Черные металлы и их сплавы

ЛЕКЦИЯ № 8

 Материалы изготовления непродовольственных товаров.

Химический состав сырья и материалов, используемых для производства непродовольственных товаров, имеет свои особенности.

Непродовольственные товары изготавливаются из минеральных материалов: стекло, керамика, металлы, минеральные вяжущие вещества; и органических материалов: пластмассы, древесина, резина, волокнистые вещества.

В промышленном материаловедении материалы делятся на металлически и неметаллические. Металлические материалы делятся н металлы черной металлургии (стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами) и материалы цветной металлургии (алюминий, цинк, свинец, олово, никель и сплавы на их основе и благородные металлы).

Неметаллические материалы: стекло, керамика, древесина, волокнистые материалы и т.д. Часть материалов имеет природное происхождение: древесина, растительные и животные волокна, шкуры, песок, камень, глины. Часть искусственное: стекло, керамика. Часть синтетическое: пластмассы.

Металлические материалы

Используются для изготовления металлохозяйственных товаров, а это посуда, ножевые изделия, столовые приборы и принадлежности, приборы, облегчающие домашний труд, инструменты, садово-огородный инвентарь, и ювелирных товаров, строительных материалов (приборы для окон и дверей, крепежные изделия, конструкционные элементы), при производтве транспортных средств (велосипедов, мопедов, мотоциклов, автомобилей, лодок катеров).

Металлы – химические элементы, характеризующиеся в твердом состоянии внутренним кристаллическим строением. Они имеют характерный блеск, непрозрачны, при деформации пластичны, характеризуются теплопроводностью и электропроводностью.

Черные металлы и их сплавы.

Железо – один из наиболее распространенных в природе металлов. Технически чистое железо это серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл с высокой прочностью. Процесс обработки железа от примесей достаточно дорогой, поэтому и производство товаров из железа не велико. Более распространены железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны.

Стали – содержат углерода не более 2.14%, а чугуны – свыше.

Стали по химическому составу подразделяются на углеродистые и лигированные.

Углеродистые стали кроме углерода содержат в небольших количествах только неизбежные примеси – кремний, марганец, серу, фосфор.

В легированные стали входят, кроме этого, добавки цветных металлов: хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама и т.д. Химический состав существенно влияет на свойства стали и ее применение в производстве.

С увеличением концентрации углерода возрастают твердость и хрупкость стали. Поэтому практическое применение находят стали с содержанием углерода около 1.3%.

Кремний – повышает твердость и повышает упругие свойства металла. Включают в состав стали до 2%. Изготовляют рессоры, пружины для транспортных средств.

Марганец – увеличивает твердость и прочность стали, ее износостойкость. Изготавливают металлоинструмент – пилы.

Сера и фосфор – вредные примеси. Сера вызывает красноломкость (растрескивание металла при механической обработке в горячем состоянии), ухудшает пластичность и снижает коррозионную стойкость стали. Фосфор вызывает хладноломкость стали, т.е. растрескивание при механическом воздействии на сталь в холодном состоянии.

Хром – увеличивает твердость и износостойкость стали. При содержании хрома более 13% сталь приобретает стойкость к коррозии. Из такой сравнительно недорогой стали изготовляют ножи и столовые приборы.

Никель – упрочняет сталь, повышает ее ударную вязкость и снижает хладноломкость. При совместном введении в сталь хрома и никеля сплав приобретает жаропрочность и высокую коррозионную стойкость в кислой среде. Отсюда, хромоникелевые сплавы применяют для производства посуды и столовых приборов.

Молибден, ванадий и вольфрам – придают стали высокую твердость и красностойкость, даже при нагреве «докрасна». Используют для изготовления металлорежущих инструментов и резцов.

Углеродистые стали в зависимости от наличия углерода подразделяют на конструкционные (углерода не более 0,75%) и инструментальные (до 1.3%).

Конструкционные стали используют при изготовлении посуды, приборов для окон и дверей, крепежных изделий, нагревательных и осветительных приборов. Инструментальные стали применяются при изготовлении инструментов, ножей, ножниц и т.д. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) различают углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Стали обыкновенного качества: содержание вредных примесей не ограничивается (группа А); или содержание каждого до 0,07% (группы Б и В).

Качественные - содержание каждого – не более 0,04%.

Высококачественные – содержание серы не более 0,02% и фосфора не более 0,03%.

Отрицательно влияет на свойства стали кислород. Он вызывает красноломкость, снижает пластичность и вязкость металла. Поэтому в процессе получения сталь раскисляют («отбирают» у железа кислород) добавками марганца, алюминия и кремния.

По степени раскисления сталь делят на: спокойную (сп) – она раскислена полностью; полуспокойную (пс) – раскислена меньше; кипящую (кп) – раскислена не полностью, при разливке она кипит (выделяет кислород).

Спокойная сталь – однородная, плотная, отличается высокими механическими свойствами. Полуспокойная сталь – занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей. В кипящей стали много мелких раковин, которые снижают ее прочностные показатели, но выход металла больше, и он дешевле, а при прокатке мелкие раковины запаивают.

Кипящая сталь отличается пластичностью, содержит минимальное количество кремния и марганца, ее раскисляют только алюминием.

Изготовляют из кипящей стали методом штамповки: стальную посуду, корпуса бытовой газовой аппаратуры, холодильников и т.д.

А вот спокойную и полуспокойную сталь применяют там, где сплав при эксплуатации подвергается большим нагрузкам: инструменты, ножи, детали бытовых машин и т.д.

Легированные стали подразделяются по назначению на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные используются в производстве ответных деталей машин (совместимые друг с другом), когда требуется сочетание прочности, твердости, износостойкости и пластичности, вязкости.

Из легированных инструментальных сталей изготовляют такие металлообрабатывающие инструменты: сверла, ножовочные полотна, напильники, метчики, плашки (для нарезания резьбы).

К сталям с особыми свойствами относятся коррозионностойкие или нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и т.д. Для товаров народного потребления из этой категории используют нержавеющие стали: посуда, ножи, столовые приборы, лезвия и т.д.

Чугун – вырабатывают выплавкой из железных руд в доменных печах.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (из которых «переделывают» в сталь), литейные, высокопрочные, ковкие, легированные. Для производства товаров народного потребления: посуда, замки, мясорубки, печные приборы, радиаторы отопления – используют серый литейный чугун. Изделия из чугуна дешевле аналогичных из стали или цветных металлов, но очень хрупок. Этот недостаток необходимо учитывать при хранении, транспортировке и эксплуатации изделий из чугуна. СЧ 12-28 – серый чугун, первые две цифры предел прочности при растяжении, вторые – при изгибе.

Цветные металлы и сплавы – наиболее часто применяются в производстве непродовольственных товаров: алюминий, медь, цинк, никель, хром, олово, серебро, золото, платина и их сплавы.

Алюминий – белый серебристый металл с малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью к атмосферным воздействиям и пресной воде, нетоксичен, пластичный, с высокой тепло- и электропроводностью. Но уступает в прочности и жесткости черным металлам, нестоек к кислой и щелочной среде (посуда из алюминия не используется для солений и маринадов, а также для хранения кисломолочных продуктов).

Из алюминия изготовляют упаковочный материал фольгу, электрические провода, детали бытовых холодильников, посуду. Но технически чистый алюминий не употребляют, а используют его сплавы.  Все сплавы алюминия делятся по способу переработки их в изделия: деформируемые и литейные.

Деформируемые, перерабатываемые методом давления. Они, в свою очередь, бывают не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Не упрочняемые сплавы почти такие же, как технически чистый алюминий, но они имеют высокую пластичность и коррозионную стойкость. Их используют для баков стиральных машин (вместо нержавеющей стали) и посуды 9бидонов, кастрюль, чайников, кофейников), методом глубокой вытяжки. Эти сплавы могут быть получены сплавлением алюминия с марганцем АМц и с магнием АМг. Наиболее распространенный упрочняемый сплав – дюралюмин – медь, магний, марганец. По механическим свойствам он близок к углеродистой конструкционной стали, но меньшую коррозионную стойкость. Для защиты от коррозии его покрывают чистым алюминием – плакируют. Этот сплав используют как конструкционный материал - для изготовления мебели с металлическим каркасом, спортивного инвентаря.

Литейные сплавы алюминия получают на основании системы алюминий + кремний. Их называют силуминами, и используют для отливки деталей сложной конструкции, для которых не обязательны высокие механические свойства (художественно-декоративные изделия, дверные ручки, чайники). Для изделий с более высокими прочностными показателями используют сплавы с медью, марганцем и магнием: замки, мясорубки, посуда, столовые приборы, детали инструментов).

Сплав, изготовленный из металлолома и отходов, называется вторичным литейным сплавом алюминия.

Сплав, содержащий не более 0,15% свинца 0,015% мышьяка и 0,3% цинка называется пищевым и применяется для изготовления изделий, соприкасающихся в процессе эксплуатации с пищей: посуда, кухонные принадлежности, столовые приборы, мясорубки, соковыжималки, шинковки).

Медь – розово-красный металл, тяжелый, эластичный, с высокой тепло- и электропроводностью. Она хорошо противостоит коррозии на воздухе, но во влажной среде и в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, быстро тускнеет, покрывается зеленым налетом, при этом образуются очень токсичные соединения. Широко используется ля изготовления электрических проводов, шнуров, контактов. На ее основе получают многочисленные сплавы, объединенные в две группы – латунь и бронзу.

Латуни - это сплавы меди с цинком.

К никелевым латуням относят мельхиор и нейзильбер. Обычные латуни могут содержать до 50% цинка, с возрастанием концентрации цинка возрастает прочность сплава при сохранении достаточной пластичности. Из латуни методом глубокой вытяжки изготовляют чайники, кофейники, самовары, охотничьи гильзы.

Мельхиор – сплав меди с 18-20% никеля.

Нейзильбер – содержит меди 13,5% и 18-22% цинка, по внешнему виду напоминает серебро, имеет высокую коррозийную стойкость и пластичность. Используются никелевые латуни доя изготовления столовой посуды, столовых приборов, художественно-декоративных и ювелирных изделий.

Бронзы – сплав меди с другими элементами. Наиболее распространены оловянные бронзы (олова до11%). Они обладают хорошими литейными свойствами и малой усадкой при затвердевании и охлаждении. Методом литья из нее изготовляют: подсвечники, статуэтки, барельефы, дверные ручки, краны, вентили. Вводят также 5-10% цинка – для удешевления, 3-5% свинца – для уменьшения хрупкости, и до 1% фосфора – для облегчения обрабатываемости резцом.

Цинк – светло-серый с синеватым оттенком металл, легкоплавкий, хрупкий. Используют для нанесения защитных покрытий на стальную посуду получаются сплавы с хорошими дверей. Цинковые покрытия образуют плотную защитную пленку при повышенной влажности. Но при воздействии на оцинкованное покрытие щелочей, кислоты или горячей воды образуются токсичные вещества. При легировании цинка алюминием получают сплавы с хорошими литейными свойствами, но не очень прочные. Для придания им прочности вводят 3,5% меди. Эти сплавы используют для отлива замков, ручек, ножей, вилок.

Никель – серебристый с желтоватым оттенком металл, очень пластичный, тяжелый, с высокими механическими свойствами. Хорошо поддается полировки и имеет высокую степень блеска. Никель противостоит коррозии на воздухе, в воде и растворах кислот. Поэтому активно используют в защитно-декоративных покрытиях столовых приборов, приборов для окон и дверей, инструментов, посуды, велосипедов, металлической мебели и т.д. Сплавы никеля с хромом – нихромы – используют при изготовлении электротоваров. Они отличаются высоким электрическим сопротивлением и окалиностойкостью, используют для изготовления электронагревательных элементов электроплиток, утюгов, чайников.

Хром – твердый, тугоплавкий, серебристо-синеватый металл с очень высокой коррозионной стойкостью. Применяют для получения защитно-декоративных покрытий, обеспечивающих повышенную износостойкость деталей инструментов, приборов для окон и дверей, автомашин, велосипедов, мотоциклов, часов.

Олово – серебристый легкоплавкий металл мягкий и пластичный. Имеет высокую коррозионную стойкость и безвредность, используется как покрытие для латунной и стальной посуды, чугунных мясорубок, консервных банок, крышек для консервирования. Но это покрытие легко царапается, а при минусовых температурах осыпается и это необходимо учитывать при транспортировании, хранении и эксплуатации изделий покрытых оловом. Олово легкоплавкий металл - его применяют для паяния или в составе припоя олово-свинец.

Благородные (драгоценные) металлы и сплавы используют для производства ювелирных, художественно0декоративных и электронных товаров. К этой группе относятся серебро, золото, платина и металлы платиновой группы – палладий, рутений, родий, иридий, осмий. Для бытовых ювелирных изделий используют в основном серебро, золото, платину.

Серебро обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью, хорошей отражающей способностью. Оно устойчиво к действию воды, соляных и органических кислот, но растворяется в азотной кислоте. Серебро используют для защитно-декоративного покрытия, изготовления ювелирных изделий, припоев, светочувствительных материалов, контактов приборов и т.д.

Золото металл ярко-желтого цвета с сильным блеском, тяжелый, но мягкий и пластичный. Золото имеет высокую химическую прочность к действию атмосферы, воды при высоких и низких температурах, к кислотам, щелочам, но растворяется в «царской водке» (смесь соляной и азотной кислоты), бромной и хлорной воде. Ювелирные изделия изготавливают не из чистого золота, так как оно очень мягкое, а из сплавов золота с медью, серебром, палладием (белое золото).

Платина - белый металл с сероватым оттенком, имеет высокую плотность и температуру плавления. Обладает высокой твердостью, но меньшей пластичностью. Для повышения прочности ее сплавляют с металлами платиновой группы: родием, иридием, палладием, а также золотом, серебром и медью. В ювелирном деле платина применяется 950 пробы при изготовлении украшений, а также в качестве оправы для бриллиантов, так как у платины одинаковый коэффициент расширения с алмазом и бриллиант в оправе из платины дает лучший блеск.