Цветные металлы: подробное руководство по свойствам и применению

Что такое цветные металлы?

Цветные металлы — сплавы или металлы, не содержащие никакого значимого количества железа. Все чистые металлы — цветные элементы, кроме железа (Fe), которое также называют ферритом от лат. Ferrum — «железо».

Цветные металлы обычно дороже черных, но используются за желательные свойства: легкость (алюминий), высокая проводимость (медь), неметалличность, коррозионная стойкость (цинк).

Некоторые цветные материалы используются в черной металлургии, например боксит — как флюс в доменных печах. Другие цветные металлы — хромит, пиролузит, вольфрамит — для производства черных сплавов. Однако многие цветные металлы имеют низкие температуры плавления, что делает их менее подходящими для высокотемпературных применений.

Существует множество цветных материалов, охватывающих каждый металл и сплав без железа. Важные цветные металлы: алюминий, медь, свинец, никель, олово, титан, цинк, сплавы вроде латуни.

Драгоценные металлы (золото, серебро, платина) и экзотические/редкие металлы (кобальт, ртуть, вольфрам, бериллий, висмут, церий, кадмий, ниобий, индий, галлий, германий, литий, селен, тантал, теллур, ванадий, цирконий) тоже цветные. Обычно получают из минералов: сульфидов, карбонатов,силикатов. Цветные металлы обычно очищают электролизом.

Разница между черными и цветными металлами: черные содержат железо. Черные металлы (чугун, углеродистая сталь) имеют высокое содержание углерода, поэтому уязвимы к ржавлению при влаге. Исключения: кованый железо (стойко из-за чистоты) и нержавеющая сталь (защищена хромом).

Древняя история

Цветные металлы были первыми, использованными людьми для металлургии. Золото, серебро, медь существовали в родной кристаллической металлической форме. Редкие, но встречались в достаточных количествах, чтобы привлечь внимание.

Менее восприимчивы к кислороду, чем большинство металлов, их можно находить даже в выветривающихся'affleures. Медь — первый металл, который ковали; достаточно мягкая для холодной ковки и плавления в тигеле. Золото, серебро, медь заменили дерево и камень благодаря способности формировать разные формы для разных целей.

Из-за редкости эти артефакты считались роскошью и обращались с большой заботой. Использование меди ознаменовало переход от Каменного века к Медному веку. Бронзовый век, сменивший Медный, начался с изобретения бронзы — сплава меди с цветным металлом оловом.

Переработка и контроль загрязнений

Из-за широкого использования цветной металлолом обычно перерабатывают. Вторичные материалы в ломе жизненно важны для металлургии, так как производство новых металлов часто требует их. Некоторые перерабатыватели переплавляют и отливают цветные материалы; шлак собирают и хранят на месте, а металлические пары фильтруют и собирают.

Источники цветного металлолома: промышленные отходы, паровые выбросы, устаревшая техника (например, медные кабели).

Применение и свойства

Цветные металлы используются в широком спектре коммерческих, промышленных и бытовых применений. Требуется тщательный выбор материала по механическим свойствам: как легко формировать металл и изменятся ли свойства в процессе.

Многие свойства черных металлов можно найти в цветных: сплавы алюминия или титана могут заменять сталь в некоторых случаях, магнитные свойства железа эмулируются кобальтом, никелем или редкоземельными элементами в сплавах.

Однако, так как цветные металлы часто дороже, их используют за уникальные атрибуты, а не просто как замену стали. Ключевые атрибуты: малый вес, проводимость, коррозионная стойкость, неметалличность. Цветные металлы также мягче и ковчее черных, что позволяет эстетические применения (золото, серебро).

Свойства цветных металлов:

• Легко обрабатываются (обрабатываемость, литье, сварка)
• Высокая коррозионная стойкость
• Хорошая тепло- и электропроводность
• Низкая плотность
• Неметалличны
• Разноцветные

Распространенные цветные металлы и сплавы

Так как они включают любой металл без железа, их множество.

Важный список цветных металлов:

• Алюминий
• Медь
• Свинец
• Никель
• Олово
• Титан
• Цинк

• Латунь
• Золото
• Серебро
• Платина
• Кобальт
• Ртуть
• Вольфрам

• Бериллий
• Висмут
• Церий
• Кадмий
• Ниобий
• Индий
• Галлий

• Германий
• Литий
• Селен
• Тантал
• Теллур
• Ванадий
• Цирконий

Свойства и распространенное применение некоторых цветных металлов:

1. Медь

Используется человечеством тысячелетиями, медь всё еще широко применяется в промышленности. Медные сплавы — латунь (медь+цинк) и бронза (медь+олово) — расширили применение.

Свойства меди и сплавов: высокая теплопроводность, высокая электропроводность, хорошая коррозионная стойкость, высокая пластичность.

Эти свойства позволяют использовать медь и сплавы для теплообменников и сосудов нагрева, как электрический проводник в проводке и двигателях, кровельный материал, сантехнические фитинги, кастрюли и статуи. Медь окисляется до зеленого цвета.

2. Алюминий

Алюминий — важный металл для широкого спектра применений благодаря низкому весу и легкости обработки. Несмотря на относительно высокую стоимость, алюминий — базовый металл для многих сплавов.

Коррозионностойкий, хороший проводник тепла и электричества (хоть и ниже меди), с хорошей пластичностью и ковкостью, алюминий может требовать отжига, так как затвердевает при холодной деформации.

Легкий алюминий идеален для авиации, автопрома, судостроения (яхты). Также в рамах велосипедов, кастрюлях, банках для напитков.

3. Свинец

Свинец веками использовался для пуль, в топливе, краске. Но оказался вредным при выбросе в атмосферу, другие применения тоже вредили пользователям.

Свинец — самый тяжелый распространенный металл, стойкий к коррозии. Не реагирует со многими химикатами, мягкий и ковкий.

Хотя многие старые применения запрещены, свинец всё еще широко используется для аккумуляторов, силовых кабелей, кислотных емкостей.

4. Цинк

Цинк веками служит легирующим элементом, особенно для оцинковки стали и получения латуни (сплава с медью).

Оцинковка дает большую стойкость к ржавлению: заборы из цепной сетки, ограждения, висячие мосты, фонарные столбы, металлические крыши, теплообменники, кузова авто. Цинк — жертвенный анод в катодной защите (CP) и анодный материал для батарей. Оксид цинка — белый пигмент в красках и рассеиватель тепла при производстве резины.

5. Серебро

Серебро веками — драгоценный металл. Имеет высшую электропроводность, теплопроводность и отражательную способность среди металлов. Мягкое и ковкое при нагревании, высоко стойкое к коррозии.

Ювелирное дело, валюта, солнечные панели, водная фильтрация, электрические контакты и проводники, витражи, даже спецкондитерские изделия.

6. Золото

Драгоценный металл для ювелирки и чеканки. Самый ковкий металл, пластичный, стойкий к коррозии и многим химическим реакциям.

Электропроводность привела к применению в компьютерных устройствах, ИК-экранировании, производстве цветного стекла, позолоте, зубных протезах.

7. Титан

Титан открыт в 1791 году, обладает хорошей коррозионной стойкостью и наивысшим соотношением прочность/плотность среди металлов. В чистом виде прочен как некоторые стали, но менее плотный.

Легируется с железом и алюминием для прочных легких сплавов: авиация, автопром, сельское хозяйство, военное дело, медицина, спорт, ювелирка, мобильные телефоны.

В чем разница между черными и цветными металлами?

Простой ответ: черные металлы содержат железо, цветные — нет. Более глубокий ответ: у каждой группы свои уникальные свойства, определяющие сферы применения.

Цветные металлы используются с начала цивилизации. Открытие меди в 5000 г. до н.э. закончило Каменный век и начало Медный век. Позднее изобретение бронзы (сплав меди и олова) начало Бронзовый век.

Использование черных металлов началось около 1200 г. до н.э., когда производство железа стало обычным. Наступил Железный век.