Применение металлов в технике

Материальный фундамент, на котором стоит современная человеческая цивилизация, образует железо. Из сплавов железа - сталей - изготовлена и построена подавляющая часть машин, аппаратов, сооружений. На долю железа от общего объема производства металлов приходится более 90%.

Второе место по масштабам использования занимает алюминий, хотя его история насчитывает всего около двух столетий. Конструкторов - создателей новой техники привлекают такие качества алюминия, как малая плотность (в 3 раза меньше, чем у меди и железа), пластичность при относительно высокой прочности, коррозионная стойкость. По электро- и теплопроводности он лишь немного уступает меди. В результате легирования другими элементами (Si, Мg, Ве, Тi, Сu, Ni) и термообработке удается получать сплавы, значительно превосходящие по прочности и твердости чистый алюминий. Благодаря этим свойствам алюминий является основным металлом в авиационной и ракетно-космической промышленности. Алюминий составляет примерно половину массы ракет, а в пассажирских самолетах его доля доходит до 2/3 или даже до 3/4. Непрерывно увеличиваются масштабы использования алюминия и в других видах транспорта.

В последние годы интенсивно развивается индустрия строительных конструкций из алюминиевых сплавов. Крупный потребитель алюминия - электротехническая промышленность: провода, кабели, обмотки моторов и трансформаторов, конденсаторы и др.

Коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тончайшей (0,0001 мм) оксидной пленки, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления воздухом.

Алюминий широко применяется и в металлургии: в качестве активного химического элемента-восстановителя для раскисления стали и в алюмотермических способах получения многих металлов и сплавов.

Третье место по объему производства и потребления занимает медь. Медь - главный металл электротехники, обладающий наивысшей электропроводностью (за исключением серебра). В сочетании с хорошей пластичностью и достаточно высокой прочностью медь является «идеальным» материалом для изготовления токопроводящих изделий: проводов, кабелей, контактов и др. Очень высокая теплопроводность меди делает ее незаменимой в производстве многих теплотехнических устройств: нагревателей, холодильников.

Широкое распространение в промышленности нашли сплавы меди с цинком (латуни) и с оловом (бронзы). Сплавы меди с никелем служат для изготовления монет (денежных знаков).

Примерно половина производимой меди в настоящее время используется в радиотехнике и электротехнической промышленности. Древнейший сплав меди с цинком - латунь и в настоящее время производится в больших количествах. Содержание цинка в латуни составляет 30-45%. Она применяется для изготовления различной арматуры, соприкасающейся с водой (краны, вентили и т.д.), а также для производства различных труб.

Добыча и производство рафинированной меди в мире резко увеличилось за последние 30 лет. Это связано, в первую очередь с увеличением спроса на металл, так как большие развивающиеся страны, такие как Китай, Индия и Бразилия вышли на мировой рынок. В тот же период крупнейшей областью добычи меди стала Южная Америка. Чили - лидер по добыче меди в мире.

Медь - важная составляющая в двигателях, радиаторах, соединителях, тормозах и других комплектующих, используемых в легковых автомобилях и грузовиках. Средний автомобиль содержит 1,5 километра медного провода, а общая масса медных деталей составляет от 20 килограммов в маленьких автомобилях до 45 килограмм в роскошных и гибридных автомобилях.

Никель. В течение почти 150 лет со времени открытия никель не находил промышленного применения. И лишь во второй половине XIX века, когда были открыты замечательные свойства никеля улучшать качество сталей, его производство начало быстро расти.

До 70% никеля используется в производстве жаропрочных и нержавеющих сталей. Совместно с другими металлами никель входит в состав твердых и сверхтвердых сплавов. Сплав «инвар» обладает очень малым коэффициентом термического расширения; сплав «нихром» используется в нагревательных приборах; упругий сплав «элинвар» - отличный материал для пружин; ряд никелевых сплавов обладает высокими магнитными свойствами. Всего в технике и в быту используется более 3000 сплавов, в состав которых входит никель.

Никель используется как катализатор ряда химических процессов, как прекрасное декоративное и антикоррозионное покрытие других металлов (меди, железа). В промышленности налажено широкое производство железоникелевых щелочных аккумуляторов. Находят применение и некоторые соли никеля.

Магний. Одной из отличительных особенностей магния является его низкая плотность - 1,74 г/см³, что в 4,5 раза меньше, чем у железа и в 1,5 раза меньше, чем у алюминия. Ученым удалось создать с участием магния ряд сплавов - легких, прочных, термостойких. Для легирования Мg используют Тi, Аl, Zn, Мn, Ве, Li, Сd, Се, Сu.

Элементы ракет и ядерных реакторов, детали моторов, баки для бензина и масел, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, фото- и киноаппараты - вот неполный перечень изделий из магниевых сплавов. Немаловажную роль играет магний и в металлургии: в качестве раскислителя сталей, восстановителя ряда других металлов (титана, ванадия, хрома, циркония), для модификации чугунов. Наконец, оксид магния используют для производства огнеупорных материалов, применяющихся при строительстве металлургических печей.

Не потеряли своей ценности и старые хорошо известные человеку металлы. Цинк используют в качестве антикоррозионного покрытия железа, для изготовления электрических батарей, в качестве осадителя золота и серебра из цианистых растворов, для производства сплавов с медью и другими металлами. Олово входит в состав сплавов с Сu и Рb - бронз и бабиттов (материалов для изготовления подшипников скольжения). Около одной трети свинца расходуется на производство электрических аккумуляторов для автомобильного и других видов транспорта; свинцовыми пластинами облицовывают помещения для защиты от проникающих излучений (рентгеновских лучей, излучения радиоактивных изотопов); свинцом покрывают внутренние поверхности многих химических реакторов (учитывая его высокую химическую стойкость против воздействия некоторых кислот и щелочей).

Благодаря своей химической стойкости, привлекательному внешнему виду и высокой стоимости золото и серебро в эпоху развития товарно-денежных отношений приобрели значение меновых эквивалентов и меры стоимости, выполняя функции денег. В дальнейшем функции денежного эквивалента стало выполнять только золото.

Из благородных металлов и сплавов изготавливают припои, электроконтакты, термосопротивления, термопары, фильеры для искусственного волокна, постоянные магниты, нагреватели лабораторных печей, химическую посуду, антикоррозионные покрытия на других металлах, медицинский инструмент, катализаторы, зубные протезы, ювелирные, наградные и другие изделия промышленного и бытового назначения.

Серебро находит широкое применение в химической промышленности в качестве катализатора ряда химических процессов, в производстве светочувстви­тельных эмульсий для фото- и киноматериалов (до недавнего времени). Значительное количество серебра расходуется на изготовление припоев, применяемых при пайке. Серебряные припои образуют прочные и пластичные спаи. Их стойкость к окислению послужила причиной широкого применения в авиационной и космической технике, а высокая электропроводность - в электротехнике. Золото и серебро в настоящее время кроме производства ювелирных изделий используют в электронных приборах – для изготовления надежных неокисляющихся контактов.

Наряду с электронной промышленностью потребителями золота выступают и другие отрасли: химическая, аэрокосмическая, часовая, легкая, а также архитектура. Использование золота в этих отраслях может быть объединено термином «золочение». Золотом стали покрывать архитектурные детали, а также купола церквей, мечетей и соборов.

По итогам 2011 года Россия добыла и произвела 212 тонн золота.

В результате технической революции середины XX века появились новые процессы, технологии, отрасли промышленности: электроника, ядерная энергетика, ракетно-космические комплексы. Оказалось, что многие редкие металлы способны удовлетворять заданным требованиям.

Бериллий – высокая радиационная стойкость (замедлитель нейтронов в ядерных реакторах), самая высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности).

Литий – самый легкий металл (вдвое легче воды), литиевые аккумуляторы (срок службы в 3 раза, емкость в 6-7 раз выше), литиевые смазки (-60^оС).

Вольфрам, молибден – нагреватели в электропечах, выплавка легированных сталей (инстр., быстрореж., жаропроч.), производство твердых сплавов (инструменты).

Титан - реактивная авиация, ракетно-космическая техника, твердые, жаростойкие сплавы (карбид титана).

Цирконий – изготовление элементов ядерных реакторов (трубы, оболочки), огнеупоры, фарфор, эмали (ZrO₂).

Уран – основное горючее ядерных реакторов.

Германий – полупроводниковая электроника.

Рений – химическая и нефтяная промышленность в качестве катализаторов, электровакуумная техника.

Селен, теллур – электро- и радиотехника, фототранзисторы, солнечные батареи, термоэлектрические устройства.