Tipuri de metale: proprietăți, aplicații și utilizări

Tipuri de metale: Ghid pentru proprietăți, aplicații și utilizări industriale

Cunoașterea tipurilor de metale disponibile este cheia inițială pentru decizii solide privind materialele în orice proiect de sudură, prelucrare mecanică sau inginerie. De la stâlpii din oțel carbon care susțin zgârie-norii până la plăcile de titan biocompatibile, metalele constituie structura lumii moderne, adesea neobservate. Iată o explicație simplă a tipurilor de metale, comparații ale proprietăților cuantificabile și un tabel care leagă fiecare de utilizarea lor ideală.

Ce este metalul? Definiție și structură atomică

Prin definiție, un metal este un element chimic care se ionizează ușor pentru a forma ioni pozitivi (cationi) și care formează legături metalice între ionii pozitivi. Aceste legături chimice produc o „mare” de electroni în mișcare liberă, care sunt în mișcare constantă în întreaga structură cristalină. Aceasta explică proprietățile observate la toate metalele: conductivitate electrică și termică ridicată, maleabilitate, ductilitate și strălucire la lustruire.

Această partajare a electronilor este cea care ne dă un fir de cupru care trece printr-un curent și o grindă de oțel care se îndoaie în fața lui, rupându-se. Electronii delocalizați din metale permit unui strat de atomi să alunece unul peste altul atunci când sunt supuși unei solicitări, fără a rupe legăturile, așa cum se poate întâmpla în cazul ceramicii sau sticlei, care se rupesc în loc să se îndoaie. Acest electron delocalizat ne conferă natura ductilă a metalelor atunci când sunt trase în sârmă subțire sau ciocănite în foi, adică maleabilitatea.

Dacă ați încercat vreodată să apăsați metalul pe o presă de îndoit pentru a îndoi metalul ați văzut în practică lipirea metalică.

În general, tabelul periodic este pavat în mare parte de metale în centrul stângii, dintre care metalele de tranziție din blocul d, cum ar fi fierul, cuprul, nichelul, titanul și cromul, sunt elementele esențiale în producția industrială. Metalele alcaline, cum ar fi litiul și sodiul, și metalele alcalino-pământoase, cum ar fi magneziul și calciul, pot fi găsite în extrema stângă, dar sunt atât de reactive încât niciunul dintre ele nu este potrivit pentru aplicații structurale în starea lor nativă. În imaginea de ansamblu, 94 din aproximativ 118 elemente cunoscute pot fi identificate ca metale.

Și două dintre aceste 94 de elemente metalice sunt lichide, la temperatura medie a camerei: mercurul și galiul.

Lichidul la temperatura camerei este destul de neobișnuit în tabelul periodic, într-o familie de stări caracterizate în general de puterea elementului în stare solidă.

În inginerie practică, metalele se împart în trei mari grupe:

• Les métaux ferreux – Ferronickel, Argent ferreux… Contiennent du fer. (ex: acier, fonte, fer...)
• Metali non ferrosi – nici un conținut de fero (Aluminiu, rame, titan, zinc)
• Aliaje – Amestecuri artificiale de două sau mai multe elemente, cel puțin unul metalic (alamă, bronz, Inconel)

Să presupunem că fiecare secțiune a listei de mai jos introduce un grup de metale studiat în profunzime individual, apoi compară proprietățile care pot fi măsurate pentru fiecare și demonstrează ce aplicații are fiecare grup de metale cu adevărat performante.

Proprietățile cheie ale metalelor care determină selecția industrială

Alegerea unui metal pentru un proiect nu se bazează niciodată pe un singur număr. Un producător ia în considerare raportul rezistență-greutate, analizează specificațiile de conductivitate, analizează caracteristicile de coroziune în mediul real de utilizare, apoi ia în considerare bugetul și prelucrabilitatea. Șase metale inginerești tipice sunt prezentate simultan în tabelul de mai jos, în funcție de parametrii care sunt cei mai importanți.

Rezistența la tracțiune reprezintă tensiunea pe care o poate suporta un metal înainte de a se fisura. În această categorie, titanul ocupă cel mai bine poziția, cu o rezistență de 950 MPa, motiv pentru care printre cei mai importanți utilizatori din lume se numără inginerii aerospațiali care lucrează cu trenuri de aterizare și pale de turbină. La capătul cel mai slab al scalei, zincul poate suporta doar 37 MPa, ceea ce înseamnă că este utilizat pentru acoperiri și carcase turnate sub presiune, dar nu și pentru lucrări structurale.

Conductivitatea electrică este măsurată ca procent din Standardul Internațional IACS - Cupru Recopt. 100% este egal cu cupru pur. Aluminiul este 43% IACS, nicidecum cel mai bun conductor electric, dar suficient de ușor pentru a fi folosit cablaj de înaltă tensiune suspendat, având o treime din greutatea per volum a cuprului. Titanul este la bază, doar 3%, ceea ce îl face inutil pentru cablaje, dar mai mult decât ideal ca material utilizat în implanturile corporale și capului, unde conductivitatea electrică ar fi doar dăunătoare.

Rezistența la coroziune se bazează pe capacitatea metalului de a forma un strat protector de oxid. Capacitatea aluminiului de a forma un strat de oxid de siliciu (AlO) care previne în mod natural metalul este destul de remarcabilă - nici măcar nu este atât de ușor să inventezi un strat atât de gros și protector. Oțelul inoxidabil necesită minimum 10.5% crom în metalul de bază, astfel încât să poată crește un strat de oxid de crom. Oțelul carbon moale verde, contaminat cu doar urme din elementul care face ca oțelul inoxidabil să fie atât de rezistent la coroziune, se corodează rapid în atmosfere umede și sărate, cu excepția cazului în care este vopsit, galvanizat sau protejat în alt mod.

Ce tipuri de metale sunt magnetice?

Magneții atrag o serie de metale diferite în trei moduri diferite. Materialele feromagnetice atrag magneții extrem de bine și sunt singurele metale care pot deveni ele însele magneți permanenți. Acestea sunt singurele metale pe care mandrinele magnetice le pot fixa piesele de prelucrat în timpul prelucrării. Materialele diamagnetice sunt efectiv respingătoare față de un câmp magnetic, cum ar fi aurul și cuprul, pentru care ar trebui să se utilizeze echipamente de laborator pentru a afla acest lucru. Se spune că materialele paramagnetice, cum ar fi aluminiul sau titanul, prezintă o atracție magnetică foarte slabă, practic imposibil de detectat cu mâna goală. În industrie, regula generală este simplă: dacă metalul se lipește de un magnet, atunci are conținut de fier, nichel sau cobalt.

„Toate metalele sunt un compromis. Rezistența ridicată, greutatea redusă, rezistența la coroziune și prețul scăzut sunt rareori încapsulate într-un singur aliaj. Problema inginerului mecanic este să calculeze care două sau trei proprietăți contează cel mai mult pentru client și să se mulțumească cu restul.”
— Principiul ingineriei materialelor, parafrazat din ghidurile ASM International

Metale feroase: oțel, fontă și aliaje pe bază de fier

Peste 90% din metalele lumii sunt feroase - având o bază de fier. Peste 632 de milioane de tone metrice de oțel brut au fost fabricate în 2024, o cantitate uimitoare care depășește toate celelalte metale la un loc. Există un motiv foarte bun pentru aceasta. Fierul este din abundență, există infrastructură pentru transformarea minereului în metal, iar proprietățile fizice ale oțelului pot fi modificate la o scară enormă sau chiar inexistentă doar prin aditivi precum carbonul și elementele de aliere.

Otel carbon

Oțelul carbon este clasificat în funcție de procentul său de carbon:

• Oțel cu conținut scăzut de carbon / oțel moale (<0.25% C) – Sudabil, deformabil, prelucrabil mecanic. AISI 1018 este calitatea standard de uz general pentru console, elemente de fixare și elemente structurale. Rezistență la tracțiune de aproximativ 440 MPa.
• Carbon mediu (0.25-0.60% C) – Mai puternic, mai dur, utilizat pentru punți auto, angrenaje și șine de cale ferată. AISI 1045 are o rezistență tipică la tracțiune de aproximativ 585 MPa.
• Conținut ridicat de carbon (0.60-2.0% C) – Foarte dur, utilizat pentru unelte tăietoare, arcuri și sârmă. Poate fi tratat termic până la o duritate extrem de mare, dar are o microstructură foarte fragilă și o sudabilitate slabă.

Oţel inoxidabil

Oțelurile inoxidabile necesită cel puțin 10.5% Cr pentru a fi numite inoxidabile. Cromul formează un strat de oxid invizibil la suprafață, oferind o rezistență excepțională la coroziune. Trei clase reprezintă marea majoritate a utilizărilor industriale:

• 304 (18% Cr / 8% Ni) – Cel mai utilizat oțel inoxidabil din lume. Servește în industria alimentară, chiuvete de bucătărie, ornamente arhitecturale și rezervoare de procesare chimică. Nemagnetic în stare recoaptă.
• 316 (16% Cr / 10% Ni / 2% Mo) – Adaosul de molibden oferă o rezistență excelentă la coroziunea clorurilor. Specificat pentru hardware maritim, echipamente farmaceutice și arhitectură costieră. Costă cu aproximativ 20-30% mai mult decât 304.
• 430 (17% Cr, fără nichel) – O calitate feritică magnetică, mai ieftină decât 304, potrivită pentru panouri decorative, ornamente pentru electrocasnice și sisteme de evacuare auto.

Pentru proiecte care implică tăiere cu laser din oțel inoxidabilAtât oțelul 317, cât și oțelul 316 prezintă un profil de tăiere curat la tăierea cu laser cu un laser cu fibră la setările corespunzătoare de putere și gaz – însă oțelul 316 necesită puțin mai multă putere datorită conținutului crescut de Mo.

Aliaj de oțel

Oțelurile aliate utilizează combinații de crom, molibden, vanadiu, nichel etc. pentru a produce proprietăți funcționale:

• Gradul 4140 (Cr-Mo) oferă o tenacitate excelentă și rezistență la oboseală, fiind utilizat în mod obișnuit în garniturile de foraj pentru petrol și gaze, arborii de punte și elementele de fixare supuse unor solicitări mari.
• Gradul 4340 (Ni-Cr-Mo) este un aliaj de calitate aerospațială cu rezistență foarte mare la adâncime, utilizat în trenuri de aterizare, angrenaje de transmisie a puterii și scule pentru sarcini grele.

Fontă

• Fonta gri (3-4% C) este extrem de fragilă, dar foarte bună la absorbția și amortizarea vibrațiilor. Acest lucru o face materialul de bază ideal pentru mașini-unelte și blocuri de motor. Fulgii de grafit din interiorul microstructurii transformă energia vibrațiilor în căldură.
• Fonta ductilă (nodulară) conține grafit în noduli sferici în loc de fulgi, îmbunătățind considerabil rezistența la impact și ductilitatea. Se utilizează pentru fitinguri de țevi, arbori cotiți și angrenaje de mare tonaj.
• Fonta albă este foarte dură și rezistentă la uzură. A fost folosită pentru fabricarea căptușelilor rezistente la abraziune pentru mori cu bile și pompe de nămol.

Fierul forjat alb fierbinte – un material important din punct de vedere istoric pentru porți, balustrade și lanțuri – a cedat locul oțelurilor moi, mai ieftine și mai ușor de prelucrat. Produsele moderne din fier „forjat” sunt de obicei oțel moale, modelat astfel încât să semene cu fierul forjat.

Ce tipuri de rugină metalică există?

„Ruginirea” este o reacție chimică particulară: apare atunci când fierul interacționează cu oxigenul și umiditatea pentru a crea un strat de rugină (care este oxidul feros, FeO) care provoacă slăbiciunea și exfolierea oțelului vechi. Toate metalele feroase sunt vulnerabile, deoarece feroase înseamnă că există cel puțin o anumită cantitate de fier în structura lor. Oțelul carbon ușor va rugini cel mai rapid ca răspuns la pulverizarea cu sare sau la umiditate ridicată. Oțelurile aliate, cum ar fi 4140, sunt, de asemenea, predispuse, cu excepția cazului în care sunt lubrifiate, vopsite sau protejate în alt mod.

În cazul oțelului inoxidabil, bariera împotriva ruginii este oxidul de crom, iar aliajul este considerat „rezistent” mai degrabă decât „antirugină”. În special, gradul 304 poate suferi de coroziune prin pitting în medii cu clorură (apă de mare, săruri de degivrare, soluții saline) peste aproximativ cincizeci de grade Celsius. De aceea, specificațiile pentru instalațiile marine și chimice spun că trebuie să utilizați 316, unde conținutul de molibden de 2% previne acest atac.

Majoritatea celorlalte metale care nu sunt feroase sunt nemagnetice și nu ruginesc deoarece nu conțin fier. Acestea suferă propriile variații de coroziune; aluminiul va produce un oxid de aluminiu alb sub formă de pulbere, iar cuprul produce efectul atractiv de cocleală verde pe acoperișuri și statui vechi. Aceste niveluri de oxid sunt de fapt rezistente la atacuri ulterioare - opusul acelui oxid feros sub formă de solzi, care devine mai enervant cu cât încerci mai mult să îl ții sub control.

Metale neferoase: aluminiu, cupru, titan și altele

Metalele neferoase nu conțin fier, ceea ce înseamnă că nu se oxidează în același mod, deoarece acest proces se bazează pe prezența fierului. Acestea sunt frecvent nemagnetice și mai rezistente la coroziune decât materialele feroase, mai conductive, mai ușoare - dar și mai scumpe și uneori necesită metode de fabricație diferite.

Aluminiu:

Aluminiul are cea mai mare crustă nativă, reprezentând 8.2% din scoarța terestră, fiind a doua cea mai mare concentrație după oxigen. În ciuda acestui fapt, a fost mai scump decât aurul până la descoperirea tehnologiei Hall-Heroult în 1886. Reprezintă al doilea cel mai popular metal după oțel: valoare prin densitatea scăzută (2.70 g/cm), rezistență la coroziune și ușurință în prelucrare.

Cu o rezistență ridicată, dar o greutate redusă, aliajul de aluminiu 7075 are o rezistență la tracțiune de 570 MPa, care se apropie de teritoriul oțelului cu carbon mediu. Din păcate, este foarte rezistent la sudură și mai scump decât 6061.

Deoarece aluminiul reflectă aproape 90% din lungimea de undă a unui laser cu CO2, sudare cu laser aliaje de aluminiu necesită un control atent al reflexiei și conducției căldurii.

Aliajele de cupru și cupru

Cuprul (C11000) definește 100% IACS ca măsură a conductivității sale. Este utilizat ca referință fixă ​​pentru cabluri electrice, bare colectoare și schimbătoare de căldură. Problema principală a scurgerilor de căldură este moliciunea sa - cu o rezistență la tracțiune de doar 220 MPa, nu poate susține încărcări structurale.

• Primul aliaj de cupru utilizat comercial, alama; care, atunci când este aliată cu celălalt element metalic (zincul), este semnificativ mai dură decât cuprul, este inerent rezistentă la coroziune și ușor de prelucrat - utilizată pentru fitinguri, instrumente de suflat, accesorii decorative și carcase de muniție.
• Un aliaj format din cupru și staniu, bronz; oferă o rezistență și o rezistență la coroziune mai mari într-un mediu cu apă sărată decât alama; utilizări tradiționale includ elicele navelor, rulmenții și echipamentele marine.

Prelucrarea cu laser a cuprului – specularitatea sa este cea care face ca prelucrarea cu laser să fie o adevărată provocare. Datorită reflectanței ridicate, sursele laser cu fibră cu o lungime de undă apropiată de 1,070 nm sunt mult mai potrivite decât sursele de CO2. Citiți mai multe despre tăierea cuprului cu laser.

Titan

Ti-6AL-4V; aliajul de titan de top: rezistență la tracțiune de 950 MPa la 4.43 g/cm, cel mai reprezentativ exemplu de oțel cu rezistență medie, cu o greutate cu 44% mai mică. Lumea depinde de titan pentru acest avantaj în domeniul aeronautic, medical și al sporturilor cu motor ultra-performanță.

O constrângere de cost care nu este abordată de marketing: la un cost pe kilogram de 25 până la 100 de ori mai mare (în funcție de formă și calitate) decât oțelul inoxidabil, combinat cu un indice de fabricabilitate de doar 22%, fabricarea componentelor cu titan este costisitoare din punct de vedere financiar. Atunci când economiile de greutate sau posibilitatea de a face corpul sau produsul în mod obișnuit ar face componenta avantajoasă, titanul este justificat; în restul cazurilor, oțelul inoxidabil sau aluminiul sunt o alegere mai bună și mai ieftină.

Alte metale neferoase

• Zincul se găsește într-o serie de domenii de aplicare; cea mai răspândită este galvanizarea, aplicarea unui strat de zinc pe oțel sau fier pentru a oferi protecție împotriva coroziunii. A doua cea mai populară zonă de aplicare este turnarea sub presiune pentru mânerele ușilor și ornamentele auto.
• Nichelul apare în superaliaje (Inconel, Hastelloy) care alimentează turbinele cu gaze și motoarele cu reacție la temperaturi de peste 700°C; și poate fi folosit și ca acoperire în galvanizare și baterii.
• Staniul contribuie la aliajele de lipit pentru electronice, cositorirea fiind predominantă în conservele alimentare și în construcțiile din bronz.
• Plumbul este implicat în aproximativ 80% din producția mondială de baterii, cu aplicații de protecție împotriva radiațiilor și balast; însă cererea pentru acestea este în scădere din cauza restricțiilor de reglementare privind toxicitatea.
• Metalele prețioase (aur, argint, platină) și-au găsit locul în bijuterii, circuite (lipire cu sârmă de aur), convertoare de catalizator (paladiu și platină) și investiții;

Aliaje metalice: Cum îmbunătățește performanța combinarea elementelor

Un aliaj este un amestec de element metalic cu unul sau mai multe alte elemente; metalice sau de altă natură. Rezultatul dorit este crearea unui set de proprietăți care nu ar putea fi obținut din cele două sau mai multe componente utilizate individual. Oțelul este un aliaj: fier și carbon. Bronzul este un aliaj: cupru și staniu. Întreaga civilizație comercială a lumii moderne se bazează pe producția și prelucrarea aliajelor, mai degrabă decât pe elemente metalice virgine, din cauza incapacității generale a metalelor virgine de a satisface cerințele de rezistență, duritate, rezistență la coroziune sau modul de elasticitate ale mediilor de utilizare din lumea reală.

Alierea funcționează prin „perturbare la nivel atomic”. Puncte de atomi străini distorsionează aranjamentul regulat al rețelelor cristaline, împiedicând difuzia dislocațiilor – imperfecțiunile care permit deformarea metalelor. În caz contrar, dislocațiile mobile sunt eliberate, iar metalele flexibile devin materiale rigide și mai dure.

Scenariu: Un atelier de fabricație care trece de la oțel moale la oțel inoxidabil 316L pentru a procesa alimente trebuie să își schimbe sârma de sudură (umplutură 316L), să schimbe gazul de protecție la argon plus 2% monoxid de carbon și să încetinească tăierea cu aproximativ 30%. Selecția aliajului mineral determină fiecare proces de fabricație ulterior - scule, fixare, setări de sudare și etape de șlefuire sau lustruire. Alegerea materialului nu este niciodată un proces independent.

Pe lângă clasificarea metalelor feroase față de cele neferoase, este utilă gruparea metalelor în metale bazice (ușor oxidabile, zinc, fier, staniu, aluminiu), metale nobile (rezistență la oxidare, aur, platină, paladiu) sau grupe din tabelul periodic. Obținerea acestor grupe - tranziție (blocul d), metale alcalino-pământoase, lantanide - este disponibilă ca categorii separate.

Cum să alegi metalul potrivit pentru proiectul tău

Erorile de selecție a metalelor sunt cea mai frecventă cauză a greșelilor de fabricație și, de obicei, iremediabile - odată sudate, îmbinarea nu mai poate fi desudată. O matrice de mai jos compară zece metale familiare în funcție de șase parametri, pe o scară de la 1 (slab) la 5 (excelent).

Selecții specifice aplicației

• Când se discută despre prelucrarea CNC, aluminiul 6061 este cel mai bun material neferos, iar oțelul moale 1018 pare a fi alegerea cea mai bună pentru cel mai bun material feros. În ceea ce privește prelucrabilitatea, acestea au un scor de peste 4 la capitolul ușurință în prelucrare.
• Tăierea cu laser este optimă pentru oțelul moale - este cel mai ușor de tăiat și este metalul cel mai prietenos cu laserul. Fără oxizi și rezistent la ardere, alte metale mai puțin dorite includ oțelul inoxidabil (care necesită însă un laser mai puternic), aluminiul (cel mai bine cu un laser cu fibră datorită reflexiei) și titanul (piatra de câmp laser rezervată pieselor scumpe și de mare valoare). Vizitați lista de materiale pe care le poate tăia un laser cu fibră pentru mai multe alegeri.
• Pentru medii corozive se utilizează oțel inoxidabil 316L sau titan, cu pitching de 5 fiecare pentru cea mai bună protecție la coroziune și oxidare. Ti este utilizat doar dacă reducerea greutății este de 25 până la 100 de ori mai mare decât costul materialului.
• În cazul aplicațiilor structurale și arhitecturale, rezidențiale sau comerciale, oțelul carbon (1018 sau A36) oferă 3 și, respectiv, 5 grade de rezistență, respectiv cost.
• Aplicațiile electronice și informatice utilizează cuprul pentru o conductivitate electrică IACS 100% și aluminiul (cu densitate mai mare) pentru carcase și radiatoare ușoare.

Ce tip de metal poate fi folosit în tăierea cu laser?

Aproape toate metalele pot fi tăiate cu laser dacă se utilizează echipamentul potrivit, dar vor trebui utilizate mașini diferite. Dacă se taie metale foarte reflectorizante, cum ar fi aluminiul, alama sau cuprul, se pot utiliza lasere cu fibră cu 1070 nm. Acestea nu vor avea probleme cu ionii de reflexie inversă, deoarece laserele cu CO2 au o lungime de undă de 10600 nm - acestea sunt orientate spre spatele rezonatorului și/sau îl pot deteriora.

Oțelul moale este metalul cel mai ușor de tăiat cu laser din lume, produce o tăiere de bună calitate la o viteză mai mare decât oricare alta și la un cost mai mic. Oțelurile inoxidabile necesită o putere laser cu 20-30% mai mare decât oțelul moale cu grosime echivalentă pentru tăiere, fiind necesară etanșarea cu gaz inert de titan (de obicei argon).

Pentru o comparație alăturată între tehnologiile cu fibră și cele cu laser CO2, consultați comparație laser cu fibră vs. CO2 secțiune. De asemenea, v-ar putea interesa să aflați care materialele pot fi marcate cu un laser cu fibră și cum se împerechează cu diverse tipuri de metale sau vizualizând mașină de marcat cu laser gamă pentru echipamentele capabile să proceseze componente din oțel, aluminiu, cupru și titan.

Notă privind reciclabilitatea: Toate elementele metalice, cu excepția câtorva, pot fi reciclate la infinit, cu foarte puține modificări ale proprietăților lor de bază. Reciclarea aluminiului utilizează doar 5% din energia necesară pentru a-l produce din minereu de bauxită și este unul dintre cele mai eficiente energetic procese inventate. Oțelul este materialul cel mai reciclat în greutate de pe planetă.

Întrebări frecvente

Care sunt cele 10 tipuri de metale?

Câte tipuri de metale există?

Prin ce se deosebesc aliajele de metalele pure?

Ce tip de metal nu ruginește?

Ce tipuri de metale pot fi reciclate?

Ce tip de metal poate fi folosit în imprimarea 3D?

Sunt metalele în general maleabile și ductile?