Черные металлы: история, виды, свойства, применение, плюсы и минусы

26.11.2024

Черные металлы — невоспетые герои, которые составляют костяк современного мира. Эти прочные, универсальные материалы на основе железа питают все: от возвышающихся небоскребов до плавно плывущих кораблей и крошечных компонентов вашего смартфона. Строительная и обрабатывающая промышленность в значительной степени зависят от черных металлов из-за их прочности и надежности.

В этом руководстве мы углубимся в мельчайшие подробности о черных металлах, чтобы вы могли понять, что ими движет. Эти железные MVP имеют довольно длинную историю, от их характеристик, включая магнитные свойства и точки плавления, до их ведущих ролей в современных отраслях.

Что такое черные металлы?

Проще говоря, черные металлы — это драгоценные металлы, основным элементом которых является железо. Они составляют 90% всего производства рафинированных металлов в мире, поскольку железо является одним из самых распространенных металлов на Земле. «Ферро» в их названии происходит от латинского слова «железо».

Наряду с железной основой, черные металлы смешиваются с углеродом и другими элементами, такими как хром, никель и марганец, чтобы создать сверхпрочные сплавы, такие как нержавеющая сталь, используемая практически в каждой отрасли. Эти сплавы демонстрируют значительные механические свойства, такие как высокая прочность на разрыв и износостойкость, что делает их незаменимыми в различных областях применения.

Поэтому всякий раз, когда вы видите прочные конструкции, такие как мосты, построенные на века, эти надежные чугунные кастрюли, которые никогда не деформируются на вашей кухне, или даже прочный каркас, скрепляющий ваш матрас, — вам следует поблагодарить черный металл.

Краткая история черных металлов

Люди использовали черные металлы более 5000 лет назад, когда первые кузнецы изготавливали инструменты, украшения, доспехи и оружие из метеоритного железа. Но только около 1200 г. до н. э. древнее сталеплавильное производство позволило людям выплавлять железную руду в пригодные для использования формы. Этот период ознаменовал начало железного века, важной эпохи, которая заложила основу для современного использования черных металлов.

Перенесемся на несколько тысячелетий вперед, и к 19 веку производство черных металлов взлетело во время массового бума железных дорог и небоскребов. Такие инновации, как бессемеровский процесс , позволили производить сталь в больших объемах, что способствовало быстрой индустриализации. В этот период появились различные стальные сплавы, каждый из которых обладал уникальными свойствами для определенных целей.

Когда в 1908 году с конвейеров Ford впервые сошли доступные модели T, детали из углеродистой стали обеспечили их конструкцию и долговечность даже при массовых объемах. Это внедрение низкоуглеродистых сталей произвело революцию в автомобильной промышленности, предложив баланс прочности и пластичности.

Сегодня передовые сплавы и компьютеризированное производство позволяют точно изготавливать все, от гигантских нефтяных вышек до крошечных нанотехнологий. Развитие легированных сталей привело к появлению материалов с повышенной коррозионной стойкостью и более высокой прочностью на разрыв, что необходимо для современной инфраструктуры.

Наиболее распространенные черные металлы

Два самых популярных черных металла — это железо и сталь, но другие виды металлов, включая чугун, кованое железо и различные стальные сплавы, также играют важную роль в строительстве и обрабатывающей промышленности.

Железо

Как базовый элемент всех черных металлов и 4-й по распространенности элемент на Земле, железо отличается исключительной прочностью. Конструкции из почти 100% чистого железа обладают непревзойденной прочностью и толщиной.

Эта природная грубая сила делает чистое железо надежным выбором для следующих применений:

• Чугунные кастрюли, равномерно распределяющие тепло
• Кованая мебель , устойчивая к коррозии
• Конструкционные железные балки, несущие огромный вес

Хотя железо выдерживает время и давление, добавление в смесь других металлов еще больше улучшает ее свойства, что приводит к созданию легированных сталей.

Сталь

Смешивая железо с небольшим количеством углерода (2% или меньше), этот сплав железа и углерода, который мы называем сталью, становится легче и более ковким, чем железо. Различные уровни содержания углерода и примеси металлов, таких как хром, никель и марганец, дают различным типам легированной стали уникальные эксплуатационные преимущества. Например:

• Нержавеющая сталь устойчива к ржавчине и пятнам. Различные типы нержавеющей стали маркируются трехзначным номером AISI, например, AISI-2XX, AISI-3XX и т. д.
• Конструкционная сталь гнется, не ломаясь
• Инструментальная сталь сохраняет форму при высоких температурах

Действительно, смешивание металлических ингредиентов стали обеспечивает индивидуальные решения для бесчисленных применений. Высокоуглеродистые стали, обладающие превосходной твердостью, используются в инструментах и деталях машин, в то время как среднеуглеродистые стали обеспечивают баланс между прочностью и пластичностью.

Помимо железа и стали

Хотя большинство черных металлов составляют железо и углеродистая сталь, другие нишевые виды, такие как литье и кованое железо, также оказывают существенное влияние.

Чугун

Когда железную руду расплавляют и отливают в формы, получаются прочные чугунные детали для тяжелой техники, труб, двигателей и промышленных применений, требующих гашения вибрации. Низкая температура плавления чугуна делает его идеальным для литья сложных форм, хотя он менее пластичен, чем другие черные металлы.

Кованое железо

В отличие от чугуна, кованое железо нагревается и обрабатывается с помощью инструментов для создания различных форм и структур. Кованое железо в основном состоит из железа с примерно 1-2% шлака (смесь оксидов кремния, серы, фосфора и алюминия). Оно мягче и более прочное, чем чугун, что делает его пригодным для декоративных работ и структурных компонентов, где пластичность имеет решающее значение.

Легированные стали

Добавляя такие металлы, как хром, титан и кремний, к углеродистой стали, специально разработанные легированные стали приобретают такие свойства, как термостойкость, износостойкость и дополнительную твердость для использования во всем, от мостов до хирургических инструментов. Эти другие легирующие элементы могут существенно влиять на механические свойства, улучшая эксплуатационные характеристики материала в сложных условиях.

Как производятся черные металлы

Мы не смогли бы наслаждаться многогранным применением черных металлов без шахтеров, добывающих сырьевые черные металлы, и огромных литейных заводов, штампующих очищенные сплавы, такие как легированная сталь и многое другое. Ниже представлен взгляд на то, как железо превращается в сталь:

1. Железная руда, содержащая гематит и магнетит, добывается из подземных шахт или скальных карьеров . В то время как Австралия и Китай лидируют в мировом производстве железа, США, Канада и Индия также добывают значительные объемы.
2. В доменных печах кокс (переработанный уголь) очищает железную руду, превращая ее в жидкий чугун, содержащий около 92–94 % железа. Для осуществления этой реакции восстановления слои железной руды, кокса и известняка нагревают до температуры около 3000 °F.
3. Бессемеровские конвертеры или кислородные конвертеры смешивают жидкий чугун с точным количеством воздуха или чистого кислорода для снижения уровня углерода и производства сырой стали.
4. Легирующие элементы добавляются в расплавленные партии стали для создания желаемых марок, используемых для автомобильной, конструкционной или нержавеющей стали. Электродуговые печи напрямую плавят переработанный стальной лом для производства новой стали.
5. Непрерывное литье превращает охлажденную сталь в предварительные слябы, блюмы или заготовки, которые впоследствии легко нагреваются и прокатываются в готовые детали, такие как двутавровые балки, инструменты или приборы, в зависимости от области применения.

Свойства и характеристики черных металлов

Черные металлы обладают уникальными свойствами, которые определяют их идентичность и ценность в различных отраслях промышленности. К ним относятся следующие:

• Магнитные свойства с точки зрения притяжения, обусловленные атомной структурой железа
• Механические свойства, а именно высокая твердость и прочность на разрыв за счет смешивания с углеродом
• Прочность и износостойкость, обеспечивающие длительный срок службы
• Отличная тепло- и электропроводность (кроме нержавеющей стали)

Это сочетание полезных качеств делает черные металлы MVP производства и структурной целостности. Свойства черных металлов, такие как пластичность и коррозионная стойкость, обеспечивают их широкое применение во многих строительных материалах и инструментах.

Основные области применения и использования черных металлов

С большой прочностью на растяжение приходят большие применения. Вот практические применения черных металлов.

1. Строительство и инфраструктура

От возвышающихся городских горизонтов до плавных расширений автомагистралей, черные металлы образуют прочные скелетные рамы, удерживающие цивилизации вместе. Сталь дает нам следующее:

• Армирование бетона
• Структурные опорные балки
• Упругие каркасы зданий

2. Транспорт

Когда вы едете или летите к месту назначения, вы должны поблагодарить черные металлы за то, что они доставили вас туда быстро и безопасно. Железо и сталь делают транспорт возможным, позволяя нам создавать следующее:

• Кузова и двигатели транспортных средств
• Рамы и компоненты самолетов
• Железнодорожные пути и грузовые контейнеры

3. Энергия

Бурение для трубопроводов или ископаемого топлива зависит от прочных черных металлов, которые могут выдерживать жар. Они позволяют строить следующее:

• Морские нефтяные вышки и платформы
• Транспортировка газа по трубопроводу
• Паровые и гидроэлектрические турбины

4. Бытовая техника и электроника

Даже создание небольших гаджетов и товаров, которые улучшают быт, требует использования прочных черных металлов. Применения включают следующее:

• Внутренние рамы, катушки и двигатели
• Корпуса и внутренние части компьютеров
• Камеры для микроволновых печей и посудомоечных машин

Преимущества и недостатки черных металлов

Вот плюсы и минусы черных металлов.

Плюсы

• Прочность: Непревзойденная прочность черных металлов гарантирует, что изделия и конструкции, изготовленные из них, прослужат долгие годы, демонстрируя высокую надежность и устойчивость, что соответствует требованиям отрасли.
• Доступность: Поскольку железная руда и уголь широко доступны по всему миру, производство черных металлов масштабируется в огромных масштабах, чтобы удовлетворить потребности в потреблении во всех обществах. Экономия масштаба делает черные металлы доступными вариантами.
• Перерабатываемость. В отличие от пластика и древесины, гниющих на свалках, черные металлы постоянно перерабатываются и восстанавливаются, не теряя своей прочности. Их замкнутый жизненный цикл набирает очки устойчивости.

Минусы

• Вес: Чистое железо и углеродистая сталь имеют гораздо более высокую плотность, чем альтернативные металлы, такие как алюминий, что означает более тяжелый продукт и более дорогую доставку.
• Коррозионная стойкость: открытая сталь со временем подвергается коррозии под воздействием окружающей среды из-за окисления и накопления ржавчины, если не используется надлежащим образом оцинкованная или нержавеющая сталь.
• Охрупчивание: Сталь может потерять способность к адаптации со временем и под воздействием повторяющихся нагрузок, становясь жесткой и хрупкой, если не принять меры предосторожности в ходе производственных процессов.
• Переработка черных металлов и устойчивое развитие

Переработка черных металлов и устойчивое развитие

Одним из ярких преимуществ черных металлов является ответственное воздействие на окружающую среду за счет переработки. Около 70% всей стали и железа перерабатывается — больше, чем бумага, пластик и алюминий вместе взятые.

Вместо того, чтобы корродировать на свалках, восстановленные черные металлы из выброшенных автомобилей в снесенные здания быстро переплавляются в электродуговых печах, минуя этапы добычи и переработки. Этот циклический жизненный цикл пропускает половину выбросов углерода и энергетических потребностей первичного производства. Цена приема лома черного металла растет с каждым годом, что стимулирует интерес к его переработке.

Заключение

От древних кузнецов, ковавших метеоритное железо для изготовления оружия, до современных сталелитейных заводов, обеспечивающих более устойчивое развитие обществ, изделия из черных металлов поддерживают прогресс человечества благодаря своей непревзойденной полезности, сочетанию прочности, ценности и изобилия.

Но как бы чудесны ни были ферросплавы, продолжающие расширять возможности современной жизни, они также сталкиваются с проблемами производства и выбросов, требующими более чистых прорывов по мере роста населения. К счастью, увеличение циклов переработки плюс появляющиеся водородные и электротехнические методы производства стали могут помочь декарбонизировать жизненные циклы черных металлов, чтобы сохранить этот жизненно важный промышленный ресурс для будущих поколений.

Так что в следующий раз, когда вы возьмете лопату с рамой из нержавеющей стали, поедете на лифте, укрепленном железом, или увидите, как за окном вашего поезда проносятся перекрещенные стальные опоры моста, уделите секунду тому, чтобы оценить весь сплав науки, труда и дальновидного духа, воплощенный в этих прочных конструкциях из черного металла.

Наш комфортный образ жизни зависит от них больше, чем когда-либо.