Черные и цветные металлы, свойства и применение

Мировое производство основных материалов

Источником почти всех материалов, используемых человеком, является верхний слой земной коры толщиной до 10 км. Самым распространенным элементом земной коры является кислород (47 %). Второе место занимает кремний (29 %), затем следуют алюминий (8 %), железо (4,6 %), кальций, натрий, калий, магний и водород. Эти девять элементов составляют более 98 % массы земной коры, так что на долю всех остальных приходится менее 2 %. В эти 2 % входят и такие широко применяемые в народном хозяйстве элементы, как медь, цинк, свинец, никель, сера, фосфор и др.

В 2008 г. примерный объем (в млн т) производства различных материалов в мире составил:

I. Цемент (2900), лидеры – Китай (1450), Индия (175), США (89);

II. Чугун и сталь (1330), лидеры – Китай (502), Япония (119), США (92);

III. Полимеры и пластмассы (245), лидеры – NAFTA[1] (58), Китай (36), Германия (20);

IV. Алюминий и его сплавы (39,7), лидеры – Китай (13,5), Россия (4,2), Канада (3,1).

В годы устойчивого развития структура потребления различных материалов и сырья в Российской Федерации в стоимостном выражении была примерно следующая:

- металлические материалы – 27 %,

- материалы химического производства – 20 %,

- материалы лесной и деревообрабатывающей промышленности – 17 %,

- строительные материалы (цемент, асбест и др.) – 13 %,

- нефтепродукты – 11 %,

- уголь – 9%,

- газ, торф, сланцы – 3 %.

Наиболее распространенными конструкционными материалами во всем развитом мире являются сталь и чугун, представляющие собой сплавы на основе железа и углерода. Самые дешевые марки этих материалов в России в 2008 г. (до экономического кризиса) продавались по цене около 1000 $/т, а нержавеющие – на порядок дороже. Цены на металлы и сплавы непрерывно меняются в зависимости от конъюнктуры. Если за единицу принять рядовую сталь, то алюминий дороже, примерно, в 6 раз; медь – в 7,5 раз; никель – в 17 раз; вольфрам – в 75 раз; титан – в 50 раз; серебро – в 290 раз; золото – в 11000 раз; платина – в 27000 раз. Самым дорогим металлом является родий – он дороже стали в 45000 раз, а самым редким – рений (он дороже только в 12000 раз, т. к. залегает более компактно, чем рений).

Из более чем 100 элементов, представленных в периодической системе Д.И. Менделеева*, около 80 % составляют металлы. Добываемые и используемые в промышленности металлы принято делить на черные и цветные.

К черным металлам относят сплавы на основе железа: чугун, сталь и ферросплавы: ферромарганец, ферроникель, феррохром и т. п. Ферросплавы используются при выплавке легированных чугунов и сталей. Производство черных металлов примерно в 15 раз превосходит производство всех остальных металлов вместе взятых, т. к. стали и чугуны являются самыми распространенными конструкционными материалами – из них изготавливают различные морские и речные суда, мосты, строительные конструкции, трубопроводы, буровые платформы, станки, машины, механизмы и т. д.

К цветным металлам относятся все остальные металлы и их принято классифицировать по ряду общих признаков.

1. По плотности различают:

· легкие металлы имеют плотность меньше чем у железа (7,88 г/см³), обычно, до 5 г/см³. Наибольшее применение нашли легкие сплавы на основе Mg, Be, Al, Ti, которые эффективны при изготовлении транспортных средств и особенно летательных аппаратов, т. к. позволяют снизить массу машин и затраты на топливо.

- щелочные и щелочноземельные металлы относятся к сверхлегким. Например, Na, К, Li, Ca применяют в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий используют в качестве катализатора при производстве искусственного каучука, а литий – при изготовлении аккумуляторов и для создания сверхлегких алюминиевых сплавов авиаракетной техники.

· тяжелые металлы Ni, Co, Cu, Mo, W и др. имеют плотность больше, чем у железа. Тяжелые цветные металлы широко используются для легирования сталей и чугунов, изготовления сплавов с особыми физическими свойствами; медь незаменима в электротехнике и радиоэлектронике. В группу тяжелых металлов также входят:

- радиоактивные металлы (или актиноиды) Th, U, Pu и др. используются в атомной технике, в т. ч. в качестве ядерного топлива;

- благородные (или драгоценные) металлы Ag, Аu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt имеют плотность от 10,5 до 22,5 г/см³, отличаются высокой устойчивостью против коррозии и др. уникальными свойствами; используются в радиоэлектронике, измерительной технике, химической, автомобильной и ювелирной промышленности.

2. По температуре плавления различают:

- легкоплавкие металлы Ga, Sn, Bi, Tl, Pb, Zn имеют температуру плавления от 29,7 до 419,5 °С и поэтому используются для изготовления мягких припоев, покрытий и т. п.;

- тугоплавкие металлы Cr, Nb, Mo, Ta и W (с температурой плавления существенно выше, чем у железа – 1536 °С) незаменимы при создании материалов со специальными свойствами, в том числе, жаропрочных.

3. По объему производства и использования выделяют редкие металлы, к которым относят:

- рассеянные металлы Ga, In, Tl, применяются в полупроводниковой технике и для изготовления легкоплавких сплавов;

- редкоземельные металлы (РЗМ) Sc, Y, La и все лантаноиды, применяются для модифицирования сталей и сплавов с особыми физическими свойствами;

- все радиоактивные металлы;

- бóльшую часть тугоплавких и некоторые легкие металлы.

4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал

Сталью [2] называют сплавы, созданные на основе железа и углерода. С середины XVIII в., когда началось ее промышленное производство, сталь была и остается ведущим конструкционным материалом в силу неоспоримых технико-экономических преимуществ:

- доступность, распространенность и дешевизна сырья;

- высокая прочность, жесткость (высокий модуль Юнга) и теплостойкость, сочетающиеся с достаточной пластичностью и вязкостью;

- технологичность (хорошая способность к литью, ковке, штамповке, прокатке, сварке, обработке резанием и др.);

- возможность управления свойствами в широких пределах с помощью легирования, деформационной, термической, химико-термической и др. видов обработки;

- высокая степень рециркуляции.

Наряду с этим стальные конструкции обладают относительно высоким удельным весом, а также недостаточной коррозионной стойкостью (если не приняты специальные меры защиты).