Химия
9 класс

       

§ 10. Сплавы

При плавлении металлы обычно смешиваются, образуя сплавы.

Ещё в глубокой древности люди заметили, что в большинстве случаев сплавы обладают другими, нередко более полезными для человека свойствами, чем составляющие их чистые металлы. Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих её меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяют их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твёрдостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддаётся литью, из неё трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза — сплав меди и олова — имеет прекрасные литейные свойства: из неё отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун — сплав железа с углеродом — также великолепный литейный материал. Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди и никеля, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь — материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы — это материалы с металлической кристаллической решеткой, обладающие характерными свойствами и состоящие из двух и более компонентов.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, например чугун, представляющий собой механическую смесь железа и углерода.

Сплавы классифицируют по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу. Например, выделяют медные, алюминиевые, никелевые, титановые и другие сплавы.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием чёрные металлы, остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.

Подавляющее большинство железных (или чёрных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чугуны и стали.

Чугун — сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно твёрже железа, обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Этот сплав применяют для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун, и для переработки в сталь — передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Таблица 4
Виды и свойства чугуна

Вид

Состав

Свойства

Применение

Серый чугун

Содержит 1,7—4,3% С, 1,25—4,0% Si и до 1,5% Мп. Из-за большого содержания кремния снижается растворимость углерода, поэтому углерод находится в свободном состоянии в виде графита

Сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Свободный углерод придаёт чугуну мягкость

Производство литых деталей (шестерни, колёса, трубы и т. д.), художественное литьё

Белый чугун

Содержит 1,7—4,3% С, более 4% Мп, но очень мало кремния. Углерод в основном содержится в виде цементита — карбида железа Fe3C

Твёрдый и хрупкий материал. Эти свойства придаёт цементит, который обладает большой твёрдостью

Переработка в сталь

Сталь — сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твёрдости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твёрдые (углерода может быть до 2%). Из стали мягкой и средней твёрдости делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой — различные инструменты и посуду.

Легированная сталь — это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Их применяют в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали (рис. 32)), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов.

Рис. 32.
Станция метро «Маяковская», облицовка колонн которой выполнена из хромоникелевой стали

Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Их используют для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твёрдость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Свойства некоторых легированных сталей и области их применения представлены в таблице 5.

Таблица 5
Свойства некоторых легированных сталей и их применение

Легирующий элемент

Особые свойства стали

Изделия, для производства которых используется сталь

Хром

Твёрдость и коррозионная стойкость

Инструменты, резцы, зубила

Никель

Вязкость, механическая прочность, коррозионная стойкость

Турбины электростанций и реактивных двигателей, измерительные приборы, детали, работающие при высоких температурах

Марганец

Твёрдость, механическая прочность, устойчивость к ударам и трению

Детали дробильных установок, железнодорожные рельсы, зубья ковшей экскаваторов

Титан

Жаростойкость, механическая прочность при высоких температурах, коррозионная стойкость

В самолёто-, ракето- и судостроении. Химическая аппаратура

Вольфрам

Твёрдость и жаропрочность, износоустойчивость

Быстрорежущие инструменты, пилы, фрезы, штампы, нити электрических ламп

Молибден

Эластичность, жаростойкость, коррозионная стойкость

Лопасти турбин реактивных самолётов и автомобилей, броневые плиты, лабораторная посуда, детали электронных ламп

Кремний

Устойчивость к воздействию кислот

Трансформаторы, кислотоупорные аппараты и приборы

Ванадий

Высокая прочность, упругость и устойчивость к ударам

Детали автомобилей, тракторов и других машин, подвергающиеся при работе ударам

Стали — это основа современного машиностроения, оборонной промышленности, ракетостроения и других отраслей промышленности.

В развитии современной металлургии стали большое значение имели работы Д. К. Чернова и П. П. Аносова.

Из цветных сплавов отметим бронзу, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Бронза — сплав на основе меди с добавлением (до 20%) олова. Бронза хорошо отливается, поэтому её используют в машиностроении для изготовления подшипников, поршневых колец, клапанов, арматуры и т. д. Используют бронзу также и для художественного литья (рис. 33).

Латунь — медный сплав, содержащий от 10 до 50% цинка. Применяют в моторостроении, для изготовления мебельной фурнитуры.

Мельхиор — сплав, содержащий около 80% меди и 20% никеля, похож по внешнему виду на серебро. Используют его для изготовления сравнительно недорогих столовых приборов и художественных изделий.

Дюралюминий (дюраль, дуралюмин) — сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец и никель. Имеет хорошие механические свойства, его применяют в самолётo- и машиностроении (рис. 34).

Рис. 34.
«Супер Джетт-100»

Новые слова и понятия

  1. Сплавы и их классификация.
  2. Чёрные металлы: чугуны и стали.
  3. Цветные металлы: бронза, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Задания для самостоятельной работы

  1. Какой период в истории человечества называют бронзовым веком? Почему?
  2. Вычислите количества веществ меди и никеля, которые нужно взять для производства 25 кг мельхиора.
  3. Что объединяет два выражения: «легирующие элементы стали» и «привилегированное положение в обществе»?
  4. Вычислите объём водорода (н. у.), который образуется при растворении 100 г латуни, содержащей 13% цинка, в соляной кислоте.

Рейтинг@Mail.ru