Правильный выбор металла имеет решающее значение для обеспечения баланса между производственными затратами, прочностью конструкции и долговечностью. В современном промышленном производстве металлы условно делятся на две основные категории: черные (на основе железа) и цветные (не содержащие железа). В этом исчерпывающем руководстве представлены 20 наиболее востребованных промышленных металлов, их отличительные свойства и оптимальные области применения в реальных условиях, что поможет вам сделать осознанный выбор материала.
Три вида черных металлов
Любой металл с высоким содержанием железа и магнитными свойствами является черным металлом. Твердость, долговечность и прочность на разрыв черных металлов играют важную роль в производстве.
Их характеристики хорошо подходят для небоскребов, мостов, железных дорог и автомобилей. Они приносят пользу как промышленности, так и архитектуре. Сталь, чугун и кованое железо - три наиболее распространенных вида черных металлов.
Сталь
Сталь — это сплав железа, содержащий точно определённое процентное содержание углерода (как правило, менее 2%), что позволяет значительно повысить прочность на разрыв и сопротивление разрушению по сравнению с чистым железом. Промышленные стали обычно подразделяются на четыре основные категории.
Углеродистая сталь
Углеродистая сталь, как правило, имеет тусклую матовую поверхность и без специальной обработки весьма подвержена коррозии. Различают три вида углеродистой стали: низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую; содержание углерода в низкоуглеродистой стали составляет примерно 0,30 процента, в среднеуглеродистой — 0,60 процента, а в высокоуглеродистой — 1,5 процента.
Легированная сталь
Легированная сталь сочетает в себе несколько металлов, таких как никель, медь и алюминий. Легированные стали предпочтительны для изготовления автомобильных деталей, трубопроводов, корпусов судов и механических конструкций. Они дешевле и лучше противостоят коррозии. Концентрация ингредиентов определяет прочность этих сплавов.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь является безусловно самой популярной на рынке. Этот вид стали отличается блеском и содержит от 10 до 20% хрома в качестве основного легирующего элемента. Такое содержание хрома способствует образованию пассивного защитного слоя, что значительно повышает коррозионную стойкость, сохраняя при этом отличную формуемость для различных производственных процессов.
Инструментальная сталь
Инструментальная сталь славится своей твердостью, а также термостойкостью и износостойкостью. Сплавы этой категории оптимизированы для изготовления высокопрочного инструмента, штампов для машиностроения и промышленного режущего оборудования. Благодаря добавкам кобальта, молибдена и вольфрама инструментальные стали обладают исключительной красной твердостью, термической стабильностью и износостойкостью в условиях высоких нагрузок.
Применение: Листы для глубокой вытяжки кузовов автомобилей, приборов, строительства, железнодорожных рельсов и проводов.
Чугун
Это сплав железа, содержащий от 2 до 4% углерода, различные количества кремния и марганца, а также следы серы и фосфора. Его получают в доменных печах путем химического восстановления железной руды.
Идеальные области применения в промышленности:
Автомобилестроение: Блоки цилиндров, головки блоков цилиндров и тормозные диски (из-за высокой теплопроводности).
Строительная и тяжелая техника: Опорные кронштейны, основания машин и трубы для тяжелых условий эксплуатации (благодаря высокой плотности и виброгасящим свойствам).
Кованое железо
Кованое железо — это высокопластичный сплав железа с очень низким содержанием углерода (менее 0,08%). В отличие от хрупкого чугуна, кованое железо содержит микроскопические шлаковые волокна, придающие ему уникальную ‘текстуру’, напоминающую дерево. Эта волокнистая структура делает его исключительно прочным, устойчивым к коррозии и легко поддающимся ковке или сварке в сложные формы.
Применение:
Изготовление труб
Перекладины для стопорных болтов
Болты двигателя
Заклепки
Пластины
Уникальные цепи
Крюки для крана
Другие виды ковки
Классификация: 17 основных цветных металлов
Цветные металлы — это металлы или сплавы, в составе которых в металлургии не содержится значительного количества железа. Цветные сплавы применяются в тех случаях, когда требуются критически важные эксплуатационные характеристики, в том числе высокое соотношение прочности к весу, превосходная электро- и теплопроводность, немагнитные свойства и исключительная коррозионная стойкость. Они зачастую стоят дороже черных металлов.
Алюминий
Алюминий - серебристый металл, мягкий и легкий. Он имеет атомный номер 13 и относится к группе бора в периодической таблице. Алюминий - самый распространенный металл в земной коре и третий по распространенности элемент после кислорода и кремния. На его долю приходится 8% массы твердой поверхности Земли.
Алюминий является отличным проводником тепла и электричества. Это лёгкий металл, плотность и жёсткость которого составляют лишь треть от плотности и жёсткости стали. Благодаря высокой пластичности и ковкости алюминий отличается превосходной обрабатываемостью и легко поддаётся литью или экструзии в сложные профили.
Применение:
Линии электропередач
Высотные здания
Оконные рамы
Потребительская электроника
Бытовая и промышленная техника
Авиационные компоненты
Компоненты космического аппарата
Корабли
Поезда
Личные автомобили
Никель
Он имеет серебристо-белый оттенок, блестящую поверхность и золотистый оттенок. Никель ценится за его ковкость и коррозионную стойкость. Никель в основном добывают из двух типов месторождений: магматических сульфидов и латеритов.
Никель может смешиваться со сталью, железом, медью, хромом, алюминием, свинцом, кобальтом, серебром, золотом и другими металлами. Это помогает создавать нержавеющую сталь, чугун и другие сплавы.
Никель является распространенным компонентом при производстве сплавов. Он также важен для производства транспортных, аэрокосмических, морских, архитектурных и потребительских товаров. Он полезен при производстве столовых приборов, монет, магнитов и других металлов.
Медь
Cu - переходный металл с номером 29 в периодической таблице. Его атомный вес составляет 63,55 AMU, а количество нейтронов (атомных единиц массы) - 29. Это ковкий, пластичный металл красновато-золотистого цвета, который также является хорошим проводником тепла и электричества. Медь была первым металлом, с которым имел дело человек, и до сих пор она остается одним из самых распространенных металлов.
**Области применения:** Медь широко используется в производстве проводов, радиаторов, электромагнитов и электродвигателей. Её также применяют в изготовлении конструкционных деталей и труб. Медь отлично подходит для этих целей благодаря процессу окисления под воздействием атмосферы, в результате которого образуется защитная патина, предотвращающая глубокую коррозию.
Латунь
Латунь — это красный цветной металл, представляющий собой сплав меди и цинка. Изменение соотношения меди и цинка позволяет варьировать свойства материала, регулируя его механические и электрические характеристики. Поскольку это субституционный сплав, атомы обоих входящих в него элементов могут занимать одно и то же место в кристаллической решетке.
Приложения: Латунь хорошо отливается, прочна и привлекательна. Благодаря высокому содержанию меди она также обладает антибактериальными свойствами. Латунь - популярный материал для изготовления музыкальных инструментов, декоративной отделки, крепежа, гильз для пуль и многого другого.
Бронза
Бронза - это металлический сплав, состоящий в основном из меди и содержащий 12% олово. Кроме них, отличительными характеристиками обладают алюминий, мышьяк, марганец, фосфор и кремний.
К основным видам бронзовых сплавов относятся:
Свинцовая бронза
Фосфористая бронза
Алюминиевая бронза
Кремниевая бронза
Марганцевая бронза
Бронза обладает множеством отличительных характеристик, которые делают ее идеальным материалом для различных сфер применения, от искусства до компьютерных технологий. Бронза имеет красновато-коричневый оттенок, она сложная и хрупкая, а температура ее плавления составляет 950 градусов Цельсия.
Приложения: Свойства бронзы делают этот металл идеальным как для практического, так и для эстетического использования, например, в морском деле и рыболовстве. Судостроительные заводы часто выбирают бронзовые фитинги и гребные винты для многих лодок и кораблей. Это связано с тем, что бронза обладает высокой коррозионной стойкостью.
Некоторые бронзовые сплавы отлично подходят для использования в электротехнике, поскольку хорошо проводят электричество. Материал имеет низкое трение металла о металл, что отлично подходит для использования в условиях высоких нагрузок, например, во втулках и подшипниках. Это относится и к использованию во втулках и подшипниках.
Цинк
Цинк (Zn) — это универсальный элемент, широко используемый как в промышленности, так и в биологии. Хотя при комнатной температуре он хрупок и имеет синевато-белый цвет, после полировки приобретает блестящую металлическую поверхность.
Цинк - это первичный металл, который в основном используется для гальванизации стали, чтобы защитить ее от коррозии. Сплавы цинка, такие как латунь, используются во многих областях. Они отлично подходят для изготовления коррозионностойких деталей военно-морского флота, а также музыкальных инструментов.
Области применения: Оцинкованная сталь используется для изготовления кузовов автомобилей, столбов уличного освещения, защитных ограждений и подвесных мостов.
Литье под давлением имеет огромное значение для автомобильной, электротехнической и аппаратной промышленности. Для них требуется большое количество цинка. Латунь, никель-серебро и алюминиевый припой - все это сплавы, в состав которых входит цинк.
Оксид цинка содержится во многих продуктах. К ним относятся краски, резина, косметика, лекарства и пластмассы. Его также можно найти в чернилах, мыле, батареях, текстиле и электрооборудовании. В светящихся красках, флуоресцентных лампах и рентгеновских экранах используется сульфид цинка.
Серебро
Ag - блестящий белый металл, обладающий хорошей электропроводностью и эстетической привлекательностью. Он входит в число так называемых драгоценных металлов, наряду с золотом и металлами платиновой группы.
Из серебра изготавливают печатные электрические схемы и покрывают электронные проводники методом осаждения из паровой фазы. Это связано с тем, что серебро обладает самой высокой электро- и теплопроводностью среди всех металлов. Оно также может быть сплавом с никелем или палладием для использования в электрических соединениях.
Приложения: Серебро издавна использовалось для изготовления монет, украшений и ювелирных изделий. Люди используют серебро в качестве катализатора. Оно может с высокой эффективностью превращать этилен в оксид этилена. Это соединение является ключевым строительным блоком для многих химических веществ.
Золото
Au - насыщенный, блестящий желтый драгоценный металл, относящийся к группе 11 (Ib) периода 6. Он обладает рядом характеристик, которые делали его очень ценным на протяжении всей истории человечества. У него приятный цвет и яркость. Он почти неразрушим и очень гибок. Обычно его можно найти в природе в чистом виде. История золота не похожа ни на один другой металл, потому что его ценность ощущалась еще на заре времен.
Приложения: Золото используется в основном для изготовления валюты, украшений, ювелирных изделий и позолоты. Зеленое золото - популярный выбор для ювелирных изделий. Оно представляет собой сплав золота, серебра и меди с каратами от 14 до 18 карат.
Золото также популярно в текстильной промышленности. В электронных трубках используется позолоченная сетка. Такая конструкция повышает проводимость и снижает вторичные выбросы.
Вести
Свинец (Pb) - это тяжелый металл, который имеет более высокую плотность, чем большинство других металлов. Он мягкий и податливый, а также имеет низкую температуру плавления. В новом состоянии свинец серебристый с голубым оттенком; под воздействием воздуха он тускнеет до тускло-серого цвета.
Применение: Мы используем свинец в:
Автомобильные аккумуляторы
Пигменты
Боеприпасы
Оболочка кабеля
Поднятие тяжестей
Грузовые пояса для дайвинга
Стекло из свинцового хрусталя
Радиационная защита
Свинец подходит для хранения агрессивных жидкостей. Архитекторы используют свинец в витражах и для крыш.
Кобальт
Это малоизвестный металл, имеющий множество применений, интересных фактов и уникальных свойств. Это один из элементов d-блока, или переходных металлов, в периодической таблице.
Кобальт, как и многие другие переходные металлы, обычно встречается в виде сплава. Обычно люди добывают кобальт с помощью горной промышленности, а Конго и Замбия на африканском континенте славятся добычей кобальта.
Применение: Поскольку кобальт, как и железо, может магнититься, производство магнитов является примером использования кобальта. Но сплав с алюминием и никелем позволяет получить мощные магниты.
Высокотемпературные приложения, такие как реактивные турбины и газотурбинные генераторы, также входят в число областей применения кобальта. Привлекательный внешний вид, твердость и устойчивость к коррозии делают его популярным при нанесении гальванических покрытий.
Тысячелетиями люди использовали соли кобальта в красках, фарфоре, стекле, керамике и эмали для создания красивых синих цветов. Некоторые страны используют кобальт-60, радиоактивный изотоп, для лечения рака и облучения продуктов питания для их сохранения.
Платина
Платина - это нереактивный металл, который встречается в природе в небольших количествах. Она относится к благородным металлам благодаря своей исключительной коррозионной стойкости даже при высоких температурах. При среднем содержании около 5 мкг/кг она является одним из самых редких элементов в земной коре.
Никелевые и медные руды имеют определенные количества. Большая часть мирового предложения, около 80%, поступает из коренных месторождений в Южной Африке.
Приложения: Платина часто встречается в ювелирной промышленности. В основном она используется в катализаторах для автомобилей, грузовиков и автобусов. В химической промышленности платина используется в качестве катализатора реакций с азотной кислотой, силиконом и бензолом. Топливные элементы также используют платину в качестве катализатора для повышения их эффективности.
Платина также часто используется в электронике для изготовления жестких дисков и термопар. Из платины изготавливают оптические волокна и ЖК-дисплеи, лопасти турбин, свечи зажигания, кардиостимуляторы и зубные пломбы.
Соединения платины играют важнейшую роль в лечении рака. Исследователи используют их как в промышленности, так и в биологии.
Олово
Это коррозионностойкий, серебристый, мягкий и ковкий металл. Он связывается с различными химическими молекулами. Касситерит и станнин - ключевые минералы олова. Их можно найти в Малайзии, Таиланде, Заире, Индонезии и Боливии. При восстановлении угля получается чистое олово. В этом информационном бюллетене рассматриваются характеристики олова и его применение.
Приложения: Чтобы предотвратить коррозию, оно требует высокой полировки и покрывает другие металлы, например, оловянные банки, на которые нанесено стальное оловянное покрытие. Для олова также используются оловянные сплавы, такие как мягкий припой, олово, бронза и фосфористая бронза. Сверхпроводящие магниты также должны иметь сплав ниобия с оловом.
Чтобы создать ровную поверхность, производители изготавливают большинство оконных стекол путем наплавления расплавленного стекла на расплавленное олово. Распыление солей олова образует на поверхности стекла покрытие, проводящее электричество.
Вольфрам
Это переходный металл, который находится в одной колонке с хромом и молибденом в периодической таблице. Самый тяжелый представитель этой группы - вольфрам, атомная масса которого составляет 183 грамма на моль.
Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов и усиливает другие металлы. В металлообработке, горнодобывающей и нефтяной промышленности используется карбид вольфрама, поскольку он очень твердый. При нагревании вольфрама и углеродного порошка до 2200°C и их соединении получается материал.
В прошлом вольфрам широко использовался в качестве материала для нити накала в лампах накаливания; однако в настоящее время такие лампы практически полностью вышли из употребления во всем мире из-за низкой светоотдачи и чрезмерного тепловыделения.
Вольфрам и его сплавы используются во многих высокотемпературных областях. К ним относятся электроды для дуговой сварки и детали для высокотемпературных печей.
Инструменты для резки и сверления из карбида вольфрама отличаются исключительными характеристиками. К ним относится новое "безболезненное" стоматологическое сверло, вращающееся с очень высокой скоростью. В люминесцентном освещении часто используются тунгстаты кальция и магния.
Титан
Это легкий, высокопрочный, низкокоррозионный конструкционный металл, используемый в качестве сплава для компонентов высокоскоростной авиации.
Он распространен в изобилии и составляет 0,44 процента земной коры. Почти все горные породы, песок, глина и другие почвы содержат этот металл в той или иной форме. Он также может содержаться в растениях, животных, природных водных путях, глубоководных грунтах, метеоритах и звездах.
Области применения: Титановые сплавы используются во многих отраслях промышленности. Они ценят их за низкую плотность и способность выдерживать экстремальные температуры. Их можно найти в самолетах, космических кораблях и ракетах. Из него делают клюшки для гольфа, ноутбуки, велосипеды и костыли.
В конденсаторах электростанций используется титан благодаря его коррозионной стойкости. Он также используется в опреснительных установках. Кроме того, он защищает корпуса кораблей, подводных лодок и других сооружений, находящихся в соленой воде. Это происходит благодаря его сильной устойчивости к коррозии в морской воде.
Металл титан хорошо соединяется с костью. Поэтому в хирургических операциях часто используется титан. К ним относятся замена суставов, особенно тазобедренных, и зубные имплантаты.
Чаще всего титан используется в виде оксида титана(IV). Его можно найти в самых разных продуктах, включая краски для дома, краски для художников, пластмассы, эмали и бумагу. Поскольку он препятствует проникновению ультрафиолетового излучения в кожу, солнцезащитные средства также содержат титан.
Палладий
Палладий, являющийся одним из четырёх основных драгоценных металлов, представляет собой сырьевой товар с высокой волатильностью, цены на который в значительной степени определяются спросом на автомобильные каталитические нейтрализаторы и динамикой предложения в промышленности. Он по-прежнему остаётся важнейшим компонентом систем контроля выбросов для легковых и грузовых автомобилей.
В автомобильных катализаторах палладий используется чаще, чем любой другой материал. Некоторые зубные пломбы и коронки, а также ювелирные изделия. Ноутбуки и мобильные телефоны содержат керамические конденсаторы. Они демонстрируют один из способов использования палладия в электронике. Производители изготавливают их из слоев палладия, помещенных между керамическими слоями.
Уран
Это тяжелый металл, который уже более 60 лет используется в качестве концентрированного источника энергии. Он содержится в большинстве горных пород в количестве от 2 до 4 частей на миллион, и в земной коре его много, как и олова, вольфрама и молибдена.
Приложения: Атомные электростанции используют уран для производства энергии в качестве ядерного топлива. Ученые сосредоточились на создании из этого вещества других синтетических трансурановых элементов. Военные также используют его для питания атомных подводных лодок и оружия.
Висмут
Самый металлический и самый малораспространенный элемент группы азота - висмут (Bi). Висмут - твердый, хрупкий, блестящий металл с крупнокристаллической структурой. Его цвет - серо-белый с красноватым оттенком - отличает его от всех других металлов.
Применение: В висмуте используются пожарные сигнализации и огнетушители, а также электрические предохранители и припои.
Резюме
Современная материаловедение продолжает исследовать и разрабатывать новые металлические сплавы и композитные материалы для удовлетворения растущих потребностей промышленности. Будущее производственной отрасли зависит от этих новых материалов, которые позволят добиться более высокой эффективности, устойчивости к экстремальным температурам и повышенной экологической устойчивости во всех секторах мировой экономики.
Но в сегодняшней статье речь пойдет о двадцати металлах, которые люди используют с наибольшей частотой по всему миру. Мы разделили их на группы черных и цветных металлов. Кроме того, мы указали области применения каждого из них.