Metale nieżelazne: struktura, typy, charakterystyka
Metale nieżelazne to te, które nie mają lub mają niewielkie ilości żelaza. Te, w różnych proporcjach masowych, są wykorzystywane do tworzenia stopów, które wykazują lepsze właściwości fizyczne niż pojedyncze metale.
Tak więc jego struktury krystaliczne i oddziaływania metali są podstawą zastosowań stopów nieżelaznych. Jednak te czyste metale znajdują mniej zastosowań, ponieważ są bardzo wrażliwe i reaktywne. Z tego powodu działają najlepiej jako baza i dodatek do stopów.
Brąz jest stopem nieżelaznym; Składa się głównie ze złotej mieszanki miedzi i cyny (posąg na obrazku powyżej). Miedź w stopie utlenia się i tworzy CuO, związek, który czernieje jego złotą powierzchnię. W wilgotnym środowisku CuO uwadnia i pochłania dwutlenek węgla i sole, tworząc niebiesko-zielone związki.
Na przykład Statua Wolności pokryta jest warstwami węglanów miedzi (CuCO 3 ), znanych jako patyna. Ogólnie wszystkie metale są utleniane. W zależności od stabilności ich tlenków, w większym lub mniejszym stopniu chronią stopy przed korozją i czynnikami zewnętrznymi.
Struktura
Żelazo jest tylko jednym z wszystkich metali w przyrodzie, więc struktury i stopy metali nieżelaznych są bardziej zróżnicowane.
Jednak w normalnych warunkach większość metali ma trzy struktury krystaliczne ustanowione przez ich wiązania metalowe: zwarta sześciokątna (hcp), zwarta sześcienna (ccp) i sześcienna centrowana w ciele (bcc).
Sześciokątny kompakt (hcp)
W tej strukturze atomy metalu są pakowane w postaci sześciokątnego pryzmatu, wykorzystując w ten sposób wszystkie przestrzenie.
Ze wszystkich struktur jest to najgęstsza, więc można oczekiwać, że w ten sam sposób są metale, które go posiadają. W tym wszystkim wszystkie atomy są otoczone przez dwunastu sąsiadów.
Przykłady
- Tytan (Ti).
- Cynk (Zn).
- Magnez (Mg).
- Kadm (Cd).
- Kobalt (Co).
- Ruten (Ru).
- Osmio (Os).
- Metale ziem alkalicznych (z wyjątkiem baru i fransu).
Kompaktowy sześcienny (ccp)
Ta krystaliczna struktura jest mniej gęsta niż hcp, w tym każdy atom otoczony jest przez dwunastu sąsiadów.
W tym przypadku szczeliny (puste przestrzenie) są większe niż w przypadku hcp, więc metale te mogą zawierać w tych cząsteczkach i małych atomach (takich jak wodór cząsteczkowy, H 2 ).
Przykłady
- Aluminium (Al).
- Nikiel (Ni).
- Srebro (Ag).
- Miedź (Cu).
- Złoto (Au).
- Rod (Rh).
- Iridium (Go).
Cubic wyśrodkowany na ciele (bcc)
Spośród trzech struktur jest to najmniej gęsta i zwarta, a jednocześnie ta, która przedstawia szczeliny większych objętości.
W związku z tym łatwiej mieści się w nim małe cząsteczki i atomy. Podobnie w tym sześcianie każdy atom jest otoczony przez ośmiu sąsiadów.
Przykłady
- Vanadio (V).
- Niob (Nb).
- Chrom (Cr).
- Metale alkaliczne.
- Wolfram (W).
Ponadto istnieją inne struktury, takie jak proste sześcienne i inne bardziej złożone, które składają się z mniej gęstych lub zniekształconych tablic z pierwszych trzech. Jednak powyższe struktury krystaliczne dotyczą tylko czystych metali.
W warunkach wysokiego zanieczyszczenia, ciśnienia i temperatury, układy te są zniekształcone, a gdy są składnikami stopu, oddziałują z innymi metalami w celu wytworzenia nowych struktur metalicznych.
W rzeczywistości dokładna wiedza i manipulacja tymi rozwiązaniami pozwalają na projektowanie i opracowywanie stopów o właściwościach fizycznych pożądanych w określonym celu.
Typy
Ogólnie mówiąc, metale nieżelazne można podzielić na trzy typy: ciężki (ołów), lekki (miedź i aluminium) i ultralekki (magnez). Z kolei są one podzielone na dwie podklasy: te o średnich punktach topnienia i te o wysokich temperaturach topnienia.
Inne rodzaje metali nieżelaznych odpowiadają szlachetnym (lub szlachetnym) metalom. Przykładami są metale o strukturze ccp (z wyjątkiem aluminium, niklu i innych).
Podobnie metale ziem rzadkich są uważane za nieżelazne (cer, samar, skand, itr, tul, gadolin itd.). Wreszcie, metale radioaktywne liczą się również jako nieżelazne (polon, pluton, rad, frans, astat, radon itp.).
Charakterystyka i właściwości
Chociaż właściwości i właściwości metali różnią się w ich czystych stanach i stopach, przedstawiają one cechy ogólne, które odróżniają je od metali żelaznych:
- Są ciągliwe i doskonałe przewodniki elektryczne i termiczne.
- Są mniej podatne na obróbkę cieplną.
- Mają większą odporność na utlenianie i korozję.
- Nie przedstawiają tak dużego paramagnetyzmu, co pozwala im być materiałami używanymi do zastosowań elektronicznych.
- Procesy produkcyjne są łatwiejsze, w tym odlewanie, spawanie, kucie i laminowanie.
- Mają bardziej atrakcyjne barwy, więc znajdują zastosowanie jako elementy ozdobne; Ponadto są mniej gęste.
Niektóre z jego wad w porównaniu z metalami żelaznymi to: niska odporność, wysokie koszty, niższe wymagania i mniejsza obfitość mineralogiczna.
Przykłady
W przemyśle metalurgicznym istnieje wiele opcji w produkcji metali i stopów metali nieżelaznych; najczęstsze to: superstopy na bazie miedzi, aluminium, cynku, magnezu, tytanu i niklu.
Miedź
Miedź była wykorzystywana do wielu różnych zastosowań ze względu na jej korzystne właściwości, takie jak wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne.
Jest odporny, plastyczny i ciągliwy, dzięki czemu można go uzyskać z wielu praktycznych projektów: od rur po słoiki i monety. Został on również wykorzystany do wzmocnienia stępki łodzi i znajduje wiele zastosowań w przemyśle elektrycznym.
Chociaż w stanie czystym jest bardzo miękki, jego stopy (między mosiądzem a brązem) są bardziej odporne i są chronione przez warstwy Cu 2 O (tlenek czerwonawy).
Aluminium
Jest to metal uważany za lekki ze względu na niską gęstość; Ma wysoką przewodność cieplną i elektryczną i jest odporny na korozję dzięki warstwie Al 2 O 3, która chroni jego powierzchnię.
Ze względu na swoje właściwości jest idealnym metalem, szczególnie w aeronautyce, w przemyśle motoryzacyjnym i budowlanym, między innymi.
Cynk i magnez
Stopy cynku (takie jak KAYEM, z 4% aluminium i 3% masy miedzi) są wykorzystywane do produkcji złożonych odlewów. Jest przeznaczony do prac budowlanych i inżynieryjnych.
W przypadku magnezu jego stopy mają zastosowanie w architekturze, a także w obudowach rowerowych, attykach mostowych i konstrukcjach spawanych.
Znajduje również zastosowanie w przemyśle lotniczym, w maszynach szybkobieżnych iw sprzęcie transportowym.
Tytan
Tytan tworzy lekkie stopy. Są super odporne i chronione przed korozją przez warstwę TiO 2 . Jego ekstrakcja jest kosztowna i ma strukturę krystaliczną BCC powyżej 882 ° C.
Ponadto jest biokompatybilny, dlatego może być stosowany jako materiał do implantów medycznych i implantów. Ponadto tytan i jego stopy są obecne w maszynach, w marynarce wojennej, w komponentach strumieniowych i w reaktorach chemicznych.
Superstopy
Superstopy są bardzo odpornymi fazami stałymi złożonymi z niklu (jako metalu nieszlachetnego) lub kobaltu.
Są one używane jako łopatki w turbinach lotniczych i silnikach, w materiałach do reaktorów, które wytrzymują agresywne reakcje chemiczne i w wymiennikach ciepła.
