Экологическая сторона металлургии.

Производство металлов вызывает много экологических проблем. В атмосферу при несоблюдении определенных норм выделяются оксиды серы, пыль и другие вредные примеси. В настоящее время стараются свести к минимуму отрицательное влияние производства на окружающую среду.

Что касается экологической стороны вопроса, то самым чистым можно признать электрохимический способ получения металлов, так как при его проведении в атмосферу не выделяется никаких веществ. В остальном же металлургия является одним из самых вредных для природы производств, поэтому в современном мире уделяется большое внимание проблеме создания безотходного оборудования.

Уже сейчас многие заводы отказались от использования мартеновских печей в пользу более современных электрических моделей. Они потребляют гораздо больше энергии, но не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива. Очень важной является и вторичная переработка металлов. Для этого во всех странах оборудованы специальные пункты приема, в которых можно сдавать вышедшие из эксплуатации детали из черных и цветных металлов, которые затем отправятся на переработку. В будущем из них изготовят новую продукцию, которую можно будет использовать в соответствии с назначением.

Безотходная технология − технология, подразумевающая наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии в производстве, обеспечивающее защиту окружающей среды.

Безотходная технология − принцип организации производства вообще, подразумевающий использование сырья и энергии в замкнутом цикле. Замкнутый цикл означает цепочку первичное сырьё − производство − потребление − вторичное сырьё.

Как известно, при обжиге руд цветных металлов образуются газы, содержащие оксид серы (IV) – SO₂. Этот газ засоряет окружающую среду, но его можно улавливать и использовать для производства серной кислоты. В результате можно не только предотвратить загрязнение окружающей среды, но и получить дополнительную прибыль. Так, например, при получении 1 т меди можно получить примерно 10 т серной кислоты.

Сплавы.

Сплавы − это макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже − металлов и неметаллов) с характерными металлическими свойствами. В более широком смысле сплавы-любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорганических соединений и т.д. Многие сплавы (например, бронза, сталь, чугун) были известны в глубокой древности и уже тогда имели обширное практическое применение. Техническое значение металлических сплавов объясняется тем, что многие их свойства (прочность, твердость, электрическое сопротивление) гораздо выше, чем у составляющих их чистых металлов.

Называют сплавы исходя из названия элемента, содержащегося в них в наибольшем количестве (основной элемент, основа), например сплавы железа, сплавы алюминия. Элементы, вводимые в сплавы для улучшения их свойств, называют легирующими, а сам процесс − легированием.

По характеру металла − основы различают черные сплавы (основа − Fe), цветные сплавы (основа − цветные металлы), сплавы редких металлов, сплавы радиоактивных металлов.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т.д..

По структуре сплавы делят на гомогенные (однородные) и гетерогенные (смеси), состоящие из нескольких фаз (последние могут быть стабильными и метастабильными).

По характерным свойствам сплавы делят на тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие, сплавы со специальными свойствами и др.

По технологии производства выделяют литейные (для изготовления деталей методом литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокатке, прессованию и др. видам обработки давлением).

Основной метод получения сплавов − смешение и расплавление составляющих его компонентов с послед. затвердеванием в кристаллическом или аморфном состоянии.

Сплавы можно получать и без расплавления основного компонента – методами порошковой металлургии.

Другие способы получения – осаждение из растворов и газовой фазы, диффузионное насыщение одного компонента другим, совместное электрохимическое осаждение из растворов и др. Для получения сплавов в виде тонких пленок и покрытий используют осаждение из газовой фазы, напыление, конденсацию паров, электролиз.

По назначению сплавы разделяют на большое число видов.

Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей машин, строит. конструкций и др. сооружений. Такие сплавы обладают целым комплексом свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу в условиях высоких механических напряжений – высокой прочностью, ударной вязкостью, хорошим сопротивлением к усталости, динамическим и ударным нагрузкам. Основную (по объему) часть выпускаемых во всем мире конструкционных сплавов составляют различные марки сталей и чугунов. В авиационной, судостроительной и космической технике, где кроме перечисленных выше свойств необходимо учитывать плотность материала, находят применение конструкционные сплавы на основе Аl и Ti, которые по ударной прочности во многих случаях не уступают, а иногда даже превосходят наиболее прочные стали.

Из инструментальных сплавов изготовляют главным образом измерительные и металлообрабатывающие инструменты. Первые изготовляют в основном из углеродистых или легированных сталей, вторые − из быстрорежущих, штамповых сталей и твердых сплавов.

Изделия из быстрорежущих и штамповых сталей получают традиционными методами литья с последующей механической и термической обработкой. Инструменты из твердых сплавов обладают более высокой твердостью, чем инструменты из стали, и способны работать при более высоких температурах и с более высокой производительностью.

В группу электротехнических входят сплавы с особыми магнитными и электрическими свойствами.

К сплавам с особыми электрическими свойствами относят: электроконтактные сплавы (размыкающие, скользящие); с высоким, слабо зависящим от температуры, электрическим сопротивлением; термоэлектродные; резисторные; сплавы для нагревательных элементов и др. Размыкающие контакты должны обладать высокой тепло- и электропроводностью, эрозионной стойкостью, сопротивлением свариваемости. Их изготовляют из сплавов благородных металлов, сплавов систем W-Ni-Cu, W-Ni-Ag, Ag-CuO (CdO). Скользящие контакты, кроме того, должны обладать низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Для их изготовления используют сплавы на основе систем Сu-С, Ag-Ni, Ag-Pd с добавками MoS₂ , Sb и др., получаемые методами порошковой металлургии. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением и малым температурным коэффициентом для реостатов, измерительных и других приборов изготовляют на основе систем Cu-Ni (константан), Cu-Mn-Ni (манганин). Сплавы для нагревательных элементов обладают высоким электрическим сопротивлением, достаточной прочностью и стойкостью против окисления при высоких температурах, например, сплавы, содержащие Ni и Сr (нихромы), Fe, Сr и А1 (фехраль), Ni и Сг (хромаль). Для изготовления термопар используют сплавы на основе систем Pt-Ph, Ni-Cr (хромель), Ni-Аl-Мn-Si (алюмель), Cu-Ni (копель).

Триботехнические сплавы, предназначенные для работы в узлах трения, подразделяют на фрикционные (увеличивающие трение) и антифрикционные (снижающие трение). Первые должны обладать высокими и стабильными в широком интервале температур коэффициентами трения, износостойкостью, теплопроводностью, сопротивлением схватыванию, достаточной прочностью; вторые − низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью. Фрикционные сплавы получают в основном методами порошковой металлургии на основе Fe и Си с добавками асбеста, оксидов и карбидов (увеличивающих трение), Pb, Sn, графита, сульфидов, солей (улучшающих износ и предотвращающих схватывание). Антифрикционные сплавы-чугуны, бронзы и баббиты-сплавы на основе Pb, Sn, Zn или Аl. Методами порошковой металлургии получают антифрикционные сплавы на основе системы Fe−графит и бронза−графит.

Большую группу составляют сплавы со специфическими свойствами:

· Тугоплавкие сплавы используют для нагревательных элементов и др. деталей, работающих при т-ре > 1500°С, изготовляют на основе переходных металлов IV-VI групп, а также тугоплавких карбидов, нитридов, силицидов, боридов различных металлов.

· Легкоплавкие сплавы на основе Sn, Pb, Cd, Bi (например, сплав Вуда), Та, Hg, Zn имеют температуры плавления ниже отдельных компонентов и используются в качестве предохранительных вставок, пробок, легкоплавких припоев.

· Пористые сплавы создают в основном методами порошковой металлургии; сплавы со сквозными порами используют в качестве фильтров, самосмазывающихся подшипников, пламегасителей; с изолированными порами (пеноматериалы) − в качестве теплозащиты.

· Сплавы с постоянным коэффициентом термического расширения,

· Сплавы с особыми ядерными свойствами используют в атомной технике: высоким или низким сечением захвата (вероятностью поглощения) нейтронов, g-лучей; способностью замедлять и отражать нейтроны; способностью передавать тепло, выделившееся в результате ядерных реакций (например, сплавы для твэлов). Для их изготовления используют актиноиды Li, Be, В, С, Zr, Ag, Cd, In, Gd, Er; Sm, Hf, W, Pb и др. элементы.

· Сплавы с эффектом памяти формы например, на основе никелида Ti: изделия определенной формы из таких сплавов, будучи многократно деформированы, после нагрева восстанавливают свою первоначальную форму.

Распространение сплавов в современной промышленности

Следует заметить, что все металлы, которые интенсивно используются современной промышленностью, являются именно сплавами. Так, более 90% всего получаемого в мире железа идет на изготовление чугунов и различных сталей. Объясняется такой подход к делу тем, что сплавы металлов в большинстве случаев демонстрируют лучшие свойства, нежели чем их «прародители». Так, предел текучести чистого алюминия составляет всего лишь 35 Мпа. А вот если в него добавить 1,6% меди, магния и цинка в соотношении 2,5% и 5,6% соответственно, то этот показатель может легко превысить даже 500 МПа. Кроме прочего, можно значительно улучшить свойства электропроводности, теплопроводности или другие. В сплавах строение кристаллической решетки изменяется, что и позволяет приобретать им прочие свойства. Проще говоря, количество такого рода материалов в наши дни велико, но оно постоянно продолжает расти.

Основные классификационные сведения

Стали

Все соединения железа, содержащие до 2% углерода, называются сталями. Если в составе имеется хром, ванадий или молибден, то их называют легированными. Количество сталей на сегодняшний день таково, что одно их перечисление могло бы занять не слишком тонкую книгу. Если в материале менее 0,25% углерода, то он используется в каких-то технических конструкциях. Если же в стали более 0,55% углерода, то она идеально подходит для производства различных высококачественных режущих инструментов, в том числе резцов для токарных станков, сверл и хирургических принадлежностей. Но если речь идет о приспособлениях, которые применяются для быстрой резки, то на их производство идет исключительно легированная сталь.

Чугун

Если в сплаве железа содержится более 3-4% углерода, то он называется чугуном. Кроме того, его важным элементом является кремний. Из чугуна изготавливается масса деталей и готовых изделий. К примеру, блоки двигателей для автомобилей. В случае качественно сделанной отливки без полостей и каверн, изделие обладает впечатляющей механической прочностью.

Медные сплавы

Чаще всего под этим термином понимаются разные сорта латуни. Это такие сплавы меди, в которых содержится от 5 до 45% цинка. Если его содержание колеблется в пределах 5-20%, то это красная латунь (томпак). Если же в материале содержится уже 20–36% Zn, то это – желтая латунь. Эти материалы идеальны в случае необходимости производства и формовки мелких деталей. Малоизвестно, но сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы и обладает большой механической прочностью. Практически тем же характеризуется фосфористая разновидность (к меди прибавляется 5% олова и некоторое количество фосфора). Как и в прошлом случае, отличается высокой прочностью и пружинистыми качествами, а потому идеальна для изготовления мембран и разного рода пружин.

Сплавы свинца

Вообще цветные металлы и сплавы – неразделимо связанные понятия, так как с древнейших времен люди умели выплавлять многосоставные материалы, которые с успехом использовали в военном и мирном деле. Особенно это относится к свинцу, из сплавов которого еще римляне делали водопроводы и канализации. Наиболее известен в настоящее время обычный припой, который изготавливается из одной части свинца и двух частей олова. Как видно из названия, он используется для пайки деталей. Применяется в радиотехнике и прочих технических отраслях. Из сурьмы и свинца делают сплавы, которые используются для изготовления оболочек разного рода кабелей.

Давно известно, что соединения этого металла с кадмием, висмутом или оловом могут плавиться приблизительно при температуре 70 градусов по шкале Цельсия. Именно поэтому сегодня из них делают различные предохранители в системах автоматического пожаротушения. Как ни странно, но свинец издавна был известен поварам и рестораторам, так как из него нередко делали столовую посуду и приборы. Сплав, который использовался для этого, называется пьютер. В его состав входит приблизительно 85–90% олова. Оставшиеся 10-15% как раз-таки занимает свинец (стандартный сплав двух металлов). Баббиты − это также соединения на основе свинца, в состав которых также входит олово, а также мышьяк и сурьму. Эти сплавы весьма ядовиты, но из-за некоторых особых качеств их активно используют в подшипниковой отрасли промышленности.

Легкие сплавы

В последние годы современной промышленности требуется огромное количество легких сплавов, которые обладают повышенной механической прочностью, а также устойчивостью к воздействиям неблагоприятных факторов внешней среды и высокой температуре. Чаще всего для их производства используется алюминий, бериллий, а также магний. Особенно востребованы соединения на основе алюминия и магния, так как сфера их возможного применения чрезвычайно широка.