Материальный фундамент, на котором стоит современная человеческая цивилизация, образует железо. Из сплавов железа - сталей - изготовлена и построена подавляющая часть машин, аппаратов, сооружений. На долю железа от общего объема производства металлов приходится более 90%. Не случайно исторический отрезок времени, в котором мы живем, называется железным веком (наступившим вслед за каменным и бронзовым).
Второе место по масштабам использования занимает алюминий, хотя его история насчитывает всего около двух столетий. Конструкторов - создателей новой техники привлекают такие качества алюминия, как малая плотность (в 3 раза меньше, чем у меди и железа), пластичность при относительно высокой прочности, коррозионная стойкость. По электро- и теплопроводности он лишь немного уступает меди. В результате легирования другими элементами (Si, Mg, Be, Ti, Cu, Ni) и термообработке удается получать сплавы, значительно превосходящие по прочности и твердости чистый алюминий. Благодаря этим свойствам алюминий является основным металлом в авиационной и ракетно - космической промышленности. Алюминий составляет примерно половину массы ракет, а в пассажирских самолетах его доля доходит до 2/3 или даже до 3/4. Непрерывно увеличиваются масштабы использования алюминия и в других видах транспорта.
В последние годы интенсивно развивается индустрия строительных конструкций из алюминиевых сплавов. Крупный потребитель алюминия - электротехническая промышленность: провода, кабели, обмотки моторов и трансформаторов, конденсаторы и др.
Коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тончайшей (0,0001 мм) оксидной пленки, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления воздухом.
Алюминий широко применяется и в металлургии: в качестве активного химического элемента-восстановителя для раскисления стали и в алюмотермических способах получения многих металлов и сплавов.
Третье место по объему производства и потребления занимает медь. Медь - главный металл электротехники, обладающий наивысшей электропроводностью (за исключением серебра). В сочетании с хорошей пластичностью и достаточно высокой прочностью медь является «идеальным» материалом для изготовления токопроводящих изделий: проводов, кабелей, контактов и др. Очень высокая теплопроводность меди делает ее незаменимой в производстве многих теплотехнических устройств: нагревателей, холодильников.
Широкое распространение в промышленности нашли сплавы меди с цинком (латуни) и с оловом (бронзы). Сплавы меди с никелем служат для изготовления монет (денежных знаков).
Никель. В течение почти 150 лет со времени открытия никель не находил промыш-ленного применения. И лишь во второй половине XIX века, когда были открыты замечательные свойства никеля улучшать качество сталей, его производство начало быстро расти.
До 70% никеля используется в производстве жаропрочных и нержавеющих сталей. Совместно с другими металлами никель входит в состав твердых и сверхтвердых сплавов. Сплав «инвар» обладает очень малым коэффициентом термического расширения; сплав «нихром» используется в нагревательных приборах; упругий сплав «элинвар» - отличный материал для пружин; ряд никелевых сплавов обладает высокими магнитными свойствами. Всего в технике и в быту используется более 3000 сплавов, в состав которых входит никель.
Никель используется как катализатор ряда химических процессов, как прекрасное декоративное и антикоррозионное покрытие других металлов (меди, железа). В промышленности налажено широкое производство железоникелевых щелочных аккумуляторов.
Магний. Одной из отличительных особенностей магния является его низкая плотность - 1,74 г/см3, что в 4,5 раза меньше, чем у железа и в 1,5 раза меньше, чем у алюминия. Ученым удалось создать с участием магния ряд сплавов - легких, прочных, термостойких. Для легирования Mg используют Ti, Al, Zn, Mn, Be, Li, Cd, Ce, Cu.
Элементы ракет и ядерных реакторов, детали моторов, баки для бензина и масел, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, фото- и киноаппараты - вот неполный перечень изделий из магниевых сплавов. Немаловажную роль играет магний и в металлургии: в качестве раскислителя сталей, восстановителя ряда других металлов (титана, ванадия, хрома, циркония), для модификации чугунов. Наконец, оксид магния используют для производства огнеупорных материалов, применяющихся при строительстве металлургических печей.
Хром. Основное количество хрома (вместе с никелем) идет на производство нержавеющих, жароупорных сталей. Из легированных хромом сталей изготовляют подшипники, детали для автомобилей, тракторов, локомотивов, турбин. Хром используют для электролитического покрытия поверхности металлических (и неметаллических) изделий - красивого и прочного. Магнезитохромитовый кирпич - высококачественный огнеупорный материал.
Химические соединения хрома используют в стекольной, керамической, текстильной промышленности в качестве краски. В состав рубиновых кристаллов для лазерных установок вводят небольшие количества оксида хрома.
Марганец. Некоторое количество марганца в виде химических соединений используют в качестве катализаторов химических процессов, в производстве стекла. Но основная доля марганца идет на выплавку легированных сталей. Одна из них - «сталь Гадфильда» (с содержанием Мn » 10%) - обладает очень высоким сопротивлением ударно-истирающим нагрузкам. В некоторых случаях после воздействия таких нагрузок прочность металла возрастает. Подобные стали применяются для изготовления рельсовых крестовин, тракторных траков, деталей дробилок, мельниц, ковшей экскаваторов и др.
Уникальными свойствами обладает сплав Mn-Cu-Ni - манганин. Он сильно меняет свое электрическое сопротивление в зависимости от давления на него. Этот сплав используют для изготовления электрических манометров, способных измерять давление в десятки тысяч атмосфер (тысячи МПа).
Не потеряли своей ценности и старые хорошо известные человеку металлы. Цинк используют в качестве антикоррозионного покрытия железа, для изготовления электрических батарей, в качестве осадителя золота и серебра из цианистых растворов, для производства сплавов с медью и другими металлами. Олово входит в состав сплавов с Сu и Рb - бронз и бабиттов (материалов для изготовления подшипников скольжения). Около одной трети свинца расходуется на производство электрических аккумуляторов для автомобильного и других видов транспорта; свинцовыми пластинами облицовывают помещения для защиты от проникающих излучений (рентгеновских лучей, излучения радиоактивных изотопов); свинцом покрывают внутренние поверхности многих химических реакторов (учитывая его высокую химическую стойкость против воздействия некоторых кислот и щелочей).
Благодаря своей химической стойкости, привлекательному внешнему виду и высокой стоимости золото и серебро в эпоху развития товарно-денежных отношений приобрели значение меновых эквивалентов и меры стоимости, выполняя функции денег. В дальнейшем функции денежного эквивалента стало выполнять только золото.
Серебро находит широкое применение в химической промышленности в качестве катализатора ряда химических процессов, в производстве светочувствительных эмульсий для фото- и киноматериалов. Золото и серебро в настоящее время кроме производства ювелирных изделий используют в электронных приборах - для изготовления надежных неокисляющихся контактов.
В результате технической революции середины XX века появились новые процессы, технологии, отрасли промышленности: электроника, ядерная энергетика, ракетно-космические комплексы. Для их реализации потребовались материалы с новыми свойствами. Оказалось, что многие редкие металлы способны удовлетворять заданным требованиям.
Бериллий, который в течение многих лет «не имел практической ценности», становится одним из самых перспективных конструкционных материалов будущего. Бериллий обладает высокой радиационной стойкостью - это лучший замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Бериллий имеет самую высокую среди металлов удельную прочность (отношение прочности к плотности) - выше, чем у А1 и Mg. Введение в сталь в небольших количествах бериллия значительно повысило ее ударную вязкость. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, выдерживают без разрушений сотни тысяч циклов колебаний. Обладая высокими теплопроводностью и теплоемкостью, а также в два раза более высокой температурой плавления по сравнению с AI и Mg, бериллий с успехом может применяться для облицовки сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. Оксид бериллия ВеО - один из лучших огнеупорных материалов (tпл = 2570°С).
Литий. Самый легкий металл (вдвое легче воды, в 5 раз легче Аl и в 15 раз - железа). Представляет интерес сплав Li-Be, имеющий достаточно высокие механические свойства при плотности всего 1,0-1,5 г/см3. Небольшая добавка LiOH к NaOH в щелочных аккумуляторах повышает срок их службы в 3 раза; ёмкость литиевых электрических батарей в 6-7 раз выше, чем цинковых. Литиевые смазки могут работать при температуре до -60°С. Линзы из LiF - самые прозрачные для ультрафиолетовых лучей. Литий применяется в ядерной энергетике как регулятор скорости реакции (хорошо поглощает нейтроны); может эффективно использоваться в качестве жидкого теплоносителя в ядерном реакторе (область жидкого состояния от 180 до 1336°С). Большой интерес представляет литий как единственный элемент, позволяющий вырабатывать сверхтяжелый водород - тритий, при взаимодействии которого с дейтерием - основной реакции термоядерного реактора - выделяется колоссальное количество энергии.
Тугоплавкие металлы вольфрам и молибден используют в качестве нагревателей в электрических печах, для изготовления элементов осветительных и электронных ламп, электрических контактов, лаков, смазочных материалов (способных работать от -45 до +700°С). Но основная часть этих металлов (50- 80%) идет на выплавку легированных сталей: инструментальных, быстрорежущих, жаропрочных, износостойких, кислотоупорных и др. Значительное количество вольфрама расходуют на производство твердых сплавов (85-95% WC и 5-15% Со) для режущих и буровых инструментов.
Около 90% ванадия расходуется на легирование сталей и чугунов. Добавка ванадия в сталь повышает ее прочность, вязкость, предел упругости, расширяет интервал закалочных температур. Карбиды ванадия повышают твердость стали, увеличивают сопротивление ударным и истирающим нагрузкам. Вместе с V для легирования сталей используют Cr, Ni, Mo, W. Ванадиевые стали широко применяют в тяжелом и транспортном машиностроении. Из сплава Ti-4%A1-4%V изготовляют элементы авиационных реактивных двигателей, ракет.
Ванадий применяют в качестве материала для оболочек ядерных реакторов, производства сверхпроводящих сплавов. Оксид ванадия V2О5 - активный катализатор в производстве серной кислоты и некоторых реакций синтеза органических веществ. Химические соединения ванадия применяют в стекольной и керамической промышленности в качестве красителей.
Сплавы на основе титана обладают высокой удельной прочностью, поэтому основной областью их применения стала реактивная авиация и ракетно- космическая техника (75-80%). В последнее время титановые сплавы начинают использовать в судостроении, химическом машиностроении, в производстве медицинских инструментов. Карбид титана входит в состав инструментальных твердых сплавов (10-40% TiC; 85-50% WC, остальное Со). Карбид титана используют также для производства жаростойких и жаропрочных сплавов, идущих на изготовление элементов газовых турбин в реактивных двигателях.
Цирконий оказался наиболее подходящим материалом для изготовления элементов ядерных реакторов (труб, защитных оболочек и др.). В электронике используют способность циркония активно поглощать газы - для поддержания высокого вакуума в электронном устройстве. Более половины производимого циркония в виде ZrО2и ZrSiО4 применяют в производстве огнеупоров, фарфора, эмалей и стекла.
Главная область применения гафния - ядерные реакторы, где он используется в регулирующих и защитных устройствах. Вторая область - производство тугоплавких и жаропрочных сплавов. Температуры плавления HfC- 3890°С, а твердого раствора 25% HfC и 75% ТаС- 4200°С.
Торий и его соединения используют для легирования сплавов железа и цветных металлов, как катализаторы в органическом синтезе. ThО2 - высокоогнеупорный материал. Торий может служить ядерным топливом (как заменитель урана).
Уран - основное горючее ядерных реакторов.
Скандий и его соединения применяют в производстве легких сплавов, в электронной технике, светотехнике, производстве специальной керамики. Возможности применения скандия ограничены высокой ценой. В 1988 г. оксид скандия стоил 2,8 долларов за 1 грамм, чистый скандий -15 долларов за грамм.
Тантал и ниобий используют в радиоэлектронике и электротехнике, производстве жаропрочных, сверхпроводниковых и твердых сплавов, легированных сталей, атомной энергетике и химическом машиностроении.
Галлий и индий имеют сходные области применения: полупроводниковая электроника, сплавы, припои для низкотемпературной пайки металлов. Их используют для солнечных батарей, приемников инфракрасного излучения, в лазерах. Индиевые покрытия обладают высокой отражательной способностью и не тускнеют. Их применяют для изготовления рефлекторов.
Главное назначение германия - полупроводниковая электроника (для изготовления выпрямителей и усилителей). В настоящее время на основе германия созданы выпрямители промышленного переменного тока. Они отличаются высоким КПД (95%) и малыми габаритами. Второй областью применения германия является производство оптического стекла (»40%).
Рений. Основная область применения - в химической и нефтяной промышленности в качестве катализаторов химических процессов (при крекинге нефти). Рений в чистом виде и в сплавах с вольфрамом применяется для производства изделий электроосветительной и электровакуумной техники; электрокоррозионно-стойких контактов. Значительное количество рения идет на выплавку жаропрочных сплавов (совместно с W, Мо, Та).
Селен и теллур применяются в основном в электро- и радиотехнике. Большая чувствительность селена к колебаниям интенсивности света используется в фототранзисторах, термоэлектрических устройствах, в солнечных батареях, люминофорах. Теллуриды свинца, олова, ртути и кадмия служат для изготовления инфракрасных излучателей, детекторов радиации. Селеном и теллуром легируют полупроводники.
Редкоземельные металлы, или лантаноиды, представлены 15 химически подобными элементами (с порядковыми номерами от 57 – лантан до 71 – лютеций), теоретически объединенными в одной основной группе периодической таблицы Менделеева. В коммерческой практике в эту группу включают еще два элемента, находящиеся в таблице над лантаном, – иттрий с порядковым номером 39 и скандий с номером 21 (его природные источники и области применения существенно отличаются от остальных редкоземельных металлов).
Редкоземельные элементы (РЗЭ) подразделяются на три группы: легкие, средние и тяжелые. В первую группу входят: лантан, церий, празеодим, неодим; во вторую – прометий (в природе не встречается), самарий, европий, гадолиний; в третью – тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, иттрий и скандий.
Редкоземельные элементы в виде металлов, сплавов и химических соединений нашли применение в черной и цветной металлургии (лантан, церий), в производстве стекла и керамики (Се2О3), в атомной энергетике (гадолиний, самарий, европий)- оксиды этих металлов входят в состав регулируемых стержней и защитных керамических покрытий. Самариево-кобальтовые магниты превосходят другие сплавы (Fe-Ni-Co-Al) в 2-4 раза по величине магнитной энергии на единицу объема и в 5-10 раз по величине коэрцитивной силы. Использование РЗЭ в качестве люминофоров для кинескопов цветных телевизоров вызвало значительный рост их производства (иттрий, европий, тербий), РЗЭ широко используют в различных типах лазеров.
Возможности использования РЗЭ далеко не исчерпаны и расширяются по мере исследования свойств лантаноидов, их сплавов и соединений.
Начиная с 70-х годов XX столетия в промышленности применяются практически все металлы, встречающиеся в природе. (Табл. 3.3)