Понятие металлов, сплавов и изделий из них. Классификация, свойства и область применения.

Работать с металлами человек начал в 4 тысячелетии. В истории, века ознакомления с новыми видами металлов названы в честь них — Бронзовый, Железный, Чугунный. Однако, в природе невозможно найти ни одного металлического изделия, которое будет на 100% состоять из одного вида металла. В изготавливаемых предметах, деталях или конструкциях есть добавки которые ввёл сам человек или они попали туда естественным путем. Из-за этого можно утверждать, что все представленные материалы металлического происхождения это сплавы металлов.

Расплавленный металл

Основные определения

Людям, работающим в сфере металлообработки, необходимо знать виды металлов и сплавов, чтобы понимать как происходят те или иные процессы в ходе обработки. Металлические материалы образую группу простых веществ, которые имеют собственные характерные свойства.

Структура представляет собой совокупность атомов, которые выстраиваются в отдельные ячейки. Ячейки, в свою очередь, объединяются между собой, образуя кристаллическую решётку. Внутреннюю часть решётки образуют атомные ядра. Вокруг них располагаются электроны. Кристаллическая решётка представляет собой совокупность простых геометрических форм.

Свойства металлов

Эту группу веществ определяют по характерным признакам. Механические свойства алюминия, стали, железа, свинца, олова и других видов металлов давно известны науке:

1. Твёрдость — этот параметр определяет устойчивость материала к проникновению посторонних примесей.
2. Пластичность — показатель, определяющий сохранение формы предмета под воздействием посторонних сил.
3. Вязкость — определяет целостность изделия под физическим давлением.
4. Прочность — показатель сохранения формы материала после воздействия извне.
5. Износоустойчивость — изменение поверхности материла после трения.
6. Упругость — изменение формы детали или заготовки с возможностью самостоятельного восстановления к изначальному состоянию.

Среди дополнительных свойств выделяют устойчивость к воздействию высоких температур и холода, а также температуру плавления. К химическим свойствам можно отнести возможность контактировать с другими веществами.

Признаки металлов

Изначально считалось, что металлы и сплавы обладают тремя характерными признаками — ковкость, пластичность и блеск. Однако оказалось, что некоторые неметаллические вещества также обладают блеском. Сейчас главным признаком металла считается понижение электропроводности при изменении температуры.

Классификация металлов

В природе существует несколько видов металлов, которые отличаются по своим свойствам, характеристикам и внешнему виду. Каждая из разновидностей по-разному ведёт себя при взаимодействии с другими материалами или под воздействием факторов окружающей среды.

Виды металлов

Черные

В эту группу входит железо и сплавы на его основе. Характерные особенности чёрных металлов:

• высокая плотность;
• температура плавления гораздо выше чем у представителей других групп;
• цвет — тёмно-серый.

К представителям группы чёрных металлов относятся: вольфрам, хром, кобальт, молибден, железо, никель, титан, марганец, уран, нептуний, плутоний и другие. Используются они в различных отраслях и обладают разными свойствами. Популярными считаются сталь и чугун.

В состав черных металлов входит не только железо, но и различные примеси к которым относится сера, фосфор или кремний. В своём составе они содержат разное количество углерода.

Цветные

Представители этой группы более востребованы. Связано это с тем, что цветные металлы применяют в большем количестве отраслей. Их могут использовать в машиностроении, передовых технологиях, радиоэлектронике, металлургии. Ключевые особенности цветных металлов:

• низкая температура плавления;
• большой цветовой спектр;
• хорошая пластичность.

Из-за низкой прочности представителей цветной группы их используют в связке с разными видами более плотных материалов. Представители этой группы: магний, алюминий, никель, свинец, олово, цинк, серебро, платина, родий, золото и другие.

Слитки золота (Фото: pixabay.com)

Мягкие

Можно выделить отдельные виды металлов, которые будут относиться к группе твёрдых и мягких. В качестве мягких выступают:

1. Алюминий — обладает устойчивостью к коррозии, легким весов, хорошей пластичностью. Используется в электропромышленности, при строительстве самолётов и изготовлении посуды.
2. Магний — это лёгкий материал, который подвержен воздействию коррозийных процессов. Чтобы избавиться от этого недостатка, его используют в сплавах с другими материалами.

Это ключевые представители группы мягких металлов.

Твердые

Популярными материалами этой группы являются:

1. Вольфрам — считается самым тугоплавким металлом. Дополнительно к этому, он является одним из самых прочных. Стойкий к химическим воздействиям.
2. Титан — чем меньше вкраплений других материалов в этом металле, тем прочнее он становится. Используется при строительстве машин, ракет, самолётов, кораблей, а также в химической промышленности. Он хорошо обрабатываются под давлением, не поддается воздействию коррозийных процессов.
3. Уран — ещё один металл, считающийся одним из самых прочных в мире. Радиоактивен и используется в различных направлениях промышленности.

Представители «твёрдой группы» хуже поддаются обработке и используются в меньшем количестве направлений деятельности человека, чем мягкие.

Особенности изготовления изделий из меди и медных сплавов

Медь и ее сплавы начали использовать около 7 тысяч лет назад и до середины 20 века этот металл преобладал в цветной металлургии, пока его не вытеснил алюминий. Добывают медь в месторождениях, где она входит в состав медного колчедана, копеллина, бронзита и халькозина.

Категории и применение меди и ее сплавов

Медные сплавы делятся на несколько категорий:

• специальные;
• медноникельцинковые;
• медноникелевые;
• сплавы с высоким содержанием меди;
• латуни;
• бронзы.

Последние два сплава являются самыми распространенными в производстве металлоизделий.

Производство изделий из меди и ее сплавов

Медь уже несколько тысячелетий пользуется большой популярностью в промышленном производстве. Она пластична и удобна в обработке

Медь удобна в обработке, медленно окисляется кислородом и обладает высокой электропроводностью. Сферы ее применения можно посмотреть на диаграмме:

Сфера применения меди

Медь очень пластична, но сохраняет прочность только при низких температурах. Высоко ценится медь за устойчивость к коррозии.

Из меди и медных сплавов изготавливают электротехнические изделия, сантехнические трубы, кровлю и оборудование для химической промышленности. Используют ее при производстве деталей автомобилей и артиллерийского оружия.

На производстве мастера по чертежам, готовым моделям вытачивают или фрезеруют медные заготовки, придавая им нужную форму. При этом сделать можно и серийную деталь, и уникальную. Также в станки закладывают листовую медь для штамповки, сверления и лазерной обработки.

Основные виды сплавов

Существуют различные виды сплавов металлов, однако стоит поговорить только об основных.

Самыми популярными считаются составы на основе железа. К ним относится сталь, чугун и ферриты. Если с первыми двумя сплавами всё понятно, то стоит кратко сказать о том, что такое ферриты. Это соединения металлов, в которых содержится большое количество углерода. Их используют для изготовления катушек индуктивности. Также стоит упомянуть другие основные сплавы металлов.

Изделия выполненные из металлических сплавов

Магниевые сплавы

Обладают высокой прочностью при малом размере и массе заготовки. Слабо защищены от коррозии, не обладают достаточной пластичностью для удобной обработки. Используются в машиностроении. Главная особенность сплавов на основе магния — свойство поглощать вибрации подвижных элементов.

Бериллиевые сплавы

Устойчивы к коррозийным процессам. Бериллий чаще всего смешивается с медью. Такая смесь называется Бериллиевой бронзой. Её используют для изготовления шестерней, контактов, часовых механизмов, подшипников.

Цинковые сплавы

Особенности этих соединений заключаются в низкой температуре плавления, высоким показателе пластичности, устойчивости к коррозиям. Используются для изготовления подшипников, бытовой техники, в машиностроении.

Титановые сплавы

Тяжелый в обработке материал. Сплавы на его основе обладают малым весом, высокой прочностью, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Чтобы облегчить обработку металла, его необходимо нагреть. Используется в различных направлениях промышленности.

Алюминиевые сплавы

Сплавы на основе этого материала считаются наиболее популярными. Встретить их можно в большинстве сфер жизни человека. У них такие преимущества:

• коррозийная устойчивость;
• малый вес;
• пластичность;
• электропроводность.

Главный недостаток этого материала — низкая температура плавления. Уже к 200 градусам, свойства сплава ухудшаются. Алюминиевые сплавы используются в различных направлениях промышленности. Благодаря малому удельному весу алюминий получил большую популярность в строительстве самолётов.

Алюминий (Фото: pixabay.com)

Медные сплавы

Большинство соединений на основе меди представляют собой латунь. В зависимости от содержания меди в составе сплава выделяется красная и жёлтая латунь. Из этого материала изготавливаются маленькие детали для высокоточных и миниатюрных механизмов. Обладает высоким показателем пластичности, благодаря чему с соединениями на основе меди легко работать.

Какие сплавы металлов производят?

Сплавы представляют собой вещества структурно однородные и содержащие в своем составе из двух или нескольких химических элементов в основном металлы. Базой для изготовления большинства сплавов используется до несколько металлических материалов с добавлением модифицирующих и легирующих примесей. Кроме того, сплав может содержать оставшиеся включения естественного, случайного и технологического происхождения.

В зависимости от технологии производства выделяют две категории сплавов:

1. Литые. Для их изготовления используется достаточно популярный метод – кристаллизация однородной консистенции на основе горячих частиц.

2. Сплавы порошковые. Формируются в результате воздействием пресса на смесь различных порошков, которые отправляются в специальную печь и проходят цикл высокотемпературной обработки. Для исходного сырья используют металлический порошок и нескольких химических соединений. К примеру, производство твердых сплавов подразумевает использование карбидов вольфрама или титана.

С учетом способа получения готового материала выделяют 2 разновидности сплавов:

1. Литейные (к ним относятся чугуны и силумины).

2. Деформируемые (порошковые сплавы и стальные).

В разных промышленных отраслях применяется множество подвидов сплавов – инструментальные, специальные, конструкционные. В зависимости от сфер применения их разделяют на несколько типов. К конструкционным сплавам относят чугунные заготовки, сталь, дюралюминий и составы с особыми свойствами, к примеру, антифрикционные характеристики и устойчивость к искрению.

Также в эту категорию входят такие материалы:

1. Латунь.

2. Бронза.

3. Сплавы для изготовления подшипников.

4. Баббит.

5. Сплавы для электронагревательного и измерительного оборудования.

6. Нихром.

7. Манганин.

8. Заготовки для производства режущих инструментов.

9. Победит.

Также для промышленных целей подходят устойчивые к коррозии, термостойкие, легкоплавкие, температурно-электрические, магнитные и аморфные сплавы. Количество разновидностей, которые используются в настоящее время достаточно большое и постоянно увеличивается. Сплавы классифицируют по двум признакам:

1. Материалы на базе железа.

2. Цветные сплавы металлов.

Ниже представлены самые популярные и важные сплавы для промышленного производства с основными сферами их эксплуатации.

Сталь.

Под сталью подразумевается соединение железа с углеродом (концентрация последнего составляет 2%). Из-за включении различных легирующих примесей как ванадий, хром или никель, стал приобретает легированные свойства.

Их всех существующих разновидностей сплавов по объемам поставок и производства, стали занимают ведущие места. Области их эксплуатации очень широкие, поэтому указать все сферы достаточно сложно.

Малоуглеродистые стали куда входит до 0,25% углерода, используются для конструкционных целей, а те, где процент значительно выше (от 0,55) применяются в производстве низкоскоростных режущих аппаратов, сверл и бритвенных лезвий. Легированные подвиды востребованы в машиностроительной отрасли и при изготовлении быстрорежущего оборудования.

Чугун.

Сплав железа с 2-4% углерода называется чугуном. Еще одним незаменимым элементом этого материала является кремний. Чугунные сплавы используются при изготовлении различной продукции с утилитарными функциями, к примеру, крышки канализационных люков, арматура трубопроводов, двигательные блоки цилиндров. Грамотно отлитое изделие обладает улучшенными механическими характеристиками.

Медные сплавы.

Эта категория сплавов представлена различными подвидами латуни, т.е. материалами на основе меди с включением от 5 до 45% цинка. Если к латуни добавляется от 5 до 20% цинка, ее называют красной (томпаком), а при концентрации цинка в пределах 20-36%, сплав получает название желтая латунь (альфа-латунь).

Данная разновидность широко востребована при изготовлении мелких деталей, которые нуждаются в особой обрабатываемости и точности.

Кроме того, для промышленных целей используют сплавы меди с добавлением алюминия, кремния и олова или бериллия.

К примеру, фосфористая и кремнистая бронза (сплав медный с добавлением кремнием) имеет отличные прочностные характеристики и используются при производстве мембран и пружин.

Свинцовые сплавы.

Незаменимые материалы для процесса пайки. В обычном припое содержится 1 часть свинца и 2 части олова. Металлический сплав востребован для пайки электропроводов и составляющих трубопроводов.

На основе сурьмяно-свинцовых сплавов изготавливают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумулятора. Сплавы, использующие кадмий, олово и висмут, обладают точкой плавления, которая намного ниже показателя кипения жидкости (70°C). Из-за этой особенности их применяют при производстве клапанов противопожарного оборудования спринклерных систем.

Сплав пьютер, незаменим для изготовления декоративной кухонной утвари и ювелирных изделий, состоит на 85-90% из олова. Оставшаяся часть состава – свинец. Также свинец добавляют при разработке так называемых баббитов, которые являются подшипниковыми сплавами. В составе свинцовых сплавов также присутствует мышьяк, олово и сурьма.

Легкие сплавы.

В машиностроении востребованы легкие сплавы с улучшенными прочностными свойствами, устойчивостью к высоким температурам и механическим воздействиям. В качестве исходного сырья для изготовления материала используют бериллий, магний, титан и алюминий. Не все сплавы из магния и алюминия подходят для эксплуатации в высокотемпературной и агрессивной среде.

Алюминиевые сплавы.

В эту категорию входят литейные сплавы (алюминий и кремний), для литья под высоким давлением (магний и алюминий), и сплавы интенсивного закаливания высокой прочности на основе алюминия и меди.

Основным преимуществом алюминиевых сплавов является их невысокая стоимость и прочность при невысоких температурах, а также легкость обработки. Заготовку достаточно просто ковать, штамповать или использовать для волочения, экструдирования и глубокой вытяжки.

Материал легко поддаются сварке и обрабатывается при помощи металлорежущего оборудования. Эксплуатационные характеристики алюминиевых сплавов теряются при повышении температуры до 175°C. Но за счет формирования оксидной пленки на поверхности, они не боятся коррозийных процессов при нахождении в различных агрессивных условиях.

Сплав не плохо проводит электрическую энергию и тепло, характеризуется усиленными отражательными свойствами, немагнитностью и безвредностью для здоровья человека при взаимодействии с продуктами питания (изделия из алюминия не подвергаются появлению ржавчины, не имеют какого-либо цвета и вкуса). Кроме того, сплавы алюминия защищены от взрыва, т.к. они не образуют искр и могут подавлять энергию ударов.

За счет перечисленных особенностей алюминиевые сплавы широко применяются в автомобилестроении, вагоно- и самолетостроении, в строительстве, для монтажа линий электропередач высокого напряжения и в пищевой промышленности. Наличие незначительного количества железа в составе сплавов повышает запас прочности при высокотемпературном воздействии, но негативно сказывается на устойчивости к коррозии и пластичности при комнатной температуре.

Магниевые сплавы.

Данный тип сплавов отличается небольшим весом и прочностью, а еще улучшенными литейными свойствами. Обрабатывать материал достаточно легко методом резания. В связи с этим, магниевые сплавы нашли применение в ракето- и авиастроительной сферах, где их используют для производства двигателей, колес, корпусов, топливных баков и прочих комплектующих.

Отдельные разновидности сплавов характеризуются повышенным коэффициентом вязкостного демпфирования, из-за этих свойств их применяют при производстве движущихся элементов средств транспортных и составляющих конструкций, которые используются в условиях высоких вибраций.

Из недостатков магниевых сплавов выделяют мягкость, неустойчивость к износу и недостаточную пластичность. Однако заготовку легко формировать путем термической обработки. Кроме того, сплавы магния подходят для обработки газовой, электродуговой и контактной сварки. Для качественной защиты сплавов от коррозии их покрывают специальной оболочкой.

Титановые сплавы.

По эксплуатационным характеристикам титановые сплавы в разы лучше магниевых и алюминиевых, в области прочности и степени упругости. При увеличенной плотности они характеризуются особой стойкостью к механическим воздействиям, уступая только бериллиевым сплавам.

В составе титановых сплавов присутствует минимальная концентрация азота, углерода и кислорода, учитывая это они достаточно пластичны. За счет невысокой электрической проводимости и низкого коэффициента проводимости тепла, сплавы титана устойчивы к износу и истиранию, да и прочность их гораздо выше, чем у других из группы магниевых сплавов.

Ползучесть отдельных сортов при среднем напряжении достигает 90 МПа, оставаясь на этом уровне при нагреве до 600°C, что намного выше предельной отметки у магниевых и алюминиевых сплавов. Сохраняют ковкость сплавы с титаном до температуры 1150°С, поэтому для их обработки разрешено использование электродуговой сварки с инертным газом или точечной и шовной сварки.

Обрабатывать материал с помощью технологии резания неоправданно, что объясняется быстрым схватыванием режущего приспособления. Плавку сплавов титана выполняют в вакуумных условиях или управляемой атмосфере для исключения проблемы выброса врезных примесей кислорода и азота в среду окружающую.

Титановые сплавы, как известно широко применяются в космической и авиационной промышленности. На их основе производятся различные механизмы и детали, которые эксплуатируются в температурных пределах от 150 до 430°C. Также из титана изготовляются составляющие специализированного химического оборудования.

Из титано-ванадиевых сплавов разработана уникальная легкая броня для техники и кабин летчиков в боевых самолетах. А для изготовления реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов основным материалом является сплав алюминия, титана и ванадия.

Бериллиевые сплавы.

Имея прекрасную пластичность, бериллиевый сплав превосходит другие металлические сплавы по удельной прочности. Для его производства используется принцип добавления хрупких зерен бериллия в мягкую пластичную основу, например, в разогретое серебро.

Являясь материалом с низкой плотностью, бериллиевый сплав активно применяется при разработке систем наведения ракет. Модуль его упругости выше, чем у стали или бериллиевой бронзы, что позволяет использовать материал для производства пружин и контактов в электрических схемах.

В чистом виде сплав применяется в качестве замедлителя и отражателя нейтронов в ядерных реакторах. За счет возможности формирования защитной оксидной пленки, он сохраняет свои эксплуатационные показатели при воздействии высоких температур.

Основная сложность при обработке сплава связана с его токсичностью. Пары от разогретого бериллия способствуют развитию опасных проблем со здоровьем, включая заболевания органов дыхания и дерматит.

Металлические изделия на основе различных сплавов вы можете купить через наш сайт. Промышленная включает большое количество российских поставщиков металлопродукции из разных регионов. На складах нашего предприятия в Московской области хранится цветной и нержавеющий прокат, продукция из специализированных сплавов и сталей, а также уникальное сырье металлургической промышленности.

Кроме того, мы занимаемся резкой, литьем металла на основе предоставленных заказчиком чертежей и документации. В процессе производства предусматривается строгий контроль с применением ультразвукового и химического оборудования.

Распространение сплавов в современной промышленности

Выделяют следующие направления промышленности, в которых используются сплавы:

1. Изготовление измерительных приборов.
2. Ювелирное дело. Изготовление украшений.
3. Постройка ракет, кораблей, самолётов. Машиностроение.
4. Создание контактов, микросхем, точных соединений.
5. Производство оружия.
6. Аэрокосмическая промышленность.
7. Криогенная область.
8. Изготовление медицинского оборудования.
9. Ядерная физика (детали для реакторов).
10. Химическая и пищевая промышленность.

Это направления применения металлов и их сплавов в промышленности. Металлы и сплавы можно найти в любых сферах жизни. Каждое соединение обладает своими свойствами и характеристиками, которые изменяются по мере добавления посторонних примесей в состав.

Особенности изготовления изделий из алюминия и алюминиевых сплавов

Легкий и пластичный алюминий используют в производстве автомобилей, самолетов, поездов, кораблей, электроприборов и бытовых предметов. Покрывающая алюминий оксидная пленка защищает его от ржавчины и обеспечивает долгий срок службы алюминиевого изделия. Кроме того, алюминий абсолютно нетоксичен и легко перерабатывается.

Производство алюминия и его сплавов

В чистом виде алюминия в природе не существует. Его производство начинается с добычи бокситов – руды, содержащей 50–75 % оксида алюминия

Производство алюминия состоит из трех этапов:

1. Получение глинозема. Бокситную руду дробят, перемалывают с добавлением воды и высушивают. Полученную массу обрабатывают паром для вывода кремния.
2. Обработка щелочью. Раствор помещают в щелочную среду для выделения из массы оксида алюминия.
3. Электролиз. При температуре 950 °С раствор плавят в криолитовой ванне и пропускают электрический ток до 400 кА. Электролиз разрывает связь атомов кислорода и алюминия, так что на дне ванны собирается чистый алюминий.

Полученный таким образом первичный алюминий отливается в слитки и либо отправляется в таком виде на производство, либо используется для получения сплавов. Чаще всего алюминий плавят вместе с медью, марганцем, цинком, магнием и кремнием, реже – литием, титаном, бериллием и цирконием.

В цветной металлургии различают две большие группы сплавов:

1. Литейные. Алюминий с легирующими добавками заливают в форму, в зависимости от конфигурации требуемого изделия.
2. Деформируемые. Из алюминиевых сплавов делают слитки, которым придают необходимую форму с помощью прокатки, прессования, формовки или ковки.

Производство изделий из алюминия и его сплавов

В России алюминий производится по ГОСТу 21631-76. Для изготовления изделий из алюминия и его сплавов применяют термическую деформацию, холодное волочение или прокатку.

Типы заготовок и изделия из них перечислены в таблице: