МОСКОВСКИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ
ШКОЛА — ЛАБОРАТОРИЯ № 799
Доклад по химии
Тема: “Сплавы”
Ученика Кудашева Алексея
Окружающие нас металлические предметы редко состоят из чистых металлов. Только алюминиевые кастрюли или медная проволка имеют чистоту около 99,9%. В большинстве же других случаев люди имеют дело со сплавами. Так, различные виды железа и стали содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специльную маркировку, т.к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.
Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Простые конструкционные стали состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07—0,5%) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10% других металов, из них примерно 3% составляет углерод, а остальные — кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.
Никель наряду с хромом является важнейшим компонентом многих сплавов. Он придает сталям высокую химическую стойкость и механическую прочность. Так, известная нержавеющая сталь содержит в среднем 18% хрома и 8% никеля. Для производства химической аппаратуры, сопел самолетов, космических ракет и спутников требуются сплавы, которые устойчивы при температурах выше 1000 °С, то есть не разрушаются кислородом и горючими газами и обладают при этом прочностью лучших сталей. Этим условиям удовлетворяют сплавы с высоким содержанием никеля. Большую группу составляют медно-никелевые сплавы.
Сплав меди, известный с древнейших времен, – бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом. В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечны. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа и кремния.
Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав -нейзильбер -содержит, кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента. Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов – их высокая стойкость к процессам коррозии – они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде. Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Латунь "60" содержит, например, 60 весовых частей меди и 40 весовых частей цинка. Для литья цинка под давлением применяют сплав, содержащий около 94% цинка, 4% алюминия и 2% меди. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы. Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.
По следующим рецептам можно получить легкоплавкие сплавы. Сплав Ньютона: 31 массовая часть свинца, 19 частей олова и 50 частей висмута. Температура плавления 95 °С. Сплав Вуда: 25 частей свинца, 12,5 частей олова, 50 частей висмута и 12,5 частей кадмия. Температура плавления 60 °С. Ложка из такого сплава расплавится, если ею помешать горячий кофе. Раньше это демонстрировали в качестве шутливого опыта. Однако перемешанный таким образом напиток ядовит из-за солей свинца и висмута!
Очень давно было замечено, что если смешать расплавленные металлы и остудить полученную смесь, то получается вещество, свойства которого отличаются от свойств каждого из металлов. Так, если в расплавленную медь добавить алюминий, то в результате химической реакции получается новое соединение с формулой АlСи.
Сплавы получают различными способами. Если смешивают расплавленные компоненты, а затем производят кристаллизацию полученного расплава, то получают литой сплав. Кристаллизация – это процесс перехода из жидкого состояния в твердое. При этом образуется соединение с кристаллической структурой. А если смешивают порошки компонентов, а затем спекают смесь при высокой температуре, то получают сплав, который называется порошковым сплавом. Для улучшения свойств в сплавы вводятся элементы, которые называются легирующими.
Виды сплавов
В состав сплавов могут входить только металлы или соединения металлов с неметаллами. Свое название сплав обычно получает от названия элемента, который содержится в сплаве в самом большом количестве и составляет основу сплава. Так, если основой сплава является железо, то сплавы называются чёрными. А если основа сплавов – цветные металлы, то и сплавы называются цветными. Бывают ещё сплавы редких металлов и сплавы радиоактивных металлов.
ЧЕРНЫЕ СПЛАВЫ
В сплавах могут быть два и более компонентов.
Наиболее известные чёрные сплавы – сталь и чугун. Оба эти сплава являются смесью железа и углерода. Но чугун содержит углерода намного больше, чем сталь. Кроме углерода, в чугун входят сера, фосфор, марганец и кремний. В сталь также добавляются эти элементы, но в гораздо меньших количествах. Чугун – хрупкий материал. Его применяют там, где не требуется ковка. А вот сталь не только прочный, но и пластичный материал. Поэтому она широко применяется в промышленности в металлических конструкциях, механизмах, деталях, для изготовления режущих инструментов и т. д. В нашем доме нас окружают изделия из нержавеющей стали: ножи, вилки, ложки, ножницы, тёрки, кастрюли.
ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ
Самые известные сплавы меди – бронза и латунь.
Сплав меди с оловом называют бронзой. В III тысячелетии до н.э из меди изготавливались орудия труда, так как залежи меди в то время были огромны. Выяснилось, что если медь соединить с оловом, то получается вещество, более поддающееся литью. Так впервые была получена бронза. Следующее тысячелетие назвали «бронзовым веком». В XV в. из бронзы начали отливать пушки. В наше время бронза применяется в машиностроение для изготовления различных деталей.
Латунь – сплав меди с цинком. Используется в производстве техники, автомобилестроении, в химической промышленности. Интересно, что латунь внешне схожа с золотом. Поэтому до XIX века ее часто выдавали за золото.
Соединение меди с алюминием называют алюминиевой бронзой. Алюминиевая бронза – очень пластичный материал.
Мельхиор — сплав меди и никеля. Используется для изготовления столовых приборов и художественных изделий.
Известный алюминиевый сплав дюралюминий – соединение алюминия с медью, магнием и марганцем. Применяется в авиационной промышленности и авиастроении.
Магниевые, титановые, берилиевые сплавы также находят свое применение в промышленности и медицине.
Металлы и сплавы играют очень важную роль в различных видах жизнедеятельности человека. Невозможно перечислить все сферы, в которых металлы и их сплавы находят применение.