Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
131 4.3.Медно-никелевыесплавы циент электросопротивления. Это обеспечивает постоянство его элек‑ тросопротивления при разогреве приборов джоулевым теплом. Его используют для изготовления резисторов, реостатов, которые могут разогреваться, а высокая термоЭДС его в паре с медью не мешает их работе. Константан обладает высоким коэффициентом тензочувстви‑ тельности (> 2), который определяется отношением изменения относительного электросопротивления к относительной деформации S R R L В связи с этим из тонкой проволоки или фольги константана производят тензометрические датчики для измерения усилий, напряжений, перемещений и/или деформаций. Копель близок по составу и свойствам к константану и используется для отрицательных электродов в термопарах медь‑копель, хро‑ мель‑копель и др. Константан иногда также используют в термопарах. Манганин (Су которого основной компонент в твердом растворе марганец, характеризуется сочетанием примерно такого же электросопротивления, как у константана, низкого термического коэффициента электросопротивления и очень малой термоЭДС (0,2 мкВ/град) в паре с медью, что позволяет широко его применять в электроизмерительных приборах, образцовых катушках сопротивления, шунтах и т. п. В электрических цепях приборов, где соединения выполнены из медного провода, при разогревах джоулевым теплом в контактах меди с манганиновыми резисторами практически не возникают паразитные термоЭДС. Система Cu–Ni–Al из‑за переменной растворимости компонентов с повышением температуры послужила основой для разработки ряда термически упрочняемых сплавов. Сплавы под названием куниали типа А (МНА13‑3) и Б (МНА6‑1,5) характеризуются способностью к термическому упрочнению. Обработка по режиму (закалка с 900–1000 °C, холодная деформация на 25 %, старение при 500 °C) обеспечивает предел прочности в = 800–900 МПа, δ = 5–10 %. Куниаль типа А используется в деталях повышенной прочности и коррозионной стойкости. Куниаль типа Б не имеет аналога за рубежом, применяется для пружин ответственного назначения в различных областях техники. Куниали имеют высокие механические свойства, коррозионную стойкость, удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. Упрочнители в них — фазы θ‑Ni 3 Al и β‑NiAl. Куниали не склонны к хладноломко‑ 132 Глава4.Медьиеесплавы сти, с понижением температуры до отрицательной их прочность и пластичность растут. На базе той же системы Cu–Ni–Al в России разработан ряд сплавов взамен бериллиевых бронз. Например, сплав под названием камелон, содержащий 20 % Ni, 4 % АС М, также имеет два главных упрочнителя — Ni 3 Al и NiAl. В фазе Ni 3 Al часть атомов может заменяться на медь марганец упрочняет твердый раствор. Хром формирует фазу, которая полностью не растворяется, зато сохраняет зерно мелким (20 мкм) при нагреве под закалку (800–980 °C). В результате НТМО (40 деформации после закалки) камелон имеет предел прочности в = 1500 МПа, σ 0,005 = 1100 МПа, удлинение δ = 1,5 %, твердость 420 Н, циклическую стойкость до разрушения N = 20·10 4 при нагрузке 600 МПа, но электросопротивление ρ = 0,35 мкОм·м. Бериллиевая бронза БрБ2 имеет σ 0,005 = 1150 МПа, N = 7·10 4 и ρ = 0,35 мкОм·м. Поэтому камелон может использоваться как пружинный материал взамен бериллиевых бронз, ноне для токопроводящих пружин Глава 5. Благородные металлы и сплавы на их основе Б лагородные металлы серебро (Ag), золото (Au) и металлы платиновой группы — рубидий (Ru), радий (Rh), палладий (Pd), осмий (Os), иридий (Ir), платина (Pt). Некоторые источники относят в этот список также и ртуть (Hg). Основным достоинством этих металлов по сравнению с другими металлами является их высокая химическая устойчивость в различных средах ив первую очередь в отношении образования кислородных соединений, обусловленная высоким электрохимическим потенциалом. Именно поэтому данные металлы и получили свое название. Практическое применение находят как чистые металлы — золото, серебро, платина, таки их славы, несмотря на относительно малое распространение их в природе и сравнительно высокую стоимость. Благородные металлы и сплавы на их основе обладают разнообразием физико‑химических и механических свойства также особыми свойствами (химическая устойчивость, сопротивление коррозии и электро‑ коррозии, тепло и электропроводность, катализ, отражательная способность, магнитный гистерезис, термоэлектродвижущая сила и др.). В металлургии золота большую роль играют сплавы золота с ртутью, в металлургии серебра — сплавы серебра со свинцом и тройные сплавы серебро — свинец — цинк. Из благородных металлов и сплавов на их основе изготавливают припои, электроконтакты, термосопротивления, термопары, фильтры для искусственного волокна, постоянные электромагниты, потенциометры, нагреватели лабораторных печей, химическую посуду, медицинский инструмент, зубные протезы, катализаторы, ювелирные, наградные и другие изделия промышленного и бытового назначения 134 Глава5.Благородныеметаллыисплавынаихоснове Все благородные металлы (кроме золота и серебра) имеют высокую температуру плавления, высокий удельный весне имеют аллотропических превращений (кроме родия — Rh), очень пластичны (кроме родия — Rh и осмия — Большинство благородных металлов образуют друг с другом однородные твердые растворы, которые в отдельных случаях устойчивы вплоть до низких температур (Ag–Au), в иных случаях распадаются при охлаждении с образованием металлических соединений (Cu 2 Au, CuAu, Au 2 Hg, CuHg 2 , TiAg, CuZn 3 , AgZn 3 , AgCd 3 , AgMg 3 , Ag 5 Al 3 и др) или переходят в упорядоченное состояние (Cu–Pt, Благородные металлы в порядке возрастания химической устойчивости в различных средах (табл. 5.1) могут быть расположены в следующем порядке серебро, палладий и осмий (наименее устойчивы) и иридий (наиболее устойчив). Таблица Благородные металлы в порядке возрастания химической устойчивости в различных средах Ме‑ талл Тип кристаллической ре‑ шетки Плотность, кг/м Температура плавления, °С Твер‑ дость НВ Температура окисления на воздухе, °С Ru Г12 12200 2450 2000 К 12400 1960 550 К 12200 1550 300 К 10600 960,5 Не окисляется Os Г12 22500 2700 3500 Комнатной Ir К12 22400 2443 1600 К 21600 1769 Не окисляется Au К12 1960 1063 Не окисляется Все благородные металлы (серебро, золото, рутений, родий, палладий, иридий, осмий и платина) в настоящее время считаются мо‑ номорфными. 5.1. Золото Золото — металл желтого цвета, кристаллическая ГЦК решетка с периодом а = 0,40786 нм, полиморфизмом не обладает. Плавится при температуре 1063 °C (табл. 5.1), плотность при 20 °C равна 19320 кг/м 3 135 5.1.Золото Прочностные характеристики чистого золота имеют невысокие значения σ 0,2 = 10–25 МПа в = 120–130 МПа HB = 220–250. Воздействие холодной пластической деформацией позволяет увеличить прочностные характеристики Au приблизительно в 2 раза. Из 1 грамма золота можно вытянуть проволоку длиной около 1 км или изготовить фольгу толщиной 0,0001 мм, которая в проходящем свете приобретает зеленоватый оттенок. Золото быстро корродирует в растворах I, Br, KCN, кроме того, хорошо растворяется в ртути, образуя амальгаму. Наиболее вредными примесями в золоте являются Pb, Te и Bi. Свинец практически нерастворим в золоте и образует с ним химические соединения Au 3 Pb и AuPb 2 , которые резко снижают пластические свойства. При содержании Pb в золоте, не превышающем 0,005 %, приводит к выделению соединений по границам зерен. Теллур также практически нерастворим в золоте и при содержании его не более чем 0,01 %, выделяется по границам зерен и оказывает вредное влияние на обрабатываемость золота и сплавов на его основе. Висмут в небольшом количестве, не превышающем 0,001 %, приводит к охрупчиванию, несмотря на ограниченную его растворимость в золоте. Кроме того, Sb, Fe, Sn, Si неблагоприятно влияют на технологические свойства Au, и их процентное содержание строго лимитировано. Все примеси снижают электропроводность и коррозионную стойкость золота и сплавов на его основе. Данное обстоятельство особенно важно для микроэлектроники. Золото характеризуется высокой отражающей способностью все редине видимой части спектра, достигая коэффициента отражения R = 98 % (см. рис. 5.1), который сохраняет высокие значения ив инфракрасной области (ИК. Такой характер спектра отражения объясняет насыщенный цвет золота и является основанием того, что металл используется для экранирования космических аппаратов и оптики от ИК излучения, а также для защиты от действия радиоактивных источников. Оптические свойства золота интересны, т. к. дают разнообразные цветовые композиции. Как было отмечено, золото обладает золоти‑ сто‑желтым цветом и сильным металлическим блеском. В дисперсном состоянии в проходящем свете — зеленоватый цвет, в виде тончайших листков в проходящем свете — зеленоватый или голубовато‑зелено‑ ватый, в расплавленном состоянии — зеленый, пары золота зелено‑ вато‑желтого цвета 136 Глава5.Благородныеметаллыисплавынаихоснове Ag Au От раж ение, Отражение Длина волны, мкм 1 Длина волны, мкм 20 40 60 80 100 60 80 100 Рис. 5.1 Отражательная способность серебра и золота — видимая часть спектра Золото дает со многими металла химические соединения, обладающие различной окраской. Соединения AuAl 2 (78,5 % Au и 21,5 % Al) имеют фиолетово‑пурпурный цвет, AuZn 2 — синий цвет, Au 2 Na — светло‑желтый, AuK — оливково‑зеленый цвет, Au 2 K — фиолетовый цвет. С рубидием золото образует аурид Au 2 Rb темно‑зеленого цвета. Чтобы ювелирные изделия служили дольше, лучше блестели и сопротивлялись царапинам, к золоту с давних времен добавляли другие металлы — серебро, медь, цинкит. д, называемые лигатурой. В зависимости от качества и количества добавок цвет золота меняется от белого до черного, но золото при этом остается золотом. Известно, что сплавы серебра с медью имеют серебристо‑белый цвет и сильный блеск. С увеличением количества меди цвет сплавов переходит к желтому (70 % Ag) от темного к бледно‑красному (50 % Ag), затем к красному (30 % Ag) (рис. 5.2). Cu Ag 30 40 50 60 70 80 90 10 20 Cu, желтый красный красный бле дно- Рис. 5.2. Изменение цвета сплавов серебро‑медь В сплавах золото‑серебро‑медь цвет изменяется постепенно от зо‑ лотисто‑желтого (золото) до серебристо‑белого (серебро) и красного 137 5.1.Золото (медь); от ярко‑красного (золото с медью) до светло‑зеленого (золото с серебром) (рис. 5.3). Ag Au 30 40 50 60 70 80 90 10 20 Ag, % светло-зеленый золотисто- желтый серебристо- белый 40 50 60 70 80 90 10 20 Cu, % ярко-красный золотисто- желтый красный Рис. 5.3. Изменение цвета сплавов золото‑серебро‑медь Добавка до 12 % палладия (или равноценное по объему количество платины) в золото и золотые сплавы (в том числе с медью) уничтожает практически полностью специфический для золота (и меди) цвет, придавая им оттенок, характерный для платиновых металлов (рис. 5.4). Pd Au 30 40 50 60 70 80 90 10 20 Pd, золотисто- желтый белый Рис. 5.4. Изменение цвета сплавов золото‑палладий Золото растворяется в царской водке (смеси концентрированных кислот HCl и HNO 3 ) и растворе цианистого калия, быстро разрушается в горячих смесях серной и азотной кислот и серной кислоты с окислами тяжелых металлов. Золото частично растворяется при кипячении в азотной кислоте и выше 250 Св присутствии кислорода в серной кислоте. Чистое золото стойко в кислороде, сере, сернистом ангидриде и селене. Золото, химически восстановленное из разных растворов, имеет различный вид и цвет (черное золото, коричневое золото и т. п. Раз 138 Глава5.Благородныеметаллыисплавынаихоснове личные виды золота могут быть получены восстановлением сернистой кислоты хлорного, хлористого, бромного, бромистого или йодистого золота. Черное золото можно получить растворением золота в амальгаме натрия под водой с последующим подкислением соляной кислотой. Коричневое золото хорошо растворяется в азотной и соляной кислотах. При растворении в горячей соляной кислоте и последующим охлаждении образуются кристаллы обычного золота. О количестве примесей в золотом сплаве можно судить по клейму, обозначающему пробу. Чаще всего в ювелирном производстве используется золото 585 пробы. Это индекс метрической системы определения пробы драгоценного металла, принятой в России. Он означает процентное содержание благородного металла в 1000 частей сплава. Если на золотом изделии стоит проба 750, это означает, что сплав содержит 75 % чистого золота и 25 % лигатуры. В металлах с указанной пробой соотношение серебра и меди может быть разное. В 585 пробе соотношение Cu и Ag около 1:1 отнимает цвет золота. В метрической системе применяются следующие пробы 1000, 958, 900, 750, 585, 500, 375, 333. Из них ювелирными считаются 750, 585, 375. Изделия из золота с пробой ниже 375 относятся к бижутерии. Из золота 900 пробы раньше делали зубные протезы. Во многих странах Европы ив США используется другая — каратная система определения проб. Ювелирные изделия бывают в 6,8,10,12,14 и 18 каратов. Самая распространенная — 14‑каратная проба соответствует нашей й метрической пробе (табл. 5.2). К сведению один карат равен 0,2 грамма. Таблица Данные соответствия метрической, каратной и золотниковой проб Метрическая проба Золотниковая проба Каратная проба 56 14 750 72 18 958 95 Карат — главная ювелирная метрическая единица — получила название в честь семян тропического дерева цератонии: эти семена не меняют своего веса при высыхании, в старину их использовали для взвешивания драгоценных камней и золота. Антикварные изделия, выпущенные в России до 1926 года, тоже маркировались не так, как сегодня, а по золотниковой системе, в ко Золото торой индекс пробы означает количество золотников в фунте (453,6 г) металла. Например, золотой сплав 56 пробы содержал 56 золотников чистого золота и 40 золотников других металлов, а один фунт был равен 96 золотникам. Эта проба в 56 золотников была самой популярной и тоже соответствует й пробе золота. Первичное золото выпускается в виде слитков (ГОСТ 28058–89). В зависимости от чистоты рафинированное золото выпускается 4 марок (табл. Таблица Маркировка рафинированного золота Показатели Значения Марка ЗлА‑1П* ЗлА‑1 ЗлА‑2 ЗлА‑3 Au, %, не менее 99,99 99,98 99,95 *Au марки ЗлА‑1П обладает повышенной чистотой пои др. Вес золотого слитка составляет 1150–1300 г. Слиток предназначается для производства сплавов, банковского хранения и межгосударственных расчетов. Деформированные полуфабрикаты, полученные из литых заготовок, могут быть использованы как проводники в виде микропроволо‑ ки диаметром 10–60 мкм в виде покрытий на стекле, керамике, кварцев электронных устройствах в виде элементов полупроводников ив микросхемах. Ленты, фольга, полосы используются в качестве коррозионно‑стой‑ ких, защитных покрытий (стенки химических реакторов, куполов культовых сооружений. Трубки применяются для перекачки жидкостей в дозирующих устройствах и т. д. Из золота также изготавливают анодные пластины. По ГОСТ 6835–2002 определяются марки золота и его сплавов технического назначения. Наименование марок сплавов на основе золота состоит из букв, обозначающих компоненты сплава Зл — золото, Ср — серебро, Пл — платина, Пд — палладий, М — медь, Ц — цинк, Н — никель. Следующие за буквами цифры указывают номинальное содержание компонентов благородных металлов в сплаве в процентах. Например, сплав ЗлСрМ58,5–20 содержит 58,2–25,8 % Au; 19,5–20 % Ag и остальное ГОСТ 30649–99 устанавливает марки золота и сплавов на основе благородных металлов, применяемых для изготовления ювелирных, 140 Глава5.Благородныеметаллыисплавынаихоснове ритуально‑обрядовых и др. изделий бытового назначения. В стандарте наименование марки сплавов состоит из букв, обозначающих компоненты сплава и цифр, указывающих номинальное содержание легирующих элементов в тысячных долях (пробы, если компонент — благородный металл, ив процентах, если компонент неблагородный металл. Например, сплав ЗлСрНЦМ‑585–80–8,2–2,5 содержит 58,5–59 % Au, 7,5–8,5 % Ag, 8,2 % Ni, 2,5 % Zn и остальное — Золото в чистом виде применяется в относительно небольших количествах в медицине, для покрытий и различных контактов. Температуру плавления золота принимают за постоянную точку при градуировании пирометров. Температура плавления золота является высшей точкой температурной шкалы, точно проверенной и установленной экспериментально. Это связано стем, что золото может быть получено весьма высокой чистоты, при плавлении не загрязняется окислами и не изменяет температуру кристаллизации. Основная часть потребляемого в промышленности ив быту золота используется в виде сплавов. Наиболее широкое применение имеют золотые сплавы в ювелирной промышленности двойные и тройные сплавы с медью и серебром, а также с добавками платины, палладия, цинка, олова и др. Сплавы золота — медь — серебро — платина и золото — серебро — кадмий — цинк применяют в зубопротезной практике. Золотые сплавы используют для изготовления электротехнических контактов, обмоток сопротивления потенциометров, фильер для стекловолокна. Ювелирных изделий из чистого золота не бывает, т. к. оно мягкое, легко царапается и совершенно теряет товарный вид. Серебро Серебро — металл белого цвета, кристаллическая решетка ГЦК см. табл. 5.1), параметр решетки а = 0,40779 нм. Температура плавления серебра — 960 °C, плотность — 1050 кг/м³ при температуре 20 Серебро легко растворяется в концентрированной азотной и нагретой серной кислотах. Действие азотной кислоты усиливается с повышением температуры. Серебро имеет повышенную стойкость в холодных растворах органических кислот, не загрязняет и не изменяет Платина окраски фенола, фруктовых соков, эфирных масел, вина и многих фармацевтических препаратов. Ионы серебра (так называемая серебряная вода) имеют сильное бактерицидное действие. Тускнение и потеря отражательной способности серебра на воздухе связаны с присутствием сернистых соединений (наряду с влагой и кислородом) и образованием пленки В чистом виде применяется в качестве покрытия столовых приборов, контактов и некоторых изделий химической промышленности. Значительное количество серебра расходуется на производство светочувствительной пленки и бумаги. Основная часть серебра используется в виде сплавов. В качестве материала для серебряных монет употребляются сплавы серебра с медью. В ювелирном производстве применяются сплавы золота и серебра с медью для повышения твердости сплавов и одновременно удешевления их. Известно, что серебряные украшения быстро темнеют вследствие окисления. В настоящее время производят серебро с покрытием очень тонким слоем родия, при этом цвет и блеск серебра сохраняется. При добавлении в бронзу небольшого количества серебра при литье колоколов усиливается мелодическая составляющая звона. Сплавы на основе серебра маркируют также, как и сплавы на основе золота. Сплавы технического назначения на серебряной основе обозначают буквами и следующими за ними цифрами, показывающими номинальное содержание легирующего элемента в процентах. Например СрПд20–80, СрПдМ50–30 (Ag = 50 %, Pd = 30 %, Cu = 20 Сплавы на основе серебра, используемые для бытовых и ювелирных изделий, маркируются буквами и цифрами в долях (пробах, если легирующим элементом является благородный металл, ив процентах, если легирующий элемент неблагородный металл. Например, сплав СрМ875 содержит 87,5 % Ag, остальное медь. Платина Платина — белый блестящий металл. Кристаллическая решетка ГЦК с параметром решетки а = 0,39160 нм. Плавится при температуре 1769 °C, плотность при 20 °C составляет 21500 кг/м 3 |