Сплавы черных металлов: классификация и особенности производства

Что это такое? Сплавы черных металлов сегодня активно применяются как при создании технических устройств, так и в различных отраслях промышленности. Например, из стали, которая относится к этой группе, изготавливается порядка 95 % всех товаров. Внушительные цифры, не правда ли?

Какими они бывают? Важно отличать черные металлы от цветных, а также понимать их ключевые характеристики. Производство данных сплавов тоже обладает своими особенностями. Обладая информацией об этой категории металлов, можно эффективнее их использовать.

Определение черного металла

В металлургии принято разделение металлов на две группы – они могут быть черными или цветными. К первой относятся железо и многочисленные сплавы на его основе, отличающиеся друг от друга разным содержанием углерода и строением кристаллической решетки. Сталь и чугун подразделяют на многочисленные сорта и классы.

Для выплавки чугуна и стали используется железо, добываемое из железной руды – породы с высоким содержанием гематита или магнетита. Сплавы черных металлов широко применяются в различных областях промышленного производства, составляя более 90 % ото всех используемых металлов. Стали содержат по весу до 2,14 % углерода, при большей концентрации данного химического элемента речь уже идет о чугунах.

Для того чтобы придать сплаву те или иные свойства, например, повысить его коррозионную стойкость или жаропрочность, при выплавке в его состав вводятся легирующие добавки: металл, сплав или другие химические элементы.

Помимо железа и сплавов на его основе, к черным металлам относят:

• марганец;
• хром;
• ванадий;
• титан;
• актиноиды (уран, торий, плутоний, протактиний, фермий и др.);
• вольфрам;
• щелочные металлы (литий, калий, рубидий, цезий, натрий и франций).

За исключением железа, которое по содержанию в земной коре уступает только алюминию, остальные черные металлы содержатся во внешней твердой оболочке Земли в относительно малых количествах.

Сплавы на основе черного металла широко применяются в различных областях производства. Огромное количество инструментов, механизмов, бытовых приборов и других изделий, без которых сложно представить себе существование современного человека, производится из стали или чугуна.

Отличия черного металла от цветного

В периодическую систему элементов входят 78 металлов, в том числе несколько таких, которых с технической точки зрения часто причисляют к первой категории, в то время как по физическим свойствам они принадлежат ко второй (никель, хром, марганец, ванадий и вольфрам). Все металлы принято делить на типы. Они могут быть:

• Тяжелыми – медь, цинк, свинец, олово. Сюда же включают и никель.
• Легкими – алюминий, титан, магний и другие (всего 12 элементов).
• Тугоплавкими – марганец, вольфрам, молибден, хром и другие (всего 8 элементов).
• Благородными и т. д. (всего 8 групп цветных металлов).

Технически к черным металлам относится множество сплавов на основе железа. Число выплавляемых видов стали и чугуна исчисляется сотнями. Многие из них проявляют свойства как черных, так и цветных металлов, поэтому их относят к обеим группам, так как они не магнитятся.

Виды сплавов черных металлов

Выше мы выяснили, какой металл является основой черных сплавов. Свойства каждого из них зависят от химического состава, в том числе от того, какие легирующие элементы и в каком количестве были добавлены при выплавке.

Черные металлы принято подразделять на пять классов:

• железные;
• тугоплавкие;
• урановые;
• щелочноземельные;
• редкоземельные.

Список сплавов черных металлов

Классификация сплавов черных металлов, как уже было сказано, подразумевает их разделение на две большие группы по процентному содержанию углерода.

Сталь

Главное, что позволяет назвать те или иные сплавы сталями, – наличие в их составе железа и углерода, содержание которого в большинстве марок достигает примерно 2 %. Еще один элемент, который может входить в состав нелегированных стальных соединений – марганец. Эта добавка частично нейтрализует хрупкость, которую придает металлу сера. Полностью избавиться от этой вредной примеси при выплавке в промышленных масштабах практически невозможно.

Прочность нелегированных стальных сплавов зависит от их углеродистости. При содержании углерода около 0,2 % стали называют конструкционными – высокая прочность на разрыв делает их оптимальным материалом, например, для производства каркасов высотных зданий или автомобилей. Чем выше содержание углерода, тем тверже металл.

Из сталей с содержанием углерода около 0,8 % можно изготавливать сверла и молотки, а если в сплаве этого химического элемента от 1 % и выше – бритвенные лезвия или напильники, это уже так называемые инструментальные стали.

Чугун

При содержании углерода свыше 2,14 % сплав на основе железа принято называть чугуном. Также чаще всего в его составе присутствует кремний. Наличие этих элементов в достаточно высокой концентрации позволяет понизить температуру плавления и сделать расплав более текучим, а значит, использовать для выплавки более простые и недорогие печи или отливать при помощи специальных литейных форм детали сложной формы.

Различные типы чугуна используют для изготовления огромного количества разнообразных изделий: от труб и сковородок до станин тяжелых станков. Серыми называют чугунные сплавы с содержанием углерода и кремния от 3 до 4 % из-за соответствующего оттенка металла на изломе.

Для получения твердого и хрупкого белого чугуна используют меньшее количество добавок и быстрое охлаждение отливок. Слой такого устойчивого к изнашиванию металла формируется на поверхности заготовки при литье в многоразовые металлические формы – кокили. Термическая обработка заготовок позволяет получать ковкие типы чугуна, близкие по характеристикам к низкоуглеродистым видам стали. Пластичность такого материала достигается благодаря перераспределению углерода в ходе отжига.

Схожие свойства можно придать металлу путем получения чугуна со сфероидальным графитом, который образуется при введении в расплав никеля.

Чугун разливают в изложницы прямо из доменной печи и не требуют для обработки сложного и дорогостоящего оборудования. Однако по мере развития технологий и роста инвестиций в металлургию происходит постепенное увеличение выплавки стали и снижение потребления чугуна.

Области применения цветных сплавов и черных металлов

Черные металлы широко применяются для изготовления:

• строительной арматуры;
• листового, сортового и фасонного проката, в том числе оцинкованного;
• труб;
• стального и чугунного литья общего назначения, например, корпусов трубопроводной арматуры.

Это далеко не полный перечень. Важно понимать, что ржавление не является однозначным признаком черных металлов.

Главным потребителем продукции черной металлургии была и остается тяжелая промышленность. Основная ее масса выпускается в виде литых и передельных типов чугуна, мартеновских и конвертерных видов стали, а также готового проката, стальных и чугунных труб.

Еще один важный продукт – ферросплавы, которые используются как один из компонентов легированных типов стали. Из передельных чугунов путем плавки и обезуглероживания получают стальные сплавы с заданной процентной долей углерода. Сталь чаще всего поступает на переработку (ковку и прокатку) в слитках. Далее ее используют для получения:

• поковок;
• листового проката;
• периодического проката (колес, шаров, колец и т. д.);
• проката;
• бесшовных труб;

Изделия сложной конфигурации принято относить к специальному металлопрокату. Речь идет, например, об:

• осях и колесах железнодорожных вагонов;
• шестернях и т. д.

Из чугуна путем фасонного литья изготавливают станины тяжелых дерево- и металлообрабатывающих станков. Передельный чугун, металлолом, отходы литейного производства и механической обработки металла поступают на специализированные предприятия, где переплавляются и очищаются от примесей для дальнейшего использования.

Такие свойства сплавов черных металлов, как прочность, термостойкость и коррозионная устойчивость, позволяют использовать различные виды стали и чугуна для изготовления деталей автомобилей, химического оборудования, кораблей, самолетов, железнодорожной техники и т. д. Подобный металл служит основным материалом для:

1. боковых крышек редукторов;
2. подшипников;
3. клапанов;
4. фитингов;
5. втулок;
6. труб;
7. цилиндров двигателей внутреннего сгорания;
8. зубчатых колес;
9. звеньев цепей;
10. тормозных барабанов;
11. кареток;
12. кожухов и т. д.

Этот перечень можно расширять до бесконечности, так как продукция черной металлургии окружает нас повсюду.

Особенности производства черных металлов и сплавов

Выплавка чугуна

Большая часть черных металлов выплавляется в доменных печах из передельного чугуна и/или железной руды. Помимо большого количества сырья в процессе выплавки используется каменный уголь, шихта и вода, которая служит охладителем.

Продуктами реакции, в которую при нагревании вступают оксиды железа и угарный газ (CO) становятся углекислый газ (CO2) и металлическое железо. Конструкция домны обеспечивает непрерывное течение процесса – сверху поступают углерод и оксид железа, а снизу подается воздух.

Углерод, который выделяется из кокса, выполняет две задачи – обеспечивает нагревание печи и выработку монооксида углерода, благодаря которому происходит восстановление оксида до металлического железа. Доменные печи останавливают редко. Остановка процесса выплавки необходима, когда в ремонте нуждается внутренняя кладка из специального огнеупорного кирпича (футеровка).

Выплавка стали

Чугун, выплавленный в доменных печах, избавляют от кремния и большей части углерода при помощи окисления. Полученный расплав при необходимости легируют марганцем, никелем или хромом. Чаще всего для такой переработки используются кислородные конвертеры, которые в наше время почти полностью вытеснили мартеновские печи.

Сталь легко поддается повторной переработке. Как в кислородно-конвертерных, так и в мартеновских процессах можно использовать сырье с большой долей металлического лома. Современные электрические печи способны обеспечивать выплавку стали полностью из скрапа, что позволяет решать обострившуюся проблему утилизации металлических отходов.

Важно понимать, что чем качественнее используемый для переработки скрап, тем дешевле стоимость его переработки. Если в металлическом ломе содержится большое количество олова или меди, это существенно усложняет выплавку стали и увеличивает затратность производства. Самое ценное сырье – металлолом, который не нуждается в предварительной очистке от нежелательных примесей.

Главные источники такого металлического лома – устаревшее заводское оборудование, железнодорожная техника, выведенные из эксплуатации суда и отходы металлообрабатывающих предприятий. Металл, полученный при утилизации автомобилей, посуды, консервных банок и т. п. содержит большое количество нежелательных примесей, поэтому ценится меньше.

Сплавы черных металлов – очень обширная и сложная тема. Надеемся, что изложенная в статье общая информация была вам полезна!