К черным сплавам металла относится

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

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.

Ассортимент широк:

• 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.

Такое разнообразие обусловило необходимость классификации чермета по ГОСТу. Виды лома описаны ГОСТом РФ №2787-75, №278-86 (ознакомиться с ГОСТ 2787-75).

Цена черных металлов обычных кондиций, по сравнению с цветметом, невелика – 8-20 руб. за кг. Стоимость изделий смешанного состава, например, хромистой стали вчетверо – впятеро больше.

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.
  Углеродистая сталь
• Более массивный чугун ценится машиностроителями, нефтяниками, тяжелой промышленностью. Это материал для трубопроводов, тормозных колодок, валков. А также ограждений, заборов, посуды (сковород, казанов).

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.

Что относится к черным металлам | Аякс-металл ✅

Определение чёрных металлов зависит от того, под каким ракурсом рассматривается этот термин. С точки зрения физических свойств к чёрным металлам относят магнитные химические элементы. В их числе:

• железо;
• кобальт;
• никель;
• гадолиний.

С технической точки зрения под определение чёрных металлов подпадает углеродистая сталь и нелегированные чугуны. Границу между этими группами металлов определяет содержание углерода в сплавах: менее 2,14 % – это сталь, 2,14 % и выше – чугун.

Чем отличаются чёрные металлы от цветных

Приведённый выше перечень является исчерпывающим для магнитных химических элементов (чёрных металлов). Если составить объединённый список цветных и чёрных металлов, то в него войдут 78 химических элементов периодической таблицы. При этом три вида чёрных металлов, за исключением железа, по отдельным признакам одновременно относят и к цветным тоже. Их подразделяют на типы:

• тяжёлые – медь, цинк, свинец, олово, сюда же включают и никель;
• лёгкие – алюминий, титан, магний и другие (всего 12 элементов);
• тугоплавкие– марганец, вольфрам, молибден, хром и другие (всего 8 элементов);
• благородные и т. д. (всего 8 групп цветных металлов).

Перечислить всё, что относится к чёрным металлам с технической точки зрения, намного сложнее. Общее количество марок стали и чугуна включает несколько сотен наименований продукции. При этом часть из них не обладает магнитными свойствами, что позволяет по совокупности признаков относить такие сплавы одновременно к чёрным и цветным металлам.

Сталь – это чёрный или цветной металл?

Вопрос о принадлежности стали к чёрным или цветным металлам следует рассматривать исходя из классификации углеродистых сплавов, которая предусмотрена множеством ГОСТов.

Согласно разным нормативным документам, сталь подразделяется на следующие виды чёрных металлов:

• низкоуглеродистые, углеродистые и высокоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,25; 0,25–0,6 и свыше 0,6 % соответственно;
• низколегированные, среднелегированные и высоколегированные марки сплавов с контролируемым содержанием легирующих добавок до 2,5; от 2,5 до 10 и свыше 10 % соответственно;
• конструкционную, инструментальную, быстрорежущую, коррозионно-стойкую, жаропрочную и другие виды стали для разных сфер применения.

Из всего обширного сортамента марок стали только семь наименований образуют группу немагнитных сплавов. Напоминаем, что отсутствие магнитных свойств является главным признаком цветных металлов. В то же время в состав немагнитных марок стали входит железо, что является одним из определяющих признаков чёрных металлов.

С учётом малочисленности группы немагнитных сталей их можно считать исключением из общего правила с не вполне определённым статусом. С обыденной точки зрения принято считать, что чёрные металлы – это такие сплавы, которые подвержены коррозии от атмосферных воздействий. Хотя ржаветь могут и высоколегированные сплавы.

Титан – цветной металл или чёрный?

Титан используется в производстве высокопрочных и жаропрочных сплавов, а также в качестве легирующей добавки к углеродистым маркам стали. В титановых сплавах содержание титана составляет от 85 до 99,5 %. Основные добавки в них – это алюминий, ванадий, молибден, марганец, цирконий. Титан входит в группу лёгких цветных металлов наряду с алюминием и другими химическими элементами.

Сплавы на титановой основе также безоговорочно относятся к цветным металлам. Их используют для литья и производства широкого спектра металлопродукции: листового металла, труб, профилей, фольги, поковок, штампованных заготовок и т. д. Небольшие добавки титана в углеродистую сталь придают сплавам повышенную прочность и другие специальные свойства.

Свинец – цветной или чёрный металл?

Свинец входит в группу тяжёлых цветных металлов. В настоящее время его применение в чистом виде крайне ограничено. В числе примеров можно назвать устройство радиационной защиты на радиоактивных объектах, производство пуль. Зато его широко используют в виде разнообразных сплавов в производстве взрывчатки, аккумуляторов, красителей и другой продукции.

Чугун – это чёрный или цветной металл?

Напоминаем, что основное различие между чёрными и цветными металлами – наличие или отсутствие магнитных свойств.

Существует несколько марок немагнитных чугунов, для легирования которых используется никель, марганец, кремний и хром.

Весь сортамент чугунов подразделяется на белые, серые, ковкие, высокопрочные и передельные сплавы. Абсолютное их большинство приходится на чугуны с магнитными свойствами.

Чугун применяется в литейном производстве, и только передельный чугун используют для последующей выплавки стали. В основном чугун – это чёрный металл, но немагнитные сплавы имеют двойственную сущность, которая позволяет относить их к обеим группам металлов. Кстати, часть марок легированных чугунов также подвержены коррозии под атмосферными воздействиями.

Алюминий – это цветной или чёрный металл

Алюминий – самый распространённый цветной металл. По содержанию в земной коре он в 3,5 раза превосходит железо. Алюминий в чистом виде и сплавы на его основе широко используются в производстве огромного ассортимента продукции. Существует восемь систем алюминиевых сплавов по их базовому составу:

• алюминий-медь-марганец;
• алюминий-магний;
• алюминий-цинк-магний и т. д.

Все без исключения алюминиевые сплавы также относятся к группе цветных металлов. Кроме того, алюминий широко применяется для легирования углеродистых сплавов (стали и чугуна) для придания им специальных свойств. Это в равной степени относится и к большинству других легирующих элементов из числа цветных металлов.

Цинк – цветной или чёрный металл

Цинк входит в группу тяжёлых цветных металлов. Его используют в производстве цветных сплавов, антифрикционных изделий, анодов и для антикоррозионной защиты продукции из чёрных металлов, не считая других сфер применения.

Медь – цветной металл или чёрный

Медь не входит в перечень 18 химических элементов, составляющих 99,8 % массы земной коры, поскольку она принадлежит к группе тяжёлых цветных металлов. В чистом виде медь используется в производстве разных видов медного проката общего назначения, электротехнической продукции и для других целей.

Медь является базовым материалом в изготовлении бронзовых и латунных сплавов. Она также входит в число основных легирующих элементов углеродистой стали. Медь также широко используется в производстве цветных сплавов на основе алюминия и других цветных металлов, где она составляет меньшую долю от массы готовой продукции.

Медь и сплавы на её основе все без исключения относятся к группе цветных металлов. Они не обладают магнитными свойствами. Как легирующий элемент она может входить в состав чёрных металлов (углеродистых сплавов) для придания им специальных свойств. Но в этом случае её нельзя рассматривать как отдельный вид металла.

Латунь – цветной или чёрный металл?

Латунь наряду с бронзой является одним из основных видов цветных сплавов на базе меди. Сортамент продукции из латуни и бронзы практически идентичен. Он включает:

• листовой металл, ленты, фольгу;
• трубы и трубки;
• проволоку, прутки;
• литье и т. д.

Латунь и бронза превосходят медь по прочности, но в отличие от неё не используются для легирования углеродистых и производства других цветных сплавов. Отдельного внимания заслуживают медно-никелевые сплавы, которые также относят к цветным металлам.

Никель – цветной металл или чёрный?

По физическим свойствам никель – это чёрный металл. Однако с технической точки зрения его причисляют к цветным металлам.

Наряду с хромом, ванадием, молибденом, марганцем никель входит в первую пятёрку легирующих элементов по массовости их применения.

Помимо этого, его используют в производстве широкого спектра сплавов, в которых он является основным или вторым по массовой доле элементом.

К ним относятся производимые согласно ГОСТ 492-73 и ГОСТ 19241-2016 сплавы. В их числе мельхиор, хромель, константан, манганин и другие ценные сплавы, которые отличает очень высокая коррозионная стойкость. Значительное содержание в углеродных сплавах никеля и хрома также обеспечивает им стойкость ко всем видам коррозии, в том числе в результате атмосферных и агрессивных воздействий.

Никель наряду с другими легирующими элементами придаёт углеродистым сплавам заданные специальные свойства. В их числе жаропрочность и жаростойкость, повышенная механическая прочность, стойкость к разным видам агрессивной среды и прочее. С учётом высокой ценности высоколегированных сплавов, в том числе имеющих магнитные свойства, их справедливо причисляют к цветным металлам.

Что делают из чёрного металла

Граница, разделяющая чёрные и цветные металлы, не всегда выглядит чёткой и однозначной. Поэтому на обыденном уровне к чёрным металлам относят углеродистые и низколегированные марки стали, а также нелегированный чугун. Мы можем назвать следующие примеры чёрных металлов, а точнее – продукции из них:

• строительную арматуру всех классов;
• листовой, сортовой и фасонный прокат из перечисленных марок стали, в том числе с оцинкованным покрытием;
• трубы;
• стальное и чугунное литьё общего назначения – например, корпуса трубопроводной арматуры.

Детализированный перечень продукции из чёрных металлов можно продолжать почти до бесконечности. Однако не забывайте: не всё, что ржавеет, является чёрным металлом.

Урок 13. сплавы металлов — Химия — 11 класс — Российская электронная школа

• Химия, 11 класс
• Урок № 13. Сплавы металлов
• Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению сплавов чёрных и цветных металлов, роли легирующих добавок, зависимости свойств сплавов от состава.
• Глоссарий

Бронза – сплав на основе меди; оловянная бронза содержит до 8,5% олова. Может содержать также алюминий, кремний, свинец. Используется для изготовления деталей машин, инструментов, при ударе не образующих искр.

Баббиты – сплавы на основе олова и свинца. Применяются для изготовления подшипников, так как отличаются высокой устойчивостью к истиранию.

Дюралюминий – высокопрочные сплавы на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца. Основной конструкционный материал в авиа- и ракетостроении.

Константан – сплав на основе меди, никеля и марганца, используется для изготовления электроизмерительных приборов.

Латунь – сплав меди и цинка, с небольшими добавками никеля, олова, свинца, марганца. Используется для изготовления деталей машин и запорной аппаратуры.

1. Легированная сталь – сталь, в состав которой включены легирующие добавки, повышающие прочность, коррозионную устойчивость, жаропрочность и другие свойства сплава.
2. Легирующие добавки – вещества, вводимые в сплав в определённых количествах, для придания сплаву необходимых свойств.
3. Мельхиор – медно-никелевый сплав с добавлением железа, используется для изготовления монет, инструментов, столовых приборов.
4. Нейзильбер – трёхкомпонентный сплав на основе меди, цинка и никеля.

Силумин – сплав алюминия с кремнием. Применяется для литья деталей в авто- моторостроении.

Сплав — материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, один из которых обязательно металл.

Сплав Вуда – легкоплавкий сплав на основе висмута, свинца, олова и кадмия. Используется для изготовления металлических моделей, заливки образцов, пайки некоторых сплавов.

• Сталь – сплав железа с углеродом, причем доля углерода не превышает 2,14%.
• Цветные металлы – алюминий, медь, никель, цинк, олово, свинец и другие металлы, не относящиеся к чёрным.
• Цементит – карбид железа Fe3C, образуется в виде отдельной фазы в чугуне с высоким содержанием углерода.
• Чёрные металлы – железо, марганец, иногда к чёрным металлам относят хром.
• Чугун – сплав железа с углеродом, содержание углерода в пределах от 2,14 до 4,3%.

Электрон – сплав на основе магния и алюминия с добавлением цинка, и марганца. Используется в авиа- и ракетостроении.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Сплавы металлов и их классификация

Одним из первых металлов, который человек стал применять для своих нужд, была медь. Но ещё в III тысячелетии люди обнаружили, что медь, сплавленная с оловом, позволяет делать более прочное оружие, долговечную посуду. Материал, полученный при сплавлении меди с оловом, получил название «бронза». Это был первый сплав, изготовленный человеком.

Сплавом называют искусственный материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один является металлом.

В зависимости от количества компонентов различают двойные (бинарные), тройные и многокомпонентные сплавы. Сплавы могут иметь однородную структуру (гомогенные сплавы), а также состоять из нескольких фаз (гетерогенные сплавы).

В зависимости от своих свойств сплавы подразделяются на легкоплавкие, тугоплавкие, жаропрочные, высокопрочные, твердые, коррозионно-устойчивые.

По предполагаемой технологии обработки различают литейные (изделия производят путём литья) и деформируемые (обрабатывают путём ковки, проката, штамповки, прессования) сплавы.

Чёрные металлы и сплавы на их основе

В зависимости от природы металла, составляющего основу сплава, различают чёрные и цветные сплавы. В чёрных сплавах основным металлом является железо. Самыми распространенными из чёрных сплавов являются сталь и чугун. К чёрным металлам относятся железо, а также марганец и хром, которые входят в состав чёрных сплавов.

Чугун

Чугун – сплав на основе железа, содержание углерода в котором превышает точку предельной растворимости углерода в расплаве железа (2,14%). При остывании сплава, углерод кристаллизуется в виде отдельных включений цементита и графита.

Углерод придает чугуну твердость, но снижает пластичность сплава, поэтому чугун хрупкий.

Чугун применяют для изготовления литых деталей (коленчатых валов, колёс, труб, радиаторов отопления, ванн, решеток ограждения), кухонной посуды (сковородок, чугунков, казанов).

Сталь

В стали содержание углерода значительно меньше. В низкоуглеродистых сталях количество углерода не превышает 0,25%, в высокоуглеродистой стали содержание углерода может достигать 2%. Самые первые стальные изделия появились 4000 лет назад. В настоящее время выплавляют стальные сплавы с различными свойствами. Это конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные стали.

Легирующие добавки

Для придания стали особых свойств в процессе её изготовления, вводят легирующие добавки. Легирующими добавками называют вещества, которые добавляют в сплав в определенном количестве для изменения механических и физических свойств материала.

Легированные стали

В зависимости от количества легирующих добавок различают низколегированную, среднелегированную и высоколегированную сталь. Марка стали обозначается с помощью букв и цифр.

Буква указывает на химическую природу легирующей добавки, а цифра, стоящая после буквы – на примерное содержание этой добавки в сплаве. Если содержание добавки меньше 1%, то цифру не ставят.

Цифры впереди букв показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 18ХГТ содержится 0,18 % С, 1 % Сr, 1 % Мn, около 0,1 % Тi.

Стали применяют для изготовления армирующих железнодорожных рельсов, дробильных установок, конструкций, турбин электростанций и двигателей самолётов, инструментов (пилы, сверла, резцы, зубила, фрезы), химической аппаратуры, деталей автомобилей, тракторов, дорожных машин, труб и много другого.

Цветные металлы и сплавы на их основе

К цветным металлам относят алюминий, цинк, медь, никель, олово, свинец и др. Сплавы на основе цветных металлов называют цветными. Это бронза, латунь, силумин, дюралюминий, баббиты и многие другие. В авиации широкое применение нашли легкие и прочные сплавы на основе алюминия и титана.

Изделия из медных сплавов: бронзы и латуни, применяются в химической промышленности, для изготовления запорной аппаратуры: кранов, вентилей. Сплавы на основе олова и свинца используют для изготовления подшипников.

Из мельхиора и нейзильбера – сплавов меди и никеля, изготовляют столовые наборы, монеты.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчет массовой доли металла в сплаве

Условие задачи: Кусочек нейзильбера массой 2,00 г поместили в раствор гидроксида натрия. В ходе реакции выделилось 0,14 л водорода (н.у.). Вычислите массовую долю цинка в сплаве. Ответ запишите в процентах с точностью до десятых долей.

1. Шаг первый: запишем уравнение реакции цинка с раствором гидроксида натрия:
2. Zn + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2↑.
3. Один моль цинка вытесняет из щёлочи один моль водорода.
4. Шаг второй: найдём количество цинка, которое вытеснило 0,14 л водорода.

Для этого найдём в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева молярную массу цинка: М(Zn) = 65 г/моль. При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объём, равный 22,4 л. Составим пропорцию:

• 65 г цинка вытесняет 22,4 л водорода;
• х г цинка вытесняет 0,14 л водорода.
• 65 : х = 22,4 : 0,14, откуда х = (65·0,14) : 22,4 = 0,41 (г) – масса цинка в сплаве.
• Шаг третий: найдём массовую долю цинка в сплаве:
• ω = (0,41 : 2,00)*100 = 20,5 (%).
• Ответ: 20,5
• 2. Расчёт массы легирующей добавки

Условие задачи: Для придания стали противокоррозионных свойств в сплав добавляют хром. Сталь марки С1 должна содержать 12% хрома, 1% кремния, 1,5% марганца и 0,2% углерода. Сколько хрома необходимо добавить к железному лому (посторонними примесями пренебрегаем) массой 500 кг, чтобы получить нержавеющую сталь требуемой марки? Ответ записать в килограммах с точностью до десятых долей.

1. Шаг первый: найдём массовую долю железа в стали марки С1:
2. Для этого от 100% отнимем массовые доли остальных элементов:
3. 100 – 12 – 1 – 1,5 – 0,2 = 85,3 (%).
4. Шаг второй: найдём массу одного процента сплава.
5. Для этого массу железного лома разделим на массовую долю железа:
6. 500 : 85,3 = 5,9 (кг).
7. Шаг третий: найдём необходимую массу хрома. Для этого массу одного процента сплава умножим на массовую долю хрома в сплаве:
8. 5,9*12 = 70,8 (кг).
9. Ответ: 70,8

Черные металлы и их сплавы

• ЛЕКЦИЯ № 8
•  Материалы изготовления непродовольственных товаров.
• Химический состав сырья и материалов, используемых для производства непродовольственных товаров, имеет свои особенности.
• Непродовольственные товары изготавливаются из минеральных материалов: стекло, керамика, металлы, минеральные вяжущие вещества; и органических материалов: пластмассы, древесина, резина, волокнистые вещества.

В промышленном материаловедении материалы делятся на металлически и неметаллические.

Металлические материалы делятся н металлы черной металлургии (стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами) и материалы цветной металлургии (алюминий, цинк, свинец, олово, никель и сплавы на их основе и благородные металлы).

Неметаллические материалы: стекло, керамика, древесина, волокнистые материалы и т.д. Часть материалов имеет природное происхождение: древесина, растительные и животные волокна, шкуры, песок, камень, глины. Часть искусственное: стекло, керамика. Часть синтетическое: пластмассы.

Металлические материалы

Используются для изготовления металлохозяйственных товаров, а это посуда, ножевые изделия, столовые приборы и принадлежности, приборы, облегчающие домашний труд, инструменты, садово-огородный инвентарь, и ювелирных товаров, строительных материалов (приборы для окон и дверей, крепежные изделия, конструкционные элементы), при производтве транспортных средств (велосипедов, мопедов, мотоциклов, автомобилей, лодок катеров).

Металлы – химические элементы, характеризующиеся в твердом состоянии внутренним кристаллическим строением. Они имеют характерный блеск, непрозрачны, при деформации пластичны, характеризуются теплопроводностью и электропроводностью.

Черные металлы и их сплавы.

Железо – один из наиболее распространенных в природе металлов. Технически чистое железо это серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл с высокой прочностью. Процесс обработки железа от примесей достаточно дорогой, поэтому и производство товаров из железа не велико. Более распространены железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны.

Стали – содержат углерода не более 2.14%, а чугуны – свыше.

Стали по химическому составу подразделяются на углеродистые и лигированные.

Углеродистые стали кроме углерода содержат в небольших количествах только неизбежные примеси – кремний, марганец, серу, фосфор.

В легированные стали входят, кроме этого, добавки цветных металлов: хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама и т.д. Химический состав существенно влияет на свойства стали и ее применение в производстве.

С увеличением концентрации углерода возрастают твердость и хрупкость стали. Поэтому практическое применение находят стали с содержанием углерода около 1.3%.

Кремний – повышает твердость и повышает упругие свойства металла. Включают в состав стали до 2%. Изготовляют рессоры, пружины для транспортных средств.

Марганец – увеличивает твердость и прочность стали, ее износостойкость. Изготавливают металлоинструмент – пилы.

Сера и фосфор – вредные примеси. Сера вызывает красноломкость (растрескивание металла при механической обработке в горячем состоянии), ухудшает пластичность и снижает коррозионную стойкость стали. Фосфор вызывает хладноломкость стали, т.е. растрескивание при механическом воздействии на сталь в холодном состоянии.

Хром – увеличивает твердость и износостойкость стали. При содержании хрома более 13% сталь приобретает стойкость к коррозии. Из такой сравнительно недорогой стали изготовляют ножи и столовые приборы.

Никель – упрочняет сталь, повышает ее ударную вязкость и снижает хладноломкость. При совместном введении в сталь хрома и никеля сплав приобретает жаропрочность и высокую коррозионную стойкость в кислой среде. Отсюда, хромоникелевые сплавы применяют для производства посуды и столовых приборов.

Молибден, ванадий и вольфрам – придают стали высокую твердость и красностойкость, даже при нагреве «докрасна». Используют для изготовления металлорежущих инструментов и резцов.

Углеродистые стали в зависимости от наличия углерода подразделяют на конструкционные (углерода не более 0,75%) и инструментальные (до 1.3%).

Конструкционные стали используют при изготовлении посуды, приборов для окон и дверей, крепежных изделий, нагревательных и осветительных приборов. Инструментальные стали применяются при изготовлении инструментов, ножей, ножниц и т.д. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) различают углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

1. Стали обыкновенного качества: содержание вредных примесей не ограничивается (группа А); или содержание каждого до 0,07% (группы Б и В).
2. Качественные — содержание каждого – не более 0,04%.
3. Высококачественные – содержание серы не более 0,02% и фосфора не более 0,03%.

Отрицательно влияет на свойства стали кислород. Он вызывает красноломкость, снижает пластичность и вязкость металла. Поэтому в процессе получения сталь раскисляют («отбирают» у железа кислород) добавками марганца, алюминия и кремния.

По степени раскисления сталь делят на: спокойную (сп) – она раскислена полностью; полуспокойную (пс) – раскислена меньше; кипящую (кп) – раскислена не полностью, при разливке она кипит (выделяет кислород).

Спокойная сталь – однородная, плотная, отличается высокими механическими свойствами. Полуспокойная сталь – занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей. В кипящей стали много мелких раковин, которые снижают ее прочностные показатели, но выход металла больше, и он дешевле, а при прокатке мелкие раковины запаивают.

Кипящая сталь отличается пластичностью, содержит минимальное количество кремния и марганца, ее раскисляют только алюминием.

Изготовляют из кипящей стали методом штамповки: стальную посуду, корпуса бытовой газовой аппаратуры, холодильников и т.д.

А вот спокойную и полуспокойную сталь применяют там, где сплав при эксплуатации подвергается большим нагрузкам: инструменты, ножи, детали бытовых машин и т.д.

• Легированные стали подразделяются по назначению на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.
• Конструкционные используются в производстве ответных деталей машин (совместимые друг с другом), когда требуется сочетание прочности, твердости, износостойкости и пластичности, вязкости.
• Из легированных инструментальных сталей изготовляют такие металлообрабатывающие инструменты: сверла, ножовочные полотна, напильники, метчики, плашки (для нарезания резьбы).

К сталям с особыми свойствами относятся коррозионностойкие или нержавеющие, жаропрочные, износостойкие и т.д. Для товаров народного потребления из этой категории используют нержавеющие стали: посуда, ножи, столовые приборы, лезвия и т.д.

Чугун – вырабатывают выплавкой из железных руд в доменных печах.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (из которых «переделывают» в сталь), литейные, высокопрочные, ковкие, легированные. Для производства товаров народного потребления: посуда, замки, мясорубки, печные приборы, радиаторы отопления – используют серый литейный чугун.

Изделия из чугуна дешевле аналогичных из стали или цветных металлов, но очень хрупок. Этот недостаток необходимо учитывать при хранении, транспортировке и эксплуатации изделий из чугуна. СЧ 12-28 – серый чугун, первые две цифры предел прочности при растяжении, вторые – при изгибе.

Цветные металлы и сплавы – наиболее часто применяются в производстве непродовольственных товаров: алюминий, медь, цинк, никель, хром, олово, серебро, золото, платина и их сплавы.

Алюминий – белый серебристый металл с малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью к атмосферным воздействиям и пресной воде, нетоксичен, пластичный, с высокой тепло- и электропроводностью. Но уступает в прочности и жесткости черным металлам, нестоек к кислой и щелочной среде (посуда из алюминия не используется для солений и маринадов, а также для хранения кисломолочных продуктов).

Из алюминия изготовляют упаковочный материал фольгу, электрические провода, детали бытовых холодильников, посуду. Но технически чистый алюминий не употребляют, а используют его сплавы.  Все сплавы алюминия делятся по способу переработки их в изделия: деформируемые и литейные.

Деформируемые, перерабатываемые методом давления. Они, в свою очередь, бывают не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Не упрочняемые сплавы почти такие же, как технически чистый алюминий, но они имеют высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Их используют для баков стиральных машин (вместо нержавеющей стали) и посуды 9бидонов, кастрюль, чайников, кофейников), методом глубокой вытяжки. Эти сплавы могут быть получены сплавлением алюминия с марганцем АМц и с магнием АМг.

Наиболее распространенный упрочняемый сплав – дюралюмин – медь, магний, марганец. По механическим свойствам он близок к углеродистой конструкционной стали, но меньшую коррозионную стойкость. Для защиты от коррозии его покрывают чистым алюминием – плакируют.

Этот сплав используют как конструкционный материал — для изготовления мебели с металлическим каркасом, спортивного инвентаря.

Литейные сплавы алюминияполучают на основании системы алюминий + кремний.

Их называют силуминами, и используют для отливки деталей сложной конструкции, для которых не обязательны высокие механические свойства (художественно-декоративные изделия, дверные ручки, чайники).

Для изделий с более высокими прочностными показателями используют сплавы с медью, марганцем и магнием: замки, мясорубки, посуда, столовые приборы, детали инструментов).

Сплав, изготовленный из металлолома и отходов, называется вторичным литейным сплавом алюминия.

Сплав, содержащий не более 0,15% свинца 0,015% мышьяка и 0,3% цинка называется пищевым и применяется для изготовления изделий, соприкасающихся в процессе эксплуатации с пищей: посуда, кухонные принадлежности, столовые приборы, мясорубки, соковыжималки, шинковки).

Медь – розово-красный металл, тяжелый, эластичный, с высокой тепло- и электропроводностью.

Она хорошо противостоит коррозии на воздухе, но во влажной среде и в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, быстро тускнеет, покрывается зеленым налетом, при этом образуются очень токсичные соединения.

Широко используется ля изготовления электрических проводов, шнуров, контактов. На ее основе получают многочисленные сплавы, объединенные в две группы – латунь и бронзу.

Латуни — это сплавы меди с цинком.

К никелевым латуням относят мельхиор и нейзильбер. Обычные латуни могут содержать до 50% цинка, с возрастанием концентрации цинка возрастает прочность сплава при сохранении достаточной пластичности. Из латуни методом глубокой вытяжки изготовляют чайники, кофейники, самовары, охотничьи гильзы.

Мельхиор – сплав меди с 18-20% никеля.

Нейзильбер – содержит меди 13,5% и 18-22% цинка, по внешнему виду напоминает серебро, имеет высокую коррозийную стойкость и пластичность. Используются никелевые латуни доя изготовления столовой посуды, столовых приборов, художественно-декоративных и ювелирных изделий.

Бронзы – сплав меди с другими элементами. Наиболее распространены оловянные бронзы (олова до11%). Они обладают хорошими литейными свойствами и малой усадкой при затвердевании и охлаждении.

Методом литья из нее изготовляют: подсвечники, статуэтки, барельефы, дверные ручки, краны, вентили.

Вводят также 5-10% цинка – для удешевления, 3-5% свинца – для уменьшения хрупкости, и до 1% фосфора – для облегчения обрабатываемости резцом.

Цинк – светло-серый с синеватым оттенком металл, легкоплавкий, хрупкий. Используют для нанесения защитных покрытий на стальную посуду получаются сплавы с хорошими дверей. Цинковые покрытия образуют плотную защитную пленку при повышенной влажности.

Но при воздействии на оцинкованное покрытие щелочей, кислоты или горячей воды образуются токсичные вещества. При легировании цинка алюминием получают сплавы с хорошими литейными свойствами, но не очень прочные. Для придания им прочности вводят 3,5% меди.

Эти сплавы используют для отлива замков, ручек, ножей, вилок.

Никель – серебристый с желтоватым оттенком металл, очень пластичный, тяжелый, с высокими механическими свойствами. Хорошо поддается полировки и имеет высокую степень блеска. Никель противостоит коррозии на воздухе, в воде и растворах кислот.

Поэтому активно используют в защитно-декоративных покрытиях столовых приборов, приборов для окон и дверей, инструментов, посуды, велосипедов, металлической мебели и т.д. Сплавы никеля с хромом – нихромы – используют при изготовлении электротоваров.

Они отличаются высоким электрическим сопротивлением и окалиностойкостью, используют для изготовления электронагревательных элементов электроплиток, утюгов, чайников.

Хром – твердый, тугоплавкий, серебристо-синеватый металл с очень высокой коррозионной стойкостью. Применяют для получения защитно-декоративных покрытий, обеспечивающих повышенную износостойкость деталей инструментов, приборов для окон и дверей, автомашин, велосипедов, мотоциклов, часов.

Олово – серебристый легкоплавкий металл мягкий и пластичный. Имеет высокую коррозионную стойкость и безвредность, используется как покрытие для латунной и стальной посуды, чугунных мясорубок, консервных банок, крышек для консервирования.

Но это покрытие легко царапается, а при минусовых температурах осыпается и это необходимо учитывать при транспортировании, хранении и эксплуатации изделий покрытых оловом.

Олово легкоплавкий металл — его применяют для паяния или в составе припоя олово-свинец.

Благородные (драгоценные) металлы и сплавы используют для производства ювелирных, художественно0декоративных и электронных товаров. К этой группе относятся серебро, золото, платина и металлы платиновой группы – палладий, рутений, родий, иридий, осмий. Для бытовых ювелирных изделий используют в основном серебро, золото, платину.

Серебро обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, пластичностью, хорошей отражающей способностью. Оно устойчиво к действию воды, соляных и органических кислот, но растворяется в азотной кислоте. Серебро используют для защитно-декоративного покрытия, изготовления ювелирных изделий, припоев, светочувствительных материалов, контактов приборов и т.д.

Золото металл ярко-желтого цвета с сильным блеском, тяжелый, но мягкий и пластичный.

Золото имеет высокую химическую прочность к действию атмосферы, воды при высоких и низких температурах, к кислотам, щелочам, но растворяется в «царской водке» (смесь соляной и азотной кислоты), бромной и хлорной воде.

Ювелирные изделия изготавливают не из чистого золота, так как оно очень мягкое, а из сплавов золота с медью, серебром, палладием (белое золото).

Платина — белый металл с сероватым оттенком, имеет высокую плотность и температуру плавления. Обладает высокой твердостью, но меньшей пластичностью.

Для повышения прочности ее сплавляют с металлами платиновой группы: родием, иридием, палладием, а также золотом, серебром и медью.

В ювелирном деле платина применяется 950 пробы при изготовлении украшений, а также в качестве оправы для бриллиантов, так как у платины одинаковый коэффициент расширения с алмазом и бриллиант в оправе из платины дает лучший блеск.