Metale nieżelazne: Niezbędny przewodnik po Al, Cu, Zn i nie tylko

Metale nieżelazne odnoszą się do wszystkich metali innych niż żelazo i stopy na bazie żelaza. Posiadają one wiele doskonałych właściwości i odgrywają niezwykle ważną rolę w przemyśle, zwłaszcza w obszarach zaawansowanych technologii.

I. Aluminium i stopy aluminium

1. Aluminium (Al)

Czyste aluminium można podzielić na aluminium o wysokiej czystości, przemysłowe aluminium o wysokiej czystości i przemysłowe czyste aluminium w oparciu o zawartość aluminium. Aluminium o wysokiej czystości ma ułamek masowy aluminium od 99,3% do 99,996% i jest stosowane głównie w eksperymentach naukowych, przemyśle chemicznym i innych dziedzinach.

Przemysłowe aluminium o wysokiej czystości ma frakcję masową aluminium od 99,85% do 99,9% i jest używane głównie do przygotowywania stopów na bazie aluminium. Czyste aluminium może być wykorzystywane do produkcji przewodów elektrycznych, skrzynek aluminiowych, obudów ekranujących, pojemników na chemikalia itp.

(1) Złoża rudy i wytapianie

Czyste metaliczne aluminium nie występuje w przyrodzie; aluminium występuje w postaci związków i jest metalem o największych rezerwach (około 8% skorupy ziemskiej). Boksyt to minerał o najwyższej zawartości aluminium; korund to krystaliczny tlenek glinu; klejnoty (rubin, szafir, żółty szafir, fioletowy szafir) to czysty, przezroczysty tlenek glinu.

(2) Główne właściwości

• Właściwości fizyczne. Temperatura topnienia 658°C, gęstość 2,7 kg/cm. ³ a przewodność elektryczna ustępuje tylko srebru i miedzi.
• Właściwości chemiczne. Odporny na korozję, z grubą warstwą tlenku.
• Właściwości mechaniczne. Wytrzymałość na rozciąganie dla odlewanego aluminium wynosi 90-120 MPa, dla walcowanego aluminium wynosi 150-230 MPa. Wydłużenie wynosi od 20% do 35%.
• Właściwości technologiczne. Aluminium może być kute, walcowane, ciągnione, obrabiane, odlewane, spawane i nitowane.

2. Stopy aluminium

Stopy aluminium zawierają głównie miedź, krzem, magnez, mangan i cynk jako pierwiastki stopowe.

(1) Odlewane stopy aluminium

Charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami odlewniczymi, zachowują stabilność pod wpływem warunków klimatycznych i wody morskiej oraz mogą być obrabiane i spawane.

(2) Kute stopy aluminium

Mają one dobre właściwości mechaniczne i nadają się do obróbki odkształceniowej. Półprodukty dostępne na rynku obejmują płyty aluminiowe, taśmy, rury, pręty, wytłaczane części aluminiowe i odkuwki matrycowe.

Stopy aluminium są wykorzystywane w przemyśle budowlanym do produkcji drzwi, okien i elementów konstrukcyjnych; w przemyśle spożywczym zbiorniki magazynowe, puszki, pojemniki na napoje i większość codziennych garnków i patelni są wykonane z aluminium.

3. Oznaczenia stopni

1) Metoda oznaczania gatunków odlewanego aluminium i stopów aluminium jest następująca.

Odlewane stopy aluminium obejmują ZL102, ZL105, ZL201, ZL401 itp.

2) Gatunki kutego aluminium i stopów aluminium są reprezentowane przez czterocyfrowe kody, gdzie pierwsza, trzecia i czwarta cyfra to liczby, a druga to litera. Pierwsza cyfra wskazuje grupę aluminium i stopu aluminium,

jak pokazano w poniższej tabeli. Druga litera wskazuje status modyfikacji oryginalnego czystego aluminium lub stopu aluminium, a dwie ostatnie cyfry służą do identyfikacji różnych stopów aluminium w tej samej grupie lub wskazują czystość aluminium.

Grupy aluminium i stopów aluminium:

3) Porównanie nowych i starych oznaczeń klas dla kutego aluminium i stopów aluminium przedstawiono w poniższej tabeli.

Porównanie nowych i starych oznaczeń gatunków kutego aluminium i stopów aluminium:

4) Porównanie nowych i starych oznaczeń klasy dla przemysłowego czystego aluminium przedstawiono w poniższej tabeli.

Porównanie nowych i starych oznaczeń klasy dla przemysłowego czystego aluminium:

4. Właściwości przetwarzania

Stopy aluminium mogą być poddawane obróbce skrawaniem lub obróbce bez skrawania. Prędkości cięcia może osiągnąć do 400 m/min, oszczędzając czas obróbki. Do obróbki wykorzystywane są narzędzia ze stali szybkotnącej i węglików spiekanych.

Płyny do cięcia a stosowane smary obejmują olej, terpentynę, alkohol i wodę z mydłem. Przetwarzanie deformacji na gorąco musi być zgodne ze ścisłymi specyfikacjami temperaturowymi. Aluminium ma wysoką przewodność cieplną i współczynnik rozszerzalności cieplnej, a spawanie nie stwarza żadnych szczególnych trudności. Anodowanie, trawienie kwasem i powlekanie mogą poprawić odporność na korozję.

II. Miedź i stopy miedzi

1. Miedź (Cu)

Oprócz aluminium, miedź jest najważniejszym metalem nieżelaznym. Czysta miedź przemysłowa ma kolor różowo-czerwony, który zmienia się w fioletowo-czerwony, gdy na powierzchni tworzy się warstwa tlenku. Miedź jest niezbędnym metalem w elektrotechnice i produkcji mechanicznej.

(1) Złoża rudy i wytapianie

Miedź występuje głównie w postaci rudy, a głównymi rudami miedzi są chalkokit (Cu ₂ S) i chalkopiryt (CuFeS ₂ ). Siarka jest usuwana w piecach prażalniczych, a czystą miedź uzyskuje się poprzez rafinację piecową lub elektrolizę.

(2) Główne właściwości

1) Właściwości fizyczne.

Temperatura topnienia wynosi 1084°C, gęstość 8,9 kg/cm. ³ Przewodność cieplna jest 8 razy wyższa niż stali, a przewodność elektryczna jest 7 razy wyższa niż stali.

2) Właściwości chemiczne.

Ze względu na grubą warstwę tlenku ma wysoką odporność na korozję powietrzną i wodną. Reaguje z dwutlenkiem węgla w powietrzu, tworząc węglan miedzi (zielona patyna).

3) Właściwości mechaniczne.

Wytrzymałość na rozciąganie ≤250 MPa, średnie wydłużenie drutu miedzianego wynosi od 30% do 50%, twardość wynosi tylko około 25% stali.

4) Właściwości technologiczne.

Miedź może być kuta, walcowana, przędzona, ciągniona, obrabiana, odlewana, spawana itp.

2. Stopy miedzi

Stopy miedzi obejmują stopy binarne i stopy wieloelementowe, z pierwiastkami stopowymi, takimi jak cynk, cyna, nikiel, aluminium i żelazo.

(1) Mosiądz (stop miedzi i cynku)

Charakteryzuje się dobrymi właściwościami odlewniczymi, skrawalnością, odpornością na korozję i formowalnością na zimno. Wytrzymałość wzrasta wraz z zawartością cynku. Mosiądz z dodatkiem innych pierwiastków stopowych nazywany jest mosiądzem specjalnym. Powszechnie stosowane pierwiastki stopowe obejmują aluminium, żelazo, krzem, mangan, ołów, cynę, nikiel itp.

(2) Brąz

Ma szaro-zielony kolor, stąd nazwa brąz. Aby poprawić właściwości technologiczne i mechaniczne stopu, większość brązów zawiera również inne pierwiastki stopowe, takie jak ołów, cynk, fosfor itp.

Ponieważ cyna jest pierwiastkiem deficytowym, przemysł wykorzystuje również wiele brązów bezcynowych. Do głównych brązów bezcynowych należą brąz aluminiowy, brąz berylowy, brąz manganowy, brąz krzemowy itp.

Brąz cynowy ma dobre właściwości mechaniczne, odporność na korozję, redukcję tarcia i właściwości odlewnicze; brąz cynowy ma lepszą odporność na korozję niż mosiądz w atmosferze, wodzie morskiej, słodkiej wodzie i parze.

Brąz aluminiowy ma lepsze właściwości mechaniczne, odporność na zużycie, odporność na korozję, odporność na zimno, odporność na ciepło niż brąz cynowy, jest niemagnetyczny, ma dobrą płynność, nie ma tendencji do segregacji i może wytwarzać gęste odlewy. Dodanie żelaza, niklu i manganu do brązu aluminiowego może dodatkowo poprawić różne właściwości stopu.

(3) Cupronickel

Stopy na bazie miedzi z niklem jako głównym pierwiastkiem dodatkowym wydają się srebrno-białe, stąd nazywane są miedzioniklem. Dwuskładnikowe stopy miedzi i niklu nazywane są zwykłymi stopami miedzioniklowymi, natomiast stopy miedzi i niklu z manganem, żelazem, cynkiem i aluminium nazywane są złożonymi stopami miedzioniklowymi. Dodanie niklu do czystej miedzi znacznie poprawia wytrzymałość, odporność na korozję, opór elektryczny i właściwości termoelektryczne.

Przemysłowy cupronickel jest podzielony na strukturalny cupronickel i elektryczny cupronickel w oparciu o charakterystykę wydajności i zastosowania, spełniając różne wymagania dotyczące odporności na korozję oraz specjalnych właściwości elektrycznych i termicznych.

3. Oznaczenia stopni

(1) Metoda oznaczania klasy czystej miedzi

Metoda oznaczania klasy czystej miedzi:

(2) Stopy miedzi

1) Mosiądz.

Zwykły mosiądz: Oznaczenie wykorzystuje "procentową zawartość H + miedzi", gdzie "H" oznacza zwykły mosiądz.

Zwykły mosiądz:

Mosiądz specjalny: Oznaczenie wykorzystuje "H + symbol głównego dodatku + procentowa zawartość miedzi + procentowa zawartość głównego dodatku".

Odlewnicze stopy miedzi: Oznaczenie to "ZCu + symbol głównego pierwiastka dodatkowego + zawartość procentowa głównego pierwiastka dodatkowego + inne symbole pierwiastków i zawartość procentowa", gdzie "Z" oznacza odlew, taki jak ZCuSn10Zn2, ZCuPb10, ZCuZn40Mn2, ZCuZn33Pb2 itp.

Specjalny mosiądz:

2) Brąz.

Oznaczenie wykorzystuje "Q + symbol głównego elementu dodatkowego i zawartość procentowa + symbole innych elementów i zawartość procentowa".

Brązowy:

3) Cupronickel.

Oznaczenie Cupronickel wykorzystuje "B + procentową zawartość niklu", taką jak B5, gdzie ułamek masowy niklu wynosi około 5%.

Specjalne oznaczenie miedzioniklu wykorzystuje "B + symbol głównego pierwiastka dodatkowego + procentową zawartość niklu", takie jak BFe11-1-1 dla miedzioniklu żelaza z ułamkiem masowym niklu około 11%; BMn40-1.5 dla miedzioniklu manganu z ułamkiem masowym niklu około 40%; BAl13-3 dla miedzioniklu aluminium z ułamkiem masowym niklu około 13%.

4. Właściwości przetwarzania

Po odkształceniu na zimno wytrzymałość i twardość znacznie wzrastają, podczas gdy wydłużenie odpowiednio spada; po wyżarzaniu zmiękczającym wydłużenie wzrasta, podczas gdy wytrzymałość i twardość spadają.

III. Cynk i stopy cynku

1. Cynk (Zn)

Gdy cynk jest stopiony z miedzią, może tworzyć stopy podobne do złota. Cynk ma

(1) Złoża rudy i wytapianie

Złoża cynku obejmują sfaleryt (ZnS), smithsonit (ZnCO₃) i hemimorfit [Zn₄Si₂O₇(OH)₂-H₂O]. Cynk dostępny na rynku zawiera 99,5% cynku na masę, a cynk o wysokiej czystości (99,997% na masę) można uzyskać poprzez destylację i elektrolizę.

(2) Główne właściwości

1) Właściwości fizyczne.

Temperatura topnienia wynosi 419,5°C, temperatura wrzenia 911°C, gęstość 7,14 kg/cm³, a twardość 2,5 w skali Mohsa.

2) Właściwości chemiczne.

Ma dobrą odporność na korozję i tworzy grubą warstwę tlenku cynku (ZnO) w połączeniu z tlenem.

3) Właściwości mechaniczne.

Wytrzymałość ziarna ≤140 MPa. Cynk jest bardzo kruchy, łatwo obrabialny w temperaturze 120°C i staje się ponownie kruchy, gdy temperatura wzrasta do 205°C. Podczas galwanizacji cynk dobrze wiąże się z metalem nieszlachetnym.

4) Właściwości przetwarzania.

Używany jako materiał do ochrony powierzchni (cynkowanie ogniowe, natryskowe lub galwaniczne), cynk może być stosowany jako doskonały pierwiastek stopowy. Podczas obróbki cynku zaleca się stosowanie pilnika jednoostrzowego. Cynk ma dobre właściwości kucia. Komercyjne produkty cynkowe obejmują wlewki cynkowe, pręty, blachy cynkowe i materiały druciane.

2. Stopy cynku

Stopy cynku to stopy składające się z cynku jako bazy z dodatkiem innych pierwiastków. Typowe pierwiastki stopowe obejmują aluminium, miedź, magnez, kadm, ołów i tytan.

(1) Odlewane stopy cynku

Formowane przez odlewanie, mają dobre właściwości odlewnicze i zachowują dokładność geometryczną. Nadają się do odlewania ciśnieniowego instrumentów, części samochodowych i obudów.

(2) Kute stopy cynku

Stopy cynku używane do produkcji różnych kształtów materiałów cynkowych. Często zawierają niewielkie ilości kadmu, ołowiu, żelaza, tytanu i miedzi. Stosowany głównie do produkcji obudów baterii, płytek obwodów drukowanych, pokryć dachowych i przedmiotów codziennego użytku.

3. Oznaczenia stopni

1) Gatunki wlewków cynkowych są wyrażane jako "Zn + procentowa zawartość cynku", np. Zn99,95.

2) Gatunki odlewanych stopów cynku są wyrażane jako "ZZn + inne symbole pierwiastków i zawartość procentowa", takie jak ZZnAl6Cu1, ZZnAl4Cu1Mn.

3) Gatunki odlewanego ciśnieniowo stopu cynku są wyrażane jako "YZZn + inne symbole pierwiastków i zawartość procentowa", takie jak YZZnAl4Cu1.

4) Inne oznaczenia gatunków stopów cynku: Gatunki blachy cynkowej do baterii są wyrażane jako "XDx", gdzie "x" jest liczbą wskazującą kolejność, taką jak XD1; Gatunki blachy cynkowej offsetowej są wyrażane jako "XJx", gdzie "x" jest liczbą wskazującą kolejność, taką jak XJ1; Gatunki ciasta cynkowego są wyrażane jako "XBx", gdzie "x" jest liczbą wskazującą kolejność, taką jak XB1.

4. Właściwości przetwarzania

Podczas odkształcania na zimno wytrzymałość i twardość znacznie wzrastają, podczas gdy wydłużenie odpowiednio maleje. Po wyżarzaniu zmiękczającym wydłużenie wzrasta, podczas gdy wytrzymałość i twardość maleją.

IV. Magnez i stopy magnezu

1. Magnez (Mg)

(1) Złoża i wytapianie

Magnez zajmuje ważną pozycję wśród pierwiastków chemicznych. Podczas przetwarzania rud (magnezytu, dolomitu, karnalitu), CO₂ jest usuwany z magnezytu (MgCO₃) w celu uzyskania tlenku magnezu (MgO). Magnez uzyskiwany jest w procesie elektrolizy.

(2) Główne właściwości

1) Właściwości fizyczne.

Temperatura topnienia wynosi 657°C, a gęstość 1,74 kg/cm³.

2) Właściwości chemiczne.

Bardzo stabilny w suchym powietrzu. W pirotechnice magnez jest łączony z tlenem w celu wytworzenia błysku; płonący magnez można ugasić tylko piaskiem, ponieważ woda zintensyfikowałaby reakcję utleniania.

3) Właściwości mechaniczne.

Czysty magnez ma bardzo niską wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą 110-200 MPa.

4) Właściwości przetwarzania.

Łatwy w obróbce, pozwalający na stosunkowo wysokie prędkości skrawania, o dobrej formowalności i właściwościach odlewniczych.

2. Stopy magnezu

Ze względu na łatwopalność i niską wytrzymałość czystego magnezu, w inżynierii stosuje się wyłącznie stopy magnezu. Stopy magnezu są najlżejszymi metalowymi materiałami konstrukcyjnymi. Następujące pierwiastki stopowe mają znaczący wpływ na właściwości stopów magnezu.

• Mangan: poprawia odporność na korozję.
• Aluminium: Poprawia właściwości mechaniczne.
• Cynk: Zwiększa plastyczność i wytrzymałość.

(1) Odlewane stopy magnezu

Stopy magnezu nadające się do przygotowania i produkcji odlewów do bezpośredniego użycia metodami odlewniczymi.

(2) Kute stopy magnezu

Stopy magnezu, które mogą być przetwarzane metodami formowania plastycznego, takimi jak wytłaczanie, walcowanie, kucie i tłoczenie.

V. Cyna i stopy cyny

1. Cyna (Sn)

(1) Złoża i wytapianie

Ruda: Kasyteryt (SnO₂). Przygotowanie: Najpierw produkowany jest koncentrat (zawartość cyny 60%-70% wg masy). Wytapianie: Cyna jest redukowana z tlenu w piecach pionowych lub płomieniowych, a następnie surowa cyna jest dalej rafinowana przez skraplanie lub elektrolizę.

(2) Główne właściwości

1) Właściwości fizyczne.

Temperatura topnienia wynosi 232°C, a gęstość 7,3 kg/cm³.

2) Właściwości chemiczne.

Odporny na działanie powietrza, wody oraz wielu zasad i kwasów.

3) Właściwości mechaniczne. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi 30 MPa, wydłużenie ≤40%.

4) Właściwości przetwarzania.

Nietoksyczna, o dobrej plastyczności i ciągliwości. Poniżej -200°C cyna staje się krucha i pęka, a poniżej -20°C zamienia się w proszek. Cyna jest plastyczna i może być walcowana, dziurkowana i młotkowana. Można z niej wytwarzać folię cynową o grubości mniejszej niż 0,01 mm.

2. Stopy cyny

Stopy cyny to stopy utworzone przez dodanie innych pierwiastków stopowych (miedzi, antymonu, ołowiu itp.) do cyny jako podstawy. Stopy cyny mają niską temperaturę topnienia, niską wytrzymałość i twardość, dobrą przewodność cieplną i niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej. Są odporne na korozję atmosferyczną, mają doskonałe właściwości przeciwcierne i są łatwe do lutowania ze stalą, miedzią, aluminium i ich stopami. Są dobrymi materiałami lutowniczymi i łożyskowymi.

(1) Stopy łożyskowe na bazie cyny

Wspólnie znane jako stopy Babbitt wraz ze stopami łożyskowymi na bazie ołowiu. Zawartość antymonu wynosi 3%-15% na masę, zawartość miedzi wynosi 3%-10% na masę. Antymon i miedź są stosowane w celu zwiększenia wytrzymałości i twardości stopu. Mają niski współczynnik tarcia, dobrą wytrzymałość, przewodność cieplną i odporność na korozję, stosowane głównie do produkcji łożysk ślizgowych.

(2) Lut cynowy

Głównie stopy cynowo-ołowiowe. Stop cyny o masie ołowiu 38,1% jest powszechnie znany jako lut, o temperaturze topnienia około 183°C, stosowany do lutowania komponentów w przemyśle instrumentów elektrycznych oraz uszczelniania chłodnic samochodowych, wymienników ciepła, pojemników na żywność i napoje.

(3) Powłoki ze stopu cyny

Wykorzystując odporność stopów cyny na korozję, są one nakładane na powierzchnię różnych komponentów elektrycznych, zapewniając zarówno ochronę, jak i dekorację.

(4) Stopy cyny

(W tym stopy cyny ołowiowej i bezołowiowe stopy cyny) używane do produkcji różnych wykwintnych biżuterii i rzemiosła ze stopów, takich jak pierścionki, naszyjniki, bransoletki, kolczyki, broszki, guziki, spinki do krawatów, ozdoby do kapeluszy, rzemiosło dekoracyjne, ramki do zdjęć ze stopów, emblematy religijne, miniaturowe posągi, pamiątki itp.

3. Przetwarzanie

Cyna ma dobrą płynność i właściwości odlewnicze w stanie stopionym i może być stosowana jako materiał powłokowy (np. blacha cynowa).

VI. Ołów i stopy ołowiu

1. Ołów (Pb)

(1) Złoża i wytapianie

Najważniejszą rudą ołowiu jest galena (PbS) i rudy mieszane. Najpierw produkowany jest bogaty koncentrat ołowiu, następnie ołów jest uzyskiwany poprzez prażenie i redukcję, a następnie rafinację w celu uzyskania czystego ołowiu.

(2) Główne właściwości

1) Właściwości fizyczne.

Temperatura topnienia wynosi 327,4°C, a gęstość 11,34 kg/cm³.
2) Właściwości chemiczne.

Ma bardzo dobrą odporność na korozję, jest odporny na większość kwasów, ale nie na toksyczną wodę królewską.

3) Właściwości mechaniczne.

Niska wytrzymałość i twardość, słaba elastyczność, wytrzymałość na rozciąganie wynosi 15 MPa, wydłużenie ≤60%.

4) Właściwości przetwarzania.

Niska odporność na odkształcenia, wysoka odkształcalność, odpowiednia do formowania na zimno. Ołów jest łatwy do lutowania, spawania i odlewania. Może być łączony z innymi metale. Stosowany głównie do produkcji arkuszy kołpakowych, pojemników kwasoodpornych, kabli w osłonie ołowianej, pierścieni uszczelniających, strzałów ołowianych, płyt chroniących przed promieniowaniem i ołowiu uszczelniającego.

2. Stopy ołowiu

Stopy ołowiu to stopy składające się z ołowiu jako bazy z dodatkiem innych pierwiastków. W zależności od właściwości i zastosowań, stopy ołowiu można podzielić na stopy odporne na korozję, stopy akumulatorowe, stopy lutownicze, stopy drukarskie, stopy łożyskowe i stopy matrycowe. Stopy ołowiu są stosowane głównie do ochrony przed korozją chemiczną, ekranowania przed promieniowaniem, produkcji płyt akumulatorów i osłon kabli.