Легкие металлы

В настоящее время такое понятие, как «легкие металлы», отсутствует в номенклатуре ИЮПАК. Таковыми принято называть металлы, имеющие небольшую плотность (как правило до 4,5 г/см³) или вес. Стоит отметить, что в настоящее время существуют такие металлы, которые легко держатся на воде, а некоторые из них имеют вес, в разы меньший пенопласта, но при этом все равно остаются достаточно прочными.

Группа легких металлов, как правило, включает в себя следующие: алюминий, олово, магний, титан, бериллий и литий. Кроме этого, к данной группе металлов часто также добавляют галлий, индий, таллий, висмут и кадмий.

Наиболее важными металлами данной группы с точки зрения технического применения являются алюминий, магний, титан, бериллий. Именно данные металлы служат в качестве основы сплавов. Алюминиевые сплавы являются наиболее значимой и распространенной группой, однако, не смотря на это, для специфического применения также предлагаются и материалы из титана и бериллия.

Свойства легких металлов

Алюминий

Алюминий является металлом, идеально сочетающим в своих характеристиках легкость и прочность. Его первооткрывателем является датский физик Ганс Эрстед, который в 1825 году восстановил хлорид алюминия амальгамой калия при воздействии высоких температур, в результате чего и выделил данный металл.

Имеет характерный серебристо-белый окрас. Плотность металла составляет 2712 кг/м³. Плавится при температуре: 658⁰С (для технического алюминий) и 660⁰С (для алюминия высокой чистоты). Удельная теплота плавления алюминия – 390 кДж/кг. Закипает при температуре 2515,8⁰С. Имеет удельную теплоемкость 897Дж/кг*К. Обладает достаточно высокой пластичностью, которая составляет 35% у технического алюминия и 50% у чистого металла.

Первым изделием, для изготовления которого был применен алюминий, стала детская погремушка. Однако, с тех далеких времен, алюминий стал достаточно распространенным материалом. В настоящее время он нашел свое широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, наибольший процент потребления данного металла приходится на упаковочную промышленность, особенно для банок с напитками.

Также следует отметить, что алюминий активно применяется наряду со сталью и в машиностроении. В настоящее время существует огромное множество алюминиевых сплавов, которые отвечают огромному количеству определенных и необходимых требований. Среди данных сплавов можно выделить две основные группы – литейные и деформируемые. Сплавы из каждой группы также можно разделить на те, которые способны дисперсионно твердеть и те, которые не способны. Чтобы материал сделать более прочным применяются:

• наклеп;
• легирование;
• дисперсионное твердение (старение).

Для того, чтобы получить оптимальные характеристики стареющих сплавов, их необходимо подвергнуть измельчению. В связи с этим, для дисперсионного старения деформируемых сплавов используется термообработка. Ее также могут применять с целью повышения прочности.

Среди наиболее важных литейных сплавов стоит выделить Al-Si, которые образуют эвтектическую систему с эвтектической точкой при 11,7% Si и 577⁰С. Сплавы, имеющие в своем составе содержание Si в пределах 11-13% называют близкими к эвтектическим. Кроме этого, они также известны как силуминовое литье. Стоит отметить, что если охлаждение сплава с содержанием Si 13% осуществляется медленно, то первично выделяющийся твердый раствор Si образует крупные, угловатые, игольчатые кристаллы, что, в свою очередь, чревато ярко выраженной хрупкостью подобных сплавов. Одним словом, такая структура является крайне неблагоприятной.  Для того, чтобы подобного не происходило, применяют облагораживание металлов – т.е. добавляют в плавку 0,1% Na. При этом происходит очищение кристаллов кремния, а также их округление и, в конечном итоге, образование тонкодиспергированной эвтектики. Благодаря подмешиванию в сплав натрия происходит снижение эвтектической температуры до 564⁰С.

Если же сплав охлаждается за относительно короткий промежуток времени, что происходит в кокильном литье, то происходит действие, подобное облагораживанию металлов – сдвиг эвтектической точки при помощи переохлаждения. В результате происходит образование достаточно чистой эвтектической структуры, что избавляет от необходимости облагораживания металлов путем добавления в них натрия.

Деформируемые сплавы имеют в своем составе значительно меньшее количество легирующих элементов и примесей, в отличие от литейных сплавов. Деформируемые сплавы, обычно, отвечают более высоким требованиям. В связи с этим, для их выплавки применяется металлургический алюминий. К нестареющим деформированным сплавам относятся AlMg-сплавы. Они отличаются своей высокой твердостью и прочностью по причине легирования. Данные свойства сохраняются даже при отжиге и сварке.

К высокопрочным сплавам нового поколения относятся Al-Li- сплавы.

Титан

Представляет собой легкий тугоплавкий металл с характерным серебристо-белым цветом. Отличается своей высокой устойчивостью к коррозии. Данным свойством он обязан стабильному пассивированному оксидному слою, который образуется за достаточно короткий промежуток времени при слабых средствах окисления.

Для титановых сплавов характерна высокая жаропрочность, которая может достигать 1200 – 1400Н/мм². Именно титановые сплавы занимают ячейку между алюминиевыми сплавами и жаропрочными сталями, поскольку могут применятся до температуры 500⁰С, а также до 1000⁰С при непродолжительном использовании.

Титановый сплав используется для изготовления деталей, которые подвергаются сильной нагрузке, с целью их облегчения. Например, шатуны для высокомощных двигателей изготавливаются именно из титановых сплавов. Это связано с тем, что данный материал обладает идеальным соотношением прочности на разрыв к плотности Rm/p.

Однако, для титановых сплавов характерна достаточно высокая стоимость, что препятствует их широкому применению, в отличие от Al-сплавов.

Титану, как и железу, присуще аллотропное превращение. Титан сохраняет свою гексагональную структуру до температуры 882⁰С.

Среди наиболее важных легирующих элементов, которыми обогащаются технические титановые сплавы, следует назвать ванадий, олово, молибден, цирконий, ниобий, а также хром и алюминий.

Самый легкий металл

Литий

Представляет собой легкий щелочной металл с характерным серебристо-белым окрасом, обладающий высокой мягкостью и пластичностью. Литий тверже натрия, однако по мягкости ему уступает свинец. Поддается обработке путем прессования и прокатки. В условиях комнатной температуры литий обладает кубической объемноцентрированной решеткой. Кристаллическая решетка относится к пространственной группе Р6₃/mmc.

Литий имеет самые высокие температуры плавления и кипения (180,54⁰С и 1340⁰С соответственно) из всех остальных щелочных металлов, а также самую низкую плотность в условиях комнатной температуры (0,533 г/см³, что является практически вдвое меньше, чем плотность воды). Благодаря своей низкой плотности литий может держаться не только на поверхности воды, но и плавать на поверхности керосина.

Литий имеет атом достаточно малых размеров, благодаря чему литий наделен особыми свойствами. Например, смешение лития и натрия возможно осуществить только лишь при температуре ниже 380⁰С. А вот с расплавленным калием, рубидием и цезием литий, в отличие от иных пар щелочных металлов, смешивающихся друг с другом в любых соотношениях, вообще невозможно смешать.

Первооткрывателем лития является шведский химик Иоганн Арфведсон, который в 1817 году выделил литий из минерала петалита.

Использование лития в чистом виде не возможно  в связи с активным взаимодействием его с окружающей средой. Литий нашел свое широкое применение в медицине, пищевой, текстильной, силикатной промышленностях. Также его используют во время изготовления пиротехники, термоядерного оружия, оптики. Нередко литий может выступать в роли окислителя. Отдельные его сплавы также применяются в электронике и авиакосмической промышленности.

Кроме лития, также имеют свойство держаться на воде калий и натрий, остальные же металлы из группы легких являются тяжелее воды.

Металлургия легких металлов

Производство легких металлов, как и других, начинается с добычи руд или другого вида сырья. Добыча легких цветных металлов относится к цветной металлургии.

Для производства алюминия используется природное сырье – глинозем, который добывается из бокситов. Кроме этого, также для добычи алюминия могут быть использованы нефелины и алуниты. Производство алюминия имеет два основных этапа – производство глинозема и производство металлического алюминия.

Для производства титана используются титановые руды. На территории России они находятся на 19 месторождениях, семь из которых являются россыпными.

Руды легких металлов, особенно алюминия, в отличие от тяжелых, по содержанию полезного компонента сходны с железной рудой и являются транспортабельными. В связи с этим вполне рациональным является их перевозка на дальние расстояния.