Интернет журныл о промышленности в Украине

Сталь (сплав заліза з вуглецем)

Сталь (пол. Stal, від нього. Stahl), що деформується (ковкий) сплав заліза з вуглецем (до 2%) і ін. Елементами. С. - найважливіший продукт чорної металургії , Що є матеріальною основою практично всіх галузей промисловості. Масштаби виробництва С. в значній мірі характеризують техніко-економічний рівень розвитку держави.

Історична довідка. С. як матеріал, який використовується людиною, має багатовікову історію. Найдавніший спосіб отримання С. в тістоподібному стані - сиродутний процес , В основі якого лежало відновлення заліза з руд деревним вугіллям в горнах (пізніше в невеликих шахтних печах). Для отримання литої С. древні майстри застосовували тигельну плавку - розплавлення дрібних шматків С. і чавуну у вогнетривких тиглях. Тигельна С. характеризувалася вельми високою якістю, але процес був дорогим і малопродуктивним. Таким способом виготовляли, зокрема, булат і його різновид - дамаська сталь . Тигля проіснував до початку 20 ст. і був повністю витіснений електроплавку. У 14 ст. виник крічний переділ , Що полягав в рафінуванні заздалегідь отриманого чавуну в т. н. крічном горні (двохстадійний процес з отриманням чавуну і подальшим переділом його в С. є основою і сучасних схем виробництва С.). В кінці 18 ст. початок застосовуватися пудлингование , При якому, як і при крічном переділі, вихідним матеріалом був чавун, а продуктом - тістоподібний метал ( криця ) Якість металу при цьому було вище, а сам процес характеризувався вищою продуктивністю. Пудлінгування зіграло важливу роль в розвитку техніки, проте забезпечити всі зростаючі потреби суспільства в С. не могло. Лише з появою в 2-ій половині 19 ст. бесемерівського процесу і мартенівського процесу (див. мартенівське виробництво ), А потім і томасівського процесу стало можливим масове виробництво литий С. В кінці 19 ст. почала застосовуватися виплавка С. в електричних печах (див. електросталеплавильного виробництва ). До середини 20 ст. чільне місце серед способів виробництва С. займав мартенівський процес, на частку якого припадало близько 80% виплавленої в світі С. В 50-х рр. був впроваджений киснево-конвертерний процес , Причому в подальші роки його роль різко зросла. Поряд із зазначеними способами масового виробництва С. розвиваються дорожчі і менш продуктивні способи, що дозволяють отримувати особливо чистий метал високої якості: вакуумна дугова плавка (див. Дугова вакуумна піч ), Вакуумна індукційна плавка, електрошлаковий переплав , електроннопроменева плавка , Плазмова плавка (див. плазмова металургія ).

Структура і властивості стали. До С. як найважливішому матеріалу сучасної техніки пред'являються різноманітні вимоги, що обумовлює велику кількість марок С., що відрізняються за хімічним складом, структурою, властивостями. Основний компонент С. - залізо. властивий залозу поліморфізм , Т. Е. Здатність кристалічної решітки міняти свою будову при нагріванні і охолодженні, притаманний і С. Для чистого заліза відомі 2 кристалічні решітки - кубічна об'емноцентрірованная (a-залізо, при більш високих температурах d залізо) і кубічна гранецентрированная (g-залізо ). Температури переходу однієї модифікації заліза в іншу (910 ° С і 1400 ° С) називаються критичними точками. Вуглець і ін. Компоненти і домішки С. міняють положення критичних точок на температурній шкалі. Взаємодія вуглецю з модифікаціями заліза приводить до утворення т. Н. твердих розчинів . Розчинність вуглецю в a-заліза дуже мала; цей розчин називається ферритом . В g-заліза, що існує при високих температурах, розчиняється практично весь вуглець, що міститься в С. (межа розчинності вуглецю в g-заліза 2,01%); утворюється розчин називається аустенітом . Зміст вуглецю в С. завжди перевищує його розчинність в a-заліза; надлишковий вуглець утворює із залізом хімічну сполуку - карбід заліза Fe3C, або цементит . Т. о., При кімнатній температурі структура С. складається з частинок фериту і цементиту, присутніх або у вигляді окремих включень (т. Н. Структурно-вільних фериту і цементиту), або у вигляді тонкої механічної суміші, званої перлитом . Загальні відомості про температурні і концентраційні межі існування фаз (фериту, цементіта, перліту і аустеніту) дає діаграма стану сплавів Fe - З (див. Залізовуглецеві сплави ).

Для фериту характерні відносно низькі міцність і твердість, але високі пластичність і ударна в'язкість. Цементіт крихкий, але вельми твердий і міцний. Перліт володіє цінним поєднанням міцності, твердості, пластичності і в'язкості. Співвідношення між цими фазами в структурі С. визначається головним чином вмістом у ній вуглецю; різні властивості цих фаз і обумовлюють різноманіття властивостей С. Так, С., що містить ~ 0,1% С (в її структурі переважає ферит), характеризується великою пластичністю; С. цього типу використовується для виготовлення тонких листів, з яких штампують частини автомобільних кузовів і ін. Деталей складної форми. С., в якій міститься ~ 0,6% С, має зазвичай перлитную структуру; володіючи підвищеною твердістю і міцністю при достатній пластичності і в'язкості, така С. служить, наприклад, матеріалом для ж.-д. рейок, коліс, осей. Якщо С. містить близько 1% З, в її структурі поряд з перлітом присутні частки структурно-вільного цементиту; ця С. в загартованому вигляді має високу твердість і застосовується для виготовлення інструменту. Діапазон властивостей С. розширюється за допомогою легування , а також термічної обробки , хіміко-термічної обробки , термомеханічної обробки металу. Так, при загартуванню С. утворюється метастабільна фаза мартенсит - пересичений твердий розчин вуглецю в a-заліза, що характеризується високою твердістю, але і великою крихкістю; поєднуючи гарт з відпусткою , Можна надати С. необхідне поєднання твердості і пластичності.

Класифікація сталей. В сучасній металургії С. виплавляють головним чином з чавуну і сталевого брухту. За типом сталеплавильного агрегату (кисневий конвертер, мартенівська піч, електрична дугова піч) С. називається киснево-конвертерної, мартенівської або електросталлю. Крім того, розрізняють метал, виплавлений в основній або кислій (по характеру футерування) печі; С. при цьому називається відповідно основній або кислій (наприклад, кисла мартенівська С.).

За хімічним складом С. діляться на вуглецеві і леговані. Вуглецева сталь поряд з Fe і С містить Mn (0,1-1,0%) і Si (до 0,4%), а також шкідливі домішки - S і Р; ці елементи потрапляють в С. у зв'язку з технологією її виготовлення (головним чином з шихтових матеріалів). Залежно від змісту З розрізняють низковуглецеву (до 0,25% С), середньовуглецеву (0,25-0,6% С) і високовуглецеву (більше 0,6% С) С. До складу легованих сталей , Крім зазначених компонентів, входять т. Н. легуючі елементи (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, З і ін.), Які навмисно вводять в С. для поліпшення її технологічних і експлуатаційних характеристик або для додання їй особливих властивостей; легирующими елементами можуть служити також Mn (при вмісті більше 1%) і Si (більше 0,8%). За ступенем легування (т. З. За сумарним вмістом легуючих елементів) розрізняють низьколеговані (менше 2,5%), середньолеговані (2,5-10%) і високолеговані (більше 10%) С. Леговані С. часто називаються по переважаючих в ній компонентів (наприклад, вольфрамова, високохромиста, хромомолібденовая, хромомарганцевонікелевая, хромонікелемолібденованадіевая).

За призначенням С. ділять на наступні основні групи: конструкційні, інструментальні і С. з особливими властивостями. конструкційні стали застосовують для виготовлення будівельних конструкцій, деталей машин і механізмів, суднових і вагонних корпусів, парових котлів та ін. виробів. Конструкційні С. можуть бути як вуглецевими (до 0,7% С), так і легованими (основні легуючі елементи - Cr і Ni). Назва конструкційної С. може відображати її безпосереднє призначення (котельна, клапанна, ресорно-пружинна, суднобудівна, гарматна, снарядна, броньовий і т.д.). інструментальні стали служать для виготовлення різців, фрез, штампів, калібрів і ін. ріжучого, ударно-штампового і вимірювального інструмента. С. цієї групи також можуть бути вуглецевими (зазвичай 0,8-1,3% С) або легованими (головним чином Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Серед інструментальних С. ​​широкого поширення набула швидкоріжуча сталь . До С. з особливими фізичними і хімічними властивостями відносяться електротехнічні стали , нержавіючі стали , Кислотостійкі, окалиностійкі, жароміцні, С. для постійних магнітів і ін. Для багатьох С. цієї групи характерний низький вміст вуглецю і висока ступінь легування.

За якістю С. зазвичай підрозділяють на звичайні (рядові), якісні, високоякісні і особливо високоякісні. Різниця між ними полягає в кількості шкідливих домішок (S і Р) і неметалевих включень . Так, в деяких С. ​​звичайної якості допускається вміст S до 0,055-0,06% і Р до 0,05-0,07% (виняток становить автоматна сталь , Що містить до 0,3% S і до 0,16% Р), в якісних - не більше 0,035% кожного з цих елементів, у високоякісних - не більше 0,025%, в особливо високоякісних - менше 0,015% S. Сірка знижує механічні властивості С., є причиною красноломкості , Т. Е. Крихкості в гарячому стані, фосфор підсилює хладноломкость - крихкість при знижених температурах.

За характером застигання металу у виливниці розрізняють спокійну, полуспокойную і киплячу С. Поведінка металу при кристалізації обумовлено ступенем його розкисленням: чим повніше видалений з С. кисень, тим спокійніше протікає процес затвердіння; при розливанні малораскісленной С. у виливниці відбувається бурхливе виділення бульбашок окислу вуглецю - С. як би «кипить». Полуспокойная С. займає проміжне положення між спокійною і киплячій С. Кожен з цих видів металу має достоїнства і недоліки; вибір технології розкислення і розливання С. визначається її призначенням і техніко-економічними показниками виробництва.

Маркування сталей. Єдиної світової системи маркування С. не існує. В СРСР проведена велика робота по уніфікації позначень різних марок С., що знайшло відображення в державних стандартах і технічних умовах. Марки вуглецевої С. звичайної якості позначаються буквами Ст і номером (Ст0, Ст1, Ст2 і т.д.). Якісні вуглецеві С. маркіруються двозначними числами, що показують середній вміст З в сотих частках відсотка: 05, 08, 10, 25, 40 і т.д. Спокійну С. іноді додатково позначають буквами сп, полуспокойную - пс, киплячу - кп (наприклад, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марці С. вказує на підвищений вміст Mn (наприклад, 14Г, 18Г). Автоматні С. маркуються буквою А (А12, А30 і т.д.), вуглецеві інструментальні С. - буквою У (У8, У10, У12 і т.д. - тут цифри означають вміст С. в десятих частках відсотка).

Позначення марки легованої С. складається з букв, що вказують, які компоненти входять в її склад, і цифр, що характеризують їх середній вміст. В СРСР прийнято єдині умовні позначення хімічного складу С .: алюміній - Ю, бор - Р, ванадій - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, кремній - С, марганець - Г, мідь - Д, молібден - М, нікель - Н , ніобій - Б, титан - Т, вуглець - у, фосфор - П, хром - Х, цирконій - Ц. Перші цифри марки позначають середній вміст З (в сотих частках відсотка для конструкційних С. ​​і в десятих частках відсотка для інструментальних і нержавіючих С.); потім буквою вказаний легуючий елемент і цифрами, наступними за буквою, - його середній вміст. Наприклад, С. марки 3Х13 містить 0,3% С і 13% Cr, С. марки 2X17H2 - 0,2% С, 17% Cr і 2% Ni. При утриманні легуючого елемента менше 1,5% цифри за відповідною буквою не ставляться: так, С. марки 12ХН3А містить менше 1,5% Cr. Буква А в кінці позначення марки вказує на те, що С. є високоякісною, буква Ш - особливо високоякісною. Позначення марки деяких легованих С. ​​включає букву, що вказує на призначення С. (наприклад, ШХ9 - шарикоподшипниковая С. з 0,9-1,2% Cr; Е3 - електротехнічна С. з 3% Si). С., що проходять промислові випробування, часто маркують буквами ЕІ або ЕП (завод «Електросталь»), ДІ (завод «Дніпроспецсталь») або ЗІ (Златоустівський завод) з відповідним черговим номером (ЕІ268). Див. також металургія , сталеплавильне виробництво .

Літ .: Сталеплавильне виробництво. Довідник, під ред. А. М. Самаріна, т. 1-2, М., 1964; Меськин В. C., Основи легування стали, 2 видавництва., М., 1964; Гудремон Е., Спеціальні стали, пер. з нім., 2 вид., т. 1-2, М., 1966; Дреге В., Сталь як конструкційний матеріал, пер. з нім., М., 1967; Гуляєв А. П., Чистий сталь, М., 1975.

С. І. Венецкий.

Сталь в мистецтві. В середні віки славилися арабська зброя і обладунки з С. з плоскими узорами і написами, виконаними гравіюванням або насічкою . Ці прийоми декорировки зброярі середньовічної Європи доповнили карбуванням , Наведенням і поліруванням. З 16 в. в обробці годин, наукових приладів та інструментів з'являється стійка до корозії дзеркальна поліровка, використання якої послужило стимулом для випуску побутових виробів з С. В 18 - початку 19 ст. естетичні властивості С. найяскравіше розкрилися у виробах майстрів Тульського збройового заводу (меблі, дзеркала, самовари, камінні екрани і т.п.). Як вид народної творчості відома з середини 19 ст. Златоустівська гравюра на С. В радянському мистецтві С. знайшла застосування в облицюванні інтер'єрів, а також в скульптурі (В. І. Мухіна, «Робітник і колгоспниця», див. іл.).

Літ .: Тульские «златокузнецов». [Альбом], Л., 1974.

, 1974

Мухіна В. І. «Робітник і колгоспниця». Нержавіюча сталь. 1935-37. Група встановлена ​​перед північним входом ВДНХ в Москві.