Цветные металлы и сплавы. Характеристика. Применение.

1. Классификация цветных металлов

Цветные металлы и их сплавы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, так как обладают рядом положительных свойств: низкой плотностью при удовлетворительной прочности, высокой теплопроводностью и электропроводностью, коррозионной стойкостью и др. Однако применение цветных металлов зависит не только от их свойств, но и от содержания в земной коре, доступности и рентабельности процесса добычи, обработки и производства. Специфика руд цветных металлов состоит в их сложном составе (многокомпонентности) и низком содержании полезных компонентов в руде – всего несколько процентов или долей процентов. На предприятиях цветной металлургии перерабатывают алюминий, медь, олово, цинк, никель, хром, благородные и другие металлы.

По физическим и химическим свойствам нежелезные металлы делят на следующие группы:

Легкие (плотность до 5 г/см3) – магний, бериллий, алюминий, титан.

Тяжелые (плотность более 5 г/см3) – медь, никель, кобальт, свинец, молибден, золото, серебро, платина, вольфрам, тантал и др.

Легкоплавкие – олово, свинец, цинк с температурами плавления 232, 327, 410 °С.

Тугоплавкие (температура плавления выше, чем температура плавления железа – 1539 °С) – вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром.

Благородные – золото, серебро и металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). Обладают высокой устойчивостью к коррозии.

Радиоактивные металлы, или актиниды (14 элементов), применяются преимущественно в сплавах для атомной энергетики (уран, торий, полоний, технеций, радий).

Рассеянные металлы – ванадий, кадмий, галлий, индий, таллий, германий, гафний, селен, теллур, рений.

Редкоземельные, или лантаноиды (17 элементов) применяются для модифицирования стали (лантан, церий, неодим).

Щелочноземельные металлы (калий, натрий, литий, кальций) в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев (например, теплоносителей в атомных реакторах).

Приведенная классификация условна, так как многие металлы могут быть отнесены одновременно к разным группам. Например, легкий металл титан является также тугоплавким.

 

Медь маркируется буквой М, после которой стоит цифра. Чем больше цифра в марке меди, тем больше в ней примесей. В обозначении марок: ВЧ — медь высокой чистоты, к — катодная, б — бескислородная, р — раскисленная, у — улучшенная. Примеры обозначения марок меди: МВЧк (99,993 % Сu), М00к (99,99 % Сu), М0ку (99,97 % Сu), М0к (99,95 % Сu), М1к (99,9 % Сu), МЗ (99,5 % Сu).

Применяют медь в электротехнической промышленности (для про­водников тока), для легирования сталей, при изготовлении теплооб­менников, припоев, порошка для производства металлокерамики. Для изготовления бытовых изделий используют преимущественно спла­вы меди (латуни, бронзы, мельхиор, нейзильбер и др.).

Бронза — это сплав меди с оловом или другими металлами.

По химическому составу бронзы классифицируются на оловянные и безоловянные (специальные).

Маркируют бронзы буквами Бр., затем следуют буквы легирующих элементов. Легирующие элементы в бронзах маркируются так же, как и в латунях.

Бронзы используют для изготовления потребительских товаров, а также различных художественных и скульптурных изделий.

Мельхиор — сплав меди с никелем, его марка МН19. Мельхиор используется для изготовления столовых приборов.

Нейзильбер— представляет собой сплав, содержащий 13,5–16,5 % никеля, 18–22 % цинка, остальное — медь. Марка — МНЦ 15-20.

Мельхиор и нейзиль­бер применяют для производства посуды, столовых и чайных приборов, ювелирных изделий, медицинских инструментов.

Никель и его сплавы

Никель – серебристо-белый металл с желтоватым оттенком, плотность 8,9 г/ см3, относительно твердый и имеющий сравнительно высокую температуру плавления (1453 °С), ферромагнитен. Никель в основном используют в производстве сплавов (особенно легированной стали); для покрытия других металлов, обычно методом электролитического осаждения (для повышения коррозионной стойкости и износостойкости, а также в защитно-декоративных целях); как катализатор многих химических процессов.

Жаростойкие никелевые сплавы применяют для изготовления газопроводов, камер сгорания и других узлов и деталей авиационных двигателей, газотурбинных двигателей, арматуры нагревательных печей. Кроме того, никель и его сплавы применяют для чеканки монет и изготовления бытовых галантерейных изделий (пряжки одежные и обувные, заколки, зажимы, пуговицы).

Алюминий и его сплавы

Алюминий — пластичный металл, обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, хорошо обрабатывается давлением и сваривается, на воздухе покрывается тонкой оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, в воде и других средах.

За основу классификации алюминия принята его чистота. В зависимости от количества примесей установлены 13 марок алюминия: особой чистоты — А999; высокой чистоты — А995, А99, А97, А95; технической чистоты — А85, А8, А7, А6, А5, А5Е, АО, А. Применение алюминия обусловлено его свойствами. Из чистого алюминия изготавливают электрические конденсаторы, выпрямители, полупроводниковые приборы, электрические провода и шнуры; его используют в производстве зеркал и отражателей.

Свинец и его сплавы

Сплавы на основе свинца применяют в типографском деле, антифрикционных подшипниках, аккумуляторах, припоях, для изготовления свинцовой дроби, пуль и т.д.

Цинк и его сплавы

Из них изготовляют детали автомо­билей, велосипедов, холодильников, прессовый инструмент.

Олово и его сплавы

Олово является компонентом многих сплавов, применяемых, например, в подшипниках, в типографских процессах. В чистом виде и в сплавах его используют для создания аппаратуры, труб и трубопроводов для пищевой промышленности, при изготовлении столовых приборов, фольги и мягких труб, а также в виде стержней и проволоки — для пайки.

Титан и его сплавы

Титан — легкий, тугоплавкий, прочный и пластичный металл. Это один из наиболее распространенных в природе элементов.

Титан применяется в тех отраслях техники, где выигрыш в весе играет доминирующую роль, в частности в ракетостроении и самолетостроении. Титан находит очень широкое применение в медицинской практике как у нас в стране, так и за рубежом, используется для изго­товления хирургических имплантатов, фиксаторов, протезов.

Титан обладает высокой совместимостью с тканями организма, это биологически инертный материал в агрессивных средах.

 

3. Свойства и применение благородных металлов и сплавов

Согласно Федеральному закону от 26.03.1998 № 41-ФЗ «О драгоценных металлах и драгоценных камнях» к драгоценным (благородным) металлам, используемым для изготовления ювелирных изделий, относят золото, серебро, платину и пять металлов платиновой группы: палладий, иридий, родий, рутений, осмий.

Золото (Au) - металл желтого цвета, с сильным блеском, пластичный Извлекают золото из руд методами цианирования, амальгамирования, а также при пирометаллургической обработке руд цветных металлов. Цианирование – способ извлечения золота из руд путем их растворения в слабых растворах цианистых натрия и калия. Это наиболее распространенный способ обработки золотых руд. Амальгамация – способ извлечения золота из руд при помощи ртути. При смачивании ртутью золото образует амальгаму и в таком виде отделяется от породы. При пирометаллургической обработке руд цветных металлов содержащееся в них золото дает сплав с извлекаемым металлом. В дальнейшем с помощью электролитического рафинирования золото выделяют в виде шламов. Последующая переработка шламов позволяет получить золото в чистом виде. Используется как основной компонент сплавов и в качестве покрытия.

Серебро (Ag) – белый, блестящий, очень ковкий и тягучий металл; обладает наивысшей отражающей способностью (94 %), хороший проводник электричества и тепла, пластичный – прокатывается в тонкие листы толщиной до 0,00025 мм и вытягивается в тончайшую проволоку. Серебро чернеет при наличии в воздухе или воде сероводорода.

Платина (Pt) - серебристо-белый ковкий металл, Используется как основной компонент платиновых сплавов, обычно в изделиях с бриллиантами.

Палладий (Pd) – металл серебристо-белого цвета, Палладий используется для изготовления ювелирных укра­шений как компонент высокотемпературных припоев.

Чистые драгоценные металлы являются либо сравнительно мягкими и недостаточно износостойкими (особенно золото и серебро) либо хрупкими (как иридий или осмий). Кроме того, при определенных видах ювелирных работ они не обладают необходимой технологичностью. Наконец, драгоценные металлы сравнительно дороги.

Сплавы драгоценных металлов

При производстве ювелирных изделий, как правило, используют различные сплавы, получаемые путем добавления к драгоценным металлам в определенных пропорциях других металлов, называемых легирующими. Легирующими могут быть как драгоценные, так и недрагоценные металлы, но полученные сплавы всегда считаются драгоценными. Обычно название сплава определяется названием основного драгоценного (благородного) металла (например, сплав золота, серебра, платины или палладия).

Основная характеристика каждого сплава – его состав или проба. В РФ используется метрическая проба - количество частей драгоценного металла, измеренное в долях на тысячу единиц массы сплава.

В России для ювелирных и других бытовых изделий из драгоценных металлов установлены следующие пробы:

платиновые: 950, 900, 850;

золотые: 999, 958, 750, 585, 500, 375;

серебряные: 999, 960, 925, 875, 830, 800;

палладиевые: 850 и 500.

 

4. Пробирование и клеймение изделий из сплавов драгоценных металлов

 

Государственное пробирное клеймо - это знак, который чеканится на изделиях или накладывается немеханическим способом (электроискровым или с помощью лазера).

Опробование и клеймение ювелирных и других бытовых изделий из драгоценных металлов в России осуществляются Российской государственной пробирной палатой при Минфине России. Каждое изделие должно иметь клеймо территориальной инспекции Российской государственной пробирной палаты и знак-именник изготовителя, зарегистрированного в ней.

Элементами пробирных клейм являются: знак удостоверения, шифр инспекции и проба (трехзначное число). Каждый вид драгоценного сплава имеет свою форму клейма (Рис. 7.4.).

 

Рис. 7.4. Эскизы государственных пробирных клейм:

1 – для золотых; 2 – для платиновых; 3 – для серебряных; 4 – для палладиевых изделий

 

Метрическая система показывает, какое количество массовых частей драгоценного металла содержится в 1000 массовых долей сплава.

В каратной системе содержание драгоценного металла в сплаве определяется количеством карат. Карат – это условная мера определения содержания драгоценного металла в сплаве или ювелирном изделии. В этой системе вся масса золотого слитка или изделия из золота принимается равной 24 частям, тогда чистое золото соответствует 24 каратам, а, например, 18-каратная проба означает, что в сплаве содержится 18 частей золота и 6 частей лигатуры.

Для перевода пробы из метрической в каратную применяется формула:

 

, где х – каратная проба, у – метрическая проба.

Таблица 7.1.

Соотношение систем проб ювелирных сплавов

Система проб
Метрическая	Каратная	Золотниковая
		-

 

Кроме основного пробирного клейма на изделиях, изготовленных на территории РФ, ставится именник, который в России применяют с 1937 г.

Именник – это оттиск клейма изготовителя, проставляемый на всех российских изделиях и содержащий индивидуальные знаки (шифр) изготовителя, а также знаки, удостоверяющие год изготовления изделия и территориальную инспекцию пробирного надзора, на территории которой зарегистрирован изготовитель. Знаки именника должны быть заключены в единый контур. Форма контура устанавливается для каждой конкретной территориальной инспекции пробирного надзора.

При опробовании применяют методы как разрушающего, так и неразрушающего контроля. Самым распространенным и простым является метод неразрушающего контроля с использованием пробирного камня –крем­нистого сланца.