Классификация черных металлов и сплавов

Обновлено: 30.06.2024

Металлы – обобщенное название химических элементов, объеденных по ряду признаков. В периодической таблице они занимают большую часть, однако до сих пор не существует документа, позволяющего разделить их на классы.

Отличаются металлы в первую очередь своими качественными характеристиками. Какие-то имеют высокую теплопроводимость, другие выдерживают высокие нагрузки на разрыв и растяжение. В зависимости от этих качеств определяется и сфера применения, но металлы в природном виде, даже очищенные, не обладают необходимыми показателями в достаточном виде, поэтому применяется технология сплавов, то есть соединения нескольких элементов в одну молекулярную решетку. Это позволяет существенно улучшить характеристики, и придать сплаву необходимые качества.

Простой пример: возьмем распространенный в промышленности сплав бронзу. Это соединение, где основным элементом выступает медь. В качестве легирующего, то есть улучшающего качество, компонента используется олово. В результате соединения получается новый металл, более твердый и упругий по сравнению с чистой медью, который часто используют для изготовления крепежа.

Основные виды классификации металлов

Существует несколько видов классификации металлов. Начнем с основного типа – деления на две большие группы: черные и цветные. Черные металлы отличает высокая температура плавления, плотность и повышенная твердость. Цветные металлы, в большинстве случаев, плавятся при более низких температурах и обладают повышенной электро и теплопроводимостью.

Такое разделение обусловлено распространением элементов в природе. На добычу черных элементов приходится более 90 процентов от всей массы добываемых металлов, в то время как на цветную группу приходится не более 5-10 процентов. Необходимо отметить, что виды классификации являются условными, и используются в зависимости от назначения конечного продукта, который производят из этих металлов. Так, для изготовления крепежа используется классификация по техническим характеристикам, а для изготовления сложных сплавов химическая и кристаллическая. Рассмотрим эти виды подробнее.

Химическая классификация металлов

Все элементы в периодической таблице делятся на четыре основных группы, маркируемые латинскими буквами:

• S. Отмечены розовым цветом.
• P. Желтые элементы.
• D. Бирюзовый цвет.
• F. Зеленые элементы в таблице.

Каждая группа содержит в себе металлы. Элементы из первых двух категорий (S и P) называют простым видом, а элементы из групп D и F переходным. Также каждая группа делится еще на несколько категорий. В группу S входят щелочные и щелочеземеленые металлы, а в группы D и F платиновые, урановые и редкоземельные. При этом в каждой группе существуют исключения, из чего можно сделать вывод, что деление металлов по химическим группам является условностью, и редко применяется в практических сферах. Такое деление интересно только для научных изысканий, и практически не применимо в промышленности и производстве. Например, изготовление крепежа отталкивается от технических аспектов, и лишь в малой степени от химических.

Классификация металлов по кристаллической решетке

Все элементы имеют, так называемую, кристаллическую решетку. Абстрактная структура, определяющая расположение атомов и электронов, а также их привязку к ядру. В аморфных материалах, таких как стекло, атомы расположены хаотично, и не имеют строгой конструкции. В отличие от металлов, которые в твердом виде обладают строго структурированной решеткой, с четким построением молекулярных элементов. Всего разделяют 4 вида кристаллических решеток, которые проще представить в виде таблицы:

Это наиболее распространенные типы кристаллических решеток, часто встречающиеся у металлов. В общей сложности система классификации насчитывает 14 конфигураций, но у металлов они или встречаются крайне редко, или не встречаются вообще. Также следует отметить, что правильное построение решетки возможно только при естественном затвердевании металла, без искусственных ускорений. Если процесс остывания был ускорен, форма решетки изменится. В производстве это называют закаливанием, в результате которого меняется не только молекулярная структура, но и технические свойства.

Также, при нарушении норм производства металлического проката, может наблюдаться замена в кристаллической решетке. Это ведет к полному изменению качеств готового изделия. Чтобы условия производства соблюдались, были разработаны нормы стандартизации, гарантирующие четкое соответствие готового проката техническому описанию его свойств.

Техническая классификация металлов

Наиболее полную систему классификации предложил профессор Гуляев, хотя современные ученые и не согласны с некоторыми ее аспектами, ничего нового пока предложено не было. Итак, черные металлы делят на 5 основных подгрупп:

1. Железные металлы. Сюда входят марганец, кобальт, никель, и конечно, железо. Наиболее распространенная в природе группа, используемая в сплавах как основной компонент.
2. Тугоплавкие. Элементы, имеющие высокую температуру расплавления. В качестве эталона принята мера в 1539 градусов по Цельсию.
3. Редкоземельные. Дорогостоящие в плане добычи и обработки элементы, к которым относят неодим, европий, самарий и другие металлы, используемые в качестве присадок к основному сплаву. Способны даже при небольшом проценте вмешательства существенно повысить или полностью изменить характеристики сплава.
4. Щелочные. Особая группа, практически не применяемая в чистом виде. Чаще всего используются в атомной энергетике. Сюда относят: литий, барий, радий и другие.
5. Урановые. Торий, уран, плутоний. Применяются исключительно в атомной энергетике.

Цветные металлы также делят на несколько подгрупп. Их три:

1. Легкие. Алюминий, магний, бериллий. Обладают низким удельным весом и часто применяются в авиастроении и прочих сферах, где необходим твердый, но в то же время легкий материал.
2. Легкоплавкие. Металлы с наиболее низкой температурой плавления: цинк, олово, свинец. Используются как в чистом виде, в качестве припоя и соединительного элемента, и как легирующие добавки, повышающие или изменяющие характеристики сплава.
3. Благородные или драгоценные металлы. Наиболее редкие элементы, к которым относят: золото, серебро, палладий, платину. Обладают максимальной устойчивостью к коррозии и окислению, благодаря чему получают широкое распространение в различных промышленных сферах.

Практически все металлы из двух групп поддаются смешению, то есть производству из них сплавов с необходимыми техническими характеристиками.

Классификатор металлов по ГОСТ

Если рассматривать метлы с точки зрения геологии и распространения в природе, их делят на две большие группы: черные и цветные. Об этом мы уже говорили выше. В химии деление происходит по 4 направлениям, но чтобы привести виды металлов к общему знаменателю, необходимо более точное разделение. Начнем с основного типа классификации: металлы и сплавы. Металлы – это материалы, используемые в чистом, или практически чистом виде. Здесь допускаются примеси, но в незначительной степени, то есть те, которые не способны оказать влияния и изменить технические характеристики. Сплавами называют соединения, с высоким содержанием двух и более элементов.

Для того чтобы сплав получил маркировку, в его составе должно быть не менее 50 процентов основного компонента. То есть, если мы берем бронзу, то понимаем, что в ее составе больше половины занимает медь, а остальное делится между другими металлическими компонентами. Чистые металлы, в свою очередь, делятся на стали и чугуны. Эти металлы имеют в составе углерод. Если его содержание не превышает 2,14 %, его называют сталью. Свыше этого значения уже чугун.

Классификация металлов

Чтобы привести все виды металлов к единому стандарту качества, необходимо разделить их на группы. Таких групп 3:

1. Стали,
2. Чугуны,
3. Сплавы на основе цветных металлов.

Каждая группа имеет деление на подгруппы. У стали это:

• углеродистая,
• легированная,
• специальная.

Углеродистая сталь не имеют легирующих, то есть изменяющих структуру элементов. Допускаются примеси, но в незначительном количестве. Углеродистая сталь в свою очередь делится на инструментальную и конструкционную. Кардинальные различия заключаются в процентах содержания в составе углерода. Конструкционная сталь содержит не более 0,6%, а инструментальная от 0,7 до 1,5%. Далее конструкционная сталь делится на обычное качество и высокое. В обычном качестве допускаются примеси серы и фосфора, но в количестве, не превышающем 0,3 процента. Соответственно высококачественная сталь не предусматривает наличия этих элементов в составе, или их количество должно быть меньше установленной нормы.

Далее легированная сталь, то есть материал, имеющий в составе компонент, влияющий на качественные характеристики сплава. Список легирующих элементов довольно большой, и здесь его приводить не имеет смысла. Содержание легирующего элемента начинается от 2,5%. Такая сталь называется низколегированной. Если в составе от 2,5 до 10 процентов, это уже среднелегированная марка, а при содержании свыше 10 процентов, получается высоколегированная сталь.

Помимо этого легированные стали делятся по назначению. Здесь три группы:

1. инструментальная,
2. конструкционная,
3. специальная

В стандартизации каждый элемент имеет буквенное обозначение, а для причисления легированной стали к тому или иному классу используется отдельный список. Все легированные стали обозначаются сочетанием букв и цифр. Для примера рассмотрим такое соединение: 10Г2СД.

Первая цифра здесь – это количество углерода в сотых долях процента. Далее буква Г, в классификаторе означающая марганец. Следующая за буквой Г цифра 2 говорит нам о том, что марганец в этом составе присутствует в двухпроцентной доле. И последние две буквы – это дополнительные элементы, процентная доля которых менее 1,5%. В данном случае сюда добавлены медь и кремний.

Последний вид стали – специальный. Он делится на несколько групп:

• строительная,
• подшипниковая,
• арматурная,
• котельная,
• автоматная.

Соответственно для каждой группы имеются свои стандарты.

Далее идут чугуны, делящиеся на три группы:

1. белый,
2. отбеленный,
3. и графитизированный.

У каждой группы также имеется свое разделения, но наибольший интерес представляет графитизированный чугун, который делится на:

• серый,
• вермикулярный,
• ковкий
• и высокопрочный.

Отношение к какой-либо группе определяется процентным соотношением углерода к металлу в составе, а также наличию примесей, допустимых стандартами, то есть ГОСТами.

И, наконец, последняя крупная группа – сплавы на основе цветных металлов. Здесь очень много разделений и видов классификации, поэтому остановимся на трех основных категориях, и представим их в виде таблиц:

Поиск сплава в классификаторе ГОСТ

Государственные стандарты четко определяют не только виды металлов и сплавов, но и качество производства заготовок для дальнейшей обработки и производства металлоизделий. Реестр очень большой, и первый пункт, который нам нужен – металлы и металлические изделия.

Далее переходим в необходимый раздел. Углеродистая и качественная сталь имеет маркировку В2 и В3 соответственно, а цветные металлы и их сплавы находятся в разделе В5. Также имеет смысл поискать в разделе В8, где перечислены стандарты литейных отливок.

Если мы говорим про изготовление крепежа, наибольший интерес представляет раздел В5, а внутри него подраздел В51.

Перед нами открывается список всех ГОСТов, связанных с этими определениями.

Он довольно большой, и не зная конкретного номера найти необходимую статью довольно сложно. Если же номер известен изначально, то на сайте ГосСтандарта есть готовый поиск, куда необходимо внести свой номер, чтобы сразу получить доступ к необходимому элементу.

Сферы применения основных металлов

Рассматривать радиоактивные и редкоземельные металлы не имеет смысла, так как в производстве крепежа они практически не принимают участия, как и в других сферах, не связанных с атомной энергетикой и некоторыми редкими видами промышленности. Нас интересуют основные металлы и сплавы рассмотренные выше.

Сферы их применения очень разнообразны:

• строительство,
• авиастроение,
• машиностроение,
• производство инструментов,
• металлоконструкции,
• станкостроение.

И так далее. Изготовление крепежа можно отнести нескольким категориям, но по сути, это металлоконструкции, называемые в народе Метизы. Для производства метизов используются десятки различных металлов и сплавов, от конструкционной стали и чугуна, до сложных сплавов на основе титана и меди.

Коротко по каждому виду, применяемому для изготовления крепежей

Перед тем как перейти к описанию конкретных видов металлов и сплавов, необходимо определиться, какие основные технические требования предъявляются к продуктам, попадающим под категорию «крепеж». Их несколько:

• прочность учитывается прочность на разрыв и излом.
• Пружинистость. Возможность металла возвращать изначальную форму после сжатия.
• Устойчивость к коррозии и окислению. Актуально для всех видов крепежа.

И многое друге. Теперь поговорим о конкретных металлах и сплавах. Их список выглядит следующим образом:

1. Алюминий и сплавы на его основе,
2. Медь,
3. Латунь,
4. Бронза,
5. Инструментальная сталь,
6. Легированная сталь,
7. Ковкий чугун,
8. Сталь нержавеющая.

Начнем по порядку: первый пункт – это алюминий и сплавы на его основе. Он применяется при изготовлении клепок и различных зажимов. Также в клепках может быть использована медь для повышения качества метиза. Помимо этого из меди изготавливают гайки специального назначения. Они используются, в частности, при судостроении, так как медь при контакте с другими металлами не создает искру.

Латунь и бронза отличаются повышенной, по сравнению с медью, прочностью, поэтому из них изготавливают различные шпонки, элементы анкеров, а также болты, шурупы и винты. Еще одна особенность этих сплавов заключается в отсутствии скипания. То есть при электрическом замыкании, сталь сплавляется, а медь остается цельной и не разрушается.

Из легированной и конструкционной стали изготавливаются барашковые гайки, струбцины и прочие удерживающие элементы. Это обусловлено высокой прочностью этих марок. Нержавеющая сталь, в свою очередь применяется там, где необходима максимальная устойчивость к коррозии. Что касается чугуна, то он чаще всего применяется при производстве запорной арматуры, то есть вентилей и запоров.

Общая классификация и потребительские свойства черных и цветных металлов

Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чугун). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цвет­ных металлов.

Наибольшее распространение в технике получили черные ме­таллы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных метал­лов, их высокой прочностью,

Основными металлическими материалами современной техники являются сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержа­ния углерода эти сплавы делятся на стали и чугуны.

Сталь - желозоуглеродистый сплав, в котором углерода со­держится до 2,14%.

Стали присущи свойства, делающие ее незаме­нимым материалом в машиностроении. Она обладает высокой проч­ностью и твердостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, Сталь можно ковать, прокатывать, легко обрабатывать на метал­лорежущих станках. Стальные изделия хорошо свариваются.

Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2,14%.

В технике наибольшее применение получили чугуны, имеющие от 2,4 до 3,8% углерода.

Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чу­гуна получают исключительно литьем. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры. Пользуясь диаграммой, можно изучить фазы и структурные составляющие сплава, установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.

При изучении черных металлов совершенно обязательным является знание диаграммы состояния «железо-углерод», связывающей количественные изменения содержания углерода в стали и чугуне с их структурой при различных температурах, а следовательно, и со свойствами.

Диаграмма состояния железо-углерод построена на основании кри­вых охлаждения сплавов железа с углеродом. Основными структурными составляющими сплавов железа с углеродом являются аустенит, феррит, циментит, ледебурит и графит.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в -железе 2,14% при 1130 0 С. Нижняя температура существования аустенита равна 723 0 С. При этой температуре в нем растворяется 0,8% С. Аустенит мягкий и пластичный. Его твердость НВ 170-220. Он немагнитный.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в -железе. Его растворимость в -железе ничтожно мала (0,02% при 723 0 С).Феррит характеризуется малой прочностью, малой твердостью (НВ<80) и высокой пластичностью. При комнатной температуре феррит обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C содержащее 6,67% С. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1550 0 С. Цементит весьма тверд и хрупок. Его твердость НВ 800. Он обладает металлическими свойствами.

Перлит (П) – продукт распада аустенита при 723 0 С, представляющий эвтектоидную механическую смесь феррита с цементитом. Содержание углерода в перлите всегда равно 0,8%. Твердость его за­висит от размера цементитных частиц и может колебаться от НВ 150 до НВ 220. Перлит может быть пластинчатым, в котором цементит име­ет форму пластин, и зернистым, где он находится в форме округлых зернышек.

Ледебурит (Л) - эвтектическая механическая смесь (эв­тектика) аустенита с цементитом, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3% С, при температуре 1147 0 С. Ниж­няя граница существования ледебурита 723 0 С, при этой температуре аустенит претерпевает перлитное превращение. Охлажденный ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит очень хрупок и тверд, так как основной его составной частью является цементит.

Графит (Г) - полиморфная модификация углерода. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Ледебурит и графит является структурной составляющей чугунов.

Углерод с железом образует устойчивое химическое соединение - цементит или может находится в сплаве в свободном состоянии в ви­де графита. Соответственно существует две диаграммы состояния сплавов железа-углерод: цементитная и графитная.

На рис. 7 приведен упрощенный вид цементитной диаграммы. На­ибольшее количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует массовому содержанию углерода в химическом соединении - цементите.

Рис.7 Диаграмма состояния «железо-углерод»

Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо, с другой - цементит.

На горизонтальной оси диаграммы откладывается процентное со­держание составляющих компонентов: в начальной точке – 100% желе­за и 0% углерода. Затем концентрация углерода увеличивается, а железа - уменьшается. Диаграмма заканчивается при содержании угле­рода 6,67%.

На вертикальных осях откладываются температуры. На начальной и конечной вертикалях указаны критические точки чистого железа и цементита. На вертикалях, соответствующих сплавам с промежуточны­ми концентрациями составляющих компонентов, отмечены их критические точки. Критические точки, соответствующие одинаковым превращениям, соединены плавными линиями.

Буквенные обозначения характерных точек диаграммы являются общепринятыми во всех странах.Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация). Линия АСД-ликвидус, а линия АЕСF-солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком состоянии (ж). По линии АС из жидкого сплава начинает кристаллизоваться аустенит (А), следовательно, в области АСЕ будут находиться смесь двух фаз – жидкого сплава (ж) и аустенита (А). По линии СД из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы СFD находится смесь двух фаз – жидкого сплава (ж) и цементита (Ц). В точке С при массовом содержании углерода 4,3% и температуре 1147 0 С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л). Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием углерода от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%). Сплавы, лежащие левее этой точки относятся к груп­пе стали.

Превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Линии GSE, PSK показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структу­ры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехо­да железа из одной модификации в другую, в такие в связи с изме­нением растворимости углерода в железе.

В области диаграммы АGSE находится аустенит (А). При охлаж­дении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS ферри­та (Ф) - твердого раствора углерода в -железе и перлита, а по линии SE-цементита и перлита. Цементит, выпадающий из твердого раствора, называется вторичным (ЦП) в отличие от первичного цемен­тита (ЦI), выпадающего из жидкого сплава. В области диаграммы GSР находится смесь двух фаз - феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEе₁ - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке S при массовом содержании углерода 0,8% и при температуре 723 0 С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита вторичного - эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (Д). Сталь, содержащая 0,8% С называется эвтектоидной, менее 0,8% - доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидной.

При охлаждении сплавов по линии РSК происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия РSК называется линией перлитного (эвтектоидного) прев­ращения.

Сравнивая между собой превращения в точках С и S диаграммы можно отметить следующее:

1) выше точки С находится жидкий расплав, выше точки S - твердый раствор - аустенит;

2) в точке С сходятся ветви АС и СД, которые указывают на начало выделения кристаллов из жидкого раствора (первичной кристалли­зации); в точке S сходятся ветви GS и SE, указывающие на на­чало выделения кристаллов из твердого раствора (вторичной крис­таллизации);

3) в точке С жидкий раствор, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики - ледебурита, в точке S твердый раствор, содержащий 0,8% углерода перекристаллизуется с образованием эвтектоида - перлита;

4) на уровне точки С лежит прямая EF эвтектического (ледебуритного) превращения, на уровне точки S - прямая РК эвтектоидного (перлитного) превращения.

Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных ме­таллов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью.

Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях, когда это возможно, их заменяют черными металла­ми, пластмассами и другими материалами.

Однако цветные метал­лы имеют ценные свойства, которые делают их применение в тех­нике неизбежным.

Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и применяются в электропромышлен­ности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому удель­ному весу широко применяются в самолетостроении и т.д.

Из большого числа цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили сплавы меди, алюминия и магния, а также подшипниковые сплавы.

В последний годы бурными темпами развивается производство титана и его сплавов, которые широко применяются в химической промышленности, в самолето- и ракетостроении, в космической технике.

Охарактеризуем подробнее важнейших представителей черных и цветных металлов, а также основы технологии их производства.

Применение черных металлов

1.1 Физико-химические свойства железа.

Железо представляет собой твёрдый светло-серебристый металл, легко поддающийся ковке, прокатке, штампованию и волочению.

Железо (Ferrum) – принадлежит к 8 группе химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, атомная масса 55,847, атомный номер 26, плотность 7,874 г/см 3 , серебристо – белый блестящий пластичный металл, температура плавления 1535 o С.

Железо достаточно распространено в земле (4 место) находится на 2 месте после алюминия. Процентное содержание 4,65 %.

Техническое железо и его сплавы коррозируют в атмосфере паров воды, оксида углерода (IV) и кислорода с образованием пористого слоя гидратированного оксида железа (II).

НО: В отсутствии влаги чистый металл химически стоек, не реагирует с кислородом, серой, галогенами, однако в высокодисперсном состоянии пирофорен.

В соответствии с промышленной классификацией металлов к чёрным металлам относится железо и его сплавы с углеродом – железоуглеродистые сплавы. Название «черный металл» произошло от черного цвета окалины, образующейся на поверхности при нагревании.

В основу классификации черных металлов положен их химический состав. На основании содержания углерода все железные сплавы делят на чугуны и стали. Сталями называют железные сплавы с содержанием углерода до 2.14 %, а чугунами – с содержанием углерода более 2.14 % (обычно от 3.5 до 4.5 %). В общем случае черные металлы — это сложные системы, которые помимо железа и углерода содержат разнообразные примеси (серу, азот, фосфор, кремний и др.), вносимые в металл из исходного сырья в процессе производства, а также металлы целенаправленно добавляемые с целью придания сплаву определенных свойств.

Стали делят на углеродистые, в которых другие металлы содержатся в незначительных количествах и не влияют на их свойства и легированные, в состав которых введены такие металлы, как хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, и др. для придания им определенных свойств. По содержанию углерода углеродистые стали делят на низко , средне- и высокоуглеродистые.

Чугуны делят на белые (передельные), серые (литейные) и модифицированные.

Белые чугуны содержат углерод в форме карбида железа FeС (цементита) и образуются при кристаллизации расплавов.

В серых чугунах углерод находится частично в виде графитовых включений различной конфигурации, выделяющихся из жидкой или твердой фазы при медленном охлаждении (графитизация).

Модифицированные чугуны содержат добавки, улучшающие распределение графита и структуру чугунов (кремний, магний, алюминий).

Особую группу черных металлов составляют ферросплавы — малоуглеродистые сплавы железа с высокой концентрацией других элементов: ферромарганец, ферросилиций, феррохром и т.п.

На рис. 9.1 представлена классификация черных металлов по химическому составу.

Рис. 9.1 Классификация черных металлов по химическому составу.

Область применения чёрных металлов как конструкционных материалов чрезвычайно разнообразна и практически неограниченна.

Широкое использование черных металлов обусловлено:

– богатой сырьевой базой,

– относительной простотой производства

– высокими механическими свойствами. Различные железоуглеродные сплавы составляют около 92% от всех производимых металлов.

По данным ЮНЕСКО мировое производство чугуна в 2000 году достигло
~ 1000 млн. тонн, а стали – 1200 млн. тонн, что составило 500-700 кг на душу населения земли.

Чёрные металлы – свойства и классификация чермета

Эти черные металлы стали неотъемлемым компонентом нашей цивилизации. Без стали и чугуна сложно представить и повседневную жизнь, и высокие технологии.

Что такое черные металлы

Под термином « черные металлы » понимаются железо и сплавы с ним как основным компонентом (стали, чугуны).

По некоторым классификациям к черным металлам относятся марганец, ванадий, хром. Это сырье при производстве чугунов и сталей.

Основные железистые сплавы – чугуны, стали, ферросплавы. Они составляют 90% объема продукции металлургических предприятий. Остальное добирают цветные металлы.

Почти все металлы (90+%), востребованные экономикой, относятся к «черному» сегменту.

Неофициальное наименование сегмента черных металлов – чермет.

Классификация

Главные продукты чермета – сталь и чугун. Это сплавы железа, углерода плюс легирующие присадки, улучшающие утилитарные характеристики продукта.

Сталь и чугун различает доля углерода в составе. У стали его менее 2,14%, у чугуна – больше, у некоторых марок до 5,9%.

Данные сплавы черных металлов также классифицируются на основе физических параметров и химического состава.

Чугуны

Главная разновидность чугуна – литейный. Другие виды:

• антифрикционный;
• передельный;
• низко-, высоко-, просто легированный;
• с графитом (шаровидным либо вермикулярным).

По другой классификации чугуны подразделяют на белые, серые, ковкие.

Стали

Подразделяются на простые (нелегированные) и легированные:

• Основной компонент нелегированных сталей – углерод, поэтому их называют также углеродистыми. В зависимости от количества углерода (%) различают низко- (менее 0,25), высоко- (0,6+), просто углеродистый (0,25-0,6) сплав.
• Свойства легированных определяют добавки из других элементов. Их доли микроскопичны, но свойства (стойкость к коррозии, твердость, прочность) меняются существенно.

Традиционные добавки-лигатуры к чугуну, стали: вольфрам, кремний, марганец, медь, хром, никель.

При переработке руды избавляют от азота, кислорода, серы, фосфора, других вредных примесей.

Самые известные виды легированной стали – нержавеющая и оцинкованная.

Технология получения продукции

Продукцию получают на металлургических комбинатах из двух источников : руды (первичное производство) и металлического лома (метод вторичной переработки).

Первичное производство

Исходник для получения черных металлов – железная руда.

С месторождения ее отправляют на металлургические комбинаты, где подвергают многоступенчатой обработке:

1. Сырьем загружают доменную печь. Добавляют кокс, известняк.
2. Смесь переплавляют.
3. Железо поглощает углерод. Затвердев, становится очень твердым, но хрупким. Это чугун.
4. Часть чугуна отправляют на механическую обработку и изготовление изделий.
5. Основная масса направляется в сталеплавильную печь.
6. Здесь излишек углерода выжигается. Получается сталь.

Из расплава формируют чушки, прокат, болванки, другие виды заготовок для промышленности.

Чугун, отлитый в виде чушек

Второй способ – кислородно-конвертерный. Процесс проходит в конвертере – стальной печи, выложенной изнутри огнеупорным кирпичом. Здесь на избыточный углерод, другие примеси чугуна воздействуют кислородом. То есть продувают его сквозь массив чугунного расплава под давлением.

Процессы идут при температурах, исчисляемых тысячами градусов по Цельсию. Они плохо совместимы с экологией, поскольку загрязняют атмосферу, воду, почву.

Вторичная переработка

В широком понимании черный металлолом – это некондиционные, утратившие первоначальные свойства изделия из чугуна или стали.

• изношенное промышленное оборудование;
• металлические конструкции;
• отходы производства (включая стружку);
• бытовые приборы;
• обезвреженные боеприпасы;
• другие виды лома.

Лом черного металла – востребованное сырье. В пункты приема берут все – от стружки до крупных конструкций.

Учитывая массивность изделий (чугунные радиаторы отопления, ванны, ограды), заработать можно и на простом ломе. Заодно очистить пространство от хлама.

Вторичная переработка лома выгодна и производителям. Процесс впятеро дешевле получения продукта из руды. Кратно уменьшаются выбросы, а значит и штрафы за загрязнение окружающей среды.

Сферы использования

Сталь и чугун – традиционный материал промышленности.

Этому способствуют его прочность, твердость, устойчивость к внешним воздействиям, долговечность, легкость обработки, ценовая доступность (по сравнению с цветметом). Такие кондиции присущи материалу независимо от способа получения – из руды или лома.

В промышленности это материал деталей механизмов, конструкций, инструментария:

Сталь востребована строителями авто-, авиа-, водного и железнодорожного транспорта. А также химиками, пищевиками, медицинским сегментом.

Из чугуна получаются эстетичные ажурные решетки, ворота, другой декор для открытых пространств и интерьеров.

Чугунный забор

Сталь в строительстве – это прочные крыши, перекрытия, лестницы, шахты лифтов.

Еще одна сфера применения вторичных черных металлов – полезные вещи, сделанные своими руками либо в маленьких мастерских. Самые востребованные: летний душ, мангал, пресс, буржуйка, аксессуары для рыбалки, накопитель воды на дачном участке. Дизайнеры создают инсталляции, которые становятся музейными экспонатами либо пополняют частные коллекции.

Чугунная печь — буржуйка

Бизнес проектом может стать и пункт приема вторсырья, и создание артефактов из лома черных металлов.

Читайте также:

  
• Вес инвентарных лесов металлических
  
• Двери металлические в ленинградской области
  
• Что такое металлический конструктор
  
• Что такое плакирующий слой металла
  
• Завод по производству металлических опор освещения