Цветные металлы и их использование при строительстве зданий и сооружений. Свойства алюминия, цинка, меди и титана

В данном уроке рассматриваются цветные металлы и их использование в качестве конструкционных материалов при строительстве зданий и сооружений. Приводятся основные свойства алюминия, цинка, меди и титана.

Алюминий

Алюминий и алюминиевые сплавы нашли широкое применение в связи с тем, что они соединяют в себе многие ценные качества: легкость и прочность, высокую теплопроводность и электропроводность, хорошую коррозионную стойкость, позволяют получать большое разнообразие составов с широким спектром функциональных свойств.

Чистый алюминий по своим химическим свойствам очень активен, но в присутствии окислителей образует плотную защитную пленку, поэтому достаточно устойчив в атмосфере, воде, большинстве нейтральных и многих слабокислых раствора вследствие склонности к пассивированию. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная устойчивость. В технике в основном используется не чистый алюминий, а различные алюминиевые сплавы, которые имеют более высокие механические свойства, но, как правило, более низкую коррозионную стойкость. Чаще всего компонентами сплавов являются медь, марганец, магний, цинк и кремний.

Алюминиевые сплавы характеризуются хорошей коррозионной стойкостью и довольно высокой прочностью, что позволяет широко применять их для изготовления конструкций, работающих в агрессивных средах, в частности в судовых конструкциях, контактирующих с морской водой и морской атмосферой.

Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется сохранностью окисной пленки, поэтому сплавы наиболее устойчивы в таких условиях, где поверхность металла находится в контакте с хорошо аэрируемой атмосферой.

Несмотря на хорошую в целом коррозионную стойкость алюминиевых сплавов, в изделиях и конструкциях следует применять определенные меры по предотвращению некоторых специфических видов коррозионного разрушения. Коррозия алюминиевых сплавов в потоке воды, особенно морской, приобретает питтинговый характер. Многие алюминиевые сплавы, особенно высокопрочные, в агрессивных средах подвержены локальному разрушению, питтинговой или щелевой коррозии, а также склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Цинк

Цинк, как и алюминий, относится к группе металлов повышенной термодинамической нестабильности. В нормальных условиях цинк довольно хрупок. В чистом виде как конструкционный материал цинк не используется. При взаимодействии цинка с водой и кислородом воздуха металл окисляется, при этом на поверхности металла образуется плотная пленка, которая обладает хорошими защитными свойствами.

Основными областями применения цинка являются изготовление гальванических элементов, протекторов и оцинкование металлических поверхностей. При нанесении на железо (сталь) цинковое покрытие защищает его как по барьерному (изоляционному) типу, так и по электрохимическому (протекторному) типу.

Так же, как и в случае с алюминием, наиболее часто применяются сплавы цинка. Обычный легирующий компонент в цинковых сплавах – алюминий (5–10%), который улучшает прочностные свойства сплава.

Наиболее прочными сплавами на основе цинка являются тройные сплавы Zn–Al–Cu. Структура этих сплавов весьма разнообразна и зависит преимущественно от соотношения и количества легирующих добавок (3,5–16% Al, 0,15–3,5% Cu, 0,02–0,1% Mn).

Медь

Несмотря на то, что медь и медные сплавы являются одними из самых первых конструкционных материалов, они до сих пор находят применение в самых разных областях. Сплавы меди, как правило, обладают хорошей коррозионной стойкостью во многих средах, также хорошей электропроводностью и пластичностью.

Хотя медь и относится к числу благородных металлов, ее устойчивость во многих коррозионных средах обусловлена в основном образованием на поверхности металла защитной пленки различного состава. Наиболее широко применяемыми медными сплавами являются бронза и латунь.

Бронза

Бронза – это сплав, состоящий в основном из меди и олова (8÷12%), а также (AL, Mn, Ni, Zn, As, P, Si). Основные области применения бронзы: технические детали (винты кораблей, пружины, подшипники, втулки и т.д.), церковные и корабельные колокола, скульптуры, украшения и т.д.

Латунь

Латунь – это сплав меди и цинка (5÷50%). В основном используется в производстве ювелирных украшений, изготовлении деталей с низким коэффициентом трения, музыкальных инструментов, монет и т.д. Так как латунь не дает искры при ударе, она применяется для изготовления фитингов и инструментов, используемых вблизи легковоспламеняющихся или взрывоопасных материалов.

Ионы меди, образующиеся при коррозии медных сплавов, токсичны для морских микроорганизмов и препятствует биологическому обрастанию металлической конструкции.

Так как медь является катодом по отношению к большинству металлов (сталь, алюминий и т.д.), то второй металл разрушается достаточно интенсивно. Медные сплавы, достаточно устойчивы к коррозии под напряжением, но очень чувствительны к скорости потока и эрозионной коррозии.

Титан

Титан – это серебристый металл, характеризующийся низкой плотностью и высокой прочностью, износостойкостью, высокой трещиностойкостью и способностью выдерживать умеренно высокие температуры. Из всех известных материалов титан и его сплавы относятся к числу наиболее стойких во многих в агрессивных средах (морской воде, смеси азотной и соляной кислот и хлорсодержащих средах). Тонкая оксидная пленка, образующаяся на поверхности титановых сплавов, обеспечивает полную защиту металла от коррозии, причем разрушение этой пленки происходит лишь в специальных условиях. Как правило, во многих средах, содержащих достаточное количество кислорода механическое или химическое повреждение пассивной пленки, залечивается почти мгновенно. Но при наличии на конструкциях узких щелей и зазоров, при недостатке кислорода возникает щелевая коррозия.

Титан обладает абсолютной стойкостью не только в обычных условиях (атмосфера, почва, пресная и морская вода), но также и в загрязненных средах, содержащих хлор, аммиак, диоксид углерода, сульфиды и сульфатвосстанавливающие бактерии.

При контакте титана с такими металлами, как (сталь, алюминий, медь и т.д.), происходит их достаточно интенсивное разрушение непосредственно в месте контакта.

Титан и многие его сплавы выдерживает очень высокие скорости потока морской воды и показывает пренебрежимо малые скорости коррозии.

Титан легко пассивируется не только в тех случаях, когда является катодом, но также и в таких гальванических парах, где оказывается анодом. Так, платиновый титан часто используется в качестве анода в системах электрохимической защиты (ЭХЗ) с наложенным током.

Титановые сплавы, легированные (AL, Zr, Ni, V и др.), сочетающие высокую прочность, легкость и жесткость, имеют высокую коррозионную стойкость и широко используются в авиационной, химической и пищевой промышленности, судостроении, медицине и т.д.