Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов
Подождите немного. Документ загружается.
К изделиям из этой группы сплавов относят:
- реторты и трубы из палладия в аппаратах перегонки плавиковой
кислоты;
- тигли из иридия для изучения химических реакций при температурах;
- покрытия из родия палладия в прецизионных приборах для измерения
физических констант в агрессивных средах;
- тигли из сплава Pd – Ag для исследования легкоплавких силикатов при
1250°С;
- лабораторная посуда из серебра, предназначенная для химического
анализа, кроме концентрированных растворов некоторых химических веществ;
- автоклавы, дистилляционные аппараты, баки из серебра для содержания
агрессивных растворов, паров или газов в химической промышленности; для
этой цели применяют как изделия из серебра, так и покрытия; используют
также сплавы серебра с никелем и кадмием;
- трубопроводы, нагревательные и охлаждающие элементы – змеевики из
серебра для химической аппаратуры, работающей в агрессивных средах;
- сосуды для хранения дистиллированной воды и бродильные чаны из
серебра для изготовления фруктовых соков;
- предохранительные мембраны из серебра в резервуарах высокого
давления, содержащие агрессивные жидкости и газы при 120°С; применяют
также платину при 450°С, палладий или сплавы на основе золота (Au – 30Ag,
Au – 40Ag – 30Pd);
пористые фильтры (дозиметры) из серебра для работы в условиях
агрессивных жидкостей или газов.
Катализаторы
Драгоценные металлы являются основными, а в некоторых случаях
единственными катализаторами многих важнейших промышленных процессов,
включая производство высокооктанового бензина путем гидрогенизации
нафтенов, изомеризации и дегидроциклизации парафинов (риформинг),
окисления аммиака при получении азотной кислоты, окисления этилена в оксид
этилена, разнообразных процессов гидрирования в химической,
нефтехимической, медицинской промышленности. Платина и палладий –
основные компоненты катализаторов обезвреживания выхлопных газов
141
двигателей внутреннего сгорания, отходящих газов предприятий
нефтепереработки и нефтехимии, некоторых химических производств.
Использование драгоценных металлов в качестве катализаторов
рентабельно, несмотря на их высокие цены, так как нет других материалов,
обладающих такой же совокупностью каталитических свойств, химической
устойчивостью, высокими температурами плавления и кипения.
Особенностью платиновых металлов является усиление их
каталитического действия при совместном воздействии по сравнению с
раздельным или последовательным использованием тех же катализаторов. Это
явление, называемое синергизмом, наблюдается как для смеси двух
катализаторов, так для биметаллических катализаторов на одном носителе.
Известны следующие формы применения драгоценных металлов для
катализаторов:
- массивный, компактный металл в виде сетки, фольги;
- губчатый металл, полученный разложением соли соответствующего
металла;
- чернь, получаемая при действии восстановителей на соль металла;
- коллоидные металлы, получаемые восстановлением солей в присутствии
защитных коллоидов;
- катализаторы на носителях; - сплавные скелетные катализаторы,
получаемые выщелачиванием более активного компонента (Al, Mg и др.) из
сплава.
Сплавы для стоматологии
Сплавы с драгоценными металлами, применяющиеся в ортопедической
стоматологии, классифицируются в зависимости от назначения по следующим
группам.
Сплавы для отливки зубных протезов. К этим сплавам предъявляются
следующие требования: жидкотекучесть и малый коэффициент усадки при
кристаллизации; высокие прочностные свойства и износоустойчивость;
минимальная разница электрических потенциалов с материалами других
элементов зубного протеза и биологическая совместимость с тканями полости
рта; минимальное содержание примесей недрагоценных металлов.
Литейные сплавы золота для зубоврачебной техники подразделяют на
четыре типа в соответствии с их твердостью или механической прочностью.
Сплавы типа 1 являются относительно мягкими, однофазными, не
142
упрочняемыми термической обработкой и используемыми при минимальных
напряжениях.
Сплавы типа 2 более твердые, используются для рабочих прокладок
среднего сечения, в то время как материалы типа 3 применяют для
высоконапряженных коронок и мостов. Экстратвердые золотые сплавы типа 4
пригодны для реставраторов и применяются для тонких вставок, которые
должны противостоять высоким нагрузкам. Литейные сплавы – это в основном
сплавы системы Au – Ag – Cu с добавками Pd, Pt, состав которых, % (по массе)
приведен ниже:
Тип
сплава Au Ag Cu Pd Pt Zn
1 80,2 – 90,8 2,4 – 12,0 1,6 – 6,2 0 – 3,6 0 – 1,0 0 – 1,2
2 73,0 – 83,0 6,9 – 14,6 5,8 – 10,5 0 – 5,6 0 – 4,2 0 – 1,4
3 71,0 – 79,8 5,2 – 13,4 7,1 – 12,6 0 – 6,5 0 – 7,5 0 – 2,0
4 62,4 – 71,9 8,0 – 17,4 8,6 – 15,4 0 – 10,1 0,2 – 8,2 0 – 2,7
Механические свойства литейных сплавов:
Тип Состояние σ
в
, МПа δ, % НВ, МПа
1 Мягкое 208 – 310 20 – 35 450 – 700
2 Мягкое 310 – 380 20 – 35 800 – 900
3 Мягкое, 330 – 395 20 – 25 950 – 1150
упрочненное 410 – 565 6 – 20 1150 – 1650
4 Мягкое 410 – 520 4 – 25 1300 – 1600
упрочненное 680 – 830 1 – 6 2100 – 2350
Известны сплавы, содержащие до 50% Au. Эти сплавы, используемые для
изготовления коронок и мостов, можно разделить на две группы: содержащие
менее 10% Au и 20 – 30%Pd, 50 – 70%Ag, Cu и Zn, содержащие 50% и 5 –
10%Pd, а также добавки Ag, Cu и Zn.
Среди литейных сплавов белого золота выделяют три типа сплавов:
твердый и два особо твердых. Состав литейных сплавов белого золота, % (по
массе), приведен ниже:
Тип сплава Au Ag Cu Pd Pt Zn
Твердый 65 – 70 7 – 12 6 – 10 10 – 12 4(max) 1 – 2
Особо твердый 60 – 65 10 – 15 9 – 12 6 – 10 4 – 8 1 – 2
Особо твердый 28 – 30 25 – 30 20 – 25 15 – 20 3 – 7 0,5 – 1,5
143
Механические свойства литейных сплавов белого золота:
Тип сплава НВ, МПа σ
в
, МПа σ
0,2
,МПа δ, %
Твердый 1050-1165/1200-1700 350-400/420-530 170-210/200-320 9-8/2-12
Особо твердый 1300-1800/2250-2600 460-530/770-840 280-320/530-580 9-15/1-3
Особо твердый 1600-1800/2200-2800 580-610/810-910 350-390/460-700 9-12/2-3
Примечание. В числителе – значения после закалки, в знаменателе – после
закалки и старения.
В России используют сплавы марок ЗлСрМ900 – 40 и Пд190 (Ag – 19%Pd
– 0,7%Cd – 1,2%Zn), обладающие высокой пластичностью. Их поставляют в
виде дисков и используют для изготовления штампованных деталей. Свойства
этих сплавов приведены ниже.
Сплав d,·10
-3
, кг/м
3
t
пл
, °С σ
в
,°С HV, МПа δ, %
ЗлСрМ900 – 40 17,5 963 – 995 300/570 860/1820 27/13
Пд190 10,6 1040 – 1100 – 780/1630 –
Примечание. В числителе – значения в отожженном, а в знаменателе – в
деформированном состоянии.
К сплавам для изготовления штампованных деталей зубных протезов
предъявляются в основном те же требования, что и к литейным сплавам.
Близость свойств сплавов, предназначенных для отливки и штамповки, является
важным условием для создания и нормального функционирования
комплексного зубного протеза. Более высокие требования к сплавам для
изготовления штампованных деталей предъявляются в отношении
пластичности. В нашей стране для изготовления штампованных коронок и
других деталей протезов применяют уже упоминавшийся сплав марки
ЗлСрМ900 – 40 и сплав марки Пд250 (Ag – 25Pd – 1,4Zn), имеющий следующие
свойства: HV 75МПа, σ
в
= 30 МПа, δ
min
=15%, t
пл
= 1100-1160°С, d=10,7·10
-3
кг/м
3
.
В медицинской практике одним из важнейших направлений является
создание оптимальных составов сплавов для высококачественных зубных
протезов с керамическим покрытием. Такие сплавы имеют следующие
свойства: близкие значения термической деформации и коэффициента
линейного расширения сплава и керамики в пределах температур от комнатной
до 600°С; образование адгезионных оксидов, обеспечивающих надежное и
длительное соединение сплава и керамики; неизменность цвета керамики;
температура плавления сплава должна быть на 150°С выше температуры
144
вжигания керамической массы в сплав. Состав, % (по массе) таких сплавов на
основе золота приведен ниже.
Сплав Au Ag Pd Pt In Ir Sn Zn
1 82,6 2,4 0,8 12,4 – – – 1,8
2 87,7 1,0 4,6 6,1 0,6 – – –
3 84,8 1,3 4,6 7,9 1,26 0,15 – –
4 51,5 12,1 29,5 – 6,8 – – –
5 54,2 15,7 25,4 – – – 4,6 –
Прочность сплавов с высоким содержанием золота соответствует
прочности литейных сплавов 3 и 4 типов. Более высокой прочностью обладают
сплавы с низким содержанием Au, но они меньше упрочняются
термообработкой. Добавки In или Sn присутствуют в этих сплавах для
снижения высокой температуры плавления, связанной с большим содержанием
Pd.
В зубном протезировании используют также сплавы промежуточных
назначений, которые по требованиям, химическому составу и физико-
механическим свойствам совпадают со свойствами сплавов описанных выше.
Однако ряд из них имеет самостоятельное значение, например, сплав
ЗлПлСрМ750-90-80 для изготовления кламмеров в пластинчатых бугельных
протезах, штифтов и вкладок.
Для изготовления пломб в зубопротезировании все большее применение
находят сплавы различных металлов. Для отливки вкладок, использующихся
при пломбировании зубов, используют сплавы с Au, Ag и Pd.
Методы выявления структуры драгоценных металлов и сплавов
Драгоценные металлы обладают высокой коррозионной стойкостью,
поэтому выявление их структуры представляет собой в ряде случаев непростую
задачу. Химический метод выявления структуры наиболее прост и доступен для
исследователей и в ряде случаев имеет высокую ценность при прямом изучении
макро- и микроструктуры. Данным способом успешно решаются вопросы по
изучению структуры литых металлов и их сплавов, распределению фаз и
включений, диффузионных процессов, полноты превращений при термической
обработке, фрактографии. Необходимо отметить, что структура тугоплавких
драгоценных металлов химическим методом практически не выявляется.
145
Электролитические методы обработки металлографических шлифов
включают операции электротравления и электрополирования. Электролиты, в
которых проводится электрополирование, могут быть использованы и для
электротравления (как правило, при меньших значениях плотности тока).
Электрополирование находит все большее применение в промышленности для
получения блестящей полированной поверхности изделий.
Процесс электролитической обработки проходит ряд этапов: подготовку
исходной поверхности методом полирования или тонкого шлифования; подбор
состава электролита; подбор режима работы, т.е. температуры, времени
электрического режима; выполнение операций по прекращению действия
электролита.
Электрополирование применяют обычно для повышения чистоты
обработки поверхности на 2 – 3 класса. Для промышленных изделий
предварительно обработанная поверхность должна соответствовать 7 – 9 классу.
Для изучения металлографических шлифов достаточен более низкий класс
обработки поверхности, так как сохраняющийся рельеф не мешает проведению
исследований.
Для электрополирования листового материала, подвергавшегося
предварительной деформации, механическую обработку поверхности можно не
проводить. При изучении неметаллических включений необходимо проводить
довольно тонкую предварительную механическую полировку образцов с
последующим кратковременным электрополированием для предотвращения
выкрашивания хрупкой фазы. Большое значение имеет тепловой и
электрический режим работы. При низкой температуре обычно увеличивается
вязкость электролита, процесс растворения замедляется и начинает проявляться
травящее действие электролита. При высокой температуре резко возрастает
скорость растворения, а перегрев прианодного слоя вызывает газообразование и
ухудшение полирующей способности электролита.
Для каждой системы металл – электролит существует оптимальная
плотность тока, обеспечивающая получение поверхности требуемого качества.
Если плотность тока ниже оптимальной, то происходит процесс травления с
выявлением или без выявления структуры соответственно. Драгоценные
металлы не полируются в большинстве общеизвестных электролитов,
количество электролитов для них ограничено. Для выявления структуры чистых
металлов, сплавов, соединений, тонкой структуры монокристаллов платиновой
146
подгруппы в основном применяют методы электротравления, так как
химическими методами выявить структуру затруднительно. Большинство
известных составов для химического и электролитического травления, а также
для электрополирования драгоценных металлов приведены в справочной
литературе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уникальный комплекс свойств, которым обладают драгоценные металлы
и их сплавы позволяет использовать эти материалы во многих отраслях
промышленности и конечно для производства ювелирных изделий. Однако
малая распространенность этих элементов в природе является серьезным
препятствием для их широкого использования. Несмотря на это резервы
драгоценных металлов еще существуют. Так, ювелирная промышленность до
сих пор использует лишь часть драгоценных металлов и их сплавов. Хотя
последние достижения металлургии драгоценных металлов позволяют
рекомендовать новые сплавы с оригинальными свойствами и цветом. Например,
при изучении химической технологии чистых веществ и интерметаллических
соединений металлов платиновой группы были получены многочисленные
цветные сплавы палладия с различными недрагоценными металлами. Эти
результаты заслуживают тщательного рассмотрения и с той точки зрения, что в
последнее время палладий и его сплавы активно перетекают из областей
технического и военного назначения в ювелирную промышленность, а изделия,
на основе этого элемента пользуются большим спросом. Следует также
отметить, что отсутствие технологий обработки не позволяет ввести в практику
изготовления ювелирных изделий сплавы на основе иридия и осмия.
В связи с дефицитностью драгоценных металлов и необходимостью их
экономного и рационального использования принципиально важными являются
работы по сбору и переработке отходов, содержащих эти элементы. Это
особенно актуально в настоящее время, характеризующееся активным
протеканием процессов конверсии.
Контрольные вопросы и задания
1. В каких областях техники применяются драгоценные металлы и их
сплавы?
147
2. В диапазоне каких температур способны работать термопары из
сплавов драгоценных металлов?
3. В каких областях химической промышленности используются
драгоценные металлы?
4. Назовите формы применения драгоценных металлов для
катализаторов.
5. Какие драгоценные металлы являются основными компонентами
катализаторов в химической промышленности?
6. Какие типы литейных сплавов золота применяют для зубоврачебной
техники?
7. Опишите основные методы выявления структуры драгоценных
металлов их сплавов?
148