Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

самородки платины. Так, в Алмазном фонде демонстрируются самородки

платины весом 5918,4 и 7860,5 г.

Металл имеет бело-серую окраску, схожую по цвету со сталью, и

практически не растворим ни в воде, ни в кислотах, за исключением горячей

царской водки, при взаимодействии с которой образуется

платинохлористоводородная кислота H

[PtCl

]. Платина весьма пластична,

хорошо полируется и обладает большой отражательной способностью. Наряду

с палладием и иридием она имеет очень низкую тепло- и электропроводность,

низкую удельную теплоемкость и с трудом вступает в химические соединения.

Изделия технического назначения из платины (пластины, проволока,

тигли) впервые были изготовлены в XVIII веке. Для этого применили горячее

прессование губчатой платины. Высокого мастерства в изготовлении

платиновых изделий для научных целей достиг парижский ювелир Жаннети,

который сплавлял самородную платину с мышьяком в присутствии извести или

щелочи, а затем при сильном прокаливании выжигал избыток мышьяка.

Получался ковкий металл, пригодный для дальнейшей переработки.

До второй мировой войны более 50% платины использовалось в

ювелирном деле. Из сплавов платины с золотом, палладием, серебром, медью

делали оправы для бриллиантов, жемчуга, топазов и др. Мягкий белый цвет

платины усиливает игру камня, он кажется крупнее и изящнее, чем в оправе из

золота или серебра. В Советском Союзе из платины изготавливали орден

«Победа» и орден Суворова 1-ой степени.

Однако ценнейшие технические свойства платины сделали ее применение

в ювелирном деле нерациональным. В настоящее время около 90% платины

используется в промышленности и науке, доля ювелирных изделий из платины

намного меньше. Кислотостойкость, термостойкость и постоянство свойств при

прокаливании давно сделали платину незаменимой в производстве

лабораторного оборудования. Из платины изготавливают тигли, чашки, стаканы,

ложечки, лопатки, шпатели, наконечники, фильтры, электроды. В платиновых

тиглях разлагают горные породы – чаще всего, сплавляя их с содой или

обрабатывая плавиковой кислотой. Платиновой посудой пользуются для

выполнения особо точных и ответственных операций. Важнейшими областями

применения платины стали химическая и нефтеперерабатывающая

промышленность. В качестве катализаторов различных реакций сейчас

используется около половины всей потребляемой платины. Платина – лучший

катализатор реакции окисления аммиака до окиси азота NO в одном из главных

процессов производства азотной кислоты. Катализатор здесь имеет вид сетки из

платиновой проволоки диаметром 0,05 – 0,09 мм. В материал сеток введена

добавка родия (5 – 10%). Используют и тройной сплав – 93%Pt, 3%Rh и 4%Pd.

Добавка родия к платине повышает механическую прочность и увеличивает

срок службы сетки, а палладий немного удешевляет катализатор и немного (на 1

– 2%) повышает его активность. Срок службы платиновых сеток составляет от

одного до полутора лет. После этого старые сетки отправляют на аффинажный

завод на регенерацию. Производство азотной кислоты потребляет значительные

количества платины. Платиновые катализаторы ускоряют многие другие

практически важные реакции, огромное значение они имеют в

нефтеперерабатывающей промышленности. С их помощью на установках

каталитического риформинга получают высокооктановый бензин,

ароматические углеводороды и технический водород из бензиновых и

лигроиновых фракций нефти.

Еще одним крупным потребителем платины стала автомобильная

промышленность, которая также использует каталитические свойства платины

– для дожигания и обезвреживания выхлопных газов.

Следующими по масштабам потребления считают электротехнику и

стекольное производство.

Стабильность электрических, термоэлектрических и механических

свойств платины плюс высочайшая коррозионная и термическая стойкость

сделали этот металл незаменимым для современной электротехники,

автоматики и телемеханики, радиотехники, точного приборостроения. Из

платины делают электроды топливных элементов. Такие элементы применяли

на американских космических кораблях серии «Аполлон».

Из сплава платины с 5 – 10% родия делают фильтры для производства

стекловолокна. В платиновых тиглях плавят оптическое стекло, когда особенно

важно точное соблюдение рецептуры.

Из платины и ее сплавов изготавливают хирургические инструменты,

которые, не окисляясь, стерилизуются в пламени спиртовой горелки, что

особенно ценно при работе в полевых условиях. Сплавы платины с палладием,

серебром, медью, цинком, никелем служат также отличным материалом для

стоматологии, так как не темнеют со временем и не имеют привкуса.

Из сплава платины с иридием в нашей стране изготовлен эталон массы

одного килограмма, представляющий собой цилиндр диаметром 39 мм и

высотой также 39 мм, который хранится в Санкт-Петербурге. Ранее был

эталоном и платиново-иридиевый метр.

Количество платины в сплавах колеблется в широких пределах. В

качестве других добавок в нее служат металлы платиновой группы (иридий,

родий и палладий), а также золото, серебро, никель, медь, кадмий и др.

Сплавы платины с железом и кобальтом в области упорядочивания имеют

большую коэрцитивную силу и остаточную индукцию, которые зависят от

режима обработки. Сплавы с максимальной коэрцитивной силой, как магнитно-

жесткие, применяются для постоянных магнитов, точных и малогабаритных

измерительных приборов. Сплавы платины с 40-50% железа имеют

отрицательный температурный коэффициент расширения и применяются для

часовых волосков и точных измерительных приборов.

Спрос науки и техники на платину непрерывно растет и далеко не всегда

удовлетворяется. Дальнейшее изучение свойств платины еще больше расширит

области применения и возможности этого ценнейшего металла.

Иридий. Химический элемент, символ Ir, имеет порядковый номер 77,

атомный вес 193,1, основную валентность ІІІ, плотность 22,5 г/см

, температуру

плавления 2434°С, температуру кипения 4577°С, твердость по Бринеллю в

отожженном состоянии 1720 МПа. Иридий – происходит от греческого

«иридис» - радуга, назван так за яркие и пестрые окраски растворов своих

солей.

В природе иридий встречается главным образом в виде осмистого иридия

– частого спутника платины. Самородного иридия в природе не бывает.

Металл имеет серебристо-белый цвет; необыкновенно химически стоек –

не вступает в реакцию со щелочами, кислотами и их смесями. Относительное

удлинение иридия при растяжении не превышает 2%. Иридий извлекают из

осмистого иридия и из остатков платиновых руд (после того как из них

получены платина, осмий, палладий и рутений). Иридий получают в виде

порошка, который затем прессуют в полуфабрикаты и сплавляют или же

порошок переплавляют в электрических печах в атмосфере аргона. Такие

полуфабрикаты при обычной температуре очень хрупкие и не поддаются

обработке, но в горячем состоянии их можно ковать. Чистый иридий

применяется весьма ограниченно: в виде фольги для неамальгамирующих

катодов, изготовления иридиевых тиглей для исследовательских работ при

высоких температурах и мундштуков для выдувания тугоплавкого стекла.

Используют иридий и в качестве покрытий. Однако здесь встречаются

трудности. Обычным электролитическим путем иридий на другой металл

наносится с трудом, и покрытие получается рыхлым. Разработан метод

получения иридиевых покрытий электролитическим путем из расплавленных

цианидов калия и натрия при 600°С. В этом случае образуется плотное

покрытие толщиной до 0,08 мм. Более простой способ получения покрытий –

плакирование. На основной металл укладывают тонкий слой металла-покрытия,

затем следует горячее прессование. Вольфрамовую и молибденовую проволоку

с иридиевым покрытием получают следующим образом. Заготовку из

молибдена или вольфрама вставляют в иридиевую трубку и проковывают в

горячем состоянии, а затем подвергают волочению до нужной толщины при 500

- 600°С. Эту проволоку используют для изготовления управляющих сеток в

электронных лампах. Можно также наносить иридиевые покрытия на металлы

и керамику химическим способом.

Основная часть иридия применяется в виде сплавов, так как этот металл

улучшает механические и физико-химические свойства других металлов.

Обычно его используют для повышения их прочности и твердости. Так, добавка

10% иридия к относительно мягкой платине повышает ее твердость и прочность

почти в три раза. При увеличении иридия в сплаве до 30% твердость сплава

возрастет незначительно, но зато временное сопротивление разрыву увеличится

еще в два раза, приблизительно до 990 МПа. Поскольку такие сплавы обладают

исключительной коррозионной стойкостью, из них делают жаростойкие тигли,

выдерживающие высокотемпературный нагрев в агрессивных средах. В таких

тиглях, в частности, выращивают кристаллы для лазерной техники.

Платиноиридиевые сплавы привлекают и ювелиров – украшения из этих

сплавов красивы и почти не изнашиваются. Из платиноиридиевого сплава

делают также эталоны, хирургический инструмент, проволоку для свечей

зажигания, термопары, слаботочные контакты. Одно из наиболее интересных

применений платиноиридиевых сплавов – изготовление из них электрических

стимуляторов сердечной деятельности, вживляемых в сердце больного

стенокардией.

Иридий добавляют не только к платине. Небольшие добавки этого

элемента к вольфраму и молибдену увеличивают жаропрочность этих металлов.

Малая добавка иридия к титану (0,1%) резко повышает его кислотостойкость.

Подобным образом иридий действует и на хром. Термопары, состоящие из

иридия и сплава иридия и 40% родия, надежно работают при высокой

температуре в окислительной атмосфере. Из сплава иридия с осмием делают

напайки для перьев авторучек и иглы для компасов. Как и другие металлы VIII

группы, иридий может быть использован в химической промышленности в

качестве катализатора. Иридиево-никелевые катализаторы иногда применяют

для получения пропилена из ацетилена и метана.

В науке и технике находят применение изотопы иридия, в частности,

иридий-192 успешно используют для контроля сварных швов, на ядрах этих

изотопов был открыт эффект Мессбауэра и др.

Мировое производство иридия составляет не более тонны в год. В связи с

этим вряд ли в областях применения этого металла следует ждать больших

перемен – он навсегда останется редким и дорогим металлом.

Палладий. Химический элемент, символ Pd, имеет порядковый номер 46,

атомный вес 106,4, основную валентность ІІ, плотность 12,0 г/cм

, температуру

плавления 1554,5°С, температуру кипения 2877°С, твердость по Бринеллю в

отожженном состоянии 520 МПа.

Известно, что палладия в земной коре примерно в десять раз больше, чем

золота. Из шести платиновых металлов, кроме самой платины, только палладий

встречается в самородном состоянии. По внешнему виду его трудно отличить от

самородной платины, но он значительно легче и мягче ее. Химический анализ

показывает, что самородный палладий обычно содержит примеси: прежде

всего, саму платину, а иногда также иридий, серебро и золото. Но самородный

палладий крайне редок. Нередко палладий и сам находится в природе в виде

примеси к самородной платине или золоту. В Бразилии, например, найдена

редчайшая разновидность самородного золота (порпецит), в котором

содержится 8-11 % палладия.

Этот элемент имеется не только на нашей планете, но и на других

небесных телах, о чем свидетельствует состав метеоритов. Так, в одной тонне

железных метеоритов содержится до 7,7 грамма палладия, а в каменных

метеоритах до 3,5 грамма. И, наконец, ученые в 1868 году обнаружили

палладий на Солнце одновременно с гелием.

Серебристо-белый палладий внешне больше похож на серебро, чем на

платину, ближе он к этому металлу и по плотности. Нагретый палладий хорошо

куется и сваривается, да и при комнатной температуре металл достаточно

технологичен для пластического деформирования.

Чистый палладий применяется в производстве электрических контактов,

для нанесения декоративных и защитных покрытий (палладирования),

изготовления лимбов астрономических (военных и других точных приборов),

деталей точных весов, разновесов и т.п. Палладий также широко используют:

- в электротехнической промышленности в виде сплавов главным образом

с серебром, а также родием, золотом, платиной и другими металлами для

изготовления контактов, особенно таких, которые применяют в технике слабых

токов;

- в медицинской промышленности в виде сплавов с золотом, иридием и

платиной для изготовления отдельных деталей медицинских приборов и

инструментов: игл, шприцев, наконечников и т.п.

- в зубопротезной технике в виде сплавов с платиной, иридием, золотом,

серебром, сурьмой, медью и другими металлами для изготовления коронок,

литых зубов, мостов, крючков для укрепления протезов, пломб и т.п.;

Палладий отлично полируется. Благодаря хорошей обрабатываемости,

низкой температуре плавления и относительной дешевизне, он чаще других

металлов платиновой группы используется в ювелирных изделиях. В

палладиевой оправе эффектно выделяются драгоценные камни. За рубежом

пользуются популярностью часы в корпусах из белого золота. Термин «белое

золото» обозначает сплав золота, осветленный добавкой палладия. Палладий

способен осветлить почти шестикратное количество золота.

Для техники важны следующие основные механические характеристики

палладия. Например, твердость его резко (в 2 – 2,5 раза) повышается после

холодной деформации. Сильно влияют на его свойства и добавки родственных

металлов. Обычно временное сопротивление разрыву металла составляет 185

МПа, но если к палладию добавить 4% рутения и 1% родия, то эта

характеристика прочности удваивается. Кстати, такой сплав применяется в

ювелирном деле. Изделия из палладия чаще всего получают штамповкой или

холодной прокаткой. Из этого металла легко изготавливают цельнотянутые

трубы разного диаметра.

Большой интерес представляют уникальные химические свойства

палладия. Это объясняется тем, что в отличие от остальных химических

элементов, палладий имеет на внешней орбите атома 18 электронов, т.е., его

наружная электронная оболочка заполнена до предела. Такое строение атома

обусловило исключительную химическую стойкость палладия, который при

обычных условиях не вступает в реакцию даже с фтором. Взаимодействие этого

металла с сильными окислителями начинается при температурах выше 500

С.

При температурах от 400 до 850°С палладий покрывается светло-фиолетовым

слоем, который исчезает при более высоких температурах.

Палладий способен поглощать (окклюдировать) в больших количествах

некоторые газы, главным образом водород. При комнатной температуре один

объем металла способен поглотить примерно 800 объемов водорода. Другое

свойство палладия, также связанное с водородом. Если изготовить из палладия

сосуд и наполнить его водородом, а затем, закупорив нагреть, то газ будет

проходить сквозь стенки сосуда как вода через сито. При 240°C за одну минуту

через каждый квадратный сантиметр палладиевой пластинки толщиной в

миллиметр проходит 40 кубических сантиметров водорода, а с повышением

температуры проницаемость металла становится еще более значительной.

Как и другие платиновые металлы, палладий служит отличным

катализатором. Так, в химической промышленности палладий в виде сплавов с

платиной и другими металлами применяют при получении синтетического

аммиака и лекарственных препаратов, при гидрогенизации жиров, в

производстве азотной кислоты и др. Каталитические свойства этого металла в

сочетании со способностью пропускать водород лежат в основе явления,

открытого московскими химиками. Речь идет о так называемом сопряжении

(взаимном ускорении) двух реакций на одном катализаторе, в роли которого

выступает палладий. Реакции при этом как бы помогают друг другу, а вещества,

принимающие в них участие, не перемешиваются. С помощью мембранных

палладиевых катализаторов можно также получать из нефтяного сырья и

попутных газов сверхчистый водород, необходимый, например, для

производства полупроводников и особо чистых металлов.

Родий. Химический элемент, символ Rh, имеет порядковый номер 45,

атомный вес 102,91, основную валентность ІІІ, плотность 12,4 г/см

температуру плавления 1960°С, температуру кипения 3627°С, твердость по

Бринеллю 1010 МПа. Название металла родий - от греческого «родос»: розовый

цвет (назван так за розовую окраску растворов своих солей).

Родий относится к числу наиболее редких элементов. Находят его вместе

с самородной платиной и осмистым иридием. Извлечение родия и очистка его

от неблагородных и благородных примесей связана с исключительно

сложными, длительными и трудоемкими операциями.

По внешнему виду родий – красивый серебристый металл с голубоватым

оттенком. В отличие от золота и платины родий плохо поддается механической

обработке. Поэтому прокатать или протянуть его в проволоку можно лишь при

температуре 800 - 900°С. Этот металл обладает очень высокой химической

стойкостью. На компактный родий не действуют ни кислоты, ни щелочи. Лишь

мелко раздробленный родий медленно растворяется в горячей царской водке

или концентрированной серной кислоте.

Высокая устойчивость родия к действию агрессивных сред и

повышенных температур позволяет применять его в различных отраслях

промышленности. Родий – один из самых дорогих металлов, тем не менее,

спрос на него опережает производство. Поэтому металл поступает лишь туда,

где без него невозможно обойтись.

Важнейший потребитель родия – химическая промышленность. Из сплава

платины с родием изготавливают катализаторные сетки, на которых при

температуре 800 - 900°С происходит окисление аммиака в окислы азота –

главная стадия получения азотной кислоты. Присадка 5 – 10% родия намного

повышает прочность сетки, и потери платины в процессе производства

уменьшаются в полтора – два раза. Более того, эта присадка увеличивает

активность катализатора.

Другой крупный потребитель родия – стекольная промышленность. Из

сплава родия с платиной (обычно 7% родия) делают сосуды для плавления

стекломассы и получения тончайших стеклянных и кварцевых нитей. И в этом

случае родий резко повышает химическую и механическую стойкость платины

и вдобавок значительно повышает температуру ее плавления. Здесь родий

практически незаменим.

Сплавы с 1 – 3% родия идут на изготовление лабораторной химической

посуды, от которой требуется высокая химическая и термическая стойкость и

способность не менять свой вес даже при длительном прокаливании. Такой

посудой пользуются при самых ответственных и точных аналитических

исследованиях.

Стабильность термоэлектрических свойств и большая тугоплавкость

давно сделали родий исключительно важным материалом для термопар в

технике измерения высоких температур. Например, термопара из

платинородиевой проволоки (1 – 40%Rh) позволяет измерять температуру до

1800°С.

Родий в виде черни (мелко распыленный родий) используют для

приготовления черных красок по фарфору и как добавку в краски с золотом, так

как он увеличивает сцепление слоя краски с керамикой.

Поверхность родия обладает высокой отражательной способностью (80%)

для видимой части спектра. Отражательная способность родия меньше, чем у

серебра (95%), но зато его стойкость к действию коррозирующих газов и

высоких температур намного больше. Родированные поверхности не тускнеют

даже в атмосфере вольтовой дуги. Поэтому родием покрывают рефлекторы

прожекторов и технические зеркала прецизионных измерительных

инструментов самого различного назначения. Особый блеск и красоту родиевые

покрытия придают ювелирным изделиям. Однако большая техническая

ценность родия, трудность его извлечения и скудность запасов металла в

природе ограничивает использование родия для изготовления предметов

роскоши.