Μη σιδηρούχα μέταλλα Δομή, τύποι, χαρακτηριστικά

Το μη σιδηρούχα μέταλλα είναι όλοι εκείνοι που δεν διαθέτουν ή έχουν αμελητέες ποσότητες σιδήρου. Αυτά, σε διαφορετικές αναλογίες μάζας, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία κραμάτων που παρουσιάζουν καλύτερες φυσικές ιδιότητες από μεμονωμένα μέταλλα.

Έτσι, οι κρυσταλλικές δομές και οι μεταλλικές αλληλεπιδράσεις αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο των εφαρμογών των μη σιδηρούχων κραμάτων. Ωστόσο, αυτά τα καθαρά μέταλλα βρίσκουν λιγότερες χρήσεις επειδή είναι πολύ ευαίσθητα και αντιδραστικά. Για το λόγο αυτό, λειτουργούν καλύτερα ως βάση και πρόσθετο για κράματα.

Ο χαλκός είναι ένα μη σιδηρούχο κράμα. Αποτελείται κυρίως από χρυσό μείγμα χαλκού και κασσίτερου (άγαλμα στην εικόνα παραπάνω). Ο χαλκός στο κράμα οξειδώνεται και σχηματίζει CuO, μια ένωση που μαυρίζει τη χρυσή επιφάνεια. Σε υγρά περιβάλλοντα, το CuO ενυδατώνει και απορροφά διοξείδιο του άνθρακα και άλατα για να σχηματίσει μπλε-πράσινες ενώσεις.

Για παράδειγμα, το Άγαλμα της Ελευθερίας καλύπτεται με στρώματα ανθρακικών αλάτων χαλκού (CuCO₃) γνωστή ως πατίνα. Γενικά, όλα τα μέταλλα οξειδώνονται. Ανάλογα με τη σταθερότητα των οξειδίων τους, προστατεύουν σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό τα κράματα από τη διάβρωση και τους εξωτερικούς παράγοντες.

Ευρετήριο

• 1 Δομή
  • 1.1 Εξάγωνο συμπαγές (hcp)
  • 1.2 Συμπαγές κυβικό (ccp)
  • 1.3 Κυβικά κεντραρισμένα στο σώμα (bcc)
• 2 Τύποι
• 3 Χαρακτηριστικά και ιδιότητες
• 4 Παραδείγματα
  • 4.1 Χαλκός
  • 4.2 Αλουμίνιο
  • 4.3 Ψευδάργυρος και μαγνήσιο
  • 4.4 Τιτάνιο
  • 4.5 Υπερπληρωμές
• 5 Αναφορές

Δομή

Ο σίδηρος είναι μόνο ένα από όλα τα μέταλλα στη φύση, έτσι οι δομές και τα κράματα μη σιδηρούχων μετάλλων είναι πιο ποικίλα.

Ωστόσο, υπό κανονικές συνθήκες, τα περισσότερα μέταλλα έχουν τρεις κρυσταλλικές δομές που δημιουργούνται από τους μεταλλικούς τους δεσμούς: συμπαγή εξαγωνικά (hcp), συμπαγή κυβικά (ccp) και κυβικά κεντραρισμένα στο σώμα (bcc).

Εξάγωνο συμπαγές (hcp)

Σε αυτή τη δομή, τα μεταλλικά άτομα συσκευάζονται με τη μορφή εξαγωνικού πρίσματος, εκμεταλλευόμενοι όλους τους χώρους.

Από όλες τις δομές αυτό είναι το πιο πυκνό, έτσι μπορεί να αναμένεται ότι με τον ίδιο τρόπο είναι τα μέταλλα που το κατέχουν. Σε αυτό, όλα τα άτομα περιβάλλονται από δώδεκα γείτονες.

Παραδείγματα

- Τιτάνιο (Ti).

- Ψευδάργυρος (Zn).

- Μαγνήσιο (Mg).

- Κάδμιο (Cd).

- Κοβάλτιο (Co).

- Το ρουθήνιο (Ru).

- Osmio (Os).

- Μέταλλα αλκαλικών γαιών (με εξαίρεση το βάριο και το φρέσκο).

Συμπαγής κυβική (ccp)

Αυτή η κρυσταλλική δομή είναι λιγότερο πυκνή από την hcp και σε αυτό το κάθε άτομο περιβάλλεται από δώδεκα γείτονες.

Εδώ, τα διάκενα (κενά διαστήματα) είναι μεγαλύτερα από ό, τι στην περίπτωση του hcp, έτσι ώστε αυτά τα μέταλλα μπορούν να περιέχουν στα μόρια αυτά και μικρά άτομα (όπως μοριακό υδρογόνο, Η₂).

Παραδείγματα

- Αλουμίνιο (ΑΙ).

- Νικέλιο (Νί).

- Ασημί (Ag).

- Χαλκός (Cu).

- Χρυσό (Au).

- Ρόδιο (Rh).

- Iridium (Go).

Κυβικά κεντραρισμένα στο σώμα (bcc)

Από τις τρεις κατασκευές, αυτό είναι το λιγότερο πυκνό και συμπαγές, που είναι ταυτόχρονα αυτό που παρουσιάζει τα διάκενα υψηλότερων όγκων.

Επομένως, φιλοξενεί ευκολότερα μικρά μόρια και άτομα. Ομοίως, σε αυτόν τον κύβο κάθε άτομο περιβάλλεται από οκτώ γείτονες.

Παραδείγματα

- Βαναδίου (V).

- Νιόβιο (Nb).

- Chrome (Cr).

- Αλκαλικά μέταλλα.

- Βολφράμιο (W).

Επιπλέον, υπάρχουν και άλλες δομές, όπως οι απλές κυβικές και άλλες πιο σύνθετες, οι οποίες αποτελούνται από λιγότερο πυκνές ή παραμορφωμένες συστοιχίες των τριών πρώτων. Ωστόσο, οι παραπάνω κρυσταλλικές δομές ισχύουν μόνο για καθαρά μέταλλα.

Υπό συνθήκες υψηλής ακαθαρσίας, πίεσης και θερμοκρασίας, αυτές οι ρυθμίσεις παραμορφώνονται και, όταν αποτελούν συστατικά ενός κράματος, αλληλεπιδρούν με άλλα μέταλλα για να δημιουργήσουν νέες μεταλλικές δομές.

Στην πραγματικότητα, η ακριβής γνώση και ο χειρισμός αυτών των ρυθμίσεων επιτρέπουν τον σχεδιασμό και την επεξεργασία κραμάτων με επιθυμητές φυσικές ιδιότητες για συγκεκριμένο σκοπό.

Τύποι

Με πολύ γενικούς όρους, τα μη σιδηρούχα μέταλλα μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις τύπους: βαρέος (μόλυβδος), ελαφρύς (χαλκός και αλουμίνιο) και υπεριώδης (μαγνήσιο). Με τη σειρά τους, αυτές χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες: εκείνες με μεσαία σημεία τήξης και εκείνες με υψηλά σημεία τήξης.

Άλλοι τύποι μη σιδηρούχων μετάλλων αντιστοιχούν σε ευγενή (ή πολύτιμα) μέταλλα. Παραδείγματα αυτών είναι τα μέταλλα με δομές ccp (με εξαίρεση το αλουμίνιο, το νικέλιο και άλλα).

Ομοίως, τα μέταλλα των σπάνιων γαιών θεωρούνται μη σιδηρούχα (δημητρίου, σαμαρίου, σκανδίου, υττρίου, θουλίου, γαδολινίου, κλπ.). Τέλος, τα ραδιενεργά μέταλλα θεωρούνται επίσης ως μη σιδηρούχα (πολώνιο, πλουτώνιο, ραδός, φρενίς, αστατίνη, ραδόνιο κ.λπ.). 

Χαρακτηριστικά και ιδιότητες

Αν και τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες των μετάλλων ποικίλλουν στις καθαρές τους καταστάσεις και στα κράματα, παρουσιάζουν γενικότητες που τα διαφοροποιούν από τα σιδηρούχα μέταλλα:

- Είναι εύκαμπτοι και εξαιρετικοί ηλεκτρικοί και θερμικοί αγωγοί.

- Είναι λιγότερο επηρεασμένες από θεραπείες θερμότητας.

- Έχουν μεγαλύτερη αντοχή έναντι οξείδωσης και διάβρωσης.

- Δεν παρουσιάζουν τόσο μεγάλο παραμαγνητισμό, που τους επιτρέπει να είναι υλικά που χρησιμοποιούνται για ηλεκτρονικές εφαρμογές.

- Οι διαδικασίες κατασκευής του είναι ευκολότερες, συμπεριλαμβανομένης της χύτευσης, συγκόλλησης, σφυρηλάτησης και έλασης.

- Έχουν πιο ελκυστικούς χρωματισμούς, έτσι βρίσκουν χρήσεις ως διακοσμητικά στοιχεία. Επιπλέον, είναι λιγότερο πυκνά.

Μερικά από τα μειονεκτήματά του σε σύγκριση με τα σιδηρούχα μέταλλα είναι: χαμηλή αντίσταση, υψηλό κόστος, χαμηλότερες απαιτήσεις και χαμηλότερη ορυκτολογική αφθονία.

Παραδείγματα

Στη μεταλλουργική βιομηχανία υπάρχουν πολλές επιλογές στην κατασκευή μετάλλων και μη σιδηρούχων κραμάτων. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα υπερκράματα χαλκού, αλουμινίου, ψευδαργύρου, μαγνησίου, τιτανίου και νικελίου.

Χαλκός

Ο χαλκός έχει χρησιμοποιηθεί για μια ευρεία ποικιλία εφαρμογών λόγω των πλεονεκτικών ιδιοτήτων του, όπως οι υψηλές θερμικές και ηλεκτρικές αγωγιμότητές του.

Είναι ανθεκτικό, εύκαμπτο και όλκιμο, έτσι ώστε να μπορεί να ληφθεί από αυτό πολλά πρακτικά σχέδια: από σωλήνες σε βάζα και κέρματα. Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί στην ενίσχυση της καρίνας των σκαφών, και βρίσκει μεγάλη χρησιμότητα στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας.

Αν και στην καθαρή του κατάσταση είναι πολύ μαλακό, τα κράματά του (μεταξύ αυτών των ορείχαλκου και του χαλκού) είναι πιο ανθεκτικά και προστατεύονται από στρώματα Cu₂Ο (κοκκινωπό οξείδιο).

Αλουμίνιο

Είναι ένα μέταλλο που θεωρείται ελαφρύ λόγω της χαμηλής του πυκνότητας. Έχει υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα και είναι ανθεκτική στη διάβρωση χάρη στην επικάλυψη Al₂Ο₃ που προστατεύει την επιφάνειά του.

Δεδομένων των ιδιοτήτων του, είναι ένα ιδανικό μέταλλο, ειδικά στην αεροναυπηγική, στον κλάδο της αυτοκινητοβιομηχανίας και των κατασκευών, μεταξύ άλλων.

Ψευδάργυρος και μαγνήσιο

Τα κράματα ψευδαργύρου (όπως το KAYEM, με 4% αλουμίνιο και 3% χαλκό κατά βάρος) χρησιμοποιούνται για την κατασκευή σύνθετων χυτών. Προορίζεται για κατασκευαστικά και μηχανικά έργα.

Στην περίπτωση του μαγνησίου, τα κράματά του έχουν εφαρμογές στην αρχιτεκτονική, καθώς και περιβλήματα ποδηλάτων, γέφυρες και συγκολλημένες κατασκευές..

Βρίσκεται επίσης στη χρήση της αεροδιαστημικής βιομηχανίας, των μηχανημάτων υψηλής ταχύτητας και του εξοπλισμού μεταφορών.

Τιτάνιο

Το τιτάνιο σχηματίζει ελαφρά ελαφρά κράματα. Είναι εξαιρετικά ανθεκτικά και προστατεύονται από τη διάβρωση από ένα στρώμα TiO₂. Η εξαγωγή του είναι ακριβή και έχει κρυσταλλική δομή bcc πάνω από 882 ° C.

Επιπλέον, είναι βιοσυμβατό και γι 'αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για ιατρικά εμφυτεύματα και εμφυτεύματα. Επιπλέον, το τιτάνιο και τα κράματά του είναι παρόντα σε μηχανήματα, ναυτικά, τζετ συστατικά και χημικούς αντιδραστήρες.

Υπερκράματα

Τα υπερκράματα είναι πολύ ανθεκτικά στερεά φάσεις που αποτελούνται από νικέλιο (ως βασικό μέταλλο) ή κοβάλτιο.

Χρησιμοποιούνται ως πτερύγια σε στρόβιλους και κινητήρες αεροσκαφών, σε υλικά για αντιδραστήρες που αντέχουν επιθετικές χημικές αντιδράσεις και σε εξοπλισμό εναλλάκτη θερμότητας.

Αναφορές

1. Κατερίνα Σκοτνικόφκα, Μόνικα Λοσέρτοβα, Μίροσλαβ Κούρσα. (2015). Θεωρία της παραγωγής μη σιδηρούχων μετάλλων και κραμάτων. Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Ostrava.
2. Δρ C. Ergun. Μη σιδηρούχα κράματα. Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: users.fs.cvut.cz
3. Adana Επιστήμη και Τεχνολογία. Μη σιδηρούχα μέταλλα. Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: web.adanabtu.edu.tr
4. Sánchez Μ. Βέργαρα Ε., Κάμπος Ι. Σίλβα Ε. (2010). Τεχνολογία υλικών. Editorial Trillas S.A. (1η έκδοση, Μεξικό). Pg 282-297.
5. Σιδηρούχων υλικών και μη σιδηρούχων μετάλλων και κραμάτων. [PDF] Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: ikbooks.com
6. Η διαφορά μεταξύ σιδηρούχων και μη σιδηρούχων μετάλλων. (23 Σεπτεμβρίου 2015). Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: metalsupermarkets.com
7. Wonderopolis. (2018). Γιατί το άγαλμα της ελευθερίας είναι πράσινο; Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: wonderopolis.org
8. Moises Hinojosa. (31 Μαΐου 2014). Η κρυσταλλική δομή των μετάλλων. Ανακτήθηκε στις 21 Απριλίου 2018, από: researchgate.net
9. Τόνι Χόγκετ. (18 Μαρτίου 2009). Εξαρτήματα χαλκού. [Εικόνα] Ανακτήθηκε στις 22 Απριλίου 2018, από: flickr.com
10. Brandon Baunach. (22 Φεβρουαρίου 2007). χαρτί βάρους έξι πακέτων Ανακτήθηκε στις 22 Απριλίου 2018, από: flickr.com