Знакомство с образцами металлов, рудами желез, соединениями алюминия

Лабораторный опыт №9

Знакомство с образцами металлов, рудами желез, соединениями алюминия

Цель: Познакомиться  с образцами металлов и  сплавами на их основе,  свойствами металлов и сплавов.

Оборудование:  справочный материал   «Металлы и сплавы»

.

Ход работы:

Просмотрите видео https://www.youtube.com/watch?v=eItrqIxu8VE

1.      Рассмотрите образцы металлов и сплавов.

металл	цвет	твердость (по шкале Мооса)	плотность, г/см3	действие магнита	tпл, 0С	применение
Алюминий
Цинк
Олово
Свинец
Железо
Медь

2.      Рассмотрите и ознакомьтесь с основными железными рудами. Результаты занесите в таблицу

Наименование руды, формула рудообразующего оксида железа	Окраска	блеск	Магнитные свойства
1.Магнитный железняк  Fe3O4
2. Красный железняк Fe2O3
3. Бурый железняк Fe2O3*nH2O

3.      Ознакомьтесь с соединениями алюминия и заполните таблицу

Алюминий и его сплавы	Элементарный состав сплава	Внешний вид	tпл, оС	Твердость	Плотность	Применение
алюминий
дюралюминий
силумин
магналий

Вывод:

Приложение 1

Физические свойства металлов

Металл	Хим. символ	Плотн. г/(см3)	tплав. °С	Твердость по Моосу
Алюминий	Al	2,70	660	2,9
Вольфрам	W	19,30	3400	4.5
Железо	Fe	7,87	1540	4,5
Золото	Au	19,30	1063	2,5
Медь	Cu	8,92	1083	3,0
Магний	Mg	1.7	651	2,0
Ртуть	Hg	13,50	- 39	-
Свинец	Pb	11,34	327	3,9
Серебро	Ag	10,49	960,5	2,7
Титан	Ti	4,52	1670	7,3
Хром	Cr	7,19	1900	9,0
Цинк	Zn	7,14	419,5	2,5

Учащиеся записывают физические свойства в тетрадь, приводят примеры.

Плотность. По плотности металлы делятся на две группы:

легкие, плотность не более 5 г/см³ –

тяжелые, плотность более 5 г/см³–

Самый легкий – литий, плотность 0,53 г/см³, самый тяжелый – осмий, плотность  22,6 г/см³

Температура. Металлы в зависимости от температуры плавления  подразделяют:

легкоплавкие, температура плавления не выше 1000°С-

тугоплавкие, температура плавления выше 1000°С-

Самый легкоплавкий металл -   ртутьt =-39°С , самый тугоплавкий – вольфрам

t = 3340 °С

Твердость. Твердость металлов сравнивают с твердостью алмаза и делят на группы:

мягкие –

твердые –

самый твердый металл – хром, царапает стекло, самые мягкие – щелочные металлы, которые режутся ножом

Электропроводность. Электрическая проводимость объясняется присутствием свободных электронов, под действием приложенного электрического напряжения, хаотично движущиеся электроны, в металле приобретают направленное движение, возникает электрический ток.

Высокую электропроводность имеют – серебро, медь, золото, алюминий.

Низкую электропроводность имеют – ртуть, свинец, вольфрам

Теплопроводность.  Показатель теплопроводности металлов, как правило, совпадает с показателем электропроводности.

Металлический блеск. Металлы способны отражать световые волны, магний и алюминий способны сохранять металлический блеск даже в порошке.

Цвет – большинство металлов имеет серебристый цвет, исключение золото- желтый, медь – красно-желтый.

Пластичность. Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.                                        В ряду Au,Ag,Cu,Sn,Pb,Zn,Fe уменьшается.

Магнитные свойства. Магнитные свойства определяются способностью металлов притягиваются к внешнему магнитному полю и  сохранять способность намагничиваться.

Металлы по магнитным свойствам могут быть разделены на три основные группы:

·         диамагнетики – выталкиваются из магнитного поля и ослабляют его;

·         парамагнетики – втягиваются магнитным полем, незначительно усиливая его;

·         ферромагнетики – усиливают магнитное поле на порядки величин.

К диамагнетикам относятся такие металлы, как медь, серебро, золото, кремний, бериллий и металлы подгруппы цинка, галлия, германия. Им свойственна отрицательная магнитная восприимчивость, поскольку под действием внешнего магнитного поля в них возникает намагниченность, направленная ему навстречу. Парамагнетики – металлы с небольшой положительной восприимчивостью (в основном щелочные и щелочноземельные), которые намагничиваются в направлении внешнего поля. Ферромагнетики включают металлы, обладающие высокой магнитной восприимчивостью – это железо, кобальт, никель. Есть металлы и сплавы, которые не принадлежат трем упомянутым группам: антиферромагнетики (ряд редкоземельных металлов), ферриты (соединения оксида железа) и т. д. Наиболее сильными магнитными свойствами обладают: железо, никель, кобальт. Эти металлы называются ферромагнитными (от латинского слова феррум - железо).

Металлы, применяемые в технике, подразделяются на черные (железо и его сплавы), цветные (все остальные, включая магний и алюминий), драгоценные (золото, платина, палладий, иридий), редкие (цирконий, иттрий, лантан, церий и др.).

Алюминий. В природе алюминия в самородном виде нет. Встречается только в виде соединений. Основным сырьём для промышленного производства алюминия служат бокситы и нефелины, которые содержат до 60% оксида алюминия (глинозема). Процесс получения алюминия является довольно сложным, энергоёмким и включает: получение из бокситов вначале глинозёма, а затем восстановление из раствора глинозёма электролизом в расплавленном криолите металлического алюминия. Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Он содержит в своём составе металлические и неметаллические примеси, а также газы. Поэтому алюминийсырец рафинируют. После рафинирования образуется технически чистый алюминий, называемый первичным. Расплавленный металл разливается в определенные формы и отправляется в прокатное производство. Выпускается в виде заготовок, отливок, чушек, слитков, катанки, ленты и других изделий.

В зависимости от химического состава и содержания примесей алюминий подразделяется на марки: алюминий особой чистоты А999 (99,999% Аl), высокой чистоты марок: А995 (99,995% Аl), А99 (99,99% Аl), А98 (99,98% Аl), А97 (99,97% Аl), А95 (99,95% Аl) и технической чистоты, допускающих содержание примесей 0,15…1,0% (А85, А8, А7, А6, А5, А35 и А0). Массовую долю алюминия в металле определяют по разности 100,00% и суммы массовых долей определяемых примесей, массовая доля каждой из которых равна или более: для алюминия высокой чистоты – 0,001%, технической чистоты – 0,01%. Например, марка А85 обозначает, что в металле содержится 99,85% алюминия, а в марке А0 – 99% алюминия. В качестве примесей в алюминии могут присутствовать Fe, Si, Cu, Mn, Zn и др. Примеси оказывают существенное влияние на электрические и технологические свойства алюминия, его коррозионную стойкость.

Алюминий представляет собой серебристо-белый лёгкий металл с высокой тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и во многих агрессивных средах. По электропроводности он занимает третье место после серебра и меди. Чем чище алюминий, тем выше его электропроводность и коррозионная стойкость.

На воздухе алюминий покрывается тонкой прочной беспористой плёнкой оксида алюминия (Аl2O3) толщиной примерно 10 нм, защищающей металл от дальнейшего 32 окисления и обусловливающей его высокую коррозионную стойкость. Однако в щелочных средах и некоторых неорганических кислотах алюминий быстро разрушается.

Алюминий обладает высокой технологической пластичностью, сваривается, полируется, но относительно плохо обрабатывается резанием из-за высокой вязкости и налипания металла на инструмент. Вместе с тем он хорошо обрабатывается давлением, поэтому применяется для изготовления тонких листов, проката, в том числе и фольги различного назначения. При холодной пластической деформации (прокатка, волочение) в результате наклёпа получают твёрдый алюминий (АТ), который имеет повышенные механические характеристики (прочность, твёрдость), но при этом снижается относительное удлинение.

В чистом виде алюминий применяют для изготовления фольги, порошка, проволоки. Алюминиевую фольгу (альфоль) в строительстве применяют в качестве эффективного утеплителя (для отражения тепловых лучей) или декоративного материала, порошок – в качестве наполнителя (пигмента) в лакокрасочных составах или газообразователя при изготовлении ячеистых бетонов, проволоку – для сварки конструкций и т. д.

Общая характеристика алюминиевых сплавов

Как железо, так и алюминий в строительстве редко используются в чистом виде. Наибольшее применение находят алюминиевые сплавы. Сырьем для их получения служат как технически чистый алюминий, так и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10…13% Si и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них составляет 0,5…1,7% и называют их, как правило, силуминами. Основными легирующими компонентами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Zn, Mn, Zr и реже – Cr, Li, Ni, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы.

Алюминиевые сплавы сочетают в себе, как правило, лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные и эксплуатационно-технологические характеристики легирующих добавок. Например, сплавы с магнием или цинком после термической обработки приобретают прочность, сравнимую с прочностью конструкционной стали с низким содержанием углерода. При этом такой сплав в 2,9 раза легче стали. Прочность на растяжение алюминиевых сплавов составляет 100…700 МПа, относительное удлинение – 6…22%, модуль упругости – 65500…72400 МПа. По прочности их подразделяют на малопрочные (до 300 МПа), среднепрочные (300…480 МПа) и сверхпрочные (более 480 МПа).

Недостатком алюминиевых сплавов являются сравнительно низкий модуль упругости (почти в три раза меньше, чем модуль упругости стали), высокий коэффициент линейного расширения и относительная сложность соединения элементов конструкций.

Алюминиевые сплавы классифицируют по составу, технологии получения заготовок, способности к термической обработке и основным потребительским свойствам. В зависимости от состава различают силумины (Al – Si), магналии (Al – Mg), дюралюмины (Al – Cu – Mg), авиали (Al – Mg – Si) и более сложные (многокомпонентные) с улучшенными свойствами – высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие и др.

По технологическому признаку (способу изготовления) все алюминиевые сплавы делят на деформируемые (имеющие высокую пластичность в нагретом состоянии) и обрабатываемые давлением – методом горячей или холодной деформации (дюралюмины) и литейные (имеющие хорошую жидкотекучесть), применяемые для отливки изделий (силумины).

Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Такими легирующими элементами в различных деформируемых сплавах являются медь, магний, марганец и цинк. Кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят кремний, железо, никель и др. Наиболее распространенными литейными сплавами являются составы с кремнием или магнием (силумины или магналии).

Как деформируемые, так и литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784) подразделяют на термически не упрочняемые и термически и механически упрочняемые. Механическое упрочнение (нагартовка, наклеп) производится обжатием сплава в холодном состоянии. Термическая обработка состоит в закалке сплава нагреванием до температуры 440…510℃ и быстром охлаждении с последующим естественным (при обычных температурах) или искусственным (при t=150℃) старением.

В зависимости от назначения и требований в отношении физико-механических, технологических и других свойств их разделяют на сплавы высокой, средней и малой прочности, свариваемые, заклепочные, декоративные и другие. Они подразделяются также по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.

В строительстве применяются деформируемые термически упрочняемые и неупрочняемые и литейные, как термически упрочняемые, так и термически не упрочняемые алюминиевые сплавы (ТКП EN 1999-1 Еврокод 9). Однако в строительных конструкциях применяют в основном деформируемые сплавы системы алюминий-магнийкремний и другие. Деформируемые сплавы системы алюминий-магний-кремний наряду с хорошей пластичностью обладают такими свойствами, как высокая коррозионная стойкость, технологичность, способность подвергаться цветному анодированию и эмалированию и др.

Дюралюмины. Это класс сплавов системы «алюминий – медь – магний». Содержание меди составляет 2,2…4%, магния – 0,5…2,4% и в небольших количествах содержатся марганец (0,3…0,9%), кремний и железо. Однако метод изготовления дюраля заключается не только в специфическом подборе компонентов, но и в технологии его изготовления – механизме искусственного или естественного старения с помощью закалки. В результате сплав приобретает высокий уровень свойств при небольшой плотности.

Дюралюмины характеризуются сочетанием высокой прочности и пластичности, хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Твёрдость и прочность их примерно такая же, как и у сталей обыкновенного качества. Однако при близких значениях прочности коэффициент конструктивного качества у дюралюминов значительно выше. При этом наибольшей прочности дюралюмины достигают при содержании в составе 4% меди и 1% магния. Такие сплавы называются супердюралюмины.

Дюралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закалённом и состаренном состояниях и плохо в отожжённом, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением из-за образования трещин. Наиболее известны сплавы Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Например, сплав Д16 используется в строительных конструкциях средней и повышенной прочности.

Недостатком дюралюминов является их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дюралюмины плакируют чистым алюминием, подвергают электрохимическому оксидированию либо естественному старению.

Силумины. Это группа литейных сплавов алюминия с кремнием (4…22%) и незначительным количеством примесей – железа, меди, магния, титана, цинка и других элементов (ГОСТ 1583). Название произошло от наличия в составе химического элемента Si. Силумины дополнительно могут быть легированы магнием, медью, никелем, титаном, что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой. По сравнению с чистым алюминием обладают большей прочностью и износостойкостью, но уступают по этим показателям дюралюмину. Для силуминов характерна низкая литейная усадка, стойкость к коррозии и высокая твердость. Применяют при изготовлении строительных конструкций.

Магналии. Магналии – сплавы алюминия с магнием Mg до 10% и другими элементами (кремний, железо, медь). В зависимости от содержания магния различают деформируемые (до 7% Mg) и литейные (5…10% Mg) сплавы. Магний уменьшает плотность алюминиевого сплава, повышает прочность и коррозионную стойкость без снижения пластичности. Поэтому основным преимуществом таких сплавов является сочетание сравнительно высокой прочности, пластичности и коррозионной стойкости с хорошей свариваемостью. Магналии легко поддаются механической обработке и хорошо полируются. Применяются в качестве конструкционного и декоративного материала. Авиаль (сокращенное от «авиационный алюминий») – группа сплавов системы алюминий – магний (0,45…0,9%) – кремний (0,5…1,2%) с небольшим содержанием других элементов марганца или хрома (0.15…0,35%), меди (0,2…0,6%) и железа – не более 0,5%.

Авиали. Авиали относятся к числу сплавов со средней прочностью, но высокой технологичностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Отличаются высокой пластичностью и свариваемостью, хорошо полируются. Для упрочнения подвергают закалке и искусственному старению. В строительстве применяются в виде профилей, труб, обшивки строительных конструкций и других изделий.

Маркировка алюминиевых сплавов

Единой системы маркировки черных и цветных металлов, в т. ч. алюминиевых сплавов в мировом сообществе не разработано. Маркировку алюминиевых сплавов в РБ и в странах СНГ определяют в основном стандарты: ГОСТы 1583 и 4784, ГОСТ Р 55375 и EN 573-1. Отличия в системах маркировки алюминиевых сплавов вызваны различием в технологиях производства, требованиях к свойствам, области применения и другим параметрам. В настоящее время осуществляется замена различных систем условных обозначений на единую систему цифровой маркировки алюминиевых сплавов.

Что касается европейских норм, то они предусматривают раздельные системы маркировки (кодирования) для деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, основанные на Международной системе обозначений. Деформируемые алюминиевые сплавы имеют, как правило, буквенно-цифровую систему маркировки. Обозначение последовательно составляется из букв EN, затем следует пробел, букв А (алюминий) и W (деформируемый полуфабрикат), дефис и четырех цифр, представляющих химический состав, и при необходимости за ними буквы, указывающей национальную вариацию. Например, EN AW-5154А.

Литейные сплавы тоже имеют буквенно-цифровое обозначение, которое состоит из тех же букв EN, A и далее букв, указывающих на форму полуфабриката (А, С, М) и пяти цифр, показывающих их пределы содержания элементов химического состава. Например, EN AВ-44000.