1.1. Класифікація кольорових металів та сплавів

В металознавстві існує декілька ознак класифікації кольорових металів.

За їх характерними властивостями кольорові метали можна розділити на наступні групи:

- легкі метали (густина не більше, як 3 г/см³): берилій, магній, алюміній;

- легкоплавкі метали : цинк, кадмій, олово, сурьма, свинець, ртуть, вісмут, телур, які мають низьку температуру плавлення;

- тугоплавкі метали: титан, хром, цирконій, ніобій. молібден, вольфрам, ванадій, тантал та ін., температура плавлення яких вища, ніж у заліза;

- благородні метали - срібро, золото, платіна і метали групи платіны, які володіють високою корозійною стійкістю; до них іноді відносять і “напівблагородну” мідь;

- уранові метали (U, Th, Ra та ін.), які володіють радіоактивністю і використовуються у ядерній енергетиці;

- рідкоземельні метали: лантаноїди (La, Ce, Pr, Sm та ін.), а також іттрій і скандій, які використовують переважно як присадки у сплави;

- лужноземельні метали і т.д.

За призначенням кольорові метали і сплави можна розділити на 2 групы:

1. Конструкційні матеріали, які використовують для виготовлення різних деталей, вузлів машин і конструкцій. До них відноситься більшість сплавів на основі міді, алюмінію, магнію, титану і т.д.: а) матеріали з особливими технологічними властивостями (сплави на основі міді - латуні і бронзи), б) матеріали з малою густиною (сплави на основі алюмінію і магнію), в) матеріали з високою питомою міцністю (титан, берілій і сплави на їх основі), г) антифрикційні матеріали - підчипникові сплави (бабіти та ін.), д) матеріали, стійкі до впливу температури і робочого середовища - корозійностійкі (срібло, золото, платіна та ін.), жаростійкі, жароміцні, холодостійкі, радіаційно-стійкі матеріали та ін.

2. Метали та сплави з особливими фізичними властивостями: а) матеріали з особливими електричними властивостями - з високою електропровідністю, з високим електричним опором для нагрівальних елементів і реостатів, припої, напівпровідникові матеріали; б) матеріали з особливими магнітними властивостями; в) матеріали з особливими тепловими властивостями.

Враховуючи те, що что один і той же метал часто є основою сплавів різного призначення, широко використовується класифікація металевих сплавів за основним металом. Найбільш широке застосування в техніці у відповідністі з цим класифікаційним признаком знаходять наступні матерали: а) сплави на основі міді, б) сплави на основі алюмінію, в) сплави на основі титану, г) сплави на основі магнію, д) сплави на основі берілію, є) сплави на основі легкоплавких металів - цинку, олова, свинцю та ін., ж) тугоплавкі метали (V, Nb, Zr, W, Mo, Ta) та сплави на їх основі, з) благородні метали (Ag, Au, Pt и др.) та сплави на їх основі.

Ці матеріали і будуть переважно розглядатися нижче.

1.2. Порівнююча характеристика кольорових металів

Як виходить з даних, які наведені у таблиці 1.1, метали в різній мірі розповсюджені в природі. Якщо розповсюдженість таких металів, как Al, Fe, Mg, складає кілька відсотків, то вміст у земній корі таких елементів, как W, Ag, Au, Pt, не перевищує десятитисячних і навіть мільйонных долей відсотку.

В таблиці 1.2 наведені деякі фізичні властивості ряду кольорових металів, які визначають основні напрямки їх широкого використання у техніці. Так, мінімальні значення електроопору мають (у порядку його збільшення) срібло, мідь, золото і алюміній. Тому ці метали використовують в електротехніці як матеріали з високою електропровідністю для виготовлення електричного дроту, кабелей, шин та ін. З порівняння густини цих металів виходить, що в порівнянні з алюмінієм мідь важче його у 3,3 рази, срібло - у 3,9 рази, а золото - у 7,1 рази. Тому алюміній, незважаючи на декілька більш високі значення питового електроопору в порівнянні з іншими провідниковими металами, внаслідок малої густини часто використовують для виготовлення електричного дроту і кабелей великого перетину (наприклад, дроту для високовольтних ліній электропередачі). В той же час срібло і золото, які володіють високою корозійною стійкістю, використовують в якості материалу для виготовлення контактів і інших електропровідникових элементів точных приборів и електронних пристроїв, які працюють у агресивних середовищах.

При необхідністі забезпечення мінімальної маси конструкцій і інших виробів їх необхідно виготовляти зі сплавів таких металів, як магній, берилій, алюміній, титан, густина яких відповідно у 4,5, 4,2, 2,9 и 1,8 рази менша за густину заліза. Тугоплавкі метали - вольфрам, молібден, ніобій- використовують для виготовлення виробів, які нагріваються в процесі роботи до високих температур, наприклад, нагрівальних элементів, елементів накалювання освітлюючих приборів (вольфрам).

Метали з низькою температурою плавлення - олово, свинець, цинк - є основою легкоплавких сплавів, підчипникових материалів, припоїв. Корозійностійкі метали, які не пасивуються (золото, србло, платіна) використовують для виготовлення виробів, які працюють у агресивних середовищах, наприклад, хімічного посуду (платина), декоративних та захисних покриттів тощо. Високою корозійною стійкістю володіють і такі метали, як титан і алюміній, але на відміну від благородних металів, вони є такими, які пасивуються (метали, що самопасивуються). Їх висока корозійна стійкість обумовлена утворенням на поверхні виробів стійкої плівки окислів. Але найбільш високою кислотостійкістю володіють тугоплавкі метали, насамперед, тантал, молібден, ніобій.

Таблиця 1.1 – Розповсюдженість ряду металів у природі

Елемент	Кількість, %	Елемент	Кількість, %	Елемент	Кількість, %
Алюміній	8,8	Мідь	0,01	Вольфрам	0,0001
Залізо	5,1	Нікель	0,008	Сурьма	0,000004
Магній	2,1	Цинк	0,02	Срібло	0,000001
Титан	0,6	Свинець	0,0016	Паладій	0,000001
Хром	0,02	Ніобій	0,001	Золото	0,0000005
Цирконій	0,02	Молібден	0,0003	Платіна	0,0000005

Таблиця 1.2 - Фізичні властивості ряда чистих металів

Елемент	Густина при 20С, г/см3	Температура плавлення, С	Теплопро-відність (0-100С), Вт/(м К)	Середня питома теплоємність (0-100С), Дж/(кг  К)	Електроопор при 20С, МкОм  см
Fe Мg Аl Be Тi Cu Ag Au Pb Sn Nb Мо W	7,87 1,74 2,70 1,85 4,5 8,96 10,5 19,3 11,68 7,3 8,6 10,2 19,3	1539 649 660 1287 1667 1083 961 1063 327 232 2467 2615 3400	78,2 155,5 238 194 21,6 397 425 315,5 34,9 73,2 54,1 137 174	456 1038 917 2052 528 386 234 130 129,8 226 268 251 138	10,1 4,2 2,67 3,3 54 1,694 1,63 2,2 20,6 12,6 16 5,7 5,4

Характерні властивості чистих металів в значній мірі успадкоємнюють і сплави на їх основі. Безумовно, властивості сплавів в значній мірі змінюються в залежності від їх складу та структури. Так, наприклад, сплави на основі алюмінію в порівнянні з чистим металом характеризуються більш високою міцністю, але більш низькими показниками електропровідністі і корозійної стійкости. Температура плавлення сплаву, в залежністі від його складу, може підвищитися, або знизитися в порівнянні з такою для чистих металів.

В зв’язку з цим вибір матеріалу для конкретного застосування визначається комплексом вимог, які враховують діючі навантаження, умови експлуатації, вимоги щодо маси виробів, їх питомої міцністі тощо. При цьому, безумовно, слід враховувати і вартість матеріалу, конкурентоспроможність виробів і інші фактори.

У таблицях 1.3 і 1.4. наведені дані щодо відносної вартісті чистих металів (табл. 1.3, за 1 прийнята вартість алюмінію технічної чистоти марки А8) і деяких сплавів (табл.1.4., за 1 прийнята вартість силумину АЛ 2). Слід зазначити, що наведені дані є суто орієнтовними, тому що ціни на матеріали постійно змінюються. Ці дані відображують орієнтовні співвідношення між вартістю різних матеріалів з метою подальшої економічної оцінки доцільністі і ефективністі використання тих чи інших металів та конкретних сплавів, у тому числі і при розробці нових чи вдосконаленні складу існуючих сплавів кольорових металів. Розбіжність у наведених значеннях відносної вартісті матеріалів пов’язана насамперед зі ступенем чистоти металу та складом відповідного сплаву.

Таблиця 1.3 – Відносна орієнтовна вартість деяких кольорових металів промислової чистоти

Метал	Відносна вартість, одиниць	Метал	Відносна вартість, одиниць
Be Аl Cu Pb Nb Мо Та	311 - 324 1 - 1,8 1,5 - 1,9 1,2 - 2,2 50 - 87,8 27,7 - 40,8 723	Мg Тi Zn Sn V W Zr	1,5 - 1,6 1,2 - 4 1,1 - 1,2 25,5 - 29 58,1 - 294,6 30,3 - 31,1 36,5

Таблиця 1.4 – Відносна вартість деяких сплавів

Основа сплаву	Тип чи марка сплаву	Відносна вартість, одиниць
Al Cu Мg Sn Pb Fe	Сплави, які деформують Ливарні сплави Латуні Бронзи: олов’яні / безолов’яні Звичайні / з Zr и Nb Олов’яні бабіти: Б88 / Б83 Свинцеві бабіти: БН / БК 2 Вуглецеві якісні конструкційні сталі (прокат)	1,2 - 1,6 1 - 2,4 1,7 - 2,4 (2,5-7,1) / (1,8-2,5) (2 - 2,45) / 7,3 42,9 / 37,4 4,4 / 2,8 0,47 - 0,52

МІДЬ І СПЛАВИ НА ЇЇ ОСНОВІ