В статье приведена информация, касающаяся применения драгметаллов в различных изделиях. Описана структура потребления золота, платины, серебра и палладия. Вы узнаете какие драгоценные металлы применяются при изготовлении различных электронных компонентов и технических изделий. В статье приведена общая информация по процентному содержанию благородных металлов в контактах различных видов, проводниках, покрытиях (содержание в % золота, платины, серебра, палладия в чистом виде и в сплавах).
Потребление драгметаллов при производстве радиодеталей и различных технических изделий в СССР имело резкий рост в 80-е годы, что было обусловлено бурным развитием радиоэлектронной и других отраслей промышленности. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года (утвержденные XXVI съездом КПСС) определили широкую программу развития электротехнической промышленности и приборостроения, химической промышленности, электронной техники и других отраслей народного хозяйства.
В связи с высокими темпами роста этих отраслей за два предшествующих десятилетия, в СССР значительно возросло потребление благородных металлов в промышленности. Значительно увеличилась номенклатура радиодеталей с содержанием драгоценных металлов. Тенденция роста потребления этих дефицитных материалов в промышленности сохраняется и после этого периода. Одним из главных условий удовлетворения потребностей народного хозяйства в промышленных изделиях из благородных металлов и сплавов явилось создание оптимальной структуры производства и потребления этих материалов. В СССР для решения этой задачи была созданна нормативно-техническая документация — государственные и отраслевые стандарты, технические условия на благородные металлы, сплавы и радиодетали с содержанием драгметаллов.
Продукция из благородных металлов и сплавов весьма разнообразна. Это — слитки и порошки, прокатно-тянутые изделия в виде полос, лент, фольги, проволоки, труб, прутков различного профиля, технические изделия в виде контакт-деталей различной формы, лабораторные принадлежности, лабораторная и промышленная аппаратура разнообразной конструкции, изделия из материало впорошковой металлургии, проволочные тканые и сварные сетки и другие изделия.
Настоящая статья охватывает большой перечень промышленных изделий, производимых в СССР из драгоценных металлов и сплавов по видам продукции и структуре потребления.
Уникальные свойства благородных металлов определили особые условия применения и высокие требования к эффективности использования их в промышленности.
Основные свойства благородных металлов и их применение
Золото (Au)
Атомная масса 197,0;
атомный номер 79;
плотность 19,32 г/см3;
температура плавления 1063°С;
температура кипения 2808°С;
теплоемкость при 20°C 0,129 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения 14,2*10-6 К-1;
теплопроводность 293,2—311,5 Вт/(м*К);
температурный коэффициент теплопроводности в интервале от 18 до 100°C 0,004;
удельное электросопротивление, мкОм*см: при 0°С—1,97; 25°C — 2,19; 100°C — 2,86;
температурный коэффициент электросопротивления 45*10-4 К-1.
Золото — диамагнетик; магнитная восприимчивость его отрицательна, т. е. намагниченность направлена против поля, мала по величине и не зависит от поля и температуры.
Золото относится к наиболее химически стойким металлам: не взаимодействует с кислородом воздуха при комнатной и при высоких температурах, стойко к действию серы, сернистого ангидрида, селена, не растворяется в минеральных кислотах, но растворяется в царской водке (смесь концентрированных азотной и соляной кислот в соотношении 1 : 3), в растворе цианистого калия.
В дисперсном состоянии в проходящем свете золото имеет зеленый цвет, в проходящем свете тончайшие листки — зеленоватый или голубовато-зеленый, в расплавленном состоянии — зеленый; пары золота зеленовато-желтого цвета.
Сплавы Au—Ag—Cu имеют цвет от золотисто-желтого (Au) до серебристо-белого (Ag) и красного (Cu); от ярко красного (Au с Cu) до светло-зеленого (Au с Ag).
Добавки палладия или платины в золотые сплавы придают им оттенок, характерный для платиновых металлов.
Механические свойства золота (числитель — твердое, деформированное, знаменатель — мягкое, отожженное состояние):
Временное сопротивление разрыву σв, МПа: 220/120
Относительное удлинение δ, %: 3/45
Твердость HB: 580/200
Предел текучести σт, МПа: 210/30
Модуль упругости Е, МПа: 79000/55700
Следует иметь в виду, что деформированное золото с содержанием основного вещества 99,99 % и более в процессе длительного хранения рекристаллизуется при комнатной температуре, в результате чего изменяются его механические свойства.
Так, временное сопротивление разрыву σΒ деформированной проволоки диаметром 0,04 мм через 8—10 сут снижается со 180 до 110—120 МПа.
Механические свойства золота в определенной степени зависят от его чистоты. Так, золото с содержанием основного вещества 99,999% со степенью деформации 20% имеет σΒ=150 МПа и δ = = 22%, а с содержанием 99,9% σΒ=170 МПа и δ = 20% .
Золото хорошо обрабатывается давлением (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка). Для промышленности производится в виде слитков и порошка, а также в обработанном виде — листы, полосы, фольга, проволока, трубы, прутки.
Чистое золото используют в промышленности для нанесения защитных антикоррозионных покрытий, изготовления электротехнических проводников, а также контактов, применяемых в технике слабых токов при контактных нажатиях менее 15 г, и других целей.
Значительная часть золота идет на изготовление сплавов.
Распространенные в промышленности стандартные Au—Ag—Cu сплавы с содержанием от 99 до 33,3 % Au применяют для изготовления электротехнических проводников, скользящих контактов, пружинных деталей ювелирных изделий.
Сплавы золотосеребряные и золотомедные — в качестве контактного материала (скользящие контакты) и проводников в приборостроении.
Золотопалладиевые сплавы — для изготовления скользящих контактов.
Золотоникелевый сплав с содержанием 5% Ni — для изготовления разрывных, а также скользящих контактов.
Золотоплатиновые сплавы для изготовления припоев, потенциометров, скользящих контактов.
Золотопалладиевоплатиновые сплавы — для изготовления термоэлектрических термометров, а также припоев.
Сплавы на основе золота широко применяют в стоматологии и ювелирном деле.
Серебро (Ag)
Атомная масса 107,87;
атомный номер 47;
плотность 10,49 г/см3;
плотность в жидком состоянии при темпезатуре плавления 9,3 г/см3;
температура плавления 960,8°С;
температура кипения 1950°С;
удельное электросопротивление, мкОм*см: при 0°С—1,145; 25°С— 1,609; 100°C — 2,051;
температурный коэффициент электросопротивления 40,33* 10-4 К-1;
теплоемкость при 20°С 0,234 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения 18,9*10-6 К-1;
теплопроводность при 0°С 418,26; при температуре от 10 до 97°C 458,87 Вт/(м*К).
В серебряномедных сплавах с увеличением содержания меди цвет изменяется от серебристо-белого до желтого: сплавы, содержащие 70% Ag, желтого цвета, 50% Ag — бледно-красного, до 30% Ag — красного цвета.
Серебро слабо окисляется на воздухе при нагревании и расплавлении. В расплавленном серебре растворяется до 20 объемов кислорода воздуха при 9620°C и до 18 объемов при 1100°C. Растворяется серебро в концентрированной азотной и горячей серной кислотах, но стойко в холодных растворах органических кислот, щелочах. Окись углерода, водород, фтор, азот, сухой аммиак, сухой сероводород при обычной температуре не оказывают заметного воздействия на серебро. Тускнение и потеря отражательной способности серебра на воздухе связаны с присутствием сернистых соединений в условиях повышенной влажности, а также при некотором увеличении температуры, На поверхности образуется пленка Ag2S. Введение кадмия, цинка, олова повышает стойкость серебра к потускнению. Для предохранения серебра от потускнения рекомендуют хранить его в антикоррозионной бумаге, пропитанной уксуснокислым кадмием или уксуснокислой медью — 2,5 %-ным раствором.
Механические свойства Ag (числитель — твердое, деформированное, знаменатель — мягкое, отожженное состояние):
Временное сопротивление σΒ, МПа: 300/150
Относительное удлинение δ, %: 2/35
Твердость HB: 550/250
Предел текучести σт, МПа: 300/50
Модуль упругости Е, МПа: 82000/70000
На механические свойства серебра существенно влияют пластическая деформация и термическая обработка. Так, деформация образцов из чистого Ag (99,99 %) с 0 до 90 % повышает σΒ со 140 до 380 МПа и снижает δ с 40—45 до 2—3 %.
Резкое изменение свойств чистого серебра отмечается при степени деформации до 25—30 %. Дальнейшее повышение деформации вызывает незначительное изменение σΒ и δ. Изменение механических свойств при отжиге начинается при температуре 95—100°C.
Значительное изменение происходит в интервале 100—300°С: σΒ уменьшается с 380—400 до 160—180 МПа, δ увеличивается с 2—3 до 35— 37 %. Следует учесть, что предварительная степень деформации влияет на механические свойства серебра после отжига.
В чистом виде серебро применяется в качестве антикоррозионных покрытий, для изготовления контактов с низким переходным сопротивлением, а также для электротехнических проводников и некоторых изделий химической промышленности, в том числе для изготовления светочувствительных материалов. Серебро в чистом виде для изготовления электрических контактов имеет ограниченное применение, так как обладает низкой устойчивостью к истиранию, склонностью к свариванию при токах силой выше 10А. Для повышения эксплуатационных свойств контактов применяют легирование серебра микродобавками.
Серебро довольно широко используется для изготовления сплавов. К ним прежде всего следует отнести группу припойных серебросодержащих сплавов.
Широко применяют в промышленности серебряномедные сплавы. Их используют для изготовления электрических разрывных и скользящих контактов, так как эти сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью. Вместе с тем стойкость их к окислению ниже, чем у серебра, и уменьшается при увеличении содержания меди.
Сплав марки СрМ900 имеет меньшие эрозионный износ и склонность к свариванию, чем Ag. При увеличении содержания меди эрозионный износ увеличивается. Серебряномедные сплавы применяют для изготовления электротехнических проводников, а сплавы марок СрМ916 и СрМ875 — ювелирных изделий.
Сплавы серебрянопалладиевые обладают повышенной по сравнению с серебром стойкостью против атмосферной коррозии и воздействия соединений, содержащих серу. То же относится к серебряноплатиновым сплавам, которые еще обладают и высокой твердостью. Указанные сплавы применяют для изготовления разрывных и скользящих контактов.
Платина (Pt)
Атомная масса 195,09;
атомный номер 78;
плотность 21,45 г/см3;
плотность в жидком состоянии при температуре плавления 19 г/см3;
температура плавления 1769°С;
теплоемкость при 20°С 0,133 кДж/(кг*К);
коэффициент линейного расширения 8,9*10-6 К-1;
удельное электросопротивление 10,3 мкОм*см при 25°С и 13,1 мкОм-см при 100°С;
температурный коэффициент электросопротивления 39,27*10-4 К-1.
Платина обладает хорошей пластичностью при комнатной температуре и сохраняет ее при высоких степенях обжатия. Легко обрабатывается давлением.
Платина, так же как золото, не окисляется на воздухе даже при плавлении. Она устойчива в кислотах, но растворяется в царской водке. При нагревании образует хрупкие соединения с углеродом. Воздействуют на платину расплавленные едкие щелочи и фосфор. С серой платина образует сернистую и двусернистую платину— PtS и PtS2. С хлором платина образует четыреххлористую платину — PtCl4, устойчивую до 370°С. При более высокой температуре она переходит в PtCl3, а нагревание до 435°С приводит к образованию хлористой платины PtCl2. При температурах более 582°С PtCl2 разлагается на Pt и Cl2: PtCl2 → Pt +Cl2. Четыреххлористая платина при растворении в соляной кислоте образует платинохлористоводородную кислоту. Соли этой кислоты — хлорплатинаты.
Хлорплатинат аммония (NH3)2[PtCl6] малорастворим в водных растворах и очень малорастворим в растворах хлористого аммония, что имеет большое значение при аффинаже платиновых металлов. При диссоциации в результате термического разложения из хлорплатината удаляются хлористый аммоний и хлор в виде газов, а платина остается в виде металлической губки.
Среди благородных металлов платина имеет самое большое удельное электросопротивление с устойчивыми значениями его при определенных условиях. Эти свойства платины используют при изготовлении термометров сопротивления и термоэлектрических термометров. Удельное электросопротивление сильно зависит от содержания и характера примесей (электропроводность и температурный коэффициент уменьшаются).
Механические свойства платины (числитель — твердое, деформированное, знаменатель — мягкое, отожженное состояние):
Временное сопротивление разрыву σΒ, МПа: 400/180
Относительное удлинение δ, %: 2/40
Твердость HB: 950/400
Предел текучести σт, МПа: 185/14—38
Модуль упругости Е, МПа: 170000/147000
Применяют платину для изготовления лабораторной аппаратуры и принадлежностей; в качестве нерастворимых анодов в производстве перекиси водорода, перхлоратов и др.; в качестве защитного покрытия для плакировки реакторов, используемых в производстве особо чистых продуктов; при переработке фторсодержащих материалов; при производстве оптических стекол, стекловолокна и стеклопластиков.
Значительная часть платины расходуется для изготовления сплавов. В качестве контактных материалов используют платиноиридиевые, платинопалладиевые, платиноникелевые, платинорутениевые сплавы. Они обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию, высокой стойкостью против сваривания, поэтому применяются для изготовления разрывных и скользящих контактов.
Платинородиевые сплавы применяют для изготовления термоэлектродов термоэлектрических термометров, катализаторных сеток, лабораторной посуды, стеклоплавильной аппаратуры.
Платиномедные сплавы — в качестве резистивных материалов.
Для изготовления катализаторных сеток, применяемых в производстве аммиака и азотной кислоты, используют эффективные многокомпонентные сплавы систем Pt—Pd—Rh и Pt— Pd—Rh—Ru.
Платинопалладиевые сплавы — в качестве высокотемпературных припоев.
Палладий (Pd)
Атомная масса: 106,4;
атомный номер: 45;
плотность: 12,16 г/см3;
плотность в жидком состоянии при температуре плавления 10,7 г/см3;
температура плавления 1552°С;
теплоемкость при 20°C 0,245 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения 11,6*10-6 К-1;
удельное электросопротивление 9,96 мкОм*см;
температурный коэффициент электросопротивления 37,9*10-4 К-1.
Палладий обладает хорошей пластичностью и легко обрабатывается давлением. Пластичность сохраняется и при высоких степенях обжатия. При нагревании на воздухе окисляется. Корродирует под действием горячих азотной, соляной и серной кислот.
При растворении в царской водке палладий образует хлористый палладий, который в соляной кислоте дает палладохлористоводородную кислоту H2PdCl6. Соль хлорпалладозамин [Pd(NH3)2Cl2], которая получается после последовательной обработки палладохлористоводородной кислоты и образующихся при этом соединений, растворяется плохо и поэтому используется для выделения палладия из растворов. При термическом разложении хлорпалладозамин диссоциирует, при этом хлористый аммоний и хлористый водород удаляются в газовую фазу, а палладий остается в виде металлической губки.
Палладий используют для нанесения декоративных и защитных покрытий (палладирования), для изготовления деталей промышленной аппаратуры.
Механические свойства палладия (числитель — твердое, деформированное, знаменатель — мягкое, отожженное состояние):
Временное сопротивление разрыву σΒ, МПа: 300/140
Относительное удлинение δ, %: 1,5/40
Твердость НВ: 950/480
Модуль упругости Е, МПа: 127000/97500
Палладиевоиридиевые сплавы обладают высокой стойкостью против коррозии в среде, содержащей соединения серы, имеют высокую стойкость истиранию. Применяют для изготовления скользящих и разрывных контактов, токосъемников.
Сплавы палладиевосеребряные применяют для изготовления контактов, промышленной аппаратуры, так как обладают более высокой стойкостью против атмосферной коррозии, чем серебро, а также к воздействиям соединений, содержащих серу. К контактным материалам относятся сплавы Pd—Ag—Co и Pd—Ag—Cu.
Родий (Rh)
Атомная масса: 102,91;
атомный номер: 45;
плотность: 12,41 г/см3;
температура плавления: 1966°С;
теплоемкость при 20°С: 0,253 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения: 8,5*10-6 К-1;
удельное электросопротивление: 4,9 мкОм*см,
температурный коэффициент электросопротивления: 45,7* 10-4 К-1.
Родий не растворяется в кислотах и в кипящей царской водке. При нагревании на воздухе окисляется. При комнатной температуре родий непластичен. Обработка давлением его ведется при 1200—1400°С.
Механические свойства родия:
временное сопротивление разрыву (проволока): 600—1000 МПа,
твердость HB: 1340,
модуль упругости: 380000 МПа.
В чистом виде родий применяют для нанесения покрытий. Родиевые покрытия имеют хорошую отражательную способность, высокую твердость, термическую (до 430 °С) и химическую устойчивость.
Из родия изготавливают также технические изделия для промышленности в виде проволоки, листа, тиглей.
Сплавы с родием на основе платины широко применяют в качестве катализаторов в химической промышленности, для изготовления термоэлектрических термометров, электрических контактов, лабораторной и промышленной аппаратуры.
Иридий (Ir)
Атомная масса: 192,2;
атомный номер: 77;
плотность: 22,41 г/см3;
температура плавления: 2454°С;
плотность в жидком состоянии при температуре плавления 20,27 г/см3;
теплоемкость при 20°С 0,129 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения 6,58*10-6К-1;
удельное электросопротивление 5,40 мкОм*см;
температурный коэффициент электросопротивления 39,25*10-4К-1.
При комнатной температуре иридий непластичен. Прокатку и волочение его ведут при температуре 1200—1400 °С.
Иридий не растворяется в кислотах и в кипящей царской водке. При температурах красного каления взаимодействует с хлором, в результате чего получается хлорный и хлористый иридий: IrCl4 и IrCl3. Этим соединениям соответствуют иридиевохлористоводородная кислота Н2IrCl и иридистохлористоводородная кислота Н3IrСl6. При добавлении к раствору Н2IrСl6 избытка хлористого аммония выпадает хлороиридат аммония (NН4)2IrСl6, который имеет незначительную растворимость в растворах хлористого аммония. Это используют при разделении платиновых металлов. Хлороиридат аммония при обработке сернистых водородом, щавелевой кислотой и другими восстановителями переходит в хлороиридат, что позволяет отделить иридий от платины, которая не образует подобного типа соединений.
Механические свойства иридия: временное сопротивление разрыву (проволока) 800—1200 МПа; относительное удлинение 1—2 %; твердость НВ 2700; модуль упругости 530000 МПа.
Применяют иридий в виде фольги и проволоки для изготовления неамальгамирующихся катодов, различных технических изделий, а также для получения сплавов на основе платины, палладия, которые широко используются в промышленности как контактный материал.
Рутений (Ru)
Атомная масса 101,7;
атомный номер 44;
плотность 12,2 г/см3;
температура плавления 2450 °С;
теплоемкость при 20 °С 0,238 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения 9,1 * -6 К-1;
удельное электросопротивление 7,43 мкОм*см;
температурный коэффициент электросопротивления 35,9*10-4 К-1.
Рутений непластичный металл. При нагревании на воздухе окисляется. Не растворяется в кислотах и в кипящей царской водке. С кислородом образует летучую четырехокись RuO4, которая имеет запах и испаряется при 65°С. Четырехокись рутения — сильный окислитель, реакция ее с концентрированным аммиаком или спиртом сопровождается сильным взрывом. При растворении RuO4 в соляной кислоте и воздействии на раствор хлористого калия получают легко растворимую соль хлористого рутения К2[RuСl5ОН]. Из растворов этой соли при действии хлористого аммиака или калия выпадают малорастворимые гексахлорорутенаты (NH4)2[RuС15], К2[RuCl6].
В чистом виде рутений применяют для нанесения покрытий, в сплавах с платиной используют для изготовления электрических контактов, наконечников (шариков) перьев авторучек и для других целей.
Осмий (Оs)
Атомная масса 190,2;
атомный номер 76;
плотность 22,48 г/см3;
плотность в жидком состоянии при температуре плавления 20,7 г/см3;
температура плавления 2700°С;
теплоемкость при 20°С 0,130 кДж/(кг*К);
температурный коэффициент линейного расширения 6,57*10-6 К-1;
удельное электросопротивление 9,66 мкОм*см;
температурный коэффициент электросопротивления 42*10-4 К-1.
Осмий непластичный металл. При нагревании на воздухе окисляется. В сплаве со смесью щелочи и перекиси натрия или бария образует сплав, растворяющийся в воде. При обработке этого раствора спиртом образуется осминат натрия Na2[0s04]. При восстановлении гипосульфитом раствора осмината натрия и обработкой хлористым аммонием получают осмитетраминхлорид [ОsО2(NH3)4]Cl2, который является исходным соединением для получения порошка осмия.
В тонкоизмельченном состоянии осмий при прокаливании в атмосфере воздуха образует четырехокись осмия ОsO4, которая испаряется при 120 °С. Пары OsO4 обладают резким запахом и весьма ядовиты. Восстанавливается водородом до двуокиси ОsO2.
Сплавы осмия применяют в приборостроении.
