КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ. Методична розробка з дисципліни Обладнання підприємств галузі

 

Лисичанський промислово-технологічний фаховий  коледж

 

 

 

 

 

 

 

КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

методична розробка заняття

з дисципліни

ОК 17 ОБЛАДНАННЯ  ПІДПРИЄМСТВ ГАЛУЗІ

в закладах фахової передвищої освіти

 

 

   

Розробник:

СкибаЮ.С., викладач спеціаліст  Лисичанського промислово-технологічного фахового  коледжу

 

 

 

 

              

              2025

 

 

ВСТУП

Кольорові метали - це метали, що мають колір, відмінний від кольору заліза. Вони мають ряд цінних властивостей, таких як висока електро- та теплопровідність, стійкість до корозії, легкість, пластичність та ковкість. Найважливіші кольорові метали: мідь, алюміній, цинк, олово, свинець, титан, золото, срібло, платина.

Сплави кольорових металів - це матеріали, отримані шляхом сплавлення двох або більше металів, або металів з іншими елементами. Сплави мають властивості, які відрізняються від властивостей чистих металів. Найпоширеніші сплави кольорових металів: латунь, бронза, дюралюміній, силумін.

Кольорові метали та їх сплави широко використовуються в різних галузях промисловості, таких як електротехніка, машинобудування, авіа- та ракетобудування, будівництво, хімічна промисловість, медицина, ювелірна справа.

Методична розробка заняття Кольорові метали та їх сплави  виконана у відповідності з методичними рекомендаціями з підготовки та проведення лекційних занять у закладах фахової передвищої освіти. Заняття підготовлено відповідно до робочої і навчальної програми з дисципліни  ОК 17 Обладнання підприємств галузі  спеціальності 133 «Галузеве машинобудування» за освітньо-професійною програмою «Обслуговування та ремонт обладнання підприємств хімічної та нафтогазопереробної промисловості».

У рамках лекції  Кольорові метали так їх сплави   ми розглянемо основні властивості металів, їхню класифікацію, способи виробництва та використання в різних галузях промисловості.. Знання, отримані на занятті , допоможуть вам зрозуміти значення кольорових металів у сучасному світі, а також сформують базові навички для подальшого вивчення матеріалознавства та технологій обробки металів.

Методична розробка заняття Кольорові  метали та їх сплави   відповідає теоретичному й методико-практичному розділам навчальної програми, має інноваційний характер, відповідає новітнім технологіям навчання, спрямована на формування фахової компетенції майбутніх фахівців, дисципліна «Обладнання підприємств галузі»  закладає основи розуміння будови, принципів роботи, конструювання, вимог до безпечної експлуатації, механічних розрахунків обладнання, яке використовується на підприємствах галузі та є базою для вивчення технічного обслуговування і ремонту обладнання галузі. 

Методична розробка Кольорові  метали та їх сплави   може бути рекомендована для викладачів спеціальних дисциплін спеціальності 133 «Галузеве машинобудування» за освітньо-професійною програмою «Обслуговування та ремонт обладнання підприємств хімічної та нафтогазопереробної промисловості» в закладах фахової передвищої освіти в якості як основного, так і навчально-методичного матеріалу.

 

МЕТОДИЧНА    РОЗРОБКА   ЗАНЯТТЯ

СТРУКТУРА ЗАНЯТТЯ:

1.Організаційний момент:

1)Привітання

2) Перекличка

3)Перевірка готовності до заняття

2. Мотивація навчальної та пізнавальної діяльності студентів, оголошення теми та цілей заняття.

3.Реалізація теми за планом.

3.1 Лекція за  планом

3.2 Тестування знань

3.3 Питання для самоконтролю

4. Підсумок заняття. Оцінювання

5. Домашнє завдання

  ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО МАШИНИ І АПАРАТИ ХІМІЧНОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ОБЛАДНАННЯ

 

ТЕМА КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

 

План:

1 Мідь та її сплави.

2 Алюміній та його сплави.

3 Інші кольорові метали

 

У хімічному машинобудуванні застосовують мідь, алюміній, синець, нікель, титан та сплави вказаних металів.

 

1 Мідь та її сплави

Мідь - метал червоного, в зламі рожевого кольору, має густину 8,94 г/см³ і температуру плавлення 2360 ℃.

Технічно чиста мідь володіє високою пластичністю і корозійною стійкістю, високою електропровідністю і теплопровідністю, а також стійкістю проти атмосферної корозії. Хімічна активність міді порівняно невелика. Розведені соляна і сірчана кислоти на мідь практично не впливають. У вологому повітрі рожево-червона мідь тьмяніє через утворення на її поверхні закису міді Сu₂О. На властивості міді великий вплив мають домішки: всі, крім срібла та берилію погіршують електропровідність.

Мідь маркують буквою М, після якої стоїть цифра. Чим більше цифра, тим більше в ній домішок. Найвища марка М00 - 99,99% міді, М4 - 99% міді.

Після позначення марки вказують спосіб виготовлення міді: к-катодна, б - безкиснева, р - розкислена. Мідь вогневого рафінування не позначається.

М00к - технічно чиста катодна мідь, що містить не менше 99,99% міді і срібла.

Мідь марок M00 (0,01 % домішок), М0 (0,5%) і M1 (0,1%) використовується для виготовлення провідників електричного струму, мідь М2 (0,3%) — для виробництва високоякісних сплавів міді, МЗ (0,5%) — для сплавів звичайної якості.

Мідні апарати, максимальна температура застосування яких 250 ℃, використовують в хімічній, харчовій та фармацевтичній промисловості. Максимальний тиск в мідних апаратах до 4 МПа. Мінімальна температура — мінус 269 ℃.

Для виготовлення апаратів з тонкими стінками (до 2,5 – 3 мм) використовують пайку м’яким припаєм. Але такі апарати можуть працювати при температурі не вище 120 ℃. Пайка твердим припоєм використовується для сплавлення з шаром зовнішнього металу. Температура плавлення твердих припаїв 840 – 900 ℃. Для виготолення мідних апаратів використовують мідь марки М2 та М3із вмістом чистої міді 99,7 та 99,5 % відповідно.

 

У техніці застосовують 2 великі групи мідних сплавів: латуні та бронзи.

Латунню називають сплави міді з цинком, де цинку до 40%.

Прості латуні маркують літерою Л і позначають числом, що характеризує середній вміст міді. Так, наприклад, Л68 містить 68 % Cu і 32 % Zn.

Латунь характеризується високою електропровідністю і теплопровідністю, корозійною стійкістю, добре обробляються різанням.

Класифікація латуней:

• За технологічними ознаками латунь ділять на ті, що деформуються і ливарні (деталі з неї виготовляються методом лиття);
• за хімічним складом латунь ділиться на прості (подвійні), в яких присутні тільки мідь і цинк і складні (багатокомпонентні), в які для поліпшення різних властивостей додають інші елементи.

Найбільш поширені добавки алюмінію, олова, кремнію, нікелю тощо.

Латунь маркується буквою Л.

В латуні, що деформується, указується вміст міді і легуючих елементів, які позначаються відповідними буквами (О — олово, А — алюміній, К — кремній, Н — нікель, Мц — марганець, Ж — залізо і тощо

Вміст елементів дається в % після всіх буквених позначень.

Наприклад, латунь Л63 містить 63% міді і 37% цинку.

Латунь ЛАЖ 60-1-1 містить 60% міді, 1%, алюмінію, 1% заліза і 38% цинку.

В марках ливарної латуні указується вміст цинку, а кількість легуючих елементів  ставиться після букв, що їх позначають. Наприклад, ливарна латунь ЛЦ40Мц3А містить 40% цинку, 3% марганцю, менше 1% алюмінію і 56% міді.

Латуні дешевше міді і перевершують її по міцності, в'язкості і корозійної стійкості. Володіють хорошими ливарні властивості.

Латуні, застосовуються в основному для виготовлення деталей штампуванням, витяжкою, розкочуванням, гнуття, тобто процесами, які вимагають високої пластичності матеріалу заготовки. Тиск в латунних апаратах до 4 МПа, температура від мінус 253 до 250 ℃.

 

Бронзи - це сплави міді з оловом (4-33% Sn), свинцем (до 30% Pb), алюмінієм (5-11% AL), кремнієм (4-5% Si), сурмою, фосфором та іншими елементами.

Бронзи відрізняються високою корозійною стійкістю і антифрикційними властивостями. З них виготовляють вкладиші підшипників ковзання, вінці черв'ячних зубчастих коліс і інші деталі.

Бронзи маркуються літерами Бр, а після них вказують основні легуючі елементи та їхній вміст у сплаві. Елементи позначають літерами: Ц - Zn; Φ - Р; Б - Be; Ж - Fe, А - Àl тощо.

Наприклад, БрАЖМц 10-3-1,5 легована 10 % Àl, 3 % - Fe, 1,5 % - Μn, інше - Cu.

 

2 Алюміній та його сплави

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору. Температура плавлення 650 Алюміній має електричну провідність, що відповідає 65 % електричної провідності міді. Алюміній займає 3 місце з поширення в земній корі після кисню і кремнію. Алюміній стійкий проти атмосферної корозії завдяки утворенню на його поверхні щільної окисної плівки. Має хорошу тепло-і електропровідність. Добре обробляється тиском.

Маркується літерою А і цифрою, що вказує на вміст алюмінію. Алюміній особливої чистоти має марку А999 - вміст Al в цій марці 99,999%. Алюміній високої чистоти - А99, А95 містять Al 99,99% і 99,95% відповідно. Технічний алюміній - А85, А8, А7 тощо.

Алюмінієву апаратуру використовують у виробництві азотної, фосфорної та органічних кислот. Максимально допустима температура для алюмінієвих апаратів 200 ℃, тиск – до 1,6 МПа.  Частини апаратів з’єднують електродуговим або газовим зварюванням.

З алюмінію виготовляють резервуари, колони, теплообмінники, невеликі реакційні апарати. Застосування алюмінію обмежується його низькою механічною міцністю.

На відміну від алюмінію, алюмінієві сплави застосовуються в техніці як конструкційний матеріал, оскільки мають малу питому вагу, високу корозійну стійкість, високі показники питомої міцності (відношення границі міцності до питомої ваги).

Залежно від технології виготовлення напівфабрикатів і деталей алюмінієві сплави діляться на дві групи: ливарні та деформуємі, які маркуються, відповідно, літерами АЛ і АК та двозначними цифрами, які позначають номери сплавів.

Маркування ливарного іноземного алюмінію та його сплавів, за класифікацією Американського національного інституту стандартів (АNSI) і Асоціації алюмінію (АА), стандарт No Н35.1, складається з чотирьохзначного  числа та крапки після третього знаку (ХХХ.Х). Перша цифра показує наступні групи сплавів: 1 (1ХХ.Х) - А1 > 99.00%; 2 (2ХХ.Х) - головний легуючий елемент мідь; 3 (ЗХХ.Х) - Sі+Сu+Мg; 4 (4ХХ.Х) - Sі; 5 (5ХХ.Х)  -  Мg; 7 (7ХХ.Х)  -  Zn; 8 (8ХХ.Х) -  Sn. Дві наступні цифри в першої групі вказують на мінімальний вміст Аl, а в групах  2  -  8  на  номер  сплаву.  Цифра  після  коми  вказує  на  метод отримання  сплаву.  0  (ХХХ.О)  позначає  виливка  1  (XXX.  1)  або  2 (ХХХ.2) - зливок.

Маркування деформованого іноземного алюмінію та його сплавів, за  тією же класифікацією, складається з чотирьохзначного числа (ХХХХ). Перша цифра показує наступні групи сплавів: 1 (1ХХХ) - А1 > 99.00%; 2 (2ХХХ) - головний легуючий елемент мідь; 3 (ЗХХХ) - Мn; 4 (4ХХХ) - Sі; 5 (5ХХХ) - Мg; 6 (6ХХХ) - Мg+Sі; 7 (7ХХХ) - Zn; 8 (8ХХХ) - інші елементи. Друга цифра, у випадку першої групи вказує на спеціальний контроль домішок, а в групах 2 - 8 на номер сплаву. Дві останні цифри в першої групі вказують на мінімальний вміст Аl, а в групах  2  -  8  на  модифікування  сплаву  (0-  вихідний  сплав  без модифікування).

Найбільш поширеними в машинобудуванні ливарними сплавами є силуміни – сплави алюмінію з кремнієм (від 4 до 14 %). Силуміни характеризуються високою рідкотекучістю, малою лінійною усадкою та низькою схильністю до утворення тріщин. До складу більшості марок силумінів, крім кремнію, як основного легуючого елемента, входять марганець (0,2 - 0,6 %), магній (0,2 - 0,55 %), а також титан (0,1 - 0,3 %). Розчиняючись в алюмінії, легуючі елементи збільшують міцність і твердість силумінів. Водночас марганець підвищує антифрикційні властивості, а титан виконує роль модифікатора.

Для покращення механічних властивостей силумінів, до рідкого розчину сплаву перед його розливанням додають невелику кількість натрію  (0,01 - 0,02 %) у сполуках NaF  +  NaС1, який подрібнює їх структуру.

Силуміни  використовують  для  виготовлення  мало-  й  середньо- навантажених литих деталей, часто складної конфігурації.

 

 3 Інші кольорові метали

 

 Свинець використовують для виготовлення окремих виробів (змієвиків, гільз термометрів тощо) та захисту сталевих апаратів шляхом обкладання листовим свинцем або гомогенним свинцюванням, яке полягає в тому, що шар свинцю товщиною 3 – 6 мм направляють на попередньо підготовлену поверхню. Витрата свинцю значно зменшується, у порівнянні з обкладанням апарату листовим свинцем.

 Свинець стійкий до багатьох агресивних середовищ, у тому числі й до розчиненої сірчаної кислоти. Через низьку механічну міцність та високу вартість свинець, де можливо, замінюють пластмасами та нержавіючими сталями.

 

 Нікель - має добрі литтєві властивості, гарно кується та штампується, використовується. Апаратуру з нікелю застосовують для процесів лужного плавлення, при переробці органічних кислот, а також у тих випадках, де необхідна висока чистота продукту або недопустимо застосування кислотостійких сталей внаслідок їх дії як каталізатора, що прискорює небажані реакції. Нікель – дуже дефіцитний метал, тому у чистому вигляді застосовується рідко.

 

 Титан за міцністю незначно уступає сталі, а його питома вага майже вдвічі менше. Він стійкий до азотної кислоти у будь-яких концентраціях, до розчиненої сірчаної кислоти, до вологого хлору а також багатьох інших кородуючих сплавах. Тітан кується, штампується за зварюється, добре піддається механічній обробці, що дає можливість виготовляти з нього різноманітне обладнання: ємкісне, колонне, теплообмінне обладнання; фільтра, центрифуги, насоси, трубопровідну арматуру тощо.

 У хімічному машинобудуванні найчастіше використовується технічно чистий титан марок ВТ-1-0 (ВТ-1-00; ВТ-1-1).

 Титан може самозайматися у кисневмісних та окислювальних середовищах. Він має низькими фрикційними властивостями – у місцях тертя легко утворюються задири, частки зносу набувають високої температури, що може викликати вибух або пожежу. Небезпека утворення іскор може бути знижена вірним підбором матеріалів у вузлах тертя.

 Оскільки вартість титану висока, виготовляють сталеві апарати, облицьовані тонким титановим листом. Тиск в титанових апаратах е обмежується, максимальна температура складає 300 ℃.

 

2.ТЕСТУВАННЯ ЗНАНЬ  З ТЕМИ

1. Які метали відносяться до кольорових?

а) Залізо, хром, нікель б) Мідь, алюміній, цинк в) Золото, срібло, платина

г) Свинець, олово, титан

2. Який з цих металів є найлегшим?

а) Мідь б) Алюміній в) Цинк г) Свинець

3. Який з цих металів має найвищу теплопровідність?

а) Алюміній б) Мідь в) Золото г) Срібло

4. Який з цих металів використовується для виготовлення дротів?

а) Алюміній б) Мідь в) Обидва варіанти

5. Який з цих сплавів є найпоширенішим?

а) Латунь б) Бронза в) Дюралюміній г) Силумін

6. Який з цих сплавів використовується в авіабудуванні?

а) Дюралюміній б) Латунь в) Бронза г) Силумін

7. Який з цих сплавів має високу стійкість до корозії?

а) Бронза б) Латунь в) Дюралюміній г) Силумін

8. Який з цих сплавів використовується для виготовлення посуду?

а) Латунь б) Бронза в) Силумін г) Нержавіюча сталь

9. Який з цих металів є найдорожчим?

а) Золото б) Срібло в) Платина г) Мідь

10. Який з цих металів використовується в медицині?

а) Титан б) Золото в) Срібло г) Всі варіанти

*Відповіді:

1. б) Мідь, алюміній, цинк
2. б) Алюміній
3. б) Мідь
4. в) Обидва варіанти
5. а) Латунь
6. а) Дюралюміній
7. а) Бронза
8. в) Силумін
9. а) Золото
10. г) Всі варіанти

 

 3.ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Дайте визначення кольоровим металам. Чим вони відрізняються від чорних металів?
2. Наведіть приклади найважливіших кольорових металів та опишіть їх властивості та застосування.
3. Що таке сплав? Які переваги мають сплави порівняно з чистими металами?
4. Охарактеризуйте найпоширеніші сплави кольорових металів (латунь, бронза, дюралюміній, силумін). Які їх властивості та де вони застосовуються?
5. Які фактори впливають на властивості сплавів?
6. Опишіть технологічний процес виробництва кольорових металів та сплавів.
7. Які екологічні проблеми пов'язані з видобутком та переробкою кольорових металів?
8. Які перспективи розвитку виробництва та використання кольорових металів та сплавів?

 

4.ЗАПОВНІТЬ ТАБЛИЦЮ КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

Метал/Сплав	Властивості	Застосування
Мідь
Алюміній
Цинк
Латунь
Бронза
Дюралюміній
Силумін

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВИСНОВОК

Кольорові метали відіграють вирішальну роль у сучасному світі завдяки своїм унікальним властивостям та широкому спектру застосування.Кольорові метали є важливою сировиною для багатьох галузей промисловості, що забезпечує економічне зростання та створення робочих місць. Вони також відіграють ключову роль у розвитку інфраструктури, технологічному прогресі та підвищенні якості життя людей. Сплави кольорових металів - це матеріали, отримані шляхом сплавлення двох або більше металів, або металів з іншими елементами. Сплави мають властивості, які відрізняються від властивостей чистих металів. Найпоширеніші сплави кольорових металів: латунь, бронза, дюралюміній, силумін.

Кольорові метали та їх сплави широко використовуються в різних галузях промисловості, таких як електротехніка, машинобудування, авіа- та ракетобудування, будівництво, хімічна промисловість, медицина, ювелірна справа. Видобуток та переробка кольорових металів можуть мати негативний вплив на навколишнє середовище, тому важливо дотримуватися принципів сталого розвитку та впроваджувати екологічно чисті технології. Переробка та утилізація кольорових металів також є важливими для збереження природних ресурсів та зменшення забруднення навколишнього середовища.

Кольорові метали є життєво важливими для сучасної цивілізації. Вони забезпечують функціонування багатьох галузей промисловості, сприяють технологічному прогресу та покращують якість життя людей. Розуміння властивостей та значення кольорових металів є необхідним для успішного розвитку суспільства та збереження навколишнього середовища для майбутніх поколінь.

Методична розробка  заняття з дисципліни Обладнання підприємств галузі за темою Кольорові метали та їх сплави  може бути рекомендована для викладачів спеціальних дисциплін спеціальності 133 «Галузеве машинобудування» за освітньо-професійною програмою «Обслуговування та ремонт обладнання підприємств хімічної та нафтогазопереробної промисловості» в закладах фахової передвищої освіти в якості як основного, так і навчально-методичного  матеріалу.

ЛІТЕРАТУРА

1. Барвін О.І., Гєнкіна І.М., Іванченко В.В., Тараненко Г.В., Штонда Ю.М.  Конструювання  і  розрахунок  сталевих  зварних  посудин  та  апаратів. Обичайки та днища: навч. посібник. –  Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2005. – 310 с.
2. Барвін О.І., Гєнкіна І.М., Іванченко В.В., Тараненко Г.В., Штонда Ю.М.  Конструювання і розрахунок сталевих зварних посудин та апаратів.  Фланцеві  з'єднання.  –  Луганськ: Вид-во Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля, 2007. – 306 с.
3. Василенко С.М., Шутюк В.В. Теплообмінні апарати. Основи розрахунку та вибору. - К.: УДУХТ, 2017- 36 с.
4. Варгов А.П. Теплобміні процеси та обладнання хімічних та газонафтопереробних виробництв: навч. посібник - К.: Патерик, 2016. - 262с.
5. Мікульонок І. О. Виготовлення, монтаж та експлуатація обладнання хімічних виробництв. – К. : НТУУ«КПІ», 2019. – 419 c.
6. Мікульонок І. О. Технологія виготовлення обладнання хімічних виробництв. — К. : ІЗМН, 2020. — 282 с.
7. Склабінський В.І., Артюхов А.Є., Ляпощенко О.О., Шостаківський І.І.. Обладнання газо- та нафтопереробних виробництв - Суми: СумДУ, 2017. - 343 с.
8. Барсков.Д.М. Машины и аппараты резинового производства. М.:Химия, 2022.- 598с.
9. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. М.: Высшая школа 2000.- 324с.
10. Карпов В.Н. Оборудование предприятий резиновой промышленности. М.: Химия, 2023.-398.