Сталь - широко известный сплав железа с углеродом. Энциклопедическое определение - деформируемый (ковкий) сплав железа с с углеродом (до 2%) и другими элементами. Важнейший материал, продукт черной металлургии. Является материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.
История развития технологий получения стали.
Сыродутный процесс - самый древний способ получения стали в горнах, в основе которого - восстановление железа из руды древесным углем. Полученная тестообразная масса подвергалась дальнейшей обработке. Позднее этот способ стали применять в небольших шахтных печах.
Тигельная плавка - расплавление мелких кусков стали и чугуна в огнеупорных тиглях. Сталь, полученная таким образом, характеризовалась высоким качеством. Сам же процесс тигельной плавки являлся дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, например, дамасскую сталь.
Кричный передел - рафинирование предварительно полученного чугуна в кричном горне. Способ изобретен в средние века и несколько столетий оставался ремесленной технологией.
Пудлингование - двухступенчатый процесс, 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. Технология развивалась с XVIII века и сыграла важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества не могла.
Мартеновский процесс - технология массового производства литой стали в мартеновских печах. Разработана во второй половине XIX века (также как бессемеровский процесс, а затем томасовский процесс). Сыграла важную роль в научно-техническом и экономическом развитии общества. Почти столетие с помощью мартеновского процесса производилось до 80% выплавляемой стали во всем мире.
Электросталеплавильное производство - выплавка стали в электрических печах. Технология начала применяться в конце XIX века, но заметной конкуренции мартеновским печам не составила.
Кислородно-конвертерный процесс - относительно новая технология (с 50-х годов XX века), активно развивающаяся и заменяющая мартеновский процесс.
Современные технологии - в последние десятилетия активно развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка, вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка.
Структура и свойства стали.
Основной компонент стали — железо. Свойственный железу полиморфизм, то есть способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. 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 Fe3C, 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.
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 стали определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств сталей. Так, сталь, содержащая ~0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; сталь этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. Сталь, в которой содержится ~0,6% С, имеет обычно перлитную структуру; обладая повышенной твёрдостью и прочностью при достаточной пластичности и вязкости, такая сталь служит, например, материалом для железнодорожных рельсов, колёс, осей. Если сталь содержит около 1% С, в её структуре наряду с перлитом присутствуют частицы структурно-свободного цементита; эта сталь в закалённом виде имеет высокую твёрдость и применяется для изготовления инструмента.
Диапазон свойств сталей расширяется с помощью легирования, а также термической обработки, химико-термической обработки, термомеханической обработки металла. Так, при закалке стали образуется метастабильная фаза мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-железе, характеризующийся высокой твёрдостью, но и большой хрупкостью; сочетая закалку с отпуском, можно придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности.
На сегодняшний день существует большое число различных марок сталей, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам и физическим характеристикам.
Классификация сталей.
По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) сталь называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; сталь при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская сталь). В современной металлургии стали выплавляют главным образом из чугуна и стального лома.
По химическому составу стали 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 сталь 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) сталь. 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%) стали. Легированные стали часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).
По назначению стали делят на следующие основные группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные стали могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы — Cr и Ni). Название конструкционной стали 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. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8—1,3% С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных сталей широкое распространение получила быстрорежущая сталь.
К сталям с особыми физическими и химическими свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, стали для постоянных магнитов и др. Для многих сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.
По качеству стали 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 сталях 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 стали, 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 сталь. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из стали кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной стали в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — сталь как бы «кипит». Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталями. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки стали определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.
