Перейти к содержимому 
Черные и цветные металлы: Полное руководство для начинающих
Основное физическое различие между черными и цветными металлами - это железо. Черные металлы содержат железо, а цветные - нет. В черных металлах содержание железа велико. В цветных металлах железа почти нет.
Примеры черные металлы:
- Сталь
- Нержа веющая сталь
- Чугун
- и кованого железа.
Примеры цветных металлов:
- Алюминий
- Медь
- Латунь/бронза
- Золото, серебро и платина
- Титан
Это различие имеет значение, потому что последнее, что вы хотите сделать, это выбрать неправильный металл для своего проекта. Ваш выбор влияет на долговечность, производительность и стоимость на протяжении всего срока службы.
Что такое черные металлы?
Для начала вы должны усвоить, что черные металлы - это любые металлы, основным компонентом которых является железо. По весу железо составляет более 50% металла. Такое высокое содержание железа придает этим металлам особую прочность и магнитные свойства.
Первоначально слово “железистый” происходит от латинского слова “ferrum”, что означает железо. Именно поэтому химический символ железа записывается как Fe вместо I. Вы увидите этот латинский корень в каждой книге по науке и металлургии, которую вы прочитаете.
Важные свойства черных металлов
Во-первых, черные металлы обладают магнитными свойствами. Это свойство обусловлено содержанием железа. Такие металлы можно легко притягивать магнитами. Магнитное поле легко выравнивает крошечные электроны железа. Вот почему вы используете магнит, чтобы найти маленький гвоздь в грязи!
Во-вторых, вы увидите, что эти металлы обладают хорошей прочностью и долговечностью. Вы достигаете высокой прочности на разрыв. Благодаря этой прочности черные металлы идеально подходят для строительства зданий, больших мостов и тяжелой техники, которую мы используем в поле.
В-третьих, черные металлы тяжелее и плотнее цветных. Содержание железа увеличивает вес металла. Кроме того, высокое содержание углерода делает большинство черных металлов уязвимыми для ржавчины.
Распространенные виды черных металлов
Углеродистая сталь
В низкоуглеродистой стали низкое содержание углерода, обычно 0,05-0,25%. Этот материал легко сваривается, формуется и обрабатывается. Далее, вы должны выбрать низкоуглеродистую сталь, когда вам нужен конструкционный материал общего назначения.
Многие люди на Reddit спрашивают: “Прочнее ли углеродистая сталь, чем чистое железо?” Конечно, она намного прочнее, потому что углерод действует как клей, который удерживает атомы железа на месте.
Учитывая все вышесказанное, на сайте Quora часто задают вопрос: “Почему моя углеродистая сталь так быстро ржавеет?”. Следовательно, вы должны помнить, что углеродистая сталь не имеет такой защиты хрома, как нержавеющая сталь. Наконец, обязательно нанесите слой масла или краски, чтобы не допустить попадания влаги на металл.
Легированная сталь 4140, 4130, 4340
Обычной углеродистой стали иногда недостаточно для очень быстрых автомобилей и самолетов. Чтобы исправить ситуацию, в нее добавляют специальные элементы, такие как хром, никель и марганец. Эти ингредиенты меняют свойства металла, делая его более прочным против жара реактивного двигателя.
Марка 4140 есть хром и молибден. Он также отличается повышенным содержанием углерода - около 0.40%. Сталь 4140 - лучший выбор для валов и шестерен.
Марка 4130 содержит немного меньше углерода. Благодаря этому она обладает хорошей свариваемостью. Его предпочитают использовать для изготовления конструкций самолетов и каркасов гоночных автомобилей, потому что трубы можно легко соединить с помощью сварочной горелки.
Марка 4340 часто называют королем, поскольку она обеспечивает самую высокую прочность среди обычных легированных сталей. Добавление никеля позволяет добиться превосходной прочности и износостойкости. Люди на Reddit часто спрашивают: “Является ли 4340 лучше, чем 4140?” Конечно, он намного прочнее, но просто убедитесь, что вы правильно термически обработали 4340.
Нержавеющая сталь 304, 316
Вы должны понимать, что нержавеющая сталь - это не обычное железо. Чтобы сделать его “нержавеющим”, необходимо добавить Хром.
Нержавеющая сталь должна содержать не менее 10,5% хрома. Кроме того, если поцарапать металл, хром снова вступает в реакцию с воздухом и мгновенно “заживляет” слой. Вот почему ваши ложки из нержавеющей стали остаются блестящими долгие годы.
Марка 304
Марка 304 содержит:
- 18% Хром
- 8% Никель
В свою очередь, вы получаете отличную коррозионную стойкость, пластичность и свариваемость. Многие люди на форумах по обустройству дома спрашивают: “Какая сталь лучше для кухонной мойки?”. Конечно, ответ почти всегда - сталь марки 304. Она без проблем справляется с мылом, водой и высокой температурой.
Марка 316
Между тем, иногда марки 304 бывает недостаточно. В 316-й класс добавляется специальный элемент, называемый молибденом. Этот дополнительный ингредиент придает металлу превосходную коррозионную стойкость. Вы должны выбрать 316-й класс для морской промышленности, химической обработки и даже медицинских имплантатов.
Обратите внимание, что при наличии хлоридов всегда лучше использовать 316. В соленой воде на 304-м классе могут образовываться крошечные отверстия, называемые “питтингом”, но 316-й класс гораздо лучше противостоит хлоридам и кислотам.
Чугун
После этого чугун содержит углерод 2-4%. Вы получаете материал, который хорошо льется для отливки сложных форм. Высокое содержание углерода делает чугун хрупким по сравнению со сталью, но отлично подходит для нагрузки на сжатие.
Серый чугун содержит хлопья графита, которые обеспечивают хорошие демпфирующие свойства. Из этого материала изготавливают блоки двигателей, станины станков и крышки люков.
Ковкий чугун обладает повышенной пластичностью благодаря специальной обработке. При этом достигаются свойства, близкие к стальным, при сохранении литейных свойств. Этот материал используется в трубах, автомобильных деталях и деталях ветряных турбин.
Кованое железо
Между тем, кованое железо содержит очень мало углерода, часто менее 0,08%. Вы работаете с почти чистым железом, смешанным с волокнистыми включениями шлака.
Волокна шлака при разрушении создают вид древесной текстуры. Достигается высокая пластичность и вязкость. Кованое железо лучше, чем сталь, сопротивляется усталостному растрескиванию. Однако в сравнении со сталью вы жертвуете твердостью и прочностью.
Инструментальная сталь
Наконец, инструментальная сталь представляет собой высокоуглеродистые и легированные марки стали. Вы получаете значения твердости, превышающие 60 HRC после термической обработки. Это позволяет инструментам сохранять острые кромки при высоких нагрузках.
Марки инструментальной стали включают в себя водостойкую, маслостойкую, воздухостойкую и быстрорежущую сталь. Выбор зависит от требований к применению. Водоотверждаемые марки стоят дешевле, но легче растрескиваются.
Быстрорежущая сталь содержит вольфрам, молибден, хром и ванадий. Благодаря этому достигается красная твердость, то есть материал остается твердым даже при высоких температурах.
Что такое цветные металлы?
Цветные металлы представляют собой материалы, не содержащие значительного количества железа. Вы работаете с металлами, содержащими менее 1% железа или вообще не содержащими железа. В своей чистой элементарной форме все металлы, кроме железа, относятся к цветным.
Открытие меди около 5000 лет до н. э. положило конец каменному веку и начало медному. Затем наступил бронзовый век - около 3300 лет до н. э., когда люди научились сплавлять медь с оловом.
Важные свойства цветных металлов
Во-первых, цветные металлы естественным образом противостоят коррозии. Это делает их идеальными для наружного и морского применения.
Во-вторых, эти металлы немагнитны. Вы можете использовать их вблизи чувствительной электроники без магнитных помех. Это полезно для проводки, компьютерных компонентов и научных деталей.
В-третьих, цветные металлы обычно весят меньше, чем черные. Алюминий весит примерно на треть меньше, чем сталь.
Распространенные виды цветных металлов
Алюминий и алюминиевые сплавы
Начнем с того, что алюминий - самый распространенный цветной металл на сегодняшний день. Чистый алюминий мягкий, но его можно значительно укрепить с помощью легирования.
Марка 6061 содержит магний и кремний. Вы получаете хорошую свариваемость, формуемость и умеренную прочность. После этого можно экструдировать 6061 в сложные профили.
В состав сплава 7075 входит цинк для обеспечения максимальной прочности. Вы жертвуете некоторой коррозионной стойкостью ради превосходных механических свойств.
Алюминий естественным образом образует защитный оксидный слой. Это позволяет избежать ржавчины даже в суровых условиях. Для усиления защиты от коррозии материал можно анодировать. Вскоре после контакта с воздухом этот оксидный слой образуется автоматически.
Медь и сплавы на основе меди
Далее, медь обладает наилучшей электропроводностью среди всех распространенных металлов, за исключением серебра. В чистой меди вы получите 100% IACS проводимости.
Материал имеет характерный красновато-оранжевый цвет. Вы можете легко определить медь на глаз. Под воздействием атмосферы медь со временем покрывается зеленой патиной. Эта патина защищает от дальнейшей коррозии.
Медь обладает высокой пластичностью и ковкостью. Этот материал легко поддается операциям формовки, гибки и вытяжки.
Латунь
Латунь - это сплав. В латуни сочетаются медь и цинк, обычно 60-70% меди и 30-40% цинка.
Добавление цинка очень разумно, поскольку повышает прочность металла и снижает стоимость по сравнению с использованием чистой меди.
Кроме того, латунь можно легко обрабатывать в мастерской. Этот материал очень нравится машинистам, поскольку он прекрасно переносит операции резьбы, точения и фрезерования. Он оставляет после себя превосходную поверхность, яркую и профессиональную.
Бронза
Многие люди приходят в замешательство и спрашивают: “Сэр, это Бронза - это то же самое, что и латунь?” В то время как в латуни используется цинк, Бронзовый содержит медь, легированную преимущественно оловом. Это небольшое изменение имеет огромное значение. Вы получаете материал, который еще более твердый и устойчивый к коррозии, чем латунь.
Вести
Свинец - это совсем другой металл. Он очень мягкий. Он также очень плотный и тяжелый, с очень низкой температурой плавления.
Лучшим свойством свинца является его высокая плотность. Эта плотность позволяет ему очень эффективно блокировать рентгеновское и гамма-излучение.
Свинец плавится при температуре всего 621°F. Благодаря этому вы можете легко отливать свинец в формы, используя только базовое оборудование. Его гораздо легче расплавить, чем сталь или медь.
Цинк
Цинк используется в основном в качестве защитного покрытия. Мы окунаем сталь в ванну с жидким цинком. Цинк прилипает к стали, предотвращая появление ржавчины
Цинк имеет низкую температуру плавления - около 787°F. Поэтому литье цинка под давлением используется для производства сложных форм, таких как карбюраторы или небольшие игрушки, с очень низкой стоимостью.
Олово
Особенность металла олова заключается в его низкой токсичности.
Tиз стали с покрытием используется для изготовления жестяных банок, которые мы используем для упаковки продуктов питания. Тонкий слой олова не позволяет железу, содержащемуся в стали, соприкасаться с продуктами. Без олова наши консервированные фрукты и бобы имели бы вкус металла и были бы испорчены ржавчиной!
Титан
Титан - король цветных металлов: Титан. Это высокопроизводительный металл, который так нравится инженерам.
Кроме того, при соприкосновении с воздухом титан мгновенно образует “прочный оксидный слой”. Этот слой даже лучше, чем на нержавеющей стали.
Однако титан стоит значительно дороже стали или алюминия. Этот материал очень трудно добыть из недр земли и очень сложно обработать в мастерской.
Никель
Следовательно, никель может использоваться как в чистом виде, так и в качестве легирующего элемента. Никель добавляют в сталь для получения нержавеющей стали и повышения коррозионной стойкости. Чистый никель устойчив ко многим агрессивным химическим веществам и высоким температурам.
Никелевые сплавы могут работать в экстремальных условиях. Инконель содержит никель, хром и железо и используется в реактивных двигателях и ядерных реакторах. Никелевое покрытие защищает сталь от коррозии.
Золото, серебро, платина
Золото отлично противостоит коррозии и никогда не тускнеет. Золото используется для изготовления ювелирных изделий, электроники и денежных резервов.
Серебро обладает самой высокой электро- и теплопроводностью среди всех металлов. Вы достигаете наилучших характеристик для сильноточных электрических контактов.
Платина устойчива к экстремальным температурам и коррозии. Платину можно встретить в катализаторах, лабораторном оборудовании и медицинских приборах. Этот материал стоит дороже золота, но обладает хорошей химической стойкостью.
Производство черных и цветных металлов
Обработка на ЧПУ
Черные металлы обычно обрабатываются труднее, чем цветные. При резке стали и железа увеличивается износ инструмента. Вы должны использовать керамические или твердосплавные режущие инструменты для производственной обработки. например твердосплавная торцевая фреза, твердосплавные сверла
Свинцовая латунь обрабатывается лучше, чем любой другой металл. Вы достигаете высоких скоростей при отличной обработке поверхности. Частицы свинца разбивают стружку и смазывают режущий инструмент.
Алюминий легко обрабатывается инструментами из быстрорежущей стали и твердого сплава. Скорость обработки выше, чем при обработке стали. Однако мягкий материал может заклинить режущие кромки без правильной геометрии инструмента и смазочно-охлаждающей жидкости.
Алмазные инструменты, в частности Концевые фрезы PCD, Сверла PCDи Расширители PCD, предлагают идеальное решение для высокоточной обработки цветных металлов.
Сварка
Далее, сварка стали - это хорошо изученный процесс. Вы можете выбрать один из многочисленных методов, включая сварку палкой, MIG, TIG и дуговую сварку с порошковым покрытием. Материал легко воспринимает эти процессы при использовании соответствующих технологий.
Сварка алюминия требует более тщательного подхода. Необходимо удалить оксидный слой и использовать защиту инертным газом. Лучше всего подходят процессы TIG или MIG со специализированным оборудованием. Высокая теплопроводность требует большего количества тепла, чем сталь.
Сварка нержавеющей стали требует внимания, чтобы избежать разрушения хрома. Без надлежащей техники вы рискуете получить сенсибилизацию и снизить коррозионную стойкость. Специальные присадочные материалы и тепловой контроль сохраняют свойства в зоне сварки.
Формование и придание формы
При этом низкоуглеродистая сталь допускает холодную штамповку для умеренных радиусов изгиба. Стальные листы можно штамповать, прокатывать и формовать с помощью тормоза. В процессе формовки материал упрочняется, повышая прочность в местах изгиба.
Алюминиевые сплавы сильно различаются по пластичности. Сплавы 3003 и 5052 дают отличные результаты. Однако высокопрочный 7075 требует нагрева для сильных изгибов. При слишком сильной формовке при комнатной температуре материал растрескивается.
Медь и латунь прекрасно поддаются холодной обработке. Вы можете создавать глубоко вытянутые формы и тугие изгибы. Эти материалы допускают кручение и другие специализированные операции формовки. Высокая пластичность предотвращает растрескивание при сильной деформации.
Заключение
Вы выбираете черные металлы, когда вам нужна прочность и низкая цена для больших конструкций. Цветные металлы выбирают, когда нужна защита от ржавчины или небольшой вес для электроники. Понимание этих двух групп поможет вам создавать вещи, которые прослужат долго. Теперь вы можете посмотреть на любой металл и легко отличить черные металлы от цветных.
Вопросы и ответы
1. Что такое 5 цветных металлов?
- Алюминий
- Медь
- Вести
- Никель
- олово, титан и цинк
2. Разница между черными и цветными металлами в табличной форме
Особенность | Черные металлы | Цветные металлы |
Основной состав | Содержат железо | Не содержат железа |
Магнетизм | Магнит | Немагнитный. |
Коррозионная стойкость | Склонны к ржавчине | Высокая устойчивость к ржавчине |
Вес | Обычно тяжелые | Обычно легкие |
Прочность на разрыв | Очень высокий | Варьируется |
Проводимость | Нижний | Отлично |
Стоимость | Как правило, дешевле | Дороже |
3: Как определить, является ли металл черным или нет?
Вот четыре самых надежных способа отличить черный материал от цветного:
- Магнитный тест. Это самый быстрый метод
- Визуальный осмотр
- Испытание искрой
- Вес и звук
