Металлургия и металлообработка — основа существования и развития человеческой цивилизации, поскольку именно начало добычи и применения металлов в повседневной жизни стало причиной эволюции общества от каменного века к более развитым формам. Особое место в металлургии занимает создание сплавов, доказательством чего является бронза, которая стала основой для возникновения понятия «бронзовый век». Сплав — смесь нескольких химических элементов, которые придают конечному продукту определённые свойства. Существует огромное количество разнообразных сплавов и способов их создания. Особое значение в этом списке занимает сплав цинка и меди, который также называется латунь.
Что такое сплавы?
Сплавы представляют собой материалы из смеси нескольких металлов и других элементов. Они могут содержать случайные примеси природных компонентов. Одним из первых известных сплавов была бронза. Изделия из неё человек создавал ещё в IV тысячелетии до нашей эры.
Сплавы изготавливают для улучшения качества металлов. Например, чтобы золотые украшения дольше служили, были прочнее или имели определенный оттенок, к ним добавляют небольшую долю никеля, платины, цинка или серебра.
Смешав несколько компонентов, можно изменить свойства металла, повысить температуру плавления и ковкость, придать прочности и твердости, увеличить износоустойчивость. Наиболее распространенными сплавами являются бронза, латунь (сплав меди с цинком), чугун, сталь, баббит, победит, дюралюминий.
Их используют в машиностроении, строительстве, промышленности, авиастроении и т.д. Из смеси никеля, магния и кобальта делают магниты. Олово со свинцом раньше использовали для изготовления столовых приборов, а чугун широко применялся для изготовления бытовых предметов, например, сковородок или утюгов.
Необходимые теоретические сведения.
Способы выражения состава смесей.
- Массовая доля компонента в смеси
— отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно. ω [«омега»] = mкомпонента / mсмеси - Мольная доля компонента в смеси
— отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества А, В и С, то:χ [«хи»] компонента А = nкомпонента А / (n(A) + n(B) + n(С))
- Мольное соотношение компонентов.
Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:nкомпонента А : nкомпонента В = 2 : 3
- Объёмная доля компонента в смеси(только для газов)
— отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.φ [«фи»] = Vкомпонента / Vсмеси
Электрохимический ряд напряжений металлов.
| Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pd Pt Au |
Реакции металлов с кислотами.
- С минеральными кислотами, к которым относятся все растворимые кислоты (кроме азотной и концентрированной серной
, взаимодействие которых с металлами происходит по-особому), реагируют
только металлы
, в электрохимическом ряду напряжений находящиеся
до (левее) водорода
. - При этом металлы, имеющие несколько степеней окисления (железо, хром, марганец, кобальт), проявляют минимальную из возможных степень окисления — обычно это +2.
- Взаимодействие металлов с азотной кислотой
приводит к образованию, вместо водорода, продуктов восстановления азота, а с
серной концентрированной кислотой
— к выделению продуктов восстановления серы. Так как реально образуется смесь продуктов восстановления, часто в задаче есть прямое указание на конкретное вещество.
Продукты восстановления азотной кислоты.
| Чем активнее металл и чем меньше концентрация кислоты, тем дальше восстанавливается азот | ||||
| NO2 | NO | N2O | N2 | NH4NO3 |
| Неактивные металлы (правее железа) + конц. кислота Неметаллы + конц. кислота | Неактивные металлы (правее железа) + разб. кислота | Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + конц. кислота | Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + кислота среднего разбавления | Активные металлы (щелочные, щелочноземельные, цинк) + очень разб. кислота |
| Пассивация: с холодной концентрированной азотной кислотой не реагируют: Al, Cr, Fe, Be, Co. | ||||
| Не реагируют с азотной кислотой ни при какой концентрации : Au, Pt, Pd. | ||||
Продукты восстановления серной кислоты.
| SO2 | S | H2S | H2 | |
| Неактивные металлы (правее железа) + конц. кислота Неметаллы + конц. кислота | Щелочноземельные металлы + конц. кислота | Щелочные металлы и цинк + концентрированная кислота. | Разбавленная серная кислота ведет себя как обычная минеральная кислота (например, соляная) | |
| Пассивация: с холодной концентрированной серной кислотой не реагируют: Al, Cr, Fe, Be, Co. | ||||
| Не реагируют с серной кислотой ни при какой концентрации : Au, Pt, Pd. | ||||
Реакции металлов с водой и со щелочами.
- В воде при комнатной температуре растворяются только
металлы, которым соответствуют растворимые основания (щелочи). Это щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs), а также металлы IIA группы: Са, Sr, Ba. При этом образуется щелочь и водород. При кипячении в воде также можно растворить магний. - В щелочи могут раствориться только амфотерные металлы: алюминий, цинк и олово. При этом образуются гидроксокомплексы и выделяется водород.
Сплав меди с цинком
Смесь меди и цинка называется латунью. Как и бронза, она появилась ещё до нашей эры. С тех пор технология ее изготовления несколько поменялась. Раньше, чтобы сделать латунь, смешивали медь с древесным углем и цинковой рудой. В XVIII веке англичанин Джеймс Эмерсон предложил смешивать сами металлы без использования руды.
Основу латуни представляет медь. Содержание цинка варьирует от 5 до 45 процентов. Из-за желтоватого цвета, напоминающего золото, в Древнем Риме латунь называли орихалком, что буквально означает «златомедь».
Сплав меди с цинком не всегда ограничивается только этими металлами. Он может содержать немного олова, свинца, железа, марганца, никеля и других компонентов. Если олова добавить больше, чем цинка, получится уже совершенно другой материал – оловянная бронза.
История появления и применения
Латунь известна с начала новой эры и впервые была получена в Римской империи, но также применялась в Индии и Китае. Позже в Европе был утерян способ выплавки цинка, потому долгое время металл завозился с Азии. Добыча цинка в Европе возобновилась с 16 века, а выплавка латуни — с 19 века. Благодаря археологическим раскопкам известно, что латунь широко использовалась для изготовления ювелирных изделий, поскольку она имеет характерный жёлтый цвет золота и носит название «поддельное золото». С развитием металлургии сплав расширил свою сферу применения, что было обеспечено регулированием характеристик металла разнообразным соотношением его компонентов.
Свойства латуни
В зависимости от количества цинка цвет и качества латуни варьируются. Чем его меньше, тем цвет материала более красный и насыщенный. Если сплав меди с цинком не содержит других элементов, он называется простой латунью, которая разделяется на два вида: томпак (цинка до 20 %) и желтая латунь (цинка от 20 %).
Материал латунь является очень пластичным и проявляет большую стойкость к коррозии, чем медь. Температура плавления составляет от 880 оС до 950 оС, с большими пропорциями цинка она уменьшается. Металл отлично поддается сварке, прокату и обработке давлением.
На влажном воздухе желтая латунь растрескивается. Исправить это можно при помощи отжига при температуре 250 оС. Многокомпонентная латунь лучше противостоит коррозии и является прочнее. Добавление в состав олова способствует стойкости к морской воде.
Содержание примесей в сплаве можно найти на маркировке изделия. Заглавные буквы указывают на название компонентов. Вначале идет букв «Л», затем остальные добавочные (легирующие) элементы. После них в соответствии с буквенным порядком указано процентное содержание веществ, причем первые две цифры говорят о количестве меди в сплаве. Так, маркировка ЛАЖ60-1-1 означает, что латунь состоит из 60 % меди, 1 % алюминия и 1 % железа, остальное количество приходится на цинк.
Производств цинка
Добыча металла
Цинк как самородный металл в природе не встречается. Добывается из полиметаллических руд, содержащих 1–4% металла в виде сульфида, а также меди, свинца, золота, серебра, висмута и кадмия. Руды обогащаются селективной флотацией и получаются цинковые концентраты (50–60% Zn).
Концентраты цинка обжигают в печах. Сульфид цинка переводится в оксид ZnO. При этом выделяется сернистый газ SO2, который используется в производстве серной кислоты.
Получение металла
Существуют два способа получения чистого цинка из оксида ZnO.
Самый древний метод — дистилляционный. Обожженный концентрированный состав подвергают термообработке, чтобы придать ему зернистость и газопроницаемость.
Затем концентрат восстанавливают коксом или углем при температуре 1200–1300 °C. В процессе образуются пары металла, которые конденсируют и разливают в изложницы. Жидкий металл отстаивают от железа и свинца при температуре 500 °C. Так достигается цинк чистотой 98,7%.
Иногда используется сложная и дорогая обработка цинка ректификацией — разделением смесей за счет обмена теплом между паром и жидкостью. Такая чистка позволяет получить металл чистотой 99,995% и извлечь кадмий.
Второй метод производства цинка — электролитический. Обожженный концентрат обрабатывается серной кислотой. Готовый сульфатный раствор очищается от примесей, после чего подвергается электролизу в свинцовых ваннах. Цинк дает осадок на алюминиевых катодах. Полученный металл удаляют с ванн и плавят в индукционных печах. После этого получается электролитный цинк чистотой 99,95%.
Литье металла
Горячий цинк — жидкий и текучий металл. Благодаря таким свойствам он легко заполняется в литейные формы.
Примеси влияют на величину натяжения поверхности цинка. Технологические свойства металла можно улучшить, добавив небольшое количество лития, магния, олова, кальция, свинца или висмута.
Чем выше температура перегрева цинка, тем лучше он заполняет формы. При литье металла в чугунные изложницы его объем уменьшается на 1,6%. Это затрудняет получение крупных и длинных цинковых отливок.
Где используют латунь?
Латунь обладает хорошей теплоемкостью. Неслучайно в Древней Руси из нее делали самовары. В Риме при Октавиане Августе из латуни чеканились монеты сестерции и дупондии. В Средневековье она использовалась для изготовления украшений, обрамления компасов, оформления предметов искусства.
И сейчас материал используют повсеместно. Из латуни делают бижутерию и мелкие предметы интерьера. Специальная техника искусственного состаривания придает изделиям из латуни особый шарм. Из нее отливают статуэтки, дверные ручки, рамы для зеркал.
Высокие технологические свойства латуни позволяют использовать материал для производства мелких строительных деталей, трубок, пластин, лент и проволок. Сплав со свинцом используют для автомобилей и часов, томпак применяют для плакирования стали и изготовления радиаторных труб. Из состава с содержанием алюминия 0,5 % изготавливают знаки отличия, так как он обладает золотистым оттенком.
Применение цинка
Для защиты металлов от коррозии
Чистый цинк используется для защиты металлов от коррозии. Основу покрывают тонкой пленкой. Этот процесс называется металлизацией.
В автомобильной отрасли
Сплавы на цинковой основе используют для оформления декора автомобильного салона, в производстве ручек дверей, замков, зеркал и корпусов стеклоочистителей.
В автомобильные покрышки добавляют окись цинка, которая повышает качество резины.
В батарейках, аккумуляторах и других химических источниках тока цинк используется как материал для отрицательного электрода. В производстве электромобилей применяются цинк-воздушные аккумуляторы, которые обладают высокой удельной энергоемкостью.
В производстве ювелирных украшений
Ювелиры добавляют цинк в сплавы на основе золота. В итоге они легко поддаются ковке и становятся пластичными — прочно соединяют мелкие детали изделия между собой.
Металл также осветляет ювелирные изделия, поэтому его часто используют в изготовлении белого золота.
