хоть отбавляй. С одной стороны, по своим физико-химическим свойствам таллий сходен со щелочными металлами — калием, рубидием. С другой стороны, он чем-то похож на серебро, свинец и олово.

Подобно калию и натрию, таллий хорошо взаимодействует с водой, но почти не реагирует с растворами йода, брома, хлора. Это свойство роднит его с серебром. По внешнему виду, плотности, твердости, температуре плавления он больше всего напоминает свинец.

Более 60 лет после открытия таллий оставался «безработным». Лишь к началу 20-х годов XX столетия были открыты его специфические свойства: соединениями таллия стали травить мышей, крыс и других грызунов. Эти вещества без вкуса и запаха вошли в состав пестицидов.

Обнаружилось также, что одно из соединений таллия — так называемый оксисульфид — улавливает инфракрасные лучи. Поэтому соединения таллия стали использоваться в приборах инфракрасной техники, обнаруживающей военные объекты по тепловому излучению. Линзы и приемы для оптических приборов, работающих на инфракрасных волнах, делают из препаратов таллия. С их помощью можно фотографировать в темноте.

Использует соединения таллия и медицина. Препаратами таллия лечат дизентерию и туберкулез.

С помощью солей таллия получают краски, устойчивые к воздействиям сернистых соединений. Такие краски сохраняют первоначальный цвет в отделке зданий больших городов, атмосфера которых содержит сернистый газ, образующийся в результате сжигания угля.

Неизменный атрибут больших городов — реклама, в зеленых огнях которой обязательно присутствуют соединения таллия. И конечно, таллий есть в зеленых огнях праздничного салюта.

До сих пор говорилось о практическом применении соединений таллия. А как же сам металл? Его используют, но не так широко, поскольку таллий окисляется на воздухе; его обязательно нужно хранить в воде.

Металлический таллий придает сплавам прочность, сопротивление износу. Чаще всего таллий вводят в состав родственного ему свинца. Подшипниковый сплав с использованием 8% таллия превосходит лучшие оловянные подшипниковые сплавы, а сплав с 10% таллия устойчив к воздействию азотной и соляной кислот.

Амальгама таллия (сплав с ртутью) остается жидкой при температуре —60°С, поэтому ее применяют в термометрах, используемых в Антарктиде и на Крайнем Севере, а также при опытах с низкими температурами. Вдобавок сплав таллия с оловом, индием, свинцом имеет свойства сверхпроводимости, что используется при создании линий электропередач в целях максимальной экономии энергии.

Не остались «без работы» и изотопы таллия. Тал-лий-204 с периодом полураспада в 3,56 года — излучатель бета-лучей. С помощью таллия-204 измеряется толщина покрытий, тонкостенных изделий, бумаги, тканей. Подобными 'установками с радиоактивным таллием снимают заряды статического электричества с синтетических тканей.

Родившийся «в рубашке»

Рений — один из наименее распространенных элементов на Земле. Для получения 1 г чистого рения его первооткрывателям — супругам Ноддак пришлось переработать 600 кг молибденита.

Рений находится в ряду самых тяжелых металлов на Земле. Штангист, без усилия поднимающий железную штангу, не одолел бы рениевую штангу подобного объема.

Рений — также один из самых тугоплавких металлов. Температура плавления составляет +3170°, а кипения — + 5870°. Его можно прокатывать, ковать, вытягивать в проволоку при обычных условиях.

Этот интересный редкий элемент имеет и еще одно важное свойство — высокую жаропрочность. Поэтому термопарами из вольфрама и рения измеряют температуры до 2600°С.

Сплав рения с танталом используется и хорошо зарекомендовал себя в теплозащитных поверхностях космических летательных аппаратов.

Рений хорошо сваривается, устойчив к коррозии, при нагревании до 1500° не соединяется с кислородом, а при любых температурах совершенно «равнодушен» к водороду и азоту. Не растворяется в серной и соляной кислотах. Это роднит рений с платиной и другими благородными металлами.

Средневековые алхимики подозревали присутствие заменителя платины, но, имея на вооружении только примитивные нагревательные печи, реторты и колбы, выделить таинственный элемент рений из руд были не в состоянии.

Таким образом, любопытных и нужных современной технике свойств у рения хоть отбавляй. А вот применялся он до конца 60-х годов нынешнего столетия незначительно. Виной этому было не только малое распространение рения и трудности получения, но и то, что его химико-технологическая сфера оставалась нераскрытой.

С 1969 г. нефтеперегонная промышленность ряда стран начала осваивать рениево-платиновые катализаторы, с помощью которых вырабатываются бензины с высоким октановым числом. Использование смешанных рениево-платиновых катализаторов вместо только платиновых на 45% подняло пропускную способность установок. Дай срок службы катализаторов повысился в 3—6 раз. Рений совершил в нефтепереработке ц нефтехимии нечто вроде революции, ибо выход бензинов с высокооктановым числом с помощью рения позволил отказаться от добавок в бензин тетраэтилсвинца, который вместе с выхлопными газами выбрасывается в атмосферу, отравляя ее.

Рений и платина используют в перьях для авторучек. Такие перья не изнашиваются до 5 лет.

Наконец, рений исправно служит нашему дому. У многих перегоревших радио - и электроламп на стенках виден темный налет. Это результат действия водяных паров. Как бы мы ни откачивали воздух из ламп, пары всегда остаются. При температуре горения лампы в 1750 °С рений устойчивее к водяным парам, чем используемый для производства нитей накаливания вольфрам. Следовательно, сплав вольфрама и рения был бы наилучшим материалом для изготовления нитей накаливания, чем чистый вольфрам. Жаль, что рений еще очень дорог. Однако несомненно: это металл с блестящими перспективами.


читать далее »

Подобно цирконию и гафнию, селен и теллур — близнецы-братья, имеют некоторые общие свойства и, как правило, вместе находятся в земной коре.

Есть у них общие черты и в применении. Например, они обладают свойством окрашивать стекло: селен придает светофорным и другим специальным стеклам красный или оранжевый цвет, а теллур — голубой и коричневый. Сочетание же этих элементов создает широкий диапазон красок от розового до черного. Добавки селена устраняют из стекла крайне нежелательные примеси железа, придающие стеклу зеленоватый оттенок.

Велика роль селена и теллура в производстве искусственного каучука. Оба элемента добавляются к резиновой массе для придания ей упругости, прочности, эластичности.

Селен служит фототелеграфии, телевидению, сигнализации, так как меняет теплопроводность и электропроводность в зависимости от освещения. Для этого слой селена наносят на металлическую ленту, а сверху покрывают тончайшей золотой пленкой. Лента соединена со стрелкой измерительной шкалы фотоэкспонометра и передвигает стрелку, если падает свет.

Наличие селена обнаружено в курительной бумаге. Поэтому курильщик наряду с прочими вредными для организма веществами вдыхает и селен, что в конечном итоге увеличивает вероятность заболевания раком. Однако слишком ругать селен, пожалуй, не стоит. Он нужен организму, но, разумеется, в определенных дозах. Доказано, например, что селен улучшает зрение.

Металл красных огней

Любуясь праздничным салютом, мы знаем, что расцветил его красным огнем редкий элемент стронций. Однако не только это свойство стронция используется людьми. В последние годы металл нашел очень широкое применение в связи с тем, что, помимо его опасных для жизни свойств, были обнаружены и другие, весьма ценные качества. Так, например, выяснилось, что стронций способен и охранять здоровье человека. Если в стекло телевизионного экрана ввести карбонат стронция, оно будет служить надежной защитой от рентгеновского излучения, возникающего в кинескопе.

Растет спрос на карбонат стронция и в других отраслях хозяйства. Батарейки на основе стронция размером со спичечную коробку способны давать энергию без перезарядки много лет. Их можно применять в электромобилях и в домашних бытовых приборах. Батарейки напряжением всего 1,5 в используются в часах, где циферблат и стрелки заменены подвижными цифрами, указывающими год, месяц, число, день недели и точное время.

Структура применения стронция в США такова: пиротехника — 40%, цветные кинескопы — 29%, ферромагнитные керамические составы— 10,5%, рафинирование (очистка) цинка — 3,8%, производство керамических изделий —- фаянса, глазури, майолики — 2,9%, другие сферы — 13,9%.


читать далее »

Празеодим внешне мало отличается от лантана и церия — тот же серебристый металл с окисной пленкой. А вот соли празеодима светло-зеленые, окись же — вещество темно-серого, почти черного цвета. Празеодим хорошо взаимодействует с неодимом. Окись празеодима окрашивает стекла в зеленый цвет. Вместе с неодимом и церием празеодим входит в состав защитных стекол для сварочных работ. Неодим также входит в рецептуры специальных стекол, керамики, глазури. Неодимовые стекла используются в лазерах. В нашей стране созданы магниевые и алюминиевые сверхпрочные сплавы, легированные неодимом и цирконием.

Один из семьи искусственных радиоактивных элементов — прометий. В природе он возникает при радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов. В земной коре прометий обнаружен после того, как он был получен искусственным путем, по в ничтожно малых дозах.

Известно 14 изотопов прометия, и все они радиоактивны. Дольше всех живет прометий-145 с периодом полураспада в 18 лет. Однако наибольшее практическое применение получил прометий-147 (период полураспада 264 года). Этого достаточно, чтобы использовать элемент в миниатюрных атомных батарейках, способных давать электроэнергию в течение 5 лет. Такие батарейки можно использовать как источник энергии в космических кораблях, радиоустройствах, слуховых аппаратах, часах.

Радиоактивные свойства прометия-147 своеобразны. В них отсутствует гамма-излучение, очень низка энергия бета-лучей, и поэтому с прометием можно работать без сложных защитных приспособлений. Другой же лантаноид — самарий, полученный в начале XX в., долго не применялся. Теперь в нем крайне нуждается атомная энергетика, поскольку самарию свойственно большое поперечное сечение тепловых нейтронов. Оно больше, чем у бария и кадмия — металлов, используемых для регулирующих стержней в ядерном реакторе. Окись самария используют в ракетостроении как защитный материал. Из соединения самария с кобальтом изготавливают очень сильные магниты. Самарий входит в состав стекол, поглощающих инфракрасные лучи. В будущем его, по-видимому будут применять в фильтрах автомобилей при очистке выхлопных газов от вредных продуктов.


читать далее »

Самый легкий из лантаноидов — европий. Как и самарий, он сильно поглощает нейтроны и поэтому в атомной технике защищает от излучений, а в смеси с иттрием европий становится люминофором, окрашивающим в красные тона изображение на экранах цветных телевизоров.

Значительный интерес представляет лантаноид гадолиний, который в чистом виде получить трудно, и на это идут большие средства. Однако затраты быстро окупаются некоторыми свойствами элемента: в атоме гадолиния по сравнению с другими элементами иттриевой группы есть лишние электрон и протон. Из-за этого гадолиний имеет наивысшее среди редких элементов сечение захвата тепловых нейтронов. Это свойство гадолиния используется для управления атомной реакцией.

Гадолиний отличается и другими важными свойствами: его удельное электрическое сопротивление вдвое больше, чем у соседних элементов таблицы Д. И. Менделеева. Да и ферромагнетик он сильный. Магнитные свойства сохраняют и соединения гадолиния. Сульфат и хлорид гадолиния, размагничиваясь, заметно охлаждаются. Так, например, чтобы получить температуру, отличающуюся от нуля Кельвина ( —273°С) всего на несколько тысячных градуса, соль гадолиния помещали в магнитное поле и охлаждали до предельно возможной температуры, а затем размагничивали. При этом запас энергии, которым обладала соль, уменьшался, а в конце опыта температура кристаллов падала до минимальной величины.

При сверхнизких температурах открылось еще одно применение гадолиния. Сплав гадолиния с церием и рутением приобретает в этих условиях сверхпроводимость. Не это ли идеальный проводник электричества?


читать далее »

Не меньший интерес для науки и практики представляет тулий — самый редкий из редкоземельных элементов. Несмотря на это, его стали применять раньше других лантаноидов. Его примеси вводят в полупроводниковые материалы для изготовления лазеров.

Главное же достоинство тулия не в этом. Небольшой прибор из тулия способен производить огромную работу по рентгеноскопии, посильную гигантским установкам, и имеет перед ними преимущество в том, что не нуждается в энергопитании. Вес тулиевого прибора всего 3 кг, и пригоден он для рентгеноскопии тех предметов, которые невозможно просветить обычным рентгеновским аппаратом. Тулиевой установкой размером с небольшой чемоданчик удобно пользоваться при судебно-медицинских экспертизах, когда на месте преступления нужно получить подробный снимок.

Тулиевый прибор используется также для рентгена головного мозга и позволяет получить более четкое, а главное — цветное изображение кровеносных сосудов.

С помощью тулия-170 обнаружены письмена на бронзовой прокладке ассирийского шлема IX в. до н. э. Для этого шлем обернули светочувствительной фотопленкой и просветили изнутри мягкими гамма-лучами тулия. При проявлении пленки выступили стертые временем знаки.

Один из редкоземельных элементов — иттербий, о котором почти нечего сказать, разве что о его сплавах на алюминиевой основе.

Значительный интерес для промышленного производства имеет иттрий. Он «нашел себя» в цветном телевидении — яркость свечения кинескопов с вводом соединений иттрия повысилась.

На основе иттрия с добавлением циркония делается жаропрочная керамика. Некоторые ее разновидности прозрачны, как стекло.

Тербий, гольмий, эрбий и лютеций пока широкого практического применения не нашли. Их соединения используются в исследовательских целях.


читать далее »

Человечеству известно "105 химических элементов. Однако более 99% веса земной коры приходится на 8 из них. Кислород с соединениями занимает 47% веса земной коры, кремний — 29,5%, алюминий — 8,05 %, железо — 4,65%. Природа не обеднила себя кальцием — 2,96%, натрием—-2,5%, калием —2,5%, магнием — 1,85%. Что же тогда остается на долю остальных, хотя бы хорошо известных нам — водорода, углерода, фосфора, золота, меди и прочих элементов? Оказывается, что все эти элементы составляют всего 1% веса земной коры. На первый взгляд кажется, что это немного, но если же перевести проценты в тонны, то придется писать астрономические цифры — сотни миллиардов тонн.

Содержание того или иного элемента в земной коре, выраженное в атомных процентах, называется кларком (кларк — единица измерения, названная в честь американского геохимика Ф. У. Кларка, который впервые установил средний химический состав земной коры). Каждый элемент имеет свой кларк. Исчисления среднего содержания элементов вели в СССР В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов.

Кларки редких и некоторых хорошо знакомых элементов в сравнении с ними таковы: литий — 0,005; рубидий — 0,015; цезий — 0,00037; бериллий — 0,0005; цирконий — 0,016—0,017; гафний — 0,0003; бор — 0,0003; скандий — 0,0006; германий—0,0002; галлий—0,0019; индий—0,00001; таллий —0,0001; рений—0,00000001; селен — 0,000005; теллур —0,0000001; ниобий — 0,002; тантал— 0,0002; редкие земли (включая иттрий)—0,01 — 0,005; медь — 0,01; золото — 0,000000043; серебро — 0,00000007.

Редкие элементы необычайно рассеяны по земной коре и редко образуют концентрации промышленного назначения. Их можно обнаружить: а) в горных породах и заключенных в них минералах; б) в полезных ископаемых органического происхождения; в) морской воде; г) почвах; д) живых организмах.

Редкие элементы в горных породах и минералах

Как правило, редкие элементы концентрируются в определенных видах горных пород и минералов, и, если эти породы и минералы при существующем высоком уровне развития техники пригодны для извлечения полезных компонентов, их принято считать рудами редких элементов.

К таким минералам и рудам можно отнести: 1) медьсодержащие — пирит, халькопирит, медистый песчаник (халькозин), колчедан; 2) медь-молибденсодержащие — молибденит; 3) полиметаллические — галенит, сфалерит; 4) оловянные — касситерит; 5) железосодержащие — титаномагнетит; 6) алюминиевые — боксит, нефелиновый сиенит, силлиманитовый сланец; 7) собственно редкометалльные — танталит, колумбит, тантало-колумбит, редкоземельные — монацит, бастнезит, ортит, сфен, а также гадолинит; 8) железованадиевые; 9) ура-ноториевые; 10) фосфорсодержащие — апатит, фосфорит.

Кроме того, редкие металлы вмещаются в различные марки углей — каменных и бурых.

Как показывают исследования ученых, наибольшими носителями редких элементов являются минералы и горные породы древних возрастов — докембрийского, протерозойского, палеозойского. И лишь иногда редкие элементы, да и то в виде рудопроявлений, встречаются в горных породах более молодых возрастов. Весьма перспективна на редкие элементы кора выветривания — слой земной поверхности, состоящий из рыхлых продуктов изменения горных пород, образующихся под совместным воздействием воды, воздуха и организмов. В ее составе — пегматиты со слюдами (биотитом и мусковитом), граниты, содержащие редкоземельные минералы.

Ученым известно на Земле около 4 тысяч минералов, в строении которых принимают участие и редкие элементы.


читать далее »

Говоря о других тугоплавких редких элементах, следует особо выделить цирконий и гафний, которые всегда присутствуют вместе более чем в тридцати минералах. Циркон — ведущая по хозяйственному значению руда, а на него приходится 90% всей добычи циркониево-гафниевого сырья.

Циркон был известен в глубокой древности. Название происходит, по-видимому, от искаженного персидского «цар» — золото, «гунт» — цвет. Циркон очень красив; его прозрачные или ярко окрашенные разновидности с далеких времен используются как драгоценные камни. В их числе прозрачный циркон — гиацинт и менее известный наэгит.

Циркон — комплексный минерал, который природа снабдила окисью циркония до 67%, гафнием от 0,5 и, в редких случаях, до 24%, железом, окислами редких земель иттриевой группы (до 0,8%) и окисью скандия. В качестве акцессорных (очень малых) примесей в нем встречаются радиоактивные элементы, алюминий, ниобий и тантал. Циркон редко образует промышленные скопления. Его обычно можно встретить в пегматитах, кислых и щелочных изверженных породах.

Мировые ресурсы циркониевых руд (циркона) промышленно развитых капиталистических и развивающихся стран в 1973 г. оценивались в 500 тыс. т, причем до 70% его запасов сосредоточено в Австралии. Последующие места занимают Северная Америка, Южная Африке, Южная Америка, Азия. Циркониевые руды обнаружены в СССР, КНР, Польше, Румынии, ГДР. Поскольку извлекать эти руды из коренных месторождений сложнее, главным объектом добычи являются исключительно россыпные месторождения, где цирконий извлекается вместе с титаном. В свою очередь, наиболее богаты цирконием руды Нигерии, Австралии, Индии, Бразилии, США и Шрн Ланка.

Нигерийские цирконы отличаются от остальных, известных на Земле, повышенной долей гафния и наличием олова. Содержание двуокиси гафния в россыпях Индии ниже —3%, Флориды —2%, Бразилии — 1,8%. На долю циркона приходится около 90% мировой добычи циркониевого сырья капиталистического мира.

Второй по значению циркониево-гафниевый минерал бадделеит ни в какой степени не сравним с цирконием, так как соотношение между запасами циркона и бадделеита 20:1, а на долю бадделеита приходится около 10% добычи. Однако этот минерал гораздо богаче окисью циркония, чем циркон (96—98%) и окисью гафния (1—3%). Кристаллы бадделеита представляют собой почти чистые окиси циркония и гафния.

Бадделеит встречается главным образом в Южной Африке (ЮАР).

Есть и третий минерал циркония и гафния — эвдиалит, очень непрочный, хорошо разлагаемый кислородом. Отсюда и его название (в переводе с греческого «эв» — хорошо, «диалитос» — разлагаемый). Продуктами его разрушения являются циркон и бадделеит, и, по-видимому, эвдиалит является праотцом этих минералов. Хотя окисей циркония и гафния в эвдиалите маловато (соответственно до 15% и 0,13—0,7%), зато в нем содержатся окислы редких земель — иттрия, лантана и церия (до 9,2%), и в этом случае есть возможность комплексной добычи сразу нескольких элементов. Запасы циркония и гафния, заключенные в цирконе, бадделеите, эвдиалите, настолько велики, что человечеству их можно использовать в течение 200 лет.


читать далее »

К потенциальным источникам редкоземельного сырья, которое, вероятно, будет использоваться промышленностью, относятся знакомые нам апатиты, фосфориты, флюориты, различные угли.

Угли при комплексной переработке могут дать небольшие доли редких земель. Анализы показывают, что, например, на 1 т углей, добываемых в Великобритании, приходится 800 г окиси иттрия, а в силезских углях (Польша) 0;2% окиси церия, 0,1% иттрия, по 0,005% окисей неодима, самария, гадолиния, до 0,001% окиси скандия. Однако тысячные доли этих элементов при современном уровне обогатительной техники пока еще не могут считаться промышленными.

Скандий распылен необычайно, по распространен значительно шире, чем золото и серебро. Известно около 100 скандийсодержащих минералов, но в них имеются или непромышленные или полупромышленные доли этого редчайшего элемента — от 0,0005% до 0,3%. Есть очень редкие минералы с повышенным содержанием скандия (41—42%)- Это найденный на острове Мадагаскар, в Норвегии, на Урале и в Сибири минерал стерреттит и редчайшая разновидность скандиеносного минерала—кольбенит, добываемый в США, Бельгии, ГДР. В стерреттите содержится до 39.2% окиси скандия. Запасы этих минералов ничтожны, поэтому вряд ли они решают проблему промышленной базы скандия. Как быть? Очевидно, проще всего извлекать скандий из вольфрамовых, оловянных, урано-ториевых, железных руд магматического типа, из бериллов, цирконов и других редких минералов.


читать далее »

У всех рассеянных элементов есть собственные минералы, но многие из них из-за редкого распространения составили бы только коллекцию минералогического музея. Имеется малое число минералов — руд, которые концентрируют по нескольку рассеянных элементов. В их числе галенит, сфалерит, халькопирит, молибденит, касситерит.

Галенит — основная свинцовая руда, содержащая до 87% свинца. В виде примесей в ней встречаются серебро, кадмий, селен, теллур, германий, индий, галлий. В сфалерите— основной цинковой руде (67% цинка)—присоединяется еще и таллий, а в халькопирите — медном колчедане — содержатся теллур, селен, рений. В молибдените основному металлу — молибдену обычно сопутствует рений, а в касситерите — оловянной руде — встречаются германий и индий. В золото-сурьмяных рудах нередки теллуриды — соединения теллура.

Германий встречается в свинцово-цинковых и медных рудах, также в тех, которые из-за повышенного содержания германия называются собственно-германиевыми. Известно 8 собственных минералов германия, из которых 2, открытые недавно, пока слабо изучены. Наиболее богат германием стоттит, остальные содержат сложные сульфиды свинца и германия с примесями галлия, таллия, индия. Поэтому германий извлекается попутно с другими элементами.

Известны 2 германиевых месторождения с очень высоким содержанием германия, оба находятся в Африке: Цумеб в Намибии и Кипуши в Республике Заир. Первое содержит редкие минералы германит и реньерит, второе аргиродит.

Все большее значение приобретает получение германия из угля, особенно из бурого.

Основную часть германия извлекают из отходов металлургической переработки медных и цинково-свинцовых руд, коксохимических, тепловых установок, работающих на углях. Уловить германий непросто, так как он очень подвижен. До 70% германия уходит в чугун и теряется с колошниковыми газами. Остальная часть металла попадает в шлак, колошниковую пыль и воду. Поэтому в шихту, где содержится германий, добавляют гипс, сульфат натрия и получают соединения германия в виде сульфата.

Далее упрощенно получение германия выглядит так: воздействуя на концентрат органическим поглотителем, выделяют четыреххлористый германий. Даже невооруженным глазом в нем видны примеси, представленные соединениями хлора, а при помощи химического анализа обнаруживаются еще мышьяк, железо, медь, свинец, бор. Чтобы создать сверхчистый германий, властвующий в радиотехнике, требуется удалить хлориды и особенно мышь як. Процесс этот долгий, кропотливый, а главное — дорогой. Однако рассмотренный выше путь единственный в получении этого волшебника современной электронной техники.

Основной источник получения галлия — также медно-колчеданные и полиметаллические руды. По данным Горного бюро США, в них заключено 200 тыс. т запасов галлия в капиталистическом мире.

В 1958 г. был открыт собственный минерал галлия — галлит, а в 1970 г. еще два — майрют и корневалит. В них содержится до 1—2% галлия.


читать далее »

Название боксит географическое, происходит от названия деревни Во (Франция) — места первоначальных находок этой руды. Как известно, боксит — основная алюминиевая руда. Помимо этого, боксит содержит в довольно значительных концентрациях примеси галлия, циркония, стронция, редких земель.

К числу стран, которые располагают запасами бокситов, относятся Россия,  Казахстан, Доминиканская Республика, Гвинейская Республика, Гана, Австралия, Суринам, Гайана.

Таллий в виде небольших концентраций (до 0,002%) вместе с цинком и свинцом содержится в руде месторождений колчедана. При промышленной переработке цинковой руды таллий осаждается на цинковых листах, где его и собирают. Полученная таллиевая губка прессуется и хранится в воде, защищающей ее от окисления.

Селен и теллур не имеют собственной минерально-сырьевой базы, хотя есть и типичные селеновые минералы: берцелианит, тимманит, науманит, эвкайрит, зоргит и круксит. Впрочем, на Земле они распространены мало. Теллур обычно присутствует в виде теллуридов золота и серебра, имея собственные редкие минералы петцит, калаверит, нагиагит. Медно-порфировые и медноколчеданные руды содержат селена во много раз больше, чем его имеется в среднем в земной коре (0,14%). Селен и теллур извлекаются попутно с медью, золотом и свинцом. При электролизе меди образуются анодные шламы, в которых накапливаются селен (3—28%) и теллур (8%). Эти металлы содержатся также в сернокислотных шлаках и пылях медных и цинковых производств.

Селен и теллур можно выделять из золото-вольфрамовых и висмутовых концентратов.

Почти все ресурсы рения заключены в медно-молибденовых месторождениях, где доля этого металла колеблется от десятых до тысячных долей. Замечено, что гидротермальные месторождения тем богаче рением, чем больше в них меди. Единственный рениевый минерал джезказганит открыт в Казахстане. В его составе 55% рения, 10% молибдена, 16% меди, 5% свинца. Запасы рения в капиталистическом мире оцениваются в 1000 т, в том числе половина из них находится в США.

Основная руда на рений — молибденит, имеющая в среднем 1,88% рения. Следовательно, рений получают при попутном извлечении молибдена. Обычно рений переходит в молибденовый концентрат, из которого даже при самых совершенных технологических приемах можно выделить очень малые доли этого редкого металла. Остальное количество его теряется при обжиге, когда рений окисляется и в виде рениевого ангидрида улетучивается с газами. Эти газы и рениевая пыль улавливаются электрофильтрами. Из-за сложностей извлечения общее производство рения в капиталистическом мире не превышает 8 т.


читать далее »

Зарождение отечественной редкометалльной индустрии началось в 30-х годах XX в. и натолкнулось на трудности: было необходимо освоить поиски и разведки сырьевых источников редких элементов, разработать технологию их получения. Следовало позаботиться о создании предприятий по добыче и обогащению. В стране ощущалась нехватка специалистов. Выдающуюся роль в становлении редкометалльной индустрии сыграли работы советского ученого — академика А. Е. Ферсмана. В 1929 г. А. Е. Ферсман сказал, что следует заострить проблему редких элементов и поставить ее как большую теоретическую, химическую и геохимическую задачу, как попытку проникнуть в потребности техники будущего. Благодаря работам А. Е. Ферсмана, В. И. Вернадского, Д. И. Щербакова, Н. П. Сажина, А. П. Виноградова, К. А. Власова, И. Г. Магакьяна, Б. И. Когана и других в СССР были открыты и изучены большинство редких элементов, созданы такие отрасли индустрии, о которых до Великой Октябрьской революции даже не думали — урановая, бериллиевая, титановая, редкоземельная. До 1941 г. в СССР было организовано производство вольфрама, молибдена, тантала, бериллия, лития, солей рубидия и цезия, соединений и сплавов церия.

В военный период, в связи с потребностями обороны страны, и после Великой Отечественной войны стали получать титан, цирконий, ниобий, селен, теллур, редкоземельные элементы. Импорт редких металлов прекратился, а некоторые из них Советский Союз начал экспортировать.

После Великой Отечественной войны наступил важный этап развития редкометалльной индустрии. По сравнению с 1935—1937 гг. ее объем к настоящему времени вырос Повысился спрос на советскую редкометалльную продукцию за рубежом, а это значит, что качество ее соответствует уровню мировых стандартов. В Советском Союзе выпускают не просто сверхчистые, а ультрачистые редкие элементы, которые продлевают жизнь технических установок, приборов, радио - и телеаппаратуры. У нас в стране решены две задачи: получены ультрачистые монокристаллические слитки и налажено производство проволоки, прутков, трубок в специальной атмосфере или в вакууме для удаления из металла нежелательных примесей. С помощью спектральных и рентгеновских методов можно определить эти примеси в размерах до сотых долей миллиграмма на тонну вещества или полупродукта и удалить их.

Одновременно, начиная с 70-х годов, усиливается комплексность в использовании сырья. Эта проблема привлекла внимание потому, что она сопряжена с рациональным использованием, охраной недр. Невольно вспоминаются слова выдающегося ученого А. Е. Ферсмана, сказанные им в 1932 г., что в случае комплексного использования полезных ископаемых будет претворена в жизнь «идея возможного сохранения наших природных богатств в будущем».


читать далее »

Проблема комплексной добычи сырья возникла потому, что потери полезных ископаемых при добыче и во время их переработки на заводах и фабриках еще велики. Многочисленны случаи, когда редкие элементы с отходами обогатительного производства («хвостами» и шламами) направляются в отвалы, вместе с дымом и пылью улетучиваются в атмосферу, загрязняя ее, или осаждаются на стенках печей и термических аппаратов.

Среди металлургов бытует притча о хитрых химиках, покупавших дым. Приехали как-то химики на один металлургический завод и говорят:

— «Продайте» нам дым!

— Дым? — удивились те.

— Да, вот тот, что из труб идет.

— Да кто же его купит?

— Мы и купим, — сказали химики.

Химики «купили» у металлургов дым и стали извлекать из него миллионы в виде ценных продуктов — рассеянных элементов.

По данным советского ученого Н. А. Быховера, в начале 70-х годов при переработке полиметаллических руд терялось до 88% галлия, 55% теллура, 30% индия. Оловянно-полиметаллические руды содержат около двух десятков промышленных редких элементов, а извлекалось только 10. Из медно-молибденовых получали только медь и молибден, остальные же компоненты терялись. Железные руды, особенно контактово-метасоматического типа, также, по-видимому, настоящий кладезь элементов, ибо, кроме основного — железа, из них можно извлечь по крайней мере 9 компонентов: медь, цинк, свинец, кобальт, кадмий, индий, таллий, германий, бор.

За годы девятой пятилетки комплексная переработка отходов — шламов, отходящих газов, шлаков — усилилась; значит, выросло производство селена, теллура, рения, германия, индия, таллия, скандия. Сейчас при переработке полиметаллических концентратов извлекается 15 полезных элементов, а из медных концентратов —- 20. Всего, на предприятиях цветной металлургии нашей страны получают 70 элементов, в том числе много редких.

На сессии Верховного Совета СССР в 1975 г., принявшей Основы законодательства о недрах, отмечалась отличная работа предприятий, выпускающих редкие элементы. В их числе Норильский горно-металлургический комбинат им. А. П. Завенягина, Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат им. В. И. Ленина, Зыряновский свинцовый завод, Балхашский горно-металлургический комбинат, завод «Электроцинк» в г. Орджоникидзе, комбинат «Североникель».

Идеи А. Е. Ферсмана о комплексном использовании минерального сырья также нашли отражение в Основах законодательства о недрах. Основы законодательства требуют, чтобы впредь было обеспечено полное геологическое изучение недр, рациональное использование их богатств в народном хозяйстве и охрана.

Геологи и геофизики должны изучать недра так, чтобы исключить потери полезных ископаемых, а те, которые добыты попутно и в настоящее время не могут быть использованы, должны учитываться и сохраняться. Следует разработать такие способы добычи, которые обеспечивают полное извлечение из недр всех залегающих в горной массе полезных ископаемых. И наконец, запрещается выборочная отработка только богатых участков месторождений, которая приводит к большим потерям полезных ископаемых.


читать далее »

Основным сырьем для производства рассеянных элементов — германия, галлия, таллия, индия, рения, селена и теллура — являются руды полиметаллические, медные, медно-никелевые, медно-молибденовые, вольфрамовые, оловянные.

География этих руд обширна. Она охватывает районы распространения докембрийских, палеозойских, мезозойских и кайнозойских пород, но основную долю в запасах дают породы древних возрастов, причем к востоку от Уральского хребта. Это прежде всего Казахстан, Сибирь, Дальний Восток.

Группы медных, медно-никелевых, медно-молибденовых месторождений с редкими элементами сосредоточиваются в различных районах: на Северо-Западе России, в Закавказье, на Урале, севере Красноярского края, в Казахстане, Забайкалье. На Кольском полуострове находится месторождение, которое содержит медно-никелевые руды, а в качестве примесей — кобальт, платину, серебро и редкие элементы — селен и теллур. Комплексная переработка ведется в городе Никель.

Группа медно-молибденовых месторождений в Армении содержит теллур и рений. Одно из них, Кафанское, разрабатываемое с 1851 г., является комплексным. В жилах установлено высокое содержание меди, серебра, есть примеси редких элементов.

Алавердское медноколчеданное месторождение содержит медь, цинк, примеси редких элементов, в частности теллур. Неподалеку от него располагаются и другие месторождения.

Древняя легенда гласит: царь, опасаясь, что его сокровища попадут в руки врагов, спрятал их в недоступном ущелье. Одна из вершин названа Гандзасар — Гора Кладов. Действительно, клад здесь есть в виде медно-молибденовых руд, которые содержат селен и теллур.

Медные колчеданы и скарны прослеживаются по обоим склонам Уральского хребта полосой более чем на 600 км. Здесь насчитывается несколько месторождений, и часть из них содержит редкие элементы.


читать далее »

Известен редкими элементами Казахстан. Здесь можно выделить две территории — Казахский мелкосопочник и Рудный Алтай (Восточно-Казахстанская область).

В сульфидной руде Джезказганского месторождения заключены 7 элементов: медь, цинк, свинец, серебро, кадмий, сера, рений. Именно здесь был обнаружен первый собственно рениевый минерал джезказганит.

Успенский пояс редких металлов простирается от г. Каражала до г. Каркаралинска на 450 км. Большинство редкометалльных месторождений комплексные вольфрамовые, остальные вольфрамо-молибденовые. Если наладить комплексную переработку, то из руд месторождений можно извлечь 18 различных элементов. Освоение района облегчается близостью залежей угля в Караганде и Экибастузе и выплавкой цветных металлов в Джезказгане и Темиртау.

Рений встречается в марганцевых рудах Джездинского месторождения Казахстана.

Восточный Казахстан — важный свинцово-цинковый район. Здесь две группы месторождений: Прииртышская и Лениногорская.

В свинцово-цинковых рудах Лениногорского месторождения 19 компонентов. Извлекаются свинец, цинк, медь, железо и серебро. Могут попутно извлекаться также галлий, селен, теллур, таллий. Сейчас Лениногорский свинцовый завод дает более десятка видов продукции.

Сфалериты и галениты месторождений содержат 15 ценных компонентов. Сырье этих месторождений поступает в Усть-Каменогорск на свинцово-цинковый комбинат им. В. И. Ленина. День и ночь бушует пламя в печах, удушливый сернистый газ течет по трубам, а над стометровой трубой комбината чистое небо. Куда девался дым? Он идет в химический цех, превращаясь в серную кислоту, с помощью которой получают удобрения, а из газов извлекают ртуть и селен. А как же другие компоненты? В сырье, поступающем на комбинат, есть и другие редкие элементы — теллур, кадмий, индий, таллий, селен и малые примеси германия. Все эти элементы извлекаются. Продукции комбината присвоен Знак качества.

У северных склонов Кураминского хребта в Узбекистане раскинулся город Алмалык. Здесь на металлургическом заводе выплавляют цинк, свинец, медь. В рудах — галените, халькопирите и пирите встречаются селен и теллур.

На южной стороне Кураминского хребта находится группа Карамазарских месторождений. Руды месторождений, кроме свинца и цинка, вмещают висмут, кадмий, селен и теллур.

Редкие элементы Восточной Сибири и на Дальнего Востока

Перенесемся в Восточную Сибирь и на Дальний Восток. В конце 50-х— начале 60-х годов на севере Читинской области геологи разведали и открыли Удоканское месторождение медистых песчаников, содержащих редкий элемент рений.

Суровость климата Чарской котловины, где залегают медные руды, и удаленность от Транссибирской магистрали пока препятствуют его освоению. Вскоре вблизи месторождения пройдет Байкало-Амурская магистраль (БАМ) и месторождение начнет осваиваться.

Активно вовлекаются в эксплуатацию месторождения редких металлов п-ва Таймыр. Медно-никелевые месторождения Норильска содержат около двух десятков полезных компонентов. В их числе платиноиды — платина и палладий, а также селен и теллур.

Западно-Верхоянский район на северо-востоке страны называется зоной полиметаллического и редкометалльного оруденений. Кроме серебра и свинца, в рудах обнаружены молибден, олово, редкие и рассеянные элементы. Южно-Верхоянский район (или, как его еще называют, Юдомо-Тимптонский) также является редкометалльным. Как правило, редкие металлы сопутствуют олову, железу, цинку, свинцу. С оловорудными зонами сопряжены глубоко залегающие жилы.


читать далее »

В Аргентине преобладают мелкие бериллиевые месторождения (пегматиты провинций Кордова, Сан-Луис, Ка-тамарка). При содержании окиси бериллия в 0,1% эти запасы оцениваются специалистами в 500 тыс. т. Благодаря комплексному извлечению минералов и дешевому, в основном ручному, труду даже подземная добыча стала эффективной. На крупном месторождении Лас-Таписас (провинция Кордова) ежегодно добывается до 100 т берилла компаниями США. Они же контролируют вывоз берилла.

Аргентина получает на своих предприятиях окись бериллия и поставляет ее в Японию и Францию. Часть берилла потребляется в самой Аргентине. В г. Санта-Фе получают сплавы — бериллиевые бронзы.

В Бразилии и Аргентине обнаружен литиевый минерал — сподумен. Ресурсы лития в этих странах не под-считывались, но предполагается, что они оцениваются 730—750 тыс. т. Литиевое сырье обнаружено в Серидо-зиньо (штат Параиба в Бразилии) и Сан-Жуан-дел-Рей (в штате Минас-Жераис).


читать далее »

Бразилия располагает и танталоносными ископаемыми, находящимися в Борборема (штат Риу-Гранди-ду-Норти) и Назарену  (Минас-Жераис).  Ориентировочно  запасы пятиокиси тантала оцениваются в 20—-70 тыс. т, из них в Назарену - 10 тыс. т.

В пегматитах месторождения Борборема содержится q 002—0,05% тантала, который извлекается попутно с бериллиевыми, колумбитовыми и литиевыми минералами. Расширению добычи препятствует пустынность территории и отсутствие воды. Старатели ведут добычу вручную с помощью кайл и лопат.

Назарену располагается в 200 км к северо-западу от Рио-де-Жанейро. В годы второй мировой войны здесь добывалось золото; танталит же обнаружили в 1952 г. Вместе с оловом он приурочен к россыпям.

Добыча тантала и олова ведется скреперами и бульдозерами на 10 рудниках (главный Волта-Гранди). При первичном обогащении руда промывается, полученный концентрат поступает на магнитные сепараторы. Дальнейшее разделение ведется на оловоплавильном заводе в г. Волта-Редонда (штат Рио-де-Жанейро). Монополии США, контролирующие добычу, сознательно сдерживают ее в те периоды, когда конъюнктура тантала на мировом рынке падает, и поднимают в случае особо важных событий военного направления. Почти весь танталониобиевый концентрат вывозится в США.


читать далее »

Пегматиты Мозамбика вмещают множество видов редкометалльного сырья. В огромных пегматитовых жилах до 1 км длиной при мощности до 400 м, находящихся на востоке страны, встречены минералы с литием, бериллием, ниобием, танталом, редкими землями, но добываются только руды лития и тантала.

Бериллием и танталом богаты Уганда, Руанда, а ниобием — Малави. Неподалеку от прежней столицы Малави — Зомбы обнаружен природный «минералогический музей», в котором любитель камней мог бы пополнить свою коллекцию рудами стронция, бария, германия и галлия, разнообразными редкоземельными минералами с повышенной долей окисей церия, европия. Вдобавок изредка попадаются полудрагоценные камни — агаты. На этот «минералогический музей» давно уже покушаются иностранные компании. Разработки руд, содержащих редкие металлы, эффективны потому, что здесь рядом есть вода, топливо, удобные транспортные пути и дешевая рабочая сила.

Мавритания не имела раньше разведанных запасов редкоземельного сырья. Недавно в центре этой пустынной страны обнаружен монацитовый массив Бу-Нага. В монацитах повышена доля окиси иттрия, а на иттрий спрос теперь сильно повысился, так как он входит в состав деталей цветных телевизоров. Месторождение Бу-Нага близко к потребителям, находящимся на Европейском континенте.


читать далее »

Ландшафты песчаных пляжей юго-восточного побережья острова Мадагаскар напоминают бразильские. Да и состав минералов сходный. Геологи обнаружили, что каждая тонна песка должна оцениваться выше, чем если бы из нее добывали золото и серебро. В песках содержатся ильменит, циркон, монацит. Запасы этих минералов увеличиваются, так как морские волны, ветры способствуют переотложению россыпей и пополняют их тяжелыми редкими элементами.

Месторождение Цумеб обозначается на географических картах как полиметаллическое и медное. Еще в прошлом веке, когда Юго-Западная Африка (Намибия) была колонией Германии, из руд были получены первые килограммы промышленного германия. Руды эти редчайшие на Земле — реньерит, германит, стоттит. Они являются носителями полупроводникового металла германия, так как содержат его до 1—2%. Вот почему месторождение Цумеб называют еще и германиевым. В сульфидных рудах содержится значительно меньше германия — в среднем 0,013%» но даже и эта доля считается промышленной. В таких же количествах присутствует второй редкий элемент—галлий. Поэтому, пожалуй, правильнее называть руду германиево-галлиевой.

Международная компания «Цумеб корпорейшн» с преобладанием американского капитала вывозит цинковую руду с германием для переработки в США. Часть германия выделяется на месте, из черновой меди, но очистка металла ведется в ФРГ. За время существования рудника из его руд получено 130 т германия.

Есть в Африке и второе месторождение германия — Кипуши в Заире. Этот редкий элемент распылен по полиметаллическим рудам и встречается там с ниобием, танталом, редкоземельным монацитом. Обнаружены крупные залежи сульфида германия — реньерита с 7 % германия. В 1973 г. было произведено около 3,3 тыс. т германия, и попутно с ним получали концентраты ниобия, тантала и монацита.

На медеплавильных заводах Заира германий улавливается в специальных отражательных печах. Однако такой германий не пригоден для полупроводниковой промышленности: в нем много нежелательных примесей. Очищают (рафинируют) германий в Бельгии.


читать далее »

Бериллиевую и литиевую продукцию выпускает в Азии единственно только Япония — это чистый бериллий и его соединения, прокат бериллиевой бронзы, литиевые сплавы, смазки, электролит для аккумуляторных батарей.

Не обходятся без бериллия и лазеры. Япония с каждым годом наращивает их производство. Для аргоновых лазеров делают трубки из бериллиевой керамики. Применение бериллия снижает температуру стенок лазера до 100° Цельсия (в обычных кварцевых трубках она составляет 700— 800°). Повышается плотность тока в лазере, увеличивается срок его службы. Японская фирма «Хитати» внедрила цветную телевизионную программу с лазерной проекцией на большой экран. Для этого использована разрядная трубка с бериллиевыми стенками, которые препятствуют сильному нагреванию отдельных деталей телевизора.

Ежегодно в Японию ввозится более 1,5 тыс. т бериллиевых и около 1 тыс. т литиевых полупродуктов. Кроме Японии, нигде больше в Азии не налажен выпуск рубидия, цезия, ниобия, тантала. Из импортируемого рубидиево-цезиевого сырья изготовляют фотоэлементы, электронно-лучевые трубки, преобразователи тепла в электричество. Практикуется выплавка стали на основе ниобия для трубопроводов. Из-за роста заказов на трубопроводную сталь потребление ниобия в Японии ежегодно наращивается. Предприятия Японии потребляют импортируемый из Африки танталовый концентрат. Из танталовой проволоки, фольги, листов изготавливаются детали для радиоэлектроники, сверхтвердые инструменты. Структура потребления тантала следующая: более 50% металла идет на нужды электроники, около 30% для изготовления инструментов из сверхтвердых сплавов.

Спрос на ниобий и тантал вызвал строительство новых предприятий по добыче и выплавке этих металлов. В ближайшие годы их выпуск в Японии намечено расширить до 60 т в год.


читать далее »

Совершенно очевидно, что, не располагая собственными источниками сырья, Япония имеет в Индии, Шри Ланка, Малайзии, Пакистане, Таиланде, Южной Корее близлежащие и надежные базы редкоземельного сырья. Япония черпает это сырье также в Австралии и Финляндии. Производя из монацитов, ксенотимов до 600 т окислов редких земель в год и сверх этого мишметалл (250 т), фториды и другие соединения, Япония выпускает продукцию высокого качества. В последние годы повысился спрос на люминофоры с окисью иттрия и европия, окрашивающие изображение на цветном телевизоре в красные оттенки. С помощью этих люминофоров на 1/3 можно увеличить полезную площадь телевизионного экрана. Наиболее сильным направлением японской полупроводниковой промышленности является производство германия, галлия и таллия. В отличие от редких земель, сырье для получения которых в Японию ввозится, германиевое производство в значительной мере опирается на собственные ресурсы — угли и сульфидные руды. Угли, содержащие от 0,002 до 0,61 % германия, разведаны на островах Хонсю, Сикоку и Хоккайдо. В сульфидных рудах — золото-серебряных, цинковых, оловянных, сурьмяных — германия содержится больше — до 0,1%. Своих ресурсов германия недостаточно, и этот редкий элемент закупается в Западной Европе, особенно в Бельгии (в 1974 г. 17,4 т). Параллельно с германиевыми Япония выпускает кремниевые и галлиевые полупроводники и в этом отношении обогнала страны Западной Европы и США. Сверхчистый кремний получают из вторичного сырья, также ввозимого в Японию из-за границы.

Общее ежегодное производство галлия составляет 120 кг, из них полупроводникового арсенида галлия 10 кг. По весу это немало, если учесть, что для одного полупроводничка требуется несколько десятков милиграммов арсенида галлия. Галлий путем сложных химических реакций извлекают из «куроко» — черной руды, которая представляет собой разновидность местной сульфидной руды, а из австралийских бокситов.

Для радиоэлектроники японские фирмы предлагают сверхчистый таллий (99,99%), выпуская его не менее 300 кг в год. Потребляется же в Японии не менее 1 т таллия. Только часть таллия поступает для электронных нужд. Соли таллия используются в сельском хозяйстве как средство защиты растений (гербицид), остальное — в стекольной и керамической промышленности. В последнее время из галогенных соединений таллия (таллий-йод и таллий-бром) получают монокристаллы для оптики.

Собственная же сырьевая база имеется для производства селена, теллура, индия. Спрос на индий и его соединения повысился, так как этот металл в сплавах обладает повышенной прочностью и имеет хорошую отражательную способность. Настоящий ажиотаж возник вокруг стронция, соединения которого защищают зрителей от вредных излучений, возникающих во время телевизионных передач. В 1974 г. Япония ввезла 18 тыс. т стронциевого концентрата из Испании, Турции, Ирака и быстрее других сумела приспособить электронную промышленность для внедрения стронциевых соединений.

Китай занимает одно из первых мест в мире по ресурсам лития и бора. Сподуменовая  (литиевая) жила Коктогай, помимо лития, содержит также рубидий, цезий, таллий и является уникальной по размерам. Эта жила не единственный источник сырья для лития. Пегматиты распространены во Внутренней Монголии и Куньлуне. Борные соединения — желваки, линзы — залегают в озерах Цай-дамской котловины и в Тибете.

Есть сведения о производстве в Китае галлия из бокситов, таллия, индия. Источниками последних двух (таллия и индия) являются ныли после металлургического производства.


читать далее »

США — единственная страна капиталистического мира, имеющая крупные пегматитовые месторождения бериллия. К ним относятся Редскин-Шток (штат Колорадо) и Том-Рейндж (штат Юта). В первом месторождении кроме берилла встречаются топаз и флюорит.

Велик интерес к бериллию со стороны военных кругов США. Большая часть металла используется для производства стратегических вооружений — для атомной и авиаракетной техники и в электронной индустрии. Прогнозируется использование бериллия в гражданском самолетостроении США. Инженеры подсчитали, что самолет, на 4/5 построенный из бериллия и его сплавов, был бы наполовину легче самолета из алюминия. А это открывает возможности для увеличения дальности полета на 40% и грузоподъемности. К концу XX века могут появиться пассажирские самолеты, развивающие скорость до 7—10 тыс. км в час, поднимающиеся до высоты 30 км. Такие самолеты способны долететь до самой отдаленной точки земного шара за какие-нибудь два часа.

Детали такого суперзвукового самолета выполняются из бериллия. Они способны работать при таких высоких температурах, где алюминий использовать нельзя. Температурный «потолок» современного алюминиевого сплава оказывается в два раза ниже, чем на основе бериллия.

И еще одна новинка из области авиации, которая позволяет бороться с воздушными пиратами. Экраны из бериллия используются в аппаратуре для обнаружения пистолетов, бомб и другого оружия, припрятанного пассажирами иностранных авиалиний.

Производство бериллия составило в 1974 г.. 228,6 т, а потребности исчисляются более чем 300 т. Поскольку собственное производство не удовлетворяет эти потребности, США ежегодно вывозят из Бразилии, Аргентины, ЮАР и других стран около 70 т бериллия.


читать далее »

Лучше положение с галлием, который извлекают из тех же полиметаллических руд штата Миссури. США дают ежегодно до 300 кг галлия, но из-за возрастающего применения арсенида галлия как полупроводника вынуждены ввозить ежегодно до 10 т.

К концу столетия в США потребуется до 1000 т сверхчистого полупроводникового галлия. Опасаясь, что сырьевые источники внутри страны будут не в состоянии обеспечить производство, научные организации США разрабатывают технологию извлечения галлия из привозных (австралийских, латиноамериканских) бокситов. Уже сейчас в г. Боксите (штат Арканзас) галлий получают из местного алюминиевого сырья.

Выпуск полупроводниковой продукции налажен главным образом на Северо-Востоке США и в Приозерье. Штаты Нью-Йорк, Пенсильвания, Массачусетс, Огайо, Мичиган являются потребляющими и имеют квалифицированные кадры. В штате Нью-Йорк производится сверхчистый галлий в виде прутков, слитков, дроби, монокристаллов золота с галлием для полупроводников.

Таллий извлекается на заводах США из отходов и промежуточных продуктов кадмиевого производства.

Выпуск таллиевой продукции развернулся в начале 30-х годов, но покрывался за счет импорта сырья. Потребности в таллии сильно выросли после второй мировой войны. Нашлись резервы. Переворошили старые свинцово-цинковые отвалы, обнаружили таллий в хвостах металлургических предприятий штата Юта. Около 20 тыс. т таллия оказалось в золото-серебряно-мышьяковых рудах.

В настоящее время таллий выпускает кадмиевый завод Глоб в Денвере (штат Колорадо) из отходов свинцово-цинкового и кадмиевого производств. Пыли обжига содержат до 0,2% таллия.

Завод в Мюррее (штат Юта) извлекает таллий из мышьяковистых пылей. Всего же разнообразную таллиевую продукцию выпускает около 20 компаний, но масштабы производства, по-видимому, невелики, достигая 1—2 т в год. Статистические данные о производстве таллия по стратегическим соображениям держатся в секрете.

Среди готовой таллиевой продукции мы видим металлический таллий чистотой 99,9999%, соединения таллия, кристаллы бромид-йодид таллия, сульфат таллия. Соединенные Штаты Америки импортируют до 1 т таллия из Франции и Бельгии.

Канадский таллий извлекался до середины би-х годов из кадмиевых полупродуктов на заводе Флинн-Флон {провинция Манитоба).


читать далее »

Если Канада главный производитель селена в капиталистическом мире, то США его основной потребитель. Более 80% селена заключено в медноколчеданных месторождениях провинции Онтарио, особенно в месторождении Норанда.

Однако самый надежный источник селена — медно-никелевые руды знаменитого района Садбери. Из этих руд извлекается только 8—10% имеющегося там селена; по-видимому, запасы этого редкого металла, очень велики. На 1 т руды приходится до 100 г селена, но существуют технические трудности при извлечении селена, и медно-никелевые руды являются резервным источником селенового сырья. В США нет других руд подобного типа. Поэтому изучается технология получения селена из продуктов переработки урана. Есть урановые руды, концентрирующие до 5 кг селена на 1 т породы.

Собственное производство селена из медно-порфировых руд превышает 230 т. Примерно столько же селена ввозится. Суммируя оба показателя, нетрудно сделать заключение об огромных размерах потребления селена в США.

Суммарное производство индия в Северной Америке превышает 30 т, из них более половины дают США. Источники получения индия в США — это свинцово-цинковые руды штата Миссури, сфалериты Канады и Мексики. Однако в сфалеритах Канады (Сулливан, Парадайз) его больше, чем где-либо. Степень концентрации индия в сфалеритах зависит от наличия в них олова. В богатых оловом сфалеритах индия содержится до 200—250 г/т.

Теллура в Канаде и США произведено около 50 т. Не более 2—3 т дает Мексика, целиком отгружающая свою продукцию в США. Главный источник теллура — медно-порфировые и полиметаллические руды, но есть особый тин руд, обнаруженный в штате Колорадо, — золото-теллуровые.

Металлический индий в США получает компания «Анаконда» из пылей обжигового цеха и продуктов кадмиевого производства на электроцинковом заводе в г. Грейт-Фолсв (штат Монтана).

Мощности по производству индия из свинцово-цинковых руд в г. Трейл (Канада) составляют 35 т. Шлаки, образуемые при очистке свинца, дают 2—3% индия. Выпуск достиг максимума в 1956 г., а затем началось снижение. В связи с военными потребностями вновь обнаружилась тенденция к увеличению производства индия.


читать далее »

Единственный промышленный источник рения в Северной Америке — медно-молибдеыовые руды. США, как главная страна по добыче молибдена в капиталистическом мире (штаты Аризона, Невада), конечно, первенствуют и по добыче рения. Ежегодно в США извлекается по 6—7 т этого тяжелого редкого элемента. Потенциальный источник рения — урановые руды. Однако рения в них так мало (0,0001%), что при современном уровне науки и техники его извлекать пока невыгодно. Урановые руды широко распространены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и Канаде (провинция Онтарио). По-видимому, рениевый бум, связанный с ростом применения рения в платино-рениевых катализаторах для переработки нефти, в конце концов вовлечет в комплексную переработку более бедные рением углистые, урансодержащие сланцы, а также марганцевые руды.

По запасам стронция непревзойденной на Североамериканском континенте остается Мексика. Как известно, стронций заключен в минерале целестине, который в свою очередь присутствует в золото-серебряно-свинцовых рудах месторождения Провиденсиа.

Как и в прошлом разработки целестина ведутся вручную. Концентраты на мулах доставляются к ближайшей железнодорожной станции и следуют в мексиканский порт Тампико для вывоза за пределы Мексики.

Запасы окиси стронция в Канаде оцениваются в 1,7 млн. т при содержании окиси 30—40%. Одно из месторождений Ронан, находящееся в Ньюфаундленде, содержит 150 тыс. т целестина. Более крупное месторождение этого типа открыто в Новой Шотландии.

Стронциевый «бум» коснулся в первую очередь США. Расширены производственные мощности стронциевого завода в Экстоне. Фирма «Кайзер» получила право на освоение целестинового месторождения в Канаде, построила горно-обогатительный комбинат и химический завод производительностью 30 тыс. т окиси стронция.

Интерес к стронцию не случаен из-за его применения в телевидении, инфракрасной технике и двигателях постоянного тока. Появились синтетические бриллианты из соединений стронция. Спрос на эти бриллианты невиданный, поскольку цены на них в 50 раз дешевле, чем на натуральные бриллианты (50 долларов вместо 2500 долларов за карат). Вот почему потребление стронциевого сырья в США резко поднялось, а импорт стронциевых концентратов достиг в 1973 г. 12 тыс. т.


читать далее »

Оценивая ресурсы редких земель в США и Канаде, следует признать их значительными. В США есть монацит, эвксенит, урано-ториевые и апатитовые отходы с запасами, превышающими 4,6 млн. т (в пересчете на окислы). Монацит извлекается из прибрежно-морских россыпей Флориды, аллювиальных монацитовых россыпей штатов Айдахо и Вайоминг. Общие запасы бастнезита штата Айдахо оцениваются в 15—20 тыс т, в них содержится около 4 тыс т иттрия, тантал и ниобий. В Канаде сырьем редких земель могут служить урановые руды, апатиты и колумбиты. Запасы руд редкоземельных окислов гораздо меньше, чем в США, но 1 т канадского апатита способна дать до 25 кг редкоземельных соединений.

Необычайно богатый торием и редкими землями апатит обнаружен в штате Нью-Йорк. В нем зарегистрировано до 32% окислов редких земель.

Наконец, потенциальным источником редких земель могут служить железные руды.

Несколько заводов в США получают сложные редкоземельные окислы и разделяют их, выпуская окислы чистотой более 99%. Основной продукцией являются окиси иттрия, европия и лантана. Главный производитель иттрия компания «Иттриум корпорейшн оф Америка» распоряжается двумя заводами в штатах Нью-Йорк и Колорадо (введены в действие в 1966 г.). Заводы опираются на канадское сырье. Установки на заводе в Сент-Луисе (Миссури) перерабатывают канадские концентраты, выпускают окислы чистотой 99,99%. Завод в штате Айова дает металлический иттрий в формах губки, слитков, порошков. Завод в Маунтин-Пасс выпускает окиси европия для цветных телевизоров, лантана, которые используются для крекинга нефти и окиси церия для осветления стекла. В числе продукции комбината значатся неодим празеодимовые и самарий-гадолиниевые концентраты. К настоящему времени редкоземельную продукцию выпускают около 70 фирм. Общее потребление иттрия составляет 180 т, прочих редкоземельных продуктов — около 7 т. Примерно 7/10 продукции идет на нужды цветного телевидения и электроники, Ую для нефтехимической промышленности, остальное в качестве полирующих стекло порошков.

В Канаде окиси редких земель извлекаются при переработке урановых руд в провинции Онтарио. В 1965 г. было налажено производство иттриевых концентратов из отходов другого уран-ториевого завода в Эллиот-Лейк. Продукция, которую выпускает этот завод — иттрий, гадолиний, тулий, эрбий, европий, — вывозится в США. Неподалеку от Эллиот-Лейк обнаружено месторождение Эгнью-Лейк с запасами 4,5 млн. т урановой руды, в которой имеются окислы редких земель. Производственные возможности урановых компаний Канады по выпуску редкоземельных окислов превышают масштабы максимального производства и могут составить ежегодно 200—300 т.


читать далее »

Страны Европы внесли наибольший вклад в открытие, изучение и использование редких элементов, но промышленность зарубежной капиталистической Европы испытывала постоянную нужду в редкометалльном сырье и черпала значительную часть его из колониальных владений Африки и Азии. Часть сырья поступала из латиноамериканских стран.

После второй мировой войны, когда в Африке и Азии родились независимые государства, Великобритания, Франция, Бельгия, Нидерланды сохранили давние связи с бывшими колониями и контроль над стратегическим сырьем. Этим объясняется отчасти сильное развитие в индустриально развитых капиталистических странах точного машиностроения, которое использует не только полупродукты редких металлов (концентраты, черновой металл), но и вторичное сырье (лом редких металлов, старые детали). Последнее доставляется из Северной Америки. Кроме Великобритании, Франции, Бельгии, на привозных материалах работают заводы ФРГ, Италии, стран Скандинавского полуострова. В свою очередь, зарубежные капиталистические страны Европы поставляют чистые металлы, окислы, готовые изделия в Северную Америку и Японию.

Собственными источниками лития располагает только Франция, где на Центральном плато имеются пегматиты, содержащие до 2% лития. Тем не менее часть литиевого сырья Франция наряду с Италией, ФРГ, Великобританией получает из Африки и Латинской Америки. Сырьем являются африканский сподумен и бразильский петалит. Из европейских государств лучше всего производство лития налажено в Италии. Помимо разнообразной литиевой продукции эта страна выпускает литий, имеющий чистоту 99,2%.

Франция же известна как крупный экспортер литиевой продукции, которая поставляется преимущественно в США. Довольно значительную часть литиевого концентрата вывозит ФРГ.

Лепидолиты Центрального плато во Франции, кроме лития, содержат олово, ниобий, тантал. Весьма редкий минерал гердерит стал исходным сырьем для производства сверхчистого бериллия, жаропрочных сплавов бериллия с медью и алюминием. Франция освоила выпуск так называемого чешуйчатого бериллия, превосходящего качеством американский.

Совместно с США в Великобритании был налажен выпуск металлического бериллия и проката из него для удовлетворения потребностей авиаракетной промышленности США.

Небольшие запасы ниобиево-танталового сырья (пиро-хлора) есть только в Норвегии. Остальные европейские зарубежные страны получают танталовые концентраты из Африки. Особенно преуспела в выпуске танталовой продукции Великобритания. Для военно-воздушных сил и космической промышленности США в Англии вырабатывается танталовый прокат — листы, прутки, ленты и полосы, трубы для транспортировки нефти и газа на далекие расстояния.

Тесная связь с заокеанскими партнерами по танталу наблюдается также у компаний Франции. Эта страна выпускает танталовые сплавы для радиоэлектроники США.

Фирмы ФРГ наладили производство электронно-лучевых печей и поставку их в Соединенные Штаты Америки и Великобританию.


читать далее »

Германий и галлий дают Великобритания, ФРГ, Бельгия, Нидерланды, Люксембург, а галлий, кроме того, Франция и Норвегия.

Значительные запасы германия и галлия содержатся в углях, добываемых в Великобритании. Запасы галлия в этих углях составляют 1000 т. По германию запасы не подсчитаны, но осторожные оценки дают запасы германия в 1,6 тыс. т. В отдельных угольных пластах (например, У г. Ньюкасл в Великобритании) германия и галлия содержится по 0,01%, что следует признать высоким.

В ФРГ галлий и германий получают из отходов цин-ково-свинцового производства, причем используются бедные руды, в которых вместе с галлием и германием встречаются индий и таллий. В такой концентрации улавливать рассеянные элементы выгодно.

Главным потребителем галлия и арсенида галлия в западноевропейских странах (500—700 кг в год), а также изделий из них, в частности электронных приборов, является Франция. Немало галлия высокой чистоты извлекается при выплавке алюминия в Норвегии.

Бокситы Далматинского побережья содержат небольшие количества лития, циркония, галлия.

Железистые бокситы Власеницы (Босния) содержат иттрий, галлий, цирконий и скандий. Широкий набор элементов-спутников представлен в Сербско-Македонской ме-таллогенической провинции. Здесь имеются галлий, индий, таллий, а в медных рудах, кроме меди и пирита, есть и теллур.

Бельгия черпает германиевое сырье из Республики Заир (месторождение Кипуши) и является крупным производителем германия в капиталистическом мире. За время своей деятельности она поставила 640 т германия, в том числе 180 т сверхчистого. Первичный германий вывозится в США, а сверхчистый покупает Япония.

Бельгия и Нидерланды экспортируют сверхчистый галлий, необходимый для изготовления полупроводников (в виде арсенида галлия) и отражательных зеркал для лазеров.

Швейцария — гидроэнергетическая страна. Поэтому здесь развито производство энергоемких отраслей, в частности производство алюминия. Изобретен способ так называемой электролитической экстракции бокситов, что дает возможность при рафинировании алюминия получать галлий высокой чистоты. По сравнению с технологией, практикуемой в США, этот способ оказался более дешевым и дал возможность увеличить выпуск галлия до 6 т. Большая часть галлия вывозится в США, остальной используется в отечественной полупроводниковой индустрии. Швейцария конструирует транзисторы на основе арсенида галлия, превосходящие по качеству американские.

Хорошо поставлено в Европе производство таллия. Исходным продуктом являются отходы цветной металлургии. Сырье для получения таллия в ФРГ — пиритные огарки, которые покупают за рубежом. Медеплавильный завод в Дуйсбурге (Земля Северный Рейн-Вестфалия), перерабатывая железно-медные огарки, извлекает таллий с содержанием 25 г/т. В Англии таллий получают из пылей кадмиевого завода.

Для нужд радиоэлектронной промышленности Италии на цинковом заводе в городе Камиока выпускают сверхчистый таллий. Италия поставляет на мировой рынок монокристаллы таллий-брома и таллий-йода для радиоэлектроники.

В Чехии производятся галлий и германий. При переработке кадмиевых соединений в небольших размерах выделяют таллий. Помимо этого, у городов Циновец и Теплице (близ границы с Германией), найдены вольфрамит и касситерит.

В Венгрии основным источником редких элементов являются угли, из которых получают галлий. Извлечение галлия ведется на алюминиевом заводе в Айка, часть производимой продукции экспортируется.


читать далее »

В Германии основным источником редких металлов являются медистые сланцы и песчаники месторождения Мансфельд, из которых еще до второй мировой войны получали рений. Битуминозные сланцы Мансфелъда содержат медь, золото, цинк, платиноиды, рений, селен, германий — всего 24 компонента. Из отходов переработки извлекают пока германий. У портового города Ростока в пляжных песках содержатся титан и цирконий.

Редкоземельные элементы в Германии стали получать после второй мировой войны для удовлетворения растущей потребности в полупроводниках. Редкие земли используются народными фирмами «Шотт» и «Карл-Цейс-Йена», производящими легированные стекла для лазеров и резонаторы из фторида кальция с самарием, фторида кальция с неодимом.

Источник индия в ФРГ —- отходы цинково-свинцового и медного производств, лом электронного оборудования, которые перерабатывают заводы, расположенные в г. Окер. Один из заводов черпает сырье из Раммельсбургского месторождения, содержащего полиметаллы. Второй завод получает индий из черновой меди и отходов сернокислотного производства. Общий выпуск индия в ФРГ составил в 1973 г. более 20 т.


читать далее »

В Италии металлический индий получают на заводе в г. Порто-Маджера из сицилийского свинцово-цинкового сырья. Индий высокой чистоты экспортируется из Италии в США, ФРГ, Францию, Бельгию.

Рения на Европейском континенте выпускается несколько тонн в год. Во Франции, Бельгии, Швеции он сложными путями извлекается из чилийских молибденовых концентратов, в Норвегии же из отечественных молибденовых.

Швеция дает около 10% мирового производства селена, опираясь на переработку медноколчеданных руд горно-химического района Шеллефтео. После извлечения ряда основных компонентов в анодных шламах кадмиевого производства остается до 22% селена, который выделяют на медном заводе в г. Реншер. Такое высокое содержание селена объясняется тем, что цинково-свинцовые руды месторождений Адак и Болиден — халькопириты и галениты — содержат до 1,4—1,5 кг селена на тонну горной массы. Это самое высокое содержание в мире. Однако велики и потери селена. Так, экспортируя цинковые и пиритовые концентраты, Швеция теряет ежегодно 70— 80 т селена.

Источниками редких земель в Европе являются широко распространенные в Скандинавии архейские породы. Поставляемые в различные страны Европы и США редкоземельные окислы извлекаются в Финляндии и Швеции из апатитов, которые являются сопутствующими на цинково-свинцовых  месторождениях.  Руда  месторождения Корснас (па юго-западе Финляндии)" имеет более 1% окиси лантана, около 0,1% окиси европия.

Государственная компания «Типпи-Оу» в г. Оулу ведет комплексную переработку отечественных апатитов (в 60-х годах они доставлялись из СССР), производя удобрения и редкоземельные окислы (до 400 т в год). Завод в Оулу производит до 10% окиси европия капиталистического мира, а также окислы лантана, церия, празеодима, неодима, самария, гадолиния. Компания «Типпи-Оу» заключила контракт на изготовление электронно-лучевых трубок для цветных телевизоров из соединений европия.

Швеция теряет много редкоземельного сырья, так как при обогащении железных руд из месторождений Северной Швеции содержащийся в рудах апатит вместе с окислами редких земель (иттрия, лантана, европия) отправляется в отвалы. Потери эти значительны, если учесть, что в 1974 г. Швеция продала зарубежным странам более 50 млн. т железных руд.


читать далее »

Великобритания предлагает широкий ассортимент редкоземельных элементов, соединений из них. Сырьем служат привозные монациты и бастнезиты. Налажен выпуск источников излучения на неодимовом стекле, лазеров на рубине и стекле с неодимом. Столь же обширен ассортимент изделий, выпускаемых в ФРГ: дидим, сплавы редких земель с железом, кремнием, самарием, соединения европия.

На заводе французских компаний (в г. Ла-Рошель) перерабатываются мавританские концентраты и австралийский монацит с иттрием и европием. Иттрий поставляется для радаров, цветного телевидения, лазеров. Часть редкоземельных материалов Франция вывозит.

В  Польше, занимающей шестое место в мире по выпуску свинцово-цииковой продукции, наряду с основными металлами производится кадмий, а уже из его продуктов получают редкий элемент таллий. Этот же металл и некоторые другие виды редкоземельных соединений получают из апатитов, привозимых из-за рубежа. Делается попытка переработки углей для получения редких элементов, но это пока опыты.

Немалыми сырьевыми источниками располагает Болгария. В основном это медно-пиритовые руды Рила-Родопских гор. Одно из месторождений — Челопеч наряду с медью, цинком, свинцом содержит таллий, селен, германий и галлий. Многие различные сочетания медно-цинково-свинцовых руд Среднегорья, Старой Планины и Стран-джи также содержат значительные запасы селена, теллура, галлия, индия, рения.

Установлено также самое высокое содержание таллия на месторождении Седмочисленцы — 1230 г/т при средней величине 31 г/т.

Среди стран, располагающих редкометалльным сырьем, можно отметить и Румынию. В Восточных и Юго-Восточных Карпатах за годы народной власти разведаны рос* сыпи титано-циркониевых песков. Попутно с титаном и цирконием из них можно извлекать ванадий, ниобий и окислы редких земель.


читать далее »

Роль метаболитов в растворении металлов Роль метаболитов в растворении металлов

Важную роль в растворении металлов играют аминокислоты, пептиды, белки и нуклеиновые кислоты. Эти вещества образуются в результате микробного синтеза. Например, из аминокислот активно растворяют золото − аспаргин, глицин, аспаргиновая кислота, гистидин, серин, фенилаланин, из белков – соле- и щелочерастворимые (протамины и глобу-лины), из пептидов – кислые и щелочные, из нуклеиновых кислот – ДНК.

Почвенные бактерии Bacillus Thiobacillus ferrooxidans, Bacillus mesentericus, Pseudomonas liquifaciens выделяют органические кислоты. Бактерия Chromobacterium violaceum выделяет цианиды. Продуцируемые микроорганизмами вещества могут играть роль лигандов в процессе комплексообразования.

В состав органического вещества бактерий входят химические элементы: C, H, O, N, S и P, а также Na, K, Ca, Mg, Fe и Cl. Однако микробная клетка может аккумулировать и другие химические элементы – Ag, Al, B, Cu, Ni, Si, Sn. Некоторые химические элементы (B, Be, Hg, Ca, Cd, Cu, Cr, Co, Si и Mg), присутствуя в средах в ультраследовых количествах в виде хлоридов, стимулируют рост ряда микроорганизмов.

Образовавшиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов аминокислоты способны переводить в растворенное состояние многие металлы из их трудно растворимых соединений. В табл. 7 приводятся данные по растворению карбонатов и сульфидов кобальта, меди, марганца, никеля и цинка с помощью аминокислот.

Таблица 7

Количество металла (мг), выделенное аминокислотами из нерастворимых карбонатов и сульфидов на каждый грамм аминокислоты

Металл

Аминокислоты

Аспаргиновая

Глицин

Фенилаланин

Карбонат

Сульфид

Карбонат

Сульфид

Карбонат

Сульфид

1

2

3

4

5

6

7

Co

236,8

155,0

213,3

198,0

31,5

Н.р.


Продолжение таблицы 7


1

2

3

4

5

6

7

Cu

188,0

19,5

300,0

68,0

151,5

8,7

Mn

3,7

18,8

3,1

Н.р.

1,6

12,1

Ni

285,7

58,6

440,0

98,6

41,0

Н.р.

Zn

75,0

Н.р.

46,6

Н.р.

11,4

Н.р.

Примечание: Н.р. – нерастворим.

Необходимо также отметить роль аминов в образовании комплексных соединений с кобальтом, никелем, медью, железом, ураном. Амины образуются в природных условиях при разложении органических веществ.

Соединения связанного азота способны связывать и переносить целый ряд химических элементов. На рис. 1 приведена зависимость количества металла m, выделенного аспаргиновой аминокислотой из нерастворимых карбонатов на каждый грамм кислоты, от энергии связи металла. Под энергией связи понимают энергию, которую необходимо затратить на разделение твердого тела на отдельные атомы при 0 оК.

По-видимому, важную роль при этом играют процессы комплексообразования, а аминокислоты выступают в качестве лигандов.

Комплексообразование несет ответственность за накопление определенных металлов в растениях. Этот процесс отличается высокой селективностью. На рис. 2 представлена зависимость логарифма содержания металлов в растениях в функции энергии связи металла.

Роль метаболитов в растворении металлов

Рис. 1. Зависимость количества металла m, растворенного аспаргиновой кислотой из нерастворимых карбонатов на каждый грамм кислоты от энергии связи металла. Коэффициент корреляции R = 0,76

Роль метаболитов в растворении металлов

Рис. 2. Зависимость логарифма содержания металлов в растениях log m в функции энергии связи. Коэффициент корреляции R = 0,71

Практический интерес представляет растворение золота в продуктах метаболизма микроорганизмов. Такие аминокислоты, как аспаргин, глицин, аспаргиновая кислота, гистидин, серин, фенилаланин, аланин, растворяют золото. Золото также растворяется с помощью белков (протаминов и глобулинов), пептидов, нуклеиновых кислот (ДНК). Золото растворяется в продуктах метаболизма микроорганизмов только в щелочной среде. В кислой среде золото восстанавливается до металла или происходит образование трудно растворимых соединений.


читать далее »

Сольватометаллургические методы переработки техногенных отходов и рудного сырья

В настоящее время гидрометаллургические процессы находят широкое применение в промышленности. Однако применяемые реагенты (кислоты и щелочи) отличаются высокой химической агрессивностью, а некоторые из реагентов, например цианиды, отличаются высокой токсичностью.

Необходимо отметить, что классические гидрометаллургические процессы исчерпали свои возможности. К недостаткам гидрометаллургического процесса относится и его многостадийность. В табл. 32 приводятся отдельные примеры, подтверждающие вышесказанное.

Таблица 32

Примеры гидрометаллургических процессов извлечения

металлических элементов из отходов

Металл в техногенном отходе

Гидрометаллургические процессы

1

2

Алюминий в зольной пыли

1. Хлорирование золы в атмосфере кислорода.

2. Отгонка паров хлорида железа.

3. Хлорирование остатка стадии и отгонка паров хлоридов Al, Si, Ti и Fe.

4. Разделение отогнанных хлоридов селективной конденсацией.

Хром из промывных вод гальванических цехов

1. Проводится осаждение хроматов при обработке сточных вод карбонатом бария. Водные растворы содержат ледяную уксусную кислоту (pH = 4,5-4,7).

2. Для фильтрации осадка используют кислотоустойчивый фильтр.

Хром из осадков цветных металлов в виде смесей гидроксидов

1. Хлорирование в водной фазе для окисления хрома, содержащегося в осадке.

2. Отделение нерастворимой части.

3. Удаление Cr(VI) из раствора с помощью анионита.

4. Выделение жидкостной экстракцией из водного раствора меди.

5. Выделение жидкостной экстракцией из водного раствора цинка.


Продолжение таблицы 32


1

2

Никель из промывных вод гальванических цехов

1. Сточные воды пропускают через катионообменную смолу.

2. Регенерируют катионообменную смолу путем обработки серной кислотой и получают раствор соли никеля.

3. Обработка раствора соли никеля с помощью анионообменной смолы для удаления серной кислоты.

Кроме того, сегодня настоятельно диктуется необходимость разработки технологии не только извлечения металлических элементов из техногенных отходов, но и восстановления первичных продуктов, например, катализаторов, электродов электрохимических систем и т.п.

В этом направлении определенные успехи могут быть достигнуты на основе использования донорно-акцепторных электронотранспортных (ДАЭТ) систем. Подобные исследования были проведены в Институте химической физики АН СССР и Институте проблем химической физики РАН (Черноголовка); Московском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева; в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте).


читать далее »

Техногенные отходы

МеталлургияСерьезную проблему для окружающей среды представляет накопление отвалов горнодобывающей промышленности, отработавших катализаторов промышленности органического синтеза, отходов абразивной обработки металлов, пылевых выбросов промышленных предприятий, содержащих значительные количества ценных металлических элементов и их химических соединений. В техногенных отходах и рудном сырье содержатся в значительных количествах ценные металлы (Au, Ag, W, Mo, U, Cu, Cd, Ge и др.).

Так, в золе, образующейся от сжигания малометаморфизированных углей, содержание Ge достигает десятых долей процента.

В результате перемыва и переотложения отвальных «хвостов» Норильской обогатительной фабрики сформировалась залежь техногенных отходов высотой 2-6 м, шириной 10-60 м, длиной 9 км. Среднее содержание платиноидов в ней составляет 3-6 г/м2, золота – 0,2-0,4 г/м2, в отдельных локальных проявлениях содержание платиноидов достигает 60,65 г/м2, золота – 18,56 г/м2, палладия – 77,81 г/м2.

В процессе переработки бокситов на глинозем образуются сотни тысяч тонн красного шлама, содержащего Fe, Ti, Zr, Ga, редкоземельные металлы; отвалы тепловых электростанций России содержат около 1,2 млрд тонн золошлаковых отходов, содержащих ряд ценных металлов.

Увеличиваются накопленные десятилетиями отходы металлургического, горнодобывающего, топливно-энергетического комплекса, машиностроительного и химического производств. По объему и содержанию металлических элементов техногенные отходы сравнимы с месторождениями природных ископаемых. Только в одной Тульской области скопилось более 17 млн тонн техногенных отходов от металлургических и химических производств, содержащих соединения различных металлов, по России эта цифра составляет от 450 до 550 млн тонн и продолжает увеличиваться.

Нижнетагильский металлургический комбинат ежегодно продуцирует не менее 3,5 млн тонн отходов, из них более 65 % составляют шлаки, шламы, пыль.

«Сегодня мы имеем в отвалах 3 млрд кубометров отходов, в которых содержится 500 тонн золота, 20 тыс. тонн серебра, 1 млн тонн меди и 15 млн тонн железа. И требуется технология, с помощью которой можно будет извлечь эти металлы», − из выступления губернатора Свердловской области Эдуарда Росселя 22.09.2005 на открытии комплекса по производству катодной меди в ОАО «Уралгидромедь».

Техногенные отходы занимают значительные площади земельных угодий, в том числе пахотные земли, пастбищные угодья, городские территории. На складирование и содержание этих отходов расходуются огромные средства. И наконец, существует серьезная проблема загрязнения окружающей среды.

В табл. 1 приведен перечень техногенных отходов и их химический состав Алмалыкского горно-металлургического комбината (АГМК) Узбекистана.

Таблица 1

Перечень техногенных отходов ОАО «АГМК»

Отходы

Отвалы,

тыс. тонн

Содержание металла в отходах, г/т

Cu

Au

Ag

Pb

Zn

S

Fe

SiO2

Al2O3

a

38373

0,35

0,42

1,74

0,03

0,05

1,5

4,0

61,0

12,0

b

99821

0,23

0,38

1,56

0,029

0,007

1,5

4,0

65,0

13,7

c

19430

0,33

0,49

1,98

0,03

0,04

2,0

4,4

60,0

12,0

d

99,6

0,16

-

0,76

0,36

1,19

4,0

18,0

10,0

0,7

e

12700

0,65

0,4

3,5

0,25

1,3

1,1

37,0

36,0

6,2

f

130200

0,013

0,033

3,0

0,24

0,33

0,96

3,4

10,5

0,05

g

850700

0,111

0,208

1,072

0,014

0,02

1,54

3,8

63,0

13,0

Примечание: a – руда медная окисленная забалансовая; b – руда медная сульфидная забалансовая; c – руда медная смешанная забалансовая; d – отвальный клинкер цинкового завода; e – шлак отражательной и кислородно-факельной плавок медеплавильного завода; f – отвальные хвосты свинцово-цинковой обогатительной фабрики; g – отвальные хвосты медной обогатительной фабрики.

Значительные количества металлических элементов содержатся в пиритных огарках и гальваническом шламе. В пиритных огарках содержание железа достигает 40-63 %, меди – 0,33-0,47 %, цинка – 0,42-1,35 %, свинца – 0,32-0,58 %, драгоценных металлов – 10-20 г/т. В гальваническом шламе содержание оксида железа достигает 13-25 %, оксида алюминия – 2-5 %, оксида хрома – 0,3-1 %, оксида цинка – 4-5,5 %, оксида меди – 0,3-2 %, а также содержатся оксиды других ценных металлов.

В табл. 2 приводится классификация твердых отходов различных отраслей промышленности.

Таблица 2

Классификация отходов различных отраслей промышленности

Отрасль промышленности

Разновидности отходов

Машиностроение

Прокатная и кузнечная окалина

Чугунная и стальная стружка

Отходы абразивной обработки

Пыль аспирационных установок

Металлургическая промышленность

Пыль аспирационных установок

Колошниковая пыль

Коксовая мелочь и пыль

Прокатная окалина

Шлаки и шламы

Угледобывающая промышленность

Угольная мелочь и пыль

Шламы

Хвосты обогащения

Коксохимическая промышленность

Коксовая мелочь и пыль

Смолы

Топливно-энергетический комплекс

Угольная пыль

Зола ТЭЦ

Лесная промышленность

Отходы древесины

Лигносульфанаты

Мелочь древесного угля

Значительные количества отходов попадают в гидросферу. Это ионы тяжелых, цветных и редкоземельных металлов, токсичные анионы, например CN–, молекулы химических соединений, прежде всего, органических веществ (фенолы, ПАВ и др.), коллоидные и микродисперсные частицы, а также микроорганизмы. Серьезную проблему представляет попадание в сточные воды радиоактивных элементов, изотопов стронция и цезия. Проблема загрязнения окружающей среды в этом случае обостряется в связи с тем, что указанные вещества находятся в растворенном или высокодисперсном состоянии. По этой причине эти вещества переносятся на значительные расстояния. Известны случаи попадания токсичных веществ в грунтовые воды.

Накопление техногенных отходов тесно связано с проблемой экологической безопасности. Например, содержание тяжелых металлов в почве и гидросфере в зоне деятельности предприятий химической и металлургической промышленности часто значительно превышает ПДК. Так, металлургические предприятия ежегодно выбрасывают вместе с отходами свыше 150 тыс. тонн меди. Погибает растительность, необратимо разрушается почвенный покров. Появляются техногенные пустыни.


читать далее »

Микробиологическое выщелачивание Металлургия

В настоящее время наблюдается интенсивное развитие биотехнологических методов извлечения и разделения металлических элементов. Эти процессы протекают в земной коре и природных водах. Определенные микроорганизмы оказывают катализирующее действие на окислительно-восстановительные реакции, например: окисление железа и марганца в воде; окисление пиритов и пирит содержащих горных пород; десульфирование каменного угля. Биогеотехнология выщелачивания металлов связана с использованием, главным образом, тионовых (сероокисляющих) бактерий. При этом происходит извлечение металлов из руд, рудных концентратов и горных пород, шлаков и «хвостов» обогатительных фабрик.

Тионовые бактерии окисляют сульфиды железа, меди, цинка, кадмия, олова и др. металлов. При биогеотехнологическом процессе металлы из нерастворимых в воде сульфидов переходят в растворимые сульфаты. Тионовые бактерии Thiobacillus ferrooxidans окисляют все сульфиды металлов. Необходимый для роста бактерий углерод они получают из углекислого газа. Эти бактерии развиваются в кислой среде (рН в диапазоне 1,0-4,8) при температурах от 3 до 40 оC. Оптимальные параметры развития бактерий – величина рН лежит в пределах 2-3, температура 28 оC. Тионовые бактерии встречаются в водоемах почве, в месторождениях серных и сульфидных руд. Но свою активность они проявляют в присутствии кислорода.

При биогеотехнологическом выщелачивании металлов производят орошение рудного материала или техногенных отходов, содержащих сульфиды металлов, растворами серной кислоты, солями железа, а также вводят жизнеспособные тионовые бактерии. Для интенсификации процесса бактериального выщелачивания применяют кислород воздуха. В результате фильтрации раствора через материал, содержащий сульфиды металлов, металлы переходят в растворимое состояние. Таким способом ежегодно добывают сотни тысяч тонн меди, а также значительные количества урана.

Интересен процесс использования тионовых бактерий для удаления серосодержащих соединений из углей. Содержание серы в бурых и каменных углях достигает 10-12 %. Серосодержащие угли плохо коксуются и не могут быть использованы в цветной металлургии. Известно, что с помощью тионовых бактерий удается снижать содержание серы в каменных углях на 23-50 %, а при длительном протекании процесса и полностью удалять серу. Одновременно с удалением серы из углей удается переводить в растворенное состояние целый ряд металлов. В углях содержатся такие металлы, как германий, никель, бериллий, ванадий, свинец, медь, цинк, марганец, кадмий и золото.

Биотехнологические методы могут быть использованы для извлечения металлов из шахтных вод. При этом одновременно решается важная экологическая проблема – получение чистой воды.

Использование бактерий Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus thioparus и Thiobacillus thiooxidans при выщелачивании пиритных огарков, шлама гальванического производства позволяет сократить время эксперимента до 7 дней и существенно увеличить выход металлов в водном растворе. Выход металла колеблется от 51 до 95 %.

Проведение процесса микробиологического выщелачивания может быть ускорено при использовании тонко измельченного рудного сырья или техногенных отходов.

Сегодня серьезную проблему представляет накопление мышьякосодержащих руд, переработка которых с использованием пирометаллургических методов ввиду токсичности летучих соединений мышьяка чрезвычайно опасна. Для этого применяют микробиологическое выщелачивание. В табл. 4 приводятся данные по выщелачиванию мышьяка с использованием штама T. Ferrooxidans. Используемый для выщелачивания флотогравитационный концентрат содержал 7-8 % меди, 0,8-1,4 % олова и 9-11 % мышьяка с размером частиц 0,08 мм. В пульпе содержалось до 17 % твердого вещества.

Таблица 4

Степень окисления мышьяка в функции времени выщелачивания

Время выщелачивания, ч

28

58

100

Степень окисления мышьяка, %

60

81

91

Процесс протекает наиболее эффективно в первые 28 часов. В конце процесса содержание сульфида мышьяка в остатках выщелачивания не превышает 2 %. Оставшийся медно-оловянный концентрат с помощью флотации подвергают разделению на медный и оловянный. Далее используют пирометаллургический метод.

Бактериальное выщелачивание применяют для золотомышьяковых руд, тонковкапленных медно-цинковых руд, а также медно-никелевых руд.


читать далее »

Пирометаллургия Металлургия

Под пирометаллургией понимают металлургические процессы, протекающие при высоких температурах. Пирометаллургия занимает ведущее место в мире по производству чугуна, стали, меди, свинца, никеля и др. металлов.

Среди пирометаллургических процессов принято различать: обжиг, плавку и дистилляцию или возгонку.

Под обжигом понимают пирометаллургический процесс, протекающий при температурах, недостаточных для плавления рудного сырья. Продукт обжига является твердым телом и называется огарком. В процессе обжига происходит удаление примесей, а также изменение химического состава сырья. Компоненты сырья вступают в химическое взаимодействие с газами, в присутствии которых проводится обжиг, а также с специально добавляемыми твердыми или жидкими реагентами. Принято различать различные виды обжига.

Окислительный обжиг – это взаимодействие рудного сырья с кислородом воздуха или специальными добавками кислорода. В качестве примера можно привести обжиг медного, свинцового и цинкового сырья, содержащего серу. В процессе обжига сульфидное сырье превращается в оксиды металлов, а сера удаляется в виде SO2:

2MeS + 3O2 = 2MeO + 2SO2.

Восстановительный обжиг – это получение оксидов металлов с низ-шей валентностью или металлических элементов. Такой процесс протекает при обжиге железных руд с использованием в качестве восстановителя углерода, восстановлении оксидов вольфрама и молибдена водородом или углеродом.

Окислительно-восстановительный обжиг – это обжиг в восстановительной среде средней силы, приводящий к неполному восстановлению химического элемента. Например, обжиг, приводящий к образованию летучего оксида As2O3. Образовавшийся оксид As2O5 не подлежит возгонке.

Сульфатизирующий обжиг – это обжиг, приводящий к получению водорастворимых сульфатов.


В окислительной среде сульфиды металлов реагируют по схеме:

MeS + 2O2 = MeSO4.

Подобная реакция имеет место при обработке сульфидных медно-кобальтовых концентратов. При этом кобальт переходит в сульфат.

Процесс может протекать под действием серной кислоты:

MeO + H2SO4 = MeSO4 +H2O.

В качестве примера можно привести обжиг рутила или ильменита с серной кислотой, приводящий к образованию сульфатов титана.

Хлорирующий обжиг – это обжиг, проводимый в среде хлора или четыреххлористого углерода, а также в присутствии твердых хлоридов или смеси хлоридов с углеродом:

MgO + Cl2+ C = MgCl2 + CO.

Полученный хлорид магния используют для электролитического получения металлического магния.

Агломерация – это обжиг, приводящий к спеканию и образованию пористого агломерата. Такой обжиг проводят для мелких железных, цинковых и свинцовых руд. При этом легкоплавкая составляющая, затвердевая, скрепляет твердые частицы сырья.

При обжиге получаются возгоны и пыли, содержащие соединения редких металлов. Например, возгоны и пыли, образующиеся при обжиге цинковых и свинцовых руд, содержат кадмий, таллий, селен, теллур. При обжиге молебденитового сырья возгоны и пыли содержат рений.

Скорость обжига возрастает с температурой. Однако опасность спекания или оплавления частиц приводит к уменьшению их поверхности и замедлению скорости обжига. При агломерации спекание необходимо. По этой причине процесс агломерации проводят при более высоких температурах. В табл. 3 приведены допустимые температуры обжига.

Под плавкой понимают пирометаллургический процесс, протекающий при температурах, достаточных для плавления сырья или его части. При этом в результате химических реакций образуются несколько не смешивающихся расплавленных продуктов. За счет различия в их плотностях происходит расслаивание расплава. Различают следующие разновидности плавки.


Таблица 3

Допустимые температуры обжига

Разновидность обжига

Температура процесса, оС

Обжиг сульфидов при перемешивании

< 800

Обжиг сульфидов в псевдокипящем слое

1000-1100

Агломерация сульфидного сырья

1100

Обжиг железных руд

1300-1600

При восстановительной плавке сульфидных медных и никелевых руд образуются сплавы сульфидов меди или никеля с сульфидом железа – штейны (плотность ~5), шлаки (сплавы оксидов пустой породы) и газы. Температура плавления шлаков регулируется добавками флюсов, например известняка.

При восстановительном доменном процессе образуются слой жидкого чугуна (плотность ~7), слой шлака (плотность 3-3,5) и газы.

При окислительной плавке, например сульфидных медных руд, сульфид железа, входящий в состав пустой породы, взаимодействует с кислородом и кремнеземом с образованием шлака состава Fe2SiO4:

2FeS + 3O2 + SiO2 = Fe2SiO4 + 2SO2.

При этом сульфид меди не окисляется, поскольку сродство меди к сере больше, чем у железа, а к кислороду наоборот.

При получении стали из чугуна, происходит окислительная плавка. Избирательно, например кислородом воздуха, окисляются примеси: C, Si, Mn, P, S.

При металлотермической плавке происходит восстановление металлов из оксидов или других соединений более активными металлами.

При электротермической плавке происходит катодное восстановление металла из ионных расплавов.

При ликвационной плавке металл удается очищать за счет понижения растворимости примесей. По мере охлаждения жидкого металла кристаллы примеси всплывают или опускаются на дно расплава.


Процесс дистилляции, или возгонки, происходит при обжиге или плавке. При этом металлы или их соединения испаряются, затем конденсируются в виде жидкости или кристаллов. Иногда применяют дистилляцию, осложненную химической реакцией.

Например, титан реагирует с йодом, образуя йодиды титана, которые затем термически разлагаются на нагретой до 1400о С титановой проволоке. Аналогичным образом рафинируют цирконий.

Подобным образом рафинируют алюминий. Производят хлорирование алюминия при температуре 1050о С и давлении 0,1 мм рт.ст. парами AlCl3. При этом образуется летучий AlCl, который при температуре 800о С диспропорционирует:

3AlCl(газ) = 2Al(жидкость) + AlCl3 (газ).

Никель рафинируют через образование Ni(CO)4, который очищают дистилляцией, затем термически при температуре 320 оС разлагают. Аналогичным образом очищают железо.

Карбонильная технология, несмотря на высокую токсичность используемых карбонильных соединений, является весьма эффективным процессом для получения высокочистых металлов.


читать далее »

Экстрагирование Экстрагирование

Под экстрагированием понимают процесс разделения компонентов твердых или жидких веществ с помощью селективных растворителей (экстрагентов). Различают экстрагирование из жидкостей и экстрагирование из твердых веществ (выщелачивание). При этом извлекаемое (экстрагируемое) вещество переходит из твердой или жидкой фазы при контакте с экстрагентом в фазу жидкого экстрагента. Важнейшим условием процесса является отсутствие растворимости экстрагента и жидкой фазы, содержащей в растворенном состоянии извлекаемое вещество.

Для проведения процесса необходимо обеспечить контакт экстрагента с фазой, содержащей извлекаемое вещество. Это достигается энергичным перемешиванием, взбалтыванием. При этом происходит образование дисперсной системы. Обычно такой системой являются эмульсии. Для успешного проведения процесса важно соблюсти условие – экстрагент и растворитель, содержащий извлекаемое вещество, должны быть взаимно нерастворимы. Затем следует разрушение дисперсной системы. Обычно этот процесс происходит самопроизвольно.

Если для жидкостной экстракции характерно наличие двух жидких фаз, то для твердофазной экстракции одна фаза является жидкой, вторая твердой. В качестве твердой фазы используются гидрофобные алкилированные силикагели, играющие роль сорбентов. В этом случае удается проводить извлечение различных типов комплексных соединений металлов.

Твердофазная экстракция позволяет извлекать как координационно насыщенные, так и координационно ненасыщенные хелаты.

Для технологии важным вопросом является регенерация экстрагента. Для этого используют методы дистилляции, выпаривания, высаливания, кристаллизации. Экстрагент должен быть извлечен из каждой фазы.

К экстрагенту предъявляется ряд требований. Экстрагент должен обладать высокой селективностью к извлекаемому веществу; как можно больше отличаться по плотности от жидкости, содержащей растворенное вещество; обладать невысокой вязкостью для обеспечения энергичного перемещения фаз друг относительно друга. Для экстрагента важными качествами являются: химическая инертность, низкая летучесть, отсутствие токсичности. Экстрагент не должен быть дефицитным препаратом. С экономической точки зрения он должен иметь низкую стоимость и легко регенерироваться.

Предлагается классифицировать экстрагенты на три группы:

1. Углеводороды.

2. Соединения с одной функциональной группой в молекуле.

3. Соединения с несколькими функциональными группами в молекуле.

Важнейшее значение приобретает проблема создания экстрагентов, отличающихся высокой селективностью. К ним относят органические сульфиды и сульфоксиды, алкиланилины, алкиламинопиридины, а также реагенты на основе полидентатных серо- и азоторганических соединений. Важно, чтобы экстрагируемые комплексные соединения металлов отличались высокой стабильностью. К таковым относятся S,N-содержащие комплексные соединения.

Для элементов, в которых заинтересована атомная промышленность (урана, плутония, циркония, ниобия и др), применяются кислородсодержащие экстрагенты. Для металлов, в которых заинтересована цветная металлургия, применяются серо- и азотсодержащие экстрагенты. Конкретные примеры использования экстрагентов и условий проведения процесса можно найти в.

Особое место среди экстрагентов занимают соли четвертичных аммониевых оснований, а также их синергетные смеси с экстрагентами других классов. Эти соединения используются для экстракции редких металлов в широкой области pH.

Заслуживает особого внимания использование в качестве экстрагентов краун-соединений (макроциклов). В этом случае представляется возможным экстрагирование s-соединений I и II групп.

Среди новых экстракционных систем следует назвать двухфазные водные системы на основе водорастворимых полимеров.

В качестве примеров использования экстрагирования в промышленных масштабах можно привести экстракцию железа из производственных растворов, экстракцию меди и золота смесью трибутилфосфата и дифенилтиомочевины из тиоцианатных растворов и использование экстракции в технологии медно-никелевого сырья.
читать далее »

Прямое восстановление металла в механохимическом процессе Прямое восстановление металла в механохимическом процессе         При измельчении медными шарами киновари в медных барабанах была получена ртуть

2Cu + HgS = Cu2S + Hg.

Реакция происходит при сухом измельчении, а также при измельчении в присутствии воды.

         Активированные измельчением твердые вещества являются прекрасными сорбентами. По мере измельчения сорбционная способность растет. В этой связи появляется возможность обогащения концентратов за счет извлечения металлов из растворов, в том числе и сточных вод промышленности. Например, сульфиды никеля и железа, активированные измельчением, способны извлекать из растворов медь, никель, кобальт и др. металлы.

         В табл. 22 приведены остаточные концентрации кобальта после суточного контакта с сорбентом, взятом в количестве 10 г/л.

Таблица 22

Остаточные концентрации кобальта в растворе после контакта с сорбентом

Содержание Co в исходном растворе, мг/л

Сорбент пирит

Сорбент пирротин

не активированный

активированный

не активированный

активированный

7

1,7

0,02

2,4

0,02

16

10,1

0,4

7,0

0,8

20

18,5

0,02

16,2

0,02

100

76,0

0,1

74,0

0,1


         Интересный результат был получен по извлечению платиноидов из производственных растворов. В качестве сорбента использовали никелевый концентрат – файнштейн (Ni 57,9 %, Cu 55 %, Co 1 %, Fe 3 %, S 23 %). Осаждение платиноидов происходило за счет обмена металла, входящего в сульфид, на метал, находящийся в растворе. Для повышения реакционной способности сульфидов проводили предварительную активацию файнштейна измельчением в течение 10 мин. Результаты выделения платиноидов представлены в табл. 23.

Таблица 23

Осаждение платиноидов на файнштейне

Масса

файнштейна, г

Осаждено на 1 г файнштейна, мг

Pd

Pt

Rh

0,1

500

80

10

0,3

378

55

14

0,5

360

49

17

1,0

350

47

19

5,0

380

47

38

10,0

385

50

50

20,0

350

51

58

50,0

357

48

78

         Осаждение платиноидов на активированных сульфидах возможно как из концентрированных, так и разбавленных растворов.


читать далее »

Растворение труднорастворимых соединений металлов Растворение труднорастворимых соединений металлов

Физико-химические процессы растворения труднорастворимых соединений металлов представляют собой теоретический и практический интерес. В процессе растворения металл переходит в ионное состояние. Образуется растворимое в воде соединение.

Растворению при выщелачивании легко поддаются химические соединения, характеризуемые ионной связью (простые оксиды, соли с ионными связями и др.). Металл из сульфидов и особенно сложных сульфидов и сложных оксидов с трудом переходит в раствор.

Низкой эффективностью характеризуется переход металла в растворенное состояние из сложных оксидов, содержащих различные металлы (серебро и марганец, серебро и железо, ферриты цинка и меди). Возникают проблемы с силикатами металлов.

В табл. 15 приведены основные реагенты, позволяющие перевести металлы в растворенное состояние.

Таблица 15

Реагенты, используемые для перевода металлов в растворимое состояние

Металлы

Реагенты

Ванадий, медь, цинк

Серная кислота

Ванадий в карбонатных рудах, молибден, вольфрам

Сода

Глинозем, вольфрам

Едкий натр

Медь, никель

Аммиак

Золото, серебро

Цианистые соли, тиосульфаты

Сурьма, ртуть

Сернистый натрий

Благородные металлы, свинец, редкие металлы

Растворы хлора и хлоридов

Растворение химических соединений, кристаллическая решетка которых характеризуется ионной связью, не вызывает затруднений. Например, легко растворяются в серной кислоте тенорит CuO, брошантит CuSO4·3Cu(OH)2:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

CuSO4·3Cu(OH)2 + 3H2SO4 = 4CuSO4 + 6H2O.

Иногда применяют автоклавные методы выщелачивания. Например, автоклавное разложение шеелита при температуре 200-225 оС (важнейшего сырья для получения вольфрама) основано на обменной реакции

CaWO4 + Na2CO3 =Na2WO4 + CaCO3.

В некоторых случаях процесс растворения сопровождается образованием комплексных соединений:

AgCl + 2NaCN = NaAg(CN)2 + NaCl.

За счет комплексообразования удается растворять металлические элементы. Считалось, что металл предварительно должен перейти в ионное состояние, например:

Ago → Ag+ +e.

Было принято считать, что при растворении золота и серебра в растворах, содержащих ионы CN– на поверхности металла, имеются анодные и катодные участки. Существование таких центров возможно, если учесть наличие дислокаций, выходящих на поверхность металла. Выходы дислокаций на поверхность металла являются анодами.

Можно оценить избыточную энергию дислокации по уравнению

E = Gb3,

где G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса. Расчеты показали, что с учетом этой энергетической поправки электродные потенциалы металлов, например золота, серебра и меди, принимают отрицательные значения. Это означает, что выходы дислокаций на поверхность металла могут вытеснять водород из воды и кислот. Металл теряет электроны, которые гидратируются водой. Затем гидратированный электрон (Растворение труднорастворимых соединений металлов) вступает во взаимодействие c ионом оксония:

Растворение труднорастворимых соединений металлов+ H3O+ = H + H2O.

На высокую вероятность протекания этой реакции указывает значение константы скорости реакции 2,06·1010 м–1·с–1.

Существует и другое представление о процессе растворения металла в растворах цианидов. Такая реакция протекает в присутствии кислорода. Можно допустить, что растворенный кислород оксидирует поверхность металла. В реакцию с ионами CN– вступает оксидная пленка поверхности металла. Такой двумерный оксид (поверхностное химическое соединение) является более реакционно-способным, чем объемная фаза оксида.

Надежным методом отделения золота от породы является цианидный метод:

4Au +O2 +8NaCN + 2H2O = 4Na[Au(CN)2] +4NaOH.

Полученное комплексное соединение Na[Au(CN)2] находится в растворенном состоянии.


читать далее »

Электрохимическое выщелачивание Электрохимическое выщелачивание

Вопросы электрохимической переработки сульфидных руд и концентратов рассматриваются многими авторами . Некоторые из этих процессов находятся в начальной стадии исследования. В окислительно-восстановительных средах, применяемых при выщелачивании, халькогениды подвергаются комплексному химико-электрохимичес-кому воздействию.

С увеличением электропроводности халькогенида электрохимический механизм начинает превалировать. Большинство сульфидов и сульфидных руд относятся к электронным проводникам. Удельное сопротивление сульфидов колеблется в широком диапазоне от 10-4 до 102 Ом–1·см–1 и увеличивается в следующей последовательности: борнит – Cu5FeS4, ковелин – CuS, халькозин – CuS2, пентландит – (Fe, Ni)S, халькопирит CuFeS2, пирит – FeS2, кобальтин – CoAsS, арсенопирит – FeAsS. Для синтезированных халькогенидов установлена зависимость электропроводности от величины свободной энергии образования:

lgχ = 0,74 – 0,277·Электрохимическое выщелачивание,

где χ – электропроводность соединения, Ом–1·см–1; Электрохимическое выщелачивание– энергия образования халькогенида, Дж/моль.

Подобное поведение халькогенидных материалов вызывает интерес в отношении реализации электрохимической активации процесса вскрытия минералов. Среди них наиболее перспективными являются процессы электрохимической обработки суспензий. Механизм анодного растворения сульфидов во многом аналогичен механизму анодного растворения металлов и сплавов.

Поведение сульфидов определяется стационарным потенциалом, величина которого зависит от состава раствора, температуры, pH, произведения растворимости халькогенида и др. Скорость растворения возрастает с увеличением плотности тока, при этом в раствор переходят в первую очередь компоненты с наиболее отрицательным потенциалом.

Растворение сульфидов осложняется образованием нерастворимых продуктов (оксидов, серы, сульфата свинца). Величины стационарных потенциалов сульфидов устанавливаются длительно, в течение 0,5-4,0 часов, и сдвигаются во времени и с повышением температуры в область отрицательных значений.

Сульфидная сера окисляется в большинстве случаев до элементарной серы.

Электрическое поле оказывает не одинаковое воздействие на частицы минералов. Изменение электрических свойств поверхности частиц минералов в этих условиях зависит от их электропроводности, диэлектрической проницаемости и собственного потенциала их поверхности.

Для характеристики электрохимического поведения сульфидных мате-риалов используют стационарные потенциалы. В работе предложено два метода измерения последних. В первом: в отдельное зерно минерала вводится металлическая игла и к этому же зерну подводится капилляр (диаметр 0,1 – 0,5 мм), соединенный с измерительными приборами. Во втором методе сульфидный электрод – мономинеральный участок образца, имеющий гладкую рабочую поверхность не менее 25 мм2, обрабатывается спиртом и помещается в герметически закрытую ячейку с исследуемым раствором. Его потенциал измеряется относительно каломельного электрода сравнения.

В кислых растворах (pH = 2) разность значений стационарного потенциала лежит в диапазоне 0,005 В; в нейтральных и щелочных растворах – в диапозоне 0,01 В. Наилучшая воспроизводимость значений стационарного потенциала отмечается в окислительно-восстановительных системах. Причиной низкой воспроизводимости величины стандартного потенциала (± 0,1 В) некоторых минералов с низкой электропроводностью, например сфалерита, считается малая величина токов обмена.


читать далее »

Микроэмульсионное выщелачивание

Для этого типа выщелачивания используются наноструктурированные системы (микроэмульсии и мицеллярные коллоидные растворы). Эти системы непосредственно контактируют с твердой фазой, из которой извлекается металл (шламы, пылевые отходы, различные концентраты).

Размер капель микроэмульсии лежит в пределах от нескольких единиц до десятков нанометров. Микроэмульсии могут быть образованы спонтанно из воды и неводного растворителя как в присутствии ПАВ, так и без ПАВ.

Микроэмульсия может быть получена также без использования ПАВ. Для этого необходимо нагреть смесь воды с углеводородом. При повышенных температурах углеводород растворяется в воде. После быстрого охлаждения образуется микроэмульсия.

С точки зрения пожарной безопасности, предпочтительней использовать эмульсии типа масло в воде. Именно такими являются эмульсии, описанные в.

В работе предложен состав микроэмульсии, содержащей хорошо известный экстрагент – ди-(2-этилгексил)фосфорную кислоту, для селективного извлечения цветных и редкоземельных металлов из твердых веществ. В этом случае сокращается объем сточных вод, снижается вероятность попадания органической фазы в окружающую среду. Одновременно повышается эффективность экстракционного процесса.


читать далее »

Регенерация металлсодержащих катализаторов

В промышленности органического синтеза используются нанесенные катализаторы, представляющие собой пленочные оксиды металлов, нанесенные на поверхность инертного носителя – силикагеля, графита. Оксиды получают при термическом разложении солей азотной кислоты.

Обычно катализаторы содержат d-металлы. Это – медь, ванадий, железо, кобальт, никель, марганец, хром и др. Под действием «каталитических ядов» они постепенно теряют свою активность.

Для регенерации катализаторов может быть использована технология их обработки в неводных растворах органического лиганда. В качестве основного неводного раствора использовался 0,01 М раствор салицилальанилина в диметилформамиде. Для повышения эффективности процесса растворения в неводную систему вводились протонодонорные компоненты (до 10 %) – HCl, HNO3, H3PO4, CH3COOH, а также проводили барботаж раствора воздухом. Степень извлечения d-металлов достигала 80-90 %.

При обработке в системе салицилальанилин–диметилформамид катализатора медь-висмут (содержание меди 150,1 г/кг и висмута 26,3 г/кг), извлечение меди происходит со скоростью 97,3 г·ч–1·м–2 и степенью извлечения 78 %. Для катализатора медь–никель–хром (содержание меди 124,4 г/кг, никеля 81,0 г/кг и хрома 29,9 г/кг) скорость процесса и степень извлечения меди составили 78,7 г·ч–1·м–2 и 77 %; никеля – 20,6 г·ч–1·м–2 и 81 %; хрома – 29,9 г·ч–1·м–2 и 84 % соответственно.

Полученные комплексные соединения при температуре 160-250 оC разлагаются с образованием высокодисперсных металлов.

Технологическую схему восстановления отработанных катализаторов можно представить, как показано на схеме (рис. 22).

Вначале процесса реставрации катализатора отработанный катализатор обрабатывается неводным раствором лиганда. Происходит образование комплексного соединения d-металла. Затем возможны два варианта дальнейшего процесса восстановления катализатора.

Регенерация металлсодержащих катализаторов

Рис. 22. Технологическая схема восстановления отработанных

катализаторов

Первый вариант – производится пропитка пористого носителя. После этого комплексное соединение восстанавливается до металла или до образования металла или оксида металла.

Второй вариант – электропроводящий носитель, например графит, помещается в неводном растворе комплексного соединения d-металла. Посредством электролиза на катоде восстанавливается металл.

Таким образом, адсорбированное поверхностью носителя комплексное соединение может быть восстановлено до d-металла или оксида посредством термического разложения комплексного соединения; взаимодействием комплексного соединения с сильным восстановителем, например гидразином, а также электрохимически.


читать далее »

Электрохимическое восстановление металлов из неводных растворов комплексных соединений

Неводный растворитель в области потенциалов от +1 до –2 В можно считать электрохимически устойчивым. Поэтому процесс электролиза комплексного соединения в неводном растворителе вполне реален.

В качестве примера электролитического восстановления металла можно привести процесс электролиза смеси комплексных соединений, полученных при растворении отработанного МНХ-катализатора (содержащего медь, никель, хром) в системе диметилформамид–салицилальанилин.

Поляризационные измерения в растворе, содержащем смесь комплексных соединений (см. рис. 26), позволяют говорить о раздельном выделении металлов, причем, без образования сплавов.

При малых плотностях тока в катодном осадке преобладают медь и висмут, а при больших – никель и хром (табл. 55)

Таблица 55

Состав катодного осадка в зависимости от применяемой

плотности тока

Плотность тока,

мА/см2

Состав осадка, %

Общий катодный выход по току, %

медь
никель
хром

5

80

18

2

70

10

53

43

4

67

25

48

48

4

45

Скорость электрохимического восстановления металла составляет до 7,3 г/м2×ч [113].

Электроосаждение металла из неводных растворов комплексных соединений может быть интенсифицировано ультрафиолетовым облучением (табл. 56, рис. 28) [113].

Комплексные соединения были получены при обработке МВ-катализатора (содержащего медь и висмут); МНХ-катализатора (содержащего медь, никель, хром) в системе диметилформамид–салицилаль-анилин. Одновременно увеличиваются выход по току и скорость осаждения меди (табл. 56).


Таблица 56

Влияние ультрафиолетового облучения (УФ-облучения) на характеристики процесса электролиза комплексных соединений

УФ-облучение

Состав осадка, %

Общий катодный выход по току

Скорость осаждения, г/м2×ч

Cu

Ni

Bi

Cr

Нет

Да

74

94

-

-

26

5

-

-

77

85

2,42

8,60

Нет

Да

80

95

18

95

-

-

2,0

1,5

70

89

1,86

7,34

Поляризационные кривые для раствора комплексных соединений меди и висмута в диметилформамиде указывают на снижение общей поляризации процесса (рис. 28).

Электрохимическое восстановление металлов из неводных растворов комплексных соединений

Рис. 28. Поляризационные кривые восстановления металлов

из комплексных соединений в растворе ДМФА:

1 – соединения меди и висмута,

2 – соединения меди и висмута при УФ-облучении

По-видимому, влияние УФ-облучения приводит к снижению активационного барьера переноса заряда через границу раздела.



читать далее »

Активация твердых веществ перед растворением Техногенные отходы, металы, руды, <strong class=золото, порошки" title="Техногенные отходы, металы, руды, золото, порошки" align="left" width="200" height="130" class=""/>

Активация твердых веществ, предшествующая процессу растворения, является важной процедурой, поскольку может существенно изменить скорость последующего химического процесса. Активация всегда преследует цель оказать влияние на кинетику последующих химических реакций.

Активация вещества твердой фазы не только ускоряет протекание химической реакции, но и приводит к снятию термодинамического запрета на протекание химической реакции в тех случаях, когда полный термодинамический потенциал Гиббса положителен (ΔG > 0). Например, при механическом воздействии в присутствии реагента медь и золото реагируют с водой, вытесняя водород. Такие реакции получили название механохимических реакций.

Механическое воздействие вызывает деформацию кристаллической решетки и приводит к появлению дислокаций. На поверхности твердого тела появляются активные центры. Таким образом, к ускорению химических процессов при измельчении твердых тел приводит не только увеличение межфазной поверхности, но и появление дислокаций.

Разрушение кристаллической структуры может привести к дроблению молекулы на элементы:

2NaBr → 2Na + Br2,

HgCl2 → Hg + Cl2.

Процессы активации веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии, несомненно, происходят в природных условиях. Различные природные процессы приводят к диспергированию вещества. Это и разрушение горных пород, и неожиданные выбросы высокодисперсного угля и метана в шахтах. Нельзя забывать и о вулканической деятельности. Наконец, образование природных пылевых систем, дисперсные частицы которых переносятся ветром на значительные расстояния. В этих потоках происходит электризация переносимых частиц. И, наконец, в дымовых газах, выходящих из заводских труб и труб тепловых станций, происходят процессы диспергирования твердых аэрозольных частиц и, главным образом, трибозаряжения твердых дисперсных частиц аэрозоля.

Особое значение для атмосферного аэрозоля имеют субмикронные частицы. Они синтезируются самой атмосферой, поскольку процесс измельчения дисперсных частиц может доходить только до коллоидных размеров частиц, затем начинается агрегация вещества. Субмикронные частицы, или как сейчас принято говорить − наночастицы, отличаются высокой химической активностью.


читать далее »

Сплавы тугоплавких металлов Сплавы тугоплавких металлов

К тугоплавким металлам, имеющим температуру плавления свыше 1600 °С, относятся 11 элементов, но наибольшее практическое применение в качестве конструкционных материалов нашли шесть: ванадий, хром, ниобий, молибден, вольфрам и тантал. Основные физические свойства этих металлов приведены в табл. 61.

Таблица 61

Некоторые физические и механические свойства тугоплавких металлов при 20 °С

Свойство        V         Cr        Nb       Mo       Ta        W

 

Атомный номер

23

24

41

42

73

74

Атомная масса

50,942

51,996

92,906

95,940

180,95

183,85

Атомный диаметр, нм

0,263

0,250

0,286

0,272

0,286

0,274

ρ , г/см3

6,10

7,15

8,60

10,2

16,60

19,30

tпл, °С

1900

1875

2460

2620

2980

3400

tкип, °С

3350

2500

480

4600

5400

5500

с, Дж/(г·К)

0,499

0,460

0,272

0,256

0,142

0,147

λ, Вт/(м К

37

90

54

142

55

154,5

α ×10–6, 1/К

8,3

5,9

7,1

5,1

6,6

 

 

Металлы высокой чистоты

σв, Мпа

200

250

200

420

480

500–600

δ, %

40

60

50

44

42

13,5

 

Металлы промышленной чистоты

σв , Мпа

260–450

300–450

380–500

500–900

800–900

800–1100

δ, %

40–25

50–20

40–30

0

15–10

0

Металл

ы промышленной чистоты (при 1100 °С)

σв, Мпа

50

77

119

70

176

239

Тугоплавкие металлы обладают хорошей коррозионной стойкостью в целом ряде высокоагрессивных сред, например, кипящих ки

слотах (HCl, H2SO4,H3PO4), различных органических и неорганических веществах (кроме щелочей и фторидов).

Тугоплавкие металлы высокой чистоты отличаются большой пластичностью при комнатной температуре. Металлы технической чистоты отличаются высокой прочностью, но существенно различаются по пластичности. Если у металлов VA группы периодической системы (V, Nb, Ta) пластичность достаточно велика, то у элементов VIAгруппы (Cr, W, Mo) она практически равна нулю.

При повышении температуры тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с кислородом и другими газами. Они способны растворять водород, кислород, азот и углерод. Растворимость этих элементов с понижением температуры уменьшается, а в хроме, молибдене и вольфраме при температурах ниже 1000 °С ничтожно мала. Углерод, азот и другие элементы при понижении температуры, выделяясь из раствора, образуют карбиды, нитриды и другие хрупкие соединения, отрицательно влияющие на пластичность. В металлах VA группы растворимость элементов внедрения (С, Н, О, N) при низких температурах на 2–3 порядка выше. Они остаются в твердом растворе и мало влияют на пластичность. У всех тугоплавких металлов технической чистоты наблюдается явление хладноломкости (переход из вязкого в хрупкое состояние). У ванадия, ниобия и тантала хладноломкость наступает при температурах ниже комнатной, у хрома и молибдена при 100–200 °С, а у вольфрама около 300 °С.

Прочность тугоплавких металлов сохраняется при температурах свыше 1000 °С. Однако чистые металлы (кроме хрома) подвержены высокотемпературному окислению и газовой коррозии, т.е. имеют низкую жаростойкость и без защитных металлических, интерметаллидных и керамических покрытий при высоких температурах работать не могут.

Mо и W в чистом виде используют в радиои электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов и пр.), в химическом машиностроении и т.д.

Более эффективным является использование жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов. В результате дисперсионного упрочнения путем образования карбидов ZrC, TiC, (Ti, Zr)C рабочие температуры для сплавов на основе ниобия и молибдена достигают 1300–1450 °С, а для сплавов на основе тантала – 2000 °С. Наиболее жаропрочными являются сплавы на основе вольфрама. Они выдерживают длительные нагрузки при температурах до 2200 °С, а кратковременные – до 2750 °С. Хром, ванадий и их сплавы по своим свойствам и уровню рабочих температур не превосходят жаропрочные никелевые сплавы.

Наибольшее применение в промышленности пока нашли сплавы на основе ниобия и молибдена. Составы сплавов приведены в табл. 62, а механические свойства при комнатной и повышенных температурах – в табл. 63.

 

 

 

 

 

Таблица 62

Химический состав сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава

Сост

ав, мас. % C

 

W             Mo              Zr

Nb            Другие

Сплавы на основе ниобия

ВН2 ВН2А ВН3 ВН4 ВН6 5ВМц

– 4,5–6,0 4,5–5,5

3,8–5,2 3,8–4,7 4,0–5,2 8,5–10,5 4,5–6,0 1,7–2,3

– 0,5–0,9 0,8–2,0 1,0–2,0

1,0 0,7–1,0

0,05

0,08

0,08–0,16

Ост. Ост. Ост. Ост. Ост. Ост.

– – – 0,01–0,05 Ti – –

             

Сплавы на основе молибдена

ТСМ3

Ост.

0,06–0,10

0,03–0,10N

ЦМ5

Ост.

0,4–0,6

0,04–0,07

ЦМ2А

Ост.

0,07–0,15

0,004

ВМ1

Ост.

0,08–0,25

0,01

ВМ3

Ост.

0,30–0,60

0,25–0,50

1,0–1,8

МР47

Ост.

47,0 Re

Таблица 63

Механические свойства сплавов на основе тугоплавких металлов

Марка сплава    I      σв , МПа (20 °С/1200 °С)      I            δ, % (20 °С/1200 °С)

 

ВН2

850/180–200

ВН2А

850/300

ВН3

780/250

18/–

ВН4

810/250

16/–

ВН6

890/–

–/–

5ВМц

450/–

30/–

ТСМ3

930/–

4/–

ЦМ5

775/500

11,5/6,0

ЦМ2А

800/300

25,0/18,0

ВМ1

800/340

10,0/17,0

ВМ3

830/500

0/9,0

МР47

1780/–

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температуре до 1500–2000°С.

Ниобий – светлосерый не слишком тяжелый металл, обладающий высокой химической устойчивостью. Из кислот на него действует только плавиковая. При нагревании до 200 °С он может взаимодействовать с фтором, хлором, водородом и азотом, но уже при 150 °С на поверхности образуется оксидная защитная пленка Nb2O5. Содержание ниобия в земной коре довольно велико: 0,002 %. Его производство затрудняется сложностью отделения от тантала.

Вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами чистый Nb применяют для изготовления теплообменников ядерных реакторов. Большое количество ниобия расходуется на легирование сталей и цветных сплавов.

Сплавы на основе ниобия используют как конструкционные жаропрочные материалы в термоядерной технике, авиационной и космической промышленности. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Детали из ниобиевых сплавов могут эксплуатироваться при температурах от – 200 до 1200–1300 °С.

Некоторые интерметаллические соединения ниобия приобретают свойство сверхпроводимости.

Молибден – серебристобелый сравнительно редкий металл (1,1 × 10–4 % в земной коре). Больше всего молибдена расходуется на легирование железоуглеродистых сплавов. Из чистого молибдена изготовляют детали электронных ламп и ламп накаливания – аноды, сетки, катоды, держатели нитей накала и вводы.

Сплавы на основе молибдена применяют для изготовления прессформ, для контуров ядерных реакторов, электродов эрозионноискровых аппаратов, нагревателей, деталей в судостроительной промышленности. Недостатками молибдена и его сплавов являются повышенная окисляемость при температурах выше 500 °С и низкая пластичность при нормальных температурах.


читать далее »

Сверхлегкие магниевые сплавы Сверхлегкие магниевые <strong class=сплавы" title="Сверхлегкие магниевые сплавы" align="left" width="200" height="150" class=""/>

Одним из элементов, входящим в число основных легирующих добавок для магния, является литий. Это щелочной металл серебристобелого цвета, с ярким металлическим блеском. На воздухе быстро тускнеет, соединяясь с кислородом. Он самый легкий из всех металлов, имеет плотность 0,54 г/см3, т.е. почти вдвое легче воды. Литий мягок, легко режется ножом.

Также как калий и натрий, литий реагирует с водой, образуя щелочь LiOH. Но эта реакция протекает более спокойно, и литий не воспламеняется, подобно калию, в реакции с водой. Зато он более активно взаимодействует с азотом, углеродом и водородом. Долгое время литий не находил практического применения. Лишь в ХХ веке его стали использовать в производстве аккумуляторов.

Перспективно использование лития и в качестве легирующей добавки. Сплавы магния с литием являются самыми легкими конструкционными материалами. Их плотность составляет 1,30–1,65 г/см3. Растворимость лития в магнии достигает 5,5 % (рис. 29). В зависимости от содержания лития сплавы могут быть однофазными (до 5,5 % Li – твердый раствор лития в магнии, свыше 10,5 % Li – твердый раствор магния в литии) и двухфазными (5,5–10,5 % Li). В ГОСТ 14957–76 включены два деформируемых сплава – МА18 и МА21, – содержащие литий. Стандартных литейных сплавов с литием нет.

В результате большого объема исследований системы Mg – Li с добавками алюминия, цинка, кадмия, олова и иттрия был разработан сплав МЛЦИ 14 (авторское свидетельство № 1116744) с плотностью 1,38 г/см3. Гарантированный предел прочности сплава при растяжении составил 170 МПа (удельная прочность составила 12,45), а относительное удлинение – 10 %. Сплав МЛЦ14 используется в приборостроительной отрасли для корпусных деталей.


читать далее »

Антифрикционные цинковые сплавы Антифрикционные цинковые <strong class=сплавы" title="Антифрикционные цинковые сплавы" align="left" width="200" height="131" class=""/>

Антифрикционные сплавы относятся к той же системе Zn – Al – Cu, что и литейные сплавы, но с более высоким содержанием легирующих добавок. В настоящее время применяют две марки сплавов: ЦА9М1,5 и ЦА10М5. Химический состав и свойства антифрикционных сплавов регламентируются ГОСТ 21437–95 (табл. 48).

Сплавы применяют как в литом, так и в деформированном состоянии. В первом случае к марке сплава добавляется буква Л, например ЦА10М5Л.

Антифрикционные сплавы имеют малый интервал кристаллизации (15–20 °С), что позволяет получать из них плотные отливки. Линейная усадка такая же низкая, как и у литейных сплавов (1,0–1,2 %). При кристаллизации сплавы склонны к образованию большой зоны столбчатых кристаллов, и, следовательно, велика опасность образования горячих трещин.

Таблица 47

Области применения цинковых литейных сплавов

 

Марка сплава           Характерные свойства                 Область применения

ZnA14A

Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, стабильность размеров

В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки деталей приборов, требующих стабильности размеров

ЦА4о

Хорошая жидкотекучесть, хорошая коррозионная стойкость, стабильность размеров

ЦА4

Как для марки ЦА4о, но с меньшей коррозионной стойкостью

ZnA14Cu1A

Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, почти полная стабильность размеров при естественном старении

В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки корпусных, арматурных, декоративных деталей, не требующих повышенной точности

ЦА4М1о

Хорошая жидкотекучесть, повышенная коррозионная стойкость, почти полная стабильность размеров при естественном старении

ЦА4М1

Как для марки ЦА4М1о, но с меньшей устойчивостью размеров

В автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности для отливки корпусных, арматурных, декоративных деталей, не требующих повышенной точности

ЦА4М1в

По технологическим и эксплуатационным свойствам уступает предыдущим маркам сплавов этой группы

В различных отраслях промышленности для литья не ответственных деталей

ZnAl4Cu3A

Хорошая жидкотекучесть, высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, изменяемость размеров до 0,5 %

В автомобильной и других отраслях промышленности для изготовления деталей, требующих повышенной точности

ЦА4М3о

Хорошая жидкотекучесть, высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, изменяемость размеров до 0,5 %

ЦА4М3

Как для марки ЦА4М3о, но с пониженной коррозионной стойкостью

Окончание табл. 47

 

Марка сплава           Характерные свойства                 Область применения

ЦА30М5

Предназначены для замены стандартного антифрикционного сплава ЦАМ10–5, значительно превосходят его по механическим свойствам и износостойкости

Вкладыши подшипников, втулки балансированной подвески, червячные шестерни, сепараторы подшипников качения

ЦА8М1

Как для марки ЦА4М1, но с более      В автомобильной, тракторвысокими прочностными свойствами ной, электротехнической

и других отраслях промыш

ленности

Таблица 48

Химический состав и механические свойства антифрикционных цинковых сплавов по ГОСТ 21437–95

 

Марка

Хим. состав, мас. %

Механические свойства, не менее

Al

Cu

Mg

? примесей

?в, МПа

?, %

НВ

ЦА9М1,5Л ЦА10М5Л

Отличаясь высокими антифрикционными свойствами и достаточной прочностью при комнатной температуре, эти сплавы служат хорошими заменителями бронз при работе в узлах трения, работающих при давлениях на подшипники не более 19,6 МПа и окружной скорости до 30 м/с. Рабочие температуры подшипников не выше 80–100 °С. При более высоких температурах сплавы сильно размягчаются и намазываются на вал. У цинковых сплавов высокий коэффициент линейного расширения, что следует учитывать при установлении величины зазора в подшипнике. Наиболее широко цинковые антифрикционные сплавы применяются для изготовления подшипников металлообрабатывающих станков.


читать далее »

Общие положения теории синтеза сплавов Общие положения теории синтеза <strong class=сплавов" title="Общие положения теории синтеза сплавов" align="left" width="150" height="200" class=""/>

Синтез сплавов направлен на разработку новых материалов с заранее заданными свойствами, или, правильнее сказать, материалов с оптимальными свойствами, которые обладают наивысшим уров

нем одного важнейшего свойства при соблюдении определенных ограничений по другим контролируемым свойствам. Получение сплава с требуемым высоким уровнем нескольких свойств может быть просто неразрешимой задачей.

Можно выделить следующие основные этапы синтеза сплава:

-    формулировка технического задания на сплав;

-    выбор основы сплава;

-    выбор легирующих элементов и определение вредных примесей;

-    выбор легирующих комплексов;

-    выбор состава сплава;

-    выбор режима термической обработки.

Техническое задание на сплав формулируется заказчиком, исходя из условий эксплуатации будущей отливки, и согласовывается с разработчиком. При этом, как указывалось выше, необходимо выделить важнейшее свойство, которым должен обладать сплав, и указать допустимый уровень ограничений по другим свойствам. Так, если отливка должна работать при высоких температурах и высоких нагрузках, то основное внимание при разработке сплава должно уделяться жаропрочности.

Выбор основы сплава определяется техническим заданием на свойства сплава, если же при анализе задания остается свобода выбора, то в первую очередь учитывается экономическая сторона. Привести фактическую цену любого металла на сегодняшний день не представляется возможным. Подчиняясь рыночным отношениям, они меняются ежедневно. К тому же цены на металлы и сплавы существенно зависят от их качества (степени чистоты). По относительной стоимости (если за единицу взять стоимость железа) основные химические элементы можно поделить на пять групп (табл. 5).

Надо учитывать, что не всегда самый дешевый металл позволит получить наибольший экономический эффект. Так, для деталей транспортных устройств выгоднее применить более дорогой базовый металл, если он имеет меньшую плотность. При снижении мас

сы деталей машина становится легче, экономичнее: снижается расход горючего, растет масса перевозимого груза и снижается стоимость грузоперевозок. Поэтому для наземного транспорта (автомобили) и авиации экономически оправдана замена железоуглеродистых сплавов на детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Применение титановых деталей целесообразно в авиации, а бериллиевые сплавы могут оправдать себя в космонавтике.

Таблица 5

Классификация металлов по относительной стоимости

 

Группа стоимости

Относительная цена

Элементы

Дешевые Недорогие Дорогие Дорогостоящие Очень дорогие

0,1–1

1,0–10

1–100

100–1000

1000 и более

C, O, N, S, Fe, Si

Zn, Mg, Al, Cu, Pb

Ba, B, V, Bi, W, Co, La, Nb, Ce, Th, Zr

Be, Y, Dy, In, Nd, Pr, Sm, Ta, Ag

Gd, Hf, Eu, Yb, Sc, Au, Pt

Выбору легирующего комплекса отводится особое внимание при разработке или модернизации литейного сплава. Выбор осуществляется на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с основой сплава и между собой путем анализа соответствующих диаграмм состояния и зависимостей «состав–свойство». Вид базовых диаграмм состояния и положение особых точек на них позволяют оценивать различные свойства сплава, как литейные, так и механические. При анализе достаточно изучить только начальные участки (блоки) диаграмм состояния. Все виды диаграмм состояния можно свести к нескольким типовым, начальные блоки которых и приведены на рис. 2.

Наиболее характерным для литейных сплавов является блок 2. Это часть диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектическим превращением. Элементы, образующие с базовым металлом такой блок, широко используются как основные или вспомогательные добавки.

На начальных блоках диаграмм, приведенных на рис. 2, можно выделить три важнейшие точки: Ср (предельная растворимость в твердом состоянии), Сэ или Сп (концентрация, соответствующая первой эвтектической или перитектической точкам) и Схс (концентрация, соответствующая образованию первого химического соединения). Координаты этих точек (т.е. концентрация и температура) позволяют более полно оценить возможное влияние элемента на свойства сплава.

Предельная растворимость элемента в твердом состоянии Ср является наиболее важной характеристикой двухкомпонентной системы для прогнозирования свойств сплавов. На совмещенных диаграммах состав–свойство всех изученных систем на эту точку приходятся экстремальные значения свойств или отчетливо видные перегибы. Чем больше предельная растворимость, тем больше упрочняется твердый раствор. Снижение растворимости при понижении температуры указывает на возможность проведения упрочняющей термической обработки.

Концентрация первой эвтектической Сэ или перитектической Сп точки показывает растворимость элемента в жидком сплаве при соответствующих температурах эвтектического или перитектического превращения. Если эвтектическая точка Сэ находится ближе к Ср, чем к точке Схс, то сплавы эвтектического состава будут обладать оптимальным соотношением литейных и эксплуатационных свойств.

Концентрация, при которой образуется первое химическое соединение Схс, отделяет на диаграммах состояния участок, являющийся перспективным для разработки сплава. По положению этой точки можно определить содержание хрупкого интерметаллида в эвтектике. Близость точек Сэ и Схс указывает на то, что эвтектические сплавы будут непригодны для промышленных целей изза наличия этой хрупкой составляющей.

Коэффициент распределения Кр в общем случае показывает различие концентраций элемента в твердой и жидкой фазах (Кр = Ст/Сж). При температурах эвтектического или перитектического превращения Кр можно определить через координаты точек Ср и Сэ или Сп (Кр = Ср/Сэ или Кр = Ср/Сп). Коэффициент распределения характеризует склонность сплава к дендритной ликвации, от степени развития которой зависят прочностные и пластические характеристики сплава.

Для конструкционного материала главным критерием является уровень механических свойств, а точнее, соотношение прочности и пластичности. Упрочнение сплавов при изменении их химического состава может быть достигнуто: увеличением в основе количества растворенных добавок (растворное упрочнение); образованием дисперсных фаз, выделяющихся в ходе термической обработки (дисперсионное упрочнение); ограничением содержания вредных примесей; модифицированием сплавов, термической обработкой. Каждый из этих путей упрочнения может быть реализован при выборе определенного ряда легирующих добавок и примесей. Рассмотрим выбор легирующего комплекса, обеспечивающего растворное упрочнение.

Прочность основы при добавлении в нее элементов с малой растворимостью Ср < 0,1 практически не меняется. При дальнейшем увеличении растворимости прочность сплава прогрессивно растет. Наибольшее упрочнение происходит при введении элементов, предельная растворимость которых находится в интервале от 0,8 до 20–30 ат. %. Прочность сплава достигает максимума при введении добавок, имеющих Ср = 50 ат. %. В случае, если Ср > 50 ат. %, добавка становится основой сплава.

Пластичность твердых растворов при увеличении растворимости может резко падать, если коэффициент распределения Кр > 0 или не превышает значения 0,01. При больших численных значениях коэффициента распределения (Кр > 1) пластичность может сохраняться, а при определенном сочетании Ср и Кр она даже повышается, проходит максимум и затем падает. Это наблюдается при добавлении к основе элементов с малой растворимостью, составляющей десятые доли атомного процента, и с высоким значением Кр.

Коэффициент распределения определяет степень дендритной ликвации элемента. Чем меньше значение Кр, тем выше концентрация этого элемента по границам зерен. При Кр = 1 элемент распределяется равномерно по всему объему кристалла.

Если построить такие диаграммы, как на рис. 4, для различных промышленно важных металлов и сравнить их между собой, то окажется, что положение кривых на диаграммах может несколько смещаться по отношению друг к другу, но общий характер зависимости свойств от растворимости сохраняется.

По характеру влияния на механические свойства основы сплава, т.е. в зависимости от величины критериев Ср и Кр, все химические элементы можно разбить на четыре группы.

Основные легирующие элементы: Ср ? 1 %, Кр ограничивается предельной величиной, ниже которой элементы становятся вредными примесями. Эти элементы являются главными упрочнителями, они не вызывают резкого снижения пластичности и могут служить единственной легирующей добавкой.

Вспомогательные легирующие элементы: Ср = 0,011,0 %, Кр также ограничивается некоторой предельной величиной. Эти элементы больше увеличивают пластичность, чем прочность. Их называют пластификаторами. При введении вместе с основными добавками они усиливают действие основных легирующих элементов.

Нейтральные примеси это малорастворимые элементы (Ср < 0,01 %).

Вредные примеси при любой не слишком малой растворимости имеют значение Кр меньше допустимого критического значения.

Границы между этими четырьмя группами несколько условны. Для каждого базового элемента могут быть свои граничные значения критериев Ср и Кр. Их определяют по параметрам элементов, влияние которых на данную основу уже изучено. К основным легирующим добавкам (по влиянию на прочность) могут быть отнесены элементы, у которых Ср ? 1 и Кр ? 0,05, к вспомогательным легирующим добавкам элементы, у которых Ср ? 0,011,0 и Кр ? 0,05, к вредным примесям элементы, имеющие Ср > 0,001 и Кр < 0,05.

На рис. 5 приведена классификация взаимодействия различных элементов с алюминием в зависимости от этих двух основных параметров. Подобные диаграммы Б.Б. Гуляев назвал статистическими диаграммами отсеивания. Каждый элемент на диаграммах обозначается точкой в соответствии со своими координатами (значениями Ср и Кр на диаграмме с базовым элементом). Пороговые значения Ср и Кр для проведения границ четырех групп устанавливаются по экспериментальным данным. Итак, на рис. 5 выделены четыре поля, которые делят все проанализированные элементы по отношению к алюминию на четыре группы: I основные легирующие элементы; II вспомогательные легирующие элементы; III нейтральные примеси; IV вредные примеси.

Что касается дисперсионного упрочнения (твердения), то оно возникает при образовании в твердом растворе дисперсных частиц твердой фазы. Выделение этих частиц происходит в результате уменьшения растворимости легирующих элементов в твердом состоянии. Как и при растворном упрочнении, наибольший эффект достигается при концентрациях легирующих добавок вблизи точек предельной растворимости. Упрочняющими фазами обычно являются различные металлические и интерметаллические соединения легирующих элементов с базовым компонентом или между собой.

Выбор состава сплава представляет собой задачу определения конкретного оптимального состава сплава, который может быть включен в нормативный документ. На этой стадии устанавливаются допуски по содержанию каждого легирующего элемента и ограничения на содержание вредных примесей. Так как на предыдущих этапах синтеза число компонентов, входящих в сплав, сведено до минимума, то оптимальный состав можно находить путем планируемого эксперимента с построением математических моделей состав–свойство.

Выбор режима термической обработки осуществляется для тех сплавов, строение которых принципиально позволяет проводить упрочняющую термическую обработку. Обязательным условием для этого является изменение растворимости упрочняющей фазы при понижении температуры.


читать далее »

Припои Припои

Припои служат для соединения различных металлов и сплавов путем заполнения промежутка (шва) между деталями в расплавленном состоянии. Поэтому припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.

По своему составу припои разделяются на несколько групп. Наибольшее распространение получили оловянносвинцовые припои по ГОСТ 21930–79. Для лучшего смачивания и растекания в них добавляют сурьму. Химический состав припоев приведен в табл. 53. Эти сплавы изза малой прочности и твердости еще называют мягкими припоями.

 К числу твердых припоев относятся медноцинковые, меднофосфористые и медносеребряноцинковые. Твердыми припоями паяют сталь, чугун, медь и бронзы. В данном разделе твердые припои не рассматриваются.

Наиболее технологичными являются припои, имеющие эвтектический или близкий к нему состав. Для них характерны отсутствие или малая (не более 10 °С) разница между начальной и конечной температурами их плавления. К таким припоям относятся оловянносвинцовые припои марок ПОС 61, ПОС 61М, ПОССу–61–0,5; оловянносвинцовокадмиевый припой ПОСК 50–18, оловянносвинцововисмутовый припой ПОСВ 33 и припои, содержащие индий. Припои эвтектического состава почти мгновенно переходят из жидкого состояния в твердое, обладают повышенной растекаемостью и коррозионной стойкостью, а также имеют более низкие температуры пайки.

Кроме оловянносвинцовых припоев с сурьмой применяются припои с серебром: ПСр 1,5, ПСр 2 и ПСр 2,5. Они предназначены для пайки монтажных соединений, работающих в условиях повышенных температур – от 150 до 250 °С. Пайка и лужение тонких проводов из золота, серебра и покрытых ими деталей выполняется припоями ПСрОСИнЗ56 и ПСрИнЗ, содержащими индий, который снижает скорость растворения драгоценных металлов и образование интерметаллидов. Припои марок П150А, П250А и ПЗ00А, не содержащие свинец, предназначены для пайки монтажных элементов из алюминия и его сплавов, а также соединения их с медью, медными сплавами и другими металлами.

В литейном производстве припои используются для доводки поверхностей металлических моделей, для устранения поверхностных дефектов на отливках и для защиты отливок от коррозии путем лужения.


читать далее »

Золото и его сплавы Золото и его <strong class=сплавы" title="Золото и его сплавы" align="left" width="200" height="133" class=""/>

Золото было первым металлом, с которым познакомился человек. В чистом виде оно имеет красивый яркожелтый цвет с хорошим блеском, который усиливается при полировке. С давних пор золото использовалось для ювелирных украшений и чеканки монет. Кроме того, в настоящее время сплавы золота используются в радиои микроэлектронике, медицине, атомной технике. Как видно из табл. 51, золото является тяжелым металлом с довольно высокой температурой плавления.

Ценнейшим свойством золота является химическая стойкость. Оно растворяется только в смеси соляной и азотной кислот – царской водке. По своей химической стойкости и механической прочности золото уступает большинству платиноидов, но незаменимо в качестве материала для электрических контактов. Хотя удельное сопротивление золота больше, чем у меди и серебра, оно широко используется в микроэлектронике в виде золотых проводников и гальванических покрытий контактных поверхностей, разъёмов, печатных плат. Специфической областью использования золота благодаря его технологичности являются сплавы для зубных протезов.

Чистое золото в твердом состоянии обладает весьма высокой пластичностью. Из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км. Из него можно получит листы толщиной 0,0001 мм (сусальное золото), которые будут пропускать свет. Изза малой прочности золото в чистом виде в промышленности не применяется. Для упрочнения золота можно применять такие металлы, как кобальт, никель, медь, серебро, палладий и платина, которые хорошо растворяются в нем. Все они и входят в состав ювелирных и контактных сплавов и золотых припоев.

Состав и некоторые физические свойства ювелирных сплавов золота приведены в табл. 58.

Основными сплавами для производства ювелирных изделий являются сплавы 585й пробы. Сплавы 750й пробы более мягкие. Они хорошо поддаются полировке и пайке.

В ювелирных сплавах на основе золота ограничивают содержание таких примесей, как свинец (0,005 %), железо (0,15 %), сурьма (0,005 %), висмут (0,005 %), кислород (0,007 %). Суммарное содержание примесей не должно превышать 0,17 %.

Сплавы золота 375й пробы (пять марок) довольно быстро тускнеют. Цветовая гамма от желтого до красного. Самый твердый и прочный сплав розового цвета. Используют сплавы преимущественно для изготовления обручальных колец.

Сплав 500й пробы (ЗлСрМ500–10) имеет низкие литейные свойства, в производстве практически не применяется, упоминается лишь для осуществления надзора имеющихся ювелирных изделий.

Сплавы 585й пробы (9 марок) весьма прочные, хорошо поддаются формоизменению. Достаточно устойчивы на воздухе и практически не тускнеют. Имеют широкий цветовой диапазон от белого, красного и желтого до зеленого с различной интенсивностью оттенков. Это основной материал для изготовления ювелирных украшений, сувениров и предметов ритуальнообрядового назначения.

Сплавы 750й пробы (10 марок) по свойствам очень схожи с чистым золотом. Они абсолютно устойчивы на воздухе, достаточно твердые и прочные, легко поддаются ковке и особенно подходят для тонкой рельефной выколотки и филигранных проволочногибочных работ. Имеют широкую цветовую гамму. Наряду со сплавами 585й пробы применяются для ювелирных украшений.

Сплав 958й пробы почти не подвержен коррозии, но очень мягкий и практически не сохраняет полировку.


читать далее »

Взаимодействие магния с другими элементами

Первые магниевые сплавы были созданы в начале прошлого века сначала как литейные, а позднее – и как деформируемые. Создавались сплавы традиционным путем, т.е. методом проб и ошибок. За основу были приняты системы Mg – Mn, Mg – Al и Mg – Zn. Двойные сплавы магния с марганцем и тройные сплавы магния с алюминием и цинком вошли в первые стандарты. Сплавы тройной системы Mg – Al – Zn сохранили свое значение до настоящего времени.

Воспользуемся методами теории синтеза сплавов, и сравним, насколько совпадают теоретические рекомендации с составами существующих промышленных сплавов.

Прогноз о взаимодействии различных элементов с магнием может быть составлен на основе анализа двойных диаграмм состояния. В табл. 13 в качестве примера приведены параметры начальных участков двойных диаграмм состояния магния лишь с некоторыми важнейшими элементами, которые лучше всего подходят для легирования литейных, в том числе и магниевых, сплавов. Полная таблица, содержащая данные по 89 элементам, приведена в работе.

Магний образует непрерывный раствор только с кадмием; 23 элемента имеют растворимость в магнии, равную или большую, чем 1 % (ат). В том числе: Li, Al, Cr, Mn, Zn, Cd, Sn, Ti, 7 лантаноидов и др. Некоторые из них имеют растворимость больше 10 % (ат) (см. параметр Ср в табл. 13). Эвтектику с магнием образуют 40 элементов, 13 – восходящую перитектику, индий – нисходящую перитектику. С 16 элементами образуются монотектики (блок 6 на рис. 2 – сочетание на диаграмме состояния непрерывного раствора и непрерывного расслоения сверху).

Таблица 13

Параметры начальных участков двойных диаграмм состояния магния с некоторыми элементами

 

Элемент

Тип превращения

Температура превращения, °С

Ср, ат. %

Сэ, ат. %

Кр

Li

Эвтектика (Э)

588

17,0

24,5

0,69

Be

Э

(540)

0,014

1,0

0,014

Mg

Раствор (Р)

650

100

1,00

1,00

Al

Э

437

11,6

30,1

0,39

Si

Э

637

(0,1)

1,16

0,025

Ca

Э

517

0,6

10,5

0,057

Ti

Перитектика восходящая (Пв)

650

2102

210 3

10

V

Пв

(651)

(0,3)

0,006

5

Cr

Пв

(658)

(1)

(0,55)

1,82

Mn

Пв

652

2,46

1

2,46

Fe

Э

650

4,3.10–4

8,6103

0,05

Cu

Э

485

0,6

14,5

0.041

Zn

Э

340

2,4

28,1

0,085

Y

Э

565

3,6

7,3

0,48

Zr

Пв

654

0,99

0,16

6,2

Nb

Пв

651

0,50

0,12

4,0

Ag

Э

471

4

17,5

0,23

Cd

Р

321

100,0

100,0

1,0

Sn

Э

561

3,45

11,0

0,31

Sb

Э

629

0,04

10,0

0,004

La

Э

612

0,040

3,4

0,012

Nd

Э

548

0,61

7,6

0,08

Th

Э

582

0,49

7,05

0,07

На рис. 20 показаны результаты анализа возможных компонентов для магниевых сплавов и их деление на различные категории.

Условием выбора основных легирующих добавок для конструкционных сплавов магния, работающих при температурах не более 150 °С, являются параметры Ср ≥ 1 и Кр > 0,05. Этому условию удовлетворяют 15 обычных элементов и 7 элементовлантаноидов (от Gd до Lu, исключая Yb). Вспомогательными добавками могут быть элементы с Ср ≥0,1 и Кр > 0,05. Этому условию удовлетворяют 13 обычных элементов и 5 лантаноидов и торий.

Лантаноиды – семейство из 14 металлов, имеющих атомные номера от 58 по 71. Они следуют в таблице элементов за лантаном. Это Ce – церий, Pr – празеодим, Nd – неодим, Pm – прометий, Sm – самарий, Eu – европий, Gd – гадолиний, Tb – тербий, Dy – диспрозий, Ho – гольмий, Er – эрбий, Tu – тулий, Yb – иттербий, Lu – лютеций. Все они входят в группу редкоземельных металлов.


читать далее »

Взаимодействие меди с другими элементами

Медь образует непрерывные твердые растворы с 6 элементами, 10 элементов имеют растворимость больше 10 ат. % и 21 элемент – больше 1 ат. %.

В табл. 25 приведены параметры начальных двойных диаграмм состояния меди с некоторыми элементами.

Полные сведения о диаграммах состояния меди со всеми элементами приведены в работе.

 

Таблица 25

 

Параметры начальных участков двойных диаграмм состояния меди с некоторыми элементами

 

Элемент

Тип превращения

Температура превращения, °С

Ср, ат. %

Сэ, ат. %

Кр

Н

М

1083

0,0086

0,031

0,28

Li

Э

179

20,0

99,99

0,20

Ве

Пн

866

16,4

21,4

0,77

В

Э

1060

0,53

10,7

0,05

Na

М

400

0,10

0,32

0,31

Mg

Э

722

8,2

21,9

0,37

Al

Э

1037

16,0

18,0

0,90

Si

Пн

852

11,25

17,0

0,66

P

Э

714

34,0

15,7

0,22

S

Э

1067

0,014

1,48

0,01

Ca

Э

917

0,5

9,5

0,053

Ti

Пн

895

7,3

23,0

0,32

V

Пв

1120

0,8

0,4

2,00

Cr

Э

1075

0,8

1,56

0,52

Mn

Рк

870

38,5

38,5

1,00

Fe

Рв

1094

4,5

3,2

1,40

Co

Пв

1112

5,5

4,5

1,22

Ni

Рн

1454

100,0

100,0

1,00

Cu

Рн

1083

100,0

100,0

1,00

Zn

Пн

902

31,9

36,8

0,87

Ga

Пн

915

16,3

21,5

0,76

Ge

Пн

823

11,8

17,0

0,69

Ag

Э

779

4,9

60,1

0,081

Окончание табл. 25

 

Элемент

Тип превращения

Температура превращения, °С

Ср, ат. %

Сэ, ат. %

Кр

Cd Sn Sb

Пн Пн Э

549 798 645

2,1 7,7 6,0

44,0 15,5 19,0

0,045 0,50 0,314

П р и м е ч а н и е . Э – эвтектика, Пв – верхняя перитектика, Пн – нижняя перитектика, М – монотектика, Рв – раствор восходящий, Рн – раствор нисходящий, Рк – раствор катотектический.

Условиями выбора основных легирующих элементов для наиболее распространенных сплавов меди являются: Ср > 7; Кр > 0,3. Этим условиям отвечают 19 элементов. Если исключить дорогостоящие (Ga, Ge, Tc, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au), то останется 9 элементов (Be, Mg, Al, Si, Ti, Mn, Ni, Zn, Sn).

Условиями выбора легирующих добавок второго разряда являются Ср > 0,1; Кр > 0,01. Таких элементов насчитывается 21, среди которых 12 относятся к дорогостоящим. Остаются 9 вспомогательных добавок (Cr, Cd, Sb, Zr, Li, P, Co, Fe, Pb).

К вредным примесям можно отнести 14 элементов, у которых Ср > 0,001; Кр > 0,02. Наиболее вредное влияние на медь и медные сплавы оказывают H, O, S, Se, Te, Bi, Sr.

Классификация элементов периодической таблицы по отношению к меди показана на рис. 35. Составы основных медных сплавов сформировались еще в прошлые века, и создание какихлибо новых композиций весьма проблематично. Существующие сплавы вписываются в те рамки, которые определены в результате проведенного анализа.

Наиболее подходящими элементами для легирования меди оказались Zn, Sn, Al. Как правило, в медные сплавы вводится один основной легирующий элемент из числа этих трех, который определяет комплекс механических и технологических свойств, и несколько вспомогательных добавок, усиливающих действие основного. Большинство медных сплавов основано на двойных системах Cu – Zn, Cu – Sn и Cu – Al, которые являются базой главных медных сплавов – латуней и бронз. Комплексное легирование медных сплавов почти не применяется. Это объясняется малой взаимной растворимостью основных легирующих элементов. К трем перечисленным базам целесообразно добавлять (1–2 %) другие легирующие элементы в небольших количествах. На рис. 35 не выделены элементымодификаторы. Ими могут быть V, B, Fe, C, La, Ce и Hf. Чаще всего для измельчения зерна достаточно ввести железо.


читать далее »

Цветные сплавы

Сплавами называют материалы, имеющие металлическую природу. Они представляют собой смесь двух или более химических элементов (в том числе и неметаллов). Как правило, сплавы получают путем совместного плавления всех его компонентов. Компонентами называют все химические элементы, содержание которых контролируется в сплаве. Из компонентов выделяют основу сплава. Это металл, определяющий общий характер и основные свойства сплава. Его содержание превышает 50 % от общей массы сплава. Встречаются сплавы с двумя и даже тремя основами. В этом случае концентрация основы близка к 30 %.

Кроме основы сплава, в его состав входят легирующие компоненты. Это добавки, специально вводимые в сплав для придания ему тех или иных свойств. Их содержание может находиться в пределах от 0,001 до 0,1 % (микролегирующие добавки) или от 0,1 до 20 % и выше (макролегирующие добавки).

При производстве в сплавы всегда попадают различные примеси из руды, топлива, атмосферы, огнеупоров и инструмента. Эти примеси делятся на две группы: нежелательные (вредные) и допустимые. Содержание вредных компонентов контролируется и ограничивается, так как они снижают уровень требуемых рабочих или технологических свойств. Допустимые примеси не оказывают существенного влияния на свойства, поэтому их содержание не ограничивается и не контролируется. Одни и те же элементы в различных сплавах даже на одной и той же основе могут быть полезными (легирующими компонентами) или, попав в сплав случайно, вредными.

К отдельной группе можно отнести модификаторы. Это компоненты, вводимые в сплав в очень малых количествах для воздействия на процесс кристаллизации с целью регулирования структуры.

Составы сплавов и их свойств во всех странах мира регламентируются нормативными документами. В России это государственные стандарты (ГОСТы), технические условия (ТУ), отраслевые стандарты и нормы. Нормативные документы в первую очередь определяют химический состав сплавов. Они же содержат сведения о том, какие свойства могут быть достигнуты при заданном составе сплава, способе литья и режиме ТО.

Сплавы цветных металлов по технологическим признакам делят на литейные и деформируемые. Из деформируемых сплавов сначала производят (отливают) различные заготовки в виде слитков различного сечения (круглые, плоские, квадратные, прутки, трубные заготовки и т.д.). Эти изделия в дальнейшем подвергают пластической деформации (прокатке, ковке, штамповке, протяжке, волочению и т.п.). Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации с массой от долей грамма до десятков тонн. Минимальные толщины стенок отливок могут быть от 0,5–2 мм, а максимальные не имеют ограничений.

Химический состав деформируемых сплавов выбирается таким, чтобы обеспечивать хорошую пластичность и способность к обработке давлением. Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой усадкой, низкой склонностью к образованию пористости, ликвации и трещин при затрудненной усадке. Деформируемые сплавы обычно представляют собой однородные твердые растворы. Для них характерно сочетание высокой прочности и пластичности. В качестве литейных используют многофазные сплавы преимущественно эвтектического типа с узким интервалом кристаллизации и хорошими литейными свойствами.

Темпы роста производства отливок из цветных сплавов опережают рост производства отливок из чугуна и стали. Выпуск отливок из различных видов цветных сплавов в промышленно развитых странах характеризуется следующими соотношениями: алюминиевые сплавы – 60–65 %, цинковые – 15–20 %, медные – 15–18%, магниевые – 3–5 %.

Как указывалось ранее, большинство цветных металлов и сплавов относятся к дефицитным и дорогим материалам. В связи с этим большое внимание уделяется сбору и переработке лома и отходов и производству из них вторичных сплавов. Рабочие сплавы, приготовленные из вторичных материалов, значительно дешевле сплавов из чистых первичных металлов, но они отличаются повышенным содержанием примесей. При использовании современных плавильных агрегатов и технологических процессов можно обеспечить получение литых изделий высокого качества и из вторичных сплавов.

Выбор основы сплава производится по его главному, ведущему свойству. Такое деление всех элементов периодической системы по плотности приведено на рис. 1. Здесь выделены три группы элементов: легкие, тяжелые и очень тяжелые. На практике цветные сплавы принято делить только на легкие и тяжелые. Плотность является одной из важнейших классификационных характеристик сплавов. В справочной, научнотехнической и учебной литературе деление сплавов на легкие и тяжелые является общепринятым. В настоящем учебном пособии изучение литейных сплавов производится в соответствии с этой классификацией.


читать далее »

Медноникелевые сплавы Медноникелевые <strong class=сплавы" title="Медноникелевые сплавы" align="left" width="150" height="150" class=""/>

Большое значение в технике имеют медноникелевые сплавы. По своей сути эти сплавы можно отнести к разряду бронз. Медноникелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Двойные сплавы системы Cu – Ni могут быть дополнительно легированы железом, кремнием, марганцем.

Почти все сплавы этой группы имеют свои специальные названия: мельхиор, нейзильбер, куниаль и др. Химический состав наиболее известных сплавов приведен в табл. 41.

Таблица 41

Химический состав некоторых медноникелевых сплавов по ГОСТ 492–73

 

Марка сплава

Легирующие элементы, %

Ni + Co

Fe

Mn

Zn

Al

Cu

МН19

(мельхиор)

18,0–20,0

Ост.

МНЖМц30–1–1 (мельхиор)

29,0–33,0

0,5–1,0

0,5–1,0

Ост.

МНЦ15–20 (нейзильбер)

13,5–16,5

18,0–20,0

Ост.

МНА13–3 (куниаль А)

12,0–15,0

2,3–3,0

Ост.

НМЖМц28–2,5–1,5 (монель)

Ост.

2,0–3,0

1,2–1,8

51,0–55,0

МНМц43–0,5 (копель)

42,5–44,0

0,1–1,0

Ост.

МНМц40–1,5 (константан)

39,0–41,0

1,0–2,0

Ост.

Эти сплавы предназначены для обработки давлением. Но некоторые изделия, в частности художественные, получают литьем.

Медноникелевые сплавы имеют достаточно высокие механические свойства, позволяющие использовать их как конструкционные материалы. В табл. 42 приведены механические свойства деформируемых сплавов в мягком состоянии, т.е. без наклепа. Здесь же показаны некоторые физические свойства, полезные для литейщиков.

Ниже рассмотрены основные свойства медноникелевых сплавов и области их применения.

Таблица 42

Механические и физические свойства медноникелевых сплавов

 

Марка сплава

Плотность, г/см3

Температура

плавления

(Тлик/Тсол), °С

Линейная усадка, %

МПа

δ, %

HB

МН19

8,9

1190/1130

2,29

400

35

70

МНЖМц30–1–1

8,9

1230/1170

2,10

380–400

23–28

70

МНЦ15–20

8,7

1080

2,02

380–450

35–45

70

МНА13–3

8,5

1183

380

13

260

НМЖМц28–2,5–1,5

8,82

1350

2,1

450–500

25–40

130

МНМц43–0,5

8,9

1290/1220

400

35

90

Мельхиоры отличаются высокой коррозионной стойкостью в различных средах (морской воде, в органических кислотах, растворах солей и т.д.). Они применяются в морском судостроении, для изготовления монет, столовых приборов, медицинского инструмента, деталей в точной механике и химической промышленности. Из мельхиоров можно отливать герметичные детали.

Куниали могут быть упрочнены путем ТО. Прочность после закалки и пластической деформации возрастает до 900 МПа. Отличные упругие свойства позволяют изготовлять пружинящие детали.

Нейзильбер имеет красивый серебристый цвет. Этот сплав не окисляется на воздухе, устойчив в растворах солей и органических кислотах. Сплав применяют для изготовления деталей точной механики, медицинских инструментов, технической посуды, столовых приборов и художественных изделий. Свинцовистый нейзильбер (МНЦС17–18–1,8) служит материалом для мелких деталей часов, приборов и другой аппаратуры на станкахавтоматах.

Копель, константан служат материалом для термопар.


читать далее »

Литейные магниевые сплавы Литейные магниевые <strong class=сплавы" title="Литейные магниевые сплавы" align="left" width="200" height="142" class=""/>

Первые магниевые сплавы были предназначены для получения фасонных отливок.

Испытание временем выдержали три группы литейных магниевых сплавов:

-    I – сплавы на основе системы Mg –Al – Zn;

-    II – сплавы на основе системы Mg – Zn – Zr;

-    III – сплавы, легированные РЗМ.

Химический состав сплавов по ГОСТ 2856–79 приведен в табл. 15, а механические свойства – в табл. 16.

Сплавы I группы (МЛ3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6) относятся к числу высокопрочных (среди магниевых сплавов) конструкционных материалов. Двойные диаграммы состояния магния с алюминием и цинком приведены на рис. 21 и 22. Максимальная растворимость этих элементов составляет 12,7 % Al и 8,4 % Zn. Растворимость обоих элементов уменьшается с понижением температуры. Наибольший эффект упрочнения достигается за счет Al. Минимальная концентрация алюминия установлена на уровне 6 %, а максимальная составляет 10,2 %, что меньше предельной растворимости. Цинк упрочняет твердый раствор в меньшей степени. Для повышения коррозионной стойкости во все сплавы I группы введен марганец в количестве от 0,1 до 0,5 %. Для уменьшения окисляемости в расплавленном состоянии применяют добавки бериллия (0,001–0,002 %) или кальция (до 0,2 %). Кальций, кроме того, повышает плотность и способность к ТО.

Эвтектические составы в системах Mg – Al и Mg – Zn находятся в области высоких концентраций, к тому же в состав эвтектики входят хрупкие интерметаллиды. В связи с этим эвтектические сплавы применения не нашли. Все сплавы I группы являются многофазными по структуре. Кроме твердого раствора алюминия и цинка в магнии, в сплавах можно обнаружить интерметаллиды: Mg17Al12 (?фаза), MnAl (?фаза), Al2Zn3Mg3 (Тфаза) и другие. Переменная растворимость и наличие интерметаллических фаз указывают на возможность проведения упрочняющей ТО.

На рис. 23 показана структура сплавов МЛ5 и МЛ4. В литом состоянии (см. рис. 23, а) на фоне ?твердого раствора алюминия и цинка в магнии хорошо видны частицы интерметаллического соединения Mg4Al3. Количество этой фазы зависит от содержания алюминия. Наибольшее количество второй фазы обнаруживается в структуре сплава МЛ6. После закалки (см. рис. 23, б) избыточные фазы растворяются в твердом растворе. Внутри и по границе зерен твердого раствора остаются включения марганцовистой фазы и остатки нерастворившихся включений Mg4Al3. Структура сплава МЛ4 (см. рис. 23, в) вследствие большого содержания цинка отличается наличием Тфазы.

Общими особенностями магниевых сплавов, в том числе и сплавов I группы, являются пониженные литейные свойства и склонность к образованию рыхлоты (газоусадочной пористости). Это объясняется широким интервалом кристаллизации и склонностью к поглощению водорода. Растворимость водорода в чистом магнии при температуре плавления достигает 30 см3/100 г. Поскольку растворимость водорода в алюминии на порядок ниже, то и в сплавах, содержащих алюминий, растворимость водорода уменьшается, но все же остается высокой (до 20 см3/100 г). В изломе отливки рыхлота выдает себя пятнами светложелтого, серого или черного цвета.

Сплав МЛ3 содержит наименьшее количество легирующих добавок. Он относится к группе сплавов средней прочности. Коррозионная стойкость выше, чем у сплава МЛ5, но литейные свойства довольно низкие. Так как интервал кристаллизации (не более 90 °С) меньше, чем у остальных сплавов этой группы, то сплав отличается повышенной герметичностью.

Малая жидкотекучесть, высокая горячеломкость и большая усадка затрудняют получение сложных фасонных отливок. МЛ3 применяют для литья в разовые формы несложных деталей, от которых требуется высокая герметичность (детали арматуры, корпуса насосов).

Термической обработкой сплав не упрочняется, но в литом состоянии механические свойства достаточно высокие. По пластичности и прочности он превосходит сплав МЛ5, не прошедший ТО. Свойства сплава в меньшей степени зависят от толщины стенки по сравнению со сплавами МЛ4 и МЛ5.

Сплав МЛ4 можно считать высокопрочным сплавом, он хорошо упрочняется ТО. Средний температурный интервал кристаллизации сплава 155 °С, но может достигать до 210 °С. В связи с этим сплав склонен к образованию микрорыхлоты, и отливки будут иметь низкую герметичность. Коррозионная стойкость выше, чем у сплава МЛ5. Сплав МЛ4пч может применяться для деталей, работающих в условиях морского или тропического климата. Изза склонности к образованию горячих трещин сплав применяют только для литья в разовые песчаные формы. Изготовляют детали двигателей и агрегатов, подвергающиеся статическим и динамическим нагрузкам: корпуса приборов и инструментов, барабаны тормозных колес, корпуса тормозов и тормозных колодок, фермы, штурвалы и др. Рабочие температуры – до 150 °С.

Для получения плотных отливок рекомендуется установка прибылей на массивных частях и холодильников.

Сплав МЛ5 обладает наилучшим сочетанием литейных и механических свойств изо всех сплавов I группы, благодаря чему он получил наиболее широкое применение в технике для получения высоконагруженных деталей литьем в разовые песчаные формы, в кокиль и под давлением. Интервал кристаллизации уже, чем у сплава МЛ4, поэтому меньше склонность к образованию горячих трещин, отливки получаются более плотными. Сплав имеет удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошо сваривается. Для изготовления ответственных деталей используют модификацию МЛ5пч. Пониженное содержание вредных примесей в первую очередь повышает коррозионную стойкость, улучшает пластичность. Детали из сплава МЛ5пч, поверхность которых защищена анодной пленкой и лакокрасочными покрытиями, могут работать в условиях морского и тропического климата при температурах не выше 150 °С. В авиационных двигателях работают сотни деталей из магниевых сплавов. В основном это сплавы МЛ5 и МЛ5пч. Широко применят сплав МЛ5 и для деталей автомобильных двигателей. Во многих случаях сплав МЛ5 может с успехом заменять алюминиевые сплавы АК12, АК9, АК7, АМ5 и др., что приводит к снижению массы изделия.

Для менее ответственных деталей можно использовать сплав МЛ5он с повышенным содержанием примесей. Его можно готовить из вторичных металлов и сплавов и из отходов, что существенно снижает стоимость сплава. Изза повышенного содержания примесей по коррозионной стойкости данный сплав уступает сплаву МЛ5. Несколько ниже и средние показатели механических свойств. При назначении режима термической обработки необходимо учитывать, что температура солидуса сплава МЛ5он ниже, чем у сплава МЛ5. Температуру нагрева под закалку следует выбирать более низкую, иначе может произойти оплавление отливок.

Сплав МЛ6 содержит наибольшее количество легирующих добавок из всех сплавов I группы. Он превосходит сплавы МЛ3, МЛ4 и МЛ5 по жидкотекучести, менее склонен к образованию горячих трещин, имеет меньшую усадку.

Сплав упрочняется ТО. Из механических свойств можно отметить более высокие значения предела пропорциональности и низкую пластичность. Сплав хорошо сваривается и имеет удовлетворительную коррозионную стойкость. Недостатком сплава МЛ6 является широкий интервал кристаллизации и, как следствие, склонность к образованию микрорыхлот. Его применяют для среднеи высоконагруженных деталей, работающих при температурах до 150 °С, особенно когда требуются повышенные упругие свойства. Можно изготовлять корпуса, детали приборов, требующие постоянства размеров.

Примеси, попадающие в сплавы I группы, в основном ухудшают механические и технологические свойства, но могут оказывать и некоторое положительное влияние. Бериллий снижает окисляемость расплавов, но при содержании более 0,002 % увеличивает размер зерна, снижает механические свойства и повышает склонность к образованию трещин. Железо, медь (свыше 0,1 %) и кремний (свыше 0,3 %) снижают коррозионную стойкость. Особенно резко снижает коррозионную стойкость при содержании свыше 0,01 % никель. Бор, титан, цирконий, церий оказывают модифицирующее действие, измельчают структуру сплавов.

Сплавы II группы (МЛ8, МЛ12, МЛ15) легированы двумя элементами: цинком и цирконием, удачно дополняющими друг друга. На рис. 24 приведен левый угол диаграммы состояния системы Mg – Zn. Как указывалось ранее, растворимость цинка в магнии достаточно велика и составляет 8,4 %. Это указывает на возможность растворного упрочнения двойных сплавов системы Mg – Zn. Однако изза низкой температуры эвтектического превращения (343 °С) возможные двойные сплавы имели бы очень широкий интервал кристаллизации (до 300 °С), а значит, и очень низкие литейные свойства. При исследовании механических свойств двойных сплавов системы Mg – Zn установлено, что предел прочности и предел текучести растут с увеличением содержания цинка до 5 – 6 %. При дальнейшем увеличении концентрации цинка предел прочности снижается. Это объясняется появлением в структуре хрупкой фазы Mg2Zn, образующейся в результате распада фазы Mg7Zn3 (на рис. 24 эта фаза располагается между сплошными линиями в интервале температур 343–330 °С).

Несмотря на положительное влияние циркония на технологические свойства, содержание цинка в сплавах системы Mg – Zn – Zr свыше 5 % нежелательно. При больших концентрациях цинка увеличивается склонность сплава к образованию микрорыхлоты и горячих трещин в отливках.

Растворимость циркония в жидком магнии невелика, она составляет 0,6–0,7 %. Цирконий повышает температуру плавления эв

тектики в тройной системе Mg – Zn – Zr до 450 °С и существенно уменьшает интервал кристаллизации. При содержании более 0,7 % цирконий оказывает модифицирующее действие, образуя в расплаве дополнительные центры кристаллизации.

Сплавы II группы отличаются повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Дополнительное легирование сплавов редкоземельными элементами позволяет повысить жаропрочность, плотность и свариваемость отливок.

Проведение плавки этих сплавов затруднено изза медленного растворения циркония.

Сплав МЛ12 является представителем только тройной системы Mg – Zn – Zr. По сравнению со сплавами МЛ5 и МЛ6 он обладает повышенной пластичностью. Литейные свойства удовлетворительные. Склонность к газоусадочной пористости ниже, чем у сплава МЛ5.

В литом состоянии механические свойства МЛ12 выше, чем у всех остальных магниевых сплавов (см. табл. 16). Его можно применять для ответственных деталей в литом состоянии. Однако сложный фазовый состав и изменение размеров областей твердых растворов цинка и циркония в магнии в зависимости от температуры дают возможность проводить упрочняющую термическую обработку. Прочность сплава после ТО по режимам Т1 и Т6 возрастает на 15–20 % с сохранением хорошей пластичности.

Свойства сплава мало зависят от толщины стенки отливки. По жаропрочности и усталостной прочности МЛ12 существенно превосходит сплав МЛ5. Его рекомендуется использовать для высоконагруженных деталей, работающих при ударных и вибрационных знакопеременных нагрузках: различных корпусов, колес самолетов и т.п. Рабочие температуры достигают до 200 °С, а при кратковременной эксплуатации – до 250 °С. К недостаткам сплава можно отнести несколько худшую технологичность (склонность к образованию трещин при литье и при заварке дефектов).

Сплав МЛ8 отличается по составу повышенным содержанием цинка и добавкой кадмия, который полностью находится в твердом растворе. По прочности МЛ8 уступает только более дорогому сплаву МЛ9.

Сплав предназначен для отливок средненагруженных деталей, работающих при температуре до 150 °С.

Сплавы могут длительно работать при температурах 250–350 °С и кратковременно – при температурах до 400 °С. Все они отличаются хорошими литейными свойствами, высокой герметичностью и малой склонностью к образованию горячих трещин. Высокие механические свойства однородны в сечениях различной толщины. Сплавы хорошо свариваются аргоннодуговой сваркой. В разд. 3.2 было показано, что многие РЗМ могут служить основными и вспомогательными легирующими добавками. В промышленных сплавах нашли применение лантан, неодим, церий и иттрий. Все сплавы магния с РЗМ содержат цинк и цирконий. Цинк и цирконий упрочняют твердый раствор. Цирконий дополнительно измельчает зерно, повышает механические и технологические свойства.

Сплавы МЛ9 и МЛ10 относятся к системе Mg – Nd – Zr. Структура сплавов представляет собой твердый раствора неодима, циркония и цинка или индия (МЛ9) в магнии и эвтектики по границам зерен, в состав которой входит соединение Mg9Nd (рис. 26). После термической обработки соединение Mg9Nd принимает округлую форму. Внутри зерна появляются мелкодисперсные частицы продуктов распада твердого раствора (рис. 27).

В сплаве МЛ9, который содержит больше неодима, наблюдается и большее количество избыточной фазы Mg9Nd по границам зерен, чем в сплаве МЛ10.

Механические свойства сплавов при комнатной температуре достаточно высокие, но главным является то, что они хорошо сохраняются при повышенных (до 250 °С) температурах. Сплавы применяют для изготовления деталей двигателей и самолетов: различные корпуса, рамы, каркасные детали, детали управления.

Вредными примесями в сплавах МЛ9 и МЛ10 являются алюминий, кремний и железо. Они образуют с цирконием нерастворимые в магнии соединения и тем самым выводят цирконий из сплава, уменьшая его полезное влияние. Сплавы рекомендуется применять в термически обработанном состоянии по режиму Т6. Коррозионная стойкость сплавов удовлетворительная и не уступает сплаву МЛ5.

Сплав МЛ11 отличается от других сплавов данной группы тем, что в его состав входит смесь РЗМ, так называемый мишметалл. Основу мишметалла составляет церий (до 75 %). Среди прочих РЗМ, входящих в него, можно назвать лантан, неодим, празеодим и др. По ГОСТ 2856–79 конкретное содержание этих элементов не оговаривается.

Литейные магниевые <strong class=сплавы" title="Литейные магниевые сплавы" width="432" height="235" class=""/>

а                                                    б

Рис. 26. Микроструктура сплавов системы Mg Nd Zr в литом состоянии (×200): а сплав МЛ9; б сплав МЛ10

Литейные магниевые <strong class=сплавы" title="Литейные магниевые сплавы" width="432" height="235" class=""/>

б

Рис. 27. Микроструктура сплавов системы Mg Nd Zr после ТО по режиму Т6 (×200): а сплав МЛ9; б сплав МЛ10

Структура сплава МЛ11 (рис. 28) похожа на структуру сплавов МЛ9 и МЛ10. Она представляет собой твердый раствор РЗМ, цинка и циркония в магнии. По границам зерен располагается эвтектика, содержащая Mg9Ce (см. рис. 28, а).

После ТО по режимам Т4 и Т6 сетка по границам зерен разбивается. Частицы интерметаллида Mg9Ce принимают округлую форму. Внутри зерен наблюдаются мелкодисперсные частицы продуктов распада твердого раствора (см. рис. 28, б и в). Сплав отличается высокой прочностью и герметичностью. Механические свойства при комнатной температуре довольно низкие, но они сохраняются при нагреве, а при высоких температурах свойства близки к свойствам МЛ10. Применяют МЛ11 для средненагруженных деталей, нагревающихся при эксплуатации до 250 °С, и для деталей, требующих высокой герметичности.


читать далее »

Сплавы для литья под давлением Сплавы для литья под давлением

Сплавы для литья под давлением кроме основы от 91 % Sn до 91 % Pb содержат добавки Sb и Cu.

Эти сплавы отличаются низкой температурой плавления, малой линейной усадкой (0,6–0,7 %) и малой склонностью к образованию трещин. За счет хорошей заполняемости сплавов отливки четко повторяют рельеф прессформ.

Применяются для изготовления игрушек (оловянные солдатики), художественных изделий и некоторых промышленных деталей. Отливки можно получать и другими способами литья, например, литьем в кокиль.

Во всех без исключения областях применения легкоплавких сплавов главным и необходимым свойством для применения этих сплавов по назначению является заданная низкая температура плавления.

Вторичными свойствами, востребованными в областях применения данных сплавов, могут быть: определённая плотность, прочность на разрыв, химическая инертность, вакуумплотность, теплопроводность. С экономической точки зрения на первое место выходит стоимость сплава и его плотность. Экономические показатели особенно сильно проявляются в крупнотоннажном расходе легкоплавкого сплава той или иной марки.


читать далее »

Литейные алюминиевые сплавы Литейные алюминиевые <strong class=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" align="left" width="200" height="150" class=""/>

Современное машиностроение уже невозможно представить без литейных алюминиевых сплавов. Доля отливок из этих сплавов в среднем составляет 60–65 % от валового выпуска отливок из всех цветных сплавов.

В соответствии с ГОСТ 1583–93 все литейные алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп:

-    I – сплавы на основе системы Al – Si – Mg;

-    II – сплавы на основе системы Al – Si – Cu;

-    III – сплавы на основе системы Al – Cu;

-    IV – сплавы на основе системы Al – Mg;

-    V – сплавы на основе системы Al – прочие компоненты. Химический состав алюминиевых литейных сплавов и основ

ные механические свойства приведены в табл. 9, а технологические и физические свойства – в табл. 10 и 11.

При комнатной температуре растворимость кремния снижается до 0,01 %. Эвтектика ? + Si содержит 12,5 % Si по массе, или 12,2 ат. %, и плавится при температуре 577 °С. Опыт показал, что эвтектические сплавы, точка эвтектики которых располагается близко к основному компоненту, имеют отличные литейные свойства. Это полностью подтверждается в системе алюминий–кремний. Эвтектический сплав АК12 (АЛ2) имеет лучшую жидкотекучесть из всех алюминиевых сплавов – 420 мм по прутковой пробе. Линейная усадка этого сплава менее 1 %. Горячие трещины в отливках из сплава АК12 не образуются даже в проблемных местах перехода от толстых сечений к тонким частям. Большинство сплавов І группы относится к доэвтектическим силуминам. Все они характеризуются узким интервалом кристаллизации. Литейные свойства лишь немного уступают сплаву АК12. Малая склонность к образованию трещин при затрудненной усадке и рассеянной усадочной пористости позволяют получать из них фасонные отливки с высокой герметичностью. Из сплавов АК7 и АК9 изготовляют корпуса изделий, работающих под повышенным давлением газовых и жидких сред, например, корпуса топливных насосов.

Механические свойства всех силуминов в первую очередь зависят от формы и размеров кристаллов кремния в эвтектике. При медленном охлаждении (литье в песчаноглинистые формы) образуются крупные кристаллы Si игольчатой формы. Это снижает механические свойства силуминов, особенно пластичность. Быстрое охлаждение (литье в кокиль) измельчает структуру, повышает прочность и пластичность. Еще более эффективно модифицирование расплава натрием, стронцием или другими модификаторами. Толстостенные отливки получают только из модифицированных силуминов.

Термическая обработка простых (двойных) силуминов упрочняющего эффекта не дает. Отливки из сплава АК12 используют либо без термической обработки, либо подвергают отжигу (режим Т2), который позволяет повысить пластичность. Введение в доэвтектические силумины магния в количестве 0,17–0,55 % приводит к образованию дополнительной фазы Mg2Si, с переменной растворимостью в твердом растворе ?Al, что повышает упрочняемость в процессе ТО по режимам Т4, Т5, Т6. Из тройной диаграммы Al – Si – Mg, приведенной на рис. 9, видно, что других соединений в приведенной части системы нет. Равновесная растворимость Mg не превышает 0,5–0,6 %. Фактическая растворимость при реальных скоростях охлаждения значительно ниже. Избыточное количество Mg (сверх растворимости) выделяется в виде крупных скоплений Mg2Si. Это приводит к росту прочности, но снижению пластичности силуминов. Если от сплава требуется высокая прочность, то содержание Mg выбирают на верхнем пределе, а если требуется сохранить пластичность, то его содержание ограничивают до 0,2–0,3 %.

Литейные алюминиевые <strong class=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" width="403" height="257" class=""/>

1%                  10                         20                        30                       Si %

Рис. 9. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al – Si – Mg

Упрочняющее влияние фазы Mg2Si растет при повышении содержания Si, однако это сопровождается повышением склонности к образованию газоусадочной пористости и концентрированных усадочных раковин. В связи с этим Mg вводят только в сплавы, содержащие не более 10 % Si. В сплаве АК12 магний не допускается даже в примесях.

Наиболее вредной примесью для силуминов является железо. Образующаяся тройная фаза AlFeSi кристаллизуется в форме грубых игольчатых включений, резко снижающих пластичность.

Для нейтрализации вредного влияния железа в сплавы вводят 0,2–0,5 % Mn (АК9) или 0,15–0,4 % Be (АК8), которые образуют более сложные фазы, кристаллизующиеся в компактной форме. Измельчение структуры, например, в результате увеличения скорости охлаждения также уменьшает вредное влияние Fe. В связи с этим в сплавах, предназначенных для литья в кокиль или ЛПД, допускается более высокое содержание Fe, чем в сплавах для литья в песчаные формы. Повышенное содержание Fe в расплаве при ЛПД даже полезно, так как способствует повышению стойкости прессформ.

Микроструктура силуминов показана на рис. 10. В доэвтектических сплавах видны дендриты твердого раствора ? и эвтектика ? + Si (рис. 10, а). При увеличении содержания кремния растет количество эвтектики (рис. 10, б). В сплаве эвтектического состава (рис. 10, в) хорошо видны игольчатые кристаллы кремния, которые равномерно распределены в твердом растворе ?. В завтектических силуминах (рис. 10, г) появляются компактные кристаллы первичного Si.

К недостаткам силуминов можно отнести повышенную склонность к насыщению водородом и, как следствие, повышенную склонность к образованию газовой пористости. Сплавы плохо обрабатываются резанием. Изза выкрашивания частиц хрупкого кремния обработанные поверхности имеют повышенную шероховатость. Силумины плохо свариваются.

Сплав АК12 (АЛ2) является наименее прочным из силуминов (см. табл. 9). Эвтектический состав обеспечивает ему лучший комплекс литейных свойств. Он нашел самое широкое применение в машиностроении и приборостроении для литья деталей любой сложности, не несущих больших нагрузок. Рабочие температуры не выше 200 °С.

полностью переходит в твердый раствор. Если не проводить искусственное старение, то постепенно произойдет естественное старение, при этом возможно коробление деталей. Большое количество эвтектики определяет хорошие литейные свойства сплава. Кроме того, он обладает высокой герметичностью, хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью газовой и аргоннодуговой сваркой. Сплав рекомендуется применять в модифицированном состоянии. Механические свойства сплава средние, обрабатываемость резанием удовлетворительная. Механические и некоторые другие свойства, например герметичность, повышаются при снижении количества примесей.

Высокая технологичность сплава способствует его широкому применению в различных отраслях промышленности для литья сложных по конфигурации средненагруженных деталей приборов, агрегатов и двигателей, работающих при температурах не выше 200 °С. Сплавы АК7ч и АК7пч (АЛ91) используют для деталей более ответственного назначения.

Сплав АК9 (АЛ4) отличается от АК7 повышенным содержанием кремния и наличием марганца. Марганец введен для нейтрализации вредного влияния примеси железа. Железосодержащая фаза AlSiFe кристаллизуется в виде крупных пластинчатых частиц (рис. 11, а), которые снижают прочность и особенно – пластичность сплава. При наличии марганца образуется четверное соединение AlSiMnFe в более благоприятной компактной форме (рис. 11, б).

Сплав АК9 и его модификации АК9ч, АК9пч являются одними из наиболее прочных силуминов. Для устранения грубокристаллического строения эвтектики сплав необходимо модифицировать. Эффект модифицирования можно заметить, сравнив структуру сплава в литом состоянии (см. рис. 10, б) со структурой сплава, модифицированного натрием (см. рис. 11, б).

Литейные алюминиевые <strong class=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" width="418" height="196" class=""/>

а                                                    б

Рис. 11. Эффективность модифицирования силуминов:

а    немодифицированный сплав, содержащий 1,5 % Fe Ч 250;

б модифицированный сплав АК9

Модификатор измельчает кристаллы кремния в эвтектике и железистую фазу. Для устранения склонности к газовой пористости процесс кристаллизации крупногабаритных отливок осуществляется под повышенным давлением в автоклаве, что предотвращает выделение растворенного водорода и способствует получению плотных отливок. Из сплава отливают крупные и средние детали сложной конфигурации (корпуса насосов, картеры, блоки цилиндров двигателей и т.д.), работающие в условиях значительных нагрузок и внутренних давлений при температурах не выше 200 °С.

Сплавы АК8л (АЛ34) и АК10Су применяются реже, чем другие силумины. Они имеют более сложную технологию плавки и литья. В сплав АК8л введен бериллий, который обладает лучшей способностью к нейтрализации железа, снижает окисляемость сплава, но одновременно приводит к росту зерна. Для измельчения структуры в сплав добавлен титан. По прочности АК8л существенно превосходит сплавы АК7 и АК9. Он предназначен для литья сложных по конфигурации  и  крупных  корпусных  деталей,  работающих  под

большим внутренним давлением газа или жидкости и испытывающих большие напряжения при эксплуатации.

Сплавы II группы (АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5) в качестве основных компонентов содержат кремний от 4 до 22 % и медь от 0,5 до 8 %. Медистые силумины представляют собой наиболее многочисленную группу алюминиевых сплавов. В зависимости от состава свойства этих сплавов меняются в широких пределах. По сравнению с обычными силуминами с одинаковым содержанием кремния, эти сплавы отличаются повышенной прочностью и твердостью, что объясняется большим пересыщением твердого раствора ?. По этой же причине медистые силумины могут работать при более высоких температурах, чем простые силумины. Повышению жаропрочности способствует и появление новых упрочняющих фаз, таких как CuAl2. В ГОСТ 1583–93 остался только один сплав АК8М3 тройной системы Al – Si – Cu. Все остальные содержат еще однудве добавки: магний, марганец и др.

В связи с более сложным составом все сплавы II группы имеют многофазную структуру. Основными структурными составляющими являются первичные кристаллы твердого раствора ?, двойная эвтектика ? + Si и тройная эвтектика ? + Si + CuAl2. В сплавах, содержащих Mg, появляется и четверная эвтектика ? + Si + CuAl2 + Mg2Si. Примеси железа образуют игольчатые включения железистой составляющей (AlFeSi). Добавки марганца, как и в простых силуминах, придают железистой составляющей (AlFeSiMn) более компактную форму, в меньшей степени снижающую пластичность.

На рис. 12 приведена микроструктура сплава АК5М2. Она представляет собой дендриты ? – твердого раствора с игольчатой эвтектикой ? + Si. Кроме того, заметны включения фазы CuAl2 и железосодержащие фазы.

Литейные алюминиевые <strong class=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" width="254" height="252" class=""/>

Рис. 12. Микроструктура сплава АК5М2

Структура заэвтектического силумина АК21М2,5Н2,5 содержит кристаллы первичного кремния и эвтектику ? + Si. Добавки никеля в этом сплаве создают своеобразный каркас из дополнительной никелевой фазы, которая существенно повышает жаропрочность.

Все сплавы II группы, несмотря на существенные различия в химическом составе, имеют узкий интервал кристаллизации и сохраняют отличные литейные свойства. Жидкотекучесть лишь немного хуже, а линейная усадка чуть больше, чем у простых силуминов. Сплавы более склонны к образованию усадочных дефектов и горячих трещин при затрудненной усадке. Краткая характеристика некоторых медистых силуминов приведена ниже.

Сплав АК5М (АЛ5) обладает достаточно высокой прочностью при комнатной температуре (не менее 235 МПа, ТО по режиму Т6) и повышенной жаропрочностью. К недостаткам сплава относится низкая пластичность и пониженная коррозионная стойкость, которую можно повысить более чем в 2 раза путем снижения содержания железа. Сплав обладает хорошими литейными свойствами. Герметичность его несколько хуже, чем у простых силуминов. Сплав

практически не склонен к образованию горячих трещин. Он хорошо обрабатывается резанием, удовлетворительно сваривается аргоннодуговой сваркой. Сплав предназначен для литья средненагруженных деталей, работающих при температурах не выше 250 °С (головки цилиндров, детали агрегатов и т.д.).

Аналогичный по составу сплав АК5Мч отличается от прототипа низким содержанием примесей и добавкой титана, который измельчает зерно и повышает прочность и пластичность.

Сплав АК8М (АЛ32) характеризуется сочетанием достаточно высоких значений прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. Для него характерны хорошие литейные свойства и удовлетворительная коррозионная стойкость. Герметичность сплава близка к герметичности сплава АК12. Горячеломкость, линейная и объемная усадки такие же, как у сплава АК9. Сплав применяют для изготовления деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре до 150 °С.

Сплав АК8М3ч (ВАЛ8) относится к группе высокопрочных. Высокая прочность достигнута в результате дополнительного многокомпонентного макро(медь, цинк) и микролегирования (бериллий, титан и бор) базовой системы Al – Si – Mg. Огромное влияние на прочностные характеристики этого сплава оказывают и термовременные параметры термической обработки. Совместное введение меди и цинка обеспечивает существенный прирост прочности при сохранении пластичности. Медь и магний влияют на эффективность ТО. Бериллий нейтрализует вредное влияние железа, снижает окисляемость сплава в жидком состоянии и повышает коррозионную стойкость. Бор и титан оказывают модифицирующий эффект. Наибольшая прочность (выше 400 МПа) достигается при термообработке по режиму Т5 (закалка и старение при 160 °С, 8 ч). Сплав рекомендуется для производства силовых и герметичных деталей с рабочими температурами до 250 °С. Он может заменить (унифицировать) собой все остальные медистые силумины. По комплексу технологических свойств сплав АК8М3ч превосходит все другие сплавы этой группы. Приготовление сплава не требует специального

оборудования, но все же технология его плавки и литья более трудоемка. Из экономических соображений использование только сплава АК8М3ч нецелесообразно. Отливки менее ответственного назначения можно изготовлять из более простых сплавов.


читать далее »

Литейные латуни Литейные латуни

Из всех тяжелых цветных сплавов наибольшее распространение в машиностроении получили латуни. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют достаточно высокие механические свойства.

Латунями называют сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Различают простые (двойные) латуни и специальные, которые содержат одну или несколько других добавок. Чаще всего в латуни добавляют Pb, Al, Si, Mn, Fe и Ni. Специальные латуни обычно называют по преобладающей добавке: свинцовые, кремнистые, марганцовые, алюминиевые. Для фасонного литья простые латуни используют редко.

Базовая диаграмма состояния системы Cu – Zn приведена на рис. 36.

На диаграмме выделяются пять перитектических площадок. По отдельным ветвям ликвидуса между ними из жидкости кристаллизуется шесть различных фаз: ?, ?, ?, ?, ?, и ?. Рассмотрим только три первые фазы, имеющие практическое значение.

Фаза ? является типичным твердым раствором замещения, где в ГЦК решетке чистой меди часть мест атомов меди занимают атомы цинка. Предельная растворимость цинка в меди достигается при температуре 454 °С. При более высокой температуре растворимость снижается до 32,5 % (902 °С), а при комнатной температуре составляет около 35,2 %. Эта фаза является мягкой, пластичной и не слишком прочной структурной составляющей.

Фаза ? также является твердым растворм, но его основой является не медь, а химическое соединение CuZn с ОЦК решеткой. Область существования этой фазы сужается при понижении температуры. При этом в сплавах, лежащих по обе стороны от этой области, проис

ходит распад ?фазы с выделением ?или ?кристаллов. Фаза ? наиболее прочная структурная составляющая, но обладает малой пластичностью. Причиной падения пластичности является образование упорядоченного твердого раствора, который обозначается ? '. При температурах ниже 454468 °С атомы меди в решетке ?фазы располагаются в вершинах куба, а атомы цинка занимают место в центре.

Фаза ? является твердым раствором на основе химического соединения Cu5Zn8, имеющего сложную кубическую решетку. Это очень хрупкая и малопрочная составляющая.

Отсюда следует, что практическое значение могут иметь только однофазные (? или ?) и двухфазные ? + ? сплавы, содержащие не более 50 % Zn. Появление ?фазы в рабочих сплавах недопустимо.

Наиболее часто в двойных латунях встречаются такие примеси, как железо, висмут, свинец, сурьма, мышьяк и фосфор. Железо в не

больших количествах от 0,1 до 0,2 % не оказывает заметного влияния на механические свойства двойных латуней, остальные примеси охрупчивают сплавы.

Введение третьего компонента в двойные латуни может существенно изменить их структуру и свойства. Экспериментально установлено, что любая добавка третьего компонента сдвигает границы структурных областей латуни.

Судить о структуре многокомпонентных сплавов необходимо по диаграммам состояния тройных, четверных и более сложных систем, которые сложно представить в доступной форме. На практике используют диаграмму состояния системы Cu – Zn, а влияние добавок учитывают при помощи коэффициентов эквивалентности, показывающих, какое количество цинка заменяет введенная добавка.

Каждый новый компонент влияет на структуру, также как и цинк, но эффект от добавки 1 % этого компонента иной. Численные значения коэффициентов эквивалентности были установлены французским металлургом Гийе (Guillet): Si 10–12, Al 4–6, Sn 2, Pb 1, Fe 0,9, Mn 0,5, Ni –1,3. Коэффициент эквивалентности никеля имеет знак «минус», т.е. его добавка аналогична увеличению содержания меди (уменьшению содержания цинка). В общем случае для любой многокомпонентной латуни можно определить кажущееся содержание цинка (Zn') по формуле

Zn' = (Zn + ? ЭК/ Zn + Cu + ? ЭК)100 %,

где Zn, Cu и Э – действительные содержания Zn, Cu и добавляемого элемента в процентах; К – коэффициент эквивалентности добавляемого элемента.

Таким образом, зная коэффициенты эквивалентности Гийе и состав латуни, можно прогнозировать структуру латуни по диаграмме состояния Cu – Zn. Например, легко подсчитать, что структура латуни, содержащей 25 % Zn, 5 % Al, 1 % Fe и 69 % Cu, будет аналогична структуре двойного сплава с 42,4 % Zn (коэффициент эквивалентности Al принят равным 5). Необходимо иметь в виду, что речь идет только о структуре. Механические свойства много

компонентной латуни будут существенно отличаться от свойств двойной латуни, содержащей 42,4 % Zn.

Химический состав литейных латуней приведен в табл. 26, а механические свойства этих сплавов – в табл. 27.

Таблица 26

Химический состав литейных латуней по ГОСТ 17711–93

 

Основные элементы, % (остальное – Zn)

Допусти

мая сум

ма при

месей

Марка латуни

Cu

Al

Fe

Mn

Si

Рb

ЛЦ40С

57,0–61,0

0,8–2,0

2,0

ЛЦ40Сд

58,0–61,0

0,8–2,0

1,5

Лц40Мц1,5

57,0–60,0

1,0–2,0

2,0

ЛЦ40Мц3Ж

53,0–58,0

0,5–1,5

3,0–4,0

1,7

ЛЦ40Мц3А

55,0–58,5

0,5–1,5

2,5–3,5

1,5

ЛЦ38Мц2С2

57,0–60,0

1,5–2,5

1,5–2,5

2,2

ЛЦ30А3

66,0–68,0

2,0–3,0

2,6

Лц25С2

70,0–75,0

0,5–1,5 Sn

1,0–3,0

1,5

ЛЦ23А6Ж3Мц2

64,0–68,0

4,0–7,0

2,0–4,0

1,5–3,0

1,8

ЛЦ16К4

78,0–81,0

3,0–4,5

2,5

ЛЦ14К3С3

77,0–81,0

2,5–4,5

2,0–4,0

2,3

Таблица 27

Механические свойства литейных латуней

 

Марка латуни

Способ литья

Механические свойства, не ниже

?в, МПа

?, %

HB

ЛЦ40С

П К,Ц

215 215

12 20

70 80

ЛЦ40Сд

Д К

196 264

6 18

70 100

ЛЦ40Мц1,5

П К,Ц

372 392

20 20

100 110

ЛЦ40Мц3Ж

П К Д

441 490 392

18 10 10

90 100 90

Окончание табл. 27

 

Марка латуни

Способ литья

Механические свойства, не ниже

?в, МПа           ?, %              HB

ЛЦ40Мц3А ЛЦ38Мц2С2

К,Ц П К

441 245 343

15 15 10

115 80 85

ЛЦ30А3

П К

294 392

12 15

80 90

ЛЦ25С

ЛЦ23А6Ж3Мц2

П П К

146 686 705

8 7 7

60 160 165

ЛЦ16К4

П К

294 343

15 15

100 110

ЛЦ16К3С3

П К

245 294

7 15

90 100

Комплексное легирование специальных латуней позволяет улучшить их механические и технологические свойства. Алюминий повышает прочность, жидкотекучесть и коррозионную стойкость латуни. Марганец, увеличивая прочность и коррозионную стойкость, несколько снижает жидкотекучесть. Железо измельчает структуру и, следовательно, улучшает механические свойства. Кремний повышает прочность латуни, сохраняя ее пластичность, и улучшает литейные свойства. Свинец придает сплавам антифрикционные свойства и способствует лучшей обрабатываемости резанием.

Свинцовые латуни ЛЦ40С и ЛЦ40Сд нашли наиболее широкое применение в промышленности. Свинец нерастворим в твердой меди и в латуни присутствует по границам зерен в виде самостоятельной мягкой фазы. Это улучшает антифрикционные свойства латуни.

Из этой латуни отливают различную арматуру, в том числе бытовые кранысмесители, втулки и сепараторы шариковых и роликовых подшипников и другие детали.

Марганцовые латуни ЛЦ40Мц1,5, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ37Мц2С2К имеют двухфазную структуру. Марганец хорошо растворяется в меди. Он повышает механические свой

ства и коррозионную стойкость в морской воде. Добавки железа способствуют измельчению зерна, что приводит к повышению прочности и вязкости. Алюминий в еще большей степени, чем железо, повышает прочность и твердость марганцовых латуней. Добавки свинца, выделяющегося в виде мелких включений, улучшают антифрикционные свойства. Микроструктура некоторых марганцовых латуней показана на рис. 38.

Литейные латуни

в

Рис. 38. Микроструктура марганцовых латуней: а ЛЦ38Мц2С2 ×120; б   ЛЦ 40Мц3Ж (55 % Cu) ×250; в    ЛЦ 40Мц3Ж (52 % Cu) ×250

Эти латуни применяются в основном в судостроении для литья разнообразных деталей: от крупных судовых винтов до мелкой арматуры. Латунь со свинцом ЛЦ38Мц2С2 применяется и для арматуры вагонных подшипников.

Алюминиевая латунь ЛЦ30А3 имеет хорошую жидкотекучесть, малую линейную усадку и является подходящим материалом для коррозионностойких деталей в морском и общем машиностроении.

Алюминиевожелезомарганцовая латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 является наиболее прочной из всех латуней. Упрочнение достигнуто за счет введения трех легирующих добавок, которые удачно дополняют друг друга. Предел прочности этого сплава может превышать 1000 МПа. Высокое суммарное содержание легирующих элементов обеспечивает получение однофазной ?структуры (рис. 39, а) с вкраплениями железосодержащей фазы.

К недостаткам латуни можно отнести следующую особенность. При содержании алюминия на верхнем пределе (свыше 6,8 %), а меди – на нижнем в структуре возможно появление хрупкой ?фазы (рис. 39, б). В этом случае пластичность отливок будет ниже 7 %, допустимых ГОСТом (см. разд. 2.2). Высокое содержание алюминия

приводит к повышенной окисляемости латуни и загрязнению сплава окисными пленами. Для их устранения необходимо рафинирование расплава при плавке.

Из латуни данной марки изготовляют детали ответственного назначения, работающие на изгиб при высоких знакопеременных нагрузках: нажимные винты и гайки нажимных винтов прокатных станов, массивные червячные винты и венцы червячных колес, другие детали.

Кремнистые латуни ЛЦ16К4 и ЛЦ16К3С3 отличаются лучшей жидкотекучестью из всех латуней. ЛЦ16К4 является коррозионностойким сплавом и применяется для получения сложных по конфигурации деталей приборов и арматуры. Добавка свинца в латуни ЛЦ16К3С3 повышает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Эта латунь успешно заменяет оловянные антифрикционные бронзы.

Некоторые физические и технологические свойства литейных латуней приведены в табл. 28.

Таблица 28

Физические и технологические свойства латуней

 

Марка латуни

Плотность,

Температура

Линейная

Объемная

Жидкотеку

г/см3

плавления, °С

усадка, %

усадка, %

честь, мм

ЛЦ40С, ЛЦ40Сд

8,5

885

2,2

5–6

580

ЛЦ40Мц1,5

8,2

880

1,6

5–6

560

ЛЦ40Мц3Ж

8,5

880

1,6

5–6

570

ЛЦ40Мц3А

8,4

920

1,8

5–6

550

ЛЦ38Мц2С2

8,5

880

1,8

5–6

400

Лц30А3

8,5

995

1,55

5–6

570

ЛЦ23А6Ж3Мц2

8,5

900

1,7

5–6

470

ЛЦ16К4

8,3

900

1,7

5–6

600

При производстве отливок из литейных латуней необходимо учитывать такое явление, как провал пластичности. При нагреве и охлаждении в интервале температур от 200 до 700 °С (для каждой марки латуни этот интервал имеет свои температурные границы)

резко снижаются такие характеристики, как относительное удлинение ?, относительное сужение ? и ударная вязкость KC. Если на отливку в этом хрупком интервале будут воздействовать динамические нагрузки, например при выбивке из форм, то на ней могут появиться холодные трещины.


читать далее »

Сплавы благородных металлов Сплавы благородных металлов

К группе благородных металлов относятся золото, серебро, платина, палладий, родий, иридий, рутений и осмий. Благородными их называют за высокую коррозионную стойкость. В качестве базы для одноименных сплавов используют золото, серебро и палладий. С основными физическими свойствами золота, серебра, а также платины и палладия, входящих в состав золотых и серебряных сплавов, можно ознакомиться в табл. 56.

Таблица 56

Основные физические свойства драгоценных и благородных металлов

 

 

 

Металл

Свойство

 

Au

79

Ag

Pt

Pd

Атомный номер

47

78

46

Плотность при 20 °С, г/см3

19,30

10,49

21,45

12,02

Температура плавления, °С

1063

960,5

1773

1552

Удельная теплоемкость при 20 °С, Дж/(кг·К)

134

235

134

243

Удельная теплопроводность при 20 °С, Вт/(м·К)

312

453

71,1

70,7

Коэффициент линейного термического расшире

 

 

 

 

ния при 25 °С, × 106/К

14

18,6

9,5

9,5

Удельное электросопротивление при 20 °С,

 

 

 

 

мкОм·см

0,0225

0,015

0,098

0,108

В России и большинстве других стран мира содержание благородных и драгоценных металлов в сплавах контролируется государством. Количество этих металлов определяется пробой. Пробой на

зывается и сам значок, наносимый на изделие. Известны три системы проб: русская, метрическая и каратная.

Русская, или золотниковая проба, действовала на территории России до 1926 года. Она была основана на русском фунте, который, как известно, равен 96 золотникам. В ней проба чистого золота равнялась 96 золотникам, а проба сплава выражала количество драгоценного металла в 96 долях массы всего материала, содержащего этот металл.

Метрическая система, которая сейчас действует и в России, показывает количество драгоценного металла в тысячных долях массы всего материала. Для ювелирных сплавов принято использовать 6 проб золота: 375, 500, 585, 750, 958 и 999, а для серебряных сплавов – 5 проб: 800, 830, 875, 925 и 960. Наивысшая 1000я проба является условной. Ее никогда не удастся получить. Может быть достигнута, например, проба 999, 999. Также трудно добиться в сплаве и идеально точного содержания драгоценного металла, поэтому на каждую пробу устанавливается ремедиум (предельное отклонение от нормы). По ГОСТ Р 51152–98 в ювелирных сплавах установлен только плюсовой ремедиум, равный 5. Минусовое отклонение исключается.

Каратная (британская система) предусматривает, что чистому золоту соответствует проба в 24 карата (24к). В этой системе приняты следующие пробы: 6к, 8к, 10к, 12к, 14к, 18к, 22к и 24к. Золотая проба 22к означает, что в 24 единицах золотого изделия содержатся 22 единицы чистого золота.

Соответствие различных систем проб показано в табл. 57.

Таблица 57

Различные системы проб сплавов благородных металлов

 

 

Система

Добавка

Сплавы и их применение

Метрическая

Русская

Каратная

1000 958 950 916

900

875 800 750

583

500 375

96

92

(91,2)

88

(86,4)

84

(76,7)

72

56

(48) (36)

24

23

(22,8)

22

(21,6)

21

(19,2)

18

14

12 (9)

Cu Cu Cu

Cu

Cu

Cu

Cu, Pt, Ag

Cu, Ag и др.

Cu Cu, Ag и др.

Химически чистые металлы Ювелирное золото Ювелирная платина Ювелирное серебро, золото для зубных протезов Международные сплавы для золотых и серебряных монет Столовое серебро Столовое серебро Международное ювелирное золото, золото и платина для зубных протезов Международное ювелирное золото

Дешевое ювелирное золото Дешевое ювелирное золото


читать далее »

Термическая обработка титановых сплавов Термическая обработка титановых <strong class=сплавов" title="Термическая обработка титановых сплавов" align="left" width="200" height="133" class=""/>

Путем высокотемпературной термической обработки практически не удается повлиять на структуру и механические свойства титановых сплавов. Поэтому такой вид ТО, как закалка, для титановых отливок не производится. Но изза низкой теплопроводности сплавов в разностенных отливках при неравномерном охлаждении возникают значительные остаточные напряжения, которые могут вызвать коробление деталей и даже появление трещин.

Чтобы уменьшить коробление при проектировании деталей и отливок, рекомендуется использование различных ребер жесткости и технологических перемычек. Для снятия остаточных напряжений отливки подвергают полному или неполному отжигу.

Полный отжиг осуществляют в печах с инертной атмосферой при температуре 800 °С для сплавов ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л и при 940 °С – для сплава ВТ9Л в течение 1–2 часов. Неполный отжиг проводят при температурах не выше 600 °С в печах с обычной воздушной атмосферой в течение 1,5–2 часов. Остаточные напряжения после полного отжига снимаются почти полностью (на 95 %), а после неполного отжига составляют около 30 % от исходного значения.


читать далее »

Состав и свойства чистого никеля Состав и свойства чистого никеля

Никель – химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 28, атомная масса 58,7, содержание в земной коре 5,8 × 10 –3 %. Это металл серебристобелого цвета с желтоватым оттенком, хорошо поддается ковке, полируется.

Металлический никель впервые был получен в 1804 году. Он был хрупким, так как содержал большое количество примесей. Около шестидесяти лет понадобилось, чтобы получить чистый никель, поддающийся ковке. Сначала он использовался для ювелирных изделий, затем – в химической промышленности и электротехнике, применялся для защиты металлических поверхностей – никелирования, заменил серебро в производстве монет. В настоящее время никель становится одним из важнейших промышленных металлов, влияющих на развитие технического прогресса. Он является основой жаропрочных, жаростойких и коррозионностойких сплавов. Никель входит в состав всех жаропрочных сталей и сплавов, идущих на изготовление наиболее ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей и энергетических установок. В современных авиационных ГТД на долю жаропрочных сплавов приходится до 40 % массы двигателя.

Никель имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а = 0,352387 нм. Плотность никеля 8,9 г/см3, температура плавления 1455 °С, температура кипения 2900 °С. Аллотропических превращений никель не имеет. При температурах ниже 360 °С он ферромагнитен, но магнитные свойства слабее, чем у железа. Никель обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, в том числе в пресной и морской воде.

Металлургическая промышленность выпускает электролитический никель нескольких марок, отличающихся содержанием примесей. Химический состав чистого никеля по ГОСТ 849–70Е приведен в табл. 35. Маркируется никель буквой Н и порядковым номером от Н0 до Н4. Никель, идущий на изготовление проволоки, прутков, полос и других деформированных полуфабрикатов (полуфабрикатный никель) маркируется буквами НП и номером от НП1 до НП4 (сумма примесей от 0,1 до 1 % соответственно).

Механические свойства никеля достаточно высоки. В литом состоянии ?в = 320–350 МПа, ? = 10–30 %, НВ = 30–120 МПа.


читать далее »

Взаимодействие никеля с другими элементами Легкие <strong class=цветные сплавы" title="Легкие цветные сплавы" align="left" width="200" height="140" class=""/>

Полный анализ начальных участков двойных диаграмм состояния никеля с другими элементами приведен в работе.

У никеля богатый выбор основных и вспомогательных легирующих добавок (рис. 48), 39 элементов имеют растворимость в никеле более 1 %, в том числе с 8 элементами никель образует непрерывные твердые растворы.

Для жаропрочных никелевых сплавов номенклатура основных легирующих добавок сужается. Необходимо отсеять те элементы, которые имеют низкую температуру превращения с никелем. Таким образом, остаются 10 элементов, пригодных для легирования жаропрочных никелевых сплавов: Cr, Fe, Co, Al, Ti, Nb, Mo, Ta, W, Re. Все эти элементы обладают взаимной растворимостью, поэтому возможно комплексное легирование.

Еще 5 элементов, имеющих меньшую растворимость в никеле, могут быть рекомендованы в качестве вспомогательных добавок. Модифицирующий эффект могут оказывать B, Mg, Y, La, Ba, Hf, Sc.

Наиболее вредными примесями для никеля являются Pb, Bi, As, Sb, О, P. Они практически не растворимы в нем и вызывают хрупкость. Еще более опасна сера, которая образует с никелем легкоплавкую эвтектику Ni – Ni3S2 (644 °С) и вызывает красноломкость.


читать далее »

Сплавы, имитирующие драгоценные металлы

С давних пор велись поиски материалов, способных если не заменить, то хотя бы имитировать драгоценные металлы и сплавы. При этом главное внимание обращали на цвет изделий. Ниже приведены некоторые отечественные и зарубежные материалы, из которых можно изготовлять художественные и ювелирные изделия при условии нанесения защитных покрытий, например, лаковых.

Алюминиевая бронза, или ауфир, аурал, ауфор сплав, содержащий 10 % алюминия. Имеет красивую золотистожелтую окраску, умеренно противостоит воздействию воздуха и влаги, хорошо поддается полировке.

Батбронза (bathbronze) сплав меди с 6 % олова, пригодный для имитации позолоты и литья художественных изделий.

Батметалл (bathmetall) – латунь, использовалась в Англии для производства столовой посуды.

Бельгика (belgika) – сплав под платину из 74,5 % железа, 16,6 % хрома и 8,9 % никеля.

Вермей (vermeil) – французское наименование позолоченного на огне серебра.

Гамельтон металл (hamiltonmetell) – латунь с 33,3 % Zn золотистожелтого цвета.

Голдин (goldin) – алюминиевая бронза, используемая в Германии для изготовления дешевых ювелирных изделий.

Дюраметалл (durametall) – алюминиевая латунь золотистобронзового цвета, используемая в Германии для изготовления ювелирных и художественных изделий.

Золото musiv – пластинки сульфидного олова с золотым блеском, которые применяются для золочения, не разъедаются серой и сероводородом и не чернеют.

Мангеймское золото – оловянистая латунь (83,6 % Cu, 9,4 % Zn и 7 % Sn), изделия по цвету похожи на золото и обычно подвергаются золочению.

Новое золото – оловянистая латунь (85 % Cu, 13 Zn и 2 % Sn), золотистый сплав для изготовления мелких изделий (брошки, цепочки и др.).

Нюрнбергское золото сплав меди с 2 % Au и 7 % Al, по окраске совершенно похож на золото.

Мозаичное золото – латунь с 34 % Zn с оттенком самородного золота.

Орайде (oreide), или «французское золото» – оловянистая латунь с 15 % Zn и 5 % Sn) или двойная латунь с 13 % Zn.

Пинчбек (pincbeek) – латунь с содержанием цинка от 7 до 17 %, применялась английским часовщиком Пинчбеком для изготовления общедоступных украшений, бижутерии, окладов (такая латунь у нас называется томпак).

Симилор – оловянистая латунь с 9,3 % Zn и 7 % Sn, похожая по окраске на золото и применяемая для изделий с последующим золочением.

Сплав алюминия по Крупу – алюминий с добавками от 7,0 до 8,5 % меди и от 4,5 до 5,5 % олова, легко льется, полируется, готовые изделия имеют красивый блестящий вид.


читать далее »

Области применения титановых сплавов

Основными потребителями титановых сплавов являются авиационная промышленность и ракетостроение. Использование титановых сплавов для авиационных двигателей началось в конце 50х годов прошлого века. Из них начали изготовлять рабочие и направляющие лопатки компрессоров, диски компрессоров, детали корпусов и оболочек. Применение титановых сплавов позволяет снизить массу при замене стальных деталей титановыми в 1,7 раза с сохранением показателей прочности и долговечности. В газотурбинных двигателях современного 4го поколения доля титановых сплавов составляет около 31 %.

Особенно выгодно применять титановые сплавы для изготовления деталей, работающих при температурах 300–600 °С. В этом интервале температур алюминиевые и магниевые сплавы работать уже не могут, а стали и жаропрочные никелевые сплавы значительно тяжелее титановых.

Широкое применение титановые сплавы находят в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки кораблей, подводных лодок, торпед.

В химической промышленности титановые сплавы применяют в насосах, предназначенных для перекачки серной и соляной кислот, а также оборудования хлорной промышленности.

Титановые сплавы сохраняют высокую ударную вязкость до температур жидкого водорода (–253 °С), поэтому их можно применять в холодильной промышленности и криогенной технике. Благодаря высокой коррозионной стойкости титановые сплавы можно использовать в медицинской промышленности для изготовления инструментов и аппаратов. Эти сплавы хорошо вживляются в человеческий организм. Различные протезы из титана применяют в стоматологии. В пищевой промышленности титановые сплавы успешно используются для наиболее ответственных деталей и узлов аппаратов, которые работают в условиях контакта с пищевыми средами, кислотами.

Из титановых сплавов изготовляют памятники покорителям космоса, спортивный инвентарь (клюшки для хоккея и гольфа) и др.

Ограничением для более широкого применения этих сплавов пока является высокая стоимость.

Многие перечисленные изделия и детали из титановых сплавов были получены и получают методами литейного производства.


читать далее »

Состав и свойства чистого магния

Магний – щелочноземельный металл II группы периодической системы Д.И. Менделеева. По распространенности в земной коре он занимает третье место после алюминия и железа. Для промышленного производства магния используют природные вещества, содержащие хлориды магния. В первую очередь это двойная соль – карналлит (MgCl2·KCl·6H2O). Крупнейшее месторождение карналлита в мире находится в Пермском крае.

Основные физикохимические свойства чистого магния приведены в табл. 1.

Магний представляет собой белый серебристый металл с температурой плавления 651 °С. Его плотность (1,738 г/см3) в 1,5 раза меньше плотности алюминия. При температуре плавления плотность магния составляет 1,57 г/см3. Температура кипения при атмосферном давлении 1107 °С. Магний имеет гексагональную плотноупакованную решетку, поэтому он отличается от других легких металлов низким относительным удлинением.

Магний характеризуется высокой химической активностью. Он легко окисляется на воздухе с образованием рыхлой окисной пленки. Отношение объема окисла к объему металла, из которого образовался окисел, меньше единицы (0,79), поэтому она не обладает защитными свойствами, особенно при температурах выше 450 °С, когда скорость окисления резко возрастает. При температуре 623 °С магний воспламеняется и горит ослепительно ярким светом. Горящий магний ни в коем случае нельзя тушить водой. Она только способствует его горению, а выделяющийся водород может привести к взрыву изза образования гремучего газа. Ранее, до появления лампвспышек, порошок или тонкую ленту магния использовали фотографы при съемке в затемненных условиях. Эта особенность магния широко использовалась в зажигательных, а затем – напалмовых бомбах. Огнеопасность магния и его сплавов способствовала возникновению определенного предубеждения против его технического применения.

Существенным достоинством магния является его отличная обрабатываемость резанием. При одинаковых скоростях резания магний требует примерно в шесть раз меньших усилий, чем сталь. Но и здесь необходимо соблюдать требования безопасности. Мелкая стружка может загореться, а мелкая магниевая пыль, образующаяся при шлифовании, в смеси с воздухом взрывается. Компактные детали или кусковые отходы магния практически безопасны в пожарном отношении. И все же на складах шихтовых материалов не рекомендуется хранить большие запасы этого металла. Во влажной окислительной среде поверхности чушек быстро покрываются окисной пленкой. Так как пленка рыхлая, то отличается малой теплопроводностью. Тонкие заливы, заусенцы в этом случае могут нагреться до температуры воспламенения изза выделяющейся теплоты образования окисла.

В соответствии с ГОСТ 804–93 в России выпускают три марки первичного магния: Мг96, Мг95 и Мг90. Цифры в маркировке указывают степень чистоты металла (99,96, 99,95 и 99,90 % соответственно). Химический состав чистого магния приведен в табл. 12. Следует отметить достаточно жесткое регламентирование содержания примесей. Наиболее вредными примесями для магния являются никель и железо, которые резко ухудшают коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Эти элементы почти не растворяются в магнии. При содержании более 0,01 % они выделяются в виде мельчайших частиц чистого железа и интерметаллида Mg2Ni, образуя большое число гальванических микропар, которые усиливают коррозию.

Таблица 12

Химический состав первичного магния по ГОСТ 804–93

 

Марка

Mg, %,

не ме

нее

Примеси, %, не более

 

Fe

Si

Ni

Cu

Al

Mn

0,004 0,010 0,030

Na

Ti

Мг96 Мг95 Мг90

99,96 99,95 99,90

0,003 0,003 0,040

0,004 0,004 0,009

0,001 0,0007 0,001

0,002 0,003 0,004

0,006 0,006 0,020

0,010 0,004 0,010

0,01

Чистый магний в качестве конструкционного материала не используется изза низких прочностных свойств. Большое промышленное значение имеют разнообразные сплавы на его основе.


читать далее »

Взаимодействие алюминия с другими элементами Взаимодействие алюминия с другими элементами

Изучение алюминиевых сплавов началось в конце XIX века. К 1990 году уже были известны диаграммы состояния алюминия с медью и кремнием. В настоящее время известны диаграммы состояния алюминия со всеми элементами, которые можно рассматривать в качестве возможных компонентов сплавов. Определим элементы, наиболее подходящие для легирования алюминия, исходя из принципов синтеза сплавов, рассмотренных в разд. 2.1.

В табл. 7 приведены основные параметры начальных участков двойных диаграмм состояния алюминия с некоторыми элементами. Более полные сведения можно найти в работе.

По приведенным параметрам начальных участков двойных диаграмм построена статистическая диаграмма отсеивания элементов (см. рис. 5). Каждый элемент на диаграмме представлен точкой в соответствии со своими координатами (значениями Ср и Кр). Сплошные линии делят их на четыре категории: І – основные легирующие элементы, ІІ – вспомогательные легирующие элементы, ІІІ – нейтральные примеси и ІV – вредные примеси. Границы групп (пороговые значения Ср и Кр) устанавливаются по экспериментальным данным. Для каждого металла они имеют свои значения.

Таблица 7

Параметры начальных участков двойных диаграмм состояния алюминия с некоторыми элементами

 

Элемент

Тип превращения

Температура превращения, °С

Ср, ат. % Сэ, ат. %

Кр

Li

Э

602

16,0

24,0

0,67

Mg

Э

449

18,9

37,9

0,50

Al

Р

660

100

100

1,0

Si

Э

577

1,59

12,3

0,13

Ca

Э

616

0,40

5,30

0,075

Ti

Пв

665

0,70

0,20

3,5

V

Пв

662

0.20

0,05

4,0

Cr

Пв

662

0,40

0,20

2,0

Mn

Э

658

0,85

0,90

0,94

Fe

Э

655

0.025

0,90

0,028

Ni

Э

640

0,02

2,7

0,0075

Cu

Э

548

2,5

17,3

0,14

Zn

Э

443

49

73

0,67

Sr

Э

660

0,04

0,3

0,13

Ag

Э

556

23,8

37,5

0,63

Cd

М

649

0,10

2,0

0,05

П р и м е ч а н и е : Э – эвтектика, Пв – верхняя перитектика, М – монотектика, Р – раствор.

К основным легирующим элементам можно отнести восемь элементов, у которых Ср ? 1 и Кр ? 0,05: Zn, Ag, Li, Mg, Ge, Ga, Cu, Si. Все они образуют с алюминием диаграммы эвтектического типа. Изза высокой стоимости следует отказаться от использования Ag, Li, Ga, Ge. Таким образом, основными легирующими добавками для алюминиевых сплавов можно считать Zn, Mg, Cu, Si. Следует учитывать, что цинк в больших количествах растворяется в алюминии, но в связи с малым значением объемного фактора и отсутствием интерметаллических соединений с алюминием не является сильным упрочнителем.

К числу вспомогательных легирующих добавок отнесены элементы, у которых Ср = 0,01…1, а Кр ? 0,05. Если исключить дорогостоящие элементы (Re, Tc, Hf, Sc, Rh, Au, Ru, Os), то таких добавок

остается 15: Mn, Ca, Be, Pb, In, Cd, Ti, Zr, Cr, Mo, B, Sr, Sb, Bi, Ba. Часть из них может оказывать дополнительное растворное упрочнение (Mn, Ca), часть – повышать жаропрочность путем образования устойчивых интерметаллических соединений (Ni, Cr, Ti, Zr). Однако большинство элементов этой группы могут служить модификаторами 1го (Ti, Zr, Cr,Mo,B) или 2го рода (Sr,Sb,Ba,Bi).

В число вредных примесей входят Fe, Co, As, Sn, а также лантаноиды и актиноиды.

Наиболее эффективным при разработке сплава является комплексное легирование несколькими элементами. Необходимо подбирать такие комбинации компонентов, которые взаимно усиливают свое воздействие. В том случае, когда добавки взаимно увеличивают свою растворимость в основе сплава, растворное упрочнение проявляется значительно сильнее. Таким образом, введение третьего компонента в раствор второго с основой будет эффективным в том случае, когда он хорошо растворяется не только в основе, но и во втором элементе. Сведения о взаимной растворимости элементов, которые отобраны в качестве основных легирующих добавок для алюминия, приведены в табл. 8. Из нее следует, например, что в сплавы алюминия с кремнием полезно вводить медь и марганец, которые имеют лучшую растворимость в кремнии, а в сплавы алюминия с магнием – цинк и марганец, которые хорошо растворяются в магнии.

Таблица 8

Взаимные растворимости основных легирующих элементов для алюминия

 

Растворимость элементов, ат. %

Растворитель

Mg

Zn               Cu               Si

Mn

Al

18,9

16,0

2,5

1,6

0,85

Mg

100

3,3

1,0

0,2

3,4

Zn

0,4

100

2,8

0,01

1,4

Cu

7,0

32,0

100

12,0

38,5

Si

0,1

0,01

1,0

100

1,0

Mn

0,1

13,0

61,5

3,0

100

 

Такой анализ был бы, безусловно, полезен при разработке составов алюминиевых сплавов, однако теория синтеза сплавов была разработана позднее, в то время, когда составы алюминиевых сплавов уже были определены эмпирическим путем. Вам предоставляется возможность в дальнейшем сравнить составы стандартных сплавов с теми аналитическими рекомендациями, которые приведены выше.


читать далее »

Классификация и маркировка магниевых сплавов Классификация и маркировка магниевых <strong class=сплавов" title="Классификация и маркировка магниевых сплавов" align="left" width="200" height="147" class=""/>

Как и большинство других цветных сплавов, магниевые сплавы делятся на два вида: деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы по своему химическому и фазовому составу совпадают с литейными, но отличаются меньшими допусками по содержанию примесей. По ГОСТ 14957–76 деформируемые сплавы маркируются буквами МА и порядковым номером (МА1, МА2 и т.д.).

Литейные магниевые сплавы обозначаются буквами МЛ и порядковым номером. В конце маркировки могут быть подстрочные индексы, указывающие на уровень допустимого количества примесей: «он» – общего назначения и «пч» – повышенной чистоты.

Оба вида магниевых сплавов подразделяются на группы по химическому составу или по назначению. Классификация по химическому составу дает возможность увязать физические и механические свойства сплавов с положением на диаграммах состояния и с влиянием легирующих добавок. Деформируемые сплавы по химическому составу делятся на пять групп:

-    I группа – на основе системы Mg – Mn (МА1, МА8, МА8пч);

-    II группа – на основе системы Mg – Al – Zn (МА2, МА21, МА5);

-    III группа – на основе системы Mg – Zn – Zr (МА14, МА15, МА19, МА20);

-    IV группа – на основе системы Mg – РЗЭ – Mn (МА11, МА17);

    V группа – сплавы, легированные литием (МА18, МА21).Классификация по группам назначения (коррозионностойкие,

высокопрочные, жаропрочные, сверхлегкие) позволяет подобрать необходимый материал для определенных условий эксплуатации. Так, при выборе сплавов для деталей двигателей наибольший интерес представляет классификация магниевых сплавов по допустимой температуре эксплуатации.

Деформируемые сплавы предназначены для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением: прессованием, ковкой, прокаткой, штамповкой и т.д.

Литейные сплавы подробно рассмотрены ниже.


читать далее »

Литейные цинковые сплавы Литейные цинковые <strong class=сплавы" title="Литейные цинковые сплавы" align="left" width="200" height="150" class=""/>

При взаимодействии с другими элементами цинк не образует непрерывных твердых растворов ни с одним элементом. Только 9 элементов имеют растворимость в цинке более 1 %. Так как цинк является плохим растворителем, то для него можно подобрать только вспомогательные легирующие добавки, к которым можно отнести Li, Mg, Al, Mn, Cu, Pd, Ag, Pt, Au. Экономически целесообразно использовать только Mg, Al, Mn, Cu. Каждый из этих элементов по отдельности не может вызвать достаточно большого растворного упрочнения изза низкой растворимости. Mg, Al, Mn обладают высокими взаимными растворимостями, и их можно вводить совместно. Промышленные цинковые сплавы разработаны на базе систем Zn–Al и Zn–Al–Cu. Сведений об использовании Mn в цинковых сплавах мало. Практически во все цинковые сплавы введена добавка магния (до 0,1 %), что повышает размерную стабильность литых деталей и увеличивает коррозионную стойкость сплавов.

Диаграмма состояния базовой системы приведена ранее, на рис. 19. Максимальная растворимость алюминия в цинке составляет 2,4 ат. %, или 1,1 мас. %. В системе происходят два превращения: эвтектическое при температуре 382 °С и монотектическое при 275 °С.

Структура двойного сплава цинка с алюминием (рис. 54, а) представляет собой первичные дендритные (светлые) кристаллы ?фазы и эвтектику ?+? (остальное темное поле). При введении меди в сплаве появляются кристаллы твердого раствора меди в цинке (?фаза), а также двойная (? + ?) и тройная (? + ? + ?) эвтектики (рис. 54, б).

Литейные цинковые <strong class=сплавы" title="Литейные цинковые сплавы" width="443" height="211" class=""/>

а                                                    б

Рис. 54. Микроструктура цинковых сплавов: а – Zn + 4 % Al; б – Zn + 4 % Al + 1 % Cu

Марки и химический состав литейных цинковых сплавов в соответствии с ГОСТ 25140–93 представлены в табл. 44. Маркировка сплавов осуществляется по наиболее распространенной схеме: при помощи букв и цифр, показывающих средний состав сплава, но в новом стандарте изменен порядок простановки букв и цифр (ЦАМ4–1 – прежняя маркировка, ЦА4М1 – новая маркировка). Подстрочными индексами обозначают назначение сплава. Так, сплав ЦА4М1 используют для деталей ответственного назначения, сплав ЦА4М1О – для деталей особо ответственного назначения, а сплав ЦА4М1В (из вторичных шихтовых материалов) – для не ответственных деталей.

Все литейные цинковые сплавы имеют очень узкий температурный интервал кристаллизации, содержат большое количество эвтектики, поэтому обладают хорошей жидкотекучестью и позволяют получать плотные отливки. Лучшими способами получения отливок являются литье под давлением и литье в кокиль. Относительно низкая температура литья (440–470 °С) определяет легкие условия работы прессформ и кокилей, а высокая жидкотекучесть позволяет отливать тонкостенные детали сложной формы. При литье под давлением получают отливки с точными размерами, не требующие дальнейшей обработки резанием, в том числе отливают и резьбы. При ЛПД удобно использовать машины с горячей камерой прессования. В некоторых случаях (детали особо сложной конфигурации) применяется и литье в песчаные формы, но отливки, полученные таким способом, содержат большое количество пор, имеют более крупнозернистую структуру, что приводит к снижению и значительному разбросу характеристик механических свойств. При быстром охлаждении сплавов превращения в твердом металле не успевают завершиться полностью. В процессе дальнейшего естественного старения цинковых сплавов происходит уменьшение размеров (усадка) отлитых деталей (на 0,07–0,09 %). Две трети усадки происходит в течение 4–5 недель, остальное – в течение многих лет. Для стабилизации размеров вводят магний и применяют термообработку – стабилизирующий отжиг (3–6 ч при 100 °С, или 5–10 ч при 85 °С, или 10–20 ч при 70 °С). Механические свойства литейных цинковых сплавов приведены в табл. 45, а некоторые физические и технологические свойства – в табл. 46.

Цинковые сплавы нельзя использовать при повышенных и пониженных температурах. Уже при 110 °С предел прочности снижается на треть, а твердость – на 40 %. Ниже 0 °С сплавы становятся хрупкими.

Среди литейных цинковых сплавов по составу и свойствам выделяется ЦА30М5. По прочности и особенно по пластичности он превосходит все остальные.

Таблица 45

Механические свойства литейных цинковых сплавов

 

Марка сплавов

Способ литья

Механические свойства, не менее

?в, МПа

?, %

Твердость, НВ

ZnA14A

K

196

1,2

70

ЦА4о, ЦА4

Д

256

1,8

70

ZnA14Cu1A, ЦА4М1о, ЦА4М1

К Д

215 270

1,0 1,7

80 80

ЦА4М1в

К, Д

196

0,5

65

ZnA14Cu3A,

П

215

1,0

85

ЦА4М3о

К

235

1,0

90

ЦА4М3

Д

290

1,5

90

ЦА8М

К Д

235 270

1,5 1,5

70 90

ЦА30М5

К Д

435 370

8,0 1,0

115 115

П р и м е ч а н и е . В таблице приняты следующие обозначения способов литья: П – литье в песчаные формы; К – литье в кокиль; Д – литье под давлением.

Таблица 46

Некоторые физические и технологические свойства литейных цинковых сплавов (ГОСТ 2514093)

 

Марка сплава

Плотность, г/см3

Температурный интервал затвердевания, °С

Линейная усадка, %

Удельная теплоемкость при 20 °С, Дж/кг ×град–1

Теплопроводность, Вт/м × град–1

Коэффициент линейного расширения а×10–6, град–1

ЦА4

6,7

380–386

1,0

410

113

26,0

ЦА4М1

6,7

380–386

1,1

440

109

26,5

ЦА4М3

6,8

379–389

1,0

427

105

29,5

ЦА8М1

6,3

375–404

ЦА30М5

4,8

480–563

Цинковые сплавы могут подвергаться сварке и пайке. Однако эти процессы применяют главным образом для заделки дефектов, так как сварные и паяные швы имеют низкую прочность. Оловянносвинцовыми припоями можно паять только предварительно никелированные детали с использованием флюса – подкисленного хлористого цинка. Лучшие результаты дает припой, содержащий 82,5 % Cd + 17,5 % Zn. В этом случае флюс не требуется. Сварку ведут в восстановительном пламени с использованием присадки из того же сплава, что и свариваемые детали.

Наиболее широко литейные цинковые сплавы используются (табл. 47) в автомобильной промышленности для отливки корпусов карбюраторов, насосов, спидометров, решеток радиаторов, деталей гидравлических тормозов, а также в других отраслях промышленности, бытовой технике для отливки деталей приборов, корпусов, арматуры и т.д.


читать далее »

Свинцовая бронза Свинцовая бронза

Свинцовая бронза БрС30 была разработана в качестве заменителя оловянных бронз и получила широкое распространение в промышленности.

Свинцовые бронзы среди других медных сплавов отличаются хорошими антифрикционными свойствами, особенно – хорошей прирабатываемостью и способностью выдерживать большие удельные давления (до 250–300 кг/см2) при окружных скоростях 8–10 м/с. Их применяют для изготовления высоконагруженных ответственных опорных и шатунных подшипников мощных турбин, авиационных моторов, дизелей и других машин. Свинцовая бронза почти в 4 раза превосходит оловянные бронзы по теплопроводности, поэтому допускаются более высокие рабочие температуры.

Предел прочности бронзы БрС30 менее 60 МПа, относительное удлинение 4 %, твердость 245 МПа.

В соответствии с диаграммой состояния системы Cu – Pb (рис. 46) структура свинцовой бронзы с 30 % Pb будет состоять из зерен меди и эвтектики (рис. 47), состоящей практически из чистого свинца.

Наличие монотектического превращения в системе Cu – Pb (расслоения жидкости на два жидких слоя) указывает на вероятность сильной ликвации. При первичной кристаллизации сначала формируются кристаллы чистой меди, которые оттесняют обогащенную свинцом жидкость в межкристаллитное пространство, где она кристаллизуется в виде крупных включений.

Чем крупнее кристаллы меди (при медленном охлаждении), тем более неравномерное распределение свинца по объему отливки и хуже антифрикционные свойства. Чтобы снизить ликвацию свинца, необходимо ускоренное охлаждение. Наилучшие результаты получаются при заливке бронзы тонким слоем на охлаждаемые стальные ленты или заготовки из стальных труб.

Применяют бронзу БрС30 для антифрикционных деталей (подшипников), работающих при высоких скоростях скольжения и повышенных давлениях, знакопеременных нагрузках и температурах, когда обыкновенные баббиты непригодны. Это могут быть втулки и вкладыши нижних головок главного шатуна мощных дизелей, подшипники авиационных двигателей и другие детали.


читать далее »

Легкие цветные сплавы

  К легким металлам, имеющим плотность менее 5 г/см3, относятся 16 элементов, но только три из них используются в качестве основы для промышленных легких сплавов. Это алюминий, магний и титан. Сплавы на их основе представляют большой интерес для таких динамично развивающихся отраслей, как автомобилестроение, авиационная промышленность и ракетостроение.

Темпы развития производства отливок из этих сплавов непрерывно возрастают. Легкие сплавы все больше применяют в общем машиностроении, строительстве, для бытовых целей. Лучше всего освоено получение отливок из алюминиевых сплавов. Магниевые и титановые сплавы еще находятся в стадии совершенствования.

Малая плотность – одно из немногих свойств, которое объединяет эти сплавы в одну группу, хотя другие физикохимические свойства базовых легких металлов и сплавов на их основе имеют существенные отличия. В первую очередь они различаются по температуре плавления.

Некоторые физикохимические свойства легких цветных металлов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные физикохимические свойства легких цветных металлов

 

   

Металл

 

Свойство

       

Be

Mg

Al

Ti

Атомный номер

4

12

13

22

Атомная масса

9,013

24,320

26,981

47,880

Атомный радиус, нм

0,113

0,162

0,143

0,145

Плотность при 20 °С, г/см3

1,848

1,738

2,698

4,505

Температура плавления, °С

1287

650

660,24

1668

Температура кипения, °С

2450

1107

2520

3169

Давление пара при температуре

       

плавления, Па

 

520

106

1,3

Удельная теплота плавления, кДж/кг

1625

357

389,37

358,3

Удельная теплоемкость

       

при 20 °С, кДж/(кг·К)

1,826

1,048

0,9458

0,521

Удельная теплопроводность

       

при 20 °С, Вт/(м·К)

179

167

221,5

21,9

Коэффициент линейного термиче

       

ского расширения при 25 °С, × 106/К

12

26

23,3

8,41

Удельное электросопротивление

       

при 20 °С, мкОм·см

6,60

4,50

2,62

58,0

Легкие сплавы всегда рассматриваются как конструкционный материал для изделий, которые должны иметь минимальную массу и выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки. При этом выигрыш в массе имеет первостепенное и решающее значение.

В таком случае при выборе материала удобнее руководствоваться удельной прочностью сплавов, т.е. прочностью, приходящейся на единицу плотности сплава. В табл. 2 приведены основные механические свойства и удельная прочность некоторых легких литейных сплавов. Для сравнения в таблице приведены свойства самой распространенной литейной углеродистой стали 35Л.

Таблица 2

Основные механические свойства и удельная прочность некоторых легких сплавов

 

Сплавы

Режим ТО

ρ,

г/см3

МПа

δ, %

Удельная прочность, σв / ρ

АК12 (АЛ2)

 

2,65

157

2,0

59,24

АК9ч (АЛ4)

Т6

2,68

235

3,0

87,7

АК8М3ч (ВАЛ8)

Т5

2,80

392

4,0

140

МЛ5

Т4

1,8

235

5,0

130,6

МЛ8

Т4

1,8

265

4,0

147,2

ВТ5Л

 

4,41

765

6,0

173,5

ВТ20Л

 

4,50

932

5,0

207,1

Сталь 35Л

Норм.

7,85

500

15,0

63,7

Лучше всего освоены алюминиевые сплавы. Они отличаются высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Разнообразие составов литейных и деформируемых сплавов позволяет выбрать наиболее подходящий материал для деталей в самых разнообразных изделиях.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием, но уступают алюминиевым по пластичности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы имеют наиболее высокую удельную прочность, коррозионную стойкость, сохраняют прочность при повышенных температурах. Широкому распространению магниевых и титановых сплавов препятствует их высокая химическая активность. Они отличаются сложной технологией плавки и заливки.

В настоящее время к группе промышленных легких материалов приближаются бериллиевые сплавы. Бериллий немного тяжелее магния (плотность 1,84 г/см3). Его сплавы отличаются высокой прочностью и некоторыми другими важными свойствами. Изза высокой стоимости бериллия и экологических соображений эти сплавы пока применяются только для специальных целей.


читать далее »

Классификация титановых сплавов Классификация титановых <strong class=сплавов" title="Классификация титановых сплавов" align="left" width="200" height="200" class=""/>

В технике используют деформируемые и литейные титановые сплавы. Первые сплавы использовали в промышленности в виде деформируемых полуфабрикатов. Производство литых заготовок было освоено позднее.

Для получения отливок использовали уже известные деформируемые сплавы, поэтому составы литейных и деформируемых сплавов совпадают. Отличие заключается в повышенном количестве допускаемых примесей, так как при плавке и заливке сплавов в формы неизбежно взаимодействие расплава с материалом плавильных тиглей и литейных форм. Количество литейных сплавов меньше, чем деформируемых. Из нескольких десятков деформируемых сплавов со временем были отобраны те, которые обладали лучшими литейными свойствами и наиболее подходили для получения фасонных отливок.

Маркировка титановых сплавов осуществляется буквами ВТ, ОТ или АТ и порядковым номером. Первая буква в обозначении указывает организацию, разработавшую сплав. В литейных сплавах в конце маркировки ставится буква Л.

В зависимости от природы легирующих элементов (их влияния на полиморфизм титана) и их содержания структура титановых сплавов в отожженном состоянии может быть представлена αфазой, βфазой или двумя фазами α и β в различном количественном соче

тании. В соответствии с этим С.П. Глазунов предложил поделить все титановые сплавы на пять групп:

-    I группа – однофазные αсплавы;

-    II группа – псевдоαсплавы, в структуре которых может присутствовать до 5 % βфазы или интерметаллидов;

-    III группа – двухфазные α + βсплавы с различным количеством α и βфаз и интерметаллидов;

-    IV группа – псевдоβсплавы, которые могут содержать небольшое количество αфазы;

-    V группа – однофазные βсплавы.


читать далее »

Поршневые сплавы Поршневые <strong class=сплавы" title="Поршневые сплавы" align="left" width="200" height="162" class=""/>

Поршневые сплавы составляют важнейшую часть всех сплавов II группы. В нашей стране и за рубежом производится огромное количество двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и, соответственно, миллионы поршней для этих двигателей.

При работе поршни подвергаются значительным нагрузкам. Они движутся в цилиндрах с высокими скоростями и ускорениями в условиях одностороннего нагрева. Чтобы рабочий цилиндр не перегревался, поршень должен быть из материала с высокой теплопроводностью. Сплав должен иметь малое тепловое расширение, чтобы его не заклинило в цилиндре при рабочих температурах и не требовался большой предварительный зазор в холодном состоянии. При эксплуатации поршень должен сохранять свои геометрические размеры. От массы поршня зависят размеры и масса остальных деталей двигателя: шатунов, коленчатых валов с противовесами и т.д. Чем меньше масса двигателя, тем выше его экономичность (меньше расход топлива).

Таким образом, к поршневым сплавам предъявляются следующие требования:

-    высокая статическая и динамическая прочность;

-    высокий предел выносливости;

-    достаточная твердость при высоких температурах;

-    высокая теплопроводность;

-    низкий коэффициент термического расширения;

-    малая плотность;

-    хорошие антифрикционные свойства и высокая износостойкость;

-    высокая коррозионная стойкость;

-    удовлетворительная технологичность.

Наиболее полно удовлетворяют приведенным требованиям медистые силумины с добавками магния, никеля, марганца, титана и хрома.

В течение длительного времени большинство поршней ДВС различного назначения изготовляли из вторичного чушкового сплава АК5М7 (АЛ10В). Уровень свойств этого сплава удовлетворял лишь условиям эксплуатации ДВС малой мощности. В настоящее время он включен в ГОСТ 1583–93, но не рекомендуется для использования в новых конструкциях. Из новых поршневых материалов с лучшей стороны проявили себя сплавы АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛ30) и АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС2). Эти сплавы имеют более сложный состав, чем у сплава АК5М7, и меньшее содержание примесей. По всем характеристикам, включая литейные и физические свойства и коррозионную стойкость, они превосходят своего предшественника.

Сплавы АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛ30) имеют эвтектическую концентрацию кремния. Они дополнительно легированы магнием, медью, никелем, а в сплав АК12М2МгН введены еще марганец и титан. Сплавы имеют сложный фазовый состав. Кроме пересыщенного твердого раствора, устойчивого при повышенных температурах, в сплавах присутствуют частицы таких сложных фаз, как AlxMg5Si4Cu4, Al12Mn2Cu, Al6Cu3Ni и др., которые располагаются по границам зерен и придают сплавам высокую жаропрочность.

Сплавы обладают высокими литейными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью и менее склонны к объемным изменениям при эксплуатации. Коэффициент термического расширения у них составляет (19,0 – 20,0) ·106 1/К против 24,4·106 1/К у сплава АК5М7. Сплавы могут работать при температурах до 300 °С.

Сплав АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС2) является завтектическим силумином. Он имеет еще более сложный состав (добавлен хром) Ранее использовался и заэвтектический сплав АЛ26 с близким составом. Высокое содержание кремния способствует уменьшению коэффициента термического расширения до 18·106 1/К (у кремния он ниже, чем у алюминия). Жаропрочность несколько выше, чем у эвтектических сплавов. Поршни могут работать при температурах 300–320 °С.

Поскольку эвтектическая точка сильно сдвинута вправо (33 % Cu) и в ее состав входит хрупкий интерметаллид, то эвтектические сплавы не нашли практического применения изза низких механических свойств. Температура плавления эвтектики ниже, чем у силуминов, поэтому интервал кристаллизации больше. Это указывает на то, что литейные свойства сплавов данной группы будут хуже, чем у силуминов.

Практика показала, что сплавы системы Al – Cu склонны к образованию горячих трещин и рассеянной усадочной пористости. Они имеют меньшую жидкотекучесть, хуже заполняют литейную форму.

Сплав АМ5 (АЛ19) кроме основы содержит марганец и титан. Марганец упрочняет твердый раствор и задерживает его распад при нагреве, а титан оказывает модифицирующее действие, измельчает зерно.


читать далее »

Сплавы палладия Сплавы палладия

Палладий – металл серебристобелого цвета, мягкий,