Основные типы металлов: свойства, применение и ключевые характеристики

Введение

Металл — материал с высокой электро- и теплопроводностью. Свежее сечение блестит. Металлы кованы (в листы) и вязки (в проволоку). Высокие температуры плавления, устойчивость к жара. Прочнее, сильнее, тверже пластиков. Тысячи марок под разные задачи. Руководство по популярным металлам и их применению.

Типы металлов

Распространенные в промышленности: сталь, углеродистая сталь, легированная сталь, нержавейка, чугун, чугун литейный, чугун высокой прочности, кованый железо, алюминий, медь, латунь, бронза, кобальт, магний, никель, свинец, олово, цинк, титан, вольфрам, кремний, серебро, золото.

Сталь

Химический сплав железа и углерода (до 2% C) — повышает прочность и трешестойкость. Основа — железо и углерод. №1 материал в мире для инфраструктуры и промышленности: от швейных игл до танкеров. Конструкции, инструменты, авто, станки, электрооборудование, оружие — за высокую прочность на разрыв и низкую стоимость.

Углеродистая сталь

Свойства в основном от углерода, ≤0,5% Si, ≤1,5% Mn. Базовая сталь: углерод + железо. Примеси в микродиозах. Три класса: низко-, средне-, высокоуглеродистая. Больше углерода — тверже и прочнее, меньше — мягче и дешевле. Высокий углерод → держит острие → ножи.

Легированная сталь

Сталь с легирующими элементами (Mn, V, Cr, Ni, W) в количествах, дающих специфические свойства. Цель: повышение прочности, твердости, вязкости, износостойкости, электро/магнитных свойств. Дешевая, популярная. Трубы, особенно для энергетики.

Нержавеющая сталь

Сталь, устойчивая к оксидению и коррозии в агрессивных средах при термообработке и полировке. «Ржавеющая» — ≥11% Cr, предотвращает ржавление железа, дает теплостойкость. Примеси: C, N, Si, S, Ti, Cu. Посудा, ножи, столы, приборы — контакт с пищей. Высоконапряженные фитинги в двигателях/станках: прутки, листы, проволока.

Железо

Химический элемент Fe, 1-я переходная серия, 8-я группа. Со времен «Железного века» — современные применения. Самый массовый и дешевый металл. Три вида: чугун литейный, чугун, кованый железо.

Чугун литейный (Pig Iron)

Сырье для чугуна, кованого железа, стали. Выплавка железных руд в домне. С кремнеземом и примесями: 3,8–4,7% C → очень хрупкое, мало применений как материал. Электродуговая печь → сталь.

Чугун (Cast Iron)

Плавка чугуна литейного, кокса, известняка в домне (купола). Основа: Fe + C (1,7–4,5%). Примеси: Si, Mn, P, S. Хрупкий — не для ударных нагрузок. Хорошая литейность, высокая прочность, износостойкость, низкая цена.

Кованый железо (Wrought Iron)

Сплав железа с очень низким углеродом (~0,08%). Вязкость, ковкость, коррозионная стойкость. Хорошо сваркается, сложнее — контактная сварка. Силикаты в волокнах — высокая чистота. Шлак полезен при ковке. Ограды, садовая мебель, ворота.

Алюминий

Al, №13. Легкий, синевато-белый, удельный вес 2,7, плавление 658 °C. Плотность ~1/3 стали. В чистом виде мягкий/слабый, но с микролегированием — прочный/жесткий. Обработка: вырезка, штамповка, вытягивание, токарная, ковка, литье под давлением. Высокая электропроводность → воздушные линии ЛЭП. Авиация, автопром.

Медь

Cu, №29. Красновато-коричневая, мягкая, кованая, вязкая. Уд. вес 8,9, плавление 1083 °C. В чистом виде не встречается. Отличная электропроводность. Литье, ковка, прокатка, вязка в проволоку. Электропроводка, электрооборудование, гальваника, монетирование, бытовая посуда.

Латунь

Самый популярный сплав Cu+Zn. Разные марки по соотношению Cu/Zn. Микродиазовые примеси резко меняют свойства (мех., эл., хим.). Прочнее меди, но ниже термо- и электропроводность. Устойчива к атмосферной коррозии, хорошо паяется. Замки, шестерни, втулки, клапаны.

Бронза

Сплавы Cu+Sn. Полезные пропорции: 75–95% Cu, 5–25% Sn. Довольно твердые, высокая износостойкость, хорошо штампуются/прокатка в проволоку/прутки/листы. Лучше латуни по коррозионной стойкости. Более текучие — легче литье. Алюминиевые бронзы (литые/кованые): фитинги, насосы, шестерни, корабли, лопатки турбин.

Кобальт

Co, №27. Физика как Fe + Ni. Твердый, блестящий, серо-белый, восстановительное плавление. В растениях, животных, воздухе, воде, почве, горах. Пыль/дождь переносят в другие экосистемы. Сплавы для лопаток авиадвигателей, газовых турбин, высокоскоростной стали.

Магний

Mg, №12. Блестящий серый твердый. Общие физ/хим свойства. Самый легкий металл, σв = 910 кгс/см² (литье). Тверже алюминия, легко обрабатывается режением. Высокий блеск при полировке. Плотность 1,74 — приоритет при снижении веса. Листы, проволока, прутки, трубы.

Кремний

Si, №14. Синевато-серый, твердый, хрупкий, твердое тело. 2-е место по распространенности в земной коре после кислорода. Плавление 1414 °C, кипение 3265 °C. Дешевый за счет отработанных технологий. Динамо/трансформаторные пластины, блоки цилиндров, головки блоков, станки.

Серебро

Ag, №47. Мягкое, белое, блестящее переходное. Высшая электро- и теплопроводность. В чистом виде в недрах. Сплав золота с примесями. Благая металла — буллионные монеты. Солнечные панели, водоочистка, ювелирка, столовые приборы, фотопленка/Рентген.

Золото

Au, №79. Переходный металл (колонка с Ag, Cu). Чистое: ярко-оранжево-желтое, плотное, мягкое, ковкое, вязкое. Один из старейших металлов (Египет). Символ богатства/красоты. Редкое: монеты, ювелирка, искусство.

Никель

Ni, №28. Серебристо-белый, высокий блеск. Уд. вес 8,85, плавление 1452 °C. Твердость ~ мягкой стали. Малый C → вязкость. Малый Mg → резкое повышение вязкости. Декоративное/коррозионное покрытие: сталь, медь, латунь.

Свинец

Pb, №82. Тяжелый, высокая плотность. Мягкий, ковкий, низкое плавление (326 °C). Уд. вес 11,36 (в оригинале 1.36 — ошибка, исправлено). Синевато-серый. Легко режется ножом. Нет вязкости. Припои, облицовка кислотных емкостей, цистерн, водопровода, оболочка кабелей.

Олово

Sn, №50. Серебристый с желтоватым отливом. Мягкое — режется без усилий, полоска гнется рукой. Блестящее белое, ковкое, вязкое. Легко в тончайший лист. Тонкий припой для важных сплавов, защитное покрытие железа/стали, фольга для влагозащиты.

Цинк

Zn, №30. Хрупкий, серебристо-коричневый без оксидации. Уд. вес 7,1, плавление 420 °C. Покрытие стали → оцинкованное железо (коррозионная стойкость). Листы: кровля, влагозащитные облицовки емкостей. Латуни, цинковые сплавы для литья под давлением.

Титан

Ti, №22. Переходный, серебристый, низкая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость. Легкий, прочный, малокорродирующий — сплавы для высокоскоростной авиации. Со сплавами Fe, Al и др. — легкие прочные сплавы для авиации, авто, смартфоны.

Вольфрам

W, №74. Редкий, в природе — соединения. Рекордсмен: плавление 3422 °C, кипение 5930 °C. Плотность 19,25 г/см³ = уран = золото. Сплавы: лампы накаливания, рентгеновские трубки, электроды газосварки, суперсплавы, радиационная защита.

Обзор распространенных металлов завершен. Надеемся, статья интересна — делитесь с коллегами и студентами!