Черные металлы: свойства, виды и применение

Что такое черный металл?

Термин «феррум» происходит от латинского Ferrum — «содержащий железо соединение». Черные металлы — это те, что содержат железо в своем составе. Они магнитны и обладают высокой прочностью и твердостью благодаря железу.

Черный металл — любой металл, в основном состоящий из железа и имеющий магнитные свойства. Известен твердостью, долговечностью и прочностью на разрыв. Распространенные черные металлы: легированная сталь, углеродистая сталь, чугун, кованый железо. Ценятся за прочность.

Черные металлы крайне уязвимы к коррозии при воздействии влаги или агрессивной среды из-за высокого содержания углерода. Поэтому их легируют различными элементами для получения нужных свойств.

Примеры легирующих элементов: хром, ванадий, никель, марганец. Они придают черным сталям свойства для широкого использования в инженерии.

Желательные свойства: долговечность, высокая прочность на разрыв, магнитность, низкая коррозионная стойкость, серебристый цвет, возможность переработки, электропроводность. Однако общие свойства для всех черных металлов задать сложно из-за разнообразия легирующих добавок.

Эти свойства делают их идеальными для промышленности и архитектуры: небоскребы, мосты, ж/д пути, транспорт. Благодаря магнитности — в приборах и двигателях.

Черные металлы имеют высокое содержание углерода, поэтому склонны к ржавлению; исключения — нержавеющая сталь (хром) и кованый железо (чистота железа). Широко используются во всех отраслях: контейнеры, трубопроводы, автомобили, рельсы, корабли, инструменты.

Полезные ресурсы:

• Что такое цветные металлы?
• Что такое металлы и их виды?
• Что такое щелочные металлы?

Что такое феррум?

В химии прилагательное «феррум» указывает на соединение, содержащее железо (II), то есть железо в степени окисления +2, возможно как двухвалентный катион Fe²⁺. Противопоставляется «феррик» или железо (III) — степень окисления +3, тривалентный катион Fe³⁺.

Это употребление в основном заменено номенклатурой ИЮПАК, требующей указания степени окисления римскими цифрами в скобках: оксид железа (II) для ферруг оксида (FeO), оксид железа (III) для феррик оксида (Fe₂O₃), оксид железа (II, III) для оксида Fe₃O₄, содержащего обе формы железа.

Вне химии «феррум» означает просто «содержащий железо». Слово от лат. Ferrum («железо»). Черные металлы включают сталь и чугун (с углеродом несколько процентов) и сплавы железа с другими металлами (например, нержавеющая сталь). «Неферрум» описывает металлы и сплавы без значимого количества железа.

Термин «феррум» обычно применяют только к металлам и сплавам. Прилагательное «ферругинус» используется для неметаллических веществ, содержащих железо, например «ферругинус вода» или рыжевато-коричневого цвета, напоминающего ржавчину.

Свойства черных металлов

Черные металлы имеют общие базовые свойства: склонность к ржавлению и магнитность. Список общих свойств:

• Долговечные
• Хорошая прочность на разрыв
• Хорошая электропроводность
• Низкая коррозионная стойкость
• Серебристый цвет
• Перерабатываемые
• Обычно магнитные

Черные металлы могут содержать широкий спектр легирующих элементов: хром, никель, марганец, молибден, ванадий. Эти добавки дают разные свойства для применения в инструментах, трубопроводах, контейнерах, столовой посуде, крупных конструкциях (небоскребы).

Список черных металлов

Распространенные черные металлы: легированная сталь, углеродистая сталь, чугун, кованый железо. Рассмотрим каждый.

1. Сталь

Сталь получают добавлением углерода к железу, что закаляет его. Легированная сталь еще прочнее за счет хрома и никеля. Сталь производят плавлением железной руды в печах. Расплав сливают в формы для получения стальных прутков. Широко используется в строительстве и машиностроении.

2. Углеродистая сталь

Углеродистая сталь имеет более высокое содержание углерода по сравнению с другими типами стали, что делает её исключительно твердой. Применяется для станочного инструмента, сверл, лезвий, резьбовых инструментов, пружин. Удерживает острый режущий край.

3. Легированная сталь

Легированные стали включают хром, никель, титан для большей прочности и долговечности без увеличения веса. Нержавеющая сталь — важный вид легированной стали с хромом. Применяются в строительстве, станках, электротехнике.

4. Чугун

Чугун — сплав железа, углерода и кремния. Хрупкий, твердый, износостойкий. Применяется в водопроводных трубах, станках, двигателях авто, печах.

Чугун получают при содержании углерода 1,5–4%, легированном железо. Другие элементы (кремний, марганец, сера, фосфор) — в малых количествах. Чугун хрупок, но имеет хорошую износостойкость за счет твердости. Легко литье, относительно дешев, высокая прочность на сжатие, низкая температура плавления.

5. Кованый железо

Кованый железо — сплав с очень низким содержанием углерода, почти чистое железо. При производстве добавляют шлак, что дает отличную стойкость к коррозии и окислению, но низкую твердость и устойчивость к усталости. Применяется для заборов, перил, сельхозинструментов, гвоздей, колючей проволоки, цепей, украшений.

Примеры и использование каждого вида

Из-за разных свойств черные металлы имеют разные области применения:

Нелегированные стали

Также известны как углеродистые стали, используют углерод как легирующий элемент. Содержат марганец, кремний, серу, фосфор, но в таком низком количестве, что не влияют на свойства.

Классифицируются по содержанию углерода: низкое, среднее, высокое — с разными характеристиками и методами обработки:

1. Низкоуглеродистая сталь

Низкоуглеродистые стали (мягкие стали) содержат 0,05–0,25% углерода. Дешевые и ковкие, широко используются для гайок, болтов, ковок. Поверхностную твердость можно повысить цементацией.

2. Среднеуглеродистая сталь

Среднеуглеродистые стали содержат 0,25–0,6% углерода. Более высокое содержание повышает прочность и твердость по сравнению с низкоуглеродистыми. Однако снижается пластичность.

Повышенные углерод и марганец позволяют отпуск и закалку. Широко применяются для автодеталей: шестерни, валы, оси, а также в ж/д.

3. Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистые стали содержат 0,6–1% углерода и являются самыми прочными среди нелегированных. Идеальны для применений, требующих износостойкости, хорошо сохраняют форму.

Минусы: хуже сварятся, ниже пластичность и ударная вязкость. Применяются для пружин, лезвий, рельсов, стальных тросов, износостойких плит, инструментов.

Легированные стали и легирующие элементы

Легированные стали — другая подгруппа черных металлов, каждый легирующий элемент влияет на свойства. Элементы: хром, медь, никель, кремний, титан, могут комбинироваться. Свойства наиболее распространенных:

1. Хром

Хром делает нержавеющую сталь: при >11% хрома металл становится коррозионностойким. Окисленный хромовый слой на поверхности предотвращает контакт основного металла с кислородом, резко снижая коррозию. Хром также повышает твердость, прочность на разрыв, вязкость, износостойкость.

2. Марганец

Марганец предотвращает образование сульфидов железа, повышает прочность при высоких температурах, улучшает пластичность и износостойкость. Улучшает закаляемость закалкой, снижает риск дефектов, стабилизирует металл.

3. Никель

Никель в сочетании с другими элементами повышает пластичность и коррозионную стойкость. Например, 18% хрома и 8% никеля дают исключительно долговечную нержавеющую сталь.

4. Кремний

Кремний повышает магнитные свойства, улучшает прочность, дает упругость для применений вроде пружин.

5. Титан

Титан повышает прочность и коррозионную стойкость, ограничивает размер аустенитного зерна.

6. Ванадий

Ванадиевые карбиды ограничивают размер зерна, повышая пластичность сплава. Ванадий улучшает прочность, твердость, износостойкость и ударную вязкость. Но в слишком высоких дозах ухудшает свойства.

7. Молибден

Молибден хорошо влияет на стальные сплавы при высоких температурах. Не только улучшает механические свойства, но и дает более высокую стойкость к ржавлению и коррозии, усиливает действие других легирующих элементов.

Часто задаваемые вопросы

Что такое черные металлы?

Слово «феррум» от лат. «Ferrum» — «железо». Черные металлы включают сталь, чугун, сплавы железа с другими металлами (например, нержавеющая сталь).

Примеры черных металлов?

Наиболее частые примеры: сталь, чугун, кованый железо. Сталь славится твердостью и обрабатываемостью, широко используется в строительстве и машиностроении.

Что такое черные и цветные металлы?

Черные металлы содержат железо. Цветные — нет. Основное различие в специализации: литейные заводы работают с черными, цветными или обоими. Определение: черный металл содержит железо; цветные — нет.

Четыре распространенных черных металла?

Чугун, кованый железо, легированная сталь, углеродистая сталь (также называемая конструкционной).

3 типа металлов?

Три основных типа: черные металлы, цветные металлы и сплавы. Черные металлы состоят в основном из железа с небольшими примесями.

Как производятся черные металлы?

Черные металлы извлекают из железной руды. Источник — земная кора с оксидами железа. Руда часто смешана с другими веществами. Для оптимального использования металл извлекают из смеси.

Самый распространенный черный металл?

Углеродистые стали, возможно, самый широко используемый черный металл. Состоят в основном из железа (>90% состава). Единственный другой основной легирующий элемент — углерод.

Почему нержавеющая сталь — черный металл?

Нержавеющая сталь — черный металл, так как содержит железо. Черные металлы в основном содержат железо. Добавляют небольшие количества других элементов для нужных свойств. Черные металлы магнитны и мало стойки к коррозии.

Разница между ферриком и феррумом?

Феррум оксид (оксид железа (II)) содержит железо, потерявшее 2 электрона при окислении. Может связываться с атомами, имеющими 2 лишних электрона. Феррик оксид (оксид железа (III)) — железо, потерявшее 3 электрона.

Почему черные металлы магнитны?

Термин «черный металл» относится к любому металлу, содержащему железо. Из-за железа черные металлы магнитны, прочны и тверды.

Что такое феррум-сплав?

Феррум-сплавы (ферросплавы) — металлы, состоящие в основном из железа (Fe). Сталь — железосодержащий сплав с обычно <1% углерода, тогда как железо часто содержит 2% и более углерода.

Почему марганец — феррум?

Марганец и кобальт содержат железо, поэтому называются феррум-минералами. А слюда, боксит не содержат железа — неферрум.

Что такое феррум-минералы, два примера?

Минералы, содержащие железо — феррум-минералы. Примеры: хромиты, железная руда, марганец.