Чёрные и цветные металлы: полное руководство для начинающих

Чёрные металлы имеют железную основу. Цветные основаны на других металлах, хотя могут содержать железо как добавку или примесь. Одна классификация не определяет прочность, коррозионную стойкость или магнитные свойства.

Примеры чёрных металлов:

1. Сталь
2. Нержавеющая сталь
3. Чугун
4. и ковкое железо.

Примеры цветных металлов:

1. Алюминий
2. Медь
3. Латунь/бронза
4. Золото, серебро и платина
5. Титан

Различие важно, чтобы не выбрать неверный металл для проекта. Выбор влияет на долговечность, работу и затраты весь срок службы.

В чёрных металлах железо является основой. Не выводите механические или магнитные свойства по одному процентному порогу; важны состав, микроструктура и состояние.

Слово ferrous происходит от латинского ferrum — железо. Поэтому химический символ железа записывается как Fe вместо I. Этот латинский корень встречается в научных и металлургических книгах.

Многие стали сильно магнитятся, но некоторые железные сплавы, включая распространённые аустенитные нержавеющие стали, могут слабо реагировать на магнит. Один магнитный тест не определяет сплав.

Чёрные материалы включают марки для конструкций и машин. Прочность и долговечность зависят от марки, состояния, проекта и среды.

Плотность и коррозия зависят от сплава. Некоторые цветные металлы плотнее стали. Склонность к ржавлению нельзя объяснять просто высоким содержанием углерода.

Мягкие стали обычно низкоуглеродистые; 0.05-0.25% — приблизительный диапазон, а не универсальная спецификация. Проверяйте марку по требованиям сварки, формовки, обработки и конструкции.

Углерод и микроструктура повышают прочность стали относительно чистого железа. Углерод не склеивает атомы; свойства зависят от состава и обработки.

Углеродистой стали во влажной среде может требоваться защита. Выбирайте покрытие под условия, не считая любое масло или краску достаточными.

Хром, никель, марганец и другие добавки меняют свойства стали. Выбирайте проверенные марку и термообработку под задачу; название «легированная сталь» не подтверждает пригодности для реактивного двигателя.

Марка 4140 содержит хром и молибден, с номинальным содержанием углерода около 0.40%. Применяется для валов и шестерён, когда заданное состояние соответствует конструкции.

Марка 4130 имеет меньшее номинальное содержание углерода, чем 4140. Свариваемость и пригодность для конструкций зависят от сечения, состояния и аттестованной технологии сварки.

Марка 4340 — никель-хром-молибденовая сталь, свойства которой зависят от термообработки. 4340 лучше 4140? Сравнивайте требуемые прочность, вязкость, размер и обработку, не предполагая универсального превосходства.

Нержавеющая сталь — не просто обычное железо. Чтобы сделать её нержавеющей, добавляют хром.

Нержавеющие стали содержат не менее 10.5% хрома. Пассивная плёнка восстанавливается в подходящих условиях, но загрязнения и агрессивная среда вызывают коррозию.

Марка 304

Марка 304 содержит:

• 18% хрома
• 8% Никель

Марка 304 применяется в кухонном оборудовании и многих общих задачах. Проверяйте рабочие химические среды, температуру, поверхность и изготовление, не предполагая беспроблемной эксплуатации.

Марка 316

Марка 316 содержит молибден и лучше сопротивляется некоторым локальным видам коррозии, чем Grade 304. Морские, химические и медицинские задачи требуют правильной спецификации и оценки условий.

Марка 316 не невосприимчива к хлоридам, а 304 подходит некоторым менее агрессивным условиям. Выбирайте по концентрации, температуре, щелям и поверхности; стойкость к кислоте также зависит от среды.

Чугуны обычно содержат около 2–4% углерода, но серый, высокопрочный и другие типы различаются. Важны форма графита и матрица; хрупкость не одинакова.

Серый чугун содержит пластинчатый графит, обеспечивающий хорошее демпфирование. Он применяется в блоках двигателей, станинах станков и крышках люков.

Высокопрочный чугун получает повышенную пластичность специальной обработкой. Он приближается по свойствам к стали, сохраняя литейность. Применяется в трубах, автомобильных деталях и узлах ветротурбин.

Ковкое железо содержит очень мало углерода, часто менее 0.08%. Это почти чистое железо с волокнистыми шлаковыми включениями.

Волокнистые шлаковые включения придают кричному железу волокнистый излом и направленные свойства. Не предполагайте лучшей усталостной стойкости относительно любой стали; оценивайте состояние, дефекты и нагрузку.

Некоторые инструментальные стали могут превышать 60 HRC после подходящей термообработки. Твёрдость согласуют с вязкостью и применением; это не свойство любой инструментальной стали.

Инструментальные стали включают марки под разные способы упрочнения и применения. Стоимость, деформация и риск трещин зависят от марки, геометрии и термообработки.

Марки быстрорежущей стали имеют разные сочетания легирования для сохранения твёрдости при нагреве. Не каждая содержит одинаковые количества вольфрама, молибдена, хрома и ванадия.

Цветные материалы основаны на металле, отличном от железа. Некоторые содержат намеренные добавки или остаточное железо, поэтому предел менее 1% не универсальное определение.

Использование меди и производство бронзы развивались в регионах в разное время. Названия археологических периодов не задают единую мировую дату перехода.

Коррозионная стойкость цветных сплавов сильно различается по составу и среде. Для наружной или морской эксплуатации выбирайте подходящую марку и защиту поверхности.

Цветной не означает немагнитный: никель и кобальт — известные исключения. Проверяйте магнитные свойства, если этого требуют электроника или приборы.

Алюминий намного менее плотен, чем сталь, но медь, свинец и другие цветные металлы не являются лёгкими заменами. Сравнивайте плотность конкретного сплава.

Алюминий — наиболее используемый сегодня цветной металл. Чистый алюминий мягкий, но легирование значительно повышает прочность.

Сплав 6061 содержит магний и кремний, обеспечивает хорошие свариваемость и формуемость и умеренную прочность. Из 6061 можно прессовать сложные профили.

7075 — высокопрочный алюминиевый сплав с цинком. Прочность, коррозионная стойкость и формуемость зависят от состояния и спецификации поставки.

Алюминий образует оксидную плёнку, но может корродировать. Подходящее анодирование улучшает защиту; выбирайте обработку под сплав и среду.

Медь обладает высокой электропроводностью. Эталон 100% IACS не означает точно такой проводимости любого медного продукта или сплава; важны состояние и температура.

Медь часто красноватая и при атмосферном воздействии покрывается патиной. Один цвет не позволяет надёжно определить сплав; коррозионные свойства зависят от среды.

Медь очень пластична и ковка, хорошо поддаётся формованию, гибке и волочению.

Латуни — медно-цинковые сплавы разного состава. Диапазоны 60–70% меди и 30–40% цинка описывают некоторые распространённые составы, а не всю группу.

Добавление цинка повышает прочность и снижает стоимость по сравнению с чистой медью.

Некоторые латуни легко обрабатываются, но обрабатываемость и поверхность зависят от состава, состояния, инструмента и режимов.

Является ли бронза тем же, что латунь? Нет: латунь — группа медно-цинковых сплавов, тогда как бронза включает оловянные бронзы и другие семейства медных сплавов. Сравнивайте конкретные марки, не считая любую бронзу более твёрдой или коррозионностойкой.

Свинец сильно отличается: он очень мягкий, плотный и тяжёлый, с очень низкой температурой плавления.

Плотность свинца полезна в некоторых системах защиты от излучения. Требуемые толщина и эффективность зависят от энергии излучения и всей защитной системы.

Свинец плавится при 621°F. Поэтому его легко отливать в формы на простом оборудовании. Плавить его гораздо легче, чем сталь или медь.

Цинк прежде всего служит защитным покрытием. Сталь погружают в расплав цинка; он закрепляется на ней, предотвращая ржавление

Цинк имеет низкую температуру плавления около 787°F. Литьё цинка под давлением позволяет экономично получать сложные формы, например карбюраторы и небольшие игрушки.

Олово применяется в некоторых покрытиях и сплавах. Пригодность устанавливают для фактического состава и условий службы.

Лужёную сталь используют для пищевой упаковки. Пригодность определяется целостностью покрытия, внутренним лаком, если задан, химией продукта и требованиями упаковки.

Титан и его сплавы сочетают прочность, плотность и коррозионную стойкость для определённых инженерных задач.

Титан образует защитную оксидную плёнку. Стойкость зависит от среды и не всегда выше, чем у любой нержавеющей стали.

Однако титан значительно дороже стали и алюминия. Его трудно извлекать из сырья и сложно обрабатывать.

Никель служит основным металлом и легирующим элементом. Он входит во многие нержавеющие и коррозионностойкие сплавы, но центральную роль в пассивности нержавейки играет хром; работа зависит от полного состава.

Никелевые сплавы включают марки для высоких температур и коррозионных сред. Inconel — семейство разных составов; выбирайте конкретный сплав, а не воспринимайте название как один материал. Никелевые покрытия тоже требуют правильного проектирования и нанесения.

Золото ценят за коррозионную стойкость в отдельных ювелирных и электронных применениях. Поведение золотых сплавов и покрытых деталей зависит от состава и качества покрытия.

Серебро обладает очень высокой электро- и теплопроводностью. Работа контактов также зависит от поверхности, износа, температуры и конструкции.

Платину применяют в катализаторах, лабораториях и некоторых медицинских задачах. Оценивайте нужную спецификацию и текущую стоимость; она не всегда дороже золота.

Обрабатываемость зависит от сплава, состояния и операции, а не только группы чёрных металлов. Варианты включают подходящие твердосплавные режущие инструменты например, твердосплавная концевая фреза и твердосплавные свёрла; другие инструментальные материалы также могут подходить.

Свинцовистые автоматные латуни хорошо обрабатываются, но ни одна марка не лучшая для всех операций. Проверяйте ограничения состава и подтверждайте режимы для детали.

Обрабатываемость алюминиевых сплавов различается. Согласуйте материал инструмента, геометрию кромки и смазку со сплавом, включая абразивные составляющие и склонность к налипанию.

Алмазные инструменты, включая концевые фрезы PCD, свёрла PCD, а также развёртки PCD, подходят для некоторых цветных материалов. Совместимость, геометрию и экономику проверяют для конкретного материала и операции.

Сварка стали хорошо изучена. Доступны ручная дуговая, MIG, TIG и порошковой проволокой. При правильной технологии материал хорошо сваривается.

Для сварки алюминия выбирайте аттестованные процесс, очистку, защиту и присадку под сплав и соединение. TIG и MIG распространены, но фиксированное сравнение тепловложения не относится к любым стальным и алюминиевым соединениям.

При сварке нержавеющей стали важно избегать обеднения хромом. Неправильная технология вызывает сенсибилизацию и снижение коррозионной стойкости. Подходящие присадочные материалы и управление нагревом сохраняют свойства сварной зоны.

Мягкая сталь допускает холодную формовку с умеренным радиусом гиба. Листы штампуют, прокатывают и гнут. При формовке материал наклёпывается, увеличивая прочность согнутых участков.

Формуемость алюминия зависит от сплава и состояния. Сравнивайте 3003, 5052 и 7075 в заданных состояниях; сильная гибка не оправдывает непроверенный нагрев и не гарантирует отсутствия трещин.

Медь и латуни различаются холодной формуемостью. Выбирайте состояние, радиус гиба и промежуточную обработку под деформацию; высокая пластичность не исключает трещин.

Выбирайте конкретный сплав и состояние по прочности, коррозии, массе, технологии и стоимости. Чёрные и цветные металлы — широкие категории, а не полный метод выбора; один внешний вид не определяет каждый металл.

1. Алюминий
2. Медь
3. Свинец
4. Никель
5. олово, титан и цинк

Следующие признаки помогают предварительно оценить неизвестный металл, но не заменяют сертификата или анализа состава. Применяйте подходящий контролируемый способ идентификации.

1. Проба магнитом — самый быстрый метод
2. Визуальный осмотр
3. Искровая проба
4. Масса и звук