Тема 1.7 Сплавы и их применение

Цель, форма работы: обобщение знаний о составе, свойствах и применении сплавов, составить конспект, ответить на вопросы.

Вопросы, рекомендуемые для рассмотрения: сплавы: черные и цветные. Чугун и сталь. Бронза и латунь.

Список рекомендуемой литературы:

1.Габриелян О.С. Химия: учеб. для студ. проф. учеб. заведений / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – М., 2005.

2.Габриелян О.С. Химия. 10 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2005.

3.Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М., 2006.

4. Глинка Н.Л. Общая химия.-Л.:Химия,1988.

5.Потапов В.М.Химия.-М.: Высшая школа, 1985.

6. http://www.bibliotekar.ru/slesar/16.htm

7. http://met4all.ru/

Теоретические основы:

Цветные металлы используются значительно реже, чем черные. Обусловлено это их незначительными запасами в недрах Земли, дорогостоящей добычей, недостаточной прочностью и сложным технологическим процессом выплавки. Однако, свойства, присущие цветным металлам, делают их незаменимыми в промышленном производстве. В чистом виде цветные металлы очень редко находят применение. Чаще всего используются их сплавы, полученные в результате смешения расплавленных металлов. Приобретаемые при этом ими новые качества, во многом превосходят свойства составляющих их металлов. Измененные физические, химические и механические свойства цветных металлов значительно расширяют спектр их применения. К примеру, высокая электро- и теплопроводность меди и алюминия позволяет успешно использовать их в производстве электрических проводников в электротехнике, холодильных установках, радиаторах и теплообменниках. Малая плотность и высокая прочность сплава титана, магния и алюминия послужило его широкому применению в области самолетостроения и космической техники.

Являясь носителями определенных характерных признаков, цветные металлы делятся на группы:

легкие (литий, бериллий, алюминий, титан, магний, кальций, стронций, натрий, цезий и др.)

тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель)

тугоплавкие (вольфрам, молибден, ниобий, тантал, ванадий, марганец и др.)

благородные (золото, серебро, платина, рутений, палладий, родий, осмий)

редкоземельные (скандий, лантан, лантаниды, иттрий, церий, прометий)

рассеянные (германий, индий, гафний, рений, теллур, селен, таллий)

радиоактивные (торий, уран, актиний, радий, нептуний, плутоний и др.).

В зависимости от принадлежности исходных металлов к определенной группе, получаемые сплавы подразделяются на сплавы легких металлов, тяжелых металлов и др.

Легкие сплавы отличаются высокой прочностью, отличными механическими и высокотемпературными свойствами. Их основой чаще всего служат алюминий, магний, бериллий и титан. Титан, обладает высокой прочностью, низкой плотностью и устойчивостью к коррозии. На его основе создаются прочные конструкции, способные выдерживать высокие температуры. Алюминий, несмотря на хорошую стойкость к атмосферной коррозии и малую плотность, имеет низкий показатель прочности, поэтому в чистом виде используется редко. Повышение прочности алюминия достигается введением легирующих добавок.

Тяжелые сплавы получают с использованием меди, цинка, олова и свинца.

Так, бронза образуется при соединении меди с оловом или с алюминием, а также железа и марганца. Используется в машиностроении и для художественного литья, при производстве арматуры, подшипников, шестерен, баков и втулок.

Сплав меди с цинком образует латунь. Благодаря высоким технологическим свойствам, она используется при производстве мелких деталей, требующих точной обработки, при изготовлении катаных полуфабрикатов: полос, листов и лент. Медь, обладающая высокой химической стойкостью, хорошей свариваемостью, ковкостью и устойчивостью к коррозии, незаменима при изготовлении медной проволоки, пищевых котлов и испарителей. Цветные металлы применяются главным образом в виде сплавов, так как в чистом виде они обладают малой прочностью. Наибольшее распространение в промышленности получили сплавы на основе меди, алюминия, олова, магния и других металлов.

Несмотря на высокий уровень развития цветной металлургии и химической промышленности, наиболее широкое распространение получили черные металлы, железо и его сплавы. Удельный вес металлопродукции, производимой из черных металлов, составляет более 90% от общего объема производства. Объясняется это большими запасами железных руд, простотой выплавки чугуна и стали, высокой прочностью получаемых материалов и их невысокой стоимостью. В зависимости от содержания углерода существует общепринятое разделение черных металлов на чугуны и стали.

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.Чугун — дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов. Получение чугуна — сложный химический процесс. Он состоит из трех стадии: восстановления железа из окислов, превращения железа в чугун и шлакообразования. Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%). Углерод — один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом — в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита. Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким. Марганец повышает прочность чугуна. Сера в чугуне — вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму. Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита). Белый чугун очень твердый и хрупкий, плохо поддается отливке, трудно обрабатывается режущим инструментом. Он обычно идет на переплавку в сталь или на получение ковкого чугуна и поэтому называется передельным. Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ. В зависимости от химического состава и назначения чугуны подразделяют на легированные, специальные, или ферросплавы, ковкие и высокопрочные чугуны. Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающих в водных растворах, в газовых и других агрессивных средах. Ковкий чугун получают термообработкой из белого чугуна. Он получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д. Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун специальных добавок. Он применяется для изготовления более ответственных изделий, заменяя сталь (коленчатых валов, поршней, шестерен и др.).

Сталью называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода до 2,1%. Как и чугун, сталь имеет примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Основное отличие стали от чугуна — это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей. Сталь получают переплавкой металлолома или из передельного чугуна. Процесс получения стали из чугуна сводится к удалению излишнего углерода и понижению количества входящих в чугун примесей. В зависимости от химического состава стали делятся на углеродистые и легированные. В состав углеродистой стали кроме углерода входит небольшое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Он повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам. Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор считаются вредными примесями. Сера вызывает красноломкость, хрупкость при высоких температурах, уменьшает коррозионную стойкость. Фосфор увеличивает хрупкость и хладноломкость стали, т. е. хрупкость при обычных температурах. Однако в определенных дозах они необходимы для получения специальных свойств стали . Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,6% углерода (как исключение допускается содержание углерода до 0,85%). По качеству конструкционная углеродистая сталь делится на сталь обыкновенного качества и качественную. Инструментальная углеродистая сталь содержит углерода 0,7% и более. Она отличается твердостью и прочностью. В легированной стали наряду с обычными примесями имеются один или несколько специальных элементов, улучшающих ее свойства: хром, вольфрам, молибден и др., а также кремний и марганец в сравнительно большом количестве. Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали, например, хром повышает твердость и коррозионную стойкость; вольфрам увеличивает твердость и красностойкость; молибден увеличивает красностойкость, прочность и сопротивление окислению при высоких температурах; марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок. По назначению легированная сталь делится на три группы: конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физическими и химическими свойствами. К сталям с особыми физическими свойствами относятся: магнитная и немагнитная стали, сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением, и сталь с особыми тепловыми свойствами. Стали и сплавы с особы ми химическими свойствами — коррозионностойкие, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные.

Контрольные вопросы: 1.Почему в технике используют сплавы, а не чистые металлы? 2.Какими особыми свойствами могут обладать сплавы? 3.Охарактеризуйте свойства и применение известных вам сплавов цветных металлов? 4.Какие сплавы железа применяют на производстве и в быту.

Порядок проверки, защиты самостоятельной работы: проверка рабочей тетради.