Чёрный и цветной металл, отличия и сферы применения

Самым используемым металлом издавна является железо, которое много тысячелетий назад стало главным химическим элементом в развитии человеческой цивилизации. В доисторическую эпоху первобытные люди обнаружили этот элемент как инопланетный — в составе метеоритов. А во времена, когда уже существовала летопись, упоминания о железе появлялись в самых различных рукописных. источниках — от Библии до древнеегипетского папируса времён фараона Тутмоса Третьего.

Какие металлы относятся к чёрным?

Металлы можно классифицировать по физическим и химическим свойствам, характеру залегания в земной коре: лёгкие и тяжёлые, благородные, рассеянные, множество других групп, включая радиоактивные элементы. При этом один и тот же металл может относиться к двум разным группам — например, титан одновременно входит в класс лёгких металлов и является тугоплавким.

Более чёткое деление — на чёрные и цветные металлы. По общей градации чермет это не только чистые элементы, но и сплавы различного состава, включающие железо. В группу цветных металлов входит свыше 70 наименований.

Что относится к чёрным металлам:

Чёрная углеродистая сталь — достаточно прочна для изготовления не только инструментов, но и строительных конструкций. Используется в мосто- и автомобилестроении, в оружейной промышленности.
Чугун — как правило, с содержанием углерода от 2 до 4,3 %. Сфера применения от сковородок до трубопроводов. Недостаток — хрупкость.
Нержавеющая сталь включает кроме железа много элементов, основные из которых хром и никель. Используется там, где нужно минимизировать коррозию — в медицинском оборудовании, химических реакторах, кухонной посуде.
Железоуглеродистый сплав может иметь весьма различные характеристики: они зависят от процентного соотношения углерода и железа.
Ферросплавы (помимо железа и углерода) содержат целый ряд элементов (марганец, фосфор, кремний и прочие). К этой группе относятся и сплавы, в которых процент железа незначителен.

Основная задача молибдена в составе ферросплава — повышение вязкости стали и уменьшение её хрупкости. Большинство железосодержащих сплавов используется для легирования стали, но в зависимости от конкретного элемента (вольфрам, хром, титан) появляются и дополнительные возможности.

Чем отличаются цветные металлы от чёрных

Общий признак цветных металлов — в них отсутствует железо. Сплавы из них известны с времён, когда до появления письменности ещё было очень далеко. Бронза — самый важный и древний из них. В её состав входят медь и олово, возможны другие примеси — марганец и бериллий, хром и кремний, фосфор и свинец.

Уникальные рабочие качества меди подтверждены фактами и вековой историей — в Пирамиде Хеопса есть медные трубы, возраст которых около 5,5 тысяч лет. И они находятся в абсолютно рабочем состоянии. Китайские археологи обнаружили бронзовые изделия третьего тысячелетия до нашей эры с отличной сохранностью. И в наши дни незаменимы трубопроводы из меди — они используются в Японии с её высокими технологиями. Причина: максимальная надёжность при землетрясении.

Промышленность диктует свои правила — популярность чёрных и цветных металлов изменяется в зависимости от конкретных задач. Для авиации необходим алюминий, для химического реактора нержавеющая сталь, а для производства мобильников и ноутбуков — литий, кобальт и галлий.

А вот цинк — не просто цветной металл. Это микроэлемент, который нужен не только технике, но и живому организму. Содержится в самых разнообразных продуктах: мясе и орехах, яйцах и морепродуктах.

Свойства и сферы применения чёрных металлов

Независимо от конкретного состава железосодержащих сплавов, все они обладают универсальными для производства характеристиками:

твёрдость;
устойчивость к механическим воздействиям;
возможность подвергаться сварке и ковке;
демократичная стоимость.
В зависимости от добавок можно изменить технические параметры чёрных металлов, вырабатывая инструментальную или нержавеющую сталь, материалы с усиленной прочностью или сплавы, которые можно без проблем использовать в агрессивной среде.

Основной недостаток чермета — хрупкость, ломкость, невысокая прочность. Проблема решается при помощи специальной обработки. Это может быть целый перечень технологических мероприятий:

от листовой обработки до штамповки;
от гибки до литья;
от прокатки до сварки.

При дополнительной обработке черметов возможно получить не только высокую прочность, но и долговечность материала, коррозионную стойкость и ряд других характеристик.

Когда детали автомобилей и элементы перекрытия мостов, части железнодорожных путей и станков выходят из строя, они не исчезают из промышленного оборота. Металлолом — это лишь новый этап использования чермета. Стойкий и долговечный материал возвращается в производство, превращаясь в строительные конструкции, медицинские инструменты, бытовые приборы.

Сферы применения цветных металлов

Что общего у всех таких разных цветных металлов? Первое — в них нет железа. Второе — они не ржавеют. Третье — у каждого из этих элементов есть собственный цвет. Цветная металлургия — это разнообразие технологических процессов: от прессования до штамповки, от грунтования до сварки и ковки. Каждый вид работ происходит с учётом природных свойств металла — электропроводность, стойкость к агрессивной среде, «поведение» в широком температурном диапазоне:

Благородные цветные металлы характеризуются высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Сфера их использования широка — от ювелирных изделий до лабораторной химической посуды, от термопар до электрических контактов. К ним относятся платина, серебро, золото и пять элементов платиновой группы.
Лёгкие (алюминий, бериллий, калий и прочие) отличаются не только малым весом, но и высокой прочностью. Алюминий и его «одногруппники» — занимают основное место в авиационной и автомобильной промышленности, используются в судостроении, энергетике и электротехнике.
Тугоплавкие, среди которых лидирует вольфрам, применяются в тех же отраслях, что и лёгкие металлы. Но главные их характеристики — стойкость к изнашиванию и высокая температура плавления, что расширяет сферу применения, включая ядерную промышленность. Из них производят проволоку, фольгу, арматуру с универсальными характеристиками.

Всего выделяют несколько групп цветных металлов. Помимо перечисленных, это редкоземельные, радиоактивные, рассеянные, малые, тяжёлые (их производство в мировых масштабах достигает ежегодно несколько миллионов тонн).

Новые технологии

В третьем тысячелетии быстрыми темпами развивается применение цветных металлов. Это не означает, что чермет устарел — просто его функции и возможности хорошо изучены и используются человечеством со стародавних времён. А новые исследования связаны с созданием солнечных батарей, двигателей для самолётов и ракет, высокоскоростных поездов и автомобилей. И здесь необходимы свойства именно цветных металлов.

Становится более эффективной и утилизация. Основные проблемы при переработке — это опасность для экологии и наличие примесей: абсолютно чистые металлы без добавлений используются редко. Возвращение в строй чёрных металлов связано с плавкой при высокой температуре, а работа с цветметом означает несколько этапов: сортировка по составу, разделение по качеству, дробление. Повторная обработка цветных металлов может включать дополнительные шаги — очистку, сортировку по составу и категориям качества.