A modern embert mindennapi életében különféle fémek veszik körül. Az általunk használt cikkek többsége ezeket a vegyi anyagokat tartalmazza. Mindez azért történt, mert az emberek különféle módokat találtak fémek beszerzésére.
Mik azok a fémek
A szervetlen kémia ezekkel az emberek számára értékes anyagokkal foglalkozik. A fémek megszerzése lehetővé teszi az ember számára, hogy egyre tökéletesebb technológiát hozzon létre, amely javítja az életünket. Kik ők? Mielőtt megvizsgálnánk a fémek megszerzésének általános módszereit, meg kell érteni, mik ezek. A fémek kémiai elemek egy csoportja egyszerű anyagok formájában, jellegzetes tulajdonságokkal:
• hő- és elektromos vezetőképesség;
• nagy rugalmasság;
• csillogás.
Egy személy könnyen megkülönbözteti őket más anyagoktól. Minden fém jellegzetessége a különleges ragyogás jelenléte. Ezt úgy kapják, hogy a beeső fénysugarakat olyan felületre verik vissza, amely nem engedi át azokat. A fényesség minden fém közös tulajdonsága, de ez a legkifejezettebb az ezüstben.
BeA mai napig a tudósok 96 ilyen kémiai elemet fedeztek fel, bár nem mindegyiket ismeri el a hivatalos tudomány. Jellemző tulajdonságaik szerint csoportokra osztják őket. A következő fémeket izoláljuk így:
• lúgos – 6;
• alkáliföldfém – 6;
• átmeneti – 38;
• fény – 11;
• félfémek – 7;
• Lantanidész – 14;
• aktinidák – 14.
Fémek beszerzése
Az ötvözet készítéséhez először fémet kell nyernie természetes ércből. A natív elemek azok az anyagok, amelyek szabad állapotban találhatók meg a természetben. Ide tartozik a platina, arany, ón, higany. Ezeket mechanikusan vagy kémiai reagensek segítségével választják el a szennyeződésektől.
Más fémeket vegyületeik feldolgozásával bányásznak. Különféle kövületekben találhatók. Az ércek ásványok és kőzetek, amelyek fémvegyületeket tartalmaznak oxidok, karbonátok vagy szulfidok formájában. Megszerzésükhöz vegyi feldolgozást alkalmaznak.
Fémek előállítási módszerei:
• oxidok redukciója szénnel;
• ón kinyerése ónkőből;
• vasérc olvasztás;
• kénvegyületek égetése speciális kemencékben.
A fémek érckőzetekből való kinyerésének megkönnyítésére különféle anyagokat, úgynevezett folyasztószereket adnak hozzájuk. Segítenek eltávolítani a nem kívánt szennyeződéseket, mint például agyag, mészkő, homok. Ennek az eljárásnak az eredményeként olvadó vegyületeket kapnak,úgynevezett salak.
Jelentős mennyiségű szennyeződés jelenlétében az ércet a fém olvasztása előtt dúsítják a felesleges komponensek nagy részének eltávolításával. A kezelés legszélesebb körben használt módszerei a flotáció, a mágneses és a gravitáció.
Alkálifémek
Az alkálifémek tömeges előállítása összetettebb folyamat. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a természetben csak kémiai vegyületek formájában találhatók meg. Mivel redukálószerek, előállításuk magas energiaköltséggel jár. Az alkálifémek kinyerésének többféle módja van:
• A lítium oxidjából nyerhető vákuumban vagy a spodumen feldolgozása során képződő klorid-olvadék elektrolízisével.
• A nátriumot a szóda szénnel történő kalcinálásával extrahálják szorosan zárt tégelyekben, vagy kloridolvadék elektrolízisével, kalcium hozzáadásával. Az első módszer a legidőigényesebb.
• A káliumot sói olvadék elektrolízisével vagy nátriumgőznek a kloridján való átvezetésével nyerik. Az olvadt kálium-hidroxid és a folyékony nátrium kölcsönhatása révén is keletkezik 440 °C hőmérsékleten.
• A céziumot és a rubídiumot úgy bányászják, hogy kloridjaikat kalciummal redukálják 700–800 °C-on, vagy cirkóniummal 650 °C-on. Az alkálifémek ilyen módon történő kinyerése rendkívül energiaigényes és költséges.
A fémek és ötvözetek közötti különbségek
A fémek és ötvözeteik között alapvetően világos határvonal gyakorlatilag nem létezik, hiszen a legtisztább, legegyszerűbb anyagok isbizonyos mennyiségű szennyeződés. Tehát mi a különbség köztük? Az iparban és a nemzetgazdaság más ágazataiban felhasznált fémek szinte mindegyikét olyan ötvözetek formájában használják fel, amelyeket szándékosan úgy állítanak elő, hogy a fő kémiai elemhez más komponenseket adnak.
Övözetek
A technológiának különféle fémanyagokra van szüksége. Ugyanakkor a tiszta kémiai elemeket gyakorlatilag nem használják fel, mivel nem rendelkeznek az emberek számára szükséges tulajdonságokkal. Igényeinknek megfelelően különféle módokat találtunk ki az ötvözetek előállítására. Ez a kifejezés olyan makroszkopikusan homogén anyagot jelent, amely 2 vagy több kémiai elemből áll. Ebben az esetben a fém alkatrészek dominálnak az ötvözetben. Ennek az anyagnak saját szerkezete van. Az ötvözetek esetében a következő összetevőket különböztetjük meg:
• egy vagy több fémből álló alap;
• módosító és ötvöző elemek kis kiegészítése;
• el nem távolított szennyeződések (technológiai, természetes, véletlenszerű).
A fémötvözetek a fő szerkezeti anyag. A technológia területén több mint 5000 van belőlük.
Övözetek típusai
A sokféle ötvözet ellenére a vas- és alumíniumalapúak a legnagyobb jelentőséggel bírnak az emberek számára. Ezek a leggyakoribbak a mindennapi életben. Az ötvözetek típusai eltérőek. Sőt, több szempont szerint is fel vannak osztva. Így az ötvözetek előállítására különféle módszereket alkalmaznak. E kritérium szerint a következőkre oszlanak:
• Szereplők, amelyekvegyes komponensek olvadékkristályosításával nyerik.
• Por, amelyet porok keverékének préselésével, majd magas hőmérsékleten történő szinterezéssel állítanak elő. Ezenkívül az ilyen ötvözetek összetevői gyakran nemcsak egyszerű kémiai elemek, hanem különféle vegyületeik is, például titán vagy volfrám-karbidok keményötvözetekben. Hozzáadásuk bizonyos mennyiségben megváltoztatja a fémes anyagok tulajdonságait.
Az ötvözetek késztermék vagy nyersanyag formájában történő előállítására szolgáló módszerek a következőkre oszlanak:
• öntöde (szilumin, öntöttvas);
• kovácsolt (acél);
• por (titán, wolfram).
Övözetek típusai
A fémek kinyerésének módjai különbözőek, míg az ezeknek köszönhetően készült anyagok eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. Szilárd halmazállapotú ötvözetek:
• Homogén (egységes), azonos típusú kristályokból áll. Gyakran egyfázisúnak nevezik őket.
• Heterogén (heterogén), többfázisú. Amikor ezeket megkapjuk, szilárd oldatot (mátrix fázist) veszünk az ötvözet alapjául. Az ilyen típusú heterogén anyagok összetétele a kémiai elemeinek összetételétől függ. Az ilyen ötvözetek a következő összetevőket tartalmazhatják: intersticiális és helyettesítő szilárd oldatok, kémiai vegyületek (karbidok, intermetallidok, nitridek), egyszerű anyagok krisztallitjai.
Ötvözet tulajdonságai
Függetlenül attól, hogy milyen módszereket alkalmaznak a fémek és ötvözetek előállítására, tulajdonságaikat teljesen meghatározza a kristályezen anyagok fázisszerkezete és mikroszerkezete. Mindegyik más. Az ötvözetek makroszkopikus tulajdonságai a mikroszerkezetüktől függenek. Mindenesetre eltérnek fázisaik jellemzőitől, amelyek kizárólag az anyag kristályszerkezetétől függenek. A heterogén (többfázisú) ötvözetek makroszkopikus homogenitását a fémmátrixban lévő fázisok egyenletes eloszlása eredményezi.
Az ötvözetek legfontosabb tulajdonsága a hegeszthetőség. Egyébként azonosak a fémekkel. Tehát az ötvözetek hő- és elektromos vezetőképességgel, alakíthatósággal és visszaverő képességgel (fényességgel) rendelkeznek.
Változatos ötvözetek
Az ötvözetek előállításának különböző módszerei lehetővé tették az ember számára, hogy nagyszámú, eltérő tulajdonságokkal és jellemzőkkel rendelkező fém anyagot találjon fel. Céljuk szerint a következő csoportokba sorolhatók:
• Szerkezeti (acél, duralumínium, öntöttvas). Ebbe a csoportba tartoznak a különleges tulajdonságokkal rendelkező ötvözetek is. Így benső biztonsági vagy súrlódásgátló tulajdonságokkal rendelkeznek. Ide tartozik a sárgaréz és a bronz.
• Csapágyak öntéséhez (babbit).
• Elektromos fűtő- és mérőberendezésekhez (nikróm, manganin).
• Vágószerszámok gyártásához (win).
A gyártás során az emberek más típusú fémanyagokat is használnak, például olvadó, hőálló, korrózióálló és amorf ötvözeteket. A mágneseket és a termoelektromos anyagokat (bizmut, ólom, antimon és mások teluridjai és szelenidjei) szintén széles körben használják.
Vasötvözetek
Gyakorlatilag a Földön megolvasztott összes vasat egyszerű és ötvözött acélok előállítására fordítják. A vas előállításához is használják. A vasötvözetek népszerűsége annak köszönhető, hogy az ember számára előnyös tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezeket úgy kapták meg, hogy egy egyszerű kémiai elemhez különféle összetevőket adtak. Tehát annak ellenére, hogy egy anyag alapján különféle vasötvözetek készülnek, az acélok és az öntöttvasak eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. Ennek eredményeként sokféle alkalmazást találnak. A legtöbb acél keményebb, mint az öntöttvas. A fémek előállításának különféle módszerei lehetővé teszik ezen vasötvözetek különböző minőségű (márkájú) előállítását.
Az ötvözet tulajdonságainak javítása
Bizonyos fémek és más kémiai elemek olvasztásával jobb tulajdonságokkal rendelkező anyagok nyerhetők. Például a tiszta alumínium folyáshatára 35 MPa. Ha ennek a fémnek a rézzel (1,6%), cinkkel (5,6%) és magnéziummal (2,5%) ötvözetét állítják elő, ez az érték meghaladja az 500 MPa-t.
A különböző vegyszerek különböző arányú kombinálásával jobb mágneses, termikus vagy elektromos tulajdonságokkal rendelkező fémanyagok nyerhetők. Ebben a folyamatban a fő szerepet az ötvözet szerkezete játssza, ami a kristályok eloszlása és az atomok közötti kötések típusa.
Acélok és vasak
Ezeket az ötvözeteket vas és szén (2%) kombinálásával állítják elő. Az ötvözött anyagok gyártása során hozzáadjáknikkel, króm, vanádium. Minden közönséges acél típusra van osztva:
• alacsony szén-dioxid-kibocsátású (0,25% szén) különféle szerkezetekhez;
• Magas széntartalmú (több mint 0,55%) vágószerszámokhoz.
A gépészetben és más termékekben különböző minőségű ötvözött acélokat használnak.
A vas és szén ötvözetét, amelynek aránya 2-4%, öntöttvasnak nevezzük. Ez az anyag szilíciumot is tartalmaz. Különféle jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkező termékeket öntöttvasból öntnek.
Színesfémek
A vason kívül más kémiai elemeket is felhasználnak különféle fémes anyagok előállításához. Kombinációjuk eredményeként színesfém ötvözetek keletkeznek. Az emberek életében aalapján készült anyagok találták a legnagyobb felhasználást
• Réz, úgynevezett sárgaréz. 5-45% cinket tartalmaznak. Ha tartalma 5-20%, akkor a sárgaréz vörösnek, ha 20-36% -nak, sárgának nevezik. Vannak rézötvözetek szilíciummal, ónnal, berilliummal, alumíniummal. Bronzoknak hívják. Ezeknek az ötvözeteknek többféle típusa létezik.
• Ólom, amely közönséges forrasztóanyag (tretnik). Ebben az ötvözetben 2 rész ón esik ennek a vegyszernek 1 részére. A csapágyak babbitt felhasználásával készülnek, amely ólom, ón, arzén és antimon ötvözete.
• Alumínium, titán, magnézium és berillium, amelyek könnyű színesfém ötvözetek, nagy szilárdsággal és kiváló mechanikai tulajdonságokk altulajdonságok.
Megszerzési módszerek
A fémek és ötvözetek előállításának fő módszerei:
• Öntöde, amelyben különböző olvadt komponensek homogén keveréke szilárdul meg. Az ötvözetek előállításához pirometallurgiai és elektrometallurgiai módszereket alkalmaznak a fémek előállítására. Az első változatban a tüzelőanyag elégetése során nyert hőenergiát használják fel a nyersanyag melegítésére. A pirometallurgikus módszerrel acélt nyitott kandallós kemencékben, öntöttvasat pedig nagyolvasztóban állítanak elő. Az elektrometallurgiai módszerrel az alapanyagokat indukciós vagy elektromos ívkemencében melegítik. Ugyanakkor az alapanyag nagyon gyorsan megpuhul.
• Por, amelyben összetevőinek porait használják fel az ötvözet előállításához. A préselésnek köszönhetően bizonyos formát kapnak, majd speciális kemencékben szinterelik.
