Легкие конструкционные металлы – Be, Mg, Al, Ti

Металлотермическое восстановление.

Ti, Zr TiCl_4(г) + 2Mg_(ж) = Ti_(губка) + 2MgCl_2(ж) - магниетермия

Cr, V, Mn Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃ - алюминотермия

Nb, Ta K₂TaF₇ + 5Na = Ta + 5NaF + 2KF - натриетермия

U, Th - кальциетермическое восстановление (см. раздел f-элементы).

Металлы как конструкционные материалы.

Железо. Основной конструкционный материал. Получение стали из передельного чугуна осуществляется следующими методами: а) конверторным (продувка расплавленного чугуна воздухом или кислородом); б) мартеновским; в) электроплавкой. В двух последних случаях окисление углерода осуществляется добавлением в расплавленный чугун железной руды или скрапа (железный лом).

Углеродистые стали широко используют в машиностроении, на транспорте, в строительстве.

Упроченные низколегированные стали, содержащие Cr, Mn, Ni, Si, выпускаются в качестве массовых технических материалов.

Специальные стали с определенными свойствами (механическая прочность, пластичность, свариваемость, жаропрочность, коррозионная стойкость и др.) содержат большие количества легирующих компонентов. Стали с высоким содержанием Mn (до 12%) или Cr (15-18%) обладают высокой твердостью. Инструментальные стали содержат V, Mo, W и другие металлы. Нержавеющие стали содержат в своем составе Cr и Ni. Для электротехнической промышленности производятся магнитные стали и сплавы (трансформаторное железо), а также немагнитные стали, сплавы с большим электрическим сопротивлением и сплавы с особенностями теплового расширения.

Для таких отраслей промышленности, как самолетостроение, судостроение, автомобилестроение, производство космической техники требуются материалы, обладающие малой плотностью, но высокой удельной прочностью и пластичностью.

Большинство легких металлов характеризуются высокой химической активностью, поэтому в качестве конструкционных материалов используют четыре металла Be, Mg, Al, Tiи сплавы на ихоснове. Другие легкие металлы (Li, Na, Ca, Sc) используют как присадки.

Магний – используется как активный восстановитель в металлотермическом методе получения металлов.

Магний способен корродировать во влажном воздухе, поэтому в чистом виде в качестве конструкционного материала не используется, только в виде сплавов: Mg-Al-Zn, Mg-Mn, Mg-Zn-Zr. Детали из этих сплавов требуют защиты от коррозии, поэтому их поверхности оксидируют или лакируют. Сплав Mg-Al (4%)-Mn(0.7%)-Zn(3%) – устойчив к действию морской воды, щелочей, плавиковой кислоты.

Бериллий, алюминий – нерастворимы в воде даже при нагревании; растворяются в щелочах, а с расплавами щелочей не взаимодействуют (оксидные пленки). Алюминий на холоду пассивируется концентрированными серной и азотной кислотами (концентрированную азотную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах).

Бериллий по прочности и коррозионной стойкости не уступает легированной стали. К наиболее важным сплавам относятся бериллиевые бронзы, содержащие до 2,5% бериллия, которые не уступают по свойствам пружинным сталям и немагнитны. Сплавы с никелем, содержащие до 4% бериллия, по свойствам сравнимы с высококачественными нержавеющими сталями.

В атомной технике бериллий используется как замедлитель нейтронов. Поскольку пластинки бериллия прозрачны для рентгеновского излучения, они используются в рентгеновских трубках в качестве лучепропускающих окон.

Чистый алюминий, благодаря высокой электрической проводимости и пластичности используется как ценный электротехнический материал для изготовления проводов, оболочек кабелей, обмоток роторов быстроходных электромашин, тонкой фольги для изготовления конденсаторов. Чистый алюминий используется для плакирования стали с целью повышения ее стойкости к коррозии, а также в металлургии как восстановитель других металлов.

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы отличаются высокой пластичностью и механической прочностью, например, дуралюмины, содержащие добавки Cu, Mg, Mn, Si, Fe. Однако, их коррозионная стойкость невелика. Литейные сплавы алюминия используют для изготовления фасонных отливок. Литейные сплавы, содержащие до 10% магния, отличаются высокой коррозионной стойкостью. В настоящее время широко применяются материалы из спеченного алюминиевого порошка (САП), отличающихся высокой жаропрочностью. САП применяется при изготовлении оболочек для урановых стержней, используемых в ядерных реакторах; оболочки защищают уран от быстрого разрушения в воде при повышенной температуре.

Титан сочетает сравнительно малую плотность, высокую механическую и термическую прочность, коррозионную стойкость во многих агрессивных средах. Однако большая активность при высоких температурах создает существенные трудности в процессах термической обработки (особенно плавки) титана. Сплавы, содержащие титан, используют для изготовления конструкций, работающих в напряженных условиях (ударная нагрузка) – вагонные колеса, рельсы, сопла, клапаны насосов и т.д.

TiO₂ – основа титановых белил, обладающих высокой степенью белезны, устойчивых к изменению температуры, нетоксичных.

Использование других металлов в технике.

Ванадий, ниобий, тантал.

Ванадий называют «автомобильным» металлом. Сплавы, содержащие ванадий, обладают прочностью «на истирание», из них изготавливают валы, шестерни, тормозные колодки.

Ниобий и тантал по коррозионной стойкости подобны благородным металлам. Тантал очень пластичен, его можно прокатать в тончайшую пленку (как золото). В медицине тантал используют для замены участков поврежденной костной ткани. Благодаря своей способности сращиваться с живыми костными тканями, тантал не вызывает никаких болезненных реакций.

Хром, молибден, вольфрам.

Используются в качестве легирующих компонентов сталей и сплавов цветных металлов, обеспепечивающих нержавеющие свойства, жаропрочность, твердость, износостойкость.

Карбид вольфрама WC почти не уступает по твердости алмазу и используется для получения металлокерамических пластинок для режущего инструмента – резцов, фрез, сверл. Материалом для изготовления таких пластинок служит карбид вольфрама в виде тонкого кристаллического порошка, распределенного в кобальте. Твердосплавный инструмент изготовляют также электродуговой наплавкой, используя карбиды вольфрама, молибдена и хрома.

Оксид хрома Cr₂O₃ используют как материал для шлифования и полирования стальных изделий.

Цирконий, гафний.

Цирконий и сплавы на его основе применяют как конструкционный материал в энергетических ядерных реакторах и в химическом машиностроении.

Гафний очень рассеян, собственных минералов не образует, а сопутствует цирконию. При использовании циркония в ядерных реакторах недопустимо присутствие гафния, поскольку последний поглощает нейтроны в тысячу раз больше, чем цирконий. Гафний необходимо тщательно отделять от циркония.