Виды металлов: свойства, области применения и способы использования.

Виды металлов: руководство по свойствам, применению и промышленному использованию.

Знание доступных видов металлов — это первостепенный ключ к принятию обоснованных решений в отношении материалов при любой сварке, механической обработке или инженерных работах. От опор из углеродистой стали, поддерживающих небоскребы, до биосовместимых титановых пластин, металлы составляют основу современного мира, часто оставаясь незамеченными. Здесь приведено простое объяснение типов металлов, сравнение их количественно измеримых свойств и таблица, связывающая каждый из них с его идеальным применением.

Что такое металл? Определение и атомная структура.

По определению, металл — это химический элемент, который легко ионизируется, образуя положительные ионы (катионы), и который образует металлические связи между этими положительными ионами. Эти химические связи создают «море» свободно движущихся электронов, которые находятся в постоянном движении по всей кристаллической структуре. Это объясняет свойства всех металлов: высокую электрическую и тепловую проводимость, ковкость, пластичность и блеск после полировки.

Именно это совместное использование электронов позволяет медному проводу пропускать ток, а стальной балке, изгибающейся перед ним, ломаться. Делокализованные электроны в металлах позволяют атомам одного слоя скользить друг относительно друга под напряжением, не разрывая связей, как это происходит в случае керамики или стекла, которые ломаются, а не изгибаются. Именно эти делокализованные электроны придают металлам пластичность при вытягивании в тонкую проволоку или ковке в листы, то есть их ковкость.

Если вы когда-либо работали с металлом на листогибочном прессе, чтобы согнуть его, вы видели металлическую связь на практике.

В целом, периодическая таблица в основном состоит из металлов в левой центральной части, среди которых переходные металлы d-блока, такие как железо, медь, никель, титан и хром, являются основными элементами промышленного производства. Щелочные металлы, такие как литий и натрий, и щелочноземельные металлы, такие как магний и кальций, находятся в крайней левой части, но они настолько реактивны, что ни один из них не подходит для структурных применений в своем естественном состоянии. В целом, из примерно 118 известных элементов 94 можно отнести к металлам.

И два из этих 94 металлических элементов находятся в жидком состоянии при средней комнатной температуре: ртуть и галлий.

Жидкое состояние при комнатной температуре довольно необычно для периодической таблицы, поскольку относится к семейству состояний, обычно характеризующихся силой твердого элемента.

В практическом машиностроении металлы делятся на три основные группы:

• Les métaux Ferreux – Ферроникель, Argent Ferreux… Contiennent du Fer. (например: acier, Fonte, Fer…)
• Металлы нон ферроси – без содержания ферро (алюминий, рама, титан, цинк)
• Сплавы – это искусственно созданные смеси двух или более элементов, в каждом из которых присутствует хотя бы один металлический компонент (латунь, бронза, инконель).

Предположим, что в каждом разделе приведенного ниже списка подробно рассматривается одна группа металлов, затем сравниваются измеряемые свойства каждой из них и демонстрируется, в каких областях применения каждая группа металлов действительно показывает хорошие результаты.

Ключевые свойства металлов, определяющие их выбор в промышленности.

Выбор металла для проекта никогда не сводится к одному параметру. Изготовитель учитывает соотношение прочности и веса, рассматривает характеристики проводимости, анализирует коррозионные свойства в реальных условиях эксплуатации, а затем учитывает бюджет и обрабатываемость. Ниже в таблице одновременно представлены шесть типичных конструкционных металлов по параметрам, имеющим наибольшее значение.

Предел прочности на растяжение — это величина напряжения, которое металл может выдержать до образования трещин. В этой категории титан занимает первое место с показателем 950 МПа, поэтому одними из ведущих мировых потребителей являются инженеры аэрокосмической отрасли, занимающиеся разработкой шасси и лопаток турбин. На самом слабом конце шкалы находится цинк, выдерживающий всего 37 МПа, что означает, что он используется для покрытий и литых корпусов, но не в качестве конструкционного материала.

Электропроводность измеряется в процентах от стандарта IACS (Международный стандарт отожженной меди). 100% соответствует чистой меди. Алюминий содержит 43% по стандарту IACS, что, конечно, не является лучшим электропроводящим материалом, но достаточно легкий для изготовления качественных кабелей для высоковольтных линий электропередачи, при этом его вес на единицу объема составляет лишь треть от веса меди. Титан находится в самом низу списка, всего 3%, что делает его непригодным для проводки, но более чем идеальным материалом для использования в имплантатах для тела и головы, где электропроводность была бы только вредна.

Коррозионная стойкость зависит от способности металла образовывать защитный оксидный слой. Способность алюминия образовывать естественный слой оксида кремния (AlO), предотвращающий коррозию металла, весьма примечательна — изобрести такой толстый и защитный слой не так-то просто. Для образования слоя оксида хрома в нержавеющей стали необходимо содержание не менее 10.5% хрома в основном металле. Незащищенная низкоуглеродистая сталь, загрязненная лишь следами элемента, обеспечивающего такую ​​высокую коррозионную стойкость нержавеющей стали, быстро корродирует во влажной и соленой атмосфере, если ее не покрасить, не оцинковать или не защитить иным способом.

Какие металлы обладают магнитными свойствами?

Магниты притягивают различные металлы тремя разными способами. Ферромагнитные материалы очень хорошо притягивают магниты и являются единственными металлами, которые сами могут стать постоянными магнитами. Именно эти металлы могут удерживать заготовки в магнитных патронах во время обработки. Диамагнитные материалы, такие как золото и медь, эффективно отталкиваются от магнитного поля; чтобы это определить, потребуется лабораторное оборудование. Парамагнитные материалы, такие как алюминий или титан, обладают очень слабым магнитным притяжением, которое практически невозможно обнаружить невооруженным глазом. В промышленности действует простое эмпирическое правило: если металл притягивается к магниту, значит, он содержит железо, никель или кобальт.

«Все металлы — это компромисс. Высокая прочность, малый вес, коррозионная стойкость и низкая цена редко сочетаются в одном сплаве. Задача инженера-механика состоит в том, чтобы определить, какие два или три свойства наиболее важны для заказчика, и довольствоваться остальными».
— Принципы материаловедения, перефразированные из руководящих принципов ASM International.

Черные металлы: сталь, чугун и сплавы на основе железа.

Более 90 процентов мировых металлов — это черные металлы, имеющие железную основу. В 2024 году было произведено более 632 миллионов метрических тонн нерафинированной стали, что является ошеломляющим количеством, превосходящим все остальные металлы вместе взятые. Этому есть очень веская причина. Железо в изобилии, существует инфраструктура для переработки руды в металл, а физические свойства стали могут быть изменены в огромных масштабах или вовсе не изменены только с помощью добавок, таких как углерод и легирующие элементы.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь классифицируется по содержанию углерода:

• Низкоуглеродистая/мягкая сталь (<0.25% C) – свариваемая, формуемая, обрабатываемая. AISI 1018 – это стандартная универсальная марка стали для кронштейнов, крепежных элементов и конструкционных деталей. Предел прочности на растяжение составляет приблизительно 440 МПа.
• Среднеуглеродистая сталь (0.25-0.60% C) – более прочная и твердая, используется для автомобильных осей, шестерен и железнодорожных путей. Типичная прочность на растяжение стали AISI 1045 составляет около 585 МПа.
• Высокоуглеродистая сталь (0.60-2.0% С) – очень твердая, используется для режущих инструментов, пружин и проволоки. Поддается термообработке до чрезвычайно высокой твердости, но имеет очень хрупкую микроструктуру и сильно страдает от плохой свариваемости.

Нержавеющая сталь

Для того чтобы нержавеющая сталь считалась нержавеющей, содержание хрома должно составлять не менее 10.5%. Хром образует на поверхности невидимый оксидный слой, обеспечивающий исключительную коррозионную стойкость. Три марки стали составляют подавляющее большинство в промышленном применении:

• 304 (18% Cr / 8% Ni) – самая распространенная в мире нержавеющая сталь. Используется в пищевой промышленности, для изготовления кухонных моек, архитектурной отделки и резервуаров для химической промышленности. В отожженном состоянии немагнитна.
• 316 (16% Cr / 10% Ni / 2% Mo) – добавление молибдена обеспечивает превосходную стойкость к хлоридной питтинговой коррозии. Предназначен для использования в судостроении, фармацевтическом оборудовании и прибрежной архитектуре. Стоимость примерно на 20-30% выше, чем у стали 304.
• 430 (17% Cr, без никеля) – ферритный сплав, обладающий магнитными свойствами, дешевле, чем 304, подходит для декоративных панелей, отделки бытовой техники и автомобильных выхлопных систем.

Для проектов, связанных с лазерной резкой нержавеющей стали , как 317, так и 316 обеспечивают чистый профиль реза при использовании волоконного лазера с соответствующей мощностью и настройкой газа, однако для стали 316 требуется несколько большая мощность из-за повышенного содержания молибдена.

Легированная сталь

В легированных сталях используются комбинации хрома, молибдена, ванадия, никеля и т. д. для придания им функциональных свойств:

• Марка 4140 (хром-молибден) обеспечивает превосходную прочность и устойчивость к усталости, поэтому ее часто используют в бурильных колоннах, валах и крепежных элементах для нефтегазовой отрасли.
• Сплав марки 4340 (никель-хром-молибден) — это аэрокосмический сплав с очень высокой прочностью на глубине, используемый в шасси самолетов, силовых передачах и инструментах для тяжелых условий эксплуатации.

Чугун

• Серый чугун (3-4% C) чрезвычайно хрупкий, но очень хорошо поглощает и гасит вибрации. Это делает его идеальным основным материалом для станков и блоков цилиндров двигателей; графитовые хлопья внутри микроструктуры преобразуют энергию вибрации в тепло.
• Высокопрочный (шиповидный) чугун содержит графит в виде сферических включений вместо хлопьев, что значительно повышает ударопрочность и пластичность. Используется для изготовления трубной арматуры, коленчатых валов и зубчатых передач для тяжелых условий эксплуатации.
• Белый чугун очень твердый и износостойкий. Раньше из него изготавливали износостойкие футеровки для шаровых мельниц и шламовых насосов.

Раскалённое добела кованое железо – исторически важный материал для ворот, перил и цепей – уступило место более дешёвым и обрабатываемым низкоуглеродистым сталям. Современные изделия из «кованого» железа обычно изготавливаются из низкоуглеродистой стали, форма которой напоминает кованое железо.

Какие виды ржавчины образуются в металле?

«Ржавление» — это особая химическая реакция: она происходит, когда железо взаимодействует с кислородом и влажностью, образуя слой ржавчины (который представляет собой оксид железа, FeO), вызывающий слабость и шелушение старой стали. Все черные металлы уязвимы, поскольку наличие железа в их структуре означает, что в них присутствует хотя бы некоторое количество железа. Углеродистая сталь быстрее всего ржавеет под воздействием солевого тумана или высокой влажности. Легированные стали, такие как 4140, также подвержены ржавчине, если их не смазать, не покрасить или иным образом не защитить.

В случае нержавеющей стали барьером против ржавчины является оксид хрома, и такой сплав считается «устойчивым», а не «не подверженным коррозии». В частности, сталь марки 304 может подвергаться точечной коррозии в хлоридных средах (морская вода, противогололедные соли, солевые растворы) при температуре выше примерно пятидесяти градусов Цельсия. Именно поэтому в спецификациях для судостроения и химической промышленности указано, что необходимо использовать сталь марки 316, где содержание молибдена в 2% предотвращает эту коррозию.

Большинство других металлов, не являющихся черными металлами, немагнитны и не ржавеют, поскольку не содержат железа. Они подвержены различным видам коррозии; алюминий образует белый порошкообразный оксид алюминия, а медь – привлекательный зеленый налет на старых крышах и статуях. Эти оксидные слои на самом деле устойчивы к последующему воздействию – в отличие от чешуйчатого оксида железа, который становится все более раздражающим, чем больше вы пытаетесь его контролировать.

Цветные металлы: алюминий, медь, титан и другие.

Цветные металлы не содержат железа, а значит, не окисляются так же, как железо, поскольку этот процесс зависит от его наличия. Они часто немагнитны и более коррозионностойки, чем черные металлы, обладают большей проводимостью, легче, но также дороже и иногда требуют других методов производства.

алюминий

Алюминий занимает первое место по содержанию природного алюминия в земной коре – 8.2% от общего объема, являясь вторым по величине его концентрацией после кислорода. Несмотря на это, до открытия технологии Холла-Эру в 1886 году он был дороже золота. Алюминий является вторым по популярности металлом после стали: он ценится за низкую плотность (2.70 г/см³), коррозионную стойкость и легкость обработки.

Обладая высокой прочностью и малым весом, алюминиевый сплав 7075 имеет предел прочности на растяжение 570 МПа, что приближается к показателям среднеуглеродистой стали. К сожалению, он очень плохо поддается сварке и дороже, чем сплав 6061.

Поскольку алюминий отражает почти 90% длины волны CO2-лазера, лазерная сварка алюминиевых сплавов требует тщательного контроля отражения и теплопроводности тепла.

Медь и медные сплавы

Медь (C11000) имеет показатель 100% IACS, который используется в качестве эталона для электропроводки, шин и теплообменников. Проблема заключается в её мягкости – при прочности на растяжение всего 220 МПа она не может выдерживать структурные нагрузки.

• Первый коммерчески используемый сплав меди — латунь; при сплавлении с другим металлическим элементом (цинком) он значительно тверже меди, обладает высокой коррозионной стойкостью и легко поддается механической обработке — используется для изготовления фитингов, духовых инструментов, декоративной фурнитуры и гильз для боеприпасов.
• Бронза — сплав меди и олова; обеспечивает большую прочность и коррозионную стойкость в соленой воде, чем латунь; традиционно используется для изготовления корабельных винтов, подшипников и морского оборудования.

Лазерная обработка меди – именно её зеркальное отражение делает обработку лазером такой сложной задачей. Из-за высокого коэффициента отражения волоконные лазеры с длиной волны около 1,070 нм гораздо лучше подходят, чем CO₂-лазеры. Подробнее о резке меди лазером.

Титан

Ti-6AL-4V; флагманский титановый сплав: предел прочности на растяжение 950 МПа при плотности 4.43 г/см³ — наиболее типичный пример среднепрочных сталей, на 44% легче по весу. Благодаря этому преимуществу титан используется в авиационной, медицинской и высокопроизводительной автоспорте.

Одно из ограничений по стоимости, которое не учитывается в маркетинге: при стоимости в 25-100 раз выше за килограмм (в зависимости от формы и марки), чем у нержавеющей стали, и при этом с коэффициентом технологичности всего 22%, изготовление компонентов из титана обходится дорого. Когда экономия веса или возможность изготовления корпуса или изделия в повседневном режиме делают использование титана выгодным, титан оправдан; в остальных случаях нержавеющая сталь или алюминий являются лучшим и более дешевым выбором.

Другие цветные металлы

• Цинк находит применение в нескольких областях; наиболее распространенной является гальванизация — нанесение цинкового покрытия на сталь или железо для защиты от коррозии. Вторая по популярности область применения — литье под давлением дверных ручек и автомобильной отделки.
• Никель входит в состав суперсплавов (инконель, хастеллой), используемых в газовых турбинах и реактивных двигателях при температурах выше 700 °C; а также может применяться в качестве покрытия при гальваническом покрытии и в батареях.
• Олово используется в припоях для электроники, например, лужение широко применяется в производстве консервных банок и бронзовых изделий.
• Свинец используется примерно в 80% мирового производства аккумуляторов, а также в радиационной защите и балластировке; однако спрос на него снижается из-за нормативных ограничений, связанных с токсичностью.
• Драгоценные металлы (золото, серебро, платина) нашли свое применение в ювелирных изделиях, электронных схемах (золотое проволочное соединение), каталитических преобразователях (палладий и платина) и инвестициях;

Металлические сплавы: как сочетание элементов повышает производительность

Сплав — это смесь металлического элемента с одним или несколькими другими элементами, металлическими или иными. Целью является создание набора свойств, недостижимых при использовании двух или более компонентов по отдельности. Сталь — это сплав железа и углерода. Бронза — это сплав меди и олова. Вся современная коммерческая цивилизация основана на производстве и обработке сплавов, а не чистых металлических элементов, из-за общей неспособности чистых металлов удовлетворять требованиям к прочности, твердости, коррозионной стойкости или модулю упругости в реальных условиях эксплуатации.

Легирование происходит за счет «нарушения на атомном уровне». Поверхности, содержащие посторонние атомы, искажают упорядоченное расположение кристаллических решеток, препятствуя диффузии дислокаций — дефектов, которые позволяют металлам деформироваться. В противном случае подвижные дислокации освобождаются, и гибкие металлы становятся жесткими, более твердыми материалами.

Ситуация: цех, переходящий с низкоуглеродистой стали на нержавеющую сталь 316L для пищевой промышленности, должен заменить сварочную проволоку (присадочный материал 316L), перейти на защитный газ аргон с добавлением 2% оксида углерода и замедлить резку примерно на 30%. Выбор минерального сплава определяет каждый последующий производственный процесс — изготовление оснастки, приспособлений, параметров сварки, шлифовки или полировки. Выбор материала никогда не является независимым процессом.

Помимо классификации на черные и цветные металлы, полезно разделить металлы на основные (легко окисляемые, цинк, железо, олово, алюминий), благородные (устойчивые к окислению, золото, платина, палладий) или группы периодической таблицы. Получение информации об этих группах — переходные металлы (d-блок), щелочноземельные металлы, лантаниды — доступно в виде отдельных категорий.

Как выбрать подходящий металл для вашего проекта

Ошибки в выборе металла являются наиболее распространенной причиной дефектов при изготовлении, и, как правило, их невозможно исправить — после сварки разварить соединение невозможно. Приведенная ниже таблица сравнивает десять распространенных металлов по шести параметрам по шкале от 1 (плохо) до 5 (отлично).

Выбор, специфичный для конкретного применения

• При обсуждении обработки на станках с ЧПУ алюминий 6061 считается лучшим цветным металлом, а низкоуглеродистая сталь 1018 – лучшим черным металлом. С точки зрения обрабатываемости, эти стали получают оценку 4+ по легкости обработки.
• Лазерная резка оптимальна для низкоуглеродистой стали — её проще всего резать, и это наиболее подходящий для лазерной обработки металл. Не содержащая оксидов и устойчивая к горению, сталь также является менее предпочтительной для лазерной резки. К таким металлам относятся нержавеющая сталь (для которой, однако, требуется более мощный лазер), алюминий (лучше всего использовать волоконный лазер из-за отражения) и титан (лазерный «камень», используемый для резки дорогих и дорогостоящих деталей). См. список материалы, которые может разрезать волоконный лазер для большего выбора.
• Для агрессивных сред используются нержавеющая сталь 316L или титан, с точечным разрушением при 5% для наилучшей защиты от коррозии и окисления. Титан подходит только в том случае, если снижение веса оправдывает себя в 25-100 раз по сравнению со стоимостью материала.
• В случае строительных и архитектурных решений, как жилых, так и коммерческих зданий, углеродистая сталь (1018 или A36) обеспечивает 3 и 5 баллов по прочности и стоимости соответственно.
• В электронике и компьютерных приложениях медь используется для обеспечения 100% электропроводности по стандарту IACS, а алюминий (с более высокой плотностью) — для изготовления легких корпусов и радиаторов.

Какие виды металла можно использовать для лазерной резки?

Практически все металлы можно разрезать лазером при наличии соответствующего оборудования, но для этого потребуются разные станки. Если необходимо разрезать очень отражающие металлы, такие как алюминий, латунь или медь, можно использовать волоконные лазеры с длиной волны 1070 нм. У них не будет проблем с обратным отражением ионов, поскольку CO2-лазеры имеют длину волны 10600 нм – обратная сторона лазера обращена к резонатору и/или может его повредить.

Низкоуглеродистая сталь — самый легко поддающийся лазерной резке металл в мире, она обеспечивает высокое качество резки с большей скоростью и по более низкой цене. Для резки нержавеющей стали требуется на 20-30% больше мощности лазера, чем для резки низкоуглеродистой стали аналогичной толщины, при этом необходима герметизация инертным газом (обычно аргоном) с использованием титана.

Для сравнительного анализа волоконных и CO2-лазерных технологий, ознакомьтесь с разделом « Сравнение волоконных и CO2-лазерных технологий» . Вам также может быть интересно узнать, какие материалы можно маркировать с помощью волоконного лазера и как они сочетаются с различными типами металлов, или посмотреть наш ассортимент лазерных маркировочных машин , способных обрабатывать компоненты из стали, алюминия, меди и титана.

Примечание о возможности вторичной переработки: почти все металлические элементы могут быть переработаны бесконечно, практически не изменяя своих основных свойств. Переработка алюминия требует всего 5% энергии, необходимой для его производства из бокситовой руды, и является одним из самых энергоэффективных изобретенных процессов. Сталь — наиболее перерабатываемый материал в мире по весу.

Часто задаваемые вопросы

Какие 10 типов металлов существуют?

Сколько видов металла существует?

Чем сплавы отличаются от чистых металлов?

Какой тип металла не ржавеет?

Какие виды металлов подлежат переработке?

Какие виды металла можно использовать в 3D-печати?

Металлы, как правило, ковкие и пластичные?