5.5 Цветные металлы и их сплавы

Алюминий из группы цветных металлов получил наибольшее распространение в строительстве. Название металла происходит от латинского слова alumen, что означает квасцы т. е. соли серной кислоты содержащие в своем составе несколько металлов, в том числе алюминий. Описание алюминиевых квасцов было найдено еще в древних писаниях некоторых философов, живших в V веке до нашей эры.

Самая древняя археологическая раскопка алюминия (пояс с алюминиевым обрамлением) относится к третьему тысячелетию до нашей эры. Но поскольку в природе алюминий из-за высокой химической активности в свободном состоянии не встречается, а содержится лишь в бокситах, нефелинах, каолинах, то производство алюминия в то время остается большой тайной. Поэтому повторное открытие алюминия датируется уже IXX веком. Получен он был в 1825 г. из природного глинозема с помощью электрического тока.

Алюминий имеет серебристо-белый цвет, низкую плотность (2700 кг/м³, т.е. почти в три раза меньше плотности стали) и температуру плавления 658^оС. Алюминий мягкий и пластичный материал, хорошо отливается и прокатывается. Обладает повышенной стойкостью к коррозии на воздухе за счет образования защитной пленки (Al₂O₃), имеет высокую теплопроводность и электропроводность. Предел прочности у алюминия при растяжении 90…120 МПа, относительное удлинение 20…30 %, твердость НВ=25…30, коэффициент теплопроводности 200 Вт/(м∙К).

В чистом виде алюминий из-за весьма низкой прочности в строительных конструкциях находит ограниченное применение.

Значительное увеличение прочности алюминия достигается путем легирования его медью, марганцем, магнием, кремнием, цинком и некоторыми другими элементами. Временное сопротивление алюминиевых сплавов в зависимости от состава легирующих добавок в 2..5 раз выше, чем технически чистого алюминия. Однако относительное удлинение при этом в 2…3 раза понижается. Сплавы, состоящие из алюминия, меди, магния и марганца, носят название дюралюминий.

Медь – металл красного цвета (в изломе розового). В природе иногда встречается в свободном состоянии в виде самородков, достигающих значительных размеров, но большей частью в природных рудах в виде сульфидов, окислов, карбонатов и сульфатов меди. Однако 90% мирового производства меди дают сульфидные руды. Извлечение меди из малахита и азурита относится к 5 тыс. до Рождества Христова, что и послужило началом добычи металлов из руд.

Свойства меди уникальны: плотность 8800 кг/м³, температура плавления 1083С, предел прочности при растяжении около 200 МПа, относительное удлинение 30…60 %. Она мягкая и пластичная, плохо обрабатывается резанием, но хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. Ей легко можно придать любую нужную форму и создать стилистику оригинального архитектурного решения.

Сплав, состоящий из меди и цинка (до 50 %), называют латунью. Латунь наиболее распространенный медный сплав. Он обладает высокими механическими и антикоррозийными свойствами и поддается горячей и холодной обработке. Иногда к сплаву латуни добавляют свинец, олово, алюминий, кремний и др. (в сумме до 10%).

Сплав меди с оловом (до 10 %) называют оловянистой бронзой. Известна была еще за 3 тыс. лет до н. э. Сплавы меди с алюминием, никелем, кремнием носят название безоловянистых бронз. Кроме бронз и латуни известны другие сплавы, содержащие медь. Например, мельхиор (20 % никеля и 80 % меди), никелин (45 % никеля и 55 % меди), константан (40 % никеля, 59 % меди и 1 % марганца).

Цинк впервые научились выплавлять еще к началу новой эры. Однако из-за сложности технологии секреты изготовления цинка оказались утраченными. И только лишь в середине ХV111 столетия (1743 г Англия) вновь наладили промышленное производство этого металла.

В настоящее время по объему производства цинк занимает четвертое место среди всех металлов, уступая только железу, алюминию и меди. Получают его из сульфидных цинковых руд ZnS. Плотность цинка – 7000 кг/м³, температура плавления – 410С. При обычной температуре цинк хрупок, но при нагревании до 150С становится пластичным. Сплавы цинка с титаном отличаются повышенными показателями текучести и прочности на растяжение.

Свинец – мягкий, пластичный, тяжелый металл плотностью –11400 кг/м³ и температурой плавления – 325 С. Добывают из сульфидных руд.

Свинец хорошо льется и прокатывается, хорошо противостоит действию серной и соляной кислот. Предел прочности при растяжении – до 20 МПа, твердость по НВ=5,9. Свинец непроницаем для рентгеновских лучей и частично не пропускает –лучи. Применяется в строительстве для изготовления специальных труб, антикоррозийных покрытий, звуко- и гидроизоляции и как составная часть некоторых легких сплавов.

Олово - мягкий и стойкий против коррозии металл плотностью 7230кг/м³ и температурой плавления – 232С. Предел прочности при растяжении – 35…45 МПа, относительное удлинение – 40 %, твердость по НВ =12. Добывают из руды, которая называется оловянным камнем. Применяется для лужения стали и меди, в качестве припоя и как составная часть цветных легкосплавных сплавов.

Титан и титановые сплавы, приобретают в последнее время все большую популярность. Они сочетают в себе низкую плотность (4500 кг/м³), высокую прочность (R_р = 700...1200 МПа) и твердость (НВ>1000) и высокую коррозионную стойкость. Из-за очень высокой стоимости и дефицитности титан в строительстве применяют только для уникальных сооружений.