Stopy metali. Główne stopy metali. Właściwości metali i stopów

Metalurgia w naszym życiu zajmuje niezwykle ważną rolę. Nie, nie wszyscy należymy do wspaniałej klasy hutników, ale codziennie stykamy się z metalowymi produktami. Z reguły są wykonane z szerokiej gamy stopów. A propos, co to jest?

Podstawowe definicje

Ogólnie rzecz biorąc, stopy metali są materiałami otrzymywanymi podczas wytapiania, przy wytwarzaniu których zastosowano dwa lub więcej metalowych elementów (w sensie chemicznym), a także (opcjonalnie) specjalnych dodatków. Jednym z pierwszych materiałów tego typu był brąz. Składa się z 85% miedzi i 15% cyny (80:20 w przypadku brązu dzwonowego). Obecnie istnieje kilka odmian tego związku, w których w ogóle nie ma cyny. Ale nie są tak powszechne.

Konieczne jest jasne zrozumienie, że stopy metali w większości przypadków powstają w ogóle bez losu człowieka. Faktem jest, że aby uzyskać absolutnie czysty z chemicznego punktu widzenia, materiał może być tylko w laboratorium. W każdym metalu, który jest używany w środowisku domowym, muszą istnieć ślady innego elementu. Klasycznym przykładem jest złota biżuteria. W każdym z nich jest pewna ilość miedzi. Jednak w klasycznym sensie ta definicja nadal oznacza połączenie dwóch lub więcej metali, które zostały celowo przyjęte przez człowieka.

Cała historia człowieka jest doskonałym przykładem tego, jak stopy metalu mogły mieć ogromny wpływ na rozwój całej naszej cywilizacji. To nie przypadek, że istnieje nawet długi okres historyczny, zwany epoką brązu.

Ogólna charakterystyka stopów metali

A teraz bierzemy pod uwagę ogólne właściwości metali i stopów, którymi się charakteryzują. Są bardzo często spotykane w literaturze specjalistycznej.

Są to cechy charakteryzujące stopy metali. Tabela pomoże ci je zrozumieć.

Szczegóły produkcji

W zasadzie obecnie termin "stop" może być rozumiany jako materiał oparty tylko na jednym elemencie chemicznym, ale "rozcieńczony" całym zestawem dodatków. Najbardziej powszechna metoda ich przygotowania, topnienia do stanu ciekłego, zmieniła się niewiele od czasów starożytnych.

Na przykład analiza metali i stopów pokazuje, że starożytni Indianie przechwycili niesamowity poziom obróbki metalu na swój czas. Zaczęli nawet tworzyć stopy za pomocą ogniotrwałego cynku, co do dzisiaj jest dość pracochłonną i skomplikowaną procedurą.

Obecnie metalurgia proszków jest również szeroko stosowana do tych celów. Szczególnie często metale żelazne i stopy na ich bazie są poddawane tej metodzie, ponieważ w tym przypadku często wymagana jest maksymalna tania zarówno procesu, jak i jego produktów.

Rozprzestrzenianie się stopów w nowoczesnym przemyśle

Należy zauważyć, że wszystkie metale, które są intensywnie wykorzystywane przez współczesny przemysł, są po prostu stopami. Tak więc, ponad 90% całego żelaza produkowanego na świecie trafia do produkcji żelaza i różnych stali. Podejście to wyjaśnia fakt, że stopy metali w większości przypadków wykazują lepsze właściwości niż ich "przodkowie".

Tak więc granica plastyczności czystego aluminium wynosi tylko 35 MPa. Ale jeśli dodasz 1,6% miedzi, magnezu i cynku w proporcji odpowiednio 2,5% i 5,6%, wskaźnik ten może z łatwością przekroczyć nawet 500 MPa. Między innymi można znacznie poprawić właściwości przewodności elektrycznej, przewodności cieplnej lub inne. Nie ma w tym żadnej tajemnicy: w stopach struktura sieć krystaliczna zmiany, które pozwalają im nabywać inne nieruchomości.

Mówiąc prosto, ilość takich materiałów jest dziś duża, ale stale rośnie.

Podstawowe informacje o klasyfikacji

Na ogół nie ma tu szczególnych trudności: związków, które wykorzystują metale nieżelazne i stopy na bazie żelaza. Poniżej przeanalizujemy obie te kategorie na przykładzie głównych typów, a także omówimy obszary ich zastosowania w nowoczesnym przemyśle i w przemyśle.

Stałem się

Wszystkie związki żelaza zawierające do 2% węgla są nazywane stalami. Jeśli kompozycja zawiera chrom, wanad lub molibden, wówczas nazywane są domieszkowanymi. Napotykamy te materiały stale, codziennie i co godzinę. Liczba stali w dzisiejszych czasach jest taka, że ​​jeden z ich wyliczeń mógłby przyjąć niezbyt cienką książkę.

Już to powiedzieliśmy mechaniczne właściwości metali i stopy są bardzo różne, ale w przypadku tych materiałów nawet różne rodzaje stali często mają przeciwne właściwości, dlatego ich obszary zastosowań różnią się znacznie.

Jeśli materiał jest mniejszy niż 0,25% węgla, jest on stosowany w niektórych konstrukcjach technicznych. Jeśli jednak stal ma więcej niż 0,55% węgla, to jest idealna do produkcji różnych wysokiej jakości narzędzi skrawających, w tym siekaczy do tokarek, wiertarek i materiałów chirurgicznych. Ale jeśli mówimy o urządzeniach używanych do szybkiego cięcia, to ich produkcja odbywa się wyłącznie ze stali stopowej.

Żeliwne

Jeśli stop żelaza zawiera więcej niż 3-4% węgla, wówczas nazywa się żeliwo. Ponadto jego ważnym elementem jest krzem. Masa części i gotowych produktów wykonana jest z żeliwa. Na przykład bloki silnika do samochodów. W przypadku wysokiej jakości odlewu bez wnęk i ubytków, produkt ma imponującą wytrzymałość mechaniczną. W związku z tym warto pamiętać przynajmniej broń z 14-15 wieku, która często wytrzymała trzy do czterokrotny wzrost ładunku proszku.

Oczywiście użycie metali i stopów nigdy nie było ograniczone wyłącznie do przemysłu wojskowego, ale często okazało się, że to właśnie ta branża nieustannie odkrywała nowe metody obróbki metalu, przesuwając całą cywilizację do przodu.

Stopy miedzi

Najczęściej termin ten odnosi się do różnych gatunków mosiądzu. Są to stopy miedzi, które zawierają od 5 do 45% cynku. Jeśli jego zawartość waha się między 5-20%, to jest to czerwony mosiądz (tompac). Jeśli materiał zawiera już 20-36% Zn, wówczas jest to żółty mosiądz.

Materiały te są idealne, jeśli chodzi o produkcję i formowanie małych części. Jest mało znany, ale stop miedzi z krzemem nazywa się krzemionką krzemionkową i ma dużą wytrzymałość mechaniczną. Odmiana fosforu charakteryzuje się tym samym (5% cyny i trochę fosforu dodaje się do miedzi). Podobnie jak w poprzednim przypadku charakteryzuje się wysoką wytrzymałością i sprężystością, dlatego jest idealny do produkcji membran i wszelkiego rodzaju sprężyn.

Ołów stopy

Ogólnie rzecz biorąc, metale nieżelazne i stopy są nierozerwalnie związanymi pojęciami, ponieważ od czasów starożytnych ludzie byli w stanie wytapiać wieloskładnikowe materiały, które z powodzeniem stosowano w sprawach wojskowych i pokojowych. Dotyczy to zwłaszcza ołowiu, z którego Rzymianie nadal wykonywali kanalizację i ścieki. Oczywiście nie wiedzieli o toksycznych właściwościach tego metalu, ale byli pod wrażeniem prostoty ich przetwarzania.

Najbardziej znanym obecnie jest zwykły lut, który jest wykonany z jednej części ołowiu i dwóch części z cyny. Jak sama nazwa wskazuje, jest używany do lutowania części. Jest stosowany w inżynierii radiowej i innych dziedzinach technicznych. Antymon i ołów stanowią stopy, które są używane do produkcji osłon różnego rodzaju kabli.

Od dawna wiadomo, że związki tego metalu z kadmem, bizmutem lub cyną mogą stopić się w temperaturze około 70 stopni Celsjusza. Właśnie dlatego dzisiaj z nich wytwarzają różne bezpieczniki automatyczne systemy gaśnicze.

O dziwo, ale ołów od dawna znany jest kucharzom i restauratorom, ponieważ często był używany do produkcji zastaw stołowych i urządzeń. Stop, który został użyty do tego, nazywa się cyną. Zawiera około 85-90% cyny. Pozostałe 10-15% zajmuje ołów (standardowy stop dwóch metali).

Technicy prawdopodobnie również znają babbijki. Są to również związki ołowiu, które zawierają również cynę, a także arsen i antymon. Stopy te są bardzo trujące, ale ze względu na szczególne cechy są aktywnie wykorzystywane w przemyśle łożyskowym.

O lekkich stopach

Jak już powiedzieliśmy, właściwości metali i stopów są różne, ponieważ te ostatnie mają w wielu przypadkach wyższe właściwości. Jest to szczególnie widoczne w odniesieniu do nowoczesnego przemysłu. W ostatnich latach wymaga dużej ilości stopów lekkich, które mają zwiększoną wytrzymałość mechaniczną, a także odporność na działanie niekorzystnych czynników środowiskowych i wysoką temperaturę.

Najczęściej do ich produkcji wykorzystywane są aluminium, beryl i magnez. Związki na bazie aluminium i magnezu są szczególnie poszukiwane, ponieważ zakres ich możliwego zastosowania jest niezwykle szeroki.

Stopy na bazie aluminium

Jak powiedzieliśmy, bez nich nowoczesny przemysł jest absolutnie niemożliwy do wyobrażenia. Sędzia dla siebie: stopy aluminium są aktywnie wykorzystywane w lotnictwie, lotnictwie, wojsku, inżynierii naukowej i innych branżach. Bez aluminium nie można sobie wyobrazić producentów nowoczesnego sprzętu domowego i mobilnego, ponieważ korpus tego metalu jest coraz częściej wykorzystywany przez nowoczesne flagi tych branż.

Jakie one są?

Stopy aluminium dzieli się natychmiast na trzy duże grupy:

• Odlewnie (Al - Si). Są one szczególnie rozpowszechnione w przemyśle motoryzacyjnym i wojskowym.
• Stopy zaprojektowane dla odlewanie ciśnieniowe (Al-Mg).
• Związki o wysokiej wytrzymałości, samoutwardzalne (Al - Cu).

Zalety i wady tego materiału

Wiele stopów tego materiału jest ekonomicznych, stosunkowo niedrogich i bardzo trwałych, ponieważ nie są one podatne na korozję. Wyróżniają się wysoką wytrzymałością w warunkach ekstremalnie niskich temperatur (przemysł lotniczy) i bardzo prostym procesem przetwarzania. Formowanie ich nie wymaga szczególnie skomplikowanego i kosztownego wyposażenia, ponieważ są one stosunkowo plastyczne i lepkie (patrz tabela z charakterystykami).

Niestety, ale mają też swoje wady. Tak więc, w temperaturach powyżej 175 ° C, właściwości mechaniczne aluminium i jego stopów zaczynają gwałtownie się pogarszać. Jednak ze względu na obecność amalgamatu na ich powierzchni (warstewka ochronna z wodorotlenku glinu), posiadają doskonałą odporność na działanie agresywnych środków chemicznych, w tym kwasów i zasad.

Mają doskonałe przewodnictwo elektryczne i przewodnictwo cieplne, niemagnetyczne. Uważa się, że są one całkowicie nieszkodliwe dla ludzkiego zdrowia i dlatego mogą być stosowane do produkcji potraw i zastaw stołowych. Jednak najnowsze badania medyczne nadal twierdzą, że związki glinu w niektórych przypadkach mogą wywoływać rozwój choroby Alzheimera.

Wojsko zakochuje się w tych materiałach, nie dając iskier, nawet z nagłym, mechanicznym uderzeniem i uderzeniami. Ponadto doskonale absorbują obciążenia udarowe. Mówiąc prosto, niektóre z tych stopów metali (których skład jest najczęściej klasyfikowany) są aktywnie wykorzystywane do produkcji lekkiego pancerza, aby wyposażyć go w różne BTR, BMP, BRDM i inny sprzęt.

Ze względu na wszystkie te właściwości, stopy na bazie są powszechnie stosowane do produkcji tłoków do silników spalinowych, a także do produkcji konstrukcji budowlanych (odporność na korozję). Aluminium i materiały na nim oparte są szeroko stosowane w produkcji odbłyśników do oświetlenia koncepcji, okablowania elektrycznego, a także do produkcji budynków o różnym wyposażeniu (nie namagnesowane).

Ważne jest, aby pamiętać, że nawet teoretycznie czyste aluminium czasami zawiera znaczną domieszkę żelaza. Może to przyczynić się do wyższej wytrzymałości mechanicznej materiału, ale jego obecność sprawia, że ​​stop na bazie aluminium jest wysoce podatny na procesy korozyjne. Ponadto stop w dużej mierze traci swoją plastyczność, co w większości przypadków nie jest zbyt dobre.

Kobalt, chrom lub mangan pomaga osłabić negatywny wpływ zanieczyszczeń żelaza. Jeśli skład stopu zawiera lit, okazuje się on bardzo trwały i elastyczny materiał. Nic dziwnego, że takie połączenie jest bardzo popularne w przemyśle lotniczym. Niestety, ale stopy litu z aluminium mają nieprzyjemną właściwość, która ponownie wyraża się słabą plastycznością.

Podsumujmy niektóre wyniki. Okazuje się, że główne stopy metali w kosmosie, lotnictwie i innych gałęziach przemysłu wysokich technologii składają się z aluminium. Ogólnie rzecz biorąc, tak właśnie jest dzisiaj, ale często magnez i jego stopy są używane w nowoczesnym przemyśle.

Stopy magnezu

Mają wyjątkowo niską masę, a także charakteryzują się bardzo imponującą siłą. Ponadto materiały te doskonale nadają się do przemysłu odlewniczego, a półfabrykaty doskonale nadają się do toczenia i frezowania. Dlatego są one aktywnie wykorzystywane w produkcji rakiet i turbin lotniczych, skrzyń na instrumenty, tarcz samochodowych, a także niektórych rodzajów stali pancernej.

Niektóre odmiany tych stopów wyróżniają się znakomitymi wskaźnikami tłumienia lepkości, a zatem są wykorzystywane do produkcji części i konstrukcji, które muszą pracować w warunkach ekstremalnie wysokiego poziomu wibracji.

Zalety i wady stopów magnezu

Są dość miękkie, stosunkowo dobrze odporne na zużycie, ale różnią się zbytnią plastycznością. Z drugiej strony wyróżniają się doskonałą zdolnością do formowania w wysokich temperaturach, są doskonale przystosowane do łączenia ze wszystkimi istniejącymi rodzajami spawania, a także mogą być łączone za pomocą połączeń śrubowych, nitowania, a nawet klejenia.

Niestety, wszystkie te stopy nie są szczególnie odporne na kwasy i alkalia. Wyjątkowo negatywnie wpływa na to długi pobyt w wodzie morskiej. Jednak stopy magnezu są zaskakująco stabilne na powietrzu, więc wiele z ich niedociągnięć można zaniedbać. Jeśli wymagane jest niezawodne zabezpieczenie takich części przed działaniem korozji, należy zastosować chromowanie, anodowanie lub podobne metody.

Mogą być pokryte niklem, miedzią lub chromem, wstępnie zanurzone w stopie chemicznie czystego cynku. Przy takim przetwarzaniu, ich wytrzymałość i wskaźniki wytrzymałości na ścieranie gwałtownie wzrastają. Należy przypomnieć, że magnez jest raczej metalem aktywnym z chemicznego punktu widzenia, dlatego w pracy z nim konieczne jest przestrzeganie przynajmniej podstawowych środków bezpieczeństwa.

Tak więc produkcja metali i stopów jest kluczową cechą nowoczesnego przemysłu. Każdego roku ludzie wymyślają coraz więcej sposobów wytwarzania nowych materiałów, więc wkrótce na pewno otrzymamy absolutnie niesamowite związki, które połączą użyteczne właściwości kilku grup materiałów i pierwiastków chemicznych jednocześnie.