Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

2.5 Магний и его сплавы

Магний—металл серебристо-белого цвета с плотностью 1,74 г/см³ и температурой плавления 651° С; имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую ре­шетку; аллотропических превращений не имеет. Магний—химически активный металл, на воздухе окисляется с образованием оксидной пленки MgO, не об­ладающей защитными свойствами. Эта пленка растрес­кивается из-за более высокой плотности (3,2 Мг/м³), чем у самого магния. Магний в слитках, а также изделия из магниевых сплавов не огнеопасны. Опасность может представлять магний в виде стружки, порошка или пы­ли. Взаимодействие воды с горячим и расплавленным магнием сопровождается взрывом. Магний используется главным образом для получения сплавов на его основе и легирования алюминиевых спла­вов. Магний в порошкообразном виде и в виде ленты горит ослепительно белым пламенем, что исполь­зуется в пиротехнике, в фотографии для моментальных съемок, в военной технике (сигнальные ракеты, зажига­тельные бомбы и др.).

Производство магния:

Рис. 2.2. Шахтная печь для

1 — летка; 2 — угольные электроды; 3 — ремонтный люк; 4 — загрузочное устройство; 5 — газоотвод; 6 — футеровка; 7 — хлорные фурмы; 8 — шихта; 9 — угольные брикеты.

Рис. 2.3. Схема магниевого диафрагменного электролизера

Пластическая деформация магния и его сплавов про­исходит при повышенных температурах. Следует отме­тить очень хорошую обрабатываемость резанием магния и его сплавов. Магний и его сплавы легко свариваются. Механические свойства прокатанного и отожженного магния: _в =180 МПа; _0,2 = 100 МПа;  = 15%. Для получения сплавов к магнию добавляют различные элементы, повышающие его свойства. К основным легирующим элементам относятся алюминий, цинк и марганец.

Магниевые сплавы разделяют на литейные и дефор­мируемые. Из литейных сплавов получают дета­ли методом фасонного литья; их маркируют буквами МЛ, что означает магниевый литейный сплав. Дефоромируемые сплавы используют для получения по­луфабрикатов и изделий путем пластической деформации (прокатка, ковка, штамповка и т. д.). Деформиру­емые магниевые сплавы маркируются двумя буквами МА. За буквами МА и МЛ ставятся цифры, указываю­щие номер сплава.

К литейным относятся следующие магниевые сплавы: на основе системы Mg—Al—Zr (МЛЗ, МЛ5; _в = 147...225 МПа,  = 2...5%); на основе Mg—Nb—Zr (МЛ10; _в = 225...235 МПа,  = 3%); на основе Mg—Zn—Zr (МЛ12; _в = 200...220 МПа,  = 3...6 % ).

К деформируемым относят следующие магниевые сплавы: на основе системы Mg—Мn (МА1; МА8; _в = 240...260 МПа,  = 5...12%); на основе Mg—Al—Zn (МА2, МЛ5 и др; _в = 260…310 МПа,  = 8...12%).

Благодаря малой плотности сплавы на основе магния по удельной прочности превосходят некоторые конструк­ционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы. Магний и сплавы на его основе немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Маг­ниевые сплавы представляют особый интерес для конст­рукции, где масса является решающей (авиация, косми­ческая и ракетная техника, транспортное машиностроение и др.). Они применяются в приборостроении, радио­технике, текстильной и полиграфической промышленно­сти.

2.6 Медь и ее сплавы

Медь—металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,9 г/см³ и температурой плавления 1083°С; имеет кубическую гранецентрированную крис­таллическую решетку; не имеет аллотропических превра­щений.

Нахождение в природе:

В земной коре содержание меди составляет около 5·10-3 % по массе. Очень редко медь встречается в самородном виде (самый крупный самородок в 420 тонн найден в Северной Америке). Из руд наиболее широко распространены сульфидные руды: халькопирит , или медный колчедан, CuFeS2 (30% меди), ковеллин CuS (64,4% меди), халькозин, или медный блеск, Cu2S (79,8% меди), борнит Cu5FeS4.(52—65% меди). Существует также много и оксидных руд меди, например: куприт Cu2O, (81,8% меди), малахит CuCO3·Cu(OH)2 (57,4% меди) и другие. Известно 170 медьсодержащих минералов, из которых 17 используются в промышленных масштабах.  Различных руд меди много, а вот богатых месторождений на земном шаре мало, к тому же медные руды добывают уже многие сотни лет, так что некоторые месторождения полностью исчерпаны. Часто источником меди служат полиметаллические руды, в которых, кроме меди, присутствуют железо, цинк, свинец, и другие металлы. Как примеси медные руды обычно содержат рассеянные элементы (кадмий, селен, теллур, галий, германий и другие), а также серебро, а иногда и золото. Для промышленных разработок используют руды, в которых содержание меди составляет немногим более 1% по массе, а то и менее. В морской воде содержится примерно 1·10-8 % меди. 

Получение:  

Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми рас­творами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот способ, применя­емый для переработки бедных окисленных руд, не по­лучил широкого распространения в нашей промышлен­ности. Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт — штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафиниро­вание, т. е. очистку от примесей (рис. 2.1). Рис. 2.4 Упрощенная схема пирометаллургического производства меди

Наиболее широко для обогащения медных руд при­меняется метод флотации. Флотация основана на раз­личном смачивании водой металлсодержащих частиц и частиц пустой породы (рис.2.3)

а) (б Рис 2.5.Схема флотации а – принципиальная схема механической флотационной машины; б – схема всплывания частиц; 1 – мешалка с лопастями; 2 – перегородка;  3 – схема минерализованной пены; 4 – отверстие для удаления хвосты (пустой породы); I – зона перемешивания и аэрации

Промышленное получение меди — сложный многоступенчатый процесс. Добытую руду дробят, а для отделения пустой породы используют, как правило, флотационный метод обогащения. Полученный концентрат (содержит 18—45% меди по массе) подвергают обжигу в печи с воздушным дутьем. В результате обжига образуется огарок — твердое вещество, содержащее, кроме меди, также и примеси других металлов. Огарок плавят в отражательных печах или электропечах. После этой плавки, кроме шлака, образуется так называемый штейн, в котором содержание меди составляет до 40—50%. 

Далее штейн подвергают конвертированию — через расплавленный штейн продувают сжатый воздух, обогащенный кислородом. В штейн добавляют кварцевый флюс (песок SiO2). В процессе конвертирования содержащийся в штейне как нежелательная примесь сульфид железа FeS переходит в шлак и выделяется в виде сернистого газа SO2: 

2FeS + 3O2 + 2SiO2 = 2FeSiO3 + 2SO2 

Одновременно сульфид меди(I) Cu2S окисляется: 

2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + 2SO2 

Образовавшийся на этой стадии Cu2О далее реагирует с Cu2S: 

2Cu2О + Cu2S = 6Cu + SО2 

В результате возникает так называемая черновая медь, в которой содержание самой меди составляет уже 98,5—99,3% по массе. Далее черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование на первой стадии — огневое, оно заключается в том, что черновую медь расплавляют и через расплав пропускают кислород. Примеси более активных металлов, содержащихся в черновой меди, активно реагируют с кислородом и переходят в оксидные шлаки. 

На заключительной стадии медь подвергают электрохимическому рафинированию в сернокислом растворе, при этом черновая медь служит анодом, а очищенная медь выделяется на катоде. При такой очистке примеси менее активных металлов, присутствовавшие в черновой меди, выпадают в осадок в виде шлама, а примеси более активных металлов остаются в электролите. Чистота рафинированной (катодной) меди достигает 99,9% и более. 

Применение: медь, как полагают, — первый металл, который человек научился обрабатывать и использовать для своих нужд. Найденные в верховьях реки Тигр изделия из меди датируются десятым тысячелетием до нашей эры. Позднее широкое применение сплавов меди определило материальную культуру бронзового века (конец 4 — начало 1 тысячелетия до нашей эры) и в дальнейшем сопровождало развитие цивилизации на всех этапах. Медь и ее использовались для изготовления посуды, утвари, украшений, различных художественных изделий. Особенно велика была роль бронзы. 

С 20 века главное применение меди обусловлено ее высокой электропроводимостью. Более половины добываемой меди используется в электротехнике для изготовления различных проводов, кабелей, токопроводящих частей электротехнической аппаратуры. Из-за высокой теплопроводности медь — незаменимый материал различных теплообменников и холодильной аппаратуры. Широко применяется медь в гальванотехнике — для нанесения медных покрытий, для получения тонкостенных изделий сложной формы, для изготовления клише в полиграфии и др. 

Большое значение имеют медные сплавы — латуни (основная добавка цинк, Zn), бронзы (сплавы с разными элементами, главным образом металлами — оловом, алюминием, берилием, свинцом, кадмием и другими, кроме цинка и никеля) и медно-никелевые сплавы, в том числе мельхиор и нейзильбер. В зависимости от марки (состава) сплавы используются в самых различных областях техники как конструкционные, антидикционные, стойкие к коррозии материалы, а также как материалы с заданной электро- и теплопроводностью Так называемые монетные сплавы (медь с алюминием и медь с никелем) применяют для чеканки монет — «меди» и «серебра»; но медь входит в состав и настоящих монетного серебра и монетного золота. 

Бериллиевые сплавы:

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность.

Сплавы на основе меди:

В разнообразных областях техники широко используются сплавы с использованием меди, самыми широко распространёнными из которых являются упоминавшиеся выше бронзаилатунь. Оба сплава являются общими названиями для целого семейства материалов, в которые помимооловаицинкамогут входитьникель,висмути другиеметаллы. Например, в состав так называемого пушечного металла, который в XVI—XVIII вв. действительно использовался для изготовления артиллерийских орудий, входят все три основных металла — медь, олово, цинк; рецептура менялась от времени и места изготовления орудия. В наше время находит применение в военном деле в кумулятивных боеприпасах благодаря высокой пластичности, большое количество латуни идёт на изготовлениеоружейных гильз.