Самые необычные металлы и сплавы
Обновлено: 15.05.2024
В этом году исполняется 195 лет со дня, когда впервые были получены первые крупинки чистого алюминия. Этот удивительный металл скрывается в коре Земли в огромном количестве, но в виде оксидов, а чтобы получить его в чистом виде, надо приложить массу усилий. Но оно того стоит! Как использовали алюминий 200 лет назад, как он воплотил фантазии писателей научпопа, что ждёт нас в будущем — слово экспертам Алюминиевой ассоциации России.
— В 1964 году фантаст Айзек Азимов изложил своё видение мира через 50 лет, в котором предсказал появление 3D-изображения, беспроводных гаджетов, беспилотных машин, звонков в любую точку мира. Всё это наши сегодняшние реалии. Так что в каждой сказке есть только доля сказки, особенно если речь идёт о завтрашнем дне с применением алюминия — конструкционного материала будущего, — отмечает руководитель сектора "Машиностроение" Алюминиевой ассоциации России, директор по продажам прокатной и прессовой продукции коммерческого назначения "Арконик Россия" Егор Балыкин
Знаменитый писатель жил уже в эпоху развитой металлургии. Уже тогда алюминий помогал реализовывать самые разные задачи — от упаковки до авиаперевозок. А начиналось всё в 1825 году, когда датский физик Ханс Эрстед в своей лаборатории решил воздействовать амальгамой калия на оксид алюминия с последующей отгонкой ртути. И получил крупинки серебристого металла, который ещё много десятилетий будет цениться дороже золота.
Любопытно, что название "алюминий" придумал английский химик Гемфри Дэви за 17 лет до Эрстеда. В 1808 году он записал в своём дневнике: "Если мне посчастливится найти металлическое вещество, которое я ищу, я предложу для него название "алюминий". Гемфри Дэви пытался получить этот металл и использовал для этого примитивный способ электролиза, однако потерпел неудачу.
А спустя два года после экспериментов Ханса Эрстеда немецкий химик Фридрих Вёлер, изменив методику их проведения, снова выделяет алюминий, причём в гораздо большем количестве — целых 30 граммов!
Сейчас один только Красноярский алюминиевый завод выпускает почти миллион тонн в год, а 170 лет назад алюминий было настолько сложно производить, что ни о каком массовом распространении говорить было невозможно. Вот французский император мог себе позволить алюминий: Наполеон III повелел сделать из него погремушку для своего новорождённого сына — королевские прихоти.
Фото © ТАСС / Иванов Виталий
К этому моменту французский химик Анри Сент-Клер Девиль и его немецкий конкурент Роберт Бунзен уже изобрели химический способ производства алюминия. За 36 лет с его помощью было выпущено целых 200 тонн металла — невиданный объём для XIX века!
В конце XIX века технологии шагнули так далеко, что недавние мечтатели оказались в самом центре бушующего прогресса. Именно мечтатели двигают мир вперёд. В 80-х годах XIX века произошло два значимых для науки и промышленности события: в России Карл Байер запатентовал метод извлечения глинозёма (основного сырья для производства алюминия) из бокситов, а в Америке Чарльз Холл создал технологию электролиза алюминия, позволившую существенно снизить издержки его производства.
Седьмой номер журнала "Наука и жизнь" от 1890 года размещает статью "Алюминиевый век", в которой авторы предрекают металлу стать заменой железа. Сплавы алюминия, и ныне представляющие уже значительный практический интерес, в будущем, с удешевлением алюминия, наверное, будут играть очень важную роль в промышленности. Эти сплавы очень многочисленны. Как общее положение можно указать, что алюминий улучшает качества почти всех металлов, к которым прибавляется в малых количествах. Он увеличивает прочность их, блеск мягких металлов и сообщает им большее сопротивление действию химических агентов. Он сплавляется почти со всеми полезными металлами.
И с этого момента мы двигаемся вперёд на алюминиевых ногах. Карл Бенц в 1899 году представляет публике свой первый автомобиль — с алюминиевым корпусом, в 1903 году братья Райт поднимают в воздух летательный аппарат, двигатель которого собран из алюминиевых деталей. В 1907 году стараниями Роберта Неера в Швейцарии появляется знакомая нам фольга, и наконец Альфред Вильм в Германии замешивает алюминий с магнием, марганцем и медью и получает дюралюминий.
За последние 120 лет алюминий поселился практически во всех сферах, это едва ли не самый востребованный и перспективный металл. В начале XX века люди мечтали научиться летать, и следующие 120 лет алюминий и дюралюминий остаются главным компонентом в авиастроении. Сегодня мы мечтаем об освоении других планет, межзвездных путешествиях — и здесь алюминиевые сплавы, много лет использующиеся в околоземной космонавтике, получают всё большие перспективы.
— В космонавтике будут более широко применяться новые высокопрочные сплавы (типа 1580) для конструктивных элементов, а также сплавы с низким коэффициентом теплового расширения (типа 2ХХХ) для корпусов оптических систем и микроэлектронных компонентов — для исключения их деформации и повреждения в условиях космических полётов. Алюминиевые сплавы с добавлением элементов, хорошо поглощающих космическое излучение, будут использоваться при создании как космических скафандров для выхода в открытый космос, так и лёгких внутренних скафандров для защиты человека при дальних перелётах, — отмечает эксперт Алюминиевой ассоциации России Снежана Равлюк.
Специалист также добавил, что в более далёкой перспективе, безусловно, алюминий будет широко использоваться при строительстве лунных и марсианских баз, потому что он очень технологичен, обладает свойствами радиационной защиты и подлежит переработке, что особенно важно в условиях ограниченности ресурсов в космосе; ожидается развитие композитных деталей из высокопрочных ровингов из оксида алюминия вместо углеродных волокон; появятся композитные алюмокарбоновые материалы.
Ещё в 1935 году Дэвид Келлер в своей книге "Живая машина" описывал самоуправляющийся автомобиль, с тех пор человечество проделало огромный путь в сторону бесшумных и автономных транспортных средств для всех землян. Сейчас промышленность уже предлагает такие машины потребителям. Ну почти такие. Автомобилестроение — одна из важнейших сфер для производителей алюминия во всём мире.
— Что касается новых возможностей применения алюминия, то в сфере транспорта будет наблюдаться рост алюминизации с целью облегчения ТС, в том числе и в сегменте электромобилей. Конечно, электромобили, которые уже поголовно изготавливаются из алюминиевых сплавов (кузов, агрегатная часть, шасси, колеса), будут всё больше захватывать рынок, — добавила Снежана Равлюк.
Эксперты говорят об алюминизации и считают этот процесс необратимым. Даже если ваш будущий автомобиль будет передвигаться на каком-то альтернативном источнике энергии (водород, биотопливо, карманные атомные реакторы — неважно), он будет лёгким за счёт применения алюминиевых сплавов и тяжёлым уже не станет никогда. Кроме того, возникают новые виды транспорта — автомобиль из года в год всячески пытается "оторваться" от дорожного покрытия и стать самолётом. Для этого ему надо сбросить пару сотен килограммов веса, а это возможно либо с карбоном, либо с проверенным временем алюминием.
Сейчас различные компании реализуют проекты в сфере высокоскоростного транспорта — это и азиатские железнодорожные поезда, развивающие скорость до 500 километров в час, и Hyperloop Илона Маска. Все они нуждаются в снижении массы и сохранении прочности, поэтому алюминий занимает всё большее место в этих разработках.
Отдельный тренд — мультикоптеры. Если маленький дрон можно сделать полностью из пластмассы, то большой грузовой или пассажирский коптер потребует как минимум каркаса жёсткости — и здесь алюминий наготове. Вы скажете: пластик и композитные материалы тоже не стоят на месте! И будете правы, но как всегда, есть одно но, о котором говорят эксперты.
— На самом деле у алюминия здесь нет конкурентов, даже если мы вспомним о композитных материалах. Ведь при выборе материала необходимо помнить, что сейчас важно не просто спроектировать и изготовить транспортное средство, но ещё и подумать о том, что будет по завершении его срока службы. То есть провести оценку стоимости всего жизненного цикла. Здесь алюминий вне конкуренции — ведь конструкции из арамидных волокон или карбона фактически не утилизируемы, — рассказал руководитель сектора "Автомобилестроение", профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана Егор Балыкин.
А алюминий и его сплавы не просто утилизируемы. Их можно переплавлять и использовать снова и снова так долго, как никакой другой материал на планете. Наглядный пример — экологичные упаковки ПЭТ (полиэтилентерефталат), они хорошо перерабатываются, но всего пять-шесть раз. Если мы хотим передать нашим детям пригодную для жизни планету, нам придётся переходить на новые экологические принципы, и здесь практически бесконечный рециклинг алюминия также подсказывает дорогу.
Альтернативная энергетика — ещё один тренд последних десятилетий, который был предсказан научно-популярной фантастикой XX века. Конечно, сам по себе алюминий энергию не вырабатывает, но возможности обработки его сплавов крайне велики. И это позволяет применять алюминий в неожиданных сферах и в неожиданных ролях.
— Предполагается расширение возможностей применения за счёт различных форм обработки: например, алюминия с хорошей полируемостью (6ХХХ) для изготовления оптических зеркал из алюминия вместо стекла. Идеален этот металл с точки зрения цены, лёгкости и коэффициента отражающей способности (свыше 98%). Будут создаваться огромные системы зеркал для перенаправления солнечной энергии на элементы солнечных батарей. Повышение гидрофобности поверхности позволит ещё больше увеличить коррозионную стойкость AL, вода будет скатываться с поверхности, грязь не будет прилипать и удерживаться на поверхности. Этого можно достичь с помощью обработки AL-лазером по специальной технологии (практически гравировка на микроуровне), — отмечает Снежана Равлюк.
Самая актуальная тема последних десяти лет — экологичные аккумуляторы, которые нужны для новых автомобилей и сейчас уже даже и лёгких самолётов. Ещё Азимов был уверен, что экологически чистая электроэнергия — это будущее всей планеты, но он не знал, можно ли её накапливать, не нанося урон всему живому. В новом веке эксперты уверены, что на смену нынешним аккумуляторам могут прийти новые.
— Алюминиево-воздушные аккумуляторы обеспечивают высокую плотность хранения энергии, а значит, и дальность пробега электромобилей, корпуса которых также уже производят из алюминия. На одной зарядке можно проехать более 1500 км. Да и не только о наземном транспорте идёт речь — уже есть прототипы электросамолётов, их оснащённость такими батареями — вопрос времени, — рассказал руководитель сектора "Машиностроение" Алюминиевой ассоциации России, директор по продажам прокатной и прессовой продукции коммерческого назначения "Арконик Россия" Егор Балыкин.
Кстати, о воздушном транспорте. Пока мечты фантастов о транспорте, который мог бы приземляться и взлетать в любых условиях без специально оборудованных площадок, реализовались лишь частично. Зато активно развивается сфера быстро возводимых временных конструкций — алюминиевые взлётно-посадочные площадки, небольшие отрезки дорог. В труднодоступных регионах такие лёгкие и прочные "инфраструктурные конструкторы" могут стать настоящим спасением.
Более того, алюминий можно использовать для создания фальцевых пешеходных дорожек. Фальцевые швы отлично зарекомендовали себя в кровле — сталь в таких конструкциях служит около 30 лет, а алюминий — порядка 75 лет! А всё потому, что этот цветной металл значительно меньше подвержен коррозии, чем та же сталь.
— На заводах в будущем будут установлены качественные лёгкие искробезопасные мостки, переходы и ограждения из алюминия. Это признак современного высокотехнологичного производства, ведь оснащение цеха с современным оборудованием должно быть из высокотехнологичного материала. Наша страна (как крупнейший производитель алюминия) обладает большими конкурентными преимуществами в этом направлении, — отметила руководитель сектора ТНП Наталья Куденкова.
Фантасты XX века большое внимание уделяли дизайну в архитектуре и технике, и знакомые нам по иллюстрациям и фильмам ажурные строения и каркасные конструкции — это не просто про красоту. Бионический (или генеративный) дизайн — это когда объект проектируется нестандартным способом для уменьшения массы и увеличения прочности. Сейчас бионика уже вошла в нашу жизнь — посмотрите хотя бы, как ажурные несущие металлоконструкции заменяют бетонные в новых терминалах аэропортов. Но алюминий в силах продвинуть эту сферу вперёд, ближе к тем представлениям о городах будущего, которые описывали в книгах мечтатели XX века. Химическая промышленность и наука в ближайшее время подойдут к созданию специальных сплавов на основе алюминия под специфические прочностные, эксплуатационные и декоративные требования застройщиков, архитекторов и частных заказчиков.
— В архитектуре такие свойства алюминия, как коррозионная стойкость, лёгкость и долговечность, позволят архитекторам реализовывать самые смелые идеи. Уже сейчас фасадные алюминиевые панели делают городскую среду яркой, предлагая обширную палитру цветов. А ещё алюминиевые конструкции "научились" самоочищаться и очищать окружающий воздух, преобразуя органические загрязнители в безвредные вещества, которые смываются дождевой водой. Скоро умные панели станут привычными на всех новых зданиях, — рассказал Егор Балыкин.
Интересно, что фантасты подробно и ярко описывали города, архитектуру, машины, устройство общества и значительно реже быт отдельного человека. Между тем у нас в домах фантастические прогнозы сбываются в неменьшей степени. И похоже, что именно активное развитие и использование различных алюминиевых сплавов является тому причиной.
Наталья Куденкова добавила, что альтернативы алюминиевой посуде — сковороде, кастрюле — нет, ведь покрытия будут трансформироваться и меняться, делая её более функциональной и эстетичной. В качестве основы будет оставаться алюминий. Алюминиевые корпуса и декоративные детали гаджетов и бытовой техники и сейчас придают этим изделиям вид продукции третьего тысячелетия.
Согласитесь, алюминий проделал длинный путь от бесценной погремушки для французского императора до радиатора на графической карте вашего компьютера? Если бы не алюминий и его отличная теплопроводность, у нас бы не было столько доступных компонентов для профессиональной и игровой компьютерной техники. И это ещё один аспект, который вряд ли можно встретить в романах писателей-фантастов.
Зато различные экзоскелеты, бионические протезы и средства реабилитации будоражили фантазию писателей последние 70 лет. Одно из первых и самых известных описаний экзоскелета представлено в романе Роберта Хайнлайна "Звёздный десант" (1959), хотя и в "Туманности Андромеды" (1957) Ивана Ефремова описываются похожие конструкции. Кинематограф обожает экзоскелеты – от "Звёздных войн" Джорджа Лукаса до "Аватара" Джеймса Кэмерона. И если быть максимально точным, создание полноценного экзоскелета без применения алюмосплавов попросту невозможно.
— Аддитивные технологии с использованием алюминия могут активно применяться в медицине, в частности при изготовлении каркасов и других элементов технических средств реабилитации. Новые функциональные возможности и программное обеспечение позволят пациентам быть мобильными, а в будущем дадут возможность передвигаться вертикально, — рассказала Наталья Куденкова.
Алюминий используют в протезах с 1912 года, и инженеры продолжают придумывать самые невероятные способы применения этого металла в реабилитации. Американец Хью Хэрр потерял обе голени во время альпинистского восхождения и уже 40 лет разрабатывает протезы, которые испытывает на себе. Он продолжает заниматься альпинизмом. Отправляясь в горы, Хэрр надевает одну из сконструированных им самим пар специальных "ног": длинные алюминиевые протезы с небольшой резиновой стопой, благодаря которым он превращается в гиганта ростом 2,1 м, протезы со стопой в виде алюминиевых когтей, заменяющих альпинистские кошки, или клиновидные полиэтиленовые протезы-ледорубы.
Все города будущего, кроме совсем уж мрачных образцов постапокалипсиса, ярко освещены. По крайней мере, фантасты второй половины XX века хотели видеть их такими. В нынешнем веке фантастика рисует всё более мрачные и тёмные картинки будущего, вероятно, потому, что в настоящем наш мир освещён вполне ярко. В том числе благодаря и алюминиевой промышленности.
— Освещение — крупный потребитель алюминия в самых разных видах. Растёт доля светодиодных светильников в дорожной инфраструктуре и для коммерческих помещений. Как правило, для корпуса таких светильников используется алюминиевая шина. Алюминий в виде оксида — это сам светодиодный кристалл. В данном случае алюминий предстаёт в непривычном для нас соединении — прозрачном виде. Светотехническое оборудование будет становиться всё более компактным, эффективным и энергоэффективным. В России уже появляются предприятия, выпускающие такую продукцию, — отметила Наталья Куденкова.
Есть ещё множество способов и сфер применения "серебра из глины". О многих из них писатели-фантасты даже не догадывались, а мы не догадываемся каждый день, хотя и используем эти технологии постоянно. И ещё больше потенциальных сфер применения для этого удивительного металла находится каждый год. Новый разработанный сплав показывает алюминий с какой-то новой стороны. И Россия — один из крупнейших производителей алюминия в мире — имеет все необходимые преимущества, чтобы строить инновационный алюминиевый XXI век на правах лидера.
18 различных типов металла — факты и применение
Многое произошло со времен бронзового века. Существуют тысячи различных типов и марок металла, и каждая из них разработана для очень специфических применений. Каждый день вы регулярно сталкиваетесь с десятками видов металлов. Вот интересное руководство, которое расскажет вам о некоторых из этих распространенных металлов и о том, где вы их найдете.
Сталь
Это, несомненно, самый распространенный металл в современном мире.
Сталь по определению - это железо смешанное с углеродом. Это соотношение обычно составляет около 99% железа и 1% углерода, хотя это соотношение может немного варьироваться.
Интересный факт: в 2017 году в мире было произведено более 1,8 миллиарда тонн стали (половина из которых была произведена в Китае). Средний африканский слон весит около 5 тонн. Если бы вы сложили слонов друг на друга, чтобы сформировать своеобразный мост на Луну (что на самом деле невозможно), он все равно был бы не таким тяжелым, как вес стали, производимой каждый год.
На самом деле существует много разных видов стали. Вот обзор основных типов:
Углеродистая сталь
Это базовая сталь, состоящая из углерода и железа, хотя в нее могут быть добавлены и другие элементы в очень небольшом количестве.
Три основные категории - это сталь с низким, средним и высоким содержанием углерода. Больше углерода - сталь будет тверже и прочнее. Меньше углерода - дешевле, мягче и проще в производстве.
Углеродистая сталь чаще всего используется в качестве конструкционного строительного материала, в простых механических компонентах и в различных инструментах.
Легированная сталь
Считайте, что это генетически модифицированная сталь. Легированная сталь производится путем добавления других элементов в смесь. Это изменяет свойства и, по сути, делает металл настраиваемым. Это чрезвычайно распространенный тип металла, поскольку его производство, как правило, остается очень дешевым.
Обычные легирующие элементы для стали включают марганец, ванадий, хром, никель и вольфрам. Каждый из этих элементов по-разному изменяет свойства металла.
Например, легирование стали может придать дополнительную прочность высокопроизводительным шестерням, повысить коррозионную и износостойкость медицинских имплантатов, а также увеличить давление, которое могут выдержать трубопроводы. В целом, сталь считается "рабочей лошадкой" в мире металлов.
Нержавеющая сталь
Технически это разновидность легированной стали, но существует так много её видов в таких огромных количествах, что обычно ей присваивается отдельная категория. Эта сталь специально ориентирована на устойчивость к коррозии.
В основном это просто сталь с заметным количеством хрома. При коррозии хром создает супертонкий слой, замедляющий образование ржавчины. Если вы сотрете этот барьер, тут же образуется новый.
Вы можете увидеть много изделий из нержавеющей стали на кухне: ножи, столы, посуда, все, что соприкасается с пищей.
Не очень приятный факт: если что-то сделано из нержавеющей стали, это не значит, что оно не может ржаветь. Различные составы в разной степени предотвращают ржавление. Нержавеющая сталь, которая используемая в соленой воде, должна быть особенно устойчивой к коррозии, чтобы не гнить. Но все виды нержавеющей стали ржавеют, если за ними не ухаживать должным образом.
Железо (кованое или литое)
Несмотря на то, что это супер-старомодный металл (особенно распространенный в «железный век»), он все еще имеет множество современных применений.
Во-первых, это основной ингредиент стали. Но помимо этого, вот несколько других областей применения и объяснение того, почему используется железо:
- Посуда (например, сковороды) - пористая поверхность позволит кулинарным маслам пригореть и создать естественную антипригарную поверхность.
- Дровяные печи - чугун имеет чрезвычайно высокую температуру плавления, поэтому печь может выдерживать высокие температуры.
- Основания и рамы для тяжелой техники - этот тяжелый металл снижает вибрацию и обеспечивает жесткость
Интересный факт: железо - шестой по распространенности элемент во Вселенной.
Алюминий
Что касается металлов, то это действительно современный металл. Впервые алюминий был произведен в 1825 году, и с тех пор он стал основой для некоторых крупных достижений.
Например, из-за своего удивительного отношения прочности к весу это металл, который в значительной степени ответственен за полет и доставку человека на Луну. Он легко формируется (податлив) и не ржавеет, что делает его отличным средством для изготовления банок из-под газировки. И, что (возможно), самое главное, из него можно сделать очень тонкий лист, который можно использовать для приготовления барбекю из свежевыловленной рыбы до идеального состояния.
Хотя процесс производства алюминия немного сложнее, чем некоторых других металлов, на самом деле это чрезвычайно распространенный металл. Это самый распространенный цветной металл (не содержащий железа) на планете.
Хотя он не ржавеет, он окисляется. На самом деле железо - единственный металл, который по определению «ржавеет». При контакте с солью алюминий подвержен коррозии. Однако он не подвержен коррозии при контакте с водой. Это делает алюминий действительно полезным для изготовления таких вещей, как пресноводные лодки.
Магний
Магний - действительно классный металл. Он весит примерно на 2/3 меньше алюминия и обладает сравнимой прочностью. Благодаря этому он становится все более распространенным.
Чаще всего его можно встретить в виде сплава. Это означает, что его смешивают с другими металлами и элементами, чтобы получить гибридный материал со специфическими свойствами. Это также может облегчить его использование в производственных процессах.
Одно из самых популярных применений магния - автомобильная промышленность. Магний считается шагом вперед по сравнению с алюминием, когда речь идет о высокопрочном снижении веса, и он не является астрономически более дорогим.
В некоторых случаях магний можно увидеть в колесных дисках, блоках двигателя и коробках передач.
Однако у магния есть недостатки. По сравнению с алюминием он легче подвержен коррозии. Например, он подвергнется коррозии при контакте с водой, в то время как алюминий не ржавеет.
В целом он стоит примерно вдвое дороже алюминия, но в целом быстрее обрабатывается на производстве.
Интересный факт: магний очень огнеопасен и горит очень горячо. Металлическую стружку, опилки и порошок необходимо тщательно утилизировать во избежание взрыва.
Медь - еще один старомодный металл. Сегодня вы часто будете видеть его в виде сплава (подробнее об этом позже) или в достаточно чистом состоянии.
Распространенное применение - электроника, водопроводные трубы и гигантские статуи, олицетворяющие свободу. На меди образуется патина, или окисленный слой, который фактически предотвращает дальнейшую коррозию. По сути, она позеленеет и перестанет коррозировать. Благодаря этому она может прослужить века.
Статуя Свободы сделана из меди и покрыта патиной или оксидным слоем, что придает ей зеленовато-голубой оттенок.
Латунь
Латунь на самом деле представляет собой сплав меди и цинка. Полученный желтый металл действительно полезен по ряду причин.
Его золотистый цвет делает его очень популярным для декора. Этот металл часто используется в антикварной мебели в качестве ручек.
Он также чрезвычайно пластичен, что означает, что его можно выковать и сформировать. Вот почему он используется для медных духовых инструментов, таких как тубы, трубы и тромбоны.
Латунь также является отличным материалом для подшипников, поскольку она хорошо скользит по другим металлам.
Еще одно отличное свойство латуни - она никогда не искрится. Например, стальной молоток может вызвать искру, если по нему ударить определенным образом. Латунный молоток этого не делает. Это означает, что латунные инструменты отлично подходят для областей, где могут находиться легковоспламеняющиеся газы, жидкости или порошки.
Бронза
Этот металл изготавливается в основном из меди, но также содержит около 12% олова. В результате получается металл, более твердый и прочный, чем обычная медь.
Бронза также может быть сплавом с другими элементами. Например, распространенными легирующими элементами являются алюминий, никель, цинк и марганец. Каждый из них может очень заметно изменить металл.
Бронза имеет огромное историческое значение (например в бронзовом веке), и её легко отличить. Часто её можно увидеть в массивных церковных колоколах. Бронза твердая и прочная, поэтому при ударе не трескается и не гнется, как другие металлы. Кроме того, она лучше звучит.
Современное использование бронзы включает в себя скульптуры и произведения искусства, пружины и подшипники, а также гитарные струны.
Интересный факт: бронза была первым искусственным сплавом.
Это интересный металл, потому что он очень полезен. Сам по себе он имеет довольно низкую температуру плавления, что делает его очень простым в отливке. Материал легко течет при плавлении, а получаемые изделия получаются относительно прочными. Его также очень легко расплавить, чтобы переработать.
Цинк - действительно распространенный металл, который используется в покрытиях для защиты других металлов. Например, часто можно увидеть оцинкованную сталь, которая в основном представляет собой просто сталь, смоченную в цинке. Это помогает предотвратить ржавление.
Интересный факт: ежегодно производится около 12 миллионов тонн цинка, половина из которых идет на цинкование.
Титан
Это действительно потрясающий современный металл. Впервые он был обнаружен в 1791 году, впервые создан в чистом виде в 1910 году и впервые изготовлен вне лаборатории в 1932 году.
Титан на самом деле очень распространен (седьмой по распространенности металл на Земле), но его действительно сложно очистить. Вот почему этот металл такой дорогой. Но он также очень ценен:
- Титан биосовместим, а это означает, что ваше тело не будет сопротивляться и отвергать его. Медицинские имплантаты обычно изготавливают из титана.
- Его соотношение прочности к весу выше, чем у любого другого металла. Это делает его чрезвычайно ценным для всего, что летает.
- Он действительно устойчив к коррозии.
- Нитрид титана (титан, прореагировавший с азотом в высокоэнергетическом вакууме) - это безумно твердое покрытие с низким коэффициентом трения, которое наносится на металлические режущие инструменты.
Интересный факт: титан сопротивляется коррозии потому, что он мгновенно вступает в реакцию с кислородом, создавая очень тонкий и прочный барьер, защищающий металл. Если соскрести барьер, мгновенно образуется новый.
Еще один забавный факт: титан не встречается в природе сам по себе. Он всегда соединен с другим элементом.
Вольфрам
Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления и самый высокий предел прочности на разрыв среди всех чистых металлов. Это делает его чрезвычайно полезным.
Около половины всего вольфрама используется для производства карбида вольфрама. Это безумно твердый материал, который используется для изготовления режущих инструментов (для горнодобывающей и металлообрабатывающей промышленности), абразивов и тяжелого оборудования. Он может легко резать титан и высокотемпературные сверхпрочные сплавы.
Он получил свое название от шведских слов «вольфрам», что означает «тяжелый камень». Его плотность примерно в 1,7 раза выше плотности свинца.
Вольфрам также является популярным легирующим элементом. Поскольку его температура плавления очень высока, его часто сплавляют с другими элементами для изготовления таких вещей, как сопла ракет, которые должны выдерживать экстремальные температуры.
Адамантий
Его не существует. К счастью.
Никель
Никель - очень распространенный элемент, который используется повсеместно. Чаще всего он применяется в производстве нержавеющей стали, где он повышает прочность и коррозионную стойкость металла. На самом деле, почти 70% никеля в мире используется для производства нержавеющей стали.
В составе пятицентовой американской монеты никель составляет 25%.
Никель также является распространенным металлом, используемым для нанесения покрытий и легирования. Его можно использовать для покрытия лабораторного и химического оборудования, а также всего, что требует действительно гладкой, полированной поверхности.
Интересный факт: никель получил свое название из немецкого фольклора средневековой эпохи. Никелевая руда очень похожа на медную, но когда старые шахтеры не смогли получить из нее медь, они обвинили в этом озорного призрака по имени Никель.
Кобальт
Этот металл издавна использовался для получения синего пигмента в красках и красителях. Сегодня он в основном используется для изготовления износостойких, высокопрочных стальных сплавов.
Сам по себе кобальт очень редко добывают, на самом деле это побочный продукт производства меди и никеля.
Олово
Олово очень мягкое и ковкое. Оно используется в качестве легирующего элемента для изготовления таких вещей, как бронза (1/8 часть олова и 7/8 части меди).
Забавный факт: когда вы сгибаете брусок олова, вы можете услышать нечто, называемое "оловянным криком". Это звонкий звук реорганизации кристаллической структуры (так называемое двойникование).
Свинец
Свинец действительно мягкий и податливый, а также очень плотный и тяжелый. У него очень низкая температура плавления.
В 1800-х годах было обнаружено, что свинец на самом деле является довольно токсичным веществом. Вот почему в наше время это не так распространено, хотя не так давно его все еще находили в красках и пулях.
Свинец - это нейротоксин, который, помимо прочего, может вызывать повреждение мозга и проблемы с поведением.
Тем не менее, у него все еще есть современные применения. Например, он отлично подходит для защиты от радиации. Его также иногда добавляют в медные сплавы, чтобы облегчить их резку. Смесь свинца и меди часто используется для улучшения характеристик подшипников.
Кремний
С технической точки зрения кремний - это металлоид. Это означает, что он обладает как металлическими, так и неметаллическими качествами.
Например, он похож на металл. Он прочный, блестящий, гибкий и имеет высокую температуру плавления. Однако он ужасно проводит электричество. Отчасти поэтому он не считается полноценным металлом.
Тем не менее, этот элемент часто встречается в металлах. Его использование для легирования может сильно изменить свойства металла. Например, добавление кремния в алюминий облегчает его сварку.
Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!
Самые интересные металлы на Земле
Миллионы лет назад наши далекие предки изготавливали себе инструменты из дерева и камней, но спустя тысячелетия они научились пользоваться металлами. С этого момента человечество начало развиваться с немыслимыми темпами и все дошло до того, что большинство окружающих нас объектов сделано из железа, алюминия и других разновидностей этого материала. Практически все металлы хорошо проводят электричество и тепло, при определенных условиях они пластичны и отлично подходят для изготовления различных деталей для электроники, а также обладают характерным металлическим блеском. Но в периодической таблице Менделеева есть металлы, которые обладают уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться все остальные. Они по-своему удивительны, и когда-то давно этим металлам присваивали чуть ли не волшебные качества. Итак, давайте перечислим их, а также узнаем о свойствах и других интересных особенностях?
Оглянитесь вокруг — мы окружены металлами
Самый жидкий металл
Ртуть считается самым жидким металлом и, в то же время, одним из самых опасных для человеческого организма. Он практически всегда пребывает в жидком состоянии, потому что температура его плавления равна -38 градусам Цельсия. Именно поэтому этот металл используется в градусниках — при увеличении температуры, жидкость расширяется. Поскольку градусник сделан в виде стеклянной трубочки, расширяться она может только в одном направлении. Чтобы на показатели градусника не влияли другие условия вроде атмосферного давления, из трубочки выкачан воздух.
Несмотря на свою опасность, ртуть используется даже в повседневных вещах
В средневековье считалось, что при смешивании ртути, серы и загадочного «философского камня» можно получить чистое золото. Поэтому внимания этому металлу уделялось очень много. С средние века получить из ртути золота никому не удалось, но это стало под силу ученым в 1947 году — они поместили 100 миллиграмм ртути в атомный реактор и получили 35 микрограмм золота. Вот и второе удивительное свойство ртути — его можно превратить в золото, но это слишком дорогой процесс.
Третья особенность ртути заключается в том, что при вдыхании его паров человек получает сильное отравление — опасные вещества оседают в легких. Симптомы отравления включают в себя слабость, понижение аппетита, боль при глотании, набухание десен и сильная боль в животе. Из-за своей ядовитости, ртуть входит в десятку химических веществ, представляющих опасность для общественного здоровья.
Самый тугоплавкий металл
А теперь давайте поговорим о полной противоположности ртути — металле, именуемом как вольфрам. В то время как ртуть может расплавиться на человеческой ладони, для расплавления вольфрама необходима температура на уровне 3422 градусов Цельсия.
С немецкого «Wolf Rahm» можно перевести как «волчьи сливки»
Сам по себе вольфрам не опасен, но изделия, в котором он используется, могут убить. Этот металл часто используется как наконечник патронов, которые могут пробить даже бронежилет. Только его добавляют совсем чуть-чуть, потому что вольфрам — очень тяжелый металл.
В 2018 году мой коллега Илья Хель написал интересный материал про Секретное оружие США, где поразмышлял о том, что могут скрывать от нас американские военные. Советую почитать.
Из-за своей тугоплавкости, вольфрам трудно поддается деформации, поэтому в чистом виде его используют очень редко. Как правило, изделия из вольфрама имеют и другие примеси — они делают его более податливым и значительно уменьшают вес.
Самый твердый металл
Самым твердым и при этом легким металлом на нашей планете считается титан. Благодаря своим свойствам, он активно используется в авиации и кораблестроении — материал отлично подходит для изготовления корпусов самолетов и кораблей. К тому же, благодаря прочности и легкости, из титана изготавливают бронежилеты. Этот металл безопасен для человеческого организма, поэтому часто применяется в медицине для изготовления инструментов и даже протезов — искусственных частей тела.
Благодаря выдающимся свойствам, словом «титан» называют видеокарты и прочую электронику, чтобы подчеркнуть их мощность
При нагревании, титан начинает поглощать кислород, хлор, азот и другие газы. Благодаря этому удивительному свойству, металл используется в различных фильтрах — пропуская различные газы через нагретые до 600 градусов Цельсия титановые трубки, можно очистить их от примесей. Таким же образом можно очистить воду от кислорода, что особенно полезно в пищевой промышленности. Считается, что содержащийся в воде кислород ухудшает качество некоторых продуктов — как минимум, он может сократить срок годности пива.
Самый радиоактивный металл
Единственным металлом, который может использоваться в качестве топлива в ядерных реакторах, является уран. Многие люди считают его очень опасным из-за высокой радиоактивности. Однако, природный уран безопасен для здоровья человека, а опасность представляет его разновидность под названием U-235 — именно она используется в ядерных реакторах.
Уран-235 использовался при ядерной бомбардировке Хиросимы, в бомбе «Малыш»
Когда-то давно из природного урана даже изготавливали посуду. Например, осколки желтого стекла с содержанием урана были найдены на территории итальянского города Неаполь — по расчетам ученых, стекло было изготовлено в 79 году нашей эры. Он был безопасен для людей и никаких намеков на радиацию вроде свечения не наблюдалось.
Природного урана U-235, пригодного для использования в ядерных реакторах, сегодня в природе очень мало — на протяжении долгих лет он просто улетучился. Зато, миллиарды лет назад его было очень много, и ядерные реакции могли запускаться прямо на природе,без участия человека. Так, на территории африканской страны Габон, около 1,8 миллиарда лет назад происходила естественная реакция деления ядер урана. Уран горел на протяжении сотен лет, но в итоге реакция прекратилась из-за истощения запасов металла.
Самый тяжелый металл
Самым тяжелым металлом из всей таблицы Менделеева считается осмий. Его удивительным свойством является то, что будучи самым тяжелым, на воздухе он становится летучим, ядовитым веществом. Название «осмий» с древнегреческого языка можно перевести как «запах». Такое наименование металлу было дано неспроста — в 1803 году английский химик Смитсон Теннант (Smithson Tennant) на собственном опыте ощутил, что металл пахнет хлором и неприятен настолько, что раздражает горло.
Осмий, кстати, очень красив
Благодаря своей твердости, осмий часто используется в механизмах, а именно в местах, где происходит сильное трение. Также он используется в изготовлении нитей для ламп накаливания. Ядовитые свойства возникают только на открытом воздухе — металл превращается в токсичное вещество тетраоксид осмия, которое вызывает раздражение глаз, поражение верхних дыхательных путей и даже воспаление почек.
Самый стойкий металл
Самым стойким металлом считается иридий — его невозможно растворить ни в одной кислоте. Из-за стойкости, этот металл используется в Международном бюро мер и весов — из него создан эталон килограмма. Этот цилиндр из иридия необходим для того, чтобы у всех стран было единое представление о том, сколько именно должен весить килограмм. Это важно, потому что любое отклонение может стать причиной неисправности в самолётах и кораблях и, впоследствии, серьезной катастрофы.
Иридий — показатель того, сколько должен весить килограмм
Также иридий используется при изготовлении денег. Например, в африканской стране Руанде была выпущена иридиевая монета номиналом 10 руандийских франков. Можно сказать, что это самая устойчивая к химическому воздействию монета. Повредить ее можно разве что кину в сосуд со фтором — сильнейшим окислителем. Но разрушительная реакция начнется только при нагревании до 450 градусов Цельсия.
Самый дорогой металл
Многие люди инвестируют в металлы и одним из самых дорогих сегодня является золото. По курсу за июнь 2020 года, грамм золота стоит около 4000 рублей, тогда как цена той же массы платины еле достигает 2000 рублей. Чуть выше мы уже выяснили, что добывать золото из ртути — это очень дорогой процесс. Поэтому, получением золота занимаются работники аффинажных заводов — грубо говоря, они извлекают золота из смесей других металлов.
Золото уже тысячелетиями сводит людей с ума
Так как персонал работает с очень дорогим металлом, в заводах действует строгий контроль. Если у человека, например, есть золотой зуб — охрана всегда проверяет, находится ли он на месте. А то вдруг человек избавится от золотого зуба и решит пронести кусочек драгоценного металла, поместив его в освободившемся пространстве между зубами? В некоторых аффинажных заводах работники проходят внутрь голыми и облачаются в рабочую одежду внутри.
Самый редкий металл
Франций — самый редкий металл. По расчетам ученых, в земной коре его концентрация равна всего лишь 340 граммам. Получить больше урана можно искусственным путем, но для этого необходимо запускать ядерные реакции.
Франций очень редкий и мало где используется
Франций очень радиоактивен, поэтому на данный момент он практически нигде не используется. Однако, иногда ученые все же используют разновидности франция в ходе научных исследований. Также предпринимались попытки диагностики рака с использованием технологий, где франций тоже был задействован.
Самый легкий металл
Звание самого легкого металла, по праву достается литию. Он окрашен в серебристо-белый цвет и настолько мягок, что легко режется ножом. Так как он является самым легким металлом в таблице Менделеева, при попадании в воду он всплывает на поверхность.
А вот и он — литий
Для многих это может стать открытием, но устройство с литием вы прямо сейчас можете держать в руке — это ваш смартфон. В мобильных устройствах используются литиевые аккумуляторы, которые компактны, но обеспечивают работу устройств от одного заряда только на протяжении нескольких дней. Ученые пытаются улучшить показатели литий-ионных батарей, но пока это им никак не удается.
Возможно, в будущем вместо литий-ионных батарей будут использоваться совершенно другие аккумуляторы. Какие? Читайте в этом материале.
Самый дорогой промышленный металл
Калифорний — радиоактивный красавец
Этот металл очень радиоактивен, поэтому никаких поделок из него не сделаешь. Зато он нужен ученым во время проведения серьезных испытаний. Хотя, в теории, его можно использовать при создании атомной бомбы. Но вышеупомянутый уран стоит гораздо дешевле, поэтому все используют именно его.
В периодической таблице Менделеева еще много интересных элементов, но эти — по моему мнению, самые интересные металлы. Примечательно, что ученые до сих пор занимаются разработкой металлов с интересными свойствами. В 2019 году мой коллега Владимир Кузнецов рассказал о материале, который не тонет в воде — рекомендую почитать!
Какие бывают виды металлов и сплавов?
Металлы окружают нас повсюду: их них сделаны автомобили, каркасы домов, бытовая техника, смартфоны и многие другие изобретения человечества. Но много ли мы о них знаем? Первое, что нужно знать о металлах — это то, что они делятся на черные и цветные. Из этих разновидностей металлы разделяются еще на несколько больших групп, в зависимости от их свойств. Давайте сразу же перейдем к конкретике. В этом материале мы вкратце разберемся, по каким признакам металлы разделяются по разным группам и в каких отраслях они применяются.
На сегодняшний день науке известно более 90 видов металлов и все они используются в самых разных сферах
Характеристика металлов
Металлы — это группа из более 90 простых веществ из периодической таблицы Менделеева. В природе они редко обнаруживаются в чистом виде, поэтому их чаще всего добывают из руды. Так называют вид полезных ископаемых, которые представляют собой соединение нескольких химических компонентов, вроде минералов и тех же самых металлов. Металлам характерны несколько свойств, по которым их разделяют по группам:
- твердость — сопротивление к проникновению в материал другого, более твердого тела;
- прочность — стойкость к разрушению под воздействием внешней нагрузки;
- упругость — изменение формы материала под воздействием внешних сил и восстановление ее после того, как эти силы перестают на нее воздействовать;
- пластичность — изменение формы материала под внешним воздействием и сохранение ее после устранения этого воздействия;
- износостойкость — сохранение хорошего внешнего вида и физических свойств материала после сильного трения;
- вязкость — способность материала вытягиваться под воздействием внешних сил;
- усталость — свойство материала выдерживать многократные нагрузки;
- жароустойчивость — сопротивление окислительным процессам при нагревании до высоких температур.
Недавно ученые создали улучшенный алюминиевый сплав 6063, который уничтожает бактерии. Считается, что из него можно будет изготавливать ручки дверей больниц и других общественных мест.
Черные металлы
Три главные особенности черных металлов: большая плотность, высокая температура плавления и темная окраска. Так как с черными металлами в чистом виде тяжело работать, в них добавляют легирующие компоненты — примеси для изменения физических и химических свойств основного материала.
Чтобы придать черным металлам форму, их сначала нагревают до высоких температур, а потом прессуют
Черные металлы делятся на 5 подгрупп:
Железные металлы
К ним относятся кобальт, никель и марганец. Они применяются как добавки к железу — чаще всего, из сплавов получают прочную сталь, которая используется в изготовлении различных деталей для крупной техники, ножей и других изделий.
Из стали изготавливаются прочные и красивые ножи причем не только кухонные
Тугоплавкие металлы
К этой подгруппе относятся ниобий, молибден, вольфрам и рений. Их общей чертой является то, что ох температура плавления выше, чем у железа — то есть, составляет более 1539 градусов Цельсия. Из них, как правило, изготавливают детали для техники и нити накаливания для различных лампочек.
Нити накаливания в лампочках, как правило, сделаны из вольфрама
Урановые металлы
В эту группу входят уран, калифорний и другие радиоактивные металлы. Они используются исключительно в отрасли атомной энергетики.
В древние времена уран использовался для изготовления желтой посуды
Редкоземельные металлы
В эту классификацию входят лаптан, празеодим, неодим и другие металлы. Все они серебристо-белого цвета и имеют практически полностью одинаковые химические свойства. Свое название редкоземельные материалы получили потому, что их трудно найти в земной коре. Они используются в атомной энергетике и машиностроении. Например, из редкоземельных металлов можно создавать стекла, которые не пропускают через себя ультрафиолетовые лучи.
Редкоземельный элемент скандий используется в ртутно-газовых лампах
Щелочноземельные металлы
В эту подгруппу входят бериллий, магний, кальций, радий и другие металлы. Все они окрашены природой в серый цвет и при комнатной температуре всегда остаются в твердом состоянии. В чистом виде они практически нигде не применяются, за исключением атомных реакторов.
Щелочноземельный элемент бериллий используют для изготовления рентгеновских трубок, через которые лучи выходят наружу
Цветные металлы
Цветные металлы стоят дороже черных, потому что более востребованы в мире. Они нужны при изготовлении автомобилей, строительстве домов и в области высоких технологий — именно они являются основными материалами при изготовлении смартфонов и другой электроники. В сфере строительства они нужны для изготовления всевозможных арматур, балок, уголков и так далее.
Железо и его сплавы относятся к черным металлам, а все остальное — это цветные металлы
Цветные металлы принято разделять на три группы:
Тяжелые металлы
Самыми яркими представителями этой категории цветных металлов считаются медь, латунь и бронза. Наибольшим спросом среди них пользуется медь, потому что она — отличный проводник электрического тока и широко применяется в электронике. Из латуни изготавливают различные проволоки, подшипники и другие металлические элементы. Из бронзы нередко делают памятники, потому что она не боится дождя, снега и механических повреждений.
Легкие металлы
Самые популярные легкие металлы, это алюминий, магний и титан. Их довольно легко расплавить, а также они легче черных металлов. Благодаря устойчивости к коррозии, высокой пластичности и небольшой массе, алюминий активно используется в строительстве самолетов и автомобилей. Магний широко применяется в изготовлении корпусов для различной техники, начиная с фотоаппаратов и заканчивая двигателями. Титан отличается высокой прочностью и небольшой массой, поэтому применяется при изготовлении космических ракет.
В воздухе алюминий мгновенно покрывается пленкой, которая защищает ее от возникновения ржавчины
Благородные металлы
К благородным металлам относятся золото, серебро и платина. Из-за сложности добычи и своей красоты, они считаются самыми дорогими разновидностями металлов. Их стоимость постоянно меняется и их можно купить в банках, тем самым вложив в них свои деньги. Также благородные металлы широко используются в ювелирном деле. Из них изготавливаются кольца, браслеты и прочие украшения.
Про алюминий можно почитать в материале про самые ценные металлы в мире
Виды сплавов
Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, сплавы состоят из основы, в которую входят несколько металлов, и так называемых легирующих элементов — они необходимы, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов.
В большинстве своем металлы, с которыми мы взаимодействуем — это сплавы
Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах.
Из металлических сплавов сегодня изготавливается практически все, вплоть до скамеек
По назначению сплавы делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей. Из инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты — например, различные молотки и ножи. А специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения — например, для предотвращения трения.
Как видно, металлов очень много и они сильно друг от друга отличаются. На тему металлов также рекомендую почитать материал, в котором я рассказал о самых интересных разновидностях этого материала. Вот знаете ли вы, как называется самый редкий металл на нашей планете и как его добывают?
Читайте также: