Какой металл выбрать для корпуса детали, а какой — для токопроводящего элемента? Какой подойдет для использования при высоких температурах, а какой — для изделия, которое будет под водой? В этой статье собрали всё, что нужно знать о металлах и сплавах: каких видов они бывают, чем различаются между собой и для каких задач применяется тот или иной материал.
Что такое металлы и сплавы
Металлы
Металлы — это группа химических элементов, которые объединены характерными свойствами: высокими теплопроводностью и электропроводностью, особым металлическим блеском и пластичностью — способностью менять форму под давлением без разрушения.
Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, например золото, серебро, платина и медь. Но чаще их приходится добывать из руд — горных пород, которые, помимо минеральных и органических компонентов, содержат металлические соединения.
Металлы стали одними из первых материалов, которые освоило человечество. Сначала из них делали орудия труда, посуду и оружие, позже их начали использовать в строительстве, машиностроении и других высокотехнологичных сферах.
Металлы и сегодня остаются основой промышленных решений. Они применяются повсеместно — от микроэлектроники и медицины до транспорта и энергетики.
Сплавы
Чистые металлы используют редко: из-за низкой прочности, склонности к коррозии и других ограничений они не подходят для большинства инженерных задач.
Для улучшения характеристик металлы легируют — смешивают с другими химическими элементами. Легирующими добавками могут быть как другие металлы, так и неметаллы: углерод, азот, кремний, бор. В результате легирования получается новый материал — сплав.
Свойства сплава зависят от его состава. С помощью легирующих добавок можно повысить твердость, устойчивость к коррозии, жаропрочность и пластичность, изменить магнитность или электропроводность.
Сплавы обладают более высокими механическими характеристиками. Дело в том, что кристаллическая решетка чистых металлов довольно легко деформируется, а у сплавов она обычно более прочная за счет наличия легирующих элементов. Кроме того, химический состав сплавов легко адаптировать под конкретные производственные задачи. Еще одно преимущество сплавов — они дешевле. Производство чистого металла намного более сложное и дорогое, чем получение сплава, поэтому в большинстве случаев выгоднее заменить чистый металл на сплав с аналогичными свойствами.
Виды металлов
Все виды металла можно разделить на две большие группы — черные и цветные.
Черные металлы и их сплавы
К черным металлам относят железо и сплавы на его основе. Такое название за этими материалами закрепилось из-за того, что при обработке они приобретают темно-серый, почти черный цвет.
Железо — основа большинства конструкционных материалов, но в чистом виде оно слишком мягкое. Чтобы придать металлу твердость, его легируют углеродом.
В зависимости от концентрации углерода получаются сплавы двух видов:
- Стали — сплавы железа с содержанием углерода до 2,14%. Помимо углерода, в состав могут входить и другие легирующие добавки. Стали прочные, пластичные и технологичные, их легко резать, сваривать, ковать, прокатывать.
- Чугуны — сплавы железа с содержанием углерода более 2,14%. Они более хрупкие, чем стали, но устойчивы к сжатию и хорошо заливаются в формы.
Черные металлы отличаются высокой прочностью и доступной ценой, но без дополнительной обработки склонны к коррозии.
Цветные металлы
Цветные металлы — это промышленное название всех металлов, которые не содержат железа в качестве основного элемента.
Главный внешний признак таких металлов — специфический цвет, отличный от темно-серого. Например, алюминий и серебро — белые; золото — желтое; медь — красная.
Цветные металлы более дорогие по сравнению с черными, но незаменимы там, где нужны высокая электропроводность и коррозионная стойкость.
Где используются черные металлы
Остановимся подробнее на черных металлах, их разновидностях, свойствах и сферах применения.
Железо
Железо отличается пластичностью и способностью легко соединяться с другими элементами. Благодаря этим свойствам оно стало основой для большинства сплавов в металлургии.
В основном этот металл используют как основу для производства стали и чугуна.
Но и чистое железо иногда бывает полезным, например там, где нужны особые свойства. Железо быстро намагничивается, когда рядом есть магнитное поле, и так же быстро теряет магнетизм, когда поле исчезает. Это делает его подходящим материалом для сердечников трансформаторов, электромагнитов и других устройств, где важно быстро включать и выключать магнитное воздействие.
Стали
Сталь — самый востребованный металлический сплав в промышленности. Это связано с ее доступностью, высокой прочностью и универсальностью.
Сталь используют в автомобилестроении, строительстве, при производстве бытовой техники, инструментов и других изделий.
Существуют разные способы классификации сталей.
Их различают по структуре, то есть по тому, как расположены атомы в кристаллической решетке железа. Есть много структурных классов сталей. Основные из них:
- Аустенитные стали. Имеют симметричную и равномерную гранецентрированную кубическую решетку. Благодаря такой структуре аустенитные стали пластичны, хорошо обрабатываются, не магнитятся и устойчивы к коррозии.
- Ферритные стали. Стали с объемно-центрированной кубической решеткой. Она менее симметричная и более плотная, чем у аустенита. Такие сплавы более прочные, но при этом менее пластичные, магнитятся и хуже свариваются.
- Мартенситные стали. Отличаются игольчатой структурой. В такой решетке атомы расположены неравномерно и находятся в напряженном состоянии. Это делает сталь очень твердой и износостойкой, но хрупкой и подверженной коррозии.
- Перлитные стали. Состоят из чередующихся участков мягкого железа и твердого соединения железа с углеродом. Такая пластинчатая структура дает баланс прочности и пластичности, делает металл удобным для обработки.
По химическому составу стали делят на две группы:
- Углеродистые — содержат только железо и углерод.
- Легированные — помимо углерода, содержат другие легирующие добавки (хром, никель, кремний, марганец, молибден, вольфрам, ниобий, бор, медь, азот).
Также выделяют разновидности сталей по назначению:
- Конструкционные. Применяются для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве — корпусов, валов, осей, шестерен, балок, колонн, арматуры.
- Инструментальные. Используются для производства режущего инструмента, пресс-форм, контрольно-измерительного оборудования.
- Нержавеющие. Обладают высокой устойчивостью к коррозии, что позволяет использовать их в агрессивных средах. Широко применяются в пищевой, химической, медицинской промышленности.
- Жаропрочные. Сохраняют свойства при высоких температурах, за счет чего могут использоваться в турбинах, печах и других устройствах, которые сильно нагреваются.
- Криогенные. Разработаны для оборудования, которое используют при экстремально низких температурах. Из таких сталей делают, например, емкости для транспортировки сжиженного природного газа, элементы космических аппаратов, криогенные морозильные камеры для хранения биологических образцов.
Эти классификации не исключают друг друга: одна и та же сталь может одновременно относиться к нескольким группам, например быть аустенитной, легированной, конструкционной и криогенной.
Чугуны
Чугун обладает высокой твердостью, хорошей текучестью и способностью поглощать вибрации. Из него отливают детали, которые должны сохранять форму и прочность при высокой нагрузке.
Чугун также бывает нескольких видов, — в зависимости от того, в какой форме в сплаве содержится углерод. Всего выделяют четыре основных вида:
- Серый чугун. Самый распространенный вид. Содержит углерод в виде пластинчатого графита, который придает излому металла сероватый цвет. За счет слоистой структуры графита материал хорошо обрабатывается, гасит вибрации и не дает трещин при охлаждении. Серый чугун применяют для изготовления станин, тормозных дисков, корпусных деталей.
- Белый чугун. Получил свое название из-за светлого цвета излома. В нем углерод связан в виде твердых соединений — карбидов. Из-за этого металл получается очень прочным и устойчивым к износу, но при этом хрупким. Такой чугун не подходит для элементов, которые работают под ударными нагрузками. Его обычно используют в деталях, которые подвергаются трению, например в дробилках и мельницах.
- Ковкий чугун. Получается из белого путем термической обработки. В результате нагрева и охлаждения углерод превращается в хлопья графита. Такая структура делает чугун более пластичным и менее хрупким. Из ковкого чугуна производят детали автомобилей, муфт, кронштейнов.
- Высокопрочный чугун. Содержит шаровидные включения графита, которые придают материалу прочность, пластичность и хорошую ударную вязкость. Используется в сложных механизмах, трубах высокого давления, элементах мостов.
Популярные цветные металлы и их применение
Из цветных металлов в промышленности чаще всего используют алюминий, медь, латунь и бронзу. Они применяются как в чистом виде, так и в составе сплавов.
Алюминий и его сплавы
Алюминий — один из самых легких конструкционных металлов. Он в три раза легче стали и в полтора раза легче титана. Кроме того, этот металл пластичен, хорошо проводит тепло и устойчив к коррозии.
Но, как и железо, в чистом виде алюминий мягкий, поэтому чаще всего его используют в виде сплавов — с медью, магнием, марганцем, кремнием и другими элементами.
Алюминиевые сплавы применяются во многих отраслях:
- В аэрокосмической промышленности и машиностроении — для изготовления корпусов, обшивок, панелей и других конструктивных элементов.
- В строительстве — для оконных и дверных профилей, кровельных систем.
- В электронике — для радиаторов, корпусов устройств, кабелей и соединителей.
- В упаковке — для банок, фольги, одноразовых контейнеров и тюбиков.
- В химической промышленности — для баков, труб и теплообменников, которые работают в агрессивных средах.
Медь, латунь и бронза
Медь — пластичный, устойчивый к коррозии металл, который хорошо проводит электрический ток и тепло. Благодаря этим свойствам медь востребована в электроэнергетике и электронике: ее применяют для изготовления проводов, кабелей, контактов, радиаторов. Также этот металл используют в архитектуре и декоре, например для отделки кровли, фасадных панелей, для художественной ковки.
Однако из-за мягкости медь не подходит для изготовления деталей, которые должны выдерживать высокие нагрузки, трение или другое постоянное механическое воздействие. Чтобы усилить прочность и износостойкость материала, в состав вводят легирующие добавки.
Наиболее популярны два сплава на основе меди:
- Латунь — сплав меди с цинком. Он более твердый и прочный, чем чистая медь, при этом сохраняет пластичность и легко обрабатывается. Из латуни производят детали сантехники, замки, фурнитуру, элементы декора.
- Бронза — сплав меди с оловом или другими элементами (алюминием, кремнием, бериллием, свинцом). Такие сплавы еще более прочные и устойчивые к износу, чем латунь, и лучше сохраняют форму при трении и контакте с агрессивными средами. Бронзу применяют для деталей двигателей, зубчатых колес, элементов судов.
Виды сплавов и их назначение
Сплавы можно разделить на легкие и тяжелые в зависимости от плотности металлов, которые входят в их состав.
Легкие сплавы
К легким относят сплавы на основе металлов с низкой плотностью — до 4,5 г/см³.
Такие сплавы широко применяются в авиа- и машиностроении, при производстве транспорта, корпусных деталей, электроники и спортивного инвентаря — везде, где важно снизить вес без потери прочности.
Самые распространенные легкие сплавы — алюминиевые и магниевые.
В алюминиевых основой выступает алюминий, а легирующими добавками служат медь, магний, кремний, марганец и цинк. Они повышают твердость металла, его устойчивость к износу и растрескиванию, улучшают литейные свойства.
В магниевых сплавах в качестве основы используют магний. Он еще более легкий, чем алюминий. Для усиления его свойств добавляют алюминий, цинк, марганец или редкоземельные элементы. Такие сплавы сохраняют малый вес, но становятся более прочными, устойчивыми к вибрациям и температурным нагрузкам.
Тяжелые сплавы
В эту группу включают сплавы из металлов с высокой плотностью, прежде всего из вольфрама. Он отличается рекордной плотностью среди конструкционных материалов — 19,3 г/см³ — и сохраняет прочность даже при очень высоких температурах. Чтобы улучшить пластичность, жаропрочность, износостойкость и устойчивость вольфрама к коррозии, к нему добавляют никель, медь или железо. Реже — молибден, кобальт, хром или серебро.
Вольфрамовые сплавы применяются в аэрокосмической и энергетической отраслях. Их используют в гироскопах, ракетных соплах и электродах. Еще из таких сплавов изготавливают защитные экраны и контейнеры для хранения радиоактивных веществ.
К тяжелым можно также отнести свинцовые и оловянные сплавы. Они, как правило, дополнительно содержат сурьму, висмут, медь, мышьяк, кадмий или кальций. Из таких сплавов производят компоненты электроники, оболочки кабелей, аккумуляторные пластины, корпусы приборов.
Редкие и драгоценные металлы в промышленности
Редкие металлы — это условное название группы элементов, которые встречаются в природе в небольших количествах или получаются в качестве побочных продуктов при переработке других руд. Сюда относят, например, литий, бериллий, галлий, германий, ванадий, титан, молибден и вольфрам.
Также среди редких металлов можно выделить две большие подгруппы: благородные и редкоземельные металлы. Рассмотрим их более детально.
Благородные металлы
Благородные металлы отличаются красивым внешним видом, устойчивостью к воздействию химических веществ и коррозии. К ним относят золото, серебро, платину, а также остальные пять металлов платиновой группы: рутений, родий, палладий, осмий и иридий.
Основная сфера применения таких металлов — ювелирное дело. Но они используются и в других отраслях промышленности. Например, золото хорошо проводит ток, поэтому применяется для изготовления контактов и соединений в электронике. На основе серебра, у которого есть антисептические и бактерицидные свойства, производят медицинские мази и растворы для лечения ран. Из платины делают лабораторную посуду и хирургические инструменты.
Редкоземельные металлы и их применение
Редкоземельные металлы — это группа из 17 элементов, в которую входят скандий, иттрий и 14 лантаноидов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.
Несмотря на название, в земной коре они встречаются относительно часто, но в рассеянной форме, из-за чего их добыча и переработка сложны.
Редкоземельные металлы используются при производстве магнитов, аккумуляторов, лазеров, оптических стекол. Еще их применяют в химической промышленности, например в производстве пигментов, лаков и красок, а также в нефтепереработке как катализаторы.
Как выбрать металл или сплав для конкретной задачи
Чтобы готовое изделие отвечало заданным требованиям, при выборе материала стоит ответить на следующие вопросы:
- Будет ли деталь испытывать высокие нагрузки? Для несущих элементов, рабочих механизмов, режущих кромок и крепежа важно, чтобы металл имел высокую прочность. Он должен выдерживать давление, удары и вибрации без разрушения и деформаций.
- Насколько сложной будет форма детали? Если деталь нужно гнуть, сверлить, сваривать или штамповать, лучше выбрать пластичный и легко обрабатываемый металл. Жесткие и хрупкие сплавы требуют специального оборудования и увеличивают стоимость производства.
- Будет ли изделие контактировать с влагой, химией или подвергаться перепадам температур? В таких условиях критична коррозионная стойкость. Лучше всего подойдут нержавеющие стали, алюминиевые и никелевые сплавы, которые сохраняют форму и прочность во влажной, соленой или агрессивной среде.
- Нужно ли проводить ток или отводить тепло? Если да, то на первый план выходят электропроводность и теплопроводность. Для проводов, кабелей, радиаторов и нагревательных элементов используют медь, алюминий, серебро и их сплавы.
- Есть ли ограничения по массе? В некоторых отраслях, например в авиастроении, транспорте и электронике, необходимо, чтобы вес конструкции был как можно меньше, поэтому используют титан и легкие сплавы. А в строительстве и машиностроении могут подойти более тяжелые и дешевые металлы.
- Есть ли ограничения по бюджету? Не всегда целесообразно использовать дорогие легированные сплавы. Иногда выгоднее взять недорогой металл и нанести на него защитное покрытие, особенно если срок службы детали невелик, а объемы производства большие.
Правильный выбор материала — это всегда компромисс между техническими требованиями, условиями эксплуатации, бюджетом и возможностями производства. Один металл обеспечивает прочность конструкции, другой — легкость, третий — устойчивость к коррозии. Универсальных металлов и сплавов не существует, но знание их свойств и понимание различий между ними помогают принимать обоснованные решения при проектировании и производстве изделий.
