СТАЛЬ (СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ)

СТАЛЬ (СПЛАВ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ)

Историческая справка. С. как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения С. в тестообразном состоянии ‒ сыродутный процесс , в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой С. древние мастера применяли тигельную плавку ‒ расплавление мелких кусков С. и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная С. характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность ‒ дамасскую сталь . Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел , заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в т. н. кричном горне (двухстадийный процесс с получением чугуна и последующим переделом его в С. является основой и современных схем производства С.). В конце 18 в. начало применяться пудлингование , при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом ‒ тестообразный металл ( крица ) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью.Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в С. не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса (см. Мартеновское производство ), а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой С. В конце 19 в. начала применяться выплавка С. в электрических печах (см. Электросталеплавильное производство ). До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства С. занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире С. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс , причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства С. развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь ), вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав , электроннолучевая плавка , плазменная плавка (см. Плазменная металлургия ).

Структура и свойства стали. К С. как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок С., отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент С. ‒ железо. Свойственный железу полиморфизм , т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и С. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки ‒ кубическая объёмноцентрированная (a-железо, при более высоких температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная (g-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси С. меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов . Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом . В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в С. (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор называется аустенитом . Содержание углерода в С. всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение ‒ карбид железа Fe 3 C, или цементит . Т. о., при комнатной температуре структура С. состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом . Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, перлита и аустенита) даёт диаграмма состояния сплавов Fe ‒ С (см. Железоуглеродистые сплавы ).

Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре С. определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств С. Так, С., содержащая

0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; С. этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. С., в которой содержится

0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая С. служит, например, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей. Если С. содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта С. в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента. Диапазон свойств С. расширяется с помощью легирования , а также термической обработки , химико-термической обработки , термомеханической обработки металла. Так, при закалке С. образуется метастабильная фаза мартенсит ‒ пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском , можно придать С. требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Классификация сталей. В современной металлургии С. выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) С. называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; С. при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская С.).

По химическому составу С. делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с Fe и С содержит Mn (0,1‒1,0%) и Si (до 0,4%), а также вредные примеси ‒ S и Р; эти элементы попадают в С. в связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов). В зависимости от содержания С различают низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25‒0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С) С. В состав легированных сталей , помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Со и др.), которые намеренно вводят в С. для улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств; легирующими элементами могут служить также Mn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%). По степени легирования (т. с. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5‒10%) и высоколегированные (более 10%) С. Легированные С. часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению С. делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и С. с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные С. могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы ‒ Cr и Ni). Название конструкционной С. может отражать её непосредственное назначение (котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.). Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. С. этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8‒1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных С. широкое распространение получила быстрорежущая сталь . К С. с особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали , нержавеющие стали , кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, С. для постоянных магнитов и др. Для многих С. этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству С. обычно подразделяют на обыкновенные (рядовые), качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений . Так, в некоторых С. обыкновенного качества допускается содержание S до 0,055‒0,06% и Р до 0,05‒0,07% (исключение составляет автоматная сталь , содержащая до 0,3% S и до 0,16% Р), в качественных ‒ не более 0,035% каждого из этих элементов, в высококачественных ‒ не более 0,025%, в особо высококачественных ‒ менее 0,015% S. Сера снижает механические свойства С., является причиной красноломкости , т. е. хрупкости в горячем состоянии, фосфор усиливает хладноломкость ‒ хрупкость при пониженных температурах.

По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую С. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из С. кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной С. в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода ‒ С. как бы «кипит». Полуспокойная С. занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей С. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки С. определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей. Единой мировой системы маркировки С. не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок С., что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой С. обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые С. маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную С. иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную ‒ пс, кипящую ‒ кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке С. указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные С. маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные С. ‒ буквой У (У8, У10, У12 и т.д. ‒ здесь цифры означают содержание С. в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной С. состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения химического состава С.: алюминий ‒ Ю, бор ‒ Р, ванадий ‒ Ф, вольфрам ‒ В, кобальт ‒ К, кремний ‒ С, марганец ‒ Г, медь ‒ Д, молибден ‒ М, никель ‒ Н, ниобий ‒ Б, титан ‒ Т, углерод ‒ У, фосфор ‒ П, хром ‒ Х, цирконий ‒ Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных С. и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих С.); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,‒ его среднее содержание. Например, С. марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Cr, С. марки 2X17H2 ‒ 0,2% С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, С. марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что С. является высококачественной, буква Ш ‒ особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных С. включает букву, указывающую на назначение С. (например, ШХ9 ‒ шарикоподшипниковая С. с 0,9‒1,2% Cr; Э3 ‒ электротехническая С. с 3% Si). С., проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь»), ДИ (завод «Днепроспецсталь») или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268). См. также Металлургия , Сталеплавильное производство .

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1‒2, М., 1964; Меськин В. C., Основы легирования стали, 2 изд., М., 1964; Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1‒2, М., 1966; Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.

Сталь в искусстве. В средние века славились арабское оружие и доспехи из С. с плоскими узорами и надписями, выполненными гравированием или насечкой . Эти приёмы декорировки оружейники средневековой Европы дополнили чеканкой , наводкой и полировкой. С 16 в. в отделке часов, научных приборов и инструментов появляется устойчивая к коррозии зеркальная полировка, использование которой послужило стимулом для выпуска бытовых изделий из С. В 18 ‒ начале 19 вв. эстетические свойства С. наиболее ярко раскрылись в изделиях мастеров Тульского оружейного завода (мебель, зеркала, самовары, каминные экраны и т.п.). Как вид народного творчества известна с середины 19 в. златоустовская гравюра на С. В советском искусстве С. нашла применение в облицовке интерьеров, а также в скульптуре (В. И. Мухина, «Рабочий и колхозница», см. илл. ).

5 Сплавы железа с углеродом

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представ­ление о строении основных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.

Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов же­леза с углеродом. Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539 °С, плотность 7,83 г/см3. Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃С. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характе­ризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой плас­тичностью и хрупкостью.

Ферритом называется твердый раствор углерода к α- железе. Со­держание углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727 °С. Благодаря столь малому содержанию угле­рода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твер­дость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высоко­температурной модификации Fe_α (т. е. в Fe_δ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.

Аустенит — это твердый раствор углерода в γ- железе. Макси­мальное содержание углерода в аустените составляет 2,14 % (при температуре 1147 °С). Имеет твердость НВ 220.

Перлит — это механическая смесь феррита с цементитом. Со­держит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующих­ся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид— это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Рекомендуемые файлы

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3 % углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С. При температуре 727 °С аустенит, входя­щий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой темпе­ратуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит пер­вичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

Диаграмма Fе-Fе₃С. На рис. 13 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67 %. Левая вертикальная ось соответствует 100 % содержанию железа. На ней отложены темпера­тура плавления железа и температуры его полиморфных превраще­ний. Правая вертикальная ось (6,67 % углерода) соответствует 100 % содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы при­нято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

Линия АВСД диаграммы является линией ликвидус. На ней на­чинается кристаллизация: на участке АВ — феррита, ВС — аустенита и СД — первичного цементита. Линия AHJECF является лини­ей солидус диаграммы.

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания угле­рода делятся на техническое железо (до 0,02 % С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67 % С). Сталь, содержащая до 0,8 % С называется доэвтектоидной, 0,8 % С — эвтектоидной и свыше 0,8 % С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3 % С называется доэвтектическнм, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67 % С — заэвтектическим.

Структура технического железа представляет собой зерна фер­рита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распреде­ленных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит толь­ко из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вто­ричного цементита. Дня чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектического — из ледебури­та и заэвтектического — из ледебурита и первичного цементита.

Значение диаграммы железо — цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить ре­жимы термической обработки для изменения свойств сталей.

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углеро­да содержится не более 2,14%. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5 %.

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном измене­нии его содержания. В стали имеются две фазы — феррит и цементит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода.Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а це­ментит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердо­стью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2 % снижают­ся пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость реза­нием ухудшаются, по литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особен­ностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные при­меси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FеО. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом содер­жание марганца обычно не превышает 0,8 %, а кремния — 0,4 %. Марганец повышает прочность, а кремний упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристалли­ческую решетку, снижая при этом пластичность и вязкость, но по­вышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состоя­ние, т.е. вызывает ее хладноломкость. Вредность фосфора усугубля­ется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. По­этому содержания фосфора в стали ограничивается величиной 0,045 %.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по гра­ницам зерен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ог­раничивается 0,05 %.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших ко­личествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свой­ства стали.

Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси и легированными, содержащими дополнительно легирующие элемен­ты, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 … 0,7 % С) и высокоуглеро­дистые (более 0,7 % С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инстру­ментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавею­щие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми элект­рическими и магнитными свойствами и др..

По показателям качества стали классифицируются на обыкно­венного качества, качественные, высококачественные и особо высо­кокачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим соста­вом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны со­держать не более 0,045 % Р и 0,05 % S, качественные — не более 0,035 % Р и 0,04 % S, высококачественные — не более 0,025 % Р и 0,025 % S и особо высококачественные — не более 0,025 % Р и 0,015 % S.

Углероди­стые конструкционные стали могут быть только обыкновенного ка­чества и качественными.

Качественные конструкционные углеродистые стати маркируют­ся цифрами 08, 10, 15, 20, 25, . 85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали отличаются от сталей обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества макси­мальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она достигает 1100 МПа. Более подробно они будут рассмотрены совместно с конструкционными легированными сталями (см. раздел 5.1.).

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5 %. В качестве примесей чугун содержит Si, Мn, S и Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В бе­лом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде це­ментита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fе—Fе₃С. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, вклю­чения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопь­евидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высоко­прочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не ис­пользуется и применяется как предельный чугун, т.е. идет на произ­водство стали. Для деталей с высокой износостойкостью использу­ется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изго­товление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включени­ям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостой­кость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения умень­шают прочность.

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состо­ит из металлической основы и графитных включений. По металли­ческой основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлит­ный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер ме­таллической основы влияет на механические свойства чугунов: проч­ность и твердость выше у перлитных, а пластичность — у ферритных.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Струк­тура серого чугуна схематически изображена на рис. 14,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.

На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, пер­литный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способ­ствуют графитизации углерод и кремний.

Кремния содержится в чу­гуне от 0,5 до 5 %. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механичес­кие и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической ос­новой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитные включе­ния можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими ме­таллическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наибо­лее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности сре­ди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графит­ных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет σ_в=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20. . СЧ 45.

Обратите внимание на лекцию «4 OpenGL».

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включе­ния. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 14,б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун неболь­шого количества щелочных или щелочноземельных металлов, кото­рые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется уве­личением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07 %. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ос­лабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т. д.

Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности и десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет σ_в = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 14, в). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига, ко­торый заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при темпера­туре 950…970 °С. Если после этого чугун охладить, то получается ков­кий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20 %) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного пре­вращения (720…760 °С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металли­ческая основа которого состоит из феррита и очень небольшого ко­личества перлита (до 10 %). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, пока­зывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и от­носительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет σ_в = 450 МПа и δ= 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей неболь­шого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Сталь (сплав железа с углеродом)

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. С. — наиболее значимый продукт тёмной металлургии, являющийся материальной базой фактически всех индустрии.

Масштабы производства С. в значительной мере характеризуют технико-экономический уровень развития страны.

Историческая справка. С. как материал, применяемый человеком, имеет многовековую историю. самый древний метод получения С. в тестообразном состоянии — сыродутный процесс, в базе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в маленьких шахтных печах). Для получения литой С. древние мастера использовали тигельную плавку — расплавление небольших кусков С. и чугуна в огнеупорных тиглях.

Тигельная С. характеризовалась высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким методом изготовляли, например, его разновидность и булат — дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой.

В 14 в. появился кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно взятого чугуна в т. н. кричном горне (двухстадийный процесс с последующим переделом и получением чугуна его в С. есть базой и современных схем производства С.). В конце 18 в. начало использоваться пудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом — тестообразный металл (крица) уровень качества металла наряду с этим было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью.

Пудлингование сыграло ключевую роль в развитии техники, но обеспечить всё возраставшие потребности общества в С. не имело возможности. Только с возникновением во 2-й половине 19 в. бессемеровского и мартеновского процесса(см. Мартеновское производство), а после этого и томасовского процесса произошло массовое производство литой С. В конце 19 в. начала использоваться выплавка С. в электрических печах (см.

Электросталеплавильное производство). До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства С. занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире С. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль быстро возросла.

Наровне с указанными методами массового производства С. развиваются более дорогие и менее производительные методы, разрешающие приобретать очень чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь), вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка (см. Плазменная металлургия).

свойства и Структура стали. К С. как серьёзному материалу современной техники предъявляются разнообразные требования, что обусловливает много марок С., отличающихся по составу, структуре, особенностям. Главный компонент С. — железо.

Характерный железу полиморфизм, т. е. свойство кристаллической решётки поменять собственное строение при охлаждении и нагреве, свойствен и С. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки — кубическая объёмноцентрированная (a-железо, при более больших температурах d-железо) и кубическая гранецентрированная (g-железо). температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) именуются критическими точками. Углерод и др. примеси и компоненты С. меняют положение критических точек на температурной шкале.

Сотрудничество углерода с модификациями железа ведет к образованию т. н. жёстких растворов. Растворимость углерода в a-железе мала; данный раствор именуется ферритом. В g-железе, существующем при больших температурах, растворяется фактически целый углерод, содержащийся в С. (предел растворимости углерода в g-железе 2,01%); образующийся раствор именуется аустенитом.

Содержание углерода в С. постоянно превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe3C, либо цементит. Т. о., при комнатной температуре структура С. складывается из цементита и частиц феррита, присутствующих или в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных цементита и феррита), или в виде узкой механической смеси, именуемой перлитом.

Неспециализированные сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, аустенита и перлита) даёт диаграмма состояния сплавов Fe — С (см. Железоуглеродистые сплавы).

Для феррита свойственны довольно низкие твёрдость и прочность, но высокие ударная вязкость и пластичность. Цементит хрупок, но очень жёсток и прочен. Перлит владеет полезным сочетанием прочности, твёрдости, вязкости и пластичности.

Соотношение между этими фазами в структуре С. определяется в основном содержанием в ней углерода; разные особенности этих фаз и обусловливают многообразие особенностей С. Так, С., содержащая

0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется громадной пластичностью; С. этого типа употребляется для изготовления узких страниц, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. подробностей сложной формы. С., в которой содержится

0,6% С, имеет в большинстве случаев перлитную структуру; владея прочностью и повышенной твёрдостью при вязкости и достаточной пластичности, такая С. помогает, к примеру, материалом для ж.-д. рельсов, колёс, осей.

В случае если С. содержит около 1% С, в её структуре наровне с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта С. в закалённом виде имеет высокую твёрдость и используется для того чтобы. Диапазон особенностей С. расширяется посредством легирования, и термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке С. образуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный жёсткий раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и громадной хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, возможно придать С. требуемое пластичности и сочетание твёрдости.

Классификация сталей. В современной металлургии С. выплавляют в основном из стального лома и чугуна. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) С. именуется кислородно-конвертерной, мартеновской либо электросталью.

Помимо этого, различают металл, выплавленный в главной либо кислой (по характеру футеровки) печи; С. наряду с этим именуется соответственно главной либо кислой (к примеру, кислая мартеновская С.).

По составу С. делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наровне с Fe и С содержит Mn (0,1—1,0%) и Si (до 0,4%), и вредные примеси — S и Р; эти элементы попадают в С. в связи с разработкой её изготовления (в основном из шихтовых материалов).

В зависимости от содержания С различают низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С) С. В состав легированных сталей, кроме указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Со и др.), каковые намеренно вводят в С. для улучшения её технологических и эксплуатационных черт либо для придания ей особенных особенностей; легирующими элементами могут служить кроме этого Mn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%). По степени легирования (т. с. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10%) С. Легированные С. довольно часто именуются по преобладающим в ней компонентам (к примеру, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению С. дробят на следующие главные группы: конструкционные, инструментальные и С. с особенными особенностями. Конструкционные стали используют для изготовления строительных конструкций, подробностей автомобилей и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные С. смогут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (главные легирующие элементы — Cr и Ni).

Наименование конструкционной С. может отражать её яркое назначение (котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.). Инструментальные стали помогают для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. С. данной группы также будут быть углеродистыми (в большинстве случаев 0,8—1,3% С) либо легированными (в основном Cr, Mn, Si, W, Mo, V).

Среди инструментальных С. широкое распространение взяла быстрорежущая сталь. К С. с особенными физическим и химическим особенностями относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, С. для постоянных магнитов и др. Для многих С. данной группы характерно низкое высокая степень и содержание углерода легирования.

По качеству С. в большинстве случаев подразделяют на обычные (рядовые), качественные, отличные и очень отличные. Различие между ними содержится числом вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений. Так, в некоторых С. обычного качества допускается содержание S до 0,055—0,06% и Р до 0,05—0,07% (исключение образовывает автоматная сталь, содержащая до 0,3% S и до 0,16% Р), в качественных — не более 0,035% каждого из этих элементов, в отличных — не более 0,025%, в очень отличных — менее 0,015% S. Сера снижает механические особенности С., есть обстоятельством красноломкости, т. е. хрупкости в тёплом состоянии, фосфор усиливает хладноломкость — хрупкость при пониженных температурах.

По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую С. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из С. кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной С. в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — С. как бы кипит. Полуспокойная С. занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей С. Любой из этих видов металла имеет преимущества и недочёты; разливки технологии и выбор раскисления С. определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей. Единой всемирный совокупности маркировки С. не существует. В СССР совершена громадная работа по унификации обозначений разных марок С., что отыскало отражение в технических условиях и государственных стандартах. Марки углеродистой С. обычного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые С. маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д.

Спокойную С. время от времени дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную — пс, кипящую — кп (к примеру, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке С. показывает на повышенное содержание Mn (к примеру, 14Г, 18Г). Автоматные С. маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные С. — буквой У (У8, У10, У12 и т.д. — тут цифры означают содержание С. в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной С. складывается из букв, показывающих, какие конкретно компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения состава С.: алюминий — Ю, бор — Р, ванадий — Ф, вольфрам — В, кобальт — К, кремний — С, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, ниобий — Б, титан — Т, углерод — У, фосфор — П, хром — Х, цирконий — Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных С. и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих С.); после этого буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,— его среднее содержание.

К примеру, С. марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Cr, С. марки 2X17H2 — 0,2% С, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, С. марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки показывает на то, что С. есть отличной, буква Ш — очень отличной.

Обозначение марки некоторых легированных С. включает букву, говорящую о назначении С. (к примеру, ШХ9 — шарикоподшипниковая С. с 0,9—1,2% Cr; Э3 — электротехническая С. с 3% Si). С., проходящие промышленные опробования, довольно часто маркируют буквами ЭИ либо ЭП (завод Электросталь), ДИ (завод Днепроспецсталь) либо ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268). См. кроме этого Металлургия, Сталеплавильное производство.

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1—2, М., 1964; Меськин В. C., Базы легирования стали, 2 изд., М., 1964; Гудремон Э., Особые стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1—2, М., 1966; Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.

Сталь в мастерстве. В средние века славились доспехи и арабское оружие из С. с надписями и плоскими узорами, выполненными гравированием либо насечкой. оружейники и Эти приёмы средневековой Европы дополнили чеканкой, полировкой и наводкой.

С 16 в. в отделке часов, инструментов и научных приборов появляется устойчивая к коррозии зеркальная полировка, применение которой послужило стимулом для выпуска бытовых изделий из С. В 18 — начале 19 вв. эстетические особенности С. самый ярко раскрылись в изделиях мастеров Тульского оружейного завода (мебель, зеркала, самовары, каминные экраны и т.п.). Как вид народного творчества известна с середины 19 в. златоустовская картина на С. В советском мастерстве С. отыскала использование в облицовке интерьеров, а также в скульптуре (В. И. Мухина, колхозница и Рабочий, см. илл.).

Лит.: Тульские златокузнецы. [Альбом], Л., 1974.

Читать также:

Сталь , делают так .

Связанные статьи:

Нержавеющая сталь, сложнолегированная сталь (см. Легированная сталь),стойкая против ржавления в коррозии и атмосферных условиях в агрессивных средах….

20010,0,3500, Свинцовые сплавы, сплавы на основе свинца. Различают низколегированные и высоколегированные С. с. К 1-й группе относятся С. с., содержащие…

Выплавка углеродистой стали

По степени раскисления, т. е. содержанию растворенного в металле кислорода, углеродистая сталь может быть кипящей, спокойной и полуспокойной.

Кипящая сталь неполностью раскислена и при застывании слит­ка продолжает протекать реакция окисления углерода с выделением пузырей СО. Содержание углерода в этой стали колеблется от 0,02 до 0,27%.

Спокойную сталь раскисляют таким образом, чтобы исключить взаимодействие углерода и кислорода во время кристаллизации слитка. При выплавке спокойной стали в основных сталеплавильных агрегатах ее раскисляют марганцем, кремнием и алюминием.

По химическому составу спокойную сталь разделяют на углеро­дистую и легированную. Углеродистую сталь делят в свою очередь на низко- (

Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает сред­нее положение между кипящей и спокойной. При кристаллизации полуспокойной стали выделяется небольшое количество СО, доста­точное, однако, для устранения образования сосредоточенной уса­дочной раковины. Выход годного из слитка полуспокойной стали достигает ≥90%, что больше, чем выход из слитков кипящей и, тем более, спокойной стали. Поэтому в последние годы выплавка полу­спокойной стали заметно возросла. Полуспокойная сталь содержит до 0,5% С; 0,5—0,9% Mn; 0,5—0,15% Si и выплавляется преимуще­ственно в мартеновских печах и кислородных конверторах.

Технология выплавки углеродистой стали

Углеродистую сталь в дуговых электропечах выплавляют как одно-, так и двушлаковым процессом. Выплавка с двумя шлаками проводится на свежей шихте с окислением и диффузионным раскислением металла в печи под белым, слабокарбидным или известково-глиноземистым шлаком. Выше выплавку стали на свежей шихте рассматривали преимущественно применительно к углеродистой стали. Поэтому ниже отмечены лишь основные моменты выплавки рассматриваемой стали на свежей шихте с двумя шлаками.

Шихта состоит на 85—90% из железистого лома, скрапа, обрези прокатных цехов и на 10—15% из передельного чугуна. В качест­ве науглероживателя используют также кокс или электродный бой.

Шихту рассчитывают таким образом, чтобы содержание углерода но расплавлении было на 0,3—0,4% выше нижнего предела для ста­ли данной марки. Плавление ведут форсированно с использованием кислородной или газокислородной продувки. Конец расплавления устанавливают по состоянию ванны (отсутствие местного интенсив­ного кипения), прощупыванием шомполами и по температуре металла, которая должна быть ≥1550° С. Окислительный период закан­чивается при содержании углерода в металле, равном нижнему пре­делу для данной марки стали или еще на 0,03—0,05% ниже, и при содержании фосфора ≤0,015%. Температура металла в конце окис­ления ванны должна быть ≥1610° С. После окончания присадок же­лезной руды или продувки кислородом производится 10-мин выдержка.

В случае, если восстановительный период проводят под белым шлаком, перед наведением рафинировочного шлака металл раскис­ляют ферромарганцем и кусковым ферросилицием или силикомарганцем из расчета введения 0,1% Si в металл и марганца на нижний предел. Продолжительность рафинирования под белым шлаком составляст ≥40 мин, под карбидным шлаком 1—1,5 ч. Окончательно металл раскисляют либо полностью алюминием па штангах за 3— 5 мин до выпуска, либо часть алюминия заменяют силикокальцием.

В восстановительный период желательно перемешивание метал­ла при помощи установки электромагнитного перемешивания. Так, например, на 100-т электропечах Новолипецкого завода установки электромагнитного перемешивания включают в следующие моменты:

• в окислительный период до достижения металлом 1600° С
  при хорошем состоянии подины;
• при скачивании шлака;
• при раскислении металла;
• за 5 мин до взятия проб и замера температуры.

Такой режим работы установки электромагнитного перемешива­ния не влияет на стойкость подины и откосов электропечи.

В практике отечественных и особенно зарубежных заводов ши­роко применяется выплавка углеродистой стали в электропечах од­ношлаковым процессом на свежей шихте с окислением.

Доля углеродистой стали в сортаменте дуговых электропечей возрастает. При определенных условиях (относительно дешевой электроэнергии и металлического лома) электропечи становятся кон­курентоспособными е мартеновскими печами по выплавке углероди­стой стали. На отечественных заводах в связи с большим числом действующих мартеновских печей углеродистую сталь выплавляют преимущественно в этих печах, а электропечи предназначены для выплавки более сложного сортамента.

Высокоуглеродистая сталь

Сталь с высоким содержанием углерода, после определенной термической обработки, имеет большую прочность, высокую твердость и износостойкость. Эти качества используются при производстве изделий для железнодорожного транспорта и деталей подвижного состава, металлокорда, подшипников и других изделий. Высокоуглеродистую сталь (∼0,5–1,10 % С) выплавляют как в конвертерах, так и в дуговых печах. Плавка такой стали, по сравнению с плавкой стали с более низким содержанием углерода, отличается некоторыми особенностями.