Чёрные металлы — классификация и свойства¶
Чёрные металлы — это группа металлов и их сплавов, основу которых составляет железо; название закрепилось за ними из-за тёмного налёта оксидов, образующегося при коррозии, в отличие от «цветных» металлов, не содержащих железа в основе. К чёрным металлам относятся железо, марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и другие металлы, а также их сплавы — сталь, чугун, ферросплавы. Чёрные металлы обладают ферромагнитными свойствами, высокой прочностью, относительно невысокой стоимостью и широко применяются в строительстве, машиностроении, транспорте и обороне.
¶Классификация
Чёрные металлы подразделяются на две большие группы: собственно железо и его сплавы (стали и чугуны) и легирующие (ферро)металлы, вводимые в сталь для придания ей специальных свойств.
| Группа | Представители | Основное назначение |
|---|---|---|
| Железо и его сплавы | Чугун, сталь, ковкий чугун | Конструкционные детали, каркасы, инструмент |
| Легирующие металлы | Хром, никель, марганец, ванадий, вольфрам, молибден, титан, кобальт | Добавки в сталь для повышения прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости |
| Ферросплавы | Феррохром, ферромарганец, ферросилиций, ферованадий | Раскисление и легирование стали в металлургических печах |
По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 %), среднеуглеродистые (0,25–0,6 %) и высокоуглеродистые (более 0,6 %). Чугун содержит более 2,14 % углерода, из-за чего он хрупок, но обладает высокой литейной текучестью и хорошей износостойкостью.
¶Свойства
Чёрные металлы обладают рядом характеристик, определяющих их широкое применение:
- Ферромагнитность — железо и большинство его сплавов намагничиваются, что позволяет использовать их в электротехнике (сердечники трансформаторов, электродвигателей).
- Высокая прочность и твёрдость — при适当的 легировании и термообработке сталь достигает предела прочности свыше 2000 МПа.
- Теплопроводность и электропроводность — ниже, чем у меди и алюминия, но достаточная для многих технических применений.
- Коррозионная нестойкость — главный недостаток: на воздухе железо покрывается ржавчиной (гидрооксидом железа), поэтому стальные конструкции требуют защиты — покраски, гальванизации, легирования хромом и никелем.
- Сравнительно невысокая стоимость — железо — один из самых распространённых элементов в земной коре (около 5 % по массе), и его добыча и переработка экономически выгодны.
¶Производство
Основа производства чёрных металлов — металлургия железа. Железную руду (магнетит, гематит, сидерит, бурый железняк) восстанавливают в доменных печах коксом; получаемый чугун перерабатывают в сталь в мартеновских, кислородно-конвертерных или электрических печах. В России крупнейшими производителями чёрных металлов являются «Северсталь», «НЛМК», «ММК», «Евраз» и «Мечел».
Мировое производство стали в 2023 году составило около 1,9 млрд тонн; крупнейшим производителем является Китай (более половины мирового выпуска). Россия занимает одно из ведущих мест в мире — порядка 5-го-6-го места по объёму производства, выпуская около 75 млн тонн стали в год.
¶Применение
Чёрные металлы составляют основу мировой металлургии — на их долю приходится более 90 % всех производимых металлов. Сталь применяется в:
- Строительстве — арматура, балки, каркасы зданий, мосты, трубопроводы.
- Машиностроении — двигатели, корпуса, шестерни, инструменты.
- Транспорте — железнодорожные рельсы, кузова автомобилей, корпуса судов.
- Электротехнике — магнитопроводы, сердечники, электромагниты.
- Быту — посуда, ограждения, крепёж, мебельная фурнитура.
Чугун незаменим для литья массивных деталей — блоков цилиндров, корпусов станков, канализационных люков. Высокоуглеродистые и легированные стали идут на изготовление резцов, свёрл, ножей, пружин, рессор, рельсов.
¶История
Выплавка чугуна из руды впервые освоена в Китае в V веке до н. э. В Европе массовое производство чугуна началось в XVI веке, а расцвет чёрной металлургии пришёлся на промышленную революцию XVIII века, когда Мартен, Бессемер и Сименс разработали способы переделки чугуна в сталь. В России крупные заводы — Тульский, Нижнетагильский, Каменский — работали с XVII века; в XIX веке российская металлургия стала одной из крупнейших в мире, а в советское время СССР занимал первое место в Европе по выплавке стали.