Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Директор института цветных металлов

и материаловедения

________________(Гафурова Н.В.)

«_____» _____________2011 г.

Константинов И.Л.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Дисциплина « Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов»

(наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом)

Укрупненная группа 150000 Металлургия, машиностроение и металлообработка

(номер и наименование укрупненной группы)

Направление150400 Металлургия___________________________________

(номер и наименование направления, специальности)

Факультет технологический__________________________________________

Кафедра «Обработка металлов давлением»

Красноярск

2011

Лекция 1

ОБЩИЙ ОБЗОР ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ

План лекции

1. Введение

2. Основные определения

Почти до конца XVIII в. принято было считать, что существует только

семь металлов: золото, серебро, ртуть, медь, железо, олово и свинец. Золото и

серебро, которые не изменяются под действием воздуха, влаги и высокой

температуры, получили название драгоценные металлы. Остальные металлы,

которые под действием воды и воздуха теряют металлический блеск,

покрываются налетом, а после прокаливания превращаются в рыхлые окалины,

назвали недрагоценные. Такое деление металлов применяют и сейчас, но с тем

отличием, что к двум уже названным металлам добавили открытые позднее

платину и пять ее спутников: палладий, родий, иридий, осмий и рутений. Эти

восемь перечисленных элементов и составляют группу драгоценных металлов.

В России документами, которые регламентируют все связанное с

драгоценными металлами (термины, марки сплавов, методы испытания свойств

определение химического состава и пробы, способы переработки отходов и др.)

являются государственные стандарты.

Так, согласно государственному стандарту драгоценный металл (Precious

metal) – это цветной металл, обладающий высокой химической стойкостью в

агрессивных средах, тугоплавкостью, ковкостью, тягучестью. К драгоценным

металлам относятся золото, серебро, платина и металлы платиновой группы –

палладий, иридий, родий, рутений и осмий. Этот перечень может быть изменен

только федеральным законом Российской Федерации. Драгоценный металл

может находиться в самородном и аффинированном видах, в сырье, сплавах,

продуктах металлургического производства, химических соединениях,

ювелирных и иных изделиях, отходах производства и потребления. Для

драгоценных металлов часто используют термин благородный металл, хотя этот

термин не рекомендован для применения указанным выше государственным

стандартом. Благородным металлом принято считать металл, у которого, во-

первых, электродный потенциал является высоко положительным относительно

водородного электрода, а во-вторых, такой металл должен быть особенно

стойким к окислению и обладать выраженным противодействием химической

реакции в растворах неорганических кислот. Основные термины, относящиеся

к драгоценным металлам, сформулированы в ГОСТ Р 52793−2007 Металлы

драгоценные. Термины и определения. Далее приведем выдержки из этого

документа.

Металл платиновой группы – это драгоценный металл, сопутствующий

платине в рудах и имеющий схожие свойства с ней и с другими металлами этой

группы. К платиновой группе относят палладий и редкие металлы платиновой

группы иридий, родий, рутений и осмий.

Драгоценные металлы отличаются от других металлов физическими,

химическими свойствами и стоимостью, что определяет их особое положение

среди остальных металлических материалов.

Исключительно высокие антикоррозионные свойства в различных

агрессивных средах и декоративный вид делают драгоценные металлы

незаменимыми в быту в качестве ювелирных изделий, орденов, медалей,

значков, гигиенической высокохудожественной посуды, столовых приборов и

т.п., а также в технике, где они находят все большее применение благодаря

другим своим показателям. Например, из них изготовляют различные контакты

и ответственные токопроводы, постоянные магниты (Pt – Co), катализаторы,

фильеры для стекловолокна, лабораторную посуду, медицинские

принадлежности, аппаратуру для электролиза, термопары, шкалы приборов,

эталоны и другие изделия. Драгоценные металлы широко применяются для

создания антикоррозионных покрытий ответственных деталей приборов,

всевозможных зеркальных отражателей, эффективных электрохимических

источников тока и подшипников скольжения, медицинских препаратов,

бактерицидных фильтров, кино-, фото- и рентгенопленок, фотобумаги,

токопроводящих клеев, нерастворимых анодов, ответственной пайки изделий и

других целей. Ранее большие объемы драгоценных металлов, особенно серебро,

применяли для производства разменной монеты. Однако острый недостаток

серебра для использования в промышленных целях вынудил заменить этот

металл в разменной монете другими, менее дефицитными металлами (никелем,

алюминием, магнием и т.д. в сплавах с другими металлами).

Особенно широко применяются в быту и технике драгоценные металлы в

сплавах между собой и с другими металлами. Легирование драгоценных

металлов различными компонентами позволяет существенно изменять и

варьировать в огромном диапазоне их физико-химические и другие свойства в

соответствии с назначением и потребностями, а также обеспечивать

эффективную экономию и снижение стоимости изготовляемых изделий.

Постоянное развитие техники, а также повышение требований

потребителя к качеству ювелирных изделий требуют усовершенствования

нормализации и стандартизации производства драгоценных металлов, их

обработки и потребления. В результате были пересмотрены государственные

стандарты на марки драгоценных металлов в слитках и порошках,

полуфабрикатах и изделиях. Изменениям подверглись также стандарты на

методы анализа драгоценных металлов. Перечисленные стандарты постоянно

перерабатываются с учетом совершенствования методов производства

драгоценных металлов и изделий из них.

Непрерывное повышение спроса промышленности и населения на

изделия, полученные из драгоценных металлов, или покрытые такими

металлами, а также рост потребности ряда отраслей в чистых драгоценных

металлах для специальных целей поставило задачу по нахождению новых

источников добычи и методов максимального извлечения драгоценных

металлов из руд. К таким источникам можно также отнести разработку новых

эффективных технологий улучшения сбора и методов переработки и аффинажа

вторичного сырья в виде лома, отходов, солей и растворов, содержащих

драгоценные металлы. Кроме того, потребовался более жесткий режим

экономии при определении потребности промышленности в драгоценных

металлах путем изыскания и внедрения их полноценных заменителей, а также

путем разработки и реализации эффективных методов получения из этих

металлов полуфабрикатов и изделий с минимальными потерями драгоценных

металлов в производстве. И, наконец, работая с драгоценными металлами,

определяя их потребность на тот или иной вид продукции, необходимо

помнить, что эти металлы не только особо ценны по своим свойствам,

стоимости и валютному значению, но и исключительно дефицитны вследствие

крайней ограниченности их распространенности в природе. Приведем пример,

в котором за 100% примем содержание алюминия в земной коре Тогда

содержание железа, натрия, магния, калия и кальция составит несколько

десятков процентов; титана и марганца – менее 10%; бария, хрома, циркония,

никеля, стронция, ванадия, меди и урана – десятые доли процента; вольфрама,

цинка, лития, гафния, свинца, тория, кобальта, бериллия и бора – сотые доли

процента; рубидия, молибдена олова и цезия - тысячные доли процента. При

этом по оценкам экспертов содержание всех драгоценных металлов, даже

взятых вместе, составляет всего 0,00001223%, в том числе:

Серебра………………..0,00001%

Золота и платины….по 0,000001%

Иридия и осмия…..по 0,0000001%

Рутения и палладия по 0,00000001%.

Доля их в общем объеме горнодобывающей промышленности мира

мизерна и составляет около 0,00005%, но благодаря их высокой стоимости в

ценностном выражении это составляет примерно 5%. Иными словами,

стоимостное выражение добычи драгоценных металлов приблизительно в

100000 раз выше за единицу массы любого (кроме алмаза) другого полезного

ископаемого.

Крайне низкая распространенность драгоценных металлов в природе,

особенно металлов платиновой группы, определяет и сравнительную

незначительность их добычи.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие металлы входят в группу драгоценных металлов?

2. Дайте определение драгоценному металлу.

3. В каком виде драгоценные металлы находятся в природе?

4. В чем заключаются основные особенности свойств драгоценных

металлов?

5. Где находят применение драгоценные металлы?

6. Какова распространенность драгоценных металлов в природе?

Лекция 2

ЗОЛОТО

План лекции

1. Характеристика чистого элемента

2. Свойства золота

3. Основные области применения золота

4. Из истории золота

Ознакомление с драгоценными металлами начинается с изучения их

физико-химических свойств и основных положений металловедения – науки о

металлах, устанавливающей связь между структурой и свойствами

металлических материалов. В результате становится ясным, что многие

дефекты, возникающие при обработке металлов, могут быть предупреждены,

если перед этими операциями провести подробный анализ их внутреннего

строения и свойств. Далее рассмотрим каждый из драгоценных металлов.

Химический элемент, символ Au, имеет порядковый номер 79, атомный

вес 197.0, основную валентность ІІІ, плотность 19,3 г/см

, температуру

плавления 1063°С, температуру кипения 2877°С, твердость по Бринеллю в

отожженном состоянии 180 – 200 МПа. Латинское название металла «аурум»

связано с сиянием восходящего солнца: по латыни «аурора» означает «утренняя

заря».

Золото - металл красивого желтого цвета, тонколистовое (сусальное)

золото имеет зеленоватый оттенок. Это очень пластичный металл, который

легко расплющить или прокатать в пластинки и листы толщиной до 0,0001 мм,

а из одного грамма металла можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км.

Несмотря на это, большинство золотых изделий литые, хотя температура

плавления золота 1063°С. Мастера древности знали, что придать золоту все

нужные формы литьем не удается. Например, ручку к золотому кувшину

отливали отдельно, и только потом ее припаивали. Установлено, что пайку

металлов проводили несколько тысяч лет назад, но паяли при этом не оловом, а

золотом, а точнее сплавом золота и серебра.

До XIX века техника обходилась без золота. Это объяснялось высокой

ценой металла, а также тем, что его особые свойства почти не были

востребованы. Исключением можно считать золочение куполов церквей,

связанным с химической стойкостью и простотой механической обработки

золота. Указанные свойства использует и современная техника.

В настоящее время золото и его сплавы стали конструкционным

материалом не только для миниатюрных деталей, но и для больших

конструкций, например, для гигантских ускорителей элементарных частиц,

которые обычно представляют собой огромную кольцевую камеру – трубу из

нержавеющей стали, свернутую в кольцо. Внутри трубы создается сильное

разряжение (вакуум), поддержание которого является сложной задачей,

учитывая имеющиеся в ускорителе отводы и стыки. Для герметизации

ускорителя используют уплотняющие кольца и шайбы, которые изготавливают

из золота.

Если в описанных выше случаях пластичность ценное свойство металла,

то при использовании золота для зубных протезов, это свойство, хотя и

обеспечивает придание металлу требуемой формы, зато зубы из чистого золота

быстро изнашиваются. В связи с этим зубные протезы, как впрочем, и

ювелирные изделия, изготовляют не из чистого золота, а из его сплавов, чаще

всего, с другими драгоценными металлами.

По электропроводности золото занимает третье место после серебра и

меди.

Золото с медью может образовывать прочное соединение при

диффузионной сварке. Этот процесс проводят под давлением в вакууме или в

восстановительной среде. Сварка металлов происходит за счет проникновения

атомов одного металла в другой (диффузии) при температуре значительно

меньшей, чем температура плавления каждого металла, а также любого из их

сплавов. Такие соединения называют золотыми печатями и применяют в

радиотехнике. Необходимо отметить, что по прочности соединения они

уступают соединениям, получаемым путем сплавления. Из сплавов золота с

серебром или медью делают волоски гальванометров и других точных

приборов, а также миниатюрные электрические контакты, эксплуатация

которых сопровождается большим числом замыканий и размыканий. Эти

простые детали должны работать без прилипания контактов и быть

чувствительными к каждому импульсу. Золотые сплавы занимают особое место

среди сплавов, обеспечивающих наименьшее налипание. Надежно работают

сплавы золота с палладием и платиной, палладием и вольфрамом, цирконием и

марганцем. В литературе описаны сплавы, обладающие подобными свойствами,

которые способны конкурировать с золотыми, например, сплав платины с

иридием, но он гораздо дороже, чем перечисленные сплавы. Лучшие

контактные сплавы обладают высокой стоимостью и применяются там, где они

незаменимы, например, в космической технике и других отраслях

промышленности.

Золото – тяжелый металл, уступающий по плотности только осмию,

иридию и платине, поэтому многие изделия не выполняют целиком из золота,

только покрывают им. Этот процесс называют плакированием и его

осуществляют термическим, механическим или химическим способами.

Золотые покрытия известны давно. Технология покрытия заключалась в том,

что тончайшие листы золота приклеивали к дереву, меди, а позднее и к железу,

специальными лаками. Такое покрытие на вещах, которые постоянно

использовались, могло сохраняться несколько десятков лет. Иногда золотые

покрытия создавали путем посыпания тончайшего золотого порошка на

поверхность, обработанную специальным клеем. В настоящее время покрытия

из золота наносят гальваническим способом. Этот процесс не только

производительнее, но и позволяет придать покрытию различные оттенки.

Например, добавка в золотой электролит небольшого количества цианистой

меди придает покрытию красный оттенок, а в сочетании с цианистым серебром

– оттенок становится розовым. Если использовать только цианистое серебро, то

получим зеленоватый оттенок. Золотые покрытия отличаются высокой

стойкостью и хорошей отражательной способностью. В настоящее время

золочению подвергают детали проводников в высоковольтной радиоаппаратуре,

отдельные части рентгеновских аппаратов, изготовляют отражатели с золотым

покрытием для сушки инфракрасными лучами. Любопытно, что позолоченной

была поверхность нескольких искусственных спутников Земли, что

предохраняла спутники от коррозии и избыточного тепла. Самым современным

способом нанесения золотых покрытий является катодное распыление,

заключающееся в следующем. Электрический разряд в разряженном газе

сопровождается разрушением катода. При этом частицы катода, летящие с

огромной скоростью, могут осаждаться не только на металле, но и на других

материалах: бумаге, дереве, керамике, пластмассе. Этот способ получения

тончайших золотых покрытий применяется при изготовлении фотоэлементов,

специальных зеркал и в других случаях.

Золото с трудом образует химические соединения, оно химически

устойчиво на воздухе, в воде и в кислотах, за исключением царской водки

(смесь трех объемных частей соляной и одной части азотной кислот), в которой

золото растворяется с образованием золотохлористоводородной кислоты.

Металл взаимодействует также со свободными ионами хлора, цианидами калия

и натрия, бромом и некоторыми другими химикатами. Некоторые соединения

золота применяются в промышленности. В первую очередь, это хлорное золото

AuCl

, образующееся при растворении золота в царской водке. С помощью

этого соединения получают высококачественное красное стекло – красный

рубин. Впервые такое стекло изготовили в конце ХVIII века. К шихте добавляли

раствор хлорного золота и, изменяя его концентрацию, получали стекло с

различными оттенками – от нежно-розового до пурпурного. Лучше всего

принимают окраску стекла, в состав которых входит окись свинца.

Золото применяют для металлизации оконных стекол зданий. В жаркие

летние месяцы через оконные стекла зданий проходит значительное количество

инфракрасного излучения, Поэтому тонкая пленка золота (0,13 мкм) отражает

инфракрасное излучение и в помещении становится прохладнее. Если через

такое стекло пропустить электрический ток, то оно приобретает

противотуманные свойства. Покрытые золотом смотровые стекла судов,

электровозов и т.д. эффективны в любое время года.

Удельная теплоемкость золота сравнительно невелика. Температуру

плавления золота принимают за постоянную точку при градуировании

пирометров. Температура плавления золота является высшей точкой

температурной шкалы, точно проверенной и установленной экспериментально.

Это связано с тем, что золото может быть получено весьма высокой чистоты,

при плавлении не загрязняется окислами и не изменяет температуру

кристаллизации.

Золото в сплаве с кобальтом или хромом используют в технике для

контроля температуры, особенно для измерения низких температур.

Попытки применения золота в медицинских целях относятся еще к

временам алхимии. В ХVI веке врач Парацельс пытался использовать

препараты золота для лечения некоторых болезней, в частности сифилиса. Он

писал, что не превращение металлов в золото должно быть целью химии, а

приготовление лекарств. Значительно позднее соединения, содержащие золото,