13.9 Металлургия

Металлургия – наука о способах получения металлов из руд и другого сырья и отрасль промышленности, производящая металлы. Металлургическое производство возникло в глубокой древности. Еще на заре развития человеческого общества были известны, и нашли применение железо, медь, серебро, золото, ртуть, олово и свинец. Производство металлов в н.в. по масштабам соизмеримо с производством таких промышленных продуктов как цемент, целлюлоза, полимерные материалы. Значение металлов как важнейших материалов современной техники обусловлено рядом их специфических свойств:

– способностью к взаимному растворению и образованию многочисленных сплавов разнообразного состава;

– комплексом ценных механических, химических и физических свойств, в том числе тепловых, электрических и магнитных;

– возможностью фазовых превращений при изменении температуры и существование в нескольких полиморфных модификациях с различными структурой и свойствами;

– способностью деформироваться в холодном и горячем состоянии без нарушения сплошности материала.

Металлы составляют большую часть всех элементов в таблице Менделеева. В технике они классифицируются по иным признакам, чем в таблице Менделеева. До настоящего времени не разработана строго научно обоснованная классификация металлов. В практике получили применение исторически сложившиеся классификации, базирующиеся на таких признаках металлов, как их распространенность в природе, применимость, физических и частично химических свойствах.

Черные: железо и его сплавы, марганец, хром

сновные тяжелые: медь, свинец, никель, цинк, олово

м еталлы малые тяжелые: висмут, мышьяк, сурьма, ртуть, кадмий, кобальт

легкие: алюминий, магний титан, натрий, калий, барий, кальций,

стронций.

Цветные благородные: золото, серебро, платина, платиноиды

тугоплавкие: вольфрам, молибден, тантал, ванадий,

ниобий, цирконий

редкие легкие: литий, бериллий, рубидий, цезий

рассеянные: таллий, индий, галлий германий,

гафний, рений, селен, теллур

редкоземельные: скандий, иттрий, лантан,

лантаноиды

радиоактивные: радий, уран, торий, актиний,

трансураны.

Промышленная классификация металлов.

В соответствии с промышленной классификацией металлы делятся на черные, к которым относятся железо и его сплавы; марганец и хром, производство которых связано с производством чугуна и стали и цветные. Термин «цветные металлы» достаточно условен, так как из всех металлов этой группы только золото и медь имеют ярко выраженную окраску. Из цветных металлов основные тяжелые металлы получили название из-за больших (тяжелых) масштабов производства и потребления. Малые тяжелые металлы являются природными спутниками основных тяжелых металлов, их получают попутно и в меньших количествах.

Металлы в твердом состоянии представляют собой кристаллические вещества, атомы которых расположены в строго определенном порядке и образуют так называемую пространственную решетку. Форма, величина и взаимное расположение кристаллов в твердом металле определяют его структуру. От структуры металлов в значительной степени зависят механическая прочность и другие технические свойства металла.

Понятие о сплавах. Металлы способны образовывать сплавы, имеющие большое значение в технике. Сплавами называются твердые вещества, получаемые сплавлением простых веществ- элементов и разнообразных соединений. Практический интерес представляют главным образом сплавы кристаллических веществ, поэтому понятие «сплавы» относится к кристаллическим веществам, особенно к металлам. В зависимости от числа входящих в сплав простых веществ различают сплавы двойные, тройные, четверные и т. д. Наиболее хорошо изучены двойные сплавы.

Наибольшее значение имеют сплавы железа.

Железо может существовать в нескольких аллотропических формах: альфа-железо, гамма-железо и дельта-железо. Альфа-железо обладает магнитными свойствами, устойчиво при температуре ниже 910⁰С. Оно растворяет углерод в незначительном количестве. Твердый раствор углерода в альфа-железе называется ферритом. При 910⁰С альфа-железо превращается в гамма-железо. Гамма-железо способно растворять углерод в больших количествах, чем альфа-железо. Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом. При температуре 1401⁰С гамма-железо превращается в дельта-железо. Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе₃С называется цементитом. Химически чистое железо серебристо-белого цвета, плотностью 7890 кг/м³. Оно обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью, магнитной проницаемостью, высокой пластичностью, хорошо куется, штампуется, прокатывается и сваривается. На основе железа получают разнообразные сплавы, широко применяемые в технике. Большое значение получили сплавы железа, содержащие углерод. Сплавы с содержанием углерода до 2% называются сталями, с большим содержанием углерода – чугунами. Если в чугуне значительная часть углерода химически связана с железом в виде Fе₃С, то такой чугун называется белым. При медленном охлаждении расплавленного чугуна часть Fе₃С распадается с выделением свободного углерода. Такой чугун называется серым. Белый чугун обладает большой твердостью, но хрупок и поэтому не обрабатывается на станках. Он идет в передел на сталь. Серый чугун более мягкий, менее хрупкий и хорошо обрабатывается на станках.