Свойства алюминия

На сегодня цена тонны алюминия составляет примерно 1640 $ за тонну на Лондонской бирже металлов. И надо отметить, что сейчас на рынке алюминия спрос сильно снизился. Обвальное падение цен на алюминий в 1993 г. вынудило семь основных мировых производителей сократить выпуск металла на 1044 миллиона тонн в год. Основными странами-производителя­ми было заключено соглашение об ограничении производства алюминия, ко­торое истекает в декабре 1995 г. Уже сейчас известно, на сколько по истечении срока действия соглашения основные производители расширят свое производство алюминия. Так, норвежская группа "Норск хидро" в 1996 г. вернется к полной загрузке мощностей, что преполагает дополни­тельный выпуск 70000 тонн металла. Голландская "Хуговенс" увеличит свое производство на 42000 тонн, канадская "Алкан"-на 124000 тонн. Крупнейшие заводы России обьявили о том, что полная загрузка производ­ственных мощностей будет достигнута уже в будущем году, однако, скорее всего, по мнению французкой газеты "Трибюн", намеченная задача не бу­дет выполнена из-за проблем со снабжением сырьем. Тем не менее, по оценкам, в 1996 г. Россия произведет 2.7 миллиона тонн и экспортирует

2.2 миллиона тонн алюминия. Плюс к этому отмечается быстрое расширение предложение алюминия со стороны Индии, государств Южной Америки и осо­бенно государств Персидского залива.

Специалисты полагают, что начало 1996 г. на мировом рынке алюминия будет отмечено незначительным дефицитом предложения-от 180000 до 260000 тонн, которого, однако будет явно недостаточно, чтобы приоста­новить падение цен, вызванное замедлением спроса. По всей видимости, мировая цена на алюминий в 1996 г. будет колебаться на критическом для производителей уровне - 1400-1500 $ за тонну.

Из цветных металлов в хозяйстве также очень широко используется медь и ее сплавы. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее широкое применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны че­ловечеству с доисторических времен, когда они были единственным метал­лом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда (бронзовый век).

По внешнему виду медь легко отличить от всех остальных металлов, так как она имеет специфический красновато-розовый цвет.

Медь химически мало активна. В разбавленных соляной и серной кисло­тах растворяется только в присутсвии окислителя (например, кислорода). Легко растворяется в азотной кислоте. Она обладает высокой коррозион­ной стойкостью в атмосферных условиях и в парах воды.

Относительная плотность меди 8.95, температура плавления 1083 C .

Характерными физическими свойствами меди являются ее высокие тепло-

и электропроводность. По электропроводности медь занимает первое место

среди других технических металлов. При 0 C удельная электропроводность

меди равна 64 1/ом. Незначительно выше электропроводность только у се­ребра (68 1/ом), но оно существенно дороже меди. Электропроводность меди тем выше, чем она чище. Любые примеси снижают это ценное ее свойство.

Медь-очень пластичный металл с невысокой прочностью. Ее механические свойства в сильной мере зависят от состояния поставки. Следует иметь в виду, что у нагартованной, т.е. упрочненной холодной пластической де­формацией меди электропроводность ниже. Снять наклеп можно с помощью рекристаллизационного отжига.

Медь кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку с па­раметром 3,6 А. Аллотропических превращений не имеет.

Медь встречается в земной коре главным образом в виде комплексных соединений, содержащих, кроме меди, свинец, цинк, сурьму, мышьяк, зо­лото и серебро. В рудах медь находится в виде сульфидных и окисленных соединений; встречается и самородная медь. Наибльшее распространение и значение имеют сульфидные руды, содержащие от 1 до 5% Cu. К сульфидным рудам относятся медный колчедан, медный блеск и пестрая медная руда.

М е д н ы й к о л ч е д а н или х а л ь к о п и р и т-минерал ла­тунно-желтого цвета. Представляет собой химическое соединение меди с

железом и серой CuFeS , содержащее 34,5% Cu. Твердость по Моосу 3-4.

Это главная медная руда, из которой извлекают большую часть добывающей меди.

М е д н ы й б л е с к, или х а л ь к о з и н,-минерал свинцово­серого или черного цвета. По химическому составу это соединение меди с

серой Cu S, в котором содержится 79,8% Cu, а иногда присутствует при­месь серебра. Твердость минерала по шкале Мооса 2-3. Медный блеск от­носится к богатым медным рудам.

П е с т р а я м е д н а я р у д а, или б о р н и т, является про­дуктом распада медного колчедана. Химический состав минерала Cu FeS ,

т.е. это сульфид меди и железа с содержанием 52-65% Cu. Твердость по

Моосу около 3.

Из окисных медных руд наибольшее значение имеет красная медная руда. К р а с н а я м е д н а я р у д а, или к у п р и т,-минерал крас-

ного цвета, имеющий химический состав Cu O с содержанием 88,8% Cu. Твердость по Моосу 3,5-4. Это-богатая медная руда.

Медь можно получить пирометаллургическим и гидрометаллургическим спосабами. Наиболее распространным в современной практике является пи­рометаллургический способ.

Богатые окисленные руды с содержанием меди 3-5% и более подвергают непосредственной плавке. Руды со средним содержанием меди (1-2%) и все комплексные руды, в состав которых входят цинк, свинец, никель и дру­гие металлы, включая благородные, перед плавкой проходят обогащение. Наиболее широко его осуществляют флотационным методом, позволяющим по­чить концетрат с 15-30% Cu.

Богатую руду или концетрат вначале обжигают при 600-700 C для удале­ния избытка серы и образования окислов железа, а затем переплавляют в отражательных печах. При переплавке получается еще не медь, а медный штейн, состоящий из сернистых соединений меди и железа. В нем содер­жится приблизительно 20-25% Cu, 20-40% Fe и 22-25% S. Медный штейн в жидком виде поступает на дальнейшую переработку для получения черновой меди.

Черновую медь получают в горизонтальных конвертерах путем продувания воздуха через расплавленный штейн. В первой стадии процесса проходящий через расплав кислород окисляет железо и получающиеся окислы, соединя­ясь с кремнеземом, образуют шлак:

2FeS + 3O + SiO 2FeO SiO + 2SO .

Эти реакции проходят с выделением большого количества тепла, поэтому никакого дополнительного подогрева ванны не требуется. Шлак удаляют.

Вторая стадия процесса состоит из двух этапов и приводит к получению черновой меди:

Cu S + 1,5O Cu O + SO ;

Cu S + 2Cu O 6Cu + SO .

Продолжительность конвертирования штейна, содержащего 24% Cu, при емкости конвертора 40 т составляет около 15 ч, а при более крупных конверторах 25-30 ч.

Готовую черновую конверторную медь разливают в металлические формы (изложницы) и получают слитки. Эта медь еще непригодна для технических целей, ее необходимо подвергнуть огневому или электролитическому рафи­нированию.

При огневом методе через черновую медь в пламенных отражаельных пе­чах под давлением продувают воздух, кислород которого выжигает приме­си. Этод метод применяют для получения меди не особенно высокой чисто­ты и в тех случаях, когда медные руды, из которых приготовлена черно­вая медь, содержит ничтожно малое количество благородных металлов или не содержат их совсем. При этом способе они не извлекаются, а полнос­тью остаются в получающейся огневой меди.

В настоящее время в большинстве случаев применяют электролитическое рафинирование, обеспечивающее более полную очистку меди от примесей и позволяющее более полную очистку меди от примесей и позволяющее извле­чение благородных металлов. Используют также последовательное комбини­рование более дешевого огневого способа с электролитическим.

При электролитическом рафинировании в ванну с электролитом опускают аноды, в качестве которых служит подлежащая очистке медь с примесями, и катоды-тонкие (0,5-0,7 мм) листы чистой меди. Первые соединяют с по­ложительным полюсом, а вторые-с отрицательным. При пропускании тока медь анода сначала переходит в электролит в виде положительно заряжен­ных ионов, а потом осаждается на катодах, которые вынимают через каж­дые 10-12 дней по достижении массы 60-90 кг.

Примеси, находящиеся в аноде, частично растворяются в электролите, частично переходят в шлам-нерастворимый осадок.

Электролитную катодную медь для переплавки в проволоку, листы и дру­гие изделия переплавляют в плавильных печах и разливают в слитки раз­личной удобной для прокатки формы.

Если медь предназначена для изготовления медных сплавов, то катодные листы режут на части и переплавляют с необходимым для этой цели добав­лением легирующих элементов.

На мировом рынке в основном обращается технически чистая медь разной степени чистоты.

Наша промышленность производит десять марок меди, отличающихся друг от друга количеством примесей.

Марка меди................... М00 М0 М0б М1 М1р

Содержание меди, % не менее.. 99,99 99,95 99,97 99,90 99,90

Марка меди................... М2 М2р М3 М3р М4

Содержание меди, % не менее.. 99,70 99,70 99,50 99,50 99,0

Медь марок М1р, М2р и М3р при суммарном содержании примесей, одина­ковом с медью марок М1, М2 и М3, отличается от них тем, что они более полно раскислены-содержание кислорода в них снижено до 0,01 % вместо 0,05-0,08 %. Кроме того, в них дополнительно содержится до 0,04 % P. Марка М0б кислорода не содержит, тогда как в марке М0 он быть в коли­честве до 0,02 %.

Примесями в меди являются висмут, сурьма, мышьяк, железо, фосфор и серебро. Влияние различных примесей на свойства меди неодинаково, по­этому в контрактах описывается не только суммарное содержание приме­сей, но приведены также предельно допустимые количества каждой из них.

Наиболее вредны в меди висмут и свинец. Они с нею образуют легко­плавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерна. При нагре­ве под обработку давлением эвтектики расплавляются и делают хрупким, неспособным воспринимать пластическую деформацию, т.е. красноломким. Поэтому висмут и свинец допускаются в меди разной степени чистоты в количестве тысячных и даже десятитысячных долей процента.

В зависимости от чистоты применение меди различно. Поскольку любая примесь в той или иной мере снижает электропроводность, то для изго-

товления проводников электрического тока (проводов, шин, контактов и

др.) применяют преимущественно наиболее чистую медь марок М00 и М0.

Менее чистую медь применяют для разных целей, используя ее основные положительные свойства: высокую теплопроводность и коррозионную стой­кость.

Большое количество меди идет на изготовление сплавов на ее основе и для легирования других цветных сплавов, например медноникелевых, мед­носеребряных и др. При этом более чистые сорта меди (М0, М1, М2) при­меняют для получения сплавов высокой чистоты и высококачественных, об­рабатываемых давлением, а менее чистые-для деформируемых сплавов обыч­ного качества (М3) и для литейных сплавов (М3, М4).

Технически чистую медь поставляют или в виде катодных листов, или в виде полуфабрикатов-слитков, предназначенных для дальнейшего передела прокаткой. Поставляют также и готовые медные изделия, полученные ли­тьем (отливки разной формы и назначения) и главным образом методами обработки давлением-проволоку, листы, ленты, полосы и др.

Наиболее широко применяемыми в народном хозяйстве являются медные сплавы двух типов, носящие общее групповое название латуней и бронз. В каждой из этих групп содержатся сплавы разного химического состава, обладающие различными свойствами.

Л а т у н я м и называют сплавы меди с цинком. Различают двухкомпо­нентные латуни, состоящие только из меди, цинка и неизбежных примесей, и многокомпонентные латуни, в которые дополнительно введены еще один

или несколько легирующих элементов для придания тех или иных свойств.

Первые латуни часто называют простыми, а вторые-специальными.

Двухкомпонентные латуни. Предел растворимости цинка в меди при ком­натной температуре равен 39 %. При повышении температуры он снижается и при 905 C становится равным 32 %. Латуни, содержащие цинка менее 39 %, имеют однофазную структуру твердого раствора цинка в меди; их называют -латунями.

Если вводят большое количество цинка, то появляется вторая более сложная -фаза. Структура сплавов становится двухфазной. Их называют ( + )-латунями.

В практически применяемых латунях количетво цинка не превышает 45 %. В пределах этого содержания цинк сильно изменяет свойства сплавов. Цинк повышает прочность и пластичность меди.

Максимальной пластичностью обладает -латунь, содержащая 30 % Zn. Прочность ее сравнительно низкая. Резкое снижение пластичности наблю-

дается при переходе через границу растворимости цинка в меди, когда

сплав становится двухфазным и представляет собой механическую смесь -

и -кристаллов. Максимальная прочность достигается в сплавах с 45% Zn,

но пластичность при этом становится невысокой. Дальнейшее повышение

содержание цинка приводит к резкому снижению прочности без повышения

пластичности, поэтому в практике такие сплавы не используют.

Коррозионная стойкость латуней в атмосферных условиях оказывается средней между стойкостью элементов, образующих сплав, т.е. цинка и ме­ди.

Латуни обладают высокими технологическими свойствами. Из них получа­ют хорошие отливки, так как они обладают хорошей жидкотекучестью и ма­лой склонностью к ликвации. Одновременно с этим латуни легко поддаются пластической деформации и поэтому основное их количество идет на изго­товление катанных полуфабрикатов-листов, полос, лент, проволоки и раз­ных профилей.

Особенностью обработки латуней давлением является то, что для обра­ботки в холодном состоянии (тонкие листы, проволока, калиброванные профили) используют -латунь с содержанием цинка до 32 %, так как она при комнатной температуре имеет высокую пластичность и малую проч­ность. При повышении температуры до 300-700 C ее пластичность уменьша­ется, поэтому в горячем состоянии ее обрабаывать нет смысла. Для этой цели целесообразно использовать или -латунь с большим содержанием цинка (до 39 %), которая при нагреве переходит в двухфазное состояние

+ , или еще лучше ( + )-латунь. Обьясняется это тем, что менее плас­тичная при комнатной температуре -фаза при высоких температурах ста-

новится более пластичной, чем -фаза.

Цинк более дешевый материал по сравнению с медью, поэтому его введе­ние в сплав одновременно с повышением механических, технологических и антифрикационных свойств приводит к снижению стоимости-латунь дешевле меди. Электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди.

Поскольку содержание меди и цинка решающим образом влияет на все свойства латуней, его отражают в наименовании марки. Марка латуни сос­тавляется из буквы Л, указывающей тип сплава-латунь, и двузначной ци­фры, характеризующей среднее содержание меди. Количество цинка не от­ражают, так как его легко определить по разности от 100 %. Например, марка Л80-латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn.

Классификация латуней дана в таблице.

Остальное-цинк.

Контролируемыми примесями в медноцинковых сплавах являются свинец, железо, сурьма, висмут и фосфор, а в марке Л70 еще дополнительно-мышь­як, олово и сера. Их вредное влияние на латунь такое же, как и в чис­той меди-они делают ее хрупкой при горячей обработке давлением.

Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их пос­тавляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, лен­ты, проволоки и прутков различного профиля.

Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагар­тованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на возду­хе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряже­ние, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.

Многокомпонентные латуни. Количество марок многокомпонентных лату­ней, естественно, больше, чем двухкомпонентных, так как в них варьи­руется не только содержание цинка, но также наименование и количество входящих легирующих элементов.

Наименование специальной латуни отражает ее легирование. Так, если она легирована железом и марганцем, то ее называют железомарганцевой, если алюминием-алюминиевой и т.д.

Марку этих латуней составляют следующим образом: первой, как в прос­тых латунях, ставится буква Л, вслед за ней-ряд букв, указывающих, ка­кие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь; затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержа­ние меди в процентах, а последующие-каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: снача­ла тот, которого больше, а далее по нисходящей закономерности. Содер­жание цинка определяется по разности от 100%. Например, марка ЛАЖМц66- 6-3-2 расшифровывается так: латунь, в которой содержится 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe и 2 % Mn. Цинка в ней 100-(66+6+3+2)=23 %.

Основными легирующими элементами в многокомпонентных латунях явля­ются алюминий, железо, марганец, свинец, кремний, никель. Они по-раз­ному влияют на свойства латуней.

М а р г а н е ц повышает прочность и коррозионную стойкость, осо­бенно в сочетании с алюминием, оловом и железом.

О л о в о повышает прочность и сильно повышает сопротивление корро­зии в морской воде. Латуни, содержащие олово, часто называют морскими

латунями.

Н и к е л ь повышает прочность и коррозионную стойкость в различных средах.

С в и н е ц ухудшает механические свойства, но улучшает обрабатыва­емость резанием. Им легируют (1-2 %) латуни, которые подвергаются ме-

ханической обработке на станках-автоматах. Поэтому эти латуни называют

автоматными.

К р е м н и й ухудшает твердость, прочность. При совместном легиро­вании кремнием и свинцом повышаются антифрикционные свойства латуни и

она может служить


29-04-2015, 03:09