Сплавы. От бронзового века до наших дней.

Тема: «Сплавы»

Класс за две недели до занятия делится на группы из 3-4 учащихся. Группа выбирает тему из перечня и собирает материал, используя различные источники. Результат работы представлен классу в виде презентации по выбранной теме.

Цели урока:

Образовательная: познакомить учащихся со сплавами металлов, с их классификацией и применением.

Воспитательная: Формирование навыков коллективной работы в сочетании с индивидуальной, повышение творческой активности учащихся, познавательного интереса к химии. Воспитание чувства взаимопомощи, коллективизма, создание благоприятного психологического климата на уроке.

Развивающая: Развитие у учащихся познавательных способностей, формирование самостоятельности мышления, умения логически рассуждать, обобщать и делать выводы из полученных знаний. Дальнейшее формирование функциональной грамотности. Развитие представлений о причинно – следственных связях явлений, познаваемости мира.

Тип урока: урок приобретения знаний и умений (с использованием ПК, ТСО и коллекций)

Методы урока: проблемно-поисковый (на этапе подготовки).

Общие: объяснительно-иллюстративный;

Частные: словесно – наглядный.

Оборудование: мультимедиа проектор, ПК, коллекции «Металлы и сплавы», «Алюминий», «Железо», «Медь», презентации.

План урока:

Организационный момент 1 мин

Изучение нового материала 40 мин

Рефлексия, домашнее задание 4 мин

Вводное слово учителя:

Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами.

Еще в глубокой древности люди заметили, что в большинстве случаев сплавы обладают другими, нередко более полезными для них свойствами, чем составляющие их чистые металлы.

Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяются их сплавы.

Известно 80 металлов и все они в отдельности не обладают всеми свойствами, которые необходимы для практического применения. В технике используют преимущественно сплавы и на сегодняшний день их известно более 10 000. Сплавы называются системы, состоящие из двух и более металлов, а так же металлов и неметаллов (C, Si, B и др.)

Сплавы — это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых по крайней мере один — металл.

Все сплавы имеют специальную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Простые вещества – металлы – сходны друг с другом наличием металлической связи, а в ряде случаев однородностью решеток. Металлическая связь может устанавливаться не только между положительно заряженными ионами одного металла, но и разных. Поэтому металлы могут образовывать сплавы. В некоторых случаях сплавы металлов могут входить так же и неметаллы.

Большой вклад в изучение сплавов внес Н.С. Курнаков. Он разработал метод исследования сплавов, с помощью которого была найдена зависимость свойств от состава. Сплавы с заранее с заданными свойствами: кислотоупорные, жаропрочные, сверхтвердые и т.д.

Сейчас в промышленности применяют более 1000 сплавов, но это далеко не предел. И в настоящее время находят и создают новые сплавы, обладающие удивительными свойствами.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, из нее трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза — сплав Cu + Sn имеет прекрасные литейные свойства: из нее 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 Al, Mg, Mn, Cu, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Каждая группа получает текст, который должна изучить 15 минут и представить самое основное в виде мини презентации на 5-6 слайдов.

1 группа Классификация сплавов

Внедрение

Замещение

Механическая смесь металлов Интерметаллы Al Sb, Jn Sb

Двойные

Тройные

Многокомпонентные

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

стали

чугуны

дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

бронзы

латуни

Для заливки подшипников:

баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

манганин

нихром

Для изготовления режущих инструментов:

победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Зейгерование

Металлоконструкция

ASM International

Материаловедение

Металловедение

Сталь

Металлы

Твердый раствор замещения, если число ионов одного металла и ионы другого металла отличаются на 8-12%

Твердый раствор замещения, если число ионов одного металла и ионы другого металла отличаются более чем на 12% (стали)

Металлы при охлаждении кристаллизуются отдельно друг от друга. Поэтому их твердый сплав представляет собой механическую смесь кристаллов разных металлов. (третник)

Сплавы делят по количеству компонентов, по тому металлу, который находится в основе, по свойствам: легкоплавкие, тугоплавкие, устойчивые к коррозии, сверхпроводящие, немагнитные.

Магнитные сплавы: Fe-Ni или Cr-Co – основа с добавками Mo, Si, Sn, Au, Cu, V, Mn, W добавками можно регулировать степень намагничивания стали. Их применяют в радиотехнике, в электронно-вычислительных машинах, магнитные стержни антенн, сердечники электромагнитов.

Сплавы с заданным тепловым расширением – это сплавы V которых не меняется под действием Т⁰С. Таковы требования к различным инструментам, фиксаторам в кинескопах телевизоров Fe-Pd, Fe-Pt, Fe-Ni.

Сплавы с высокой упругостью. Детали приборов , работающие на сгибание-разгибание, требуют для изготовления материал с повышенными упругими свойствами детали часовых механизмов, держатели в электронно-лучевых приборах, размыкатели в электротехнике.

Основой являются сплавы Fe-Ni (36%), - Cr (6-13%) – Mo

Mo – лигирующая добавка.

Сплавы с заданным и жаростойким электросопротивлением. Они выдерживают Т1200-1400⁰С . Основой жаростойкости в них служит Cr : Ni-Cr или Fe-Cr-Al. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000°С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким

содержанием никеля.

Сверх прочные. Победит - С-W-Co - По твердости он близок к алмазу, применяют при обработке металлов и бурения горных пород.

Сплавы уменьшающие трение Баббиты – уменьшают трение. Изготовлены на основе олова и свинца с добавками сурьмы Sb, меди Cu. Применяют для изготовления подшипников.

Специфические сплавы. В медицине необходим прочный сплав для костной и пластической хирургии. Это сплав на основе ниобия и тантала. Этот сплав отвечает всем медицинским требованиям то есть он не вредит деятельности живых тканей организма. Проволокой из этого сплава можно сшивать кости черепа при травмах.

Сплавы, обладающие памятью. Сплав никеля и метана обладает «памятью». Если изделие из титана расплющить или согнуть, а затем нагреть, то оно примет ту форму, какая была до деформации. Их широко применяют в космической технике.

Гарт – для типографского шрифта Pb, Sb, Sn.

Учитель Сплавы классифицируются по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу: медные, алюминиевые, никелевые, титановые и т. д.

2 группа Сплавы на основе железа (стали)

Стали (Fe+C) w(C) ˂ 2%, w(Mn) до 1%, w(Si) до 0,4%, w(S) до 0,01%, w(Р) до 0,09%

Углеродистая сталь Wc ˂ 2%, WMn = 0,1-1%, WSi = до 0,4%			Легированная сталь
Высокоуглеродистая Wc 1,7-2% Бритвы, хирургические инструменты, сверла	Конструкционная Wc до 0,7% Прочна, пластична Детали машин, строительные конструкции	Инструментальная Wc 0,7-17% Твердая, стойкая Против истирания Режущий, штамповочный, измерительные инструменты	Fe-C/Cr, Ni, Mn, Ti, W, V V – прочность и хорошо противостоит истиранию W – жаропрочная Cr, Ni – нержавеющ Mn – износостойкой Cr – упругой Cr, Мо и W - режущая сталь Cr и V – авто осн-эластич Mn – тверд (дробильные оборудования, сейфы) WSr = 17% - нержавеющая WMo = 2% жаропрочная, немагнитная

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

Легированная сталь — это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены еще 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). Они применяются в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромо-молибденовые и хромованадиевые стали очень твердые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов. Fe+Si – ферросилиций для производства кислотоупорного сплава дюрайрона. В химической лаборатории, на химических заводах. Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля.

Свойства некоторых легированных сталей и их применение

Легирующий элемент		Особые свойства стали	Изделия, для производства которых используется сталь
Хром		Твердость 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	Твердость, 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 самолето-, ракето- и судостроении. Химическая аппаратура
Вольфрам	Твердость и жаропрочность, износоустойчивость		Быстрорежущие инструменты, пилы, фрезы, штампы, нити электрических ламп
Молибден	Эластичность, жаростойкость, коррозионная стойкость		Лопасти турбин реактивных самолетов 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		Сейфы

3 группа Сплавы на основе железа (чугуны)

Чугун — сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается. Этот сплав применяется 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

Вид	Состав	Свойства	Применение
Серый чугун	Содержит 1,7—4,3% С, 1,25—4,0% и до 1,5% Мn. 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 придает чугуну мягкость	Твердый и хрупкий материал. Эти свойства придает цементит, который обладает большой твердостью
Белый чугун	Содержит 1,7—4,3% С, более 4% Мn, но очень мало кремния. Углерод в основном содержится в виде цементита — карбида железа Fе3С	Твердый и хрупкий материал. Эти свойства придает цементит, который обладает большой твердостью	Переработка в сталь

4 группа Сплавы на основе меди

Бронзы Сu+Sn Т плавления Сu = 10830 Сu+Sn - ↑твердость, упругость. Царь - пушка 1586г Царь – колокол 1735г Cu+Al (5-11%) Cu+Pb (33%) Cu+Si (4%) Части машин и художественное литье

Мельхиоры Cu+Ni – устойчивы к коррозии, пластичны.

Латуни Cu (65-70%) + Zn (30-35%) и другие добавки Приборы, детали машин, предметы домашнего обихода.

Большую группу составляют медно-никелевые сплавы. Сплав меди, известный с древнейших времен, - бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень

прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.

Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Температура плавления мельхиора составляет 1170 °С. Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер - содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40%

никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов - их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде.

Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для

радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.

Промышленные медно-никелевые сплавы условно можно разделить на две

группы: конструкционные (или коррозионностойкие) и электротехнические

(термоэлектродные сплавы и сплавы сопротивления).

К конструкционным сплавам относятся, куниаль, мельхиор, нейзильбер и др. Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим компонентом которых является никель. Для повышения коррозионной стойкости в морской воде их дополнительно легируют железом и марганцем. Нейзильберы по сравнению с мельхиорами характеризуются высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком.

Куниалями называются сплавы тройной системы Cu-Ni-Al. Никель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры

растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Cu-Ni-Al эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900 -1000 оС, а затем подвергают старению при 500-600 оС. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Al и NiAl. Мельхиор, нейзильбер, куниали отличаются высокими механическими и коррозионными свойствами, применяются для изготовления теплообменных аппаратов в морском судостроении (конденсаторные трубы и термостаты), медицинского инструмента, деталей точной механики и химической промышленности, деталей приборов в

электротехнике, радиотехнике и для изготовления посуды. Мельхиор марки МН19 и нейзильбер марки МНЦ15-20 используются как резистивные сплавы.

К сплавам электротехническим относятся сплавы сопротивления – манганин (МНМц3-12) и константан (МНМц40-1б5) и сплавы для термоэлектродов и компенсационных проводов: копель (МНМц43-0,5).

5 группа Сплавы на основе алюминия

Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы: 
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии), 
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).

Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.

Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.

Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.

Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии — сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Дюралюминий Al - 95%, Mg, Cu, Mn. Он в 3 раза легче стали, но равен ей по прочности. В самолетостроении Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.

Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.

Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.

Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.

Сплавы алюминия с марганцем и магнием

Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.

Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.

Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

Галлий добавляется в количестве 0,01 — 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

Железо. В малых количествах (0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

Индий. Добавка 0,05 — 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево — кадмиевых подшипниковых сплавах.

Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.

Применение алюминиевых сплавов

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.

Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия — это, конечно, авиация. Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия

6 группа Амальгамы

(ср.-лат. amalgama - сплав, через араб., от греч. malagma - мягкая подкладка), сплавы металлов с ртутью. В зависимости от соотношения компонентов, природы металла и т-ры представляют собой гомогенные системы (жидкие или твердые р-ры, твердые интерметаллиды) или гетерогенные. Напр., для Ga-Hg в интервале 28-204 °С существуют две несмешивающиеся жидкие фазы - р-р Ga в Hg и р-р Hg в Ga. Р-римость (ат. %) металлов в ртути при 25 С составляет: In-70,3, Tl-43,7, Cd-10,1, Zn-6,4, Pb-1,9, Bi-1,6, Sn-1,2, Ga-3,6 Mg-3,0, Au-0,13, Ag-0,078, Al-1,5*10-2, Mn-3,7*10-3, Cu-7,4*10-3, Ni-1,5*10-5, Ti-2,1*10-5, Zr-2,3*10-6, Co-1,1*10-7, Fe-1,0*10-7, Pt-3,1*10-7. Эвтектика Hg-Tl (8,55 ат. % Tl) с т.пл. -59°С - наиболее легкоплавкий металлический сплав. При нанесении ртути на поверхность заметно растворимых в ней металлов и платины образуется смачивающая пленка жидкой амальгамы; этот процесс наз. амальгамированием.

Твердые интерметаллиды (иногда наз. меркуридами) образуются в большинстве изученных систем металл -ртуть. Так, с Mg ртуть образует MgHg2, MgHg, Mg5Hg3, Mg2Hg, Mg5Hg2, Mg3Hg. T-pa плавления меркуридов вьппе, чем у ртути, а иногда даже выше, чем у второго компонента. Напр., для LiHg она составляет 596 °С. Не образуют меркуридов, напр., Zn, Al, Ga, Pb, Bi, Sb.

При нагревании амальгам ртуть испаряется. Из амальгам металлов с высокой температурой кипения ртуть можно удалить нагреванием практически полностью. Т.к. растворенный металл в жидкой амальгаме измельчается до атомного состояния и на поверхности сплава не образуется плотная оксидная пленка металла, большинство амальгам химически очень активно. Так, алюминий в амальгаме, в отличие от компактного металла, быстро реагирует с О₂ воздуха при комнатной температуре.

Амальгамы низкоплавких металлов (Ga, In, Tl, Sn, Cd и др.) легко образуются при их нагревании с ртутью. Щелочные металлы взаимодействуют с Hg со значительным выделением тепла, поэтому при получении амальгам их добавляют к ртути небольшими порциями. Золото, на поверхности которого отсутствует оксидная пленка, при соприкосновении с ртутью мгновенно образует амальгаму, которую можно удалить действием HNO₃.

Образованию амальгам большинства металлов препятствует оксидная пленка на их пов-сти. Поэтому для приготовления амальгам часто используют электрохим. выделение металла на ртутном катоде, снятие защитной пленки с помощью разл. реагентов, р-ции вытеснения металлами ртути из р-ров ее солей и др. Так, амальгама алюминия образуется при действии обработанного соляной к-той А1 на р-р Hg(NO3)2. Приготовление амальгам (кроме амальгам благородных металлов) целесообразно проводить в инертной атмосфере или под слоем защитной жидкости, т.к. растворенные в ртути металлы легко окисляются О2 воздуха.

При действии амальгамы натрия на конц. р-ры солей аммония и при электролизе этих р-ров с ртутным катодом образуется амальгама аммония, в к-рой нейтральная частица NH04 ведет себя как атом металла. При комнатной т-ре эта амальгама быстро разлагается с выделением NH3 и Н2.

Амальгамы - промежут. продукты при извлечении Au и др. благородных металлов из руд и концентратов. Методами амальгамной металлургии выделяют и подвергают глубокой очистке в электролизерах с ртутным катодом Ga, In, Tl, Pb, Zn, Sb, РЗЭ и др. элементы, извлекают из продуктов переработки полиметаллич. руд Cd, Cu, Ag и др., получают порошкообразные металлы и сплавы, в т.ч. сплавы компонентов с высокими т-рами плавления (Ti-Zr, W-Zr и др.) и с сильно различающимися т-рами плавления и кипения (Cd-Pd, Cd-Ti и др.). Амальгама натрия используют при получении NaOH высокой чистоты. Амальгамы щелочных металлов и Zn-восстановители в орг. синтезе. Амальгамы используют в разл. приборах (нормальные элементы Вестона, электроды в полярографах и др.).

7 группа Необычные сплавы

Магнитные Fe-Ni, Cr-Co, (Mo, Si, Sn, Au, Cu, V, Mn, W)

Уменьшающие трение Баббиты Sn-Pb-Sb-Cu

Обладающие памятью Нитан Ni-Ti

Легкоплавкие сплавы

По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова (Тпл Sn = 232⁰С), 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!

Сплавы с заданным тепловым расширением

Fe-Pd, Fe-Pt, Fe-Ni

Сплавы с высокой упругостью

Fe – Ni (36%) – Cr (6-13%) – Mo

Жаростойкие (1200-1400⁰С)

Ni-Cr, Fe-Cr-Al

Re-Ta-W

Победит (прочность близка к алмазу) C-W-Co

Припой «Третник» Pb(37%) - Sn(63%)

Гарт (шрифт) Pb-Sb-Sn

Монель – металл – (65-67% Ni, 30-32% Сu, 1 Mn) жаростойкий, очень корозионно-устойчивый.

Нихром (60% Ni, 40% Cr) – высокая магнитная восприимчивость.

Пермаллой (76% Ni, 17% Fe, 5% Cu, 2% Cr)

Инвар (65% Fe, 35% Ni) почти не удлиняется при нагревании

Манганин, Константан, Никелин - электрическое сопротивление почти не зависит от t⁰С

8 группа Ювелирные сплавы

Бе́лое зо́лото — ювелирный материал, сплав золота с другими компонентами (такими как серебро, палладий или никель), которые окрашивают его в белый цвет.

Если 1 г обычного золота 585 пробы содержит 585 мг чистого золота и сплав (лигатуру) из серебра и меди, то в сплаве белого золота вместо меди добавляется никель или палладий, которые и окрашивают металл в белый цвет. При бо́льшем процентном соотношении серебра сплав также окрашивается в белый, но более матовый цвет.

В России процентные соотношения компонентов ювелирных сплавов, в том числе и белого цвета, регламентирует ГОСТ 30649-99.

Примерно у одного человека из восьми наблюдается аллергия на никель в форме контактного дерматита. С 20 января 2000 года в странах Европейского союза действует закон, который ограничивает содержание никеля в ювелирных изделиях, в том числе в белом золоте его использование запрещено. В связи с этим более широкое применение получают сплавы на основе палладия.

В основном белое золото используют в украшениях с бриллиантами (чаще 750 пробы) и чёрным жемчугом. Для придания металлу чистого белого блеска, способом гальванизации его покрывают родием.

Иногда белым золотом называют электр (электрум), природный сплав золота (от 16 до 69 %) с серебром.

Дукатное золото — сплав золота с содержанием 23 2⁄3 карат (23 карат 8 гран) благородного металла. В метрической системе соответствует 986 пробе.

Появление названия дукатного золота связано с феноменом дуката. Будучи впервые отчеканен в Венеции в 1284 году монета на протяжении многих столетий избежала порчи. Большинство стран Европы на протяжении более 700 лет выпускали дукаты придерживаясь первоначальных характеристик — вес монеты около 3,5 г, проба сплава золота около 980-й. На 2015-й год из дукатного золота 2 страны Нидерланды и Австрия продолжали чеканить инвестиционные монеты.

Сякудо (японск. 赤銅, shakudo) — сплав меди и золота (золота обычно 4-10 %), использовавшийся в средневековой Японии, в частности, для производства катан. Иногда к меди и золоту добавляли также олово, серебро и свинец. Сякудо ценился в Японии за почти чёрный (чёрно-голубой) цвет и патину. Кроме оружия из этого сплава обычно делали относительно мелкие предметы, так как его золотая составляющая была дорога и, например, на большую вазу из сякудо могло просто не найтись покупателя из-за её значительной цены. Когда в XIX веке сякудо впервые стал известен на Западе, там посчитали, что это оригинальное японское изобретение. Позднейшие исследования, однако, показали, что этот сплав использовался в Древней Греции, Риме и Египте, но потом был забыт.

Сплавы на основе серебра.

В ювелирном деле используются сплавы с содержанием серебра выше 72%. С увеличением добавки меди блестящее белое серебро приобретает желтоватый оттенок. Сплав Аg800 уже значительно отличается от чистого серебра; сплав Аg720 имеет желтовато-белый оттенок; сплав с 50%-ым содержанием меди выглядит красноватым; сплав с 70%-ым содержанием меди - просто ярко-красным. Кроме меди при добавке других металлов сплав серебра становиться трех- или многокомпонентным, что существенно меняет его свойства. Например, в сплав можно добавить до 10 частей никеля, что повысит прочность сплава, но если его содержание превысит 25 частей, то сплав получиться ломким, и следовательно непригодным для использования. В серебре растворяется до 200 частей цинка, который придает сплавам высокую пластичность и защищает их от потускнения. Добавка кадмия также защищает сплавы серебра от потускнения и понижает температуру плавления, серебро может растворить до 300 частей кадмия.

Со временем сформировался ряд серебряных сплавов, которые применяются в основном для изготовления ювелирных украшений, декоративных изделий и столовых приборов и обладают хорошими технологическими и эксплуатационными свойствами.

Сплав Аg970

В данном сплаве содержание меди очень низкое, поэтому по некоторым свойствам, например, по цвету, устойчивости к потускнению, он очень схож с чистым серебром. Благодаря высокой температуре плавления сплав Аg970 часто используется для изготовления изделий с эмалью (прозрачные краски подсвечиваются более интенсивно). Особенно подходит для ковки, глубокой вытяжки и исполнения тонких филигранных работ.

Сплав Аg925

Этот сплав называется также стерлинговым или стандартным серебром. В нем удачно сочетаются технологические и эксплуатационные свойства, и он широко применяется для изготовления ювелирных украшений. Его цвет и коррозионная стойкость почти такие же, как и у чистого серебра. Сплав подходит для получения черни, возможно, его использование при нанесении низкоплавких эмалей. В этом сплаве сочетаются хорошая способность к формоизменению при обработке и значительная стабильность при эксплуатации.

Сплав Аg900

Данный сплав все чаще применяется для изготовления ювелирных украшений, правда, по своим свойствам он несколько уступает сплаву Аg925. Аg900 подходит для литья, гибки, пайки, ковки и чеканки, но для исполнения тонких филигранных операций и глубокой чеканки он слишком твердый. В качестве основы для нанесения эмали сплав Аg900 не пригоден.

Сплав Аg875

Сплав чаще других используется при промышленном изготовлении ювелирных изделий; из-за высокой твердости труднее, чем другие сплавы, поддаемся механической обработке.

Сплав Аg800

Из данного сплава изготавливаются в основном столовые приборы. Главными его недостатками являются заметный желтоватый оттенок и более быстрая окисляемость на воздухе. Кроме того, вследствие высокого содержания в сплаве меди при его взаимодействии с кислыми растворами происходит образование токсичных солей меди. При больших деформациях, например, гибке или растяжении, заготовки из этого сплава следует обязательно подвергать промежуточному отжигу (рекристаллизации). Литейные свойства сплава Аg800 лучше, чем у сплавов с более высоким содержанием серебра.

Сплав Аg720

Данный сплав из-за желтоватой окраски почти не применяется в ювелирном деле. Сплав трудно поддается формоизменению, но сохраняет твердость и упругость в процессе эксплуатации. Поэтому в отдельных случаях из сплава Аg720 изготавливают пружины, иглы для булавок или другие сильно нагружаемые детали. Сплав Аg720 применяют также в качестве припоя.

Потускнение сплавов Аg-Cu

Серебро обладает очень высокой отражательной способностью и хорошо полируется: полированная поверхность серебряных изделий отличается особенно ярким блеском. Впрочем, посредством «белого» кипячения можно получить и матовую белую поверхность, причем не только на чистом серебре, но также и на других ювелирных сплавах с содержанием в них серебра более Аg800.

Серебру присущ и существенный недостаток, который еще больше проявляется с увеличением содержания в сплаве меди: взаимодействуя с содержащимися в воздухе сернистыми соединениями, серебро образует сульфид серебра, медь - сульфид меди и, кроме того, закись меди красного цвета и окись меди черного цвета. Это приводит к потемнению изделий, причем темный налет формируется постепенно: вначале изделие кажется желтоватым, почти золотистым, затем поверхность становится коричневатой, потом грязно-синей, темно-синей и, наконец, черной. При этом, чем больше в сплаве меди, тем интенсивнее и быстрее он тускнеет и покрывается темным налетом.

Какой период в истории человечества называют «бронзовым веком»? Почему?
Какая масса чистого золота в сережках массой 4 г и 585 пробой золота?

Рефлексия, анализ и выставление оценок группам. Домашнее задание.