, быстрорежущая)
Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор , амортизаторов , силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле , сильфонов , растяжек, подвесок.
Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью .
История стали
Самые ранние известные образцы стали были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция). Им около 3800 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры. Высокой репутацией в древности пользовалась индийская сталь. От индийской стали происходит средневековый булат , широко известный в Средней Азии и Восточной Европе . Сталь научились производить в конце эпохи Античности и в Западной Европе. По определённым показателям (упругость) именно из стали изготавливался испанский копис . Сталь позволила сделать акцент с колющего момента на режущий и перейти к сабле (через палаш). В эпоху Средневековья сталь широко применялась для изготовления холодного оружия (Романский меч , Мечи Ульфберта). На Ближнем Востоке была известна дамасская сталь , из которой ковался шамшир . В средневековой Японии из стали-Тамахаганэ изготавливались знаменитые катана , вакидзаси и танто . Существует версия, что японские мечи XI-XIII веков создавались из легированной стали с примесью молибдена . В Европе сталь позволила удлинить мечи, которые впоследствии эволюционировали в шпагу (в XV веке) и рапиру.
Технологию литой стали изобретает английский инженер Гентсман , однако в континентальную Европу она проникает лишь в начале XIX века (благодаря Круппу). Нарезная артиллерия с 1854 года изготовлялась из стали (Пушка Армстронга). В XX веке из стали начали изготовлять танковую броню . В армии Кайзеровской Германии времен Первой мировой войны появились стальные шлемы (Штальхельм)
Классификация сталей
Существует множество способов классификации сталей, таких как по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.
По назначению стали делятся на множество категорий, таких как конструкционные стали, коррозионно стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные ; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6-2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные - до 4 % легирующих элементов, среднелегированные - до 11 % легирующих элементов и высоколегированные - свыше 11 % легирующих элементов.
Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений . Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь разделяется на аустенитную , ферритную , мартенситную , бейнитную и перлитную . Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.
Характеристики стали
- Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:
- Предел прочности стали при растяжении:
Способ производства
Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей - фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конвертерный, мартеновский и электротермический.
Технология производства стали
Передельный или литейный чугун в расплавленном или твёрдом виде и железосодержащие изделия, полученные прямым восстановлением (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.
Процессы производства стали делятся на два основных способа, а именно: конвертерный процесс, в котором расплавленный передельный чугун в конвертере рафинируют от примесей, продувая его кислородом, и подовый процесс, для осуществления которого используются мартеновские или электрические печи.
Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда загрузка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии и даже переплавить добавленный лом. Эти процессы включают в себя такие, при которых чистый кислород вдувается в расплавленный металл (процессы Линца - Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и другие), и такие процессы, ныне уже устаревшие, при которых используется воздух, иногда обогащённый кислородом (томасовский и бессемеровский процессы).
Подовые процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твёрдая шихта (например, отходы или лом, губчатое железо и твёрдый передельный чугун). Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагрев осуществляется при сжигании мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагрев осуществляется электричеством.
Для производства некоторых видов стали могут быть последовательно использованы два различных процесса (дуплекс-процесс). Например, процесс плавки может начаться в мартеновской печи, а закончиться в электропечи; или же сталь, расплавленная в электропечи, может быть слита в специальный конвертер, где обезуглероживание завершается путём вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну (процесс, используемый, например, для производства коррозионностойкой стали).
Возникло много новых процессов производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти процессы включают дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку и электрошлаковый переплав. Во всех этих процессах сталь получается из переплавляемого электрода, который при плавлении начинает капать в кристаллизатор. Кристаллизатор может быть изготовлен цельным, или его днище может быть отъёмным для того, чтобы затвердевшую отливку можно было вынуть снизу.
Жидкая сталь, полученная вышеописанными процессами, с дальнейшим рафинированием или без него, сливается в ковш. На этом этапе в неё могут быть добавлены легирующие элементы или раскислители. Процесс также можно провести в вакууме, что обеспечивает снижение содержания газообразных примесей в стали. Стали, полученные этими процессами, подразделяются в соответствии с содержанием в них легирующих элементов на «нелегированные стали» и «легированные стали» (коррозионностойкие стали или другие виды). Далее они подразделяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, например, на автоматную сталь, кремнистую электротехническую сталь, быстрорежущую сталь или кремнемарганцовистую сталь.
Кислородно-конвертерный способ получения стали
По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют кислородом, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах - конвертерах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Ёмкость конвертера 50-60 . Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO 2 , имеющий кислотные свойства), либо доломитная масса (смесь CaO и MgO), которые получают из доломита MgCO 3 ·CaCO 3 . Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конвертерный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.
Бессемеровский способ
Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300 °C быстро поднимается до 1500-1600° С. Выгорание 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200 °C. Около 1500 °C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:
- Si + O 2 = SiO 2
- 2 C + O 2 = 2 CO
- 2 Fe + O 2 = 2 FeO
Образующийся монооксид железа FeO хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO 2 и в виде силиката железа FeSiO 3 переходит в шлак:
- FeO + SiO 2 = FeSiO 3
Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P 2 O 5 при избытке SiO 2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO 2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.
Все процессы в конвертере идут быстро - в течение 10-20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащённым кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, в виде пузырьков газа поднимается вверх, сгорая над поверхностью расплава с образованием над горловиной конвертера факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворённого монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей - ферросилиция, ферромарганца или алюминия:
- 2 FeO + Si = 2 Fe + SiO 2
- FeO + Mn = Fe + MnO
- 3 FeO + 2Al = 3 Fe + Al 2 O 3
Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO 2 и образует силикат марганца MnSiO 3 , который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространён, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорание металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьёзным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.
Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п.
В настоящее время этот процесс является устаревшим.
Томасовский способ
Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (более 2 %). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.
В этих условиях фосфатный ангидрид P 2 O 5 , который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак:
- 4 P + 5 O 2 = 2 P 2 O 5
- P 2 O 5 + 3 CaO = Ca 3 (PO 4) 2
Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертера поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции
- FeS + CaO = FeO + CaS
Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п.
В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P 2 O 5 . Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах.
Метод является устаревшим и в настоящее время практически вытеснен из производства.
Мартеновская печь
Мартеновский способ отличается от конвертерного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счёт кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.
Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенератора нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д.
Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600-1700 °C и выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счёт избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конвертере, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака - за счёт оксидов железа:
- 4 Fe 2 O 3 + 6 Si = 8 Fe + 6 SiO 2
- 2 Fe 2 O 3 + 6 Mn = 4 Fe + 6 MnO
- Fe 2 O 3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO
- 5 Fe 2 O 3 + 2 P = 10 FeO + P 2 O 5
- FeO + С = Fe + CO
Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:
- MnO + SiO 2 = MnSiO 3
- 3 CaO + P 2 O 5 = Ca 3 (PO 4) 2
- FeS + CaO = FeO + CaS
Мартеновские печи, как и конвертеры, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертера, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрев печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют раскислители. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.
В настоящее время работающие мартеновские печи сохранились только в России, Украине и Индии.
Электротермический способ
Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конвертерным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи - не ниже 1650 °C. Это позволяет проводить плавку стали на основных шлаках (которые трудно плавятся), при которой полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами - молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии - до 800 кВт·ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.
Электропечи бывают разной ёмкости - от 0,5 до 180 т. Футеровку печи выполняют обычно из периклазо-углеродистого огнеупора, а свод печи из магнезито-хромитового огнеупора. Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определённой пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс . Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.
Свойства стали
Физические свойства
- плотность ρ ≈ 7,86 г/см 3 ; коэффициент линейного теплового расширения α = (11…13)·10 −6 K −1 ;
- коэффициент теплопроводности k = 58 Вт/(м·K);
- модуль Юнга E = 210 ГПа;
- модуль сдвига G = 80 ГПа;
- коэффициент Пуассона ν = 0,28…0,30;
- удельное электросопротивление (20 °C, 0,37-0,42 % углерода) = 1,71·10 −7 Ом·м.
Зависимость свойств от состава и структуры
Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих:
Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод - графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей - повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.
Обработка стали
Виды термообработки
Сталь в исходном состоянии достаточно пластична, её можно обрабатывать путём деформирования (давления): ковать, вальцевать, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно изменять свои механические свойства после термической обработки, сущность которой заключается в изменении структуры стали при нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие виды термической обработки:
- отжиг;
- нормализация;
- закалка;
- отпуск.
Чем богаче сталь на углерод, тем она твёрже после закалки. Сталь с содержанием углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддаётся.
Химико-термическая обработка сталей
Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путём добавления различных химических веществ до определённой глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространённых целей, относящихся при использовании этих технологий, является повышение твёрдости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышение износостойкости, повышение устойчивости к усталости и улучшение коррозионной стойкости. К этим методам относятся:
- Цементация (C) увеличивает твёрдость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
- Азотирование (N), как и цементация, увеличивает поверхностную твёрдость и износостойкость стали.
- Цианирование и нитроцементация (N + C) - это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации - смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН 4 и др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.
- Сульфатирование (S) - насыщение поверхности серой улучшает приработку трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.
Разновидности некоторых сталей
| Марки стали | Термообработка | Твёрдость (сердцевина-поверхность) |
|---|---|---|
| 35 | нормализация | 163-192 HB |
| 40 | улучшение | 192-228 HB |
| 45 | нормализация | 179-207 HB |
| 45 | улучшение | 235-262 HB |
| 55 | закалка и высокий отпуск | 212-248 HB |
| 60 | закалка и высокий отпуск | 217-255 HB |
| 70 | закалка и высокий отпуск | 229-269 HB |
| 80 | закалка и высокий отпуск | 269-302 HB |
| У9 | отжиг | 192 HB |
| У9 | закалка | 50-58 HRC |
| У10 | отжиг | 197 HB |
| У10 | закалка | 62-63 HRC |
| 40Х | улучшение | 235-262 HB |
| 40Х | улучшение+закалка токами выс. частоты | 45-50 HRC; 269-302 HB |
| 40ХН | улучшение | 235-262 HB |
| 40ХН | 48-53 HRC; 269-302 HB | |
| 35ХМ | улучшение | 235-262 HB |
| 35ХМ | улучшение+закалка токами выс. частоты | 48-53 HRC; 269-302 HB |
| 35Л | нормализация | 163-207 HB |
| 40Л | нормализация | 147 HB |
| 40ГЛ | улучшение | 235-262 HB |
| 45Л | улучшение | 207-235 HB |
Производство стали
Производство стали в мире
Мировым лидером в производстве стали является Китай, доля которого по итогам 2017 года составила 49 %.
Всего в мире в 2015 году было выплавлено 1 620 млн тонн стали, в 2017 году объём мирового производства составил 1 691,2 млн тонн .
В десятку стран-лидеров по выплавке стали вошли :
| Страна | Выплавка в 2017 году, млн тонн |
|---|---|
| Китай | 831,7 |
| Япония | 104,7 |
| Индия | 101,4 |
| США | 81,6 |
| Россия | 71,3 |
| Южная Корея | 71,1 |
| Германия | 43,6 |
| Турция | 37,5 |
| Бразилия | 34,4 |
| Италия | 24,0 |
Производство стали по континентам и регионам распределяется следующим образом:
| Регионы мира | 2011 год | 2017 год |
|---|---|---|
| Азия | 954 190 | 1 162 500 |
| Европейский союз (27) | 177 431 | 168 700 |
| Северная Америка | 118 927 | 116 000 |
| СНГ (6) | 112 434 | 102 100 |
| Южная Америка | 48 357 | 43 700 |
| Прочая Европа | 37 181 | |
| Ближний Восток | 20 325 | |
| Африка | 13 966 | |
| Океания | 7 248 | |
| Всего в мире | 1 490 060 | 1 691 200 |
2008 год
В 2008 году в мире было произведено 1 млрд 329,7 млн тонн стали, что на 1,2 % меньше, чем в 2007 г. Это стало первым сокращением годового объёма производства за последние 11 лет.
2009 год
По итогам первых шести месяцев 2009 года производство стали в 66 странах мира, доля которых в мировой сталелитейной отрасли составляет не менее 98 %, сократилось по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года на 21,3 % - с 698,2 млн тонн до 549,3 млн тонн (статистика World Steel Association).
Китай увеличил производство стали относительно аналогичного периода 2008 года на 1,2 % - до 266,6 млн тонн, в Индии производство стали возросло на 1,3 % - до 27,6 млн тонн.
В США производство стали упало на 51,5 %, в Японии - на 40,7 %, в Южной Корее - на 17,3 %, в Германии - на 43,5 %, в Италии - на 42,8 %, во Франции - на 41,5 %, в Великобритании - на 41,8 %, в Бразилии - на 39,5 %, в России - на 30,2 %, в Украине - на 38,8 %.
В июне 2009 г. производство стали в мире составило 99,8 млн тонн, что на 4,1 % больше, чем в мае 2009 года.
Рейтинг ведущих мировых производителей стали
По данным Metal Bulletin’s Top Steelmakers of 2007 производство стали по компаниям производителям составило (в млн тонн):
| 2007 | 2006 | Производитель | Страна | Производство в 2007 году | Производство в 2006 году |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1&2 | ArcelorMittal | Люксембург | 116,40 | 117.98 |
| 2 | 3 | Nippon Steel | Япония | 34,50 | 33,70 |
| 3 | 4 | JFE Steel | Япония | 33.80 | 31.83 |
| 4 | 5 | POSCO | Ю. Корея | 32,78 | 31,20 |
| 5 | 6 | Shanghai Baosteel | Китай | 28,58 | 22,53 |
| 6 | 51 | Tata Steel | Индия | 26,52 | 23,95 |
| 7 | 17 | Jiangsu Shagang | Китай | 22,89 | 14,63 |
| 8 | 9 | Tangshang | Китай | 22,75 | 19,06 |
| 9 | 7 | US Steel | США | 20,54 | 21,25 |
| 10 | 18 | Wuhan | Китай | 20.19 | 13.76 |
| 11 | 8 | Nucor | США | 20,04 | 20,31 |
| 12 | 11 | Riva | Италия | 17,91 | 18,19 |
| 13 | 15 | Gerdau Group | Бразилия | 17,90 | 15,57 |
| 14 | 13 | ThyssenKrupp | Германия | 17,02 | 16,80 |
| 15 | 12 | Северсталь | Россия | 16,75 | 17,60 |
| 16 | 14 | Евраз | Россия | 16,30 | 16,10 |
| 17 | 16 |
В настоящее время искусство ковки металла переживает период возрождения. Мастерство таких кузнецов-оружейников как Леонид Архангельский, Сергей Данилин, Андрей Корешков свидетельствует о том, что русское оружейное искусство и традиции изготовления клинков остаются непревзойденными и по сей день.
В статьях, публикуемых мастерами-кузнецами, широко освещается вопрос об истории их искусства, теоретической базе изготовления, скажем, литого булата, но, уверен, что многие читают эти статьи с целью получить ответ на вопросы: «Как это делается?», «С чего начать?» и на подобные им, но, в лучшем случае, натыкаются на констатацию факта сложности подобного искусства и доступности его лишь посвященным. В данной статье я попробую осветить искусство кузнеца-оружейника с нуля, для тех, кто хочет начать заниматься этим увлекательнейшим занятием, но не знает, с какого края подобраться к нему. Статья будет посвящена большей частью сложнотехнологичным композитам. Дело в том, что я начинал знакомиться с искусством ковки с самостоятельных попыток получить дамасскую сталь, поэтому в первую очередь рассчитываю на читателей, которые, как говориться, «бредят Дамаском» Базовых приемов ковки я буду касаться весьма умеренно, – во-первых, этому и так посвящено достаточно литературы; во-вторых, чтобы научиться просто ковать, можно найти частную кузницу и поработать подмастерьем несколько месяцев, а вот попасть в ученики к именитому клиночнику, изготовляющему узорчатые композиты – сложно. Надеюсь, что эта статья немного компенсирует такую несправедливость. Я также не буду касаться в этой статье проблемы закалки – грамотная закалка стали, особенно дамасской – материал безграничный а, базовые сведения по закалке сталей с различным содержанием углерода можно почерпнуть из учебников по металловедению. Хочу сразу оговориться, что данные материалы ни в коей мере не являются руководством по изготовлению холодного оружия, что, напомню, согласно ст. 223 УК РФ является уголовно наказуемым деянием. Пластина из собственноручно выкованного Дамаска, отполированная и протравленная, принесет вам на первых порах не меньшее удовлетворение, чем нож или меч. Я собираюсь рассказать о том, как изготавливать МАТЕРИАЛ, и не несу ответственности за дальнейшее использование этого материала. При отсутствии лицензии на изготовление оружия или при невозможности найти работу на предприятии, имеющим такую лицензию, всегда можно найти способ заниматься любимым делом, не нарушая нормы УК и Закона РФ «Об оружии».
Обустройсво кузни
Итак, приступим. Прежде всего, вам необходимо оборудование. Часть его необходимо будет приобрести, часть можно изготовить самому. Начинать следует с определения территории, на которой будет располагаться ваша кузнечная мастерская. Если у вас есть загородный земельный участок – чудесно, даже в самом примитивном варианте устройства кузницы - под открытым небом - ковка с апреля по ноябрь вам обеспечена. Кроме того, при ковке под открытым небом автоматически решается важная проблема удаления газообразных продуктов сгорания топлива, большая часть из которых токсична. Чтобы не зависеть от погоды, над местом будущей кузницы надо установить навес на столбах, крыша которого обязательно должна быть сделана из железного листа, так как температура даже в двух метрах над горном достаточна для быстрого возгорания. Если же возможности работать на лоне природы у вас нет, то кузницу можно оборудовать и в помещении. Главные проблемы, которые встают в этом случае – вытяжка и противопожарная безопасность. Кроме того, использование под кузницу, например, гаража требует гораздо больших капиталовложений и связано с большими трудностями организационного характера. Где бы вы не расположились, вблизи огня горна нельзя использовать легковоспламеняющиеся и огнеопасные строительные материалы и вещества, пол, потолок и стены помещения должны быть металлическими или бетонными, а над горном должна располагаться мощная вытяжка. Лично я предпочитаю все-таки работать на открытом воздухе под навесом и по моему опыту, это возможно даже зимой.
Необходимые кузнечные инструменты
Определившись с местом для мастерской, необходимо решить «основной вопрос кузнеца» – вопрос с инструментом. К сожалению, купить кузнечный инструмент сейчас очень сложно. К тем предметам, которые приобрести просто необходимо, относятся:
Мозаичный дамаск
«Мозаичным дамаском» называется сталь, в которой участки с разным типом узора сварены воедино. Возможности для фантазии здесь безграничны. Я предлагаю изготовить дамаск, с узором «дым Саттон Ху», по названию ископаемого скандинавского меча.
Сварите пакет, состоящий из 7 слоев трех сталей – Ст3 (дает белый металлический цвет при травлении), У8 (черный цвет) и любой рессорной стали (серый цвет). Чередование может быть любым. Готовая пластина должна получится достаточно широкой и толстой, чтобы из нее можно было нарубить 8 прутков квадратного сечения толщиной и шириной примерно 7-8 мм. Возможно, придется изготовить несколько пластин. Длина прутков должна быть около 30 см. После этого наметьте на каждом из прутков участки по 4 см. Нагревая и зажимая прутки в тиски, по полученным меткам закрутите половину прутков в одном направлении (скажем, по часовой стрелке), а половину в другом. Скручивание будет происходить участками, так, чтобы закрученные участки чередовались с незакрученными. Старайтесь, чтобы скрученные и нескрученные участки на все прутках были в одних и тех же местах. После этого еще раз прокуйте каждый пруток, восстанавливая их квадратное сечение по всей длине.
Теперь возьмите четыре прутка – по два, закрученных в каждом направлении. Сложите их боковыми поверхностями на верстаке, следя при этом, чтобы слои металла в каждом прутке смотрели на вас. Скрученные участки будут соприкасаться и чередоваться. Пруток, скрученный по часовой стрелке рядом с прутком, скрученным против часовой стрелки, и так далее. У вас получится пакет, напоминающий сложенные пальцы руки. Наложите поперек пакета с каждой стороны несколько толстых гвоздей – их потом можно будет удалить – и проварите электросваркой, скрепляя пакет. Приварите также прут-рукоятку. Поскольку толщина пакета невелика, флюсовать можно непосредственно перед кузнечной сваркой. Разогрейте пакет до алого цвета, густо посыпьте бурой с двух плоских сторон, и нагревайте дальше. Сварка производится при максимально возможной, но исключающей пережог, температуре, очень легкими (чтобы не допустить расслоения пакета в виде веера) ударами молотка. Они наносятся по боковой поверхности пакета, а не по широкой плоскости. Овладеть этим искусством, которое называется торцовой сваркой, нелегко. Сначала, имеет смысл, потренироваться на брусках стали квадратного сечения, дабы не испортить сложную слоеную сталь.
В итоге у вас должны получиться две монолитные пластины. Каждая состоит из четырех, скрученных в противоположных направлениях участков брусков. Сама по себе такая сталь не очень прочна, поэтому ее следует наварить на основу. Основа может быть как дамасской, так и простой (в этом случае лучший вариант – пластина из отпущенной и прокованной рессоры). По размеру она должна совпадать с полученными мозаичными пластинами. Основа собирается в пакет с полученными пластинами и сваривается воедино. Получается готовый кусок стали, поверхности которого обладают красивейшим узором, похожим на дым от свечи. Изделие из такого дамаска следует ковать очень аккуратно, стараясь добиться максимально приближенной формы именно путем ковки. При обточке шлифмашиной или на круге узор может испортиться. Приступайте к шлифовальным работам только тогда, когда форма будущего изделия обозначена почти во всех деталях. Следите за равномерностью деформации металла при ковке, чтобы сердечник и внешние узорчатые пластины не сместились относительно друг друга.
Изготовление мозаичного, да и любого другого дамаска увлекательно. Ради удовольствия от неповторимой по красоте и свойствам стали, стоит искать свои пути, и не бояться еще и еще раз начинать сначала. Удачи вам в ваших начинаниях, и да поможет вам Велунд – древний покровитель скандинавских кузнецов!
В жизни мы постоянно сталкиваемся со сплавами, самый распространенный из которых сталь. Поэтому нет ничего удивительно, что у кого-нибудь да возникнет вопрос о том, как делают сталь?
Сталь – это один из сплавов железа и углерода, получивший широчайшее распространение в повседневной жизни. Процесс производства стали многоступенчатый и состоит из нескольких этапов: добыча и обогащение руды, получение агломерата, производства чугуна и выплавка стали.
Руда и агломерат
Месторождения руд позволяют добывать как богатые, так и бедные породы. Богатую руду можно сразу использовать как производственное сырье. Чтобы можно было выплавлять и бедную руду, ее необходимо обогатить, то есть увеличить в ней содержание чистого металла. Для этого руду измельчают и, применяя различные технологии, отделяют частицы, богатые соединениями металла. Например, для железных руд применяют магнитную сепарацию – воздействие магнитным полем на исходное сырье с целью отделение частиц богатых железом.
Получается низкодисперсионный концентрат, который спекают в более крупные куски. Результат обжига железных руд и есть агломерат. Виды агломератов получили название по основному сырью, входящему в их состав. В нашем случае это железорудный агломерат. Теперь, чтобы понять, как делают сталь, необходимо проследить дальнейший технологический процесс.
Производство чугуна.
Чугун выплавляют в доменных печах, которые функционируют по принципу противотока. Загрузка агломерата, кокса и другого шихтового материала осуществляется сверху. Снизу вверх, навстречу этим материалам, поднимаются потоки раскаленного газа от сгорания кокса. Начинается череда химических процессов, в результате чего происходит восстановление железа и насыщение его углеродом. Температурный режим при этом сохраняется в районе 400-500 градусов Цельсия. В нижних частях печи, куда постепенно опускается восстановленное железо, температура увеличивается до 900-950 градусов. Образуется жидкий сплав железа с углеродом – чугун. К основным химическим характеристикам чугуна относятся: содержание углерода более 2,14 %, обязательное наличие в составе серы, кремния, фосфора и марганца. Чугун отличается повышенной хрупкостью.
Выплавка стали.
Теперь мы приблизились к последнему этапу, позволяющему узнать, как делают сталь. В химическом плане сталь отличается от чугуна пониженным содержанием углерода; соответственно, основная задача производственного процесса – уменьшить содержание углерода и других примесей в основном сплаве железа. Для производства стали используют мартеновские печи, кислородные конвертеры или электропечи.
По различным технологиям расплавленный чугун продувается кислородом при очень высоких температурах. Происходит обратный процесс – окисление железа на уровне примесей, входящих в сплав. Полученный шлак в дальнейшем убирается. В результате продувки кислородом понижается содержание углерода и происходит преобразование чугуна в сталь.
В сталь могут добавляться легирующие элементы, изменяющие свойства материала. Поэтому сталью считается сплав железо-углерод с содержанием железа не менее 45 %.
Вышеописанные процессы разъяснили, как делают сталь, из каких материалов и с применением каких технологий.
Современный оттенок Дамасской стали отличается от оригинального Дамаска из прошлого. Исторически, Дамасская считалась тигельной. Она имела очень высокое содержание углерода и имела характерную поверхность из-за своей кристаллической структуры.
Сталь Дамаска получила своё название потому, что крестоносцы на своем пути в Святую Землю приобретали новые клинки из этой превосходной стали (превосходящей средневековую европейскую сталь) в городе Дамаск. Тем не менее, современный вариант стали имеет мало общего с прошлым и больше похож на сталь, вытравленную кислотой.
Дамаск, который показан здесь, является одним из самых современных вариантов. Дамаск из троса является, пожалуй, одним из самых простых способов ковки дамаска со сложным рисунком. В отличие от других методов, этот метод не требует складывания и, по сути, имеет уже готовую форму.
Шаг 1: Меры безопасности
Самое главное - это безопасность. Процесс изготовления включает в себя ковку, шлифовку и погружение металла в химикаты, поэтому важно использовать надлежащее оборудование для обеспечения безопасности.
Для этапа кузнечной сварки (сварка ковкой) многие люди, которые совершают какие-либо кузнечные операции, знают базовую экипировку для обеспечения безопасности: перчатки, фартук, закрытые ботинки и т.д. Тем не менее, условия не всегда соблюдаются. Всем известно, что защита глаз важна, но для такого рода работ вам нужен особый вид защиты. Вышеупомянутое и единственное фото в этом разделе - это неодимовые очки. Причина этого в том, что такие очки просто необходимы для подобных работ.
Специалисты часто пренебрегают этой защитой, но не стоит повторять за ними. Тепло, необходимое для кузнечной сварки, создает излучение, которое в течение длительного времени может вызвать потерю зрения. Неодимовое стекло, однако, блокирует большую часть излучения и сохраняет ваши глаза в безопасности. Обратите внимание: неодимовые очки — это не то же самое, что сварочные маски или солнцезащитные очки. Используя их при кузнечной сварке, ваши зрачки будут расширяться, и ваши глаза будут получать еще больше излучения.
Шаг 2: Делаем заготовки
Перед тем, как начать работу с тросом, нужно подготовиться. Прежде чем он попадет в огонь, нужно отрезать нужную вам часть, как на первом фото. Я отрезал 3 куска по 30 см кабеля диаметром 2.5 см при помощи отрезной пилы. Вы можете отрезать кабель любым другим способом, главное убедитесь, что кабель, который вы используете, сделан из стали без применения пластика и что сталь не оцинкована, так как тепло, реагирующее с покрытием, будет испускать газы, которые могут привести к тяжелому отравлению и даже смерти. Имейте это ввиду, когда будете искать кабель.
Кроме того, если вы впервые пытаетесь выполнить такого рода изделие, возможно, не стоит сразу брать такой толстый кабель, а взять, к примеру, диаметром 1 - 1.5 см. У вас не получится большое и толстое изделие, но зато вы хорошо потренируетесь перед более сложными проектами.
После резки обязательно затяните концы кабеля стальной проволокой. Это делается, чтобы плетение не распустилось во время первых этапов работы. Обязательно используйте простую стальную проволоку, потому что другие провода, которые покрыты или сделаны из другого материала, могут расплавиться или среагировать от нагрева и испортить всё изделие.
У каждого, кто делает дамасскую сталь своими руками, есть свой список шагов или секретов, которые, похоже, ускоряют и упрощают процесс изготовления. Я призываю вас методом проб и ошибок прийти к собственному плану, оптимальному лично для вас.
Я начинаю с того, что смачиваю свой холодный металл WD40 до тех пор, пока он не будет полностью пропитан, а затем засыпаю все это обычной бурой, перед тем, как класть изделие в огонь. И бура, и WD40 нужны для того, чтобы предотвратить окисление, которое может сделать невозможной кузнечную сварку.
Бура, как правило, не прилипает к металлу, если он горячий или влажный, а WD40 не будет гореть в кузнице, поэтому, сначала я смачиваю металл именно WD40, а только потом посыпаю его бурой, что является для меня оптимальным вариантом.
Шаг 3: Кузнечная сварка
Положив изделие в печь, нагрейте его до ярко-оранжевого или желтого цвета. Как только оно достигнет соответствующей температуры, дайте ему полежать еще минуту или около того, чтобы весь металл впитал тепло и равномерно нагрелся.
Перед тем, как можно будет делать удары, необходимо скрутить кабель. Он заполнен пустым пространством, что плохо для кузнечной сварки. Закрепите один конец кабеля в тисках или в чем-то подобном, а другой возьмите любым удобным инструментом, который вы сочтете подходящим (я использовал плоскогубцы), чтобы скрутить секции в том направлении, в котором кабель уже закручен.
Этот шаг может потребовать несколько повторных нагревов. Продолжайте скручивать кабель до тех пор, пока он не перестанет скручиваться. Убедитесь, что кабель не изгибается, так как весь процесс станет намного сложнее.
Каждый раз, перед тем, как положить кабель в огонь, нужно посыпать его бурой, пока металл не станет однородным. Чтобы бура точно липла к металлу, сыпьте её в момент, когда изделие ярко красного цвета. Важный момент: когда бура плавится, она становится едкой и может повредить стенки вашей кузницы изнутри, поэтому удостоверьтесь, что кирпичи в вашей кузнице огнеупорные.
Кроме того, горячая бура, попавшая на кожу, может быть довольно болезненной и может оставлять шрамы, поэтому обязательно надевайте соответствующую экипировку. Последней частью кузнечной сварки является сама сварка. Когда изделие горячее, вы можете начать ударять по нему. Идея состоит в том, чтобы сначала выбить его в форме квадратного бруска. Когда вы бьете, вы должны следить за поворотом кабеля. Лично я предпочитаю начинать с середины и прокладывать себе путь к концам.
Удары приведут к тому, что волокна будут отделяться друг от друга, поэтому необходимо максимально уменьшить расстояние от первого удара до следующего. Вы поймете, что изделие стало однородным по измененному звуку, который будет издаваться при ударе. Изначально, он будет более глухим, но как только металл станет однородным, звук станет ярким и звонким. Как только он станет однородным, можно начинать придавать нужную форму.
Шаг 4: Формовка
При планировании проекта обязательно помните, что конечный результат будет намного меньше по размеру, чем оригинальный кабель. Также имейте в виду, что концы кабеля могут распускаться и не свариваться. Не волнуйтесь, просто найдите, где начинается сварной шов и обрежьте конец. Из-за характерных особенностей кабеля и количества зазоров и выступов в нем, вы обязательно столкнетесь с дырами и отверстиями, если только не используете пневматический молот или кузнечный пресс.
Суть состоит в том, чтобы смять кабель, увидеть, с чем вы имеете дело и отталкиваться от этого. Я решил сделать из своего отрезка кулоны в форме каплевидного щита. Чем мельче зернистость, которую вы используете при окончательной шлифовке, тем лучше будет виден рисунок. Так как я хотел добиться очень глубокого травления, мне не нужно было шлифовать слишком гладко. Достаточно наждачной бумаги 120 зернистости перед травлением.
Шаг 5: Финальный этап и защита
Дамасская сталь должна быть похожа на один сплошной кусок металла. Чтобы получить рисунок, вам нужно протравить сталь кислотой. Существует несколько вариантов применения кислот, но лично я использую хлорид железа. Если вы хотите получить очень поверхностное травление, например, изображение на поверхности, вам нужно только окунуть металл в кислоту примерно на 20 минут.
Я хотел получить очень глубокое травление, которое можно было почувствовать, поэтому я погрузил мою заготовку на 7 часов. Как только вы закончите травление, вы должны очистить металл и нейтрализовать кислоту. Один из самых простых способов сделать это — просто распылить очиститель для стекла на выгравированный кусочек после того, как он был промыт водой. Не забудьте одеть перчатки и средства защиты глаз для всего этого. Если вы хотите добавить какой-то цвет на изделие, как на двух последних фото, просто немного нагрейте его после травления до достижения желаемого цвета.
Как только травление пройдено, последний шаг — защитить металл. Сталь сильна, но, к сожалению, имеет свойство ржаветь. Если кусок, который вы используете, должен быть практичным, вроде ножа, вы можете нанести воск на его поверхность.
Если деталь более декоративна, вы можете нанести прозрачный слой. Это все зависит от предпочтений. Лично я решил попробовать лак для ногтей. Обычно я использую прозрачный полиуретан, но в этот раз решил попробовать что-то новое. После того, как деталь покрыта лаком, все, что осталось, это наслаждаться её видом.
Шаг 6: Один последний момент
Кусок, который я сделал, не требует никакой закалки или термической обработки, потому что это декоративное изделие. Если вы решите сделать лезвие из кабеля, нужно иметь в виду, что при закалке сталь имеет свойство деформироваться в направление скручивания кабеля. Если вам нужен практичный материал, сделайте его толще, иначе вы можете начать с ножа, а в итоге получится штопор.
Шаг 7: Дополнение
Вот еще несколько ссылка подвесок. Чтобы получить очень глубокое травление, все они протравливались в течение почти 24 часов. Все они были нагреты до разных температур для проявления разных цветов. В конце они были покрыты полиуретаном для предотвращения ржавчины.
Сталь: виды, свойства, марки, производство
Сталь и изделия из неё настолько прочно вошли в жизнь и быт современного человека, что существование без металлических предметов трудно представить. Когда это касается посуды, мелких инструментов, бытовой техники и оборудования совсем не обязательно знать марку, классификацию сплавов, области их применения.
Эти сведения важны, скорее, для тех, кто решился приступить к строительству собственного жилья, и не знает какие металлоизделия подходят для этих целей. Итак, о том, что такое сталь, какие виды стали существуют, и какими свойствами обладает этот популярный на сегодняшнее время сплав, будет рассказано в строительном журнале .
Что такое сталь, и её отличие от чугуна
Железоуглеродистый сплав — это и есть всем известная сталь. Обычно доля углерода в сплаве варьируется от 0,1 до 2,14%. Увеличение концентрации углерода делает сталь хрупкой. Кроме основных компонентов в сплаве содержатся и небольшие количества магния, марганца и кремния, а так же вредных серных и фосфорных примесей.
По основным свойствам сталь и чугун очень схожи. Несмотря на это между ними существуют значительные различия:
- сталь более прочный и твёрдый материал, нежели чугун;
- чугун, несмотря на обманчивую массивность чугунных изделий, более лёгкий материал;
- поскольку в составе стали ничтожно малый процент углерода, её легче обрабатывать. Для чугуна более предпочтительна отливка;
- изделия из чугуна лучше сохраняют тепло, благодаря тому, что его теплопроводность значительно ниже чем у стали;
- закалка металла, повышающая прочность материала, невозможна в отношении чугуна.
Достоинства и несовершенства стальных сплавов
Поскольку марок стали огромное количество, а изделий из неё ещё больше, то говорить о плюсах и минусах стали бессмысленно. Тем более, что свойства металла во многом зависят от технологий изготовления и обработки.
Вследствие этого можно только выделить несколько общих преимущественных особенностей стали, таких как:
- прочность и твёрдость;
- вязкость и упругость, то есть способность не деформироваться и выдерживать ударные, статические и динамические нагрузки;
- доступность для разных способов обработки;
- долговечность и повышенная износоустойчивость в сравнении с другими металлами;
- доступность сырьевой базы, экономичность производственных технологий.
К сожалению, стали свойственны и некоторые минусы:
- неустойчивость к коррозии, в том числе высокий уровень электрохимической коррозии;
- сталь — тяжёлый металл;
- изготовление изделий из стали производится в несколько этапов, нарушение технологии на любом из них приводит к снижению качества.
Сегодня сложно определить количество производимых и используемых стальных сплавов. Так же не просто их классифицировать, поскольку их свойства зависят от множества параметров, таких как состав, характер и количество добавок, способы изготовления и обработки, назначения и многих других.
По качеству принято различать обычные, качественные, высококачественные и особовысококачественные стали . Доля вредных примесей является основным критерием для определения качества сплава. Для обыкновенных сталей характерны более высокие значения доли примесей, чем для особовысококачественных сплавов.
Химический состав стали . В основу производства сплавов из железа положена его способность формировать различные структурные фазы при разных температурах, так называемый полиморфизм. Благодаря этой способности, растворённые в железе примеси, образуют сплавы различных составов. Принято делить стальные сплавы на углеродистые и легированные .
Сталь по определению является сплавом железа с углеродом, от концентрации которого зависят его свойства: твёрдость, прочность, пластичность, вязкость. В составе углеродистой стали практически не содержится дополнительных добавок.
Базовые примеси — марганец, магний, и кремний содержатся в минимальных количествах, и не ухудшают её свойств и качеств. Кремний и марганец оказывают на сплав раскисляющее действие, повышают упругость, износоустойчивость, жаростойкость. Но, в случае увеличения доли являются легирующими элементами. Стали с большим содержанием марганца теряют магнитные свойства.
Значительно более вредные для обоих видов сталей примеси серы и фосфора. Сера, соединяясь с железом, способствует повышению хрупкости при обработке высокими температурами (прокат, ковка), увеличению усталости, уменьшению устойчивости к коррозии.
Фосфор, особенно при большой доле углерода в сплаве, повышает его хрупкость в обычных температурных условиях. Кроме этого, существует целая группа скрытых, неудаляющихся во время плавки вредных примесей. Эти неметаллические включения в виде азота, водорода и кислорода при горячей обработке делают металл более рыхлым.
Углеродистые стали делятся на виды, которые характеризуются долей содержания углерода:
- к высокоуглеродистым относятся сплавы с долей более 0,6 %;
- в среднеуглеродистых сплавах концентрация углерода находится в пределах от 0,25 до 0,6 %;
- допустимые значения, характерные для низкоуглеродистых сталей — не более 0,25 % .
Легированные стали подразделяются на:
— низколегированные, с долей легирующих добавок не более 2,5 %;
— среднелегированные, с долей дополнительных элементов до 10%;
— высоколегированные, в которых доля легирующих элементов составляет более 10%.
Легированные стали отличаются низкой концентрацией углерода и наличием различных легирующих добавок.
В соответствии с назначением стали делят на группы конструкционных, инструментальных и сталей особого назначения.
Каждая группа делится на подгруппы и виды, которые конкретизируют свойства, особенности и области применения сплавов.
К конструкционным сталям относятся:
- Строительные, их основное свойство — хорошая свариваемость, это низколегированные сплавы обычного качества.
- Для холодной штамповки используют прокат из низкоуглеродистых сплавов обычного качества.
- Цементуемые, применяются в изготовлении деталей с поверхностным истиранием.
- Высокопрочные характеризуются двойным порогом прочности относительно других конструктивных видов.
- Рессорно-пружинные стали с добавлением ванадия, брома, кремния, хрома и марганца, рассчитаны на длительное сохранение упругости.
- Шарикоподшипниковые стали с большой долей углерода и добавлением хрома, которым свойственны особая износоустойчивость, прочность и выносливость.
- Автоматные, в их составе присутствуют примеси серы, свинца, теллура и селена, облегчающие обработку станками — автоматами, на которых осуществляется производство массовых деталей
- Нержавеющие, к ним относятся сплавы с высоким содержанием хрома и никеля. Концентрация углерода в таких сплавах минимальна.
Виды инструментальной стали
Стали инструментального назначени я имеют несколько разновидностей:
- Используемые в производстве режущих инструментов, к ним относятся некоторые виды углеродистой, легированной и быстрорежущей стали.
- Измерительные инструменты производятся из достаточно твёрдых сплавов, обладающих износоустойчивостью и способностью к сохранению постоянных размеров, чаще всего для этого используют закалённую и цементированную сталь.
- Для штамповой стали характерны твёрдость, термоустойчивость и прокаливаемость. Этот вид делится на подвиды, к которым относят валковые сплавы и стали для разнотемпературной обработки.
К сталям особого назначения относят марки сталей, которые применяются в конкретных производственных областях:
- электротехнические стали — из них производят магнитные провода;
- суперинвары — используют в производстве высокоточных приборов;
- жаростойкие — работают при температурах более 900 °C;
- жаропрочные — могут работать при высоких температурах в нагруженных состояниях.
Структура стали
Концентрация углерода в сплаве определяет не только свойства металла, но и его внутреннюю структуру. К примеру, мало- и среднеуглеродистые сплавы имеют структуру, состоящую из феррита и перлита. При увеличении доли углерода начинается формирование вторичного цементита. Легирование стали тоже меняет структуру сплава.
По структуре стали могут быть:
- перлитными — с низким содержанием легирующих добавок;
- мартенситными — стали, имеющие пониженную критическую скорость закалки и средний уровень содержания легирующих примесей;
- аустенитными — высоколегированные сплавы, применяемые в агрессивных средах.
Отожженные стали делятся на:
- доэвтектоидную сталь, с концентрацией углерода менее 0,8%;
- заэвтектоидную сталь, состоящую из перлита и цементита, применяют как инструментальную;
- карбидную (ледебуритную) — к ней относятся быстрорежущие стали;
- ферритную — высоколегированную сталь с низким содержанием углерода.
Способы изготовления стали и технологии
От технологии изготовления стали зависят структура этого сплава, его состав и свойства. Обычные стали производятся в мартеновских печах или конвертерах. Как правило, они насыщены значительным количеством неметаллических примесей.
Высококачественные сплавы производят с использованием электропечей. Особовысококачественные легированные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей, производятся в процессе электрошлаковой переплавки.
При производстве сталей используют процесс раскисления, направленный на выведение кислорода из структуры сплава. От количества удалённого кислорода зависит, какие получаются стали: малораскисленные, совершенно раскисленные или полураскисленные. Их классифицируют, как кипящие, спокойные и полуспокойные.
Марки стали
Несмотря на то, что сталь однозначно признаётся самым востребованным сплавом железа, единая система маркировки её видов по настоящее время не сложилась. Наиболее проста и популярна буквенно-численная маркировка.
Качественные углеродистые стали маркируют с использованием литеры «У» и двузначным числовым значением (в сотых %) уровня углерода в их составе (У11).В марке обычных углеродистых сталей за буквой следует число, указывающее на количество углерода в десятых % — У8.
Литеры используются и в маркировке легированных сталей. Они указывают на основной элемент, применяемый для легирования. Идущая следом цифра показывает концентрацию данного элемента в составе стали. Перед литерой ставят цифру, соответствующую доле углерода в металле в сотых %.
Например, стоящая в конце марки высококачественного сплава буква «А» указывает на его качество. Эта же литера в середине марки уведомляет об основном элементе легирования, в данном случае им является азот. Литера в начале марки сообщает о том, что это автоматная сталь.
Литера «Ш» в конце маркировки, прописанная через дефис, говорит о том, что это особовысококачественный сплав. Качественные стали, не имеют в маркировке литер «А» и «Ш». Кроме того, существует дополнительная маркировка, указывающая на особые характеристики сталей. Так, например, магнитные сплавы отмечают литерой «Е», а электротехнические — «Э».
Буквенно-числовая маркировка, пожалуй, одна из самых простых и понятных для потребителя. Другие, более сложные, доступны только для специалистов.