Другие металлические материалы

Выше мы рассматривали основные конструкционные метал­лические материалы на основе железа (стали и чугуны), меди (латуни, бронзы), алюминия (силумины, технический алюминий и др.), магния и титана, широко применяемые в машиностроении. Остальные метал­лы и неметаллы служат добавками к этим сплавам в качестве леги­рующего элемента, либо модификатора. Но вместе с тем существуют и другие металлические сплавы, применяемые в технике. Мы уже рассматривали баббиты (сплавы на основе олова, либо свинца).

Особенно широко применяются в создании конструкционных материалов d-металлы, которые называются переходными металлами. Переходными называют элементы, атомы которых имеют частично заполненные d-энергетические подуровни. Электронные конфигура­ции атомов переходных металлов отвечают формуле

...(n-l)d^1-8 ns (номер периода n)

Все переходные элементы проявляют металлические свойства.

Переходные металлы отличаются от s-металлов многообразием валентных состояний, что объясняет существование большого числа химических соединений у переходных элементов по сравнению с дру­гими металлами. Все переходные металлы встречаются либо в ГЦК, либо в ГПУ, либо в ОЦК-структурах.

Металлы обнаруживают изоморфический полиморфизм в своих подгруппах, либо изоморфический мономорфизм (подгруппы меди и цинка).

1) Металлы подгруппы IIIa (скандий, иттрий, лантан, акти­ний) широкого применения пока не имеют. Используют для специфи­ческих отраслей (электроника и т д.) лишь их соединения.

2) Металлы подгруппы IVa (титан, цирконий, гафний). Кроме титана, рассмотренного выше, цирконий и гафний тугоплавки, хорошо поддаются механической обработке.

Диоксид циркония ZrO₂ (как и TiO₂) применяется при изго­товлении тугоплавких стекол, эмалей, огнеупорных тиглей, краски.

К важнейшим сплавам циркония относятся циркаллоны - сплавы на основе Zr с добавками Sn, Fе, Cr, Ni, используемые в ядер­ной энергетике.

3) Металлы подгруппы Vа (ванадий, ниобий, тантал) V, Nb, Та - металлы серого цвета. Чистые металлы ковки, стойки к химиче­ским воздействиям (кроме плавиковой кислоты). Ванадий и ниобий, в основном, применяются для улучшения качества стали. Из тантала изготавливают высокотемпературные печи, в которых плавят металлы. Карбиды ниобия и тантала используются для изготовления режущего инструмента из-за их исключительной твердости.

4) Металлы подгруппы VIa (хром, молибден, вольфрам) - голу­бовато-серебристые блестящие металлы. Примеси сильно влияют на свойства металлов. Так, чистый хром пластичен, а технический хром - один из самых твердых металлов. Хром используют для хромирова­ния поверхностей от коррозии и для полировки поверхностей метал­лов.

Основным потребителем Cr, Mo, W является металлургия, где эти металлы используются при выработке специальных сталей.

Вольфрам применяется для производства нитей накала в лам­пах как нагревательный элемент высокотемпературных печей (до 300Q °С).

Карбид вольфрама WC обладает очень высокой твердостью, износоустойчивостью и тугоплавкостью. На основе WC созданы луч­шие инструментальные твердые сплавы.

5) Металлы подгруппы VIla (марганец, технеций, рений). Электронная структура

...(n-l)d ⁵ ns ².

В компактном состоянии Mn,Te, Re - белые металлы, похожие по виду на железо или на платину.

Наибольшее практическое применение имеет марганец, ис­пользуемый для раскисления стали, для добавки в бронзы, латуни. Применение рения и технеция ограничено малой их доступностью. Рений используется вместе с платиной в качестве термопар, для из­мерения высоких температур и нитей накаливания в лампах

6) Металлы VIII-ой группы. Металлы VIII-ой группы образуют три побочные подгруппы железа, кобальта и никеля. Но по историче­ски сложившейся систематике и по сходству принято объединять Fe, Со и Ni в семейство железа, a Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt - называть плати­новыми металлами.

7) Семейство железа. Железо нами было подробно рассмотре­но ранее. Кобальт и никель - блестящие металлы. Никель (как и железо) легко куется и прокатывается. Кобальт более тверд и хрупок. Fe, Co, Ni - магнитные материалы. Кобальт и никель устойчивы к коррозии на воздухе, т.е. не окисляются. Кобальт вводят в некоторые сплавы с це­лью сообщить им твердость.

Сплавами кобальта являются стеллит (Co-Cr-W), используе­мый в качестве конструкционного материала в турбинах и победит (сверхтвердый сплав).

Из соединений никеля важным является оксид Ni₂О₃, приме­няемый для изготовления щелочных аккумуляторов. Основная масса никеля используется для изготовления сплавов

Сплавы на основе никеля. можно разделить на жаропрочные, магнитные жаропрочные сплавы: (59% Ni, 20 % Cr, 16 % Со и др.) - нимоник, инконель . (73% Ni, 15 % Cr, 7 % Fe и др.), которые исполь­зуются для изготовления двигателей. Нихром . (Ni+Cr+др.) - исполь­зуется для нагревательных приборов.

Из магнитных сплавов никеля - пермаллой . (78,5 % Ni + Fe) интенсивно намагничивается даже в слабых полях.

К особым сплавам относят - инвар (36 % Ni,0,5 Mn+ 0,5 % С +Fe);

- монельметалл (30 % Сu + Ni);

- платинит (45 % Ni; 0,15 % С + Fe). Платинит используют для впаивания вводов металлических контактов в стекло.

Чистый никель используют для никелирования поверхностей металлов для защиты от коррозии.

8) Платиновые металлы. Все платиновые металлы являются малораспространенными. В природе они встречаются только в само­родках и почти всегда сопутствуют друг другу. Палладий, родий и платина поддаются механической обработке, рутений, иридий и осмий тверды и хрупки. Платиновые элементы устойчивы к химиче­ским реагентам.

Платина растворяется только в царской водке. Она в основном используется в электротехнике.

Палладий - наиболее легкий, мягкий и ковкий из всех платино­вых металлов.Палладий лучше всех металлов поглощает водород и он исполь­зуется в виде мембран для очистки водородного газа от примесей.

9) Элементы Iв подгруппы (медь, серебро, золото). Все эти металлы исключительно пластичны. Серебро обладает максимальной для металлов электропроводностью. Золото растворяет­ся (как и платина) только в царской водке. Сплавы этих металлов ис­пользуют в электротехнике: константан (40 % Ni, 1,5 % Mn + Сu), манганин (3 % Ni, 12 % Mn + Сu), капель (43 % Ni + 0,5 % Mn + Сu), серебро в виде припоев.

Золото, серебро и платина относят к драгоценным металлам.

10) Элементы II подгруппы (цинк, кадмий, ртуть) - белые металлы. Кадмий - ковкий и тягучий металл, цинк - хрупкий металл. Все три металла легко сплавляются друг с другом и с другими метал­лами.

Цинк используется для оцинкования железа в целях предо­хранения его от коррозии и в качестве легирующего компонента в сплавах (латуни и др.). Важной является кадмиевая бронза (~0,1 % Cd), из которой делают телеграфные, телефонные, троллейбусные провода, т.к. она имеет большую прочность и износостойкость, чем медь. Соединения кадмия и пары ртути ядовиты!