Классификация металлов

К металлам относят группу химических элементов, обладающих набором характерных металлических свойств:

• высокая плотность
• способность проводить тепло и электрический ток
• пластичность (большинство металлов в чистом виде могут быть легко деформированы без разрушения)
• ковкость, т.е. способность изменять свою форму без разрушения
• характерный металлический блеск и яркость
• температурный положительный коэффициент сопротивления
• высокая температура плавления (у большинства металлов)
• способность образовывать сплавы с улучшенными свойствами

Металлы обладают рядом технологических свойств (литейные свойства, способность к обработке давлением и резанием, свариваемость, упрочняемость и др.). Среди важных эксплуатационных свойств металлов можно отметить износостойкость, жаростойкость, коррозионную, антифрикционность (низкие потери на трение и малая скорость изнашивания сопряженной детали).

Металлы редко используются в чистом виде, чаще применяется технология сплавов, то есть соединения нескольких элементов в одну молекулярную решетку. Сплавы (сталь, бронза, латунь и т.д.) обладают уникальными физическими свойствами, что делает их незаменимыми во многих отраслях промышленности. Известно несколько тысяч различных сплавов, которые являются основными конструкционными материалами.

Классификация металлов

В зависимости от свойств и характеристик, металлы классифицируются на несколько основных категорий. По своему природному происхождению все металлы можно разделить на две большие группы: цветные и черные. Железо и его сплавы относятся к черным металлам, а медь, алюминий, цинк, олово, свинец, никель, титан, магний и другие металлы и их сплавы — к цветным. Цветные металлы отличаются меньшей прочностью и более высокой ценой. Цветные металлы податливы и универсальны. Существует также класс драгоценного цветного металла — золото, серебро, хром, кобальт.

Черные металлы и сплавы имеют темные оттенки, они отличаются высокой плотностью и твердостью. Черные металлы плавятся при высоких температурах, они широко распространены в современной металлургии, используются для производства широкого спектра металлопроката.

Классификация металлов по химическому составу

Металлы можно разделить на группы в зависимости от их химических свойств. Например, в соответствии с их положением в периодической таблице элементов (щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы, платиновые, урановые и редкоземельные. и т.д.).

Металлы могут быть классифицированы на основе их валентности, то есть количества электронов, которые они могут потерять или принять для образования химических связей.

Химическая классификация является основой для изучения металлов, она позволяет устанавливать взаимосвязи между элементами, а также определять их свойства и характеристики.

Техническая классификация металлов

Наибольшее практическое значение имеет техническая классификация металлов, основанная на их физических и химических свойствах. Техническая классификация металлов определяет область их применения в различных отраслях промышленности и производства.

В зависимости от своих свойств, черные металлы делятся на несколько групп:

• Железные — это железо, никель, марганец и кобальт. Эти элементы в природной среде встречаются наиболее часто, а также становятся основными компонентами популярных сплавов.
• Урановые — это плутоний, уран и торий — металлы для применения в атомной энергетике.
• Тугоплавкие — вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром и др. — они расплавляются до жидкого состояния только при очень высоких температурах (более 1500℃).
• Редкоземельные — это редкие и дорогие металлы (самарий, европий, неодим). Они широко используются в производстве сложной электроники, медицинского оборудования и др.
• Щелочные — это литий, радий, барий. Чистыми практически не используются, подходят для атомной энергетики.

Цветные металлы по техническим характеристикам делят на:

• Легкие — алюминий, магний, бериллий — эти металлы обладают низким удельным весом и часто применяются в самолетостроении и других сферах, где необходим прочный и легкий материал.
• Легкоплавкие — цинк, олово, свинец — металлы с самой низкой температурой плавления. Используются в качестве припоя, а также как легирующие добавки при производстве сплавов.
• Благородные или драгоценные металлы — золото, серебро, палладий и платина — обладают и максимальной устойчивостью к коррозии и окислению.

Классификация металлов по ГОСТ

Выбор того или иного металлического сплава является неотъемлемой частью успешной реализации проекта. Основываясь на классификациях металлов по действующим стандартам, можно определить оптимальный сплав, учитывая требования к химическому составу, механическим свойствам и технологическим характеристикам.

Чтобы привести все виды металлов и сплавов к единому стандарту качества, их делят на три большие группы:

• Стали
• Чугуны
• Цветные металлы и сплавы на основе цветных металлов

Стали

Сталь — это сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2,14%) и другими элементами. Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, то такой сплав называется чугуном.

В естественной среде железо быстро окисляется, реагирует на галогены, фосфор и серу. Для очищения железа и дальнейшего производства стали из руды сначала выплавляют чугун. Чтобы получить сталь нужной марки, концентрацию углерода в чугуне уменьшают, а для придания особых свойств в состав сплава вводят легирующие добавки — химические элементы, которые придают сплавам специальные свойства (стойкость к коррозии, жаропрочность и т.п.). Для легирования стали применяются около 50 элементов. Наиболее широко используются: Mn и Si (постоянные примеси), Cr, Ni, W, Mo, V, Co, Ti.

По химическому составу сталь делят на углеродистую и легированную.

Углеродистые стали содержат только два элемента — железо и углерод. Допускается лишь незначительное присутствие дополнительных элементов (не более 1% кремния и марганца, не более 0,05% серы и до 0,06% фосфора). Углеродистые стали с малым содержанием углерода обладают хорошей пластичностью. Чем больше в составе углерода, тем выше стойкость стали к механическим нагрузкам. Углеродистую сталь используют при производстве металлопроката, для изготовления инструментов, из нее изготавливаются рельсы, мосты и т.п.

По содержанию углерода различают три группы углеродистых сталей:

• Низкоуглеродистая (не более 0,25% углерода)
• Высокоуглеродистая (0,6-2%)
• Среднеуглеродистая (0,25-0,55%)

Легированные стали кроме железа и углерода имеют в своем составе различные добавки (легирующие элементы). По содержанию легирующих элементов легированные стали разделяют на:

• низколегированные — до 2,5% легирующих элементов
• среднелегированные — от 2,5 до 10%
• высоколегированные — от 10 до 50%

Каждый легирующий элемент влияет на характеристики сплава, придает стали определенные свойства и качества. Например, алюминий повышает жаростойкость, марганец повышает твердость и прочность металла, улучшает прокаливаемость. Кобальт делает металл жаропрочным и ударопрочным.

По назначению стали классифицируются на:

растягивающие). Это стали, стойкие к усталости, которые не трескаются и не стираются под воздействием различных негативных факторов. Конструкционные стали по составу могут быть углеродистыми и легированными. Наибольшее распространение получили конструкционные стали обыкновенного качества — их широко используют в строительстве и машиностроении.

Инструментальные — стали, которые используют для изготовления различного инструмента (режущего инструмента для металлообработки, монтажного и кузнечно-слесарного, измерительного и др.). Общее требование к инструментальным сталям — твердость и износостойкость.

Стали с особыми свойствами — это стали, способные выдерживать значительные физические или химические воздействия. К особым свойствам сталей относится: магнитность или немагнитность, кислотостойкость, жаростойкость, жаропрочность и др.

По содержанию серы и фосфора стали подразделяют на:

• стали обыкновенного качества — до 0,06% серы, до 0,07% фосфора
• качественные конструкционные — не более 0,04% серы, до 0,035% фосфора
• высококачественные — до 0,025% серы и фосфора
• особо высококачественные — не более 0,015% серы, менее 0,025% фосфора

В соответствии с принятыми стандартами, каждый легирующий элемент имеет буквенное обозначение, а все легированные стали обозначаются сочетанием букв и цифр. Например, сталь 12Х18Н10Т расшифровывается так:

• нержавеющая сталь легированная конструкционная
• 12 — содержание углерода не более 0,12%
• Х18 — указывает, что содержание хрома в стали примерно 18%
• Н10 — содержание никеля в стали около 10%
• Т — 1% титана

Чугуны

Чугун, как и углеродистая сталь, представляет собой сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода составляет не менее 2,14%.

В зависимости от состояния (формы) углерода различают следующие чугуны:

• белый — углерод находится в виде цементита — сплав отличается износостойкостью и высокой твердостью
• серый — углерод имеет пластинчатую форму — сплав характеризуется низкими механическими свойствами при растяжении, высокими прочностью и твердостью на сжатие
• ковкий — углерод в виде хлопьев — сплав мягкий и вязкий, изделия из него получают литьем; подходит для тонкостенных отливок, эксплуатация которых связана с динамическими и знакопеременными нагрузками
• высокопрочный — углерод в структуре такого сплава имеют форму шаров — по характеристикам металл сравним с углеродистыми стальными сплавами

Цветные металлы и сплавы

К цветным металлам относят алюминий, медь, никель, цинк, олово, свинец и все другие металлы, кроме железа и сплавов на его основе (их называют черными металлами). Основным признаком цветного металла является его специфический цвет, отличный от темно-серого. Характерными признаками цветных металлов также являются блеск и высокая пластичность. Сплавы на основе цветных металлов также называют цветными.

Цветные металлы и их сплавы применяют в качестве конструкционных материалов, к которым предъявляются более жесткие эксплуатационные требования — коррозионная стойкость, низкий коэффициент трения, жаропрочность, жаростойкость и т.д.

Среди самых востребованных цветных металлов можно выделить:

• Медь. Основная область применения — электротехника, изготовление электрических проводов и кабелей. Основные сплавы на основе меди — латунь и бронза.
• Алюминий. Пластичный металл, легкий, с хорошей электропроводностью. Алюминий обычно используют при производстве электрических проводов, кабелей, испарителей. На основе алюминия выпускают различные сплавы — литейные и деформируемые. Самый распространенный алюминиевый сплав — Д16. Сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов.
• Титан. Высокие прочностные характеристики, термоустойчивость, малый вес, химическая инертность к агрессивным средам. Сплавы из титана широко используют в космической промышленности, авиации и ракетостроении, медицине (для изготовления биомедицинских изделий).
• Литий обладает малой плотностью и высокой энергетической емкостью, поэтому нашел широкое применение в производстве аккумуляторов.
• Цинк — важный материал для гальванизации и производства сплавов. Пленка из этого устойчивого к коррозии легкоплавкого металла защищает стальные конструкции от разрушения под воздействием влаги, солей и других агрессивных сред.

Каждый сплав имеет свое уникальное обозначение, которое содержит информацию о его химическом составе, механических свойствах и других особенностях. Обозначение состоит из букв и цифр, которые говорят о содержании в сплаве того или иного элемента.

Основные виды металлопроката в России

Металлопрокат — общее название металлической продукции различной формы сечения, выпускаемой посредством горячего и холодного деформирования. Наиболее востребован стальной металлопрокат, который используется практически во всех отраслях народного хозяйства.

Для применения в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности выпускают различные виды металлопроката:

• листовой — прокат в виде листа;
• сортовой — полоса, круг, квадрат, шестигранник и т.п. прокат;
• трубный — профильная и круглая труба;
• фасонный — элементы, характеризующиеся сложной формой профиля: швеллер, уголок, двутавр;
• художественный — декоративные элементы.

Значительное количество листового холоднокатаного проката во всем мире выпускается с антикоррозийным цинковым покрытием. Срок службы качественного оцинкованного листа превышает 20 лет (зависит от марки и толщины самой стали, а также от типа и способа нанесения защитного покрытия).

Оцинкованная сталь в рулонах — востребованный и относительно доступный материал широкого применения. Оцинкованный лист применяется как в качестве самостоятельного строительного материала, так и в виде заготовок для последующей обработки. Листовой прокат используют в автомобилестроении, судостроении, строительстве, электроэнергетике, приборостроении, производстве кабеленесущих систем, различных профилей и другой продукции.

Сферы применения основных металлов

Сталь — самый распространенный металл в современном мире. Углеродистая сталь обычно используется в качестве конструкционного строительного материала. Область применения легированной стали более обширна, ее используют для изготовления инструмента, для производства строительных конструкций, нагруженных механизмов и др.

Алюминий и алюминиевые сплавы используют в аэрокосмической промышленности, производстве транспортных средств, бытовой техники и других отраслях. В авиации широкое применение нашли легкие и прочные сплавы на основе алюминия и титана.

Медь широко используется в электротехнике, производстве климатической техники, в строительстве, химической промышленности. Изделия из медных сплавов — бронзы и латуни — незаменимы в химической промышленности, их используют для изготовления запорной арматуры (кранов, вентилей).

Хром и никель в большинстве случаев используются в качестве легирующих добавок при производстве стали и других сплавов для улучшения их механических свойств. Хром является основным легирующим элементом при производстве нержавеющей стали. От содержания хрома в металлическом сплаве напрямую зависит сопротивление металла коррозии: при его содержании от 13% и более сплав не поддается коррозии в обычных условиях и в слабоагрессивных средах. Если содержание хрома в сплаве превышает 17%, то материал будет устойчив даже к воздействию агрессивных веществ.

Листовую и рулонную сталь используют для изготовления кабеленесущих систем. Из нее изготавливают кабельные лотки и короба, опорные системы и др.

Чугун широко применяется в автомобильной промышленности, при производстве сантехнического оборудования, посуды, в нефтегазовой промышленности и др. Чугунные сплавы широко применяются для изготовления литых элементов (ограждений, решеток, винтовых лестниц, каминных элементов, уличных фонарей, художественных изделий и элементов декора).