Фактор 1 Металлы и сплавы для изготовления металлохозяйственных товаров

Металлы, из которых изготовляют металлохозяйственные товары, подразделяют на черные и цветные. Основными черными металлами являются железо и сплавы на его основе, называемые чугунами и сталями. К цветным относят сплавы алюминия и ме­ди, а также цинк, олово, никель, хром и серебро.

Чугун — сплав железа с углеродом (от 2,14 до 6,7 %) и постоянными примесями: кремнием, марганцем, серой, фосфором и др. Чугуны подразделяются на белые (передельные) и серые (литейные).

В передельных чугунах углерод находится в связанном с железом состоянии в виде химического соединения Fe₃C, которое придает излому чугуна белый цвет и значительно повышает его твердость и хрупкость, что исключает возмож­ность обработки такого чугуна резанием. Белый чугун в основном используют для производства стали.

У литейных чугунов углерод полностью или частич­но находится в свободном состоянии в виде графита, который придает их излому серый цвет. Графит разобщает металлическую основу таких чугунов, снижает их твердость и хрупкость, при­дает жидкотекучесть и способность хорошо заполнять литейные формы, позволяет обрабатывать изделия и детали из серых чу­гунов резанием. В производстве металлохозяйственных товаров серые (литейные) чугуны используют для отливки посуды, кор­пусов мясорубок и швейных машин, деталей замков и инстру­ментов, рам для пианино и др.

Стали получают путем переработки передельного (белого) чугуна. В отличие от чугунов в сталях меньше углерода (до 2,14 %), кремния, марганца и вредных примесей. Следовательно, процесс передела чугуна на сталь сводится к удалению избытка углерода и части постоянных примесей. В зависимости от химического состава полученные стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали содержат не более 1,35 % углерода, 0,5 % кремния, до 1 % марганца и в небольших количествах серу, фосфор и кислород. В зависимости от назначения их под­разделяют на конструкционные и инструментальные.

В конструкционных сталях углерода не более 0,7 %. Они обладают достаточной прочностью вязки, легко об­рабатываются. Однако вредные примеси (сера, фосфор, кисло­род) снижают технологические свойства сталей, придавая им красноломкость (сера, кислород) и хладноломкость (фосфор). Поэтому стандарты ограничивают содержание вредных примесей до 0,07 %. Кислород, как наиболее вредную скрытую примесь, удаляют из расплава с помощью раскислителей (ферромарган­ца, ферросилиция, алюминия), которые вводят в расплав не­посредственно перед выпуском сталей в изложницы. Во время застывания раскисленных сталей из них выделяется окись угле­рода и сталь «кипит».

Кипящие стали обладают низкой прочностью, но отличаются высокой пластичностью, их широко используют при изготовлении металлохозяйственных изделий.

Спокойная сталь имеет высокую механическую прочность, но наиболее дорогая, потому что выход годного металла после ее кристаллизации меньший по сравнению с кипящей сталью из-за образования усадочных раковин в верхней части слитка, которые удаляют как отходы.

Полуспокойная сталь по качеству и свойствам является промежуточной между спокойной и кипящей сталями. Спокойную и полуспокойную сталь широко используют в основном в машиностроении.

Инструментальная сталь содержит от 0,6 до 1,35 % углерода, отличается высокой твердостью и прочностью, износостойкостью и достаточной вязкостью, содержит меньше вредных примесей. Применяется для изготовления инструментов (напильников, сверла, отвертки).

Основным недостатком всех видов углеродистых сталей яв­ляется малая коррозионная стойкость.

Легированные стали имеют повышенную коррозионную стой­кость благодаря добавлению к ним в процессе производства легирующих элементов — хрома, никеля, вольфрама и других металлов. Для изготовления металлохозяйственных изделий в основном используют нержавеющие стали хромистые (содержащие 13 % и более хрома) и хромоникелевые (17 % хрома и 8% никеля), отличающиеся высокой коррозионной стойкостью.

Цветные металлы и их сплавы

Цветные металлы и их сплавы широко применяют в ювелир­ном производстве.

Цветные металлы.К цветным металлам относят медь, цинк, никель, олово, свинец, кадмий, хром и алюминий.

В дореволюционной России из цветных металлов добывали только медь, свинец и цинк, причем в сравнительно небольших количествах. Широкое развитие производство цветных металлов получило после Октябрьской революции в результате строительства новых рудников, обогатительных фабрик и заводов.

В производстве цветные металлы применяют в виде сплавов, напоминающих по внешнему виду драгоценные металлы. Основ­ными компонентами сплавов являются медь, цинк и никель. В сплавы входят также другие металлы: олово, алюминий, хром и кадмий.

Медь — мягкий, тягучий и ковкий металл красноватого цвета, который легко плющится в тонкие листы и вытягивается в прово­локу. Плотность — 8,93 г/см³, твердость по шкале Мооса — 3, тем­пература плавления — 1083°С. Во влажном воздухе в присутствии углекислоты медь быстро окисляется, легко растворяется в азотной кислоте, а в разбавленных соляной и серной кислотах — только в присутствии окислителей (например, кислорода). Добывают медь главным образом из руд, но она встречается и в самородках. Про­мышленное значение имеют руды, содержащие сернистые соеди­нения меди (медный колчедан, медный блеск), а также окисные руды (малахит, куприт). Для получения чистой меди руду обогаща­ют и из концентрата выплавляют медь и очищают ее электролити­ческим путем.

Медь применяют как лигатурный металл в сплавах с золотом, серебром, никелем, цинком и алюминием.

Цинк — легкоплавкий, хрупкий металл синевато-белого цвета. Плотность цинка — 7,14 г/см³, температура плавления — 419,4°С. Во влажном воздухе цинк окисляется, покрываясь защитным сло­ем окиси. В кислотах и щелочах он растворяется с выделением во­дорода. Цинк используют в качестве лигатурного металла во многих сплавах, в том числе в серебряных и в сплавах с медью. Добавления его в сплавы делает их более светлыми и снижает температуру плавления. Цинк применяют также для изготовления золотых и серебряных припоев.

Никель — твердый, тугоплавкий, не изменяющийся на воздухе металл серебристо-белого цвета, с сильным блеском. Плотность никеля — 8,9 г/см³, твердость по шкале Мооса — 5, температура плавления — 1445°С. В сплавах с медью никель образует белые сплавы. Широко используют никель для покрытия изделий из дру­гих металлов в целях защиты их от коррозии.

Олово — легкоплавкий, ковкий металл серебристо-белого цве­ти, плотность олова — 7,2 г/см³, температура плавления —231,9°С. Олово растворяется в кислотах и щелочах с выделением водорода. Во влажном воздухе оно почти не изменяется. В чистом виде олово широко применяют для пайки, покрытия других металлов и из­делий из них в целях защиты от коррозии, а также используют в различных сплавах, которым оно придает белый цвет, снижает тем­пературу их плавления и повышает антикоррозийные свойства. Олово входит в состав мягких припоев и бронзы.

Алюминий — легкий, пластичный, мягкий металл серебристо-белого цвета, который хорошо прокатывается, штампуется и куется. Основным сырьем для получения алюминия являются бокси­ты - осадочная горная порода, состоящая из гидратов глинозема и окислов железа. Плотность алюминия — 2,7 г/см³, температура плавления — 659,8°С. Алюминий хорошо сохраняется на воздухе, покрываясь тонкой плотной пленкой окисла, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Он растворяется в соляной и серной кислотах, едких щелочах и в подогретых растворах соды. Кон­центрированная азотная кислота практически не действует на алю­миний, а разведенная растворяет его. Сильно разрушают алюминий безводные органические кислоты, но с небольшим количеством воды они на него не действуют.

Алюминий широко применяют в производстве различных укра­шений (броши, браслеты, цепочки и др.) и предметов быта. Изго­товленные из алюминия в сплаве с другими металлами изделия подвергают химическому окрашиванию — анодированию, а элек­тролитическое полирование придает им яркий блеск.

Хром — наиболее твердый цветной металл серебристого цвета. Плотность хрома — 6,9-7,1 г/см³, температура плавления — 1800°С. Хром имеет хорошую сопротивляемость механическому износу, стоек против действия азотной кислоты, щелочей, боль­шинства газов и органических кислот. Он является одним из важ­нейших легирующих металлов, применяется преимущественно в сплавах для получения высококачественной стали, обычно совме­стно с никелем, марганцем, кобальтом, молибденом и др. Исполь­зуют его также для покрытия тонким слоем (хромирование) метал­лических ювелирных изделий в целях повышения износостойкости, сопротивления коррозии, получения стойкой отражательной поверхности, придания красивого внешнего вида (декоративности).

Кадмий— мягкий, тягучий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Плотность кадмия — 8,6 г/см³, температура плавления — 32 ^оС. Кадмий растворяется в кислотах с выделением водорода. Применяется для изготовления золотых и серебряных сплавов и припоев, используется для покрытия поверхности металлических изделий в целях предохранения их от коррозии, а также для при­готовления легкоплавких сплавов.

Сплавы цветных металлов.Для изготовления недорогих личных украшений, предметов сервировки стола и других изделий исполь­зуют сплавы цветных металлов, по внешнему виду напоминающие золото и серебро. Основой многих сплавов является медь, которую сплавляют с цинком, никелем, свинцом, оловом и другими метал­лами. Наиболее распространены медно-цинковые сплавы.

Латунь — сплав меди с цинком, содержащий 40-50% цинка, с добавкой иногда небольшого количества других металлов. Плот­ность латуни — 8,2-8,8 г/см³. При относительной дешевизне ла­тунь отличается хорошими механическими и физико-химически­ми свойствами, легко обрабатывается давлением, устойчива против действия атмосферных условий и коррозии, имеет красивый жел­тый цвет, сходный с цветом золота. Латунь широко применяют для изготовления многих видов ювелирной галантереи, предметов ту­алета и др.

Томпак— сплав меди с цинком, содержащий 10-12% цинка. Томпак используют для изготовления ювелирной галантереи, сто­пок, подстаканников и других бытовых предметов.

Мельхиор — сплав, содержащий 80% меди и 20% никеля, сереб­ристого цвета. Он легко обрабатывается, обладает большой тягу­честью, высокопластичен, хорошо штампуется в холодном состо­янии, устойчив против коррозии. Плотность мельхиора — 8,9 г/см³. Применяют мельхиор главным образом для изготовления столовых и чайных приборов, посуды, портсигаров и других предметов оби-иода, а также для оправ при армировании хрустальных изделий (сахарниц, ваз для цветов и др.). Обычно изделия из мельхиора по­крывают слоем серебра (до 24 мкм), который придает им устойчивость против коррозии и красивый внешний вид. Эти из­делия после серебрения очень сходны с изделиями из серебра.

Нейзильбер — сплав серебристого цвета, содержащий 65% меди, 15% никеля и 20% цинка. Он отличается высокой стойкостью против коррозии и хорошими механическими свойствами. Плотность нейзильбера — 8,45 г/см³, температура плавления — 1050°С. При­меняется для изготовления столовой посуды, приборов и других изделий. Изделия из нейзильбера, как и изделия из мельхиора, покрывают тонким слоем серебра, а некоторые в качестве защит­но-декоративной отделки покрывают никелем, который придает нм блеск. В зависимости от содержания никеля медно-никелевые сплавы могут быть от серого и бело-голубого до серебристо-белого цвета и внешне напоминают серебро.

Бронза оловянистая — это сплав меди с оловом (до 10%) и небольшими добавками цинка, свинца и других металлов. Обычно ее применяют для отливки сувенирных медалей, художественных изделий — малых скульптурных форм. Бывают бронзы алюминиевые, свинцовые, кремниевые, кадмиевые и другие в зависимости от наличия главного (не считая меди) компонента в сплаве.