На сегодня цена тонны алюминия составляет примерно 1640 $ за тонну на Лондонской бирже металлов. И надо отметить, что сейчас на рынке алюминия спрос сильно снизился. Обвальное падение цен на алюминий в 1993 г. вынудило семь основных мировых производителей сократить выпуск металла на 1044 миллиона тонн в год. Основными странами-производителя ми было заключено соглашение об ограничении производства алюминия, ко торое истекает в декабре 1995 г. Уже сейчас известно, на сколько по истечении срока действия соглашения основные производители расширят свое производство алюминия. Так, норвежская группа "Норск хидро" в 1996 г. вернется к полной загрузке мощностей, что преполагает дополни тельный выпуск 70000 тонн металла. Голландская "Хуговенс" увеличит свое производство на 42000 тонн, канадская "Алкан"-на 124000 тонн. Крупнейшие заводы России обьявили о том, что полная загрузка производ ственных мощностей будет достигнута уже в будущем году, однако, скорее всего, по мнению французкой газеты "Трибюн", намеченная задача не бу дет выполнена из-за проблем со снабжением сырьем. Тем не менее, по оценкам, в 1996 г. Россия произведет 2. 7 миллиона тонн и экспортирует 2. 2 миллиона тонн алюминия. Плюс к этому отмечается быстрое расширение предложение алюминия со стороны Индии, государств Южной Америки и осо бенно государств Персидского залива.
Специалисты полагают, что начало 1996 г. на мировом рынке алюминия будет отмечено незначительным дефицитом предложения-от 180000 до 260000 тонн, которого, однако будет явно недостаточно, чтобы приоста новить падение цен, вызванное замедлением спроса. По всей видимости, мировая цена на алюминий в 1996 г. будет колебаться на критическом для производителей уровне - 1400-1500 $ за тонну.
Из цветных металлов в хозяйстве также очень широко используется медь и ее сплавы. Из всех цветных металлов медь нашла наиболее раннее широкое применение. Ее сплавы, называемые бронзами, были известны че ловечеству с доисторических времен, когда они были единственным метал лом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда (бронзовый век). По внешнему виду медь легко отличить от всех остальных металлов, так как она имеет специфический красновато-розовый цвет.
Медь химически мало активна. В разбавленных соляной и серной кисло тах растворяется только в присутсвии окислителя (например, кислорода). Легко растворяется в азотной кислоте. Она обладает высокой коррозион ной стойкостью в атмосферных условиях и в парах воды.
Относительная плотность меди 8. 95, температура плавления 1083 C . Характерными физическими свойствами меди являются ее высокие тепло и электропроводность. По электропроводности медь занимает первое место среди других технических металлов. При 0 C удельная электропроводность меди равна 64 1/ом. Незначительно выше электропроводность только у се ребра (68 1/ом), но оно существенно дороже меди. Электропроводность меди тем выше, чем она чище. Любые примеси снижают это ценное ее свойство.
Медь-очень пластичный металл с невысокой прочностью. Ее механические свойства в сильной мере зависят от состояния поставки. Следует иметь в виду, что у нагартованной, т. е. упрочненной холодной пластической де формацией меди электропроводность ниже. Снять наклеп можно с помощью рекристаллизационного отжига.
Медь кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку с па раметром 3, 6 А. Аллотропических превращений не имеет.
Медь встречается в земной коре главным образом в виде комплексных соединений, содержащих, кроме меди, свинец, цинк, сурьму, мышьяк, зо лото и серебро. В рудах медь находится в виде сульфидных и окисленных соединений; встречается и самородная медь. Наибльшее распространение и значение имеют сульфидные руды, содержащие от 1 до 5% Cu. К сульфидным рудам относятся медный колчедан, медный блеск и пестрая медная руда. М е д н ы й к о л ч е д а н или х а л ь к о п и р и т-минерал ла тунно-желтого цвета. Представляет собой химическое соединение меди с железом и серой CuFeS , содержащее 34, 5% Cu. Твердость по Моосу 3-4. Это главная медная руда, из которой извлекают большую часть добывающей меди.
М е д н ы й б л е с к, или х а л ь к о з и н, -минерал свинцово серого или черного цвета. По химическому составу это соединение меди с серой Cu S, в котором содержится 79, 8% Cu, а иногда присутствует при месь серебра. Твердость минерала по шкале Мооса 2-3. Медный блеск от носится к богатым медным рудам.
П е с т р а я м е д н а я р у д а, или б о р н и т, является про дуктом распада медного колчедана. Химический состав минерала Cu FeS , т. е. это сульфид меди и железа с содержанием 52-65% Cu. Твердость по Моосу около 3.
Из окисных медных руд наибольшее значение имеет красная медная руда. К р а с н а я м е д н а я р у д а, или к у п р и т, -минерал крас ного цвета, имеющий химический состав Cu O с содержанием 88, 8% Cu. Твердость по Моосу 3, 5-4. Это-богатая медная руда.
Медь можно получить пирометаллургическим и гидрометаллургическим спосабами. Наиболее распространным в современной практике является пи рометаллургический способ.
Богатые окисленные руды с содержанием меди 3-5% и более подвергают непосредственной плавке. Руды со средним содержанием меди (1-2%) и все комплексные руды, в состав которых входят цинк, свинец, никель и дру гие металлы, включая благородные, перед плавкой проходят обогащение. Наиболее широко его осуществляют флотационным методом, позволяющим по чить концетрат с 15-30% Cu.
Богатую руду или концетрат вначале обжигают при 600-700 C для удале ния избытка серы и образования окислов железа, а затем переплавляют в отражательных печах. При переплавке получается еще не медь, а медный штейн, состоящий из сернистых соединений меди и железа. В нем содер жится приблизительно 20-25% Cu, 20-40% Fe и 22-25% S. Медный штейн в жидком виде поступает на дальнейшую переработку для получения черновой меди.
Черновую медь получают в горизонтальных конвертерах путем продувания воздуха через расплавленный штейн. В первой стадии процесса проходящий через расплав кислород окисляет железо и получающиеся окислы, соединя ясь с кремнеземом, образуют шлак:
2FeS + 3O + SiO 2FeO SiO + 2SO .
Эти реакции проходят с выделением большого количества тепла, поэтому никакого дополнительного подогрева ванны не требуется. Шлак удаляют. Вторая стадия процесса состоит из двух этапов и приводит к получению черновой меди:
Cu S + 1, 5O Cu O + SO ;
Cu S + 2Cu O 6Cu + SO .
Продолжительность конвертирования штейна, содержащего 24% Cu, при емкости конвертора 40 т составляет около 15 ч, а при более крупных конверторах 25-30 ч.
Готовую черновую конверторную медь разливают в металлические формы (изложницы) и получают слитки. Эта медь еще непригодна для технических целей, ее необходимо подвергнуть огневому или электролитическому рафи нированию.
При огневом методе через черновую медь в пламенных отражаельных пе чах под давлением продувают воздух, кислород которого выжигает приме си. Этод метод применяют для получения меди не особенно высокой чисто ты и в тех случаях, когда медные руды, из которых приготовлена черно вая медь, содержит ничтожно малое количество благородных металлов или не содержат их совсем. При этом способе они не извлекаются, а полнос тью остаются в получающейся огневой меди.
В настоящее время в большинстве случаев применяют электролитическое рафинирование, обеспечивающее более полную очистку меди от примесей и позволяющее более полную очистку меди от примесей и позволяющее извле чение благородных металлов. Используют также последовательное комбини рование более дешевого огневого способа с электролитическим. При электролитическом рафинировании в ванну с электролитом опускают аноды, в качестве которых служит подлежащая очистке медь с примесями, и катоды-тонкие (0, 5-0, 7 мм) листы чистой меди. Первые соединяют с по ложительным полюсом, а вторые-с отрицательным. При пропускании тока медь анода сначала переходит в электролит в виде положительно заряжен ных ионов, а потом осаждается на катодах, которые вынимают через каж дые 10-12 дней по достижении массы 60-90 кг.
Примеси, находящиеся в аноде, частично растворяются в электролите, частично переходят в шлам-нерастворимый осадок.
Электролитную катодную медь для переплавки в проволоку, листы и дру гие изделия переплавляют в плавильных печах и разливают в слитки раз личной удобной для прокатки формы.
Если медь предназначена для изготовления медных сплавов, то катодные листы режут на части и переплавляют с необходимым для этой цели добав лением легирующих элементов.
На мировом рынке в основном обращается технически чистая медь разной степени чистоты.
Наша промышленность производит десять марок меди, отличающихся друг от друга количеством примесей.
Марка меди............................ М00 М0 М0б М1 М1р
Содержание меди, % не менее... 99, 99 99, 95 99, 97 99, 90 99, 90
Марка меди............................ М2 М2р М3 М3р М4
Содержание меди, % не менее... 99, 70 99, 70 99, 50 99, 50 99, 0
Медь марок М1р, М2р и М3р при суммарном содержании примесей, одина ковом с медью марок М1, М2 и М3, отличается от них тем, что они более полно раскислены-содержание кислорода в них снижено до 0, 01 % вместо 0, 05-0, 08 %. Кроме того, в них дополнительно содержится до 0, 04 % P. Марка М0б кислорода не содержит, тогда как в марке М0 он быть в коли честве до 0, 02 %.
Примесями в меди являются висмут, сурьма, мышьяк, железо, фосфор и серебро. Влияние различных примесей на свойства меди неодинаково, по этому в контрактах описывается не только суммарное содержание приме сей, но приведены также предельно допустимые количества каждой из них. Наиболее вредны в меди висмут и свинец. Они с нею образуют легко плавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерна. При нагре ве под обработку давлением эвтектики расплавляются и делают хрупким, неспособным воспринимать пластическую деформацию, т. е. красноломким. Поэтому висмут и свинец допускаются в меди разной степени чистоты в количестве тысячных и даже десятитысячных долей процента.
В зависимости от чистоты применение меди различно. Поскольку любая примесь в той или иной мере снижает электропроводность, то для изго товления проводников электрического тока (проводов, шин, контактов и др. ) применяют преимущественно наиболее чистую медь марок М00 и М0. Менее чистую медь применяют для разных целей, используя ее основные положительные свойства: высокую теплопроводность и коррозионную стой кость.
Большое количество меди идет на изготовление сплавов на ее основе и для легирования других цветных сплавов, например медноникелевых, мед носеребряных и др. При этом более чистые сорта меди (М0, М1, М2) при меняют для получения сплавов высокой чистоты и высококачественных, об рабатываемых давлением, а менее чистые-для деформируемых сплавов обыч ного качества (М3) и для литейных сплавов (М3, М4).
Технически чистую медь поставляют или в виде катодных листов, или в виде полуфабрикатов-слитков, предназначенных для дальнейшего передела прокаткой. Поставляют также и готовые медные изделия, полученные ли тьем (отливки разной формы и назначения) и главным образом методами обработки давлением-проволоку, листы, ленты, полосы и др.
Наиболее широко применяемыми в народном хозяйстве являются медные сплавы двух типов, носящие общее групповое название латуней и бронз. В каждой из этих групп содержатся сплавы разного химического состава, обладающие различными свойствами.
Л а т у н я м и называют сплавы меди с цинком. Различают двухкомпо нентные латуни, состоящие только из меди, цинка и неизбежных примесей, и многокомпонентные латуни, в которые дополнительно введены еще один или несколько легирующих элементов для придания тех или иных свойств. Первые латуни часто называют простыми, а вторые-специальными. Двухкомпонентные латуни. Предел растворимости цинка в меди при ком натной температуре равен 39 %. При повышении температуры он снижается и при 905 C становится равным 32 %. Латуни, содержащие цинка менее 39 %, имеют однофазную структуру твердого раствора цинка в меди; их называют -латунями.
Если вводят большое количество цинка, то появляется вторая более сложная -фаза. Структура сплавов становится двухфазной. Их называют ( + )-латунями.
В практически применяемых латунях количетво цинка не превышает 45 %. В пределах этого содержания цинк сильно изменяет свойства сплавов. Цинк повышает прочность и пластичность меди.
Максимальной пластичностью обладает -латунь, содержащая 30 % Zn. Прочность ее сравнительно низкая. Резкое снижение пластичности наблю дается при переходе через границу растворимости цинка в меди, когда сплав становится двухфазным и представляет собой механическую смесь и -кристаллов. Максимальная прочность достигается в сплавах с 45% Zn, но пластичность при этом становится невысокой. Дальнейшее повышение содержание цинка приводит к резкому снижению прочности без повышения пластичности, поэтому в практике такие сплавы не используют.
________________________________________________________
| | | Механические свойства |
| Сплав | Содержание |____________________________|
| | цинка, % | Временное | Относител. |
| | | сопротивление | удлинение |
| | | кГ/мм | % |
|______________|____________|_______________|____________|
| | | | |
| Медь............. | - | 19 | 22 |
| | | | |
| -латунь....... | 30 | 28 | 40 |
| | | | |
| ( + )-латунь. | 45 | 42 | 7 |
| | | | |
| -латунь | 50 | 6 | 3 |
|______________|____________|_______________|____________|
Коррозионная стойкость латуней в атмосферных условиях оказывается средней между стойкостью элементов, образующих сплав, т. е. цинка и ме ди.
Латуни обладают высокими технологическими свойствами. Из них получа ют хорошие отливки, так как они обладают хорошей жидкотекучестью и ма лой склонностью к ликвации. Одновременно с этим латуни легко поддаются пластической деформации и поэтому основное их количество идет на изго товление катанных полуфабрикатов-листов, полос, лент, проволоки и раз ных профилей.
Особенностью обработки латуней давлением является то, что для обра ботки в холодном состоянии (тонкие листы, проволока, калиброванные профили) используют -латунь с содержанием цинка до 32 %, так как она при комнатной температуре имеет высокую пластичность и малую проч ность. При повышении температуры до 300-700 C ее пластичность уменьша ется, поэтому в горячем состоянии ее обрабаывать нет смысла. Для этой цели целесообразно использовать или -латунь с большим содержанием цинка (до 39 %), которая при нагреве переходит в двухфазное состояние + , или еще лучше ( + )-латунь. Обьясняется это тем, что менее плас тичная при комнатной температуре -фаза при высоких температурах ста новится более пластичной, чем -фаза.
Цинк более дешевый материал по сравнению с медью, поэтому его введе ние в сплав одновременно с повышением механических, технологических и антифрикационных свойств приводит к снижению стоимости-латунь дешевле меди. Электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди. Поскольку содержание меди и цинка решающим образом влияет на все свойства латуней, его отражают в наименовании марки. Марка латуни сос тавляется из буквы Л, указывающей тип сплава-латунь, и двузначной ци фры, характеризующей среднее содержание меди. Количество цинка не от ражают, так как его легко определить по разности от 100 %. Например, марка Л80-латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn.
Классификация латуней дана в таблице.
____________________________________________________________________ | | | Химический состав, % | Механические свойства |
| Сплав |Марка |______________________|__________________________| | |сплавов| |примеси, не| Временное | Относител. | | | | медь | более |сопротивление| удлинение, | | | | | | кГ/мм | % | |__________|_______|__________|___________|_____________|____________| | | | | | | | | Томпак | Л96 | 95-97 | 0, 2 | 24 | 50 | | | Л90 | 88-91 | 0, 2 | 26 | 45 | | | | | | | | |Полутомпак| Л85 | 84-86 | 0, 3 | 28 | 45 | | | Л80 | 79-81 | 0, 3 | 32 | 52 | | | | | | | | | Латунь | Л70 | 69-72 | 0, 2 | 32 | 55 | | | Л68 | 67-70 | 0, 3 | 32 | 55 | | | Л63 | 62-65 | 0, 5 | 33 | 49 | | | Л60 | 59-62 | 1, 0 | - | - | |__________|_______|__________|___________|_____________|____________| Остальное-цинк.
Контролируемыми примесями в медноцинковых сплавах являются свинец, железо, сурьма, висмут и фосфор, а в марке Л70 еще дополнительно-мышь як, олово и сера. Их вредное влияние на латунь такое же, как и в чис той меди-они делают ее хрупкой при горячей обработке давлением. Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их пос тавляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, лен ты, проволоки и прутков различного профиля.
Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагар тованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на возду хе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряже ние, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.
Многокомпонентные латуни. Количество марок многокомпонентных лату ней, естественно, больше, чем двухкомпонентных, так как в них варьи руется не только содержание цинка, но также наименование и количество входящих легирующих элементов.
Наименование специальной латуни отражает ее легирование. Так, если она легирована железом и марганцем, то ее называют железомарганцевой, если алюминием-алюминиевой и т. д.
Марку этих латуней составляют следующим образом: первой, как в прос тых латунях, ставится буква Л, вслед за ней-ряд букв, указывающих, ка кие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь; затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержа ние меди в процентах, а последующие-каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: снача ла тот, которого больше, а далее по нисходящей закономерности. Содер жание цинка определяется по разности от 100%. Например, марка ЛАЖМц66 6-3-2 расшифровывается так: латунь, в которой содержится 66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe и 2 % Mn. Цинка в ней 100-(66+6+3+2)=23 %.
Основными легирующими элементами в многокомпонентных латунях явля ются алюминий, железо, марганец, свинец, кремний, никель. Они по-раз ному влияют на свойства латуней.
М а р г а н е ц повышает прочность и коррозионную стойкость, осо бенно в сочетании с алюминием, оловом и железом.
О л о в о повышает прочность и сильно повышает сопротивление корро зии в морской воде. Латуни, содержащие олово, часто называют морскими латунями.
Н и к е л ь повышает прочность и коррозионную стойкость в различных средах.
С в и н е ц ухудшает механические свойства, но улучшает обрабатыва емость резанием. Им легируют (1-2 %) латуни, которые подвергаются ме ханической обработке на станках-автоматах. Поэтому эти латуни называют автоматными.
К р е м н и й ухудшает твердость, прочность. При совместном легиро вании кремнием и свинцом повышаются антифрикционные свойства латуни и она может служить заменителем более дорогих, например оловянных бронз, применяющихся в подшипниках скольжения.
Еще наиболее распространенными медными сплавами являются бронзы. Б р о н з а м и называют все медные сплавы за исключением латуней. Следовательно, бронзы-это сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием и другими элементами. Наиболее раннее применение нашли оло вянные бронзы, которые знали и широко использовали еще в древности. Эти бронзы не утратили своего значения и в настоящее время, но в силу высокой стоимости и дефицитности оловаисследователи искали и нашли ряд заменителей оловянной бронзы, в которых олово содержится в меньшем ко личестве по сравнению с ранее применявшимися бронзами или не содержат совсем.
В зависимости от легирования бронзы называют оловянными, алюминие выми, кремневыми, бериллиевыми и т. д. Марку бронз составляют из букв Бр, характеризующих тип сплава-бронза; букв, указывающих перечень вхо дящих легирующих перечень входящих легирующих элементов в нисходящем порядке их содержания, и цифр, соответсвующих их среднему количеству в процентах. Указывать в марке содержание меди в противоположность лату ням нет необходимиости. В латунях два обязательно присутствующих не указанных в марке элемента-медь и цинк, а в бронзах-только медь и ее легко определить по разности от 100 %. Например, маркой Бр. ОЦС4-4-2, 5 обозначают бронзу, содержащую 4% Sn, 4% Zn, 2. 5% Pb и 100-(4+4+2. 5)= =89, 5% Cu.
Принято все бронзы делить на оловянные и безоловянные.
Оловянные бронзы. Олово на механические свойства меди влияет анало гично цинку: оно повышает прочность и пластичность. Количественно это влияние выражено еще более сильно. Кроме того, сплавы меди с оловом обладают высокой антикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикцион ными свойствами. Этим обусловливается применение бронз в химической промышленности для изготовления литой арматуры, а также в качестве ан тифрикционного материала в других отраслях.
Бронза хорошо обрабатывается давлением и резанием. Она имеет очень малую усадку при литье: менее 1%, тогда как усадка латуней и чугуна составляет около 1, 5%, а стали-более 2%. Поэтому, несмотря на склон ность к ликвации и сравнительно невысокую жидкотекучесть, бронзы при меняют для получения сложных по конфигурации отливок, включая худо жественное литье.
Оловянные бронзы легируют цинком, никелем и фосфором. Цинка добав ляют до 10%, в этом количестве он почти не изменяет свойств бронз, но делает их дешевле. Свинец и фосфор улучшают антифрикационные свойства бронзы и ее обрабатываемость резанием.
Оловянные бронзы дорогие, поэтому в народном хозяйстве их применяют ограниченно.
Бронзы безоловянные. В настоящее время существует ряд марок бронз, не содержащих олова. Это двойные или чаще многокомпонентные сплавы ме ди с алюминием, марганцем, железом, свинцом, никелем, бериллием и кре мнием.
Во многих случаях эти бронзы не только не уступают оловянным брон зам, но по некоторым свойствам и превосходят их. Алюминиевые, кремни евые и особенно бериллиевые бронзы превосходят их по механическим свойствам, алюминиевые-по коррозионной стойкости, кремнецинковая-по жидкотекучести.
Преимуществом некоторых из них (алюминиевой, бериллиевой) является также и то, что они могут быть подвергнуты термической обработке, в результате чего увеличивается их прочность. Величина усадки при крис таллизации у всех этих бронз более высокая, чем у оловянных. В этом отношении оловянная бронза непревзойденный литейный сплав.
С п л а в ы м е д ь-ф о с ф о р не могут служить машиностроитель ным материалом, поэтому их нельзя отнести к бронзам. Однако они явля ются товаром на мировом рынке и предназначаются в качестве лигатура при изготовлении многих марок фосфористых бронз, а также и для раскис ления сплавов на медной основе.
Среди других медных сплавов, кроме латуни и бронз, наиболее значимой является группа м е д н о н и к е л е в ы х с п л а в о в. Медь и никель имеют одинаковую кристаллическую решетку и почти оди наковый размер атомов, поэтому при сплавлении они образуют непрерывный ряд твердых растворов. Изменение свойств тведого раствора в такой сис теме происходит тоже непрерывно. Поэтому деление медноникелевых спла вов на те, у которых основой является медь, и те, у которых основа ни кель, следует считать условным.
Никель, введенный в медь, сильно изменяет ее свойства. Твердость, прочность и пластичность сплавов при увеличении содержания никеля воз растают. Электропроводность резко снижается, и это используют для соз дания сплавов на медной основе с высоким электросопротивлением. Леги рование никелем вызывает значительное повышение антикоррозионной стой кости. Изменяется и внешний вид сплавов-уже при 15% Ni получается се ребристо-белый цвет сплавов, совершенно отличный от цвета меди. Назначение каждого медноникелевого сплава, как правило, узкое и впо лне определенное, соответствующее его основным свойствам. Так, сплав с 19% Ni красив по внешнему виду, пластичен, хорошо сопротивляются кор розии и истиранию, поэтому его применяют, в частности, для чеканки мо нет и медалей; сплав с 40% Ni, легированный марганцем имеет наиболее высокое электросопротивление из всех медноникелевых сплавов, поэтому его применяют для электротехнических целей, в термопарах и т. д. Наиболее широко применяемые сплавы меди с никелем: мельхиор, ней зильбер, манганин, константин, конель, куниаль А, куниаль Б. В этих сплавах, кроме химического состава, по основным элементам контролируют содержание одиннадцати примесей, в числе которых кремний, углерод, висмут, мышьяк, свинец, сурьма и т. д.
