Свойства металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Химические и физические свойства металлов. Область применения

Характерные свойства металлов

· Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы йод и углерод в виде графита).

· Хорошая электропроводность.

· Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны).

· Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов).

· Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы).

· Большая теплопроводность.

· В реакциях чаще всего являются восстановителями.

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса

Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от ?39°C (ртуть) до 3410°C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53?5 г/см?) и тяжёлые (5?22,5 г/см?). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см?). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов - почти равны (около 22.6 г/см? - ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света - это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий - из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый - светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Химические свойства металлов

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

Реакции с простыми веществами

· С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

·

4Li + O₂ = 2Li₂O оксид лития

2Na + O₂ = Na₂O₂ пероксид натрия

K + O₂ = KO₂ надпероксид калия

Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:

Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O

Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

2Hg + O₂ = 2HgO

2Cu + O₂ = 2CuO

· С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

6Li + N₂ = 2Li₃N

При нагревании:

2Al + N₂ = 2AlN

3Ca + N₂ = Ca₃N₂

· С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:

Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:

Fe + S = FeS

· С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода ?1:

2Na + H₂ = 2NaH

Mg + H₂ = MgH₂

· С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды - метан.

2Na + 2C = Na₂C₂

Na₂C₂ + 2H₂O = 2NaOH + C₂H₂

2Na + H₂ = 2NaH

Применение металлов

Металлы и их сплавы - одни из главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.

Электротехнические материалы

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т.п.).

Инструментальные материалы

Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

2. Способы разливки стали. Схема установки непрерывной разливки стали: ее достоинства и недостатки

Способы разливки стали - в настоящее время разливку стали ведут преимущественно в изложницы или на установках непрерывной разливки (МНЛЗ). Способ разливки стали в изложницы делят на: разливку стали сверху или сифонную разливку стали. При разливке сверху металл поступает в изложницу 1 непосредственно из сталеразливочного ковша 2 (рисунок 1, а) или через промежуточное устройство 3. В случае сифонной разливки (рис. 2) жидкая сталь из сталеразливочного ковша 1 попадает в центровую 2 и затем по сифонной проводке 3 снизу поступает в изложницы 4, установленные на поддоне 5.

Исторически сложилось так, что разливка сверху явилась первым способом отливки стальных слитков. В дальнейшем с повышением требований к качеству поверхности слитков, улучшением технологии изготовления огнеупорных изделий и увеличением емкости сталеплавильных агрегатов сифонный способ разливки стали получил широкое распространение на заводах, где не были установлены мощные обжимные станы и поэтому отливали мелкие слитки.

Как показали результаты неоднократно проведенных сравнительных исследований, качественные показатели металла (механические свойства, макроструктура, содержание неметаллических включений и т.д.), а также величина брака из-за дефектов металла в прокатных цехах и на машиностроительных заводах практически не зависят от способа разливки.

В то же время сифонная разливка стали имеет следующие преимущества перед разливкой сверху.

Преимущества сифонной разливки стали:

· Возможность одновременной (на одном поддоне) отливки четырех - шести слитков массой 3-7 т и до шестидесяти более мелких слитков, что позволяет плавки большой массы разливать с меньшей общей продолжительностью.

· Удобство наблюдения за поверхностью поднимающегося в изложнице уровня металла и возможность регулирования скорости разливки стали в относительно большом интервале в зависимости от температуры и состава металла.

· Лучшая поверхность слитков и уменьшение в 2,5-4 раза затрат труда на зачистку слитков и прокатанных заготовок.

Недостатки сифонной разливки стали:

· Уменьшение из-за потерь с литниками выхода годного металла 4 на 0,9-1,3% в зависимости от массы слитка.

· Увеличенный расход огнеупорных изделий на центровые и сифонные проводки, обслуживание и содержание дополнительного оборудования и повышенные затраты труда на подготовку поддонов. сборку центровых.

Хотя поверхность слитков при сифонном способе разливки стали заметно чище и поэтому требует значительно меньшего времени на зачистку металла, все же при применении этого способа разливки суммарные часовые затраты труда на 1 тонну стали, расходуемые на подготовку изложниц и зачистку металла, оказываются в 1,5-5 раза выше, чем при разливке сверху.

В целом, оценивая различные способы разливки стали следует признать, что разливка стали сверху в условиях современных сталеплавильных цехов большой производительности, где стали разливают в крупные слитки, имеет несомненные преимущества, и этот способ чаще всего предусматривается в проектах вновь строящихся заводов.

На заводах качественной металлургии и заводах, где металл разливают в слитки мелкого и среднего развеса, следует признать целесообразным сохранение сифонного способа. Что касается разливки высоколегированных сталей и сплавов, требующих обязательной обдирки слитков перед последующим переделом, то ее осуществляют сверху, поскольку это позволяет устранить потери металла в виде литников.

3. Классификация легированных сталей. Маркировка по стандарту. Область применения легированных сталей

Существует несколько методов классификации легированных сталей: по содержанию легирующих элементов, по числу компонентов (элементов, определяющих ее свойства), по микроструктуре и по назначению.

В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на три группы: низколегированные - содержащие менее 2,5% легирующих добавок; среднелегированные - fr 2,5 до 10%; высоколегированные - более 10%. I. Компонентами углеродистой стали являются железо и углерод. В легированной стали, кроме железа и углерода, компонентами являются легирующие примеси. Следовательно, углеродистые стали - двухкомпонентные. Стали, содержащие один легирующий элемент, - трехкомпонентные. Стали, содержащие пять компонентов и более, называют многокомпонентными.

Классификация легированных сталей по микроструктуре несколько условна. Характерные для какого-либо класса структуры получаются в результате различных режимов термической обработки. Стали ферритного, перлитного и мартенситного классов названы по микроструктурам, получаемым при охлаждении на воздухе (нормализации). Стали аустенитного класса получают характерную структуру аустенита после нагрева до температур около 1000-1200°С и резкого охлаждения - аустенитизации. И, наконец, стали ледебуритного класса получают характерную микроструктуру с участками ледебурита в результате очень медленного охлаждения литых деталей (отжига).

Стали ферритного класса содержат мало углерода, свыше 13% хрома или более 2,5% кремния; применяются как нержавеющие или электротехнические стали.

Стали перлитного класса наиболее распространены. Структура сталей этого класса после нормализации или отжига состоит из феррита и перлита или перлита и карбидов. Такие стали содержат мало легирующих примесей. Все они относятся к низко- и среднелегированным сталям. Обладают хорошей обрабатываемостью режущим инструментом. Многие стали перлитного класса, содержащие 0,15-0,20% С, хорошо свариваются. Легированные стали перлитного класса в настоящее время широко применяют для изготовления барабанов, пароперегревателей, паропроводов паровых котлов, роторов турбин, крепежных деталей фланцевых соединений, деталей арматуры на высокие параметры пара и т.д.

Стали мартенситного класса закаливаются на мартенсит при охлаждении на воздухе. Они относятся в основном к среднелегированным сталям. Их применяют для изготовления труб нефтеаппаратуры, режущих медицинских инструментов.

Стали аустенитного класса после закалки имеют аустенитную структуру. Некоторые из них сохраняют аустенитную структуру после нормализации. Они содержат много никеля или марганца. В теплотехнике их применяют для изготовления пароперегревателей, паропроводов, арматуры на сверхвысокие и сверхкритические параметры пара. В электротехнике аустенитные стали находят применение как немагнитные, в химическом машиностроении - как нержавеющие стали.

Стали ледебуритного класса в литом состоянии содержат эвтектику - ледебурит. Все они - высоколегированные с большим содержанием углерода. После ковки или прокатки сетка карбидов ледебурита дробится и превращается в отдельные мелкие карбидные зерна. Эти стали применяют для изготовления режущего инструмента, облицовки лопастей гидротурбин, работающих в условиях интенсивного абразивного износа твердыми взвешенными в воде частицами, и в других случаях, когда требуются высокая твердость и износостойкость.

По назначению легированные стали разделяются на три основные группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Каждая из этих групп может быть разделен на более мелкие подгруппы. Подробная классификация легированных сталей по назначению приведена на рис. 90.

В Советском Союзе для маркировки легированных сталей принята буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначается прописной буквой:

металл твердость реакция сталь

Размещено на Allbest.ru