Важнейшие сплавы железа. Практическая химия

Сплавы железа с углеродом (стали, чугуны) являются наиболее распространенными материалами в машино- и приборостроении.

Железо (Fe) - блестящий светло-серый металл. Атомный номер 26, плотность 7,87 Мг/м 3 , температура плавления 1539 °С, температура кипения 2880 °С, модуль нормальной упругости 210 ГПа. Механические свойства железа зависят от его чистоты. Временное сопротивление при растяжении технически чистого железа составляет 300-400 МПа, предел текучести - 100-250 МПа, относительное удлинение - 30-50%, относительное сужение - 70-80%, Н В 60-90.

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Атомный номер 6, плотность 2,6 Мг/м 3 , температура плавления 4000 °С, температура кипения 4200 °С. Он имеет две кристаллические модификации - графит и алмаз. При нормальных условиях стабилен графит, имеющий гексагональную решетку; алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную) решетку.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз).

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в а-железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальная растворимость при 727°С составляет 0,02%. Феррит магнитен, на диаграмме состояния Fe-С занимает область GPQ (рис. 1.7). Феррит характеризуется низкой прочностью (о в = 250 МПа, о 0 2 = = 120 МПа) и твердостью (НВ 80-100) и высокой пластичностью (5 = 50%; |/ = 80%).

Рис. 1.7. Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в у-желе- зе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в у-железе при температуре 1147 °С - 2,14%. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния занимает область AESG. Он имеет твердость НВ 160 при 5 = 40-50%.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 2 С), содержит 6,67% С, температура плавления точно не установлена, принимается примерно равной 1260 °С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (> Н В 800) и низкой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условий образования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный - при распаде аустенита и третичный - при выделении углерода из феррита.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и гра- фитизированной стали он содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Перлит (77) - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% С; образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения: Fe y -> Fe a (С) + Fe 3 C. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность о в = 800 МПа, пластичность 5= 15%, НВ 160-200.

Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147 °С и содержании 4,3% С. Твердость НВ 600-700, хрупок. Так как при температуре ниже эвтектоидной (ниже 727 °С) аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже эвтектоидной прямой /Г"А"состоит из цементита и перлита.

Помимо упомянутых составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть неметаллические включения (соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и др.), которые с железом образуют различные фазы.

Критические точки на линиях диаграммы Fe - С принято обозначать буквой А с индексом г, если точка находится на кривой охлаждения, и с - на кривой нагрева. При индексах ги с ставится цифра, указывающая положение рассматриваемой точки на линиях. Так, критическую точку перехода ос- в у-железо при 911 °С обозначают^ - при нагреве и А г - при охлаждении.

Основа всех технич. отраслей промыш-ти. Fe в земной коре после Al занимает 2 место. В чистом виде Fe на практике прак-ки не сущ. В виде соед-й: железной руды Fe3O4.

Классиф-я сплавов на основе Fe :

Стали -сплавы на основе Fe, содержащ. менее 2,13% углерода.

Класс -я стали:

По химич. составу: -углеродистые; -легированные.

По назначению: конструкционные; -инструментальные.

По качеству: -обыкнов. качества; -качественные; -высококачественные; -особо высококачественные.

Обыкновеннокачест. (самое низкое качество). Исп-ся для изготов. неответствен. и неотгружен. изделий. Выпускается со следующ. гарантиями поставщика: -группа А (по механ. св-вам); -Б (по хим. св-вам).

Существует 7 марок сталей (от Ст0 до Ст7).

Легированные стали по %-му содерж. легирующ. вещ-в: -низко (до 2); -средне (до 7-8); -высоко (более 8).

Предназначенные для решения спец. задач:

Магнитотвёрдые.

Намагниченные мягкие.

Не намагниченные.

Коррозионно-стойкие (Cr и Ni).

Нержавеющие (содерж. более 13% Cr или Ni)

Класс-я инструментальные стали:

Углеродистые (У Ст8 – 0,8% углерода).

Легированные (осн. легирован. элемент – вольфрам).

Недостаток углер. инстр. –низкая t нагрева режущ. кронки, приводящ. к потере режущих св-в. Они не пригодны для обработки твер. Me и сплавов, железобет. конструкций.

Скорость резания легиров. превышает в десятки раз углеродистые. t нагрева от 250-650*С. Самые современные высоколегированные стали наз. мартенсипостареющие (очень высокие прочност. св-ва, нержавеющие, очень дорогие).

Стали спец назначения: -жаростойкие; -жаропрочные. Рабочие t-ы у них достигают 1150*С и при этом не теряют прочность.

2. Чугуны -сплавы на основе Fe с более высок. содерж. углерода.

Класс-я чугунов:

По назначению: -литейные; -передельные (для изготовления методом переплава в сталь). Сущ. 3 вида передела: 1) конверторный (по названию осн-го агрегата), 2)Мартеновский, 3)Электроплавка.

По структуре: -серые (С); -белые (Б); -ковкие (К). Ковкие, как и др, ковать нельзя. Название своё получили за самую высокую пластичность.

Виды поставок: -в виде отливок(чушек); -в жидкой фазе в расплаве (для последущ. переплава в сталь).

Ферросплавы -сплавы, содерж. очень высокие %-е доли друг. вещ-в. Они основные промышлен: FeMg, FeCu, FeCr, FeВольврам. Явл. очень ценным сырьём.

Цветные Ме и сплавы.

Al и его сплавы.

Al занимает 1 место по содержанию в земной коре; легкий; предел прочности очень низкий =150 М Па; пластичность =45%. Обладает очень высокими показателями тепло и электропроводности, уступая только меди и серебру. Промыш-ть выпускает след. марки по чистоте: -высокие (пищевые Al 99); -технические (Al 99,5).

Класс-я по назначению:

Литейные; -деформируемые (для изготовления деталей методом пластич. деформации: ковка, штамповка, пресование, протяжка).

Основные области использ-я в чистом виде: -электротехнич. пром-ть (кабельно-проводниковая); -изготовление материалов для пищевой пром-ти (фольга); -посуда, столовый инструмент.

Достоинства Al: высококорроз. стойкость, лёгкость. Недостатки: низкая прочность.

Использование: авиастроение, судо строение, двигателестроение.

Самые дешевые литейные сплавы –силумины (на основе Al и Силициума). Дост-ва: дешев. и высокие литейные св-ва. Нед-ки: хрупкость и невысокая термостойкость.

Чистое железо – металл серебристо – белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Температура плавления железа 1539єС. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов технической обработки.

3.1.Сталь

Является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты – легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).

Конструкционные стали и сплавы.

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.

Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

Углеродистые конструкционные стали.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.

Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.

Кипящие стали. К этому виду относятся стали, полностью нераскисленные и содержащие поэтому до затвердевания повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.

Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.

Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.

Качественные углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.

Среднеуглеродистые стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.

Высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.

Автоматные стали.

Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.

Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.

Стали с повышенным содержанием серы обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных деталей.

Конструкционные низколегированные стали.

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.

Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.

Конструкционные цементуемые легированные стали.

Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.

Хромистые стали. Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали.

Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных деталей.

Хромомарганцевые стали. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость.

Конструкционные улучшаемые легированные стали.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска.

Хромистые стали. Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Введение 0,1 – 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.

Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.

Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Введение титана обеспечивает хромомарганцевой стали меньшую склонность к перегреву, а бора увеличивает прокаливаемость.

Хромокремнемерганцевые стали (хромансил). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Хромоникелевые стали. Эти стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

Хромоникельмолибденовые стали. Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.

Хромоникельмолибденованадиевые стали. Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Эти стали обладают высокой прочностью и низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость.

Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованадиевых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях.

Мартенситностареющие высокопрочные стали.

Мартенситностареющие стали представляют собой сплавы железа с никелем (8 – 20%), а часто и с кобальтом. Для протекания процесса старения в мартенсите сплавы дополнительно легируют Ti, Be, Al, Nb, W, Mo.

Никель и кобальт способствуют упрочнению при старении и одновременно повышают сопротивление хрупкому разрушению.

Хром упрочняет мартенсит сталей Fe – Ni – Ti и Fe – Ni – Al при старении повышает сопротивление коррозии.

Мартенситностареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике.

Содержание статьи

МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ, железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом, называемых сталями, изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. Легковые, грузовые автомобили, станки, железные дороги, корпуса и силовые установки судов – все это делается в основном из стали. Масштаб производства стали является одной из основных характеристик общего технико-экономического уровня развития государства. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции.

когда температура опускающейся смеси руды с коксом достигает 600–700° С. В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).

Если бы доменную печь можно было загружать чистыми оксидом железа и углеродом и продувать чистым кислородом, то термохимия доменной печи сводилась бы к написанным выше простым уравнениям. На самом же деле во вдуваемом воздухе больше азота, чем кислорода, а руда может содержать свыше 50% безрудных минералов (пустой породы), в основном силикатов. Азот проходит через печь, не вступая в реакцию, но с силикатами дело сложнее. Чтобы можно было отделить силикаты от железа и вывести из печи, они должны быть жидкими. Силикаты, содержащиеся в железной руде, образуют расплавленный шлак при взаимодействии с известью CaO. Для этого в печь вместе с рудой загружают в нужной пропорции известняк CaCO 3 . Известняк, или «флюс», разлагается в верхней части печи соответственно реакции

образуя известь, необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак. Доменная печь дает почти столько же шлака, сколько и чугуна. Затвердевая, шлак превращается в темный стекловидный материал, который в прошлом накапливался в больших шлаковых отвалах возле передельных металлургических заводов. В наши дни шлак идет на изготовление заполнителя для бетона, железнодорожного балласта, шлаковаты и противоюзового покрытия автомобильных дорог.

Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Она должна обеспечивать непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху, непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов снизу. Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекать необходимые химические реакции. Воздух вдувается в печь через фурмы, расположенные в ее нижней части, и поднимается сквозь шихту вверх. Восстановленное губчатое железо и шлак плавятся на уровне «заплечиков», в самой широкой части печи, а жидкость накапливается в горне, ниже фурм. В горне периодически пробивают заделанные глиной летку для выпуска металла и (несколько выше) шлаковую летку.

Восстановление оксида железа до губчатого железа и разложение известнякового флюса происходят в шахте – основной части доменной печи – в процессе медленного оседания шихты. Шихта начинает разогреваться в колошнике – верхнем конце шахты. Диоксид углерода и азот непрерывно отводятся по широкому газоходу из колошника. Поскольку при нормальной работе доменной печи давление газов в колошнике выше атмосферного, верхний конец печи нельзя просто открывать для загрузки, иначе упадет давление газов и из печи будут выдуваться наружу тонкоизмельченные компоненты шихты. Для предотвращения этого предусмотрен двухконусный шлюзовой засыпной аппарат. Нижний конус поднимают так, чтобы он газоплотно закрывал загрузочное отверстие, а затем опускают верхний для загрузки. После этого снова поднимают верхний конус, герметизируя вход в печь, и, опустив нижний, пропускают порцию шихты (колошу) в колошник.

Современная доменная печь представляет собой крупное сооружение. Высота печи, производящей 1000 т чугуна в сутки, составляет около 30 м, а диаметр на уровне заплечиков – ок. 8 м. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором в стальном кожухе выводится кладка из огнеупорного кирпича. Нижняя часть этой конструкции охлаждается водой.

Сколь ни внушительны размеры доменной печи, сама она – лишь малая часть чугуноплавильного завода. Для ее нормальной работы нужны еще отделение шихтовых материалов, грузоподъемные устройства для загрузки печи, насосы для подачи воздуха (дутья) и воздухонагреватели (кауперы), шлаковозы и литейный цех или приемная система для расплавленного металла. Для загрузки доменных печей иногда применяются ленточные конвейеры, но чаще руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приемную воронку засыпного аппарата.

Эффективность доменной печи существенно повышается при использовании горячего дутья. Воздух, подводимый к фурмам, предварительно нагревается до температуры, которая может достигать 1000° C. Нагревание осуществляется в кауперах, каждый из которых ненамного уступает в размерах самой доменной печи. Каупер представляет собой вертикальный цилиндрический стальной кожух с внутренней «шахматной» насадкой из огнеупорного кирпича.

Газ, отводимый с верхнего конца доменной печи, содержит моноксид углерода и другие газы, способные гореть. Этот газ по широким наклонным газоходам подводится к нижней части каупера, где, пройдя через пылевой фильтр, сжигается в камере горения. Продукты горения поднимаются вверх, нагревая кирпичную насадку. Когда насадка достаточно нагрета, перекрывают подачу топлива и газа в камеру горения и включают воздуходувки, которые гонят воздух через каупер в фурмы доменной печи. Для каждой доменной печи обычно предусматривают четыре каупера: два нагреваются, а два других подают горячее дутье. Потоки газа и воздуха периодически переключаются так, что непрерывно поддерживается заданная температура дутья.

Существует ряд способов дополнительного повышения эффективности доменной печи. Один из них – работа при давлении внутренних газов, вдвое превышающем атмосферное. Это позволяет повысить производительность примерно на 15% и снизить потребление кокса примерно на 10%. Экономические преимущества повышения производительности в какой-то мере снижаются затратами на более мощное воздуходувное оборудование и возможным уменьшением срока службы огнеупорной кладки.

При выпуске плавки из доменной печи шлак вытекает из своей летки, а металл – из своей, расположенной ниже. Ранее шлак заливали в шлаковозы – большие ковши на железнодорожных колесных тележках, которые доставляли незатвердевший шлак к отвалам. Теперь же шлак обычно отводят на перерабатывающую установку, расположенную рядом с домной, где он охлаждается водой и при этом гранулируется, после чего используется как заполнитель для бетона и пр.

Жидкий металл, вытекающий из летки, направлялся по желобам, подготовленным в песочной «постели» перед печью. Из желобов он растекался по удлиненным боковым углублениям в песке, где и затвердевал в виде болванок, называемых чушками (из-за сходства с многочисленными поросятами, сосущими свиноматку). Хотя литье в песок более не применяется, металл, выплавляемый в доменных печах, по-прежнему называют чушковым (применяется и термин «штыковой» чугун). В наши дни в тех случаях, когда требуется чушковый чугун, расплавленный металл разливают по стальным литейным формам, непрерывно движущимся перед домной на ленточном конвейере. Когда металл затвердевает, формы переворачиваются и, освободившись от чушки, возвращаются за следующей отливкой. Чтобы чугун не приставал к формам, их покрывают каменноугольной смолой или известью.

Чугун.

Выплавляемый в доменной печи сплав железа с углеродом и кремнием имеет температуру плавления ок. 1150° C. В расплавленном состоянии чугун легко заполняет литейные формы любой конфигурации. Поэтому он очень подходит для изготовления многих видов изделий.

Основные средства производства на чугунолитейном заводе – это плавильная печь, модели изделий и формовочные материалы. Из плавильных печей проще всего вагранка, т.е. небольшая печь шахтного типа, футерованная огнеупорным кирпичом. В ее нижней части имеются фурмы, а в верхней – дымоход для отходящих газов. Через боковое отверстие загружают топливо и чугун, печь разжигают и включают дутье. Расплавленный чугун собирается на подовой плите и по мере надобности выпускается через летку. На более крупных чугунолитейных заводах чугун плавят в отражательных печах.

Для получения отливок хорошего качества нет необходимости в очень сложном оборудовании. Первый шаг – изготовление модели изделия. Модель изготовляет из дерева опытный мастер-модельщик, давая припуск на усадку чугуна при затвердевании. Литейные формы для чугунных отливок делают из формовочной смеси (глины с песком), липкой, но пористой. Модель помещают внутрь разъемной рамы, состоящей из «опок», и заполняют опоки формовочной смесью. Затем опоки разнимают и удаляют модель. Когда их снова складывают вместе, в формовочной смеси образуется полость литейной формы, точно соответствующая модели. Остается проделать литниковые отверстия и каналы, по которым жидкий чугун мог бы затечь в полость формы.

После высыхания форма готова к заливке. Если заливка проходит хорошо, то жидкий чугун заполняет все пустоты формы, не оставляя воздушных пузырей. Когда чугун затвердевает, отливку «раздевают», разбивая форму. Во многих случаях для «доводки» изделия бывает достаточно сгладить шлифованием неровные края отливки.

Чушковый чугун, чаще всего применяемый для литья, называют серым чугуном, поскольку серой, даже сажистой, выглядит его поверхность на изломе. Такой ее вид объясняется большим содержанием углерода (около 4%), присутствующего в железе в форме чешуек графита. Серый чугун жидкотекуч, имеет низкую температуру плавления и к тому же хорошо поглощает энергию вибрации – чугунный колокол не звенит. Благодаря этому чугун подходит для изготовления рояльных рам, станин прокатных станов, токарных, фрезерных и других станков. Очень распространенное изделие из серого чугуна – блок цилиндров автомобильного двигателя; чугун для этого применения хорош тем, что дешев и легко заливается в формы сложной конфигурации.

Хотя серый чугун и прочен, он хрупок и легко разрушается при резком ударе. Поэтому вместо него чаще применяют ковкий чугун. Отливки из ковкого чугуна получают в два этапа. Сначала делается отливка из белого чугуна со сравнительно низким содержанием углерода и кремния. Такой чугун очень хрупок, но после высокотемпературного отжига в течение суток его пластичность намного увеличивается. Увеличение пластичности обусловлено перераспределением углерода в металле, происходящим при отжиге. В белом чугуне углерод содержится в форме карбида железа Fe 3 C. В процессе отжига карбид разлагается на железо и графит. Этот графит имеет вид малых сферических включений, которые, будучи отделены друг от друга, почти не снижают пластичность окружающей их железной матрицы. Из ковкого чугуна изготовляют трубопроводные фитинги и железнодорожное оборудование.

СТАЛЬ

Первоначально доменные печи строили в основном для выплавки литейного чугуна. Позднее были найдены способы переработки чугуна в сварочное железо, и металл доменной печи стал исходным материалом для такого железа. После разработки широкомасштабного и недорогостоящего производства стали на основе бессемеровского процесса и процесса Сименса стала экономически целесообразной переработка чугуна, выплавляемого в доменных печах, в сталь. В настоящее время почти весь чугун доменных печей идет на такой передел. Сталь – это особенно ценный конструкционный материал, которому можно придавать практически любую форму прокаткой, штампованием и прессованием, литьем или обработкой резанием. Путем легирования и термообработки можно получать стали с самыми разнообразными физическими и химическими свойствами. Так, например, одни стали настолько мягки, что их можно обрабатывать простым ручным слесарным инструментом, а другие столь тверды, что позволяют резать стекло.

ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

При переделе в сталь чугуна, выплавленного в доменной печи, из него окислением удаляют почти весь углерод и весь кремний. Могут добавляться в качестве легирующих элементов марганец, никель или хром. В настоящее время основным способом переработки чугуна, выплавляемого в доменной печи, стал кислородно-конвертерный процесс, хотя кое-где еще применяется мартеновский процесс.

Важной особенностью производства стали является относительная легкость ее повторного использования. И кислородный конвертер, и мартеновская печь могут работать с большим процентом стального металлолома (скрапа), а электропечь – и на одном скрапе. Это приобретает особенно важное значение в наши дни, когда обострилась проблема удаления отходов.

Стоимость повторного использования в значительной мере зависит от качества металлолома. Металлолом, содержащий олово или медь, нежелателен в производстве стали, поскольку эти трудноудаляемые металлы ухудшают механические свойства стали. Наибольшую ценность представляет крупный металлолом, происхождение которого известно. Некоторые количества такого скрапа поступают с металлообрабатывающих заводов, а еще больше – после разборки устаревшего заводского и железнодорожного оборудования и разделки на металлолом морских и речных судов. Скрап в виде отработавших свой срок автомобилей и емкостей для продуктов питания менее ценен, так как он наверняка содержит медь и олово.

Легирующие элементы обычно добавляют в сталь в виде ферросплавов. Ферросплавы содержат значительные количества железа, которое служит носителем легирующих элементов. К наиболее важным ферросплавам относятся ферромарганец (такой, как шпигель, или зеркальный чугун), необходимый для всех сталей; ферросилиций, применяемый для получения сталей со специальными магнитными свойствами и для раскисления сталей, выплавляемых в электропечах; феррохром и феррованадий. Никель добавляется в виде беспримесного металла.

Конвертерный процесс.

В первой половине 20 в. первоначальный бессемеровский процесс постепенно утратил свое прежнее значение. Дело в том, что тепла, выделяющегося в бессемеровском конвертере, недостаточно для расплавления металлолома – более дешевого сырья, нежели горячий металл из доменной печи. Быстрое протекание плавки в бессемеровском конвертере не давало возможности провести анализы стали и скорректировать ее состав в соответствии со спецификациями. Мартеновский же процесс допускает значительный процент металлолома в загрузке печи, и реакции в нем протекают достаточно медленно, чтобы можно было успеть выполнить анализ в процессе плавки и провести коррекцию состава до выпуска металла.

Но в 1950-х годах конвертерный процесс производства стали снова вернулся к жизни и в течение следующих 35 лет полностью вытеснил мартеновский процесс, поскольку была разработана технология получения дешевого чистого кислорода, позволившая перейти с воздушного на кислородное дутье в конвертере. По этой технологии кислород в количествах, измеряемых тоннами, производят дробной (фракционной) перегонкой жидкого воздуха; для производства стали требуется кислород с чистотой 99,5%.

Воздух – это на 80% азот, а азот – это инертный газ, не участвующий в реакциях конвертерной выплавки стали. Таким образом, в бессемеровском конвертере через расплавленный металл продувается большое количество бесполезного газа. Но этого мало – часть азота растворяется в стали. Последующее выделение растворенного азота в форме нитридов может приводить к ее последеформационному старению – постепенному уменьшению пластичности, которое приводит к трудностям при обработке давлением. Такого рода трудности отпадают, если металл в конвертере продувать не воздухом, а чистым кислородом. Но простой переход с воздуха на кислород в бессемеровском конвертере недопустим, так как из-за сильного разогрева фурм конвертер быстро выйдет из строя. Эта проблема была решена так: кислородное дутье подводится к поверхности расплавленного чугуна по трубе с водяным охлаждением. В 1952 35-тонный конвертер такого типа был успешно запущен в австрийском городе Линце на заводе фирмы VOEST. Такая технология, названная процессом ЛД (аббревиатура от Линца и Р.Дюррера, инженера фирмы), позднее была развита в кислородно-конвертерный процесс. Быстрая реакция окисления в конвертерной шихте, характеризующейся малым отношением площади поверхности к объему, сводит к минимуму потери тепла и позволяет вводить в шихту до 40% металлолома. Кислородный конвертер может каждые 45 мин выдавать 200 т стали, что в 4 раза превышает производительность мартеновской печи.

Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку.

Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO 2 , а кремний – до диоксида SiO 2 . По «течке» (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

Кроме кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой, существует кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера. Фурмы в днище конвертера защищаются одновременной продувкой природного газа. Такой процесс быстрее протекает, он более производителен, чем процесс с верхней продувкой, но менее эффективен в отношении расплавления металлолома. Однако нижнюю продувку можно сочетать с верхней.

Мартеновская печь.

Как уже упоминалось, мартеновская выплавка стали еще применяется в ряде стран, хотя и постепенно заменяется кислородно-конвертерным процессом. Мартеновская печь обычно вмещает 500 т стали. Она имеет широкий неглубокий под и низкий арочный свод, отражающий тепло в сторону пода. Газ и воздух вводятся с одного конца и сгорают над подом. Чем ниже содержание углерода, тем выше температура плавления. Для достижения температуры, при которой плавится сталь с минимальным содержанием углерода, применяют принцип регенерации тепла. На обоих концах печи имеются регенерационные камеры с такой же кирпичной насадкой, как и в кауперах доменной печи. Продукты сгорания пропускаются через одну из этих камер. Когда футеровка достаточно нагрета, направление потоков через печь меняется на обратное. Поступающие воздух и газ воспринимают тепло от кирпичей насадки, а отходящие газы нагревают вторую камеру. Таким образом достигается экономия топлива и повышается рабочая температура.

Мартеновская печь – крупное сооружение, и процесс выплавки стали занимает довольно много времени. На загрузку печи рудой, металлоломом и чугуном уходит ок. 5 ч, на расплавление – 4 ч и на рафинирование и корректировку окончательного состава стали – еще 3–4 ч. Чугун и металлолом могут загружаться в разных пропорциях в зависимости от потребности и экономических соображений.

Термохимический процесс плавки стали в мартеновской печи сложен. Как уже упоминалось, главными примесями чушкового чугуна являются кремний Si, углерод C, сера S и фосфор P.

Кремний реагирует с железной рудой [оксидом железа (III) Fe 2 O 3 ], давая в результате диоксид кремния SiO 2 и железо:

Углерод выгорает, образуя моноксид углерода CO и восстанавливая из руды железо:

Фосфор тоже, образуя пентоксид фосфора P 2 O 5 , высвобождает железо из руды:

Сера, реагируя с известью CaO и углеродом, образует сульфид кальция CaS и моноксид углерода CO:

Сульфид кальция и пентоксид фосфора переходят в шлак, плавающий на поверхности очищенного железа. Шлак представляет собой в основном силикат кальция CaSiO 3 , образующийся в реакции соединения диоксида кремния с известью:

В процессе плавки шлаку уделяется не меньше внимания, чем самой стали, так как хорошая сталь получается в результате реакций между шлаком и металлом.

Электрическая печь.

Электропечи сначала применялись только для выплавки качественных инструментальных и нержавеющих сталей, выплавлявшихся до этого в тиглях. Но постепенно электропечи стали играть важную роль в производстве малоуглеродистой стали из металлолома в тех случаях, когда не требуется передела чугуна из доменной печи. В настоящее время ок. 30% нерафинированной стали выплавляется в электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи. Под дуговой сталеплавильной печи облицован огнеупорной кирпичной кладкой, свод охлаждается водой и может сдвигаться в сторону для загрузки печи. Через три отверстия в своде вводятся угольные электроды. Между электродами и металлоломом на поду печи зажигается дуговой разряд. В большой печи ток дуги может достигать 100 000 А.

Плавка стали обычно производится следующим образом. Свод печи отводят в сторону, и на под печи осторожно загружают металлолом. После этого свод возвращают на место, а электроды опускают так, чтобы они на 2–3 см не доходили до верха загруженного металлолома. Зажигают дугу и по мере расплавления завалки постепенно увеличивают мощность. В печь вводят кислород для окисления углерода и кремния в завалке и известь для образования шлака. На этом этапе химия плавки такая же, как и в кислородно-конвертерном процессе. По окончании периода окисления отбирают пробу, анализируют ее и при необходимости корректируют состав. Затем выключают дугу, поднимают электроды, наклоняют печь и выпускают сталь в ковш.

Электросталеплавильный процесс находит также важное применение в вакуумной плавке стали. Для этого обычно пользуются индукционными электропечами. Сталь помещают в графитовый тигель, окруженный медным змеевиком индуктора. На индуктор подается переменное напряжение высокой частоты. Вихревые токи, наводимые индуктором в графитовом тигле, нагревают его, поскольку удельное сопротивление графита довольно велико. Если тигель с индуктором помещен в вакуумную камеру, то сталь, плавясь в вакууме, освобождается от кислорода и других растворенных газов. В результате получается очень чистая сталь, не содержащая оксидов. Вакуумная плавка дорогостояща и применяется лишь в тех случаях, когда требуется особо прочная и надежная сталь, например для шасси самолетов. Улучшение механических свойств стали в результате вакуумной плавки связано с отсутствием частиц оксидов, на которых в обычной стали часто зарождаются трещины.

Литье стали.

Заключительным этапом описанного выше процесса производства является литье стали в отдельные слитки или в непрерывный слиток. Для получения отдельных слитков сталь разливают по массивным чугунным изложницам. Как только сталь затвердевает, слитки отделяют от изложниц и еще горячими переносят в нагревательный колодец. Здесь большое количество слитков выдерживается при высокой температуре, пока они не будут готовы к прокатке.

Разливка стали по изложницам, «раздевание» слитков (отделение от изложниц), их перемещение в нагревательный колодец и последующее извлечение для прокатки требуют многочисленных транспортировочно-перегрузочных операций, обойтись без которых позволяет метод непрерывной разливки в слиток почти окончательной формы. Сталь заливается в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, в котором затвердевание начинается с наружной поверхности. Сталь, вытягиваемая из кристаллизатора, дополнительно охлаждается до полного затвердевания водой, разбрызгиваемой форсунками.

Обработка давлением.

Стальному слитку должна быть придана форма, удобная для применения стали в качестве конструкционного материала. Чаще всего слитки обрабатывают методом горячей прокатки (после соответствующей подготовки). При таком методе плоская заготовка (сляб), пропускаемая между горизонтальными валками, приводимыми во вращение мощными электродвигателями, удлиняется и утоняется. Стан для первой прокатки горячих стальных слитков называется обжимным. Слиток вводится между валками, установленными на небольшое уменьшение толщины. После первого пропуска направление вращения валков изменяется на обратное, расстояние между ними уменьшается и слиток пропускается через них в обратном направлении. Такой процесс многократно повторяется, в результате чего слиток становится тоньше и длиннее. В то же время устраняются литьевые неоднородности металла. Горячая прокатка гомогенизирует сталь и повышает ее ударную вязкость.

При непрерывной прокатке между валками с гладкой бочкой слиток превращается в лист. Профилированные валки дают сортовой прокат разных профилей: простых (круг, квадрат, треугольник, полоса), фасонных (рельсы, двутавровые балки, швеллеры, уголковое железо) и специальных (колеса, бандажи и т.д.). Если для окончательной продукции заданы очень малые допуски на размеры, то она на заключительном этапе проходит холодную прокатку. При этом сначала размеры заготовки редуцируются приблизительно до нужных размеров горячей прокаткой, а затем сталь охлаждают до комнатной температуры и осуществляют чистовой пропуск через валки. В результате она выходит из валков с чистой и блестящей поверхностью хорошего качества.

Некоторые формы не могут быть получены прокаткой; в этом случае применяются ковка и штампование. Способы изменения формы металлов ковкой были известны еще в древности. Для ее современных методов характерны широкие масштабы – применение молотов и прессов с паровым или гидравлическим приводом, а также штампов и матриц с пуансонами. Металлическая заготовка помещается в полость, образуемую двумя штампами из закаленной стали. При сжатии штампов нагретый металл заготовки течет, заполняет полость и принимает нужную форму.

Контроль качества стали.

Контроль качества имеет первостепенное значение в производстве готового проката. Дефекты катаной стали могут быть вызваны неметаллическими включениями и пористостью. Поэтому сталь любого ответственного назначения на выходе из прокатного цеха проходит неразрушающий контроль. Важнейшие методы такого контроля – ультразвуковая и магнитная дефектоскопия.

Компьютерное управление.

Большого сокращения трудоемкости можно добиться путем применения компьютеров в автоматизированных системах управления (АСУ) прокаткой стали, доменным производством, планированием работы в цеху и т.д. Супервизорное управление с быстродействующим компьютером в роли центрального управляющего устройства необходимо для непрерывных процессов, тем более что такие процессы проще дискретных и их легче автоматизировать. Быстропротекающий кислородно-конвертерный процесс – один из наиболее перспективных методов непрерывного производства стали – также требует компьютерной супервизорной АСУ.

СВОЙСТВА СТАЛИ

Варьируя состав, можно получать стали с весьма различающимися свойствами – легированные, нержавеющие, инструментальные. Больше, чем всех других сортов, выплавляется углеродистой стали. Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом и марганцем. Как уже упоминалось, марганец добавляется для подавления вредного действия кислорода и серы, присутствующих в стали. Углеродом определяются механические свойства стали. Содержание углерода в стали может составлять от 0,1 до 1,2%. Сталь, содержащая 0,1–0,3% углерода, довольно прочна и достаточно пластична. Прокат такой стали в виде двутаврового профиля применяется в качестве строительных балок. Из тонкой листовой малоуглеродистой стали делают кузова автомобилей и консервные банки.

Одна из самых важных особенностей стали состоит в том, что ее свойства можно изменять в очень широком диапазоне простым изменением содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем больше ее предел прочности при растяжении, но тем меньше пластичность, т.е. деформация до разрушения. Нелегированная сталь со средним содержанием углерода пригодна для таких изделий, от которых требуются прочность и сопротивление износу, например для рельсов. Сталь, содержащая около 0,8% углерода, может быть закалена настолько, что это делает ее пригодной для изготовления режущих инструментов, таких, как сверла и ножи. Сталь с еще более высоким содержанием углерода служит материалом для бритвенных лезвий; она должна быть очень твердой и износостойкой, но от нее не требуется особой ударной вязкости.

Термообработка стали.

Термообработкой можно существенно изменять механические свойства стали. Для некоторых применений ее нагревают, а затем закаливают быстрым охлаждением. В отожженном состоянии (т.е. после медленного охлаждения) сталь даже с высоким содержанием углерода достаточно пластична для того, чтобы можно было придать ей форму нужного инструмента или другого изделия. Затем ее обычно закаливают. При этом предел прочности стали может увеличиться в 10 раз, а пластичность – во столько же раз уменьшиться. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость после закалки. Закаленная специальная сталь пригодна для резания всех других металлов, кроме самых твердых.

В термообработке есть три важных момента. Сначала сталь нагревают до высокой температуры (обычно до красного каления, хотя марки с наивысшим содержанием углерода требуют нагрева до белого каления). За этим нагреванием следует быстрое охлаждение – закалка, – после чего сталь повторно нагревают, но теперь до сравнительно низкой температуры – «отпускают». При первом нагревании образуется твердый раствор углерода в железе. Если после такого нагрева сталь медленно охладить (отжиг), то растворенный углерод выпадет из раствора в виде частиц карбида углерода, в результате чего сталь останется довольно мягкой. При закалке же сталь охлаждается столь быстро, что карбид железа не успевает выделиться из раствора. Поскольку атомы углерода слишком велики для промежутков между атомами железа, кристаллическая структура закаленной стали оказывается сильно деформированной. Такая структура называется мартенситной; ей соответствуют крайне высокие твердость и хрупкость. Для уменьшения хрупкости закаленную сталь отпускают, т.е. нагревают до температуры 200–600° C, не достигающей температуры красного каления, и после некоторой выдержки снова охлаждают. При таком нагревании происходит частичное разложение мартенсита с выпадением из раствора избытка углерода. Чем выше температура отпуска, тем больше таких выделений и тем мягче (и пластичнее) сталь. Соответствующим отпуском можно получить любую степень твердости. Требуемая степень отпуска зависит от назначения стали. Например, если слишком сильно отпустить лезвие ножа, то оно будет быстро тупиться. Если же его недостаточно отпустить, то оно станет слишком хрупким и будет крошиться.

Самая ответственная часть термообработки – закалка. Она должна проводиться достаточно быстро, чтобы не произошло разложение твердого раствора углерода в железе, образовавшегося при повышенной температуре. Для этого сталь, нагретую до красного каления, можно опустить в холодную воду. Но быстро охладить можно лишь сравнительно небольшой объем стали. Удовлетворительная закалка нелегированной стали возможна только при толщине, не превышающей примерно 1,5 см, что существенно ограничивает возможности применения нелегированной стали в разного рода крупных станках и механизмах. Эта трудность отпадает при использовании легированных сталей.

Легированные стали.

Если в сталь добавить несколько процентов никеля, хрома или молибдена, то ее можно закалить до мартенситного состояния при гораздо меньшей скорости охлаждения, чем требуется для нелегированной стали. Дело в том, что твердый раствор, например, никеля и углерода в железе при охлаждении разлагается значительно медленнее раствора одного углерода в железе. Благодаря этому возможна полная закалка массивных изделий из легированной стали. Дополнительные легирующие элементы привносят и другие преимущества. Они повышают прочность и ударную вязкость стали, улучшают высокотемпературные прочностные характеристики. Состав, свойства и применения ряда типичных легированных сталей представлены в таблице. Легированные стали широко применяются в машиностроении.

Стальные конструкции.

Благодаря низкой стоимости и свойствам, нередко превосходящим свойства других материалов, сталь – это металл самого широкого применения. Поэтому даже форма и внешний вид очень многих вещей, с которыми мы встречаемся повседневно, в значительной мере определяются прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью стали и чугуна. Чугунные и стальные элементы зданий, оград и мостов могут служить прекрасным примером тесной связи между свойствами материала и дизайном. Пожалуй, больше всего сталь изменила внешность городов высотными зданиями – строениями, которые лишь благодаря стали или бетону, армированному сталью, способны нести тяжесть заполняющих каркас навесных стен из каменной кладки, листового металла и стекла.

Сталь сохраняет свое доминирующее положение в строительстве и машиностроении не только благодаря сочетанию низкой стоимости и высоких механических характеристик, но и потому, что в сталеплавильной промышленности были разработаны легированные стали с существенно улучшенными свойствами. Это уже отмечалось, когда речь шла о нержавеющих и быстрорежущих сталях. Создание же мартенситностареющей стали, полностью упрочняемой без закалки, и стойкой к атмосферной коррозии конструкционной стали, которая крайне медленно ржавеет с образованием защитного наружного слоя, делающего ненужной покраску, – это гарантия того, что сталь и впредь будет сохранять свое значение в жизни людей.

Литература:

Основы металлургии , тт. 1–6. М., 1961–1973
Сталеплавильные производства , тт. 1–2. М., 1964

; сплошные линия диаграмма Fe цементит.

В этой области за компоненты системы можно принять Fe и Fe 3 C карбид железа, или цементит. Металлич. основа Ж. с. при т-рах выше 727°С аустенит, представляющий собой твердый р-р внедрения углерода в высокотемпературной модификации железа g-Fe; переохлажденный аустенит обладает высокой ударной вязкостью, прочен. Р-римость углерода при 1147°С 2,14% по массе, при 727 °С 0,8% (линия ES диаграммы). При т-рах < 727°С основа Ж. с. - феррит, твердый р-р углерода в низкотемпературной модификации железа a-Fe; р-римость С при этих т-рах ок. 0,02% (линия PQ диаграммы); обладает низкой твердостью и относительно низкой прочностью. Цементит Fe 3 C обладает орторомбич. кристаллич. решеткой, элементарная ячейка к-рой содержит 12 атомов Fe и 4 атома С. Обладает высокой твердостью по Бринеллю (НВ ~ 7000 МПа), хрупок. При соединении с др. элементами образует твердые р-ры замещения - легир. цементит. В зависимости от условий образования различают первичный цементит, выделяющийся при кристаллизации расплава, вторичный, образующийся из пересыщенного аустенита, и третичный, выделяющийся из пересыщенного феррита. Цементит - метастабильная фаза, к-рая при медленном охлаждении из расплава или при выдержке при т-ре 1050-1110 °С после затвердевания распадается на своб. углерод (графит) и Fe, происходит т. наз. графитизация. В расплавл. состоянии Fe и С взаимно растворимы. Линия ABCD диаграммы - линия ликвидуса системы Fe-C, выше к-рой все сплавы находятся в жидком состоянии, линия AHIECF - линия солидуса, ниже к-рой для сплавов заканчивается . При содержании С 4,3% в Ж. с. кристаллизуется эвтектич. смесь аустенита с цементитом, наз. ледебуритом; при содержании С 0,8% образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, наз. перлитом. В соответствии с диаграммой Ж. с., равновесно охлажденные до комнатной т-ры, содержат разл. структурные составляющие. Количеств. соотношение фаз для сплава любого состава при указанной т-ре определяют на диаграмме состояний Fe-C по правилу "рычага": проводят горизонталь, соединяющую две фазы при искомой т-ре, и по длинам противоположных фазам отрезков горизонтали, разделенной данным составом сплава, определяют количеств. соотношение фаз.
Чугуны. Содержат обычно более 2% углерода. Его содержание в чугуне обусловлено хим. процессами, происходящими в доменной (см. Печи ) при выплавке. Плавят чугун из шихты, содержащей окускованный рудный концентрат, в присут. (кокса) и флюсов (обычно СаСО 3 , MgCO 3). Снизу в доменную печь вдувают горячий , обогащенный кислородом. Образующиеся в печи СО 2 , Н 2 и твердый углерод последовательно восстанавливают содержащийся в руде Fe 2 O 3 до Fe 3 O 4 , FeO и железа. Т-ра в горне печи, где скапливается жидкий чугун, достигает 1400-1500 °С. Флюсы, взаимодействуя с рудными компонентами, образуют шлак, в к-рый уходят вредные примеси -S, Р, излишки Мп, пустая порода и нек-рые . В процессе доменной плавки из шихты в чугун переходят Mn, Si, Cr, Ni, P и др. элементы, из кокса - . Восстановит. доменной печи способствует интенсивному насыщению Fe углеродом (3Fe + 2CO: Fe 3 C + CO 2), в результате чего доменный чугун может содержать до 4,6% С. По назначению доменные чугуны разделяют на передельные и литейные. Передельные чугуны, содержащие С > 4%, переплавляют на сталь в конвертерах, мартеновских или электрич. печах. Литейные чугуны, содержащие 2,4-3,8% С, применяют в машиностроении для изготовления чугунного литья. В зависимости от степени графитизации литейные чугуны подразделяют на белый, половинчатый и серый; в зависимости от формы включений графита - на чугун с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным (изогнутые пластинки) и хлопьевидным графитом; в зависимости от характера металлич. основы - на перлитный, ферритный, ферритно-перлитный; в зависимости от назначения - на конструкционный и чугун со спец. св-вами; по хим. составу на легированный и нелегированный. В белом чугуне избыточный углерод, не находящийся в твердом р-ре Fe, присутствует в связанном состоянии в виде цементита или т. наз. спец. карбидов (в легир. чугунах). Кристаллизация белых чугунов происходит при быстром охлаждении с образованием цементита и перлита. Белый чугун обладает большой твердостью и хрупкостью. Тот же чугун, быстро охлажденный только с поверхности (отбеленный), используют для изготовления деталей, работающих в условиях повыш. абразивного износа. Для улучшения мех. св-в белого чугуна его подвергают графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Условия отжига: отливку выдерживают 10-12 ч при 1000°С, охлаждают до 700 °С и выдерживают 20-30 ч. На графитизацию положительно влияют легирующие элементы Si, Ni, Сu, Al, Ti, CO, отрицательно - Сr, Мn, Мо и W, к-рые способствуют устойчивости цементита. Получающийся чугун носит назв. ковкого, обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, пригоден для работ при низких т-рах. Мех. св-ва ковкого чугуна определяются структурой металлич. основы, кол-вом и степенью компактности включений графита. Наиб. высокими св-вами обладает перлитный ковкий чугун (s раст ~600 МПа) при относит. удлинении d=3%); повыш. пластичностью - ферритный. Ковкий чугун применяется в осн. в автомобиле-, тракторo- и сельхозмашиностроении. В половинчатом чугуне, образующемся в результате неполной графитизации белого чугуна, углерод содержится в виде цементита и графита. Включения графита, приобретающие лепестковую или пластинчатую форму, являются концентраторами внутр. напряжений в металле. Обладает пониженной по отношению к белому чугуну твердостью и прочностью. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повыш. износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). Серый чугун содержит включения графита пластинчатой формы. В зависимости от характера металлич. основы подразделяется на перлитный, содержащий включения графита в перлите, ферритно-перлитный, с включениями графита на фоне участков своб. феррита и перлита, и ферритный, содержащий графитные включения на фоне своб. феррита. Наиб. высокой прочностью и твердостью (s изг = 320 МПа, НВ = 2000 МПа) обладает перлитный серый чугун; ферритно-перлитного чугуна s изг = 200-250 МПа, ферритного ~ 200 МПа. Перлитный серый чугун применяют для изготовления цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и др.; для менее ответств. деталей применяют ферритно-перлитный и ферритный чугун. Повышение мех. св-в серого чугуна достигается путем измельчения и сферодизации графитных включений. Для этого проводится модифицирование чугуна: в жидкий чугун перед разливкой вводят в порошковом виде модификатор, напр. Mg, Се, V, Са и др., частицы к-рых служат центрами графитизации и способствуют образованию графита в виде мелких глобул, имеющих шаровидную форму. Такой модифицированный, или высокопрочный, чугун обладает более высокими прочностными характеристиками (s изг = 1000 МПа, d = 4%), хорошими литейными и технол. св-вами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием). Применяется для замены стальных кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и др.), деталей из ковкого или обычного серого чугуна, а также во мн. областях машиностроения. В пром-сти выплавляют также легир. чугуны со спец. физ.-хим. св-вами, напр., коррозионностойкие чугуны, легированные Ni и Сu; кислотоупорные и щелочеупорные, легированные Сr и Ni; жаростойкие, легированные Al, Si, Мо; антифрикционные, легированные Si, Mn, Сr и Сu. Получают обычно легир. чугуны спец. доводками в ковше, электропечах и вагранках (термич. обработка, добавление ферросплавов и др.).
Стали. Содержат менее 1,5-2% углерода. Осн. способы произ-ва стали кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный. Наиб. прогрессивные - кислородно-конвертерный и электросталеплавильный; объем мирового произ-ва стали, выплавленной этими способами, неуклонно растет. Кислородно-конвертерный способ позволяет выплавлять сталь широкого сортамента, использовать в шихте металлич. лом и сократить продолжительность плавки. Емкость для выплавки стали - конвертер представляет собой ретортообразный резервуар, футерованный доломитовыми и магнезитовыми материалами; оснащен поворотным механизмом, позволяющим разливать сталь. Конвертер через горловину заливают жидким чугуном, к-рый продувается сверху или через днище смесью кислорода с воздухом, прир. газом, нефтепродуктами. После загрузки шихты (железного лома, рудного концентрата, флюсов) в конвертер через горловину вдвигают водоохлаждаемую фурму и через нее на пов-сть расплава подается чистый . Происходит интенсивное Fe и обильное образование FeO, к-рый активно взаимод. с углеродом и примесями (Si, Mn, Р), окисляя их и восстанавливаясь в Fe Шихтовые материалы при мартеновской плавке - передельный чугун (в твердом или жидком состоянии), рудный концентрат, стальной лом (скрап); флюсы: при основном процессе - , при кислом - кварцевый песок. Тип процесса определяется качеством исходных материалов; руду, загрязненную Р, S, плавят в "основной" печи, футерованной магнезитовым или магнезитохромовым кирпичом, руду более высокого качества - в "кислой" печи, футерованной доломитовым кирпичом. Плавка стали из передельного чугуна и скрапа - окислит. процесс. Во время плавления шихты происходит окисление Fe и примесей. Образующийся FeO активно взаимод. с углеродом по р-ции FeO + С: СО +Fe, вследствие чего содержание углерода в металле снижается. Для интенсификации окисления в металлич. ванне и горения топлива воздушное дутье обогащают кислородом. Однако образующееся при этом избыточное кол-во FeO в конце плавки нежелательно, т. к. кислород является вредной примесью в металле. Для удаления кислорода производят раскисление расплавл. стали с помощью Аl, ферромарганца и ферросилиция. В зависимости от степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную (полностью раскисленную) сталь. Мартеновский способ менее экономичен, чем конвертерный и электросталеплавильный. Широкое применение в черной металлургии получила выплавка стали в дуговых и индукционных электропечах, что позволяет выплавлять сталь со значительно меньшим содержанием в расплаве FeO, точно дозировать шихту при выплавке качеств. сталей, осуществлять плавку в вакууме, под высоким давлением, получать более высокие т-ры расплава; метод экономичен. Шихта для плавки стали в электропечах обычно содержит стальной лом, металлизов. окатыши, ферросплавы, чугун и флюсы. Окисление примесей происходит вследствие продувки жидкого металла кислородом. Для получения стали повыш. качества применяют разл. способы ее послед. рафинирования: электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, вакуумно индукционную плавку, плазменно-дуговой переплав, электроннолучевую плавку, внепечное рафинирование в ковше, рафинирование стали продувкой инертными газами. Металлизов. окатыши, частично заменяющие чугун, получают обычно прямым восстановлением Fe из руд с помощью СО, Н 2 и пылевидного каменного угля в результате т. наз. процессов внедоменной металлургии. Существенное значение для качества выплавленной стали имеют процессы ее разливки, формирования слитка и послед. его прокатки. Прогрессивным направлением является непрерывная разливка стали и совмещение ее с прокаткой, что позволяет получать более качеств. прокат с меньшими потерями. Св-ва сталей, как и чугунов, определяются св-вами и количеств. соотношением фаз, присутствующих в сплаве. Сталь, содержащая 0,8% С, наз. эвтектоидной, менее 0,8% С - доэвтектоидной и более 0,8% С заэвтектоидной. Структура доэвтектоидной стали в равновесном состоянии состоит из участков феррита и перлита, эвтектоиднои - из участков перлита, заэвтектоидной - из участков перлита и вторичного цементита в виде сетки или мелких глобул. С повышением содержания углерода в стали до 0,9% ее и прочность возрастают, при дальнейшем увеличении содержания углерода прочность снижается, твердость же продолжает расти. Для улучшения мех. св-в стали ее подвергают термич. и химико-термич. обработке, а в нек-рых случаях - сочетанию пластич. и термич. обработки (термомех. обработке). Выбор условий термич. обработки проводится с помощью диаграмм изотермич. превращения переохлажденного аустенита, к-рые строятся для каждой конкретной стали и характеризуют время и характер распада переохлажденного аустенита в зависимости от т-ры переохлаждения. Критич. точки A 1 для сталей с любым содержанием углерода находятся на линии PSK диаграммы Fe-C и соответствуют превращению перлита в аустенит и обратно, критич. точки Асоответствуют завершению превращения феррита в аустенит для доэвтектоидной стали, точки А Cm на линии SE - завершению превращения вторичного цементита в аустенит для заэвтектоидной стали. Осн. виды термич. обработки стали - отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Отжиг подразделяется на отжиг I и II рода. Отжиг I рода не связан с фазовыми перекристаллизациями стали и проводится в аустенитном состоянии при высоких т-рах и длит. выдержках, необходимых для выравнивания концентрационных неоднородностей, разл. рода ликвации (диффузионный отжиг), или при т-рах несколько ниже критич. точки А 1 -для протекания процесса рекристаллизации и снятия наклепа после холодной пластич. деформации (рекристаллизационный отжиг). Отжиг II рода заключается в нагреве стали выше критич. точек, т. е. перекристаллизации, выдержке, медленном охлаждении с выдержкой в процессе охлаждения при 650-680 °С для сферодизации пластинчатого цементита с послед. охлаждением до комнатной т-ры. Такой отжиг приводит сталь в равновесное состояние, смягчает ее, улучшает обрабатываемость резанием. Нормализация заключается в нагреве стали до однофазного аустенитного состояния, выдержке и охлаждении на воздухе. При нормализации достигается структуры, повышение сопротивления стали хрупкому разрушению, улучшение ее мех. обрабатываемости. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве сплава до однофазного аустенитного состояния; заэвтектоидной - в нагреве до двухфазного состояния (аустенит + вторичный цементит) с выдержкой до прогрева и быстрым охлаждением в воде или масле. Закалка проводится с целью придания стали высокой твердости и прочности, что связано с образованием в стали мартенсита, представляющего собой пересыщенный твердый р-р С в a-Fe. При закалке в стали возникают большие внутр. напряжения, повышается ее прочность и твердость. После закалки для повышения вязкости и пластичности стали, снижения внутр. напряжений и твердости применяют отпуск стали, заключающийся в нагреве до т-ры ниже критич. точки A 1 , выдержке при этой т-ре с послед. охлаждением с заданной скоростью. При отпуске происходит распад мартенсита, остаточного аустенита, выделение и карбидов. К отпуску прибегают для достижения необходимого комплекса мех. св-в, гл. обр. наилучшего сочетания прочности и пластичности, а также для устранения внутр. напряжений, возникающих при закалке. Совмещение закалки стали с высоким отпуском, применяемое для конструкционных сталей, наз. улучшением; при этом достигается оптим. сочетание прочности и вязкости стали. Для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя стальных изделий, увеличения контактной выносливости их подвергают нек-рым видам химико-термич. обработки - поверхностному насыщению стали углеродом (), азотом (азотирование), бором (борирование), хромом (хромирование) и др. элементами, с послед. закалкой и отпуском. Термомех. обработку стали применяют для повышения ее твердости и прочности при сохранении достаточно высокой пластичности и ударной вязкости. Различают высоко- и низкотемпературную обработки. При высокотемпературной обработке пластич. деформацию проводят в аустенитном состоянии с послед. закалкой; при низкотемпературной -сталь нагревают до аустенитного состояния, охлаждают до т-р, ниже т-р повыш. устойчивости переохлажденного аустенита, проводят пластич. деформацию и быстрое охлаждение. При термомех. обработке обычно происходит измельчение структуры сплава (зерна, мартенсита, карбидов). В зависимости от содержания С и легирующих элементов стали разделяют на углеродистые и легированные. В углеродистых сталях кроме углерода обычно содержится до 0,7% Мn, 0,37% Si, 0,04% S и 0,035% Р. Легированные стали по хим. составу разделяют на низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5%, среднелегированные - от 2,5 до 10% и высоколегированные -выше 10%. По отношению к углероду легирующие элементы в Ж. с. можно разделить на элементы, не образующие карбидов (Ni, Si, Co, Al и Сu), и карбидообразующие элементы (Сr, Mn, W, Mo, V, Ti, Nb, Та и Zr). По степени возрастающего сродства к углероду легирующие элементы располагаются в ряд: Мn < Сr < W < Мо < Та < V < Zr < Ti < Nb. В сталях могут образовываться как простые, так и сложные этих элементов, напр. Fe 2 W 2 C, WC, W 2 C, Мо 2 С, (Fe, Cr, Mo) 23 C 6 Cr 3 C 2 . В зависимости от осн. легирующего элемента различают хромистые, кремнистые, марганцовистые, никелевые, хромоникелевые, молибденовые и вольфрамовые стали. По структуре, полученной при охлаждении на воздухе из аустенитного состояния, различают стали перлитного, мартенситного, аустенитного, ферритного и ледебуритного классов. К перлитному классу относят углеродистые и малолегир. стали, к остальным - легированные. Легир. стали маркируются обычно буквенно-цифровыми обозначениями. Легирующие элементы обозначают русскими заглавными буквами: Mn - Г; Si - С; Сr - Х; Ni - H; W - B; V - Ф; Ti - T; Мо - М; Со - К; Аl - Ю; Cu - Д; В - Р; Nb - Б; Р - П; перед буквами дается содержание углерода; если содержание углерода равно 1,0%, цифра в марке не ставится. При содержании легирующего элемента > 1,5% после заглавной буквы соответствующего элемента указывают его содержание в целых процентах. В нек-рых случаях перед маркой легир. сталей буквами указывают области их применения. Различают стали общего назначения, автоматные, конструкционные (углеродистые и легированные), инструментальные (углеродистые и легированные), быстрорежущие и др. Стали общего назначения относятся к доэвтектоидным углеродистым сталям. Используются без термич. обработки или после нормализации и закалки. Автоматные стали содержат повыш. кол-во фосфора (<0,1%), характеризуются хорошей мех. обрабатываемостью и повыш. хрупкостью. Хорошо обрабатываются резанием; применяются для изготовления деталей, работающих при невысокой ударной нагрузке и малых коэф. трения. Конструкционные углеродистые стали применяют без термообработки или после нормализации и улучшения для изготовления деталей, не испытывающих больших нагрузок. Конструкционные легир. стали подразделяют на цементируемые и улучшаемые. Первые подвергают цементации - насыщению с поверхности углеродом с послед. полной закалкой и низким отпуском, вторые - улучшению (закалке и высокому отпуску). Пружинно-рессорные стали, легированные Si, обладают высоким пределом упругости (предел пропорциональности @ 1500 МПа); их термич. обработка -закалка и средний отпуск. Инструментальные углеродистые и легир. стали предназначены для изготовления режущих, измерительных и штамповых инструментов, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, достаточной ударной вязкостью, прочностью, теплостойкостью. Для режущего инструмента, работающего при небольших скоростях резания, применяют углеродистые заэвтектоидные стали, а также легированные хромокремнистые, хромовольфрамомарганцовистые и др. инструментальные стали. Последние обладают большей прокаливаемостью и теплостойкостью, меньшей хрупкостью, чем углеродистые. Для холодных штампов используют легированные доэвтектоидные стали (хромоникельмолибденовые, хромоникельтитановые и др.), для инструментов холодного деформирования - высокохромистые стали ледебуритного класса, содержащие 12% Сr, для инструментов холодного выдавливания - сложнолегир. стали с содержанием С 0,75%, для инструментов горячего деформирования - сложнолегир. электростали, содержащие 0,4-0,6% С. Быстрорежущие стали применяют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Они обладают высокой теплостойкостью, твердостью, износостойкостью, высокой прокаливаемостью. Широко применяют сложнолегир. быстрорежущие стали, содержащие W, Мо, Со, Сr, V и др. элементы; содержание в них углерода ок. 0,9%. Наиб. часто применяемая быстрорежущая сталь содержит 5-6% W. Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса, т. к. благодаря высокому легированию в них сохраняются первичные карбиды, образовавшиеся при кристаллизации. Термич. обработка таких сталей состоит из высокотемпературной закалки в масле и трехкратного высокого отпуска. К жаропрочным сталям относят высоколегир. стали, содержащие Сr (0,4 14%), Ni (8-34%), Мо (0,4 0,8%), W (0,5 2%), V (0,15 0,40%). Жаропрочность сплава связана с тугоплавкостью осн. металла, наличием в сплаве твердого р-ра и дисперсной упрочняющей фазы. Жаропрочные стали подразделяют на стали для низких и средних т-р стали ферритного класса, и повыш. т-р (700 750 °С) стали аустенитного класса. Высокохромистые жаропрочные стали подвергают закалке при 1000-1060°С в масле и высокому отпуску. Для работы при т-рах 800 °С применяют обычно сплавы на основе никеля (см. Жаропрочные сплавы ). Коррозионностойкие (нержавеющие) стали стойки против разрушения в хим. агрессивных средах (к-тах, щелочах). Осн. легирующий элемент этих сталей Сr. Хромистые нержавеющие стали разделяют на: 1) мартенситныe стали, легированные Сr (12-18%) и содержащие до 0,4% С; обладают высокими мех. св-вами; 2) ферритные высокохромистые (16-30% Сr) стали; обладают высокой коррозионной стойкостью и пониж. мех. св-вами; 3) аустенитные стали, легированные Сr (12-30%) и Ni (7-20%); обладают высоким пределом ползучести; применяются для работ при т-рах до 700 °С. Термич. обработка хромистых нержавеющих сталей заключается в двойном отжиге или закалке, обработке холодом и старении (длит. выдержка при т-рах, соответствующих отпуску). Электротехнические стали (трансформаторная и динамная) обладают высокой магн. проницаемостью и малыми потерями при перемагничивании; применяются обычно в виде листа и служат для изготовления разл. магнитопроводов. Осн. легирующий элемент электротехн. сталей Si; содержание его в трансформаторной стали 4%, в динамной до 2,5%. В связи с большим содержанием Si и малым содержанием углерода трансформаторная сталь является сталью ферритного класса. С помощью отжига после холодной или горячей прокатки добиваются получения ребровой или кубич. текстуры этой стали, что значительно повышает ее электротехн. св-ва.
Сплавы с особыми физико-химическими свойствами. К ним относят нек-рые виды стали и сплавы с высоким (до 50%) содержанием разл. элементов. Среди первых наиб. применение находят износостойкие стали аустенитного класса с высоким содержанием Мn (> 13%). Они обладают высоким сопротивлением износу и повыш. прочностью при довольно низкой твердости (напр., сталь Гадфильда). Такое необычное сочетание противоположных св-в объясняется способностью стали самоупрочняться под нагрузкой. Вторую группу составляют сплавы, обладающие спец. св-вами (табл. 1). Ферросплавы используют в процессе произ-ва Ж. с. в качестве промежут. шихтовых материалов для легирования и раскисления стали, чугуна и нек-рых др. сплавов. Наиб. распространение получили ферросилиций, ферромарганец, феррохром и др. Легирующее действие того или иного ферросплава на сталь заключается в растворении легирующего элемента в Fe или хим. взаимод. его с цементитом, в результате чего в стали образуются твердые р-ры замещения и карбиды соответствующих металлов разл. типа (М 3 С, МС, М 2 С, М 7 С 3 , М 6 С и др.).

Для произ-ва ферросплавов обычно используют руды необходимых элементов, содержащие железо. Способы выплавки ферросплавов: электротермический, электросиликотермический, металлотермический и доменный (табл. 2).


Историческая справка. Ж. с. как материал, используемый человеком, имеют многовековую историю. Еще в сер. 2-го тыс. до н. э. человек научился восстанавливать железные руды нагреванием с древесным углем, получая т. наз. сыродутное железо - ковкое и высокопластичное, почти не содержащее углерода. Из полученной таким образом заготовки ("губки") выковывали разл. изделия. Первые сведения о чугуне относятся к 6 в. до н. э. В Китае из высокофосфористых железных руд получали низкоплавкий чугун с высоким содержанием Р (0,8-0,9%), из к-рого отливали разл. изделия. Античным металлургам чугун был известен в 4-5 вв. до н. э. Произ-во чугуна в Европе началось в 14 в. с появлением первых небольших печей (домниц). В России произ-во чугуна началось в 16 в.; при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны. В 18 в. появление печей для плавки литейного чугуна и лома (вагранок) положило начало независимому существованию чугунолитейного произ-ва на машиностроит. заводах. В нач. 19 в. начинается произ-во ковкого чугуна, в сер. 20 в. - легированного. Для получения литой стали древние мастера применяли расплавление мелких кусков чугуна и стали в огнеупорных тиглях (тигельная плавка). Такая плавка позволяла производить высококачеств. сталь особой структуры (узорчатая сталь), обладающую высокой твердостью и упругостью, -булат, применяемый для изготовления холодного оружия исключит. стойкости и остроты. Тигельный процесс просуществовал до нач. 20 в. В кон. 18 в. стало использоваться пудлингование - процесс передела чугуна в мягкие малоуглеродистые стали, получающиеся в тестообразном состоянии на поду пламенной отражательной (пудлинговой) печи. Предложенные во 2-й пол. 19 в. Г. Бессемером и П. Мартеном конвертерный и мартеновский способы выплавки Ж. с. позволили начать массовое произ-во литой стали. В кон. 19 в. начала применяться выплавка в электропечах. До сер. 20 в. главенствующее положение среди способов произ-ва стали занимал мартеновский процесс, на долю к-рого приходилось ок. 80% выплавляемой в мире стали. С 50-х гг. резко возросла роль кислородно-конвертерного способа. Произ-во стали в мире составляет 90-95% произ-ва всех металлов. Мировое произ-во стали ок. 700 млн. т/год (1984). Лит.: Бокштейн С. 3., Строение и свойства металлических сплавов, М., 1971; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975; Пикеринг Ф., Физическое металловедение и разработка сталей, пер. с англ., М., 1982; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник под ред. М. П. Бернштейна и А. Г. Рахштадта, 3 изд., т. 1-3, М., 1983; Блантер М. Е., Теория термической обработки, М., 1984; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, 4 изд., М., 1986. Б. Г. Сазонов, Ю. Б. Сазонов.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Смотреть что такое "ЖЕЛЕЗА СПЛАВЫ" в других словарях:

Макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов) с характерными металлич. св вами. В более широком смысле С. любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед … Химическая энциклопедия