Цветные металлы и сплавы: Полное руководство по свойствам, группам и применению

Цветные металлы – название, которое слышал каждый человек. Важно понимать, что в эту группу включены также и различные сплавы, которые используются в различных сферах деятельности. Для того чтобы правильно выбрать компонент или знать, из чего выполнен тот или иной предмет, нужно знать свойства цветных металлов и сплавов, знать, на какие группы они делятся. Описание и классификация помогут разобраться во всех возникающих сложностях.

Содержание:

Цветные металлы и сплавы: что известно про них

Цветные металлы и сплавы представляют собой  особый класс. Он состоит из нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых отсутствует непосредственно железо. В это семейство входят такие элементы, как  олово, медь, цинк, никель, а также серебро и золото. Свое название металлы получили благодаря определенному оттенку или цвету. Все они отличаются прочностью и долговечностью. Причина в том, что с течением времени элементы формируют на поверхности защитную оксидную пленку. Именно она и позволяет активно противостоять разнообразным негативным факторам окружающей среды.

Если посмотреть на историю возникновения этой группы металлов, то станет понятно, что еще в самом начале XX века насчитывалось около 20 наименований нежелезных металлов. Сегодня цветными можно назвать уже 70 различных элементов. Благодаря этому возникла и развивается отдельная отрасль – цветная металлургия. Это направление занимается добычей и выплавкой из руд таких металлов. Основным способом производства является плавка под воздействием высоких температур. Металлы подвергаются механической обработке. Их можно ковать, проводить сварку,  прессовать или штамповать. Благодаря этому цветные металлы активно используются в различных сферах деятельности.

Основные свойства и группы

Свойства цветных металлов нужно знать и учитывать. Основные из них:

  • Теплопроводность.
  • Электропроводность.
  • Устойчивость к процессам коррозии.
  • Устойчивость к перепадам температур.
  • Инертность к воздействию различных видов агрессивных сред.

Нужно учитывать, что цветные металлы не реагируют на влагу и кислород. Также они растворяют газы при нагревании. Исключением являются только группа инертных газов. Цветные металлы вступают с ними в реакцию.

Группы также нужно рассмотреть подробнее, чтобы можно было понять особенности каждого из видов металлов. Известны следующие группы:

  • Тяжелые цветные металлы. Включает в себя олово, медь, никель, цинк, свинец.  Добываются эти элементы из сульфидных и окисленных полиметаллических руд. 
  • Легкие цветные металлы. Группа объединяет в себе алюминий, титан, магний, натрий, калий, кальций, бериллий, стронций, барий. Отличительная особенность состоит в том, что эти компоненты имеют самую низкую удельную массу среди остальных металлов, которые принято называть нежелезными.
  • Благородные цветные металлы. В эту группу входят золото, серебро, платина, рутений, родий, палладий, осмий и иридий. Они отличаются повышенной стойкостью к процессам окисления и коррозии.
  • Малые цветные металлы. В эту группу включены ртуть, кобальт, мышьяк, сурьма, висмут. Они отличаются от прочих тем, что являются ядовитыми. Добываются вместе с тяжелыми металлами, но в небольшом количестве.

Также имеются и другие группы, например, тугоплавкие. Это устойчивые к износу цветные металлы. К этой категории следует отнести цирконий, ванадий, хром, вольфрам, молибден. Особенность состоит в том, что все эти металлы требуют для плавления высокую температуру и обладают повышенной плотностью.

Рассматривая цветные металлы, нельзя пройти мимо редкоземельной группы. В нее входят элементы, которые имеют серебристо-белый цвет. Всего можно включить 17 металлов, например, скандий, европий, лютеций.

Еще есть группа под названием рассеянные цветные металлы. Она включает в себя: рубидий, таллий, галлий, индий, скандий, германий, а также рений, гафний, селен. Особенность состоит в том, что перечисленные компоненты нельзя найти в природе отдельно. Содержатся в составе полезных ископаемых или руд металлов.

Особого внимания заслуживает группа радиоактивных цветных металлов. Она представлена такими элементами, как уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий. Получить их можно в результате ядерных реакций.  Особенность состоит в том, что перечисленные металлы испускают нейтроны, протоны, альфа и бета частицы или гамма кванты, которые и переносят радиацию.

Используемая классификация

ispolzuemaya klassifikaciya

Классификацию используют для того чтобы было проще разобраться в особенностях. Цветные металлы являются особой группой, в состав которой не входит железо. Этим она отличается от чугуна или стали. Одновременно цветные металлы обладают целым рядом параметров, которые выгодно отличают их от других компонентов, что позволяет использовать элементы в различных сферах деятельности, включая производство электроники. Все представители известны тем, что устойчивы к процессам коррозии. Их применяют в производстве таких элементов, как:

  • Солнечные батареи
  • Аккумуляторы.
  • Элементы электроники и приборов.

Классификация металлов может различаться в зависимости от используемых для этой цели критериев.  Деление может производиться на основании химических или физических свойств. Во втором случае  принято делить все цветные металлы на легкие и тяжелые. Легкие имеют:

  • Низкую плотность.
  • Мягкую консистенцию.
  • Небольшой вес.

Примеры: магний, алюминий. Применяются в строительной сфере, авиационной промышленности,  3D-печати и робототехнике.

Тяжелые металлы имеют более высокую плотность и прочность. Тяжелые металлы используются в производстве литейных сплавов, конструкционных материалов. Пример: медь, цинк.

Также классифицировать тяжелые металлы можно по показателю электропроводности. По этому параметру металлы могут быть:

  • Проводниками (медь, золото, серебро).
  • Полупроводниками (титан, кобальт, цинк, марганец). 

Этот момент важен, например, когда требуется изготовить элемент для устройства, для работы которого требуется электричество.

Классификация может проводиться на основе такого параметра, как атомная структура металлов. Здесь основанием для разделения элементов является строение решетки. Она представляет собой упорядоченную структуру, образованную атомами вещества. Решетки могут принимать разную форму и размер. На этот показатель оказывает влияние расположение атомов в кристаллической решетке. Деление здесь следующее:

  • Простая кубическая решетка - алюминий, медь, золото и свинец. В этом случае атомы, расположенные на вершинах куба и в его центре. 
  • Гранецентрированная кубическая решетка - железо и кобальт. Здесь атомы, расположенные на вершинах куба и в центре каждой грани.
  • Телекаминоидная решетка - титан, цирконий и гафний. Атомы расположены в углах и на гранях правильного тетраэдра. 
  • Гексагональная решетка - магний и цинк. Атомы находятся в вершинах правильного шестиугольника.

Различные виды кристаллических решеток оказывают влияние на свойства металлов - прочность, твердость, пластичность и проводимость. Если у вещества присутствует простая кубическая решетка, то проводимость будет высокая. Элементы же с гексагональной решеткой имеют повышенную твердость и жесткость. Классификация по атомной структуре помогает узнавать, какие свойства будут у разных металлов.

Также можно использовать для классификации химические свойства. По этой категории имеются следующие группы:

  • Щелочные - находятся в первой группе периодической таблицы. Показатели: низкая плотность, низкая температуру плавления и высокая электропроводность. Примеры: сплавы лития, натрия, калия, рубидия.
  • Щелочноземельные  - находятся во второй группе периодической таблицы. К этой группе относятся: бериллия, магния, кальция, стронция, бария и радия.
  • Переходные - находятся между щелочноземельными и лантаноидами в периодической таблице. Имеются разнообразные химические и физические свойства. Эти элементы являются хорошими проводниками тепла и электричества. Примеры: титан, железо, медь, никель, золото, цинк.
  • Лантаноиды  - особенность в том, что у этой группы имеются сходные физические и химические свойства - высокая плотность и температура плавления. Примеры: лантан, церий, неодим, празеодим.
  • Постпереходные металлы — это группа металлов, которые находятся между переходными и полуметаллами. В этом случае химические свойства будут у каждого элемента различными.

Также в классификацию входят актиниды. Это элементы, которые являются радиоактивными. Их изотопы могут быть опасны для здоровья людей и животных.

Особенности процесса получения

Получить цветные металлы можно разнообразными способами. Выбор метода зависит от их свойств и использования. Этапами получения являются:

  • Электролиз. Активно используется в промышленных масштабах для получения меди, цинка, алюминия, никеля и целого ряда других металлов группы. Он основан на принципе электролиза, в котором принимает участие электрический ток. Его пропускается через расплавленный металл. В результате он распадается на положительные и отрицательные ионы.
  • Обжиг. Метод используется, когда нужно получить свинец, цинк или медь. Руды с металлами в составе подвергаются тепловой обработке. В результате удается получить чистый элемент, который и используется в дальнейшей работе.
  • Коксование. Применение этого метода используется для получения никеля, кобальта и железа. В процессе руды с металлом в составе смешиваются с коксом. Затем обрабатываются при высоких температурах. Процесс протекает в специальных печах.

Также используется способ извлечения цветных металлов из руд и концентратов. Таким методом  добываются медь, никель, кобальт, а также алюминий. Для получения рудного концентрата применяются разнообразные методы. Еще один способ - гидрометаллургия. Актуален этот вариант для добычи цинка, меди, никеля, кобальта, когда речь идет о больших масштабах. Он основан на использовании химических реакций, которые требуются для запуска процедуры извлечения металла из руды.

Существует еще и такой метод, как металлургия порошков. В этом случае нужно учитывать, что прибегают к нему только в тех случаях, когда нужно провести работы для получения металлов высокой чистоты. Так получают, например, титан, цирконий или молибден. Он основан на измельчении металлических порошков. Затем проводится этап синтеризации, который протекает при больших температурах.

Где применяются цветные металлы и сплавы

gde primenyayutsya cvetnye metally

Сфер применения для категории цветных металлов существует очень много. Почти в каждом сегменте используются справы или чистый компонент, так как физические и химические свойства позволяют проводить различные реакции. Отрасли производства и промышленности, где применяются цветные металлы:

  • Авиация и самолетостроение.
  • Автомобильная промышленность.
  • Машиностроение (основными здесь являются алюминий и титан).
  • Производство разных видов электроники и элементов, которые требуются для их создания (провода, платы, детали, комплектующие). Здесь активно используется медь и алюминий.
  • Строительная сфера. Здесь группа цветных металлов применяется, например, во время возведения кровли. Отличительные свойства, которые требуются в этой сфере: надежность, прочность, долговечность, устойчивость к коррозийным процессам. Также применяются металлы и сплавы при создании инженерных коммуникаций, труб, вентиляции.
  • Медицина. Здесь группа металлов важна, когда речь идет о создании оборудования и инструментов, имплантов. Основная причина выбора – биологическая совместимость и прочность. 

Еще одно направление – производство упаковки. Так, например, алюминий является тем компонентом, который применяется для производства банок для консервов. Требуется прочный и легкий материал, способный выдержать большие нагрузки.

Пищевая промышленность также прибегает к использованию цветных металлов. Здесь основа – производство посуды и столовых приборов. Выбор производится по причине того что металлы являются легкими и прочными. Также нужно упомянуть и химическую промышленность. Сплавы применяются в качестве реагентов и катализаторов. В сфере энергетики применяется медь и алюминий. Их используют для производства электропроводов и трансформаторов, так как основными являются способность хорошо проводить электричество.

Теперь нужно подробнее рассмотреть один из самых распространенных элементов – медь. Она присутствует в различных сферах производства, так как отличается высокой плотностью. Отличить ее можно по характерному признаку – красноватому оттенку. Также медь выделяется по своим электрическим и теплопроводным свойствам. По качеству она уступает только серебру. Температура кипения и плавления у этого металла также высокая – составляет 1083 градуса. Обработка проводится достаточно быстро по причине соответствующих физических свойств. В производственной сфере по спросу медь опережает только алюминий.

Основные сплавы цветных металлов, в которых присутствует в разных пропорциях медь:

  • Бронза. Полученный сплав отличается хорошими литейными качествами. Применяется для отливок, деталей, элементов, которые не должны подвергаться коррозии и деформации. Для получения бронзы используют различные присадки. Сплав может быть оловянным, алюминиевым, бериллиевым, свинцовым и кремнистым.
  • Латунь. В составе присутствует до 45% цинка. В результате сплав характеризуется высокими показателями пластичности. Он применяется для создания листового проката. Его используют при производстве прутков, труб, проволоки и отливок, ювелирных украшений. Если цинка будет не так много, то латунь имеет красноватый оттенок. В том случае, когда его от 20% - желтый цвет. Сплавы входят в латунный прокат. Для создания сплава применяется также и цинк, олово, фосфор, алюминий.

Если используется цинк, то можно улучшить показатели прочности. Если возникает проблема, связанная с коррозией – нужно добавить алюминий. Никель повышает твердость и  показатель текучести меди. В процессе осуществляется постепенное изменение температуры в сторону уменьшения показателей.

Фосфор используется, если нужно удалить примеси или снизить показатель кислотности. Бериллий улучшает показатели износостойкости и упругости. Если же требуется снизить показатель теплопроводности и электропроводности, то в сплав нужно добавить примеси, важно следить за тем, чтобы они не были вредными. Они же позволяют увеличить устойчивость к агрессивным средам.

Многие металлы и сплавы, которые принято называть цветными, отличаются составом, способом изготовления, а также цветом. По этим параметрам и производится анализ, когда нужно произвести исследование или определить, какой компонент применялся для того или иного элемента, прибора, устройства или предмета. Если сплав латунный, то в его составе обязательно будет медь и цинк. Бронза же состоит из таких компонентов, как медь и олово. Соответственно, структура, форма и некоторые свойства сплава будут отличаться. Общие показатели всех сплавов и чистых цветных металлов:

  • Не происходит процесса коррозии. Их можно использовать для конструкций, которые будут соприкасаться с водой или находиться постоянно на открытом воздухе.
  • Происходит высокая термическая и электрическая проводимость. Сплавы являются  отличными проводниками тепла и электричества. Их применяют в быту и на производстве для использования в электронике и электротехнике.
  • Сплавам и металлам присуща легкость и прочность.  Эти свойства делает их идеальными для использования в авиации, космической промышленности, в тех направлениях, где важна прочность и легкость конструкции или определенного элемента в узле.

Также очень важно учитывать тот момент, что сплавы, так же как и чистые цветные металлы, поддаются легкой формовке. Они позволяют создавать любые геометрические элементы и конструкции, которые можно затем использовать, например, в строительстве или на производстве. Именно по этой причине из цветных металлов делается, как посуда, так и сложная техника. Нельзя забывать и о том, что цветные металлы и сплавы на их основе отличаются выраженной эстетической привлекательностью. Некоторые представители рассматриваемой группы, например, золото и серебро, являются еще и ценными металлами. Их используют в ювелирных украшениях и  при производстве предметов роскоши. Ценным и значимым является тот факт, что группа цветных металлов имеет возможность вторичной переработки и утилизации. Многие можно легко переработать и утилизировать без вреда для экологии или человека, что делает их более экологически чистыми и экономически эффективными  компонентами в производственной сфере.

Отличие черных металлов от цветных – подобное знание позволит устранить любые ошибки в этой сфере. К черным относятся такие металлы, как железо, сталь и чугун. Они отличаются от цветных металлов по своим химическим и физическим свойствам. Эти металлы обладают высокой прочностью и твердостью, применяются в производстве строительных материалов, автомобилей, машин, различных промышленных изделий.  Особенность – невысокая стоимость в производстве, поэтому их используют чаще, чем цветные металлы.

Одновременно медь, алюминий, цинк, никель и титан имеют ряд неоспоримых преимуществ.- антикоррозионные свойства самые выраженные из них. Они не восприимчивы к воздействию влаги и других, даже агрессивных, химических веществ. В сравнении с черными, цветные металлы легче и имеют более высокую теплопроводность, что делает их полезными областях, которые требуют особого подхода.

Но нужно принимать во внимание тот факт, что процесс рециклинга цветных металлов более сложный. Он же у черных металлов происходит быстрее, и не требует большего внимания к экологическим проблемам. Также цветные металлы могут быть по целому ряду параметров  дороже в производстве, чем черные металлы. Исходя из этого, выбор материала может зависеть от конкретных требований и имеющегося бюджета, выделенного на определенный проект.

Цветные металлы и сплавы пользуются особым спросом и популярностью. Их используют в быту  и на производстве, включают в научные работы и применяют при создании тонких приборов, которые затем используются в расчетах. Необходимо знать все их основные свойства и уметь подбирать компоненты по группам, чтобы добиться лучших показателей среди возможных. Применение не ограничивается определенной сферой, так как химические и физические свойства востребованы везде. Важно понимать и тот момент, что к этой группе применяется особая классификация. Она имеет значение, так как позволяет подобрать именно тот компонент, который проявит себя в сфере идеально. Классификация сложная и подробная, поэтому нужно выучить основные параметры, чтобы хорошо разбираться в особенностях тех свойств, которые проявляет тот или иной представитель группы.

Адрес: Одинцово, ул. Западная, 19А
Время работы: Пн - Пт: с 9:00 до 18:00