Дәріс. Маңызды металдар мен олардың қосылыстарын түрлі халық шаруашылығы салаларында қолдану.
14.1. Қара металдар мен олардың негізіндегі құймалар тобын қолдану.
Қара металдар тобындағы ең негізгілері темірдің көміртекпен құймасы –шойын мен болат, және де марганец, хром және ванадий.
Қазіргі адамзат өркениеті тұрған материалдық іргетасты темір жасап отыр. Темір құймасынан жасалған болаттан машина, аппарат және ғимараттардың басым бөліктері құрылып, дайындалған. Металл өндірісінің жалпы көлемінің 90%-ы темірдің үлесіне тиеді. Біз өмір сүріп отырған тарихи кезеңнің біреуі темір ғасыры деп бекер атамаған.
Шойын-темір ( 92%-дейін ) мен көміртектен (2,14-тен 5% дейін) тұрады, сонымен қоса құрамында кремнийдің (4.3% дейін), марганецтің (2%), күкірттің (0,07% дейін), фосфордың (1,2%дейін) қоспалары бар. Шойында көміртектің екі түрі болады: 1) бос күйдегі –графит түрінде; 2) цемент деп аталатын темірмен химиялық қосылыс түрінде. Егер шойында көміртек графит түрінде болса, онда сынған шойын сұр түсте болып, сұр шойын деп аталады. Ал егер цеменит түрінде болса, шойын ақ шойын деп аталады. Кремний сұр шойын алуға мүмкіндік берсе, марганец ақ шойын алуға мүмкіндік береді. Күкірт пен фосфор – зиянды қоспалар. Күкірт шойынды мортты, қою ағатын және көпіршекті жасайды. Ал фосфор шойынның морттылығын жоғарлатып, керісінше сұйық аққыш қылады. Сұр және ақ шойынды өз қасиеттерімен тез ажыратуға болады. Ақ шойын өте қатты және морт, нашар құйылады, құралдармен нашар өңделеді. Ақ шойынды әрі қарай өңдеп болат алады, оны қайта жасалған шойын деп атайды. Ақ шойынның бір бөлігі соғылған шойын алуға кетеді. Сұр шойындар – бұл ұшқыш шойындар: олар өте ұшқыштығымен ерекшеленеді, яғни сұйықаққыш, жұмсақ, жақсы өңделеді, тозбайды. Құрамында сұйықаққыш фосфор мөлшері (0,3-1,2%) жоғары сұр шойынды көркемдік құюға пайдаланады. Сұр шойын өндіріске құйма бұйым (отливка) түрінде түсіп, беріктілігімен және қаттылығымен сипатталады.
Арнайы шойында немесе ферроқұймада кремний мен марганецтің жоғары мөлшері болады. Оған құрамында 25% дейін марганеці бар ферромарганец және құрамында 9-13% кремний мен 15-25% марганеці бар ферросилиций жатады. Бұл шойындар болатты балқытқанда қышқылсыздандыру үшін, яғни болаттан зиянды қоспа – қышқылды алу үшін қолданады.
Соғылған шойындарды ақ шойыннан термоөңдеу арқылы алады. Олар сұрға қарағанда пластикалығы жоғары, сондықтан ауылшаруашылығы техникаларына, шынжырдың түйіндеріне, тежегіш қалыбына қолдалынады.
Мысалы, КЧ 330-8, КЧ 370-12, КЧ 630-2 маркаларында «КЧ» «ковкий чугун»- соғылған шойын дегенді білдіреді, алғашқы сандар үзілгендегі беріктік шегін көрсетсе, екінші сан серпімділіктің %-пен көрсетілген ұзарғыштығын білдіреді.
Беріктігі жоғары шойынды болаттың орнына жауапкершілікті бұйымдар жасағанда қолданады. М, ВЧ-450-5, ВЧ 600-2, ВЧ 1200-4 маркалары, «ВЧ»-беріктігі жоғары шойын дегенді білдіреді. Беріктігі жоғары шойынды сұйық шойынға магний мен силикокальцийді қосу арқылы алады.
Болат құрамы бойынша күкіртті және легірленген деп екі топқа бөлінеді.
Күкіртті болат-кремний, марганец, күкірт және фосфордың қоспалары бар темірдің күкіртпен (214%) құймасы. Бұл болаттың қасиетін анықтайтын күкірт элементі болып табылады. Болаттағы элементтер мөлшері; (%-пен берілген): Fe-99, C-2,14, Si-0,15-0,35, Mn-0,2-0,8, S-0,07 дейін, P-0,07. Болаттағы көміртек цемент сияқты мықтылықты, серпімділікті, беріктікті арттырып, пластикалық пен соғу күшіне тұра алуын төмендетеді. Аз мөлшердегі кремний мен марганец болаттың қасиетіне көп әсерін тигізбейді. Күкірт пен фосфор – зиянды қоспалар. Күкірт (FeS қосылыс түрінде) қызусынғыштыққа (краноломкость) ұшыратады, яғни жоғары температурадағы морттылық (соққанда, прокатта), қажуды жоғарлатып, коррозиялық төзімділікті төмендетеді. Бір жағынан, күкірт өңдеуді жақсартады, сондықтан автомат-станоктарда күкірт мөлшері 0,2% болатын болат өңделеді. Фосфор болаттың әдеттегі температурада жоғары морттылығын (суықсынғыштығын) келтіреді. Әсіресе көміртек мөлшері жоғары болған кезде фосфор теріс әсер етеді. Сонымен қоса қышқыл да зиянды қоспаға жатады.
Күкіртті болат сапасы мен белгіленуі бойынша жіктеледі. Белгіленуі бойынша конструкторлық және инструменттік деп бөлінеді.
Конструкторлық күкіртті болат құрамында 0,6% (кейде 0,85%) күкірт болады. Конструкторлық күкіртті болат сапасы бойынша екі топқа бөлінеді: әдеттегі сапа және сапалы.
Әдеттегі сападағы болат жауапкершілігі жоқ құрылыс конструкциясына қолданылады.
Марганец. Химиялық қосылыс түрінде марганецтің аздаған мөлшері-әйнек өндірісінде химиялық процестің катализаторы ретінде қолданылады. Бірақ марганецтің негізгі үлесі легірленген болатты балқытуға кетеді. Солардың біреуі «Гадфильд болаты» (Mn-10%-ы бар) екпінмен ұнтақтау күшіне өте жоғары кедергіге, қарсылыққа ие болады. Кей жағдайда осындай күштің әсерінен металдың мықтылығы жоғарлайды. Осындай болаттар темір жол крестовин трактор тракторын, бұрғы детальдарын, диірмен, экскаватор новшын жасауға қолданылады.
Mn-Cu-Ni манганин құймасының ерекше қасиеті бар. Оған қысымның түсуіне байланысты ол өзінің электрге қарсы тұруын қатты өзгертеді. Бұл құйма он мыңдаған атмосфера (мың МПа) қысымын өлшей алатын электр манометр жасау үшін қолданылады.
Хром. Хромның негізгі бөлігі (никельмен бірге) тат баспайтын, қызуға төзгіш болат өндірісіне кетеді. Легірленген хромнан алынған болаттан автомобиль – тракторлар, локомотив, турбин детальдарын, подшипник жасауға қолданылады. Әдемі және төзімді металл (бейметалл) бұйымдардың бетін электролитті қаптау үшін хромды пайдаланады. Магнезит хромитті кірпіш – жоғары сапалы отқа төзімді материал.
Хромның химиялық қосылыстарын әйнек керамика, мақта – мата өнеркәсіптерінде бояу ретінде қолданады. Лазерлі құрылғылар үшін рубин кристалдарының құрамына оксид хромының аздаған мөлшерін қосады.
Ванадий. Мөлшермен ванадийдің 90 %-ы шойын мен болатты легірлендіру үшін кетеді. Болатқа ванадийді қосса оның төзімділігі, тұтқырлығы, серпімділік шегі көтеріледі, шыңдалған температураның аралығын кеңейтеді. Ванадий карбиді болаттың мықтылығын арттырады, екпінді ұнтақтау күшіне қарсы тұра алуын жоғарлатады. Болатты легірлендіру үшін ванадий мен бірге Сr, Ni, Мо, W-ды қолданады. Ванадийлі болатты ауыр және көлік машина жасауда кеңінен қолданады. Тi – 4 %, АI- 4 % V құймасынан авиациялық реактивті двигатель, ракета элементтерін жасайды.
Ядролық реактор қабаттары үшін жоғары өткізгіш құймалар өндірісін ванадий материалын қолданады.
Ванадий оксиді V2О5 – күкірт қышқылы өндірісі мен органикалық заттардың кейбір синтез реакцияларында белсенді катализатор болады. Ванадийдің химиялық қосылысы әйнек және керамика өндірісінде бояғыш ретінде қолданылады.
14.2 Түсті металдар және оның негіздегі құймалар тобын қолдану аумағы
Алюминий қолдану қарқыны бойынша екінші орынды алады, бірақ оның екі жүз жылдық қана тарихы бар. Алюминийдің келесі қасиеттері жаңа техника жасайтын конструкторларды қызықтырады: тығыздығы, аз (мыс пен темірден 3 есе аз), жоғары беріктіктегі пластикалық, коррозияға төзімділігі. Электр және жылу өткізгіштігі бойынша ол тек мысқа ғана жол береді. Басқа элементтермен (Si, Мg, Sn, Тi, Сu, Ni) легірлеу және термоөңдеу нәтижесінде беріктігі мен мықтылығы жағынан таза алюминийден асып түсетін құйма алуға болады. Алюминий осы қасиетіне байланысты авиациялық және ракета – ғарыштық өнеркәсібінде негізгі металл болып табылады. Ракета (зымыран) массасының жартысын алюминий құрайды, ал жолаушылар ұшағында оның үлесі 2/3 массаға жетеді.
Соңғы жылдары алюминий құймаларынан жасалған құрылыс конструкцияларының индустриясы қарқынды дамып келеді. Алюминийдің ірі тұтынушысы – электротехникалық өнеркәсіп, одан сым, кабель, трансформаторлар, маторлар орамдары, конденсаторлар т.б. жасайды.
Алюминий бетін жұқа оксид қабыршығы (0,0001 мм) қаптап тұрады, ол металды ауа әсерімен тотығудан сенімді сақтап тұрады. Бұл алюминийдің коррозияға беріктігін сақтайды.
Белсенді тотықсыздандырғыш элемент ретінде болатты қышқылсыздандыру үшін және көптеген металдар мен құймалар алуда алюмотермикалық тәсілде алюминийді металлургияда кеңінен қолданады.
Өндірісі және тұтыну көлемі бойынша үшінші орынды мыс алады. Мыс ең жоғарғы электроөткізгіштікке (күмістен кейін) ие болғандықтан электротехникадағы басты металл болып табылады. Жақсы пластикалық және жоғары беріктігімен мыс ток өткізгіш бұйымдар жасау үшін «ең қажетті» материал болады: сым, кабель, контакт т.б. Мыстың өте жоғары жылу өткізгіштігі көптеген жылутехникалық құрылғылар өндірісінде оны таптырмайтын, ауыстыруға келмейтін металл етеді: жылытқыштар, тозаңтқыштар. Мыстың мырышпен (жезбен) және қалайымен (күміс) құймасы өнеркәсіпте кең таралған. Мыстың никельмен құймасы тиын (ақша белгісі) жасау үшін пайдаланады.
Никель. 150 жыл бойы никель ашылғаннан соң ол өнеркәсіпте қолданылған жоқ. Тек ХІХ ғасырдың екінші жартысында болаттың сапасын жақсартатын никельдің тамаша қасиеті ашылғаннан кейін оның өндірісі тез өсе бастады. Ыстыққа берік және тат баспайтын болат өндірісінде никельдің 70 %-ы қолданылады. Никель басқа металдармен бірігіп қатты және өте қатты құймалар құрамына кіреді. «Инвар» құймасы термикалық кеңеюінің өте аз коэффициентіне ие; «нихром» құймасын қыздырғыш құралдарда қолданады; «элинвар» серпімді құймасы серіппе (пружина) үшін жақсы материал; никель құймаларының көбі жоғары магниттік қасиетке ие. Құрамында никелі бар 3000-нан аса құйма техникада, тұрмыста қолданылады.
Химиялық процестердің катализаторы ретінде, басқа металдардың (мыс, темір) әдемі өрнектелген және коррозияға қарсы қабыршығы ретінде никельді қолданады. Темір никельді сілтілік аккумуляторлар өндірісі өнеркәсібінде кеңінен қолданылады.
Адамға ертеден жақсы белгілі металдарда өздерінің бағаларын жоғалтқан жоқ. Мырыш электрлік батарея жасау үшін темірдің коррозияға қарсы қабыршағы ретінде қолданлады. Мырыш ерітіндісінен жасалған алтын мен күмістің тұнбасы, ретінде мыс пен басқа да металдар құймасы өндірісінде қолданылады.
Қалайы қола мен баббиттің Сu және Рb құймалары құрамына кіреді (подшипниктер жылжуын жасайтын материал). Қорғасынның үштен бірі автомобиль және басқа да көлік түрлерінің электрлік аккумуляторлары өндірісіне кетеді, қорғасын пластиналарымен ішке енетін сәулелерден сақтану үшін ғимаратты қаптайды (рентген сәулесінен, радиоактивті изотоптар сәулеленуінен); қорғасынмен көптеген химиялық реакторлардың ішкі бетін қаптайды (оның қышқылдар мен сілтілерге қарсы тұра алатын химиялық қасиетін ескергендіктен).
Өзінің химиялық беріктігі және әлемі сыртқы түрі мен жоғары беріктігінің арқасында алтын мен күміс тауарлы – ақшалай қатынас дамыған заманда ақшаның қызметін атқарып, айырбас баламасы және бағалану мөлшерін білдірген. Бұдан кейін ақшалай балама қызметін тек алтын орындайтын болды.
Біраз химиялық процестерде катализатор ретінде химиялық өнеркәісіпте күміс кеңінен қолданылып жүр.
Сонымен қоса киноматериалдар мен фото үшін сәуледен қорынғыш эмульсия өндірісінде де қолданады.
Қазіргі уақытта алтын мен күмісті зергерлік бұйымдар өндірісінен басқа, сенімді тотықпайтын контакттер жасау үшін электронды құралдарда пайдаланады.
ХХ ғасырдың ортасында техникалық революция (төңкеріс) нәтижесінде жаңа процестер, технологиялар, өнеркәсіп салалары пайда болды: электротехника, ядролы энергетика, зымыран – ғарыштық кешендер. Оларды жасау үшін жаңа қасиеті бар материалдар қажет болды. Сөйтсе, көптеген сирек кездесетін материалдардың қажетті тапсырмаларды шеше алатын қабілеті бар болып шықты.
Бериллий көп жылдар бойы «тәжірибелік бағасы жоқ металл» болған, енді болашақтың ең озық конструкторлық материалының бірі болып отыр. Бериллийдің жоғары радиациялық беріктігі бар, бұл ядролы реакторлардағы нейрондарды ең жақсы бәсеңдеткіш. Металдардың ішінде бериллий де ең салыстырмалы беріктік (беріктіктің тығыздыққа қатысы) бар, ол тіпті AI мен Мg-тен де жоғары. Болатқа аз мөлшерде бериллийді қосса оның екпінді тұтқырлығы бірталай жоғарылайды. Бериллий қоладан жасалған серіппе (пружина) жүз мыңдаған тербеліс циклі не бұзылмай шыдап тұрады. Жоғары жылуөткізгіштігі және жылусыйымдылығы бар, сонымен қоса AI мен Мg салыстырғанда екі есеге жоғары балқу температурасы бар бериллий жоғары дыбысты ұшақтар мен ғарыш кемелерін қаптау үшін қолданылып жүр. Бериллий оксиді ВеО – ең күшті отқа берік материалдардың бірі (Тбалқу = 27500С).
Литий – ең жеңіл металл (судан екі есе, AI 5 есе, темірден 15 есе жеңіл). 1,0 – 1,5 г/см3 ғана тығыздықпен жоғары механикалық қасиетке ие Li – Ве құймасы көп қызығушылық туғызады. Сілтілік аккумуляторда LiОН –қа NаОН – ты аздап қосса оның қызмет мерзімін 3 есеге ұзартады; литийлі электр батареяларының сыйымдылығы мырыштыкіне қарағанда 6-7 есе жоғары. Литий майы 600С дейінгі температурада жұмыс істей береді. LiF – тен жасалған линза – ультра күлгін сәуле үшін ең мөлдірі. Литийді ядролық энергетикада реакция жылдамдығын реттеуші ретінде қолданады (нейтронды жақсы жұтады); сұйық жылу жеткізгіш ретінде ядролы реакторда тиімді қолданылады (сұйық күйі мөлшері 180-нен 1336 0С). Аса ауыр сутек – тритийді жасап шығаратын жалғыз элемент ретінде литийге қызығушылық өте жоғары, ал тритий дейтериймен өзара әрекеттесіп термоядролық реактордың негізгі реакциясына түссе, энергияның аса мол көзі бөлініп шығады.
Қиын балқитын вольфрам мен молибден металдарын жарықтандыратын электронды лампалар, электр контакт, лактар, майлағыш материалдар (-45-тен +7000С дейін жұмыс істей алады) жасау үшін қыздырғыш ретінде электр пештерінде қолданады. Бірақ бұл металдардың негізгі бөлігі (50-80 %-ы) легірленген болат балқытуға кетеді: аспаптық, тез кесетін ыстыққа берік, тозуға төзімді, қышқылға берік т.б. болат жасайды; Вольфрамның едәуірі кесетін және бұрғылайтын аспаптар үшін қатты құймалар өндірісіне (85 – 95 % WС және 5 – 15 % Со) жұмсалады.
Магний. Магнийді басқа металдардан өзгешелейтін ерекшелігі оның төмен тығыздығы -1,74 г/см3 болып табылады, темірге қарағанда 4,5 есе, алюминийден 1,5 есе тығыздығы аз.
Ғалымдар магнийді қосу арқылы жеңіл, берік, термошыдамды құймалар жасап шығара алады. Мg-ні легірлендіру үшін Тi, АI, Zn, Мn, Ве, Li, Сd, Се, Сu-ды қолданады.
Зымыран, ядролы реакторлар элементтері мотор бөлшектері, жанар жағар май бактары, вагон, автобус, жеңіл автомобильдер қаңқасы, дөңгелек фото және киноаппараттары – бұлар магний құймаларынан жасалған бұйымдардың толық емес тізімі. Металлургияда да магний маңызды рөл атқарады: болатты қышқылсыздандырғыш ретінде, басқа металдарды (титан, ванадий, хром, циркония) тотықсыздандырғыш ретінде, шойынды модификациялау үшін пайдаланады. Магний металлургиялық пештер құрылысында отқа берік материал өндірісі үшін де қолданылады.
Титан негізіндегі құймалардың жоғары салыстырмалы беріктігі бар, сондықтан оларды негізінен реактивті авиацияда және зымыран ғарыштық техникада (75-80 %) қолданылады. Соңғы уақытта титан құймаларын кеме құрылысында химиялық машина жасау және медициналық аспаптар өндірісінде қолданады. Титан карбиді аспаптық қатты құймалар құрамына кіреді (10-40 % ТiС, 85 – 50 % WС, қалғаны Со). Титан карбиді сонымен қоса реактивті двигательдерде газды турбин элементін жасауға кететін ыстыққа берік және ыстыққа ыстыққа төзімді құймалар өндірісіндеде қолданылады.
Цирконий ядролық реакторлар элементтерін жасау үшін (құбыр, қорғаныш қабыршық т.б.) ең тура келетін материал болып шықты. Электроникада циркониді электр құрылғыда жоғары вакуумды сақтау үшін газды белсенді жұта алатын қабілетіне орай қолданады. ZrО2 және ZrSiО4 түріндегі цирконий өндірісінің жартысынан көбі отқа берік, форфор, эмаль және әйнек өндірісінде қолданылады.
Реттеуші және сақтандырғыш құрылғыларда, ядролық реакторда гафний қолданылады. Сонымен қоса, ауыр балқитын және ыстыққа төзімді құймалар өндірісінде қолданады. Балқу температурасы HfС-38900С, ал сұйық ерітіндінікі 25% HfС және 75% тас -42000С.
Торий мен оның қосылысын темір және түсті металдар құймаларын легірлендіру үшін органикалық синтезде катализатор ретінде қолданады. Tho2 – жоғары отқа берік материал. Торий ядролық отын (уран орнына) бола алады.
Уран – ядролық реакторлардың негізгі жанар-жағар майы.
Скандий және оның қосылыстары жеңіл құймалар, электронды техника, светотехника, және арнайы қыш өндірісінде қолданылады. Скандиді пайдалану мүмкіншілігі оның жоғары бағасымен шектеледі. 1988ж. 1 грамм скандий оксиді 2,8 доллар тұрса, таза скандийдің 1 грамы 15 доллар тұрған.
Тантал және ниобий радиотехникада және электротехникада, ыстыққа берік, жоғары өткізгіш және қатты құймалар өндірісінде, болатты легірлеуде, атом энергетикасы мен химиялық машина жасауда пайдаланылады.
Галий мен индий бірдей жерлерде қолданатындықтан ұқсас: металдарды төменгі температурада дәнекерлеу үшін жартылай өткізгіш электроникада, құймаларда қолданады. Оларды күн батареясына, инфрақызыл сәулеленген қабылдағыштарда, лазерде қолданылады. Индидің жабуы (покрытие) өте жоғары шағылыстырғыш қабілеті бар, сондықтан ол көмескіленбейді. Оларды рефлекторлар жасауда пайдаланады.
Германидің негізгі міндеті – жартылай өткізгіш электроника (күшейткіш және түзеткіш жасау үшін). Қазіргі уақытта германидің негізінде өнеркәсіптік үзілістік токы түзеткіші ойлап табылады. Олар жоғары КПД (95%) және аз мөлшердегі габариттерімен ерекшеленеді. Германидің екінші қолданылатын аймағы оптикалық әйнек (>40%) өндірісі болып табылады.
Рений. Негізгі қолданылатын жері химиялық процестердің катализаторы ретінде (мұнай крекинг-де).
Химиялық және мұнай өнеркәсібі. Рений таза түрінде де және вольфраммен құйма түрінде де электрожарықтандырғыш және электровакуумды техникада, электрокоррозияға берік контактар өндірісі үшін қолданылады.
Сирек жер элементтері (СЖӘ)-металдар түрінде, құймалар және химиялық қосылыстар түрінде қара металлургияда ( лантан, цирконий), қыш және әйнек өндірісінде (Ce2O3), атом энергетикасында (гоадолиний, иттрий, европий) қолданылып жүр. Бұл металдардың оксидтері керамикалық сақтандырғыш жабу құрамына кіреді. Самарилі-кобальтты магниттер басқа құймалардың (Fe-Ni-Co-Al) бірдей көлемдегі магниттік энергиясынан 2-4 есеге асып кетеді және коэрцитивті күшімен 5-10 есеге асып кетеді. Түрлі-түсті теледидарлар киноскоптары үшін люминофор ретінде СЖӘ қолданып олардың өндірісін бірталай көтерді (иттрий, европий, ниобий). Түрлі лазерлер түрінде де СЖӘ қолданылады. Оларды пайдалану тізімі толық берілген жоқ. Лантаноидтар, олардың құймалары мен қосылыстарын зерттеп жзса тізім ұзарып кетеді.
Негізгі әдебиет 7 [12 – 17]; Қосымша әдебиет 16 [27 – 62].
Бақылау сұрақтары:
1.Болатты легірлендіруді қандай мақсатта жүргізеді?
2.Қандай шойын ақ деп, қандайы сұр деп аталады?
3.Ферроқұйманы қалай алады және оны алу үшін қандай материалды қолданады?
4.Беріктігі жоғары және соғылғыш шойынды қалай алады, оларды қайда пайдаланады?
5.Болаттың суықсынғыштығы және қызусынғыштығы деген не?
6.Хром, мраганец және ванадиді пайдаланатын жерлерді ата?
7.Ауыр түсті металдар топшасын ата, мыс, никель, мырыш, қалайының қолданылатын жерлерін ата?
8.Жеңіл металдар топшасын ата, алюминий, бериллий, литий, титан, магнийді қалай қолданады?
9.Асыл түсті металдар топшасын ата, алтын мен күмісті қайда қолданады?
10.Сирек кездесетін ауыр балқитын металдар топшасын ата, вольфрам, молибден, рений, танталды қайда қолданады?
11.Сирек кездесетін енжар металдар топшасын ата, галий мен индийді қайда қолданады?
12.Қара және түсті металлургияда қолданылуына байланысты сирек жер металдарына сипаттама бер?