93
Время чтения 8 минутСодержание
Разделение металлов на черные и цветные — устоявшаяся классификация, базирующаяся на том, что часть из элементов при контакте с кислородом воздуха покрывается пленкой оксидов темного цвета. На самом деле большинство металлов, и черных, и цветных, обладают характерным серебристым цветом с блеском на изломе. Исключение составляют несколько элементов с характерным оттенком, например, золото и медь.
Введение в металлургию
Это обширная область, которая охватывает широкий спектр процессов, связанных с получением металлов из руд, их очисткой, обработкой и приданием им желаемых свойств. Она играет жизненно важную роль в современном обществе, обеспечивая материалами, необходимыми для строительства, производства машин, транспорта и многих других отраслей.
Основные этапы производства:
- Извлечение руды из месторождений.
- Обогащение руды — отделение металла от пустой породы.
- Превращение руды в чистый металл.
- Обработка.
Два основных вида переработки:
- Пирометаллургия — использование высоких температур для выплавки металла из руды.
- Гидрометаллургия — использование растворов для извлечения металла из руды.
Существует множество различных методов обработки. Ковка, один из самых древних, заключается в придании заготовке в виде слитка формы с помощью молота или пресса. Прокатка подразумевает прокат через ролики для получения листов, прутков или других форм. Волочение — это процесс протягивания через отверстие в матрице для получения проволоки или труб. Термическая обработка включает в себя изменение свойств путем нагрева и охлаждения (закалка и отпуск).
Металлургия - это динамично развивающаяся отрасль, которая постоянно совершенствуется. Новые технологии внедряются для повышения эффективности производства, снижения его воздействия на окружающую среду и создания новых материалов с улучшенными свойствами.
Определение металла
В химии металл — это элемент, обладающий при нормальных условиях характерными свойствами. Характерны высокие тепло- и электропроводность благодаря наличию свободных электронов в их атомной структуре, что позволяет им легко перемещаться по всему материалу. Они также обладают пластичностью и ковкостью, что означает возможность изменения формы без разрушения из-за атомов, расположенных в кристаллической решетке, которая позволяет им скользить друг относительно друга. Металлы узнаваемы по характерному блеску, так как отражают свет особым образом. У них наблюдается положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть сопротивление электрическому току увеличивается с ростом температуры.
Металлы обычно прочные и способны выдерживать большие нагрузки. Некоторые из них, такие как сталь, очень твердые. Могут образовывать сплавы друг с другом и с другими элементами. Некоторые элементы, такие как железо, никель и кобальт, обладают магнитными свойствами.
Не все вещества, которые обычно считаются металлами, обладают всеми этими свойствами. Например, ртуть жидкая при комнатной температуре, а свинец — относительно мягкий. Однако наличие большинства этих свойств позволяет классифицировать элемент как металл. Часто металлами называют сплавы нескольких веществ, обладающие специфическими свойствами, отличными от чистых химических элементов, но не утративших характерных свойств.
Металлы занимают значительную часть периодической таблицы Менделеева. Их можно найти в следующих областях таблицы:
- Главные группы (побочные подгруппы):
- Группа 1 (IA): Щелочные (например, литий, натрий, калий).
- Группа 2 (IIA): Щелочноземельные (например, магний, кальций).
- Переходные:
- Это элементы, находящиеся в группах с 3 (IIIB) по 12 (IIB). Включают железо, медь, никель и другие металлы, обладающие типичными металлическими свойствами.
- Постпереходные:
- Расположены в p-блоке и включают элементы, такие как алюминий, олово, свинец. Они находятся справа от переходных.
- Лантаноиды и актиноиды:
- Эти элементы расположены в двух отдельных рядах под основной частью таблицы. Лантаноиды (например, лантан, церий) занимают период 6, а актиноиды (например, уран, торий) — период 7.
- Прочие металлы:
- Включают элементы в p-блоке периодов 3-7, такие как галлий, индий, таллий.
Таким образом, металлы охватывают большое количество элементов по всей периодической таблице, от s-блока через d-блок к p-блоку и вплоть до f-блока.
Что такое черный металл?
Это обобщенное название для группы металлов и сплавов, основным компонентом которых является железо. Наиболее распространенными представителями этой группы являются сталь и чугун. Черные отличаются от цветных, которые не содержат железа. Черные металлы обладают рядом полезных свойств, таких как высокая прочность, износостойкость и возможность термической обработки, что делает их незаменимыми во многих отраслях промышленности. Также к черным относят хром и марганец. В металлургической отрасли на производство и обработку черных металлов приходится около 90% всего объема продукции.
Что такое цветной металл?
Обширная группа металлов и сплавов, которые не содержат железа в качестве основного элемента. Название «цветные» они получили из-за своего цвета, который обычно отличается от серого железа и его сплавов (стали и чугуна). Цветные металлы обладают рядом ценных свойств, которые делают их незаменимыми во многих отраслях промышленности:
- Низкая плотность — легкие, такие как алюминий и титан, значительно легче стали, что делает их идеальными для применения в авиации, транспорте и строительстве.
- Высокая коррозионная стойкость — благородные металлы и такие как медь и титан, устойчивы к коррозии, что делает их лучшими для применения в агрессивных средах.
- Высокая электро- и теплопроводность — медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью, что определяет их применение в электротехнике и теплотехнике.
- Хорошая пластичность и ковкость — многие цветные металлы хорошо поддаются обработке давлением, что позволяет получать из них изделия сложной формы.
- Сплавляемость — легко образуют сплавы друг с другом, а также с другими элементами, что позволяет получать материалы с новыми свойствами.
Классификация и виды черных и цветных металлов
Черные металлы — это группа металлов и сплавов, основным компонентом которых является железо. Их название связано с темно-серым цветом, обусловленным присутствием оксидов железа.
- Чугун — сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14% до 6,67% углерода. Чугун бывает белый, серый и ковкий.
- Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий менее 2,14% углерода. Разделяется на углеродистую, легированную и нержавеющую.
- Ферросплавы — сплавы железа с другими элементами, такими как марганец, хром, никель, ванадий и др. Добавляются в сталь для улучшения свойств.
Цветные — это все металлы и сплавы, не содержащие железо в качестве основного элемента. Они получили название из-за разнообразия цветов, в отличие от серого цвета железа.
Группы цветных металлов:
- Легкие — алюминий, магний, титан.
- Тяжелые — медь, свинец, цинк, никель, олово, кобальт.
- Благородные — золото, серебро, платина, палладий, родий, рутений, иридий, осмий.
Ключевые различия между черными и цветными металлами
Черные и цветные металлы отличаются прежде всего основным элементом — черные содержат железо, а цветные — нет. Внешне черные темно-серого цвета из-за присутствия оксидов железа, тогда как цветные могут обладать разнообразными оттенками, например, медь — красновато-коричневая, золото — желтое.
По плотности черные, как правило, более тяжелые. Цветные могут быть как легкими, например, алюминий, так и тяжелыми, например, свинец. В плане коррозионной стойкости черные металлы более склонны к коррозии и требуют дополнительных защитных мер, тогда как цветные металлы, такие как золото и платина, обладают высокой коррозионной стойкостью и часто не требуют защиты.
Черные характеризуются высокой прочностью и твердостью, что делает их идеальными для использования в строительстве и машиностроении. Цветные металлы, хотя и могут быть прочными (например, титан), обычно менее прочные по сравнению с черными. В плане электропроводности и теплопроводности цветные часто превосходят черные — например, медь широко используется в электротехнике из-за своей отличной проводимости.
Пластичность и ковкость у черных металлов также на высоком уровне, но при высоком содержании углерода они могут становиться хрупкими. Цветные металлы, например, алюминий, обладают высокой пластичностью и ковкостью, что делает их легко обрабатываемыми.
По стоимости черные металлы обычно дешевле, так как их добыча и переработка менее затратные. Цветные часто дороже из-за своих свойств и более сложного процесса производства. Особенно высока стоимость благородных металлов, таких как золото и платина.
Особенности обработки цветных и черных металлов
Черные и цветные металлы существенно различаются в своих свойствах, что определяет разнообразие технологических подходов к их обработке на различных станках. Черные обладают высокой прочностью и твердостью, что требует применения более мощного оборудования и режущего инструмента. Они также характеризуются хорошей пластичностью и ковкостью, позволяя использовать различные методы обработки резкой, давлением, и сваркой. Однако, склонность к образованию окалин требует очистки поверхности перед обработкой.
Цветные металлы более низкой плотности требуют более бережной обработки для защиты от деформации. Их свойства разнообразны: некоторые могут быть твердыми, другие мягкими, пластичными или хрупкими. Цветные металлы чувствительны к перегреву, поэтому необходимо использовать режимы обработки с низким тепловыделением.
Различия в технологиях обработки на разных типах станков
Для обработки черных металлов предназначены станки:
- Токарные — наиболее распространены для обработки вращающихся деталей.
- Фрезерные — используются для обработки плоских и фасонных поверхностей.
- Сверлильные — применяются для создания отверстий.
- Прокатные — изготавливают листы, прутки и другие профили.
- Ковочные и штамповочные — используются для обработки давлением.
Для цветных металлов:
- Токарные с более точными шпинделями и режущим инструментом.
- Фрезерные, позволяющие обрабатывать сложные поверхности.
- Сверлильные с высокой точностью сверления.
- Электроэрозионные для обработки твердых и хрупких сплавов.
- Анодно-механические для обработки сложных геометрических форм.
При обработке черных металлов применяются режимы резания с более высокими скоростями и большой силой подачи. Для охлаждения используется вода или воздух, а смазка осуществляется с помощью смазочно-охлаждающих жидкостей, чтобы снизить трение и износ.
Цветные металлы обрабатываются при более низких скоростях резания и меньших подачах. Охлаждение осуществляется воздушным или масляным способом, а смазочные жидкости применяются с низкой вязкостью.
Примеры:
- Токарная обработка вала из стали выполняется на токарном станке с твердосплавным резцом, высокой скоростью резания и водяным охлаждением.
- Фрезерование корпуса из алюминия осуществляется на фрезерном станке с алмазным инструментом, низкой скоростью резания и воздушным охлаждением.
- Сверление отверстия в медной пластине производится на сверлильном станке с использованием сверла из быстрорежущей стали при низкой скорости резания.
При выборе технологии металлообработки непременно нужно учитывать базовые свойства металлов и сплавов, заранее проверив их по специальным справочникам и таблицам.