» » Металлы - основа тяжелой индустрии
13.05.2015

Истории человеческого общества известны такие периоды его развития, как «золотой» и «бронзовый» века. Это как нельзя лучше свидетельствует об огромном значении металлов для человека. С заменой каменных, деревянных и костяных орудий труда металлическими изменилась материальная культура древних народов.
В Европе применять металлы начали около 3000 лет до нашей эры. Первая выплавка металла из камня (руды) в развитии человеческого общества значила не меньше, чем открытие способа получения огня.
По периодической системе Д.И. Менделеева (табл. 1) всего значится 102 элемента, из них свыше 75% составляют металлы. Более 10% общего числа элементов обладает некоторыми характерными свойствами металлов, но их условно относят к неметаллам.
Первыми металлами, вошедшими в обиход человека, были золото и медь, так как их люди находили самородками. Золото добывали рабы в Ассирии и Вавилонии, в Египте и Греции. Основными районами добычи меди были в Европе — Испания, в Азии — Китай и Япония, в Африке — Египет.
Затем в обиход вошла бронза — сплав меди с оловом («бронзовый» век). Олово начали выплавлять, по-видимому, в Китае. В доисторические времена добывали и применяли также свинец, а в более поздний период — ртуть, используя случайно открытую легкую их восстанавливаемость.
Железо стали применять тоже в глубокой древности. Железо, вероятно метеоритное, в самые отдаленные времена использовали в Египте, Ассирии и Китае. Предполагают, что искусство выплавки железа из руды было впервые освоено народами, населявшими Кавказ. Относительно широко железо стали применять лишь за 1200—1500 лет до нашей эры.
В древности было известно восемь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть и сурьма. К концу XVIII в. число известных металлов увеличилось до 20; к концу XIX в. — до 50.
При всех преимуществах металлов, особенно железа и его сплавов, потребление их до XIX в. оставалось незначительным. В 1800 г. мировой выпуск чугуна составил 467 тыс. г, меди 20 тыс. г, свинца 30 тыс. г и олова 3 тыс. т; остальные металлы производились в совершенно незначительных количествах. Лишь в XIX в. с развитием крупного машинного производства начался большой спрос на металлы, и как отрасль промышленного производства стала бурно развиваться металлургия.
Металлы - основа тяжелой индустрии
Металлы - основа тяжелой индустрии

В.И. Ленин называл металл фундаментом современной цивилизации. Человечество живет в веке металлов, когда развитие хозяйства, науки и культуры, наконец, сам быт человека немыслимы без машин, механизмов, приборов, без великого множества других изделий из металл аз.
Сначала были освоены золото, медь, олово, свинец, ртуть, а затем железо, так как железо труднее восстанавливать из руд, чем эти металлы. Титан и цирконий получили промышленное признание лишь в самые последние годы.
Алюминий — самый распространенный металл в природе: занимает 8,13% всей земной коры. Известно, что более распространены только кислород (46,59%) и кремний (27,72%). Если принять распространение алюминия в земной коре за 100, то распространение других металлов можно характеризовать следующими цифрами:
Металлы - основа тяжелой индустрии

Техническое значение металлов определяется не только распространением в земной коре, но и производственными возможностями их получения.
В современной технике исторически сложилась классификация металлов на две основные группы; черные и цветные.
К черным металлам относится железо во всем многообразии его сплавов — в виде разнообразных чугунов, сталей и ферросплавов. Условно к черным металлам принято относить и такие, которые в основном применяются в качестве добавки к железу (марганец, хром).
Все остальные металлы объединяются общим названием «цветные» или, как их именуют в иностранной литературе, «нежелезные».
Цветные металлы в зависимости от физико-химических свойств классифицируют на пять групп;
1. Легкие цветные металлы — алюминий, магний, титан.
2. Тяжелые цветные металлы — медь, свинец, никель, цинк, олово.
3. Малые цветные металлы: кобальт, кадмий, молибден, вольфрам, сурьма, ртуть, висмут.
4. Благородные цветные металлы — золото, серебро и металлы платиновой группы: платина, палладии и другие; эти металлы медленно или вовсе не окисляются на воздухе, так как имеют малое сродство с кислородом.
5. Редкие металлы. К этой группе относится около 60 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Большинство из них — типичные металлы, однако среди них есть и неметаллы, например селен, теллур. Редкие металлы обладают самыми разнообразными физическими и химическими свойствами. Ни расположением в периодической системе, ни общими свойствами, ни распространенностью в земной коре нельзя объяснить, по какому принципу эти металлы попали в группу редких.
Общим для редких металлов следует считать относительную новизну их применения в технике. Ранее относимые к редким металлам молибден, висмут, вольфрам в настоящее время с успехом могут быть отнесены к группе малых металлов, а титан — к группе легких металлов. Сейчас принята следующая несколько условная классификация группы редких металлов:
Металлы - основа тяжелой индустрии

В XX в., особенно за последние два десятилетия, бурно растет производство алюминия; этот металл широко внедряется во многие отрасли техники. В эти годы получение дешевой электроэнергии создало предпосылки для снижения стоимости алюминия.
До самых последних лет не признавали, что титан, цирконий и хром могут найти широкое практическое применение, так как получать их в чистом виде трудно. В последние годы эти и более пятидесяти других металлов стали необходимы современной промышленности.
В настоящее время железа выплавляется примерно 95% от веса всех выплавляемых металлов. Отношение производства железа к производству других распространенных металлов 20:1. Непрерывному росту производства стали в XX в. сопутствовало пропорциональное увеличение производства цветных металлов. Ниже дан рост выплавки цветных металлов по сравнению с производством стали в капиталистических странах, тыс. т:
Металлы - основа тяжелой индустрии

и производство основных цветных металлов на одну тонну стали, кг:
Металлы - основа тяжелой индустрии

Потребление на душу населения в основном отражает экономический уровень развития и средний уровень жизни любой страны.
Потребление на душу населения одних металлов (сталь, алюминий) все время растет, а других (медь, цинк) остается постоянным и даже несколько снижается (табл. 2).
Металлы - основа тяжелой индустрии

Относительный расход стали в промышленности постепенно сокращается. Постепенно облегчается вес машин, понижается расход металла на единицу мощности производимой продукции, более широкое применение получают легированные стали с повышенной прочностью. В промышленном и жилищном строительстве уменьшается расход металла на единицу строительных работ за счет внедрения железобетона и облегченной арматуры. В машиностроении и строительстве, а также в производстве предметов потребления, расширяется применение алюминия вместо стали.
Однако железо продолжает оставаться основным металлом современной индустрии. Его производство и потребление постоянно увеличиваются.
Мировое производство цветных металлов за последнее тридцатилетие развивалось быстро: если уровень производства различных металлов в 1929 г. (без России) принять за 100, то в 1957 г. он повысился для алюминия в 10 раз, меди — в 1,6, свинца — в 1,08 и для цинка — в 1,84 раза.
Рост производства цветных металлов и применения их в промышленности стал возможен благодаря флотационному обогащению и внедрению открытых способов добычи руд (стала рентабельной переработка руд таких месторождений, которые раньше вследствие низкого содержания металла не разрабатывались).
По сообщению «Бюро оф майнз рипорт», производство цветных металлов в США в стоимостном выражении составляет 18,3 млрд. долл. и по объему продукции занимает седьмое место среди других отраслей.
В настоящее время в мире производится 75 металлов, отмеченных в таблице периодической системы Д.И. Менделеева. Ниже приведен удельный вес выплавки основных первичных цветных металлов в капиталистических странах в суммарной выплавке:
Металлы - основа тяжелой индустрии

Особенно возросло за 50 лет годовое производство двух важных конструкционных металлов — алюминия и магния: алюминия — от нескольких тонн до 2800 тыс. т, магния — от нескольких тонн до 100 тыс. т. Только за период 1939—1956 гг. производство этих металлов увеличилось в пять раз.
Золото, серебро, медь, цинк, олово, свинец и в настоящее время имеют большое значение; кроме них за последние 50 лет марганец, хром, никель, кобальт, ванадий и молибден также приобрели огромное техническое значение, в первую очередь как легирующие компоненты.
В качестве легирующих добавок к сталям и другим хорошо известным металлам исключительно важную роль должны сыграть редкие металлы. В этой области для исследований имеется большое поле деятельности.
Комиссия Пэйли в докладе об обеспечении США сырьевыми материалами на 1950—1975 гг., оценивая перспективы развития производства металлов, подчеркивала, что спрос на железо, медь, свинец и цинк увеличится только на 40 или 50%; на бокситы для производства алюминия — в четыре раза; на магний в 18—24 раз.
Комиссия предполагала, что в остальных странах спрос на эти материалы будет расти быстрее, чем в США, в результате чего доля США в общем объеме сырьевых материалов капиталистических стран несколько снизится.
Значение цветных металлов в современном промышленном производстве исключительно велико. В стране все отрасли хозяйства прямо или косвенно связаны с потреблением металлов.
Цветные металлы применяются в самолетостроении, машиностроении, автостроении, электротехнике, приборостроении, радиотехнике и электронике, в инструментальной и химической промышленности, в строительстве и при изготовлении многих предметов бытового потребления. Успехи атомной и ракетной техники непосредственно связаны с применением цветных и особенно редких металлов.
Показатель использования цветных металлов определяет уровень развития производительных сил в стране. Быстрые темпы роста отраслей, потребляющих цветные металлы, развитие отраслей новой техники предопределяют высокие темпы роста производства цветных и редких металлов.
Применение цветных и редких металлов в больших масштабах объясняется особыми свойствами этих металлов, которыми не обладают другие материалы.
Высокая электропроводность и теплопроводность меди, алюминия, и серебра определили их особое место в развитии электротехники и энергетики. Титан, никель, свинец, молибден, медь и алюминий устойчивы против коррозии.
Цветные металлы потребляются в виде чистых металлов и в виде сплавов двух или нескольких цветных и редких металлов, как легирующие присадки при производстве качественных сталей, как покрытия черных металлов для защиты от коррозий, а также в виде порошков и различных химических соединений.
Способность цветных металлов образовывать многочисленные сплавы, обладающие обычно более высокими физическими и механическими свойствами, чем входящие в них компоненты, является одним из важнейших свойств.
Способность к пластической деформации цветных металлов и сплавов на их основе позволяет штамповкой, прокаткой и ковкой получать из них изделие самых различных форм и размеров, в том числе благодаря использованию фрезеровочных станков с ЧПУ от компании - "Нова-М".
Металлы - основа тяжелой индустрии

Антифрикционные сплавы цветных металлов имеют низкий коэффициент трения; сплавы антикоррозионные устойчивы против агрессивного действия газов и растворов; сплавы легких металлов характеризуются малым весом и высокой прочностью; есть сплавы, отличающиеся высокими механическими свойствами, стали, легированные цветными и редкими металлами, сплавы, имеющие высокую и сверхвысокую твердость, и легкоплавкие сплавы, обладающие особо высокой жаропрочностью — способные сохранять механические качества при повышенных температурах.
В современной технике широко используются следующие важнейшие сплавы из цветных металлов.
Латуни — сплавы меди с цинком (меди от 60 до 90% и цинка от 40 до 10%)—отличаются высокими технологическими свойствами. Эти сплавы хорошо отливаются, прокатываются, штампуются и легко обрабатываются; латунь прочнее меди и меньше подвержена окислению.
При присадке к латуни кремния и свинца повышаются ее антифрикционные качества, при присадке олова, алюминия, марганца и никеля повышается антикоррозионная стойкость; железо в сочетании с алюминием и марганцем придает латуни высокую прочность и твердость.
Изготовляемые из латуни листы, трубы и литые изделия широко используются в машиностроении, особенно в химическом машиностроении, автотракторостроении, военной технике, в оптике и приборостроении, при изготовлении гребных-винтов, лопастей, арматуры для морских судов, конденсаторных труб и сеток для целлюлозно-бумажной промышленности.
Бронзы. Раньше бронзами назывались сплавы меди (80—94%) и олова (20—6%). В настоящее время производятся так называемые безоловянные бронзы — алюминиевые, свинцовые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые, часто сложного состава, именуемые по главному вслед за медью компоненту.
Алюминиевые бронзы обычно содержат 5—11 % алюминия и специальные добавки железа, марганца, никеля. Эти бронзы обладают высокими механическими свойствами в сочетании с антикоррозионной стойкостью.
Свинцовые бронзы, обычно содержащие 25—33% свинца, часто с присадками олова, цинка и никеля, используются главным образом дли изготовления подшипников, работающих при высоких удельных давлениях и больших скоростях скольжения.
Кремниевые бронзы, обычно содержащие 4—5% кремния, применяются как наиболее дешевые заменители оловянных бронз. В качестве специальных добавок к кремниевым бронзам используют цинк, никель и марганец.
Бериллиевые бронзы, содержащие 1,8—2,3% бериллия, отличаются твердостью после закалки и высокой упругостью. Они применяются для изготовления пружин и пружинящих изделий.
Кадмиевые бронзы — сплавы меди с небольшим количеством кадмия (до 1%). К ним иногда добавляют олово и магний; при этом повышается прочность меди без существенного ухудшения электропроводности. Кадмиевые бронзы используют при производстве троллейных проводов и коллекторов машин постоянного тока. Высокая антикоррозионная стойкость этих бронз позволяет применять их для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий и в химическом машиностроении.
Силумин — сплав алюминия с кремнием, иногда более сложного состава. Этот сплав по своей прочности не уступает стали, но значительно легче ее и обладает исключительно высокими литейными качествами. Силумин широко применяется в машиностроении для отливки многих деталей, а в автомобильной промышленности — для отливки моторов, поршней, коробок скоростей и других деталей.
Дуралюмин — сплав сложного состава, содержащий, кроме алюминия, 3,5—5,5% Cu, 0,5—0,8% Mg, 0,6—0,8% Si и марганец, необходимый для уменьшения вредного влияния железа. Этот сплав получил широкое распространение для изготовления обработкой давлением алюминиевых полуфабрикатов, используемых для обшивки самолетов, автобусов, а также для других назначений.
Баббиты — белые антифрикционные сплавы на основе олова, свинца, цинка или алюминия. Они характеризуются высоким сопротивлением износу, способностью выдерживать требуемые механические нагрузки, низким коэффициентом трения и стойкостью против коррозии.
Сначала баббитами называли сплавы на основе олова, но впоследствии дорогое и дефицитное олово было заменено другими белыми металлами, название же вновь созданных сплавов сохранилось старым.
Баббиты используют для заливки подшипников и вкладышей турбин, компрессоров, двигателей тяжелого топлива, электродвигателей, тракторов, автомобилей, вагонов и паровозов.
Припои — сплавы цветных металлов, применяемые при пайке для получения монолитного паяного шва. Наиболее распространены мягкий припой — сплав олова, свинца и сурьмы — ПОС-40/38 (40% Sn, 1,5 — 2,0% Sb, остальное свинец) и твердый припой — медносеребряный сплав — ПСр-45 (44,5—45,5% Ag, 29—31% Cu, остальное цинк). Припои очень широко применяются, особенно в машиностроении, приборостроении и электротехнике.
Твердые сплавы — очень твердые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при нагреве до 900—1000°.
Твердые сплавы в основном изготовляются на основе карбидов вольфрама и титана при различном содержании кобальта. Широкое применение получили в промышленности вольфрамокобальтовые твердые сплавы, содержащие 85—97% карбида вольфрама и 3—15% кобальта, и титановольфрамокобальтовые, содержащие 34—85% карбида вольфрама, 6—60% карбида титана и 6—9% кобальта. Эти металлокерамические твердые сплавы изготовляются методом порошковой металлургии в виде пластинок и фасонных изделий и широко применяются для оснащения наплавкой бурового и режущего инструмента. Наплавочные зернистые твердые сплавы используют для повышения износостойкости трущихся поверхностей.
Использование сплавов из цветных металлов непрерывно расширяется.
В современной технике особенно большую роль играют редкие и редкоземельные металлы. Начало промышленного использования редких металлов относится к XlX в., однако широко, они стали применяться только в последние годы, когда новейшие технические открытия предъявили высокие требования к качеству конструкционных материалов, а этим требованиям не удовлетворяли имеющиеся в распоряжении промышленности металлы и сплавы.
Редкие металлы характеризуются большим сродством к кислороду, водороду, азоту, кремнию и углероду, что делает трудным восстановление соединений этих металлов до металла. Однако ценные свойства этих металлов проявляются наиболее полно только после получения их в чистом виде.
Редкие металлы содержатся в рудах; концентрация этих металлов весьма низкая. В связи с этим технология производства большинства редких металлов со множеством стадий и операций и аппаратура специфические и сложные.
Для производства редких металлов требуется широкая номенклатура высококачественных изделий и химических реактивов.
Высокими производственными затратами, малым размером производства и сложностью технологии объясняются высокие цены на редкие металлы, а следовательно, и трудность расширения их применения. После разработки способа получения редкого металла обычно проходит значительный период времени на то, чтобы определить технико-экономические показатели процесса и основные направления рационального потребления металла. В последующем из-за ограниченности богатых источников сырья спрос промышленности не всегда может быть удовлетворен полностью и в необходимые сроки.
Редкие металлы необходимы для атомной, электронной и ракетной. техники, радиотехники и электротехники, авиации, химической промышленности, металлургии и машиностроения.
Свойства некоторых редких металлов и редкоземельных элементов еще недостаточно изучены, поэтому можно ожидать нового эффективного их применения.
Промышленное применение редких металлов и редкоземельных элементов и многочисленных соединений и сплавов с ними открывает широкие перспективы для создания новых материалов, отличающихся разнообразием свойств.
В производстве редких металлов и редкоземельных элементов монополия в капиталистическом мире принадлежит США, которые используют богатые сырьевые источники, обнаруженные в недрах колониальных и зависимых стран. Большое значение развитию производства редких металлов придается в России и Китае.
За последнее десятилетие в связи с развитием некоторых новых отраслей науки и техники возникла потребность в металлах высокой степени чистоты. В наше время реально ожидать положительного решения всех задач получения в чистом виде всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева.
Практически чистые металлы обычно обладают свойствами, которых нет у технически чистых металлов. Поэтому получение металлов высокой степени чистоты способствует расширению общих познаний о металлах.
Алюминий высокой степени чистоты — «четыре девятки» и выше — обладает повышенной коррозионной стойкостью, что позволяет применять его в средах с широким диапазоном рН, особенно в кислых средах. Такой металл имеет более высокие показатели электропроводности и теплопроводности. Применение алюминия высокой чистоты улучшает качество электролитических конденсаторов, удлиняет срок их работы и уменьшает утечку тока. 99,99%-ный алюминий обладает также более высокой пластичностью, чем алюминий пониженной чистоты.
Молибден и хром, загрязненные даже незначительным количеством примесей (десятые и сотые доли процента), теряют пластичность и делаются хрупкими, что в течение долгого времени ограничивало использование этих металлов в качестве конструкционного материала, несмотря на их жаропрочные свойства.
Примеси, обычно содержащиеся в промышленном титане в сумме меньше 0,5%, оказывают весьма чувствительное влияние на его механические свойства. Примеси углерода, кислорода и азота быстро увеличивают прочность титана, уменьшая удлинение при разрыве, и тем ухудшают конструкционные свойства титана. Титан высокой чистоты обладает высокой пластичностью.
Кремний, германий и некоторые другие металлы получают свойства полупроводников только после того, как из них удалят все примеси (чистота металла 99,9999).
Удаляя кислород и некоторые другие примеси, получают так называемую бескислородную медь, обладающую высокой электропроводностью, высокими механическими свойствами, высокой пластичностью и способностью хорошо обрабатываться в холодном состоянии. Производство бескислородной меди, содержащей 99,995% и выше меди с незначительными примесями, но при полном отсутствии кислорода, открыло новые области применения этого металла. Еще большей чистотой отличается медь, полученная при плавке в глубоком вакууме.
Необычайно высокие требования к чистоте металлов предъявляются в связи с физическими исследованиями в области атомного ядра и развитием атомной техники. Техника будущего потребует несравненно большее количество материалов высокой чистоты с особыми свойствами, чем требовала техника прошлого и настоящего.