Metalele..proiect Educatie Tehnologica.docx

METALELE

-

MATERII PRIME

Provenienta Metalele se gasesc rar in natura necombinate. Majoritatea se extrag din minereuri prin diferite procedee, care fac obiectului metalurgiei extractive. Metalele extrase din minereuri contin diferite elemente insotitoare, numite impuritati, care pot fi eliminate partial prin operatii ulterioare de purificare tehnica. Marea majoritate a metalelor se folosesc sub forma de aliaje. Aliajul metalic se obtine prin unirea a doua sau mai multor elemente chimice, dintre care elementul aflat in proportia cea mai mare este un metal. Grupa materialelor metalice este formata din metale si aliaje metalice. Nu toate metalele au aceeasi insemnatate industriala. Unele metale precum fierul, aluminiul, zincul,plumbul, staniul au o importanta mare in industrie si se numesc metale tehnice. Produsele obtinute prin metalurgia extractiva au forme simple si se numesc lingouri.

Clasificare Cele mai utilizate materiale metalice sunt: materialele metalice feroase (care contin fier) si materiale metalice neferoase.

1. Materiale metalice feroase Despre multe obiecte – un cui, o cheie, un cârlig, vergelele unui grilaj, şinele de cale ferată – se spune că sunt din fier. Puţini oameni ştiu, însă, că această afirmaţie nu este adevărată; nu există obiecte din fier pur. Folosit singur, fierul n-ar fi de interes practic şi nu s-ar produce în cantităţi mari. Dacă este, însă, combinat cu alte elemente chimice, formează aliajele, care au proprietăţi mai bune decât ale fierului pur. Aliajele fierului cu carbonul sunt fonta si otelul.

FONTA. Fonta este un aliaj care are in continut, pe langa elementul de baza – fier si urmatoarele nemetale: carbon (2,14 -6,67%), siliciu, mangan, sulf, fosfor. Fonta se obtine din minereu de fier, cocs metalurgic si fondanti. Prin arderea cocsului, minereul se topeste si rezulta aliajul in stare topita, zgura si gaze arse. Instalatia in care au loc aceste reactii se numeste furnal (foto). In functie de continutul de elemente insotitoare si de conditiile de solidificare, fontele se clasifica astfel:  fonte brute (de prima topire): - nealiate, folosite pentru obtinerea otelului, retopire si turnare in piese - aliate, folosite ca adaos la obtinerea otelurilor speciale.  fonte turnate in piese ( de a doua turnare) - fonte albe, folosite la fabricarea pieselor rezistente la uzura; - fonte cenusii, utilizate la fabricarea pieselor turnate; - fonte maleabile, utilizate pentru obtinerea pieselor mici sau cu pereti subtiri. OTELUL. Este un aliaj ce se obtine din fonta bruta prin reducerea continutului de carbon. Retopirea fontei brute se realizeaza in cuptoare de elaborare (cuptoare electrice sau convertizoare – foto). Otelul topit se toarna in lingouri, iar dupa solidificare este expediat spre laminoare, unde se prelucreaza si se obtin produse laminate (profile, table, benzi si tevi).

Clasificarea otelurilor se face in functie de:  compozitia chimica: - oteluri nealiate (numite si oteluri carbon) - oteluri aliate, care, pe langa fier, carbon si elemente insotitoare, contin si elemente adaugate in mod voit, numite elemente de aliere.  destinatie: - oteluri pentru constructii metalice(poduri, vagoane, vase) sau de masini; - oteluri pentru scule aschietoare( cutite de strung); - oteluri cu destinatie speciala( arcuri) - oteluri inoxidabile si anticorozive;  forma de livrare: - oteluri deformabile; - oteluri turnate in piese; - oteluri laminate.

2. Materiale metalice neferoase Cele mai uzuale materiale metalice neferoase sunt: aluminiul, argintul, aurul, cuprul, cromul, nichelul, platina, plumbul, wolframul, zincul si aliajele lor.

Aluminiul(Al)

Aluminiul, desi este metalul cel mai raspandit din scoarta terestra, o mare parte din el nu poate fi extrasa economic. Aluminiul este un metal ce reactioneaza usor cu alte substante, de aceea nu se gaseste niciodata singur, in "stare libera". Majoritatea aluminiului este combinata chimic cu elemente de care nu poate fi separat cu usurinta. Principalul minereu din care se extrage aluminiul este bauxita, care este bogata in alumina hidratata- oxid de aluminiu combinat cu apa. Zacaminte de bauxita se gasesc in multe parti ale lumii, inclusiv in Australia, Jamaica, Guineea si Rusia. Aluminiul se obtine din bauxita prin electroliza apei( utilizarea unui curent electric care separa elementele unui compus chimic) EX: statuia lui Eros din Londra, a fost dezvelita in anul 1893. Ea este facuta din aluminiu turnat, un metal rar si scump la acea vreme.

Cuprul (Cu)

Cuprul a fost unul din primele metale folosite, deoarece cantitati mici din el apar in unele locuri in stare libera. Principalele minereuri ale cuprului sunt: calcozina (sulfura de cupru), calcopirita sau criscolul (ferosulfura de cupru), cupritul (oxidul cupros) si malachitul si azuritul (ambele forme ale carbonatului basic de cupru) . Aliajele cuprului sunt: alama si bronzul. Surse importante de minereuri de cupru: SUA, Rusia, China, Zambia, Chile si Canada.Metoda folosita pentru extractia de cupru depinde natura minereului. Daca cuprul se gaseste in stare libera, el poate fi separat prin sfaramarea minereului in bucati mici si amestecarea sa cu apa. Cuprul, fiind relativ greu, se depune pe fund.

Zincul(Zn) Prima utilizare a zincului a fost pentru obtinerea alamei, un aliaj de cupru si zinc. In acea vreme oamenii credeau ca obtin o forma a bronzului, care este un aliaj de cupru si staniu. Alama s-a fabricat pentru prima data in jurul anului 1000 i. Hr. de poporul mossynoeci din N-E Turciei, iar mai tarziu de persi si romani. Acest aliaj se obtine prin incalzirea cuprului cu mangal (o forma de carbon) si calamina pulverizata ( carbonat de zinc). Ca si aluminiul, zincul este rezistent la coroziune deoarece, expus la aer, pe suprafata sa se formeaza un strat de oxid protector.Principalul minereu de zinc folosit astazi este sfaleritul, sau blenda (sulfura de zinc) Zacaminte : America de Nord, Rusia, Australia, Peru, Japonia si Polonia. Zincul poate fi extras din minereurile sale prin electroliza. Metalul se formeaza in forma de vapori care se condenseaza si apoi se solidifica

Plumbul (Pb)

Era cunoscut de vechii egipteni, dar primii utilizatori pe scara larga a acestui metal au fost romanii, care l-au folosit la conductele de apa. Principala sursa de plumb este sulfura de plumb. Pentru obţinerea metalului, se încălzeşte sulfurq la aer, pentru a se transforma in oxid de plumb. Acesta se reduce la plumb prin încălzirea cu carbon intr-un cuptor, iar apoi se înlătură impurităţile.

Staniul Face parte din metalele neferoase mai scumpe, deoarece minereul sau principal( oxidul de staniu) se găseşte in concentraţii foarte mici. Pentru extracţia 200g de minereu, e necesara exploatarea unei tone de pământ. Staniul a fost prima dat aliat cu cuprul, obţinându-se bronzul.

Nichelul Principalul minereu al nichelului este sulfura sa, care de obicei se găseşte amestecata cu alte minereuri. După separare, minereul de nichel se arde in prezenta oxigenului pentru producerea oxidului de nichel.

Extracţia aurului (AU) Se obţine prin exploatarea rocilor aurifere si apoi sfărâmarea acestora pentru eliberarea metalului. Aurul este extrem de atractiv si nu-si pierde niciodată luciul, de aceea este o alegere evidenta pentru fabricarea bijuteriilor sau placarea unor articole făcute din metale mai ieftine. Este rar, costisitor de extras si foarte căutat, el este extrem de valoros. Aurul participa la puţine reacţii chimice, de aceea se găseşte in stare libera. Aurul apare in roca de cuart si in nisipuri formate din aceasta roca, Insa fiecare tona de nisip poate conţine 30g aur, chiar si intr-un zăcământ bogat. Zăcăminte: Africa de Sud, America de Nord, Rusia si Australia

ARGINTUL(AG) Este un metal alb, strălucitor, și, după cum îi spune și numele, argintiu. În tăietură proaspătă, are o culoare ușor gălbuie. Face parte, împreună cu aurul, platina, paladiul, iridiul din categoria metalelor prețioase. Este moale, maleabil și ductil, fiind metalul cu cea mai mare conductibilitate electrică și termică. Vasele de argint purifică conținutul și împiedică dezvoltarea bacteriilor

Dintre aliajele metalelor neferoase amintim:  aliajele cuprului proportii. -

alame(aliajele cuprului cu zincul) Alama este un aliaj de cupru si zinc, combinate intr-o varietate larga de Ea este adesea aliata cu alte metale, inclusiv staniu, plumb si aluminiu. bronzuri( aliajele cuprului cu diferite elemente) nichelina, constantan, alpaca( aliajele cuprului cu nichelul) folosite in electrotehnica. duraluminiu utilizat in industria aviatiei; siluminiu.  aliajele pe baza de staniu si plumb; in functie de procentul celor doua componente se obtin aliaje cu diverse propietati si utilizari si anume: aliaje de lipit, aliaje tipografice, aliaje pentru invelisuri de cabluri.  aliaje cu baza de nichel si crom: nicrom, invar, platinit.

Proprietatile materialelor metalice Materialele metalice se disting prin proprietati fizice si chimice, proprietati mecanice, proprietati tehnologice.

1.Proprietati fizice si chimice

Culoarea materialelor metalice variaza de la alb stralucitor la cenusiu inchis. Exceptie fac aurul si aliajele sale, care au culoare galbuie, cuprul si aliajele sale, care au culoare rosiatica. Luciul metalic. Metalele prezinta luciu caracteristic ce se observa pe suprafetele proaspat taiate, care dispare in timp, ca urmare a reactiilor de oxidare cu atmosfera inconjuratoare (exceptie fac metalele pretioase si aliajele inoxidabile). Densitatea reprezinta masa pe care o are unitatea de volum a corpului considerat. Unitatea de masura folosita in tehnica este kg/dm3 sau g/cm3. Fuzibilitatea este proprietatea materialelor metalice de a se topi. In functie de temperatura de topire, metalele se grupeaza, conventional, in: usor fuzibile (sodiu),greu fuzibile(cupru), foarte greu fuzibile (niobiu) si refractare (wolfram). Fiecare metal se topeste la o anumita temperatura fixa, numita temperatura de topire. Majoritatea aliajelor nu au un punct fix de topire, ci un interval de topire. Conductibilitatea termica este proprietatea materialelor metalice de a transmite caldura. Metalele sunt foarte bune conductoare de caldura in raport cu nemetalele. Metalul cu cea mai buna conductibilitate termica este argintul urmat de cupru si aur. Dilatarea termica este proprietatea materialelor metalice de a-si mari dimensiunile liniare (lungime, latime, inaltime), respectiv volumul, la incalzire. Conductibilitatea electrica este proprietatea materialelor metalice de a conduce curentul electric. Printre metalele cu conductibilitatea electrica ridicata se numara argintul, aurul, cuprul, aluminiul. Proprietatile magnetice sunt definite prin comportamentul materialelor metalice la introducerea lor intr-un camp magnetic. Majoritatea metalelor sunt slab atrase de campul magnetic, putine sunt respinse de campul magnetic( cupru, mangan, crom), iar cele mai putine, in numar de patru, sunt puternic atrase de campul magnetic(fier, cobalt, nichel si gadolin). Rezistenta la coroziune este proprietatea materialelor metalice de a rezista la actiunea de degradare lenta, de la suprafata spre interior, sub actiunea agentilor chimici din mediul inconjurator (apa, aer, produse de ardere, gaze industriale).

2.Proprietati mecanice

Proprietatile mecanice reflecta comportarea metalelor si aliajelor sub actiunea unor forte exterioare. Elasticitatea este proprietatea corpurilor de a-si modifica forma sub actiunea unei forte exterioare si de a reveni la forma initiala dupa incetarea actiunii acelei forte. Elasticitatea este proprietatea de baza a pieselor care au rolul de a amortiza socurile si vibratiile. Plasticitatea este proprietatea corpurilor de a-si modifica forma sub actiunea unei forte exterioare si de a ramane deformate permanent si dupa incetarea actiunii acelei forte. Duritatea este proprietatea unui corp solid de a se opune patrunderii in masa lui a altui corp solid care tinde sa-i deformeze suprafata. Rezistenta oboseala este proprietatea materialelor metalice de a rezista la solicitari variabile si repetate. Rezistenta mecanica este proprietatea materialelor metalice de a se opune deformarii sau ruperii sub actiunea fortelor exterioare. Fortele exterioare aplicate corpurilor pot determina solicitari simple (intindere, compresiune,incovoiere, forfecare, rasucire) sau solicitari complexe(mai multe solicitari simple aplicate simultan).

3.Proprietati tehnologice Pentru a putea fi folosite sub forma de produse utile (semifabricate, piese), materialele metalice sunt supuse unor operatii de prelucrare.Prelucrarea are ca scop modificarea formei si dimensiunilor unui produs metalic. Prelucrarea se poate realiza:  la cald- prin turnare, deformare plastica si sudare;  la rece-prin aschiere si deformare plastica. Capacitatea unui material metalic de a putea fi prelucrat printr-un anumit procedeu tehnologic se numeste proprietatea (caracteristica) tehnologica. Capacitatea de turnare este proprietatea unui metal de a putea fi turnat in forme, obtinandu-se piese turnate (statuete, unelte). Capacitatea de turnare depinde de fuzibilitatea si fluiditatea materialului. Fluiditatea reprezinta capacitatea unui metal topit de a curge cu usurinta prin orificii inguste si de a umple golurile formei in care se toarna. Cu cat fluiditatea este mai mare, cu atat capacitatea de turnare este mai buna. Deformabilitatea la cald este proprietatea unui material metalic de a putea fi prelucrat prin procedee de deformare plastica la cald( laminare, forjare, trefilare). Forjabilitatea este proprietatea unui material metalic de a fi tras in fire subtiri, fara sa se rupa. Exemple de metale ductile: cupru, aluminiu, argint. Maleabilitatea este proprietatea unui material metalic de a putea fi prelucrat in foi subtiri. Metalele cele mai maleabile sunt: aurul, argintul, cuprul, plumbul si staniul. Prelucrabilitatea prin aschiere este proprietatea unui de a putea fi prelucrat prin aschiere( strunjire, gaurire, frezare). Sudabilitatea este proprietatea unui material metalic de a se imbina nedemontabil cu el insusi sau cu un alt metal de aceeasi compozitie prin sudare. Operatia de sudare se executa prin topire sau presare. Prin operatiile tehnologice de prelucrare se modifica forma, dimensiunile si caracteristicile mecanice ale produselor.

Caracteristici si utilizari Materialele metalice au o larga utilizare in functie de proprietati si caracteristici. Fierul este un metal de culoare cenusie, relativ greu, cu punct de topire ridicat. Este moale( are duritate mica), prezinta slaba rezistenta mecanica si elasticitate scazuta, de aceea, ca metal pur se utilizeaza pe scara redusa. Fonta este utilizata la turnarea de piese. Din fonta se toarna plite pentru sobe, cazi de baie care apoi se acopera cu email impotriva coroziunii. Otelul este utilizat sub forma de piese turnate (roti de vagoane, roti dintate, carcase etc.) sau semifabricate laminate si trefilate. Instrumentele medicale sunt confectionate din otel inoxidabil rezistent la coroziune. Cuprul este un metal de culoare rosietica, greu si relativ greu fuzibil. Este maleabil si are conductivitate termica mare. Ductibilitatea sa foarte mare si conductivitatea electrica mare il recomanda pentru fabricarea conductoarelor electrice. Cuprul si aliajele sale este utilizat la fabricarea tevilor pentru cazane termice sau instalatii frigorifice,robinete. Aluminiul este un metal de culoare alb – argintie,usor,se topeste la temperatura de 658oC. Are duritate mica,este plastic, conduce foarte bine caldura si electricitatea, are rezistenta mare la coroziune in diverse medii. Aluminiul si aliajele sale sunt utilizate in industria electrotehnica. industria chimica, industria constructoare de masini, industria aviatiei.