Медь, никель, свинец, цинк и олово у нас называют тяжелыми металлами. Это название возникло в период индустриализации страны в связи с понятием «тяжелая промышленность» и с ее значением для развития народного хозяйства. Вместе с тем такое название удачно отличает тяжелые металлы от столь же важного алюминия и других легких металлов, имеющих меньшую плотность.
Условной границей между тяжелыми и легкими металлами считают плотность, равную 5000 кг/м3. В иностранных языках нет аналогичных наименований, обобщающих эти группы металлов; однако значение их в технике повсюду признается первостепенным после железа.
Железо издавна стало основным материалом для строительных конструкций, машиностроения и транспорта. Однако уже в XIX в. с развитием новых отраслей промышленности и техники выявились некоторые его недостатки. Разумеется, речь идет не о чистом железе, а о его промышленных сплавах – чугунах и сталях. Обладая большим разнообразием ценных свойств, обычные чугуны и стали вместе с тем недостаточно стойки против коррозии на воздухе и особенно под действием воды, растворов солей и кислот, мало теплопроводны, мало электропроводны и обладают довольно высоким коэффициентом трения.
Тяжелые цветные металлы и их сплавы с начала XIX в. стали заменителями железа в тех отраслях производства, где требовались особые свойства, недостаточно выраженные у чугунов и сталей.
Медь
Медь имеет высокую электропроводность и теплопроводность. По показателям этих свойств она уступает только серебру. Пластичность меди позволяет легко обрабатывать ее прокаткой, штамповкой и волочением. С развитием электротехники медь стала основным материалом для проводов, шин, контактов и других токопроводящих изделий.
Высокая теплопроводность меди позволяет применять ее во всяких устройствах, проводящих тепло – в нагревателях и холодильниках. В химической промышленности из меди делают змеевики для нагревания или охлаждения растворов, варочные котлы, трубопроводы и другие детали аппаратуры.
Даже малые примеси других элементов сильно снижают электропроводность, теплопроводность и коррозионную стойкость меди. Для полного использования этих свойств необходим металл, содержащий не более 0,05 % примесей.
Однако чистая медь слишком мягка для строительных конструкций, деталей машин и арматуры. Сплавы ее с другими металлами имеют значительно большую прочность и твердость, многие из них превосходят медь и по другим ценным свойствам, например, по коррозионным и антифрикционным.
Сплавы меди с 10–40 % Zn – латуни дешевле чистой меди. Вместе с тем они хорошо обрабатываются давлением и резанием, более прочны, тверды и стойки против коррозии. Небольшие добавки железа, алюминия и марганца в различных комбинациях придают латуням еще большую прочность и твердость, а присадки олова, алюминия, марганца и никеля усиливают антифрикционность. В виде листов, прутков, труб и разных отливок латуни широко применяются в химическом и общем машиностроении, судостроении и военной технике.
Бронзами раньше называли только сплавы меди с 6–20 % Sn, известные высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью и антифрикционностью. Позднее из-за дефицитности олова подобные сплавы научились получать, добавляя к меди другие металлы. Теперь, помимо оловянных бронз, широко пользуются бронзами алюминиевыми (5–11) % Аl, свинцовистыми (25–33) % Рb, кремниевыми (4–5) % Si, бериллиевыми (1,8–2,3) % Be, кадмиевыми до 1 % Cd и др. Все эти сплавы содержат небольшие количества вторичных легирующих компонентов, которые усиливают те или иные свойства меди.
Каждый вид бронзы ценен в своей области применения: алюминиевые бронзы с добавками свинца нужны для подшипников, а бериллиевые идут для изготовления пружин.
Латуни и бронзы, подобно многим другим сплавам, подразделяются на литейные и деформируемые, пригодные для литья либо для обработки давлением, прокаткой, ковкой, штамповкой, волочением.
Медноникелевые и медноникелевоцинковые сплавы: мельхиор (5–35 % Ni) и нейзильбер (5–30 % Ni и 13–45 % Zn) особенно стойки в агрессивных средах, содержащих активные химические вещества. В виде ленты, листов и проволоки эти сплавы идут на изготовление медицинских инструментов, изделий точной механики, столовых приборов, бытовых и художественных изделий.
Медь известна с древних времен – бронзовый век был периодом быстрого развития материальной культуры. Впоследствии бронзу вытеснило более дешевое и доступное железо. С возникновением крупной промышленности производство и потребление меди вновь стало быстро увеличиваться.
До 1958 г. медь занимала первое среди цветных металлов место по масштабам мирового производства. Теперь она уступает в этом алюминию, но все еще остается дефицитным металлом, требующим заменителей. В электротехнике часть меди стали заменять алюминием – менее электропроводным, но более легким. Это выгодно: расход алюминия по массе почти в два раза меньше, чем меди. На железнодорожном транспорте медь и бронзу частично заменяют цинковыми сплавами. В военной технике патронные гильзы вместо латуни начали делать из стали и только покрывают их слоем латуни – плакируют. Замена меди другими, менее дефицитными металлами и сплавами — важная проблема нашего времени.
Никель
В сравнении с другими тяжелыми цветными металлами никель наиболее прочен, тверд, тугоплавок и стоек против коррозии. Подобно железу и кобальту, он ферромагнитен. Чистый никель пластичен и легко обрабатывается.
Никель сравнительно дорог, и потребление его в чистом виде невелико. Для защиты от коррозии и декоративных целей тонким слоем никеля покрывают изделия из железа, алюминия, магния, цинка и других металлов (никелирование). В виде листов, труб, проволоки его расходуют на особые изделия для химических производств – детали аппаратуры и приборов.
Никель требуется также для производства щелочных аккумуляторов – железоникелевых и никелекадмиевых. Эти аккумуляторы легче, компактнее и надежнее в работе, чем свинцовые. Во многих производствах химической технологии применяют никелевые катализаторы.
Более половины всего никеля потребляется в сплавах с железом. Хромоникелевые, нержавеющие и кислотоупорные стали, содержащие обычно до 8% никеля, хром и другие металлы, широко применяются в химической промышленности и станкостроении, а также для постройки долговечных сооружений, в машиностроении и военной технике. Прочные и износоустойчивые никелистые чугуны, содержащие хром, молибден и медь, нужны для производства мощных двигателей внутреннего сгорания локомотивов, специальных станков и штампов.
Многие никелевые сплавы жаростойки: они не окисляются на воздухе при высоких температурах. Сюда относятся сплавы ЭИ, инконель, нимоник, гастеллой и др., способные работать при температурах до 600 °С. Их применяют для производства турбин реактивных самолетов, газотурбинных установок и в атомных реакторах.
Нихром (75–85 % Ni, 10–20 % Cr, остальное железо) и другие подобные термоэлектрические сплавы никеля не только жаростойки, но и обладают высоким омическим сопротивлением и служат для нагревателей из проволоки или ленты.
Сильномагнитный сплав никеля с железом (пермаллой) и другие сходные с ним сплавы применяются в электротехнике и радиотехнике.
Из сплавов никеля с цветными металлами наиболее важны медноникелевые, о них уже говорилось выше.
Первый металлический никель был получен в Швеции в 1751 г., а производство его для продажи началось только в 1825 г. Долгое время оно оставалось незначительным. Многие ценные свойства никеля не были известны вплоть до начала XX в., поэтому только в 20 столетии спрос на этот металл начал быстро расти.
Теперь потребление никеля во всех странах строго учитывают и принимают меры к экономному его расходованию. Для этого все большую часть никеля в нержавеющих сталях заменяют хромом, а обычные стали покрывают тонким слоем нержавеющей стали (плакирование).
Свинец
Свинец известен с древних времен – не менее двух тысячелетий до н. э. Тогда особенно ценилась легкая обрабатываемость мягкого свинца и его высокая плотность. Из свинца делали монеты, украшения, различные сосуды водопроводные трубы, метательные снаряды для пращей и катапульт. С изобретением пороха свинец стали применять для изготовления картечи, пуль и дроби.
Стойкость свинца против разбавленной серной, соляной кислот и многих других реагентов сделала этот металл в XIX в. основным материалом возникавшей тогда химической промышленности. Свинец легко прокатывается. Листовой (рольный) свинец толщиной от 2 до 10 мм удобен для покрытия аппаратуры и защиты ее от коррозии.
Оболочки кабелей, предназначенных для долгой работы под землей, в воде или во влажной атмосфере, делают и теперь из свинца, добавляя к нему для большей пластичности небольшие количества других металлов.
Свинцовые аккумуляторы по-прежнему необходимы для зажигания двигателей внутреннего сгорания, несмотря на появление никелевых аккумуляторов, которые значительно дороже. На производство кабелей и аккумуляторов затрачивается около половины всего свинца.
В атомной технике свинец служит защитой от γ – лучей, которые он поглощает лучше многих других материалов.
В военном деле свинец и теперь нужен для изготовления шрапнелей и сердечниковых пуль.
Сплавы свинца отличаются от чистого металла либо большей прочностью и твердостью, либо антифрикционностью; в большинстве своем они еще и стойки против коррозии.
Сплавы с малым коэффициентом трения – баббиты (по фамилии изобретателя Баббита) – подразделяются на оловянистые и безоловянистые. Первые содержат, кроме свинца, олово, медь, сурьму, кадмий, никель и теллур, а вторые – натрий, кальций, теллур и другие элементы. Баббиты легкоплавки, их заливают в жидком виде во вкладыши подшипников или наносят слоем на стальную ленту.
Типографские сплавы для отливки шрифтов содержат, кроме свинца, сурьму, олово и медь. Сурьма придает им твердость, а олово – литейные качества.
В химической промышленности часто применяют сплавы свинца с сурьмой – твердые и стойкие против коррозии.
В сплавах для пайки – припоях свинцом частично заменяется более дорогое и дефицитное олово.
Спрос на свинец постоянно опережает его производство. Поэтому в современной промышленности намечаются все новые пути экономии свинца. Свинцовые оболочки некоторых кабелей теперь стараются заменять пластмассовыми, а антикоррозионные покрытия – синтетическими органическими материалами. Типографские свинцовые сплавы иногда удается заменить сплавами цинка, а в перспективе – пластмассами, когда будут получены пластмассы с хорошими литейными свойствами.
Цинк
Сведения об истории развития производства цинка различны. По некоторым из них этот металл умели получать в Индии и Китае еще в V в. Промышленное производство цинка в Европе возникло лишь в XVIII в. в Англии, затем в Верхней Силезии.
Сейчас около половины производимого цинка расходуется на покрытие железа для предохранения его от коррозии. Тонкий слой цинка наносят на железо горячим способом либо электролизом. Электролитическое покрытие тоньше и расходуется цинк при этом более экономно; однако из-за более сложного оборудования горячее оцинкование пока применяется чаще, чем электролиз. Цинк надежно предохраняет железо от коррозии на воздухе и в холодной воде. Оцинкование значительно дешевле покрытия оловом – лужения или никелем – никелирования.
Другая важная область потребления цинка – изготовление сплавов, в том числе уже известных нам латуней и нейзильбера.
Сплавами на основе цинка частично заменяют бронзы и баббиты в подшипниках. Эти цинковые сплавы содержат алюминий 8–11 %, медь 1–2 % и магний 0,03–0,06 %. Те же компоненты, но в иных соотношениях с цинком, содержатся в типографских сплавах, сходных по свойствам со свинцовосурьмяными сплавами.
В сравнении с другими цветными металлами цинк дешев, а ресурсы его в известных месторождениях достаточно велики. Поэтому проблема замены цинка другими металлами не возникала. С ростом производства алюминия и снижением его стоимости может оказаться выгодным покрытие железа не цинком, а алюминием – алитирование.
