Все о металлах и их свойства и противопоказания
Для успешного создания декоративных изделий необходимо знать основные свойства исходного материала, а также технологию работы с ним.
В наши дни для изготовления посуды, украшений и различных предметов дизайна интерьера могут использоваться как металлы в чистом виде, так и их сплавы.
Художественное изделие — ваза из серебра
Все металлы и сплавы, созданные на их основе, делятся на две большие группы, обладающие различными свойствами:
- Черные металлы — сталь
- Цветные металлы — медь, бронза, латунь, цинк, олово, алюминий, свинец и серебро.
Именно эти виды металлов наиболее часто используются для изготовления декоративных предметов, посуды и многого другого. Поэтому давайте рассмотрим их свойства и особенности обработки металлов.
Сталь
Сталь относится к черным металлам. Для художественной обработки лучше всего подходит углеродистая сталь, которая представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами. Сталь обладает высокими качественными характеристиками, среди которых можно назвать следующие:
- Упругость
- Прочность
- Способность к закаливанию — кусок стали нагревается при высокой температуре докрасна, а затем опускают в воду. Благодаря этому металл приобретает различные степени твердости и упругости.
- Возможность » отпускания» посредством нагревания до красного каления и последующего медленного охлаждения.
- Способность к обработке кузнечным молотом в нагретом состоянии, так как сталь отлично куется.
- Возможность к разрезанию металла на тонкие полосы.
Мягкость стали прямо пропорциональная количеству углерода в ее составе. Чем меньше в металле углерода, тем он мягче и легче в обработке. Мягкость стали повышается при отжиге, то есть » отпускании» металла. Для этого сталь нагревают докрасна, а затем подвергают процедуре медленного охлаждения.
Сталь для изготовления различных изделий и художественной обработки производят в виде сортового материала. Для гравирования и чеканки чаще всего используют стали У8 и У10, где буквой » У» обозначено количество углерода в составе сплава.
Лезвие ножей изготовлено из нержавеющей углеродистой стали
Цветные металлы
Цветные металлы стоят намного дороже черных, потому что они обладают множеством уникальных свойств. Главным из них является отсутствие реакции с магнитом, то есть цветные металлы не притягиваются и не намагничиваются. Кроме этого, большинство из них практически не поддаются окислению, поэтому изделия характеризуются длительностью срока службы.
Выпуск цветных металлов для художественной обработки осуществляется в различных видах:
- Ленты
- Полосы
- Чушки
- Трубки
- Проволока
- Прутки
- Листы
Давайте рассмотрим характерные особенности наиболее популярных среди мастеров цветных металлов:
- Медь — достаточно мягкий металл красивого красно — оранжевого оттенка, характеризующийся повышенной способностью к ковке и обладающий большой электропроводностью и способностью проводить тепло. Обработка меди не представляет особой сложности, но мастер должен иметь в виду большую вязкость данного металла.
Медь можно паять с помощью олова и твердого припоя, Листовая медь является основным материалом для выполнения чеканки и граверных работ. Медная проволока используется для изготовления декоративных изделий и ажурных скульптур.
Медная раковина
- Бронза — это сплав меди с оловом. Количественное содержание олова влияет на цвет сплава, который может приобретать розовые, красные, желтые или серые оттенки. Если бронзовое изделие покрыть слоем патины ( декоративным налетом из оксида меди), то она приобретает благородный дымчато — зеленоватый оттенок и выглядит старинной и по — настоящему дорогой. Бронза чаще всего используется для инкрустации и литейных работ.
Листовая бронза
- Латунь — это сплав меди с цинком. Оттенок металла зависит от количества цинка. По своим качественным характеристикам латунь является более твердым сплавом, чем чистая красная медь, поэтому степень ее ковкости значительно ниже. По сравнению с медью латунь обладает некоторой хрупкостью, но вместе с тем она более упруга.
Латунь легко поддается различным видам обработки, в частности, ее можно использовать для изготовления тонких деталей в инкрустациях, а также украшений различной конфигурации. Для чеканных работ используется в листовом виде.
Чеканка на латуни
- Цинк — прекрасно подходит для литья как в чистом виде, так и в сплавах с другими металлами. Чистый цинк куется плохо, однако его легко паять, гравировать и обрабатывать различными инструментами. Температура плавления составляет 419* С.
Листовой цинк
- Олово — цветной металл, с давних пор известный своей мягкостью и пластичностью. Температура его плавления составляет всего 252* С. В качестве компонента олово входит в состав различных видов бронзы. На изломе олово издает характерный, узнаваемый хруст. Чистое олово и его сплавы идеально подходят для изготовления инкрустаций. А еще олово используется для лужения и пайки посуды как в чистом виде, так и в сплавах со свинцом. При этом продукты его окисления безвредны.
Набор оловянных солдатиков
- Алюминий — цветной металл серебристо — белого цвета, который плавится при температуре около 658* С. Характерной особенностью алюминия является его легкость и простота в обработке металла. Литой алюминий достаточно хрупкий, а в прокатном ( отожженном) виде он приобретает желаемую пластичность.
Алюминиевые изделия ремесленников Мадагаскара
- Свинец — мягкий цветной металл, имеющий синевато — серый оттенок. Он плавится при температуре 327* С, и хорошо противостоит коррозии. Однако следует отметить, что оксиды свинца являются ядовитыми. Свинец пригоден для литейных работ и изготовления формовых изделий.
Свинец ( эталон)
- Серебро — также относится к цветным, но при этом является еще и драгоценным металлом. Чистое серебро слишком мягкое, и поэтому его неудобно обрабатывать. Для изготовления изделий применяется в виде сплавов с медью. Серебряные вставки используются в инкрустациях, в гравировке, чеканке и черни.
Антикварные серебряные изделия
Свойства металлов
Рассмотрим некоторые свойства металлов, влияющие на качество выполнения художественных изделий:
- Ковкость металла — ковкие пластичные металлы требуют большей силы резания, но при этом необходимо учитывать их вязкость. Кусок меди или свинца нужно рубить до конца, а латунь, цинк или сталь можно надколоть зубилом, а после просто сломать. Более твердая латунь при обточке дает гладкую поверхность, в то время как алюминий или медь как бы тянутся за резцом.
- Хрупкость — это способность твердых материалов разрушаться вследствие механического воздействия без заметной пластической деформации. Это свойство противоположно пластичности. Сильно закаленная сталь, а также многие сорта латуни и бронзы являются очень хрупкими, и от сильных ударов раскалываются на куски. Хрупкость металла не всегда является признаком его твердости, например, отливка из цинка хрупкая, но не твердая. Закаленный стальной нож одновременно и тверд, и хрупок.
- Упругость — это свойство металлов восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или нагревания, вызвавших деформацию. В большой степени этим свойством обладают специальные сорта стали.
- Плавление при нагревании — способность металла плавиться при нагревании является важным качеством, так как плавление считается одним из самых доступных и дешевых способов получения изделий из металла. Детали огромных машин и маленькие металлические скульптуры изготовляются одинаковым способом.
Если возникает необходимость закалить деталь, и при этом сохранить вязкость металла, мастера используют токи высокой частоты. При этом деталь закаляется в глубину на несколько миллиметров. Однако вся остальная масса металла внутри изделия остается без изменений. И, наконец, металлические детали можно обрабатывать без нагревания — например, способом гравировки и резьбы по металлу.
Серебряные изделия
Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
- 6 элементов в группе щелочных металлов,
- 6 в группе щёлочноземельных металлов,
- 38 в группе переходных металлов,
- 11 в группе лёгких металлов,
- 7 в группе полуметаллов,
- 14 в группе лантаноиды + лантан,
- 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
- вне определённых групп бериллий и магний.
Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия
Характерные свойства металлов
- Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
- Хорошая электропроводность
- Возможность лёгкой механической обработки
- Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
- Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
- Большая теплопроводность
- В реакциях чаще всего являются восстановителями.
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Химические свойства металлов
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)
Реакции с простыми веществами
- С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:
оксид лития
пероксид натрия
надпероксид калия
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:
- С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:
При нагревании:
- С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:
Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:
- С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:
- С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.
Взаимодействие кислот с металлами
Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода
Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:
Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами
Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:
Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:
При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:
Реакции для азотной кислоты (HNO3)
При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:
Свойства металлов.
1.Основные свойства металлов.
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.
К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.
1. Физические и химические свойства.
Цвет. Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.
Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.
Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.
По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний ( удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.
Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.
Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 2730С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +2320 (олово) до 33700 (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).
Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.
Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).
Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.
Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.
Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 10.
Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 10.
Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.
Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 10 к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10-6 , а свинец 29,5 ·10-6.
Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.
Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.
2. Механические свойства.
Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.
Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)
Вязкость. Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.
Пластичность. Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.
В табл. 1 приведены свойства технических металлов.
Таблица 1.
Свойства технических металлов.
3. Значение свойств металлов.
Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, — это достаточная прочность.
Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.
Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.
Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью
Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке.
Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).
Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность( отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали.
Плавкость используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.
Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.
Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи ( телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов.
Теплопроводность металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов.
Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать,что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.
Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия.