Как получают и из чего делают железо (сталь)? Дамасская сталь с нуля Из чего делают сталь.

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор и другие химические элементы. Производство стали заключается во вторичной переработке передельного белого чугуна различными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкой и др. Сущность производства стали заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки шихты, состоящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железной руды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейных агрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, электроиндукционных и в других металлургических агрегатах.

Наряду с чугунами сталь также является основным конструкционным материалом в машиностроении и других отраслях промышленного производства.

В обычных условиях применяются простые углеродистые стали; при высокой температуре и активной среде - специальные легированные стали (например, для изготовления насоса для перекачки кислот, механизмов, работающих в морской воде, и др.).

В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает стали с различными физико-химическими и механическими свойствами. Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообразие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно, поэтому наука о металлах - металловедение - классифицирует все выпускаемые стали по различным признакам. Каждый квалифицированный рабочий должен не только запоминать отдельные марки сталей, а знать принципы классификации этих сталей (рис. 1).

Рис. 1.

По химическому составу стали и сплавы подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют. Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3 … 0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода). Легированные стали кроме углерода содержат различные химические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения более высоких физикохимических и механических свойств, чем в углеродистых сталях.

Легировать - значит сплавлять, соединять, поэтому химические элементы, вводимые в сталь, называются легирующими элементами, а стали, сплавленные с ними, получили название легированных сталей.

Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов. Эти факторы определяют химический состав сталей, наличие в них вредных примесей - серы и фосфора, а также наличие различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические и механико-технологические свойства, т. е. ухудшают их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродистые, так и легированные, подразделяются на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.

Стали обыкновенного качества содержат 0,045 … 0,060 % серы, 0,04 … 0,07 % фосфора.

Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора - 0,035 … 0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные.

Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.

Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора - не более 0,025 %. Легированные особовысококачественные стали получают методами электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

По назначению углеродистые и легированные стали и сплавы подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. д. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие - только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.

По химическим свойствам конструкционные стали подразделяются на коррозионно-стойкие, кислотостойкие, окалиностойкие и др. В зависимости от химической стойкости эти группы сталей выпускаются конструкционные и специального назначения.

К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок Ст0, Ст1 и т. д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т. д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).

Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К инструментальным углеродистым и легированным сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемости, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.

Специальные легированные стали и сплавы - это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие стали и др. Эту группу составляют высоколегированные стали и сплавы, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и др. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионностойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие - в зависимости от требуемой температуры - 9 … 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).

По способу раскисления стали подразделяются на три категории: кипящие, спокойные и полуспокойные.

Раскисление - это процесс удаления из стали в жидком состоянии оксида железа (FеО), который образуется в процессе плавки и придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, в процессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляются азот и водород. Раскисление производят путем добавки перед выпуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюминия в зависимости от требуемой степени раскисления.

Практически установлено, что при наличии в стали кислорода, вступившего в реакцию с железом (FеО), при горячей деформации образуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способствует понижению прочности при отрицательных температурах и образует высокую склонность к межкристаллитной коррозии.

Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении стали в изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечатление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали производят как обыкновенного качества, так и качественными. Как правило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.

Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. В этих сталях кислород практически полностью вступает в реакцию с раскислителями, всплывает вверх и удаляется со шлаком. При охлаждении они затвердевают спокойно, без газовыделения. Все легированные качественные и углеродистые стали выпускаются спокойными.

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марганцем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только углеродистыми.

На структуру стали большое влияние оказывают массовая доля углерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи с этим по структуре стали классифицируются в отожженном (равновесном) и нормализованном состоянии.

В отожженном состоянии структура сталей подразделяется на шесть классов:

• доэвтектоидные - структура феррита и перлита (см. рис. 2, а);
• эвтектоидные - структура перлита (см. рис. 2, б);
• заэвтектоидные - структура перлита и цементита;
• ледебуритные - структура первичного ледебурита или карбида (рис. 2, в);
• аустенитные - структура твердых растворов, перенасыщенных углеродом (рис. 2, г);
• ферритные - структура твердых растворов со слабо насыщенным углеродом.

Рис. 2. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в отожженном состоянии: а - ферритная; б - ферритно-перлитная; в - легированная ледебуритная сталь; г - легированная аустенитная сталь

Рис. 3. а - сталь ферритного класса; б - сталь перлитного класса; в - сталь мартенситного класса

Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, легированные - всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные и ферритные классы структур образуются при введении в состав никеля, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При определенном сочетании возможно образование промежуточных классов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.

В нормализованном состоянии стали имеют четыре класса структур: ферритные, перлитные, мартенситные (рис. 3) и аустенитные.

Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимости от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобрести структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стали.

Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %, легированные хромом (12 … 15 %), образуют устойчивую структуру феррита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей свою структуру не меняет.

Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, при охлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса образуются при высокой массовой доле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого класса имеют высокую ударную вязкость.

2. Углеродистые конструкционные стали

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества (общего назначения ). Сталь углеродистая обыкновенного качества (общего назначения) по ГОСТ 380-2005 выпускается в виде различного горячекатаного проката (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и др.).

Буквы Ст в маркировке сталей обозначают сталь обыкновенного качества; буква Г - повышенное содержание марганца. Буквы кп (сталь кипящая), пс (сталь полуспокойная), сп (сталь спокойная) обозначают способ раскисления. Цифры, стоящие после букв Ст, обозначают условный номер марки в зависимости от массовой доли химических элементов и механических свойств стали. Чем больше номер, тем больше углерода и других химических элементов в стали, а также выше ее механические свойства. В обычных марках массовая доля основного сплавляемого химического элемента (углерода) - 0,06 … 0,49 %, марганца - 0,25 … 0,65 %. При повышенном содержании марганца (0,8 … 1,1 %) сплав содержит 0,1 … 0,3 % кремния и по 0,05 … 0,06 % серы и фосфора. Кроме этих химических элементов углеродистые стали обыкновенного качества содержат хром, никель, медь в пределах 0,3 … 0,4 %, а отдельные марки сталей, выплавляемых из Керченских руд, содержат 0,08 % магния. Это случайные примеси, и в маркировке эти химические элементы не указываются.

Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества имеют прочность σ в = 310 … 600 МПа (31 … 60 кгс/мм2); твердость в состоянии поставки 103 … 158 НВ; относительное удлинение δ = 15 … 35 %.

Эти стали хорошо свариваются, куются, штампуются и обрабатываются резанием. Закалке не подвергаются. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из этих сталей, производят путем цементации и только после этого осуществляют закалку с последующим отпуском. Температуру нагрева для закалки цементированных деталей выбирают в зависимости от диффузии углерода.

Стали марок Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2Гпс, Ст2сп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс и Ст3Гсп поставляются с гарантией свариваемости. В этом случае в нормативно-технической документации после марки указываются буквы св.

Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества применяется для изготовления сварных строительных конструкций, крепежных изделий, малонагруженных деталей машин, а также стандартных и нормализованных деталей: рукояток, кнопок, ручек, заглушек, пробок, петель шарнирных и т. д. (табл. 1).

Углеродистая конструкционная качественная сталь. Качественная углеродистая конструкционная сталь выпускается в виде различного сортового горячекатаного и калиброванного проката (ГОСТ 1050-88*) следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 10пс, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 и 60. Сталь этой группы выпускается также в виде проката со специальной отделкой поверхности (серебрение) диаметром (или толщиной) до 250 мм.

Цифры в маркировке углеродистой конструкционной качественной стали указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Например, сталь марки 05кп содержит не более 0,06 % углерода, сталь 10 - 0,07 … 0,14 %, сталь 50 - 0,47 … 0,55 %. Буквы кп, пс обозначают способ раскисления (кп - кипящие, пс - полуспокойные). В марках, где способ раскисления не указан, сталь спокойная. Сталь марки 58 (55п) - пониженной прокаливаемости, имеет массовую долю марганца 0,1 … 0,3 %.

Углеродистая качественная сталь содержит 0,05 … 0,65 % углерода, до 0,37 % кремния, 0,25 … 0,50 % (группа низкоуглеродистых сталей) или 0,5 … 0,8 % (группа среднеуглеродистых сталей) марганца. Серы во всех качественных сталях содержится не более 0,04 %, фосфора - не более 0,035 %. Кроме того, в сталях этой группы имеется медь и никель, массовая доля которых не должна превышать 0,25 % для каждого элемента.

Таблица 1. Области применения углеродистой конструкционной стали обыкновенного качества (общего назначения)
Марка стали	Область применения
Ст0	Тонколистовая сталь; кровельная сталь; ограждающие кожухи и т. д.
Ст4 Ст6	Детали машин, подвергаемые цементации: mшестерни, звездочки, валы, оси, кронштейны, рычаги и т. д.
Ст2	Неответственные сварные конструкции, крепежные детали, винты, болты, шпильки, Шай бы, гайки, шплинты, заклепки, гвозди, шурупы
Ст5	Стандартизованные детали: рукоятки, кнопки, ручки, заглушки, пробки, оседержатели, петли шарнирные, скобы для скрепления труб и т. д.

В состоянии поставки без термической обработки углеродистая конструкционная качественная сталь имеет следующие механические свойства: твердость по Бринеллю 131 … 255 НВ, предел прочности при растяжении σ в = 330 … 690 МПа (33 … 69 кгс/мм2), относительное удлинение δ до 33 % и относительное сужение Ψ = 35 … 60 %. Механические свойства зависят от массовой доли углерода и состояния проката. Нагартованная сталь имеет более высокие твердость и прочность и пониженную пластичность. Марки сталей с минимальной массовой долей углерода имеют низкие величины механических свойств. С увеличением массовой доли углерода повышаются механические свойства.

По механическим свойствам сталь этой группы подразделяется на категории 1, 2, 3, 4 и По состоянию проката сталь поставляется без термической обработки, термически обработанная (Т) и нагартованная со специальной отделкой поверхности (Н).

В зависимости от вида обработки горячекатаная и кованая сталь подразделяется на подгруппы:

• для горячей обработки давлением - подгруппа а;
• для холодной механической обработки - подгруппа б;
• для холодного волочения (подкат) - подгруппа в.

Качество поверхности калиброванной стали по ГОСТ 1051-73* подразделяется на группы Б и В.

Сталь со специальной отделкой поверхности по ГОСТ 14955-77* подразделяется на группы В, Г и Д. Группа стали зависит от класса шероховатости поверхности.

Сортовая горячекатаная сталь производится в виде прутков круглого, квадратного, шестигранного и прямоугольного сечений. Сортовая круглая сталь по ГОСТ 2590-2006 диаметром от 4 до 250 мм выпускается трех классов точности проката: В - высокой, Б - повышенной, Д - обычного класса.

Сортовая квадратная сталь со стороной квадрата от 5 до 200 мм поставляется в прутках и мотках трех классов точности: А, Б и В. Шестигранная сталь размером под ключ от 8 до 100 мм выпускается двух групп точности: П(Б) и В.

Полосовая сталь (ГОСТ 103-76*) выпускается двух групп:

• повышенной точности - А,
• нормальной точности - Б.

Сталь кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133-71) изготавливается диаметром или шириной квадрата от 40 до 200 мм.

Сортовая калиброванная сталь имеет более точные размеры по сечению и шероховатости поверхности.

Подгруппы, группы и классы стали указываются в нормативнотехнической документации, сопровождающей поставку.

Низкоуглеродистая сталь имеет высокую штампуемость, ковкость и свариваемость, а также обрабатываемость резанием. Эта группа сталей закалке не подвергается. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из низкоуглеродистых сталей, производят методом химико-термической обработки (цементация). Среднеуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,3 % и более, кроме того, хорошо воспринимает закалку, отпуск и нормализацию. У всех марок улучшаемых сталей этой группы практически отсутствует склонность к отпускной хрупкости.

Из низкоуглеродистых качественных сталей марок 05, 08кп, 08пс, 10, 10пс, 10кп и 11кп изготавливают детали штамповкой и холодной высадкой: трубки, прокладки, колпачки, крепежные детали, шайбы, вилки, втулки и тяги.

Стали марок 15, 18, 20, 25 всех степеней раскисления идут на изготовление малонагруженных деталей машин - валиков, втулок, пальцев, упоров, копиров, осей, шестерен и других деталей, работающих при температурах 40 … 425 °С.

Стали марок 30 - 60 идут на изготовление ответственных деталей машин, улучшаемых путем закалки с последующим отпуском и нормализацией: шатунов, коленчатых валов, шлицевых валиков, тяг, штоков, сухарей, зубчатых колес и др.

3. Углеродистые инструментальные стали

По ГОСТ 1435-99 углеродистая инструментальная сталь выпускается горячекатаной, кованой, калиброванной со специальной отделкой поверхности и для сердечников. По форме сечения сталь выпускается квадратного и круглого сечений, в том числе с радиусными (скругленными) углами и в виде полос, лент, листов, шестигранников, проволоки и специальных профилей для напильников, надфилей и др.

В зависимости от химического состава углеродистая инструментальная сталь выпускается следующих марок:

• качественная сталь - У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
• высококачественная сталь - У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А.

По назначению стали всех марок в зависимости от массовой доли хрома, никеля и меди подразделяются на пять групп:

• 1-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13) - для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты (массовая доля хрома составляет не более 0,2 %, никеля и меди - по 0,25 % каждого элемента);
• 2-я группа (У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А) - для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты (массовая доля хрома, никеля и меди - по 0,2 % каждого элемента);
• 3-я группа (У10A, У12А) - для сердечников (массовая доля хрома и меди составляет не более 0,2 %, никеля - 0,25 %);
• 4-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А и У13A) - для патентированной проволоки и ленты (массовая доля хрома составляет не более 0,1 %, никеля - 0,12 %, меди - 0,2 %);
• 5-я группа (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13) - для горяче- и холоднокатаных листов и лент, толщиной до 2,5 мм (массовая доля хрома составляет 0,2 … 0,4 %, никеля и меди - по 0,25 % каждого элемента).

Существуют стали, которые можно отнести и к 4-й, и к 5-й группе: марки У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А - для горячекатаной и кованой стали (массовая доля хрома - 0,20 … 0,35 %, никеля и меди - по 0,2 %); марки У8А, У9А, У10А - для холоднотянутой стали со специальной отделкой поверхности (массовая доля хрома - 0,3 … 0,5 %, никеля и меди - по 0,2 %).

В маркировке буква У означает, что сталь углеродистая инструментальная. Цифры, следующие за буквой У, соответствуют массовой доле углерода в десятых долях процента. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца (0,4 … 0,6 %); буква А, стоящая в конце марки, - на то, что сталь высококачественная, имеет пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Марки стали без буквы А в обозначении - качественные.

Таким образом, массовая доля углерода в сталях этой группы составляет 0,66 … 1,34 % в зависимости от марки. Массовая доля кремния составляет 0,17 … 0,28 %, марганца - 0,17 … 0,60 %. Качественные стали содержат 0,028 % серы, высококачественные - 0,018 %. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат не более 0,015 % серы (эти стали обозначаются в конце марки буквой Ш, например У9-Ш).

Качественные стали содержат 0,03 % фосфора, высококачественные - 0,025 %.

Марки углеродистой инструментальной стали У7, У7А по диаграмме железо - цементит относятся к доэвтектоидным сталям. Они имеют структуру феррит + перлит, твердость по Бринеллю в состоянии поставки составляет 187 НВ.

Марки стали У8, У8А, У8Г, У8ГА относятся к эвтектоидным сталям. Эти стали имеют структуру перлит, твердость - 187 … 192 НВ. Марки стали У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13 и У13А - заэвтектоидные стали. Структура этих сталей - перлит и перлит + цементит, твердость - 192 … 217 НВ.

Углеродистые инструментальные стали имеют высокую ковкость. Температура начала ковки - 1 180 °С, конца - 800 °С. Сталь для закалки нагревают до температуры 750 … 840 °С и охлаждают в воде, растворе солей или масле. Твердость после закалки не менее 58 … 63 НRС. Сталь к отпускной хрупкости не предрасположена. Температура нагрева для отпуска составляет 140 … 250 °С. Из-за ограниченной свариваемости эта сталь не применяется для сварных конструкций, но при необходимости сваривается методом контактной сварки.

Углеродистые инструментальные стали находят широкое применение для изготовления слесарно-монтажного, измерительного, столярно-плотничного инструмента: зубила, долота, молотки, ножницы для резки металлов, топоры, стамески, плоскогубцы, пилы, фрезы, зенковки, калибры, сверла, надфили, напильники и т. д.

Инструмент, изготовленный из углеродистых инструментальных сталей, обладает хорошими режущими свойствами.

К недостаткам этой стали относится низкая красностойкость. При температуре 200 … 250 °С инструмент во время работы размягчается и теряет режущие свойства.

4. Легированные конструкционные стали

Легирующие элементы определяют название легированной стали или сплава. Например, хромистая, ванадиевая, хромоникелевая стали в своем составе в качестве легирующих элементов содержат соответственно хром, ванадий и хром с никелем.

Для увеличения конструктивной прочности в сталь вводят одиндва легирующих элемента. Для получения комплекса физико-химических свойств вводят несколько легирующих элементов.

Марганец - естественная постоянная примесь в углеродистых сталях (до 0,6 %). При искусственном увеличении массовой доли марганца (свыше 1 %) увеличивается твердость, износостойкость, ударная вязкость. Пластичность стали не снижается. Сам марганец нейтрализует вредное влияние серы, связывая ее.

Кремний - также постоянная примесь в сталях (до 0,4 %). С увеличением массовой доли кремния увеличиваются конструктивная прочность и упругость. Высокая массовая доля кремния придает стали специальные физические свойства, благодаря которым кремнистые стали широко используются в электротехнической промышленности. Кремний придает стали также кислото- и окалиностойкость. Высокое содержание кремния способствует распаду структуры цементита с образованием ферритно-перлитной структуры и придает стали упругость. Рессорно-пружинные стали являются, как правило, кремнистыми.

Хром повышает прочность, твердость, прокаливаемость. Пластичность хромистых сталей несколько уменьшается. Высокое содержание хрома (12 % и более) делает сталь коррозионно-стойкой и придает ей магнитные свойства. Хром является экономически дешевым, недефицитным легирующим металлом.

Никель придает стали прочность, пластичность и ударную вязкость, понижает температуру отжига, нормализации и закалки. Никелевые стали имеют высокую прокаливаемость. Никель применяется так же как активный раскислитель, способствует удалению из стали в жидком состоянии кислорода, водорода, азота, увеличивая ее плотность. Никелевые стали имеют низкий коэффициент теплового линейного и объемного расширения.

Титан повышает прочность, твердость и пластичность, а также температуру отжига, нормализации и теплостойкость (окалиностойкость) стали. При небольшом содержании титана прокаливаемость стали увеличивается, при содержании более 12 % - уменьшается.

Медь увеличивает прокаливаемость, температуру отжига и нормализации, прочность, твердость и пластичность. Придает стали коррозионную стойкость. Медь вводят главным образом в строительные стали.

Кобальт понижает прокаливаемость и пластичность. Придает теплостойкость и магнитные свойства. Увеличивает жаропрочность и ударную вязкость.

Молибден повышает прочность, твердость, износостойкость, упругость, ударную вязкость и жаропрочность, незначительно понижает пластичность, увеличивает прокаливаемость, температуру отжига, нормализации и закалки.

Вольфрам резко увеличивает твердость, износостойкость, красностойкость, прокаливаемость и жаропрочность, повышает температуру отжига, нормализации и закалки. При массовой доле вольфрама в пределах 1 % увеличивается пластичность стали.

Ванадий повышает износостойкость, твердость, прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость и температуру нагрева для отжига, нормализации и закалки.

В теплостойкие, коррозионно-стойкие и электротехнические стали вводят также редкоземельные элементы :

• лантан,
• ниодим,
• цирконий и др.

Согласно ГОСТ 5950-2000 приняты условные буквенные обозначения легирующих элементов :

• алюминий - Ю,
• азот - А,
• бор - Р,
• ванадий - Ф,
• вольфрам - В,
• кобальт - К,
• кремний - С,
• марганец - Г,
• молибден - М,
• медь - Д,
• никель - Н,
• ниобий - Б,
• селен - Е,
• хром - Х,
• цирконий - Ц,
• титан - Т,
• фосфор - П,
• редкоземельные металлы - РЗМ.

Кроме того, стандартом предусмотрены и другие обозначения отдельных групп легированных сталей :

• Р - быстрорежущие;
• Ш (в конце марки) - сталь особовысококачественная;
• Ш (впереди марки) - сталь подшипниковая;
• А (впереди марки) - сталь автоматная;
• А (в конце марки) - сталь высококачественная;
• А (в середине марки) - сталь с содержанием азота;
• Э - сталь электротехническая;
• Е (впереди марки) - сталь магнитная;
• О - сталь холоднокатаная текстурированная;
• ОО - сталь холоднокатаная высокотекстурированная;
• И - сталь исследовательская;
• П - сталь пробная;
• ЭП - сталь пробная, полученная электроплавкой.

Легированные стали выпускаются улучшаемые термической обработкой и цементуемые, т. е. подвергаемые химико-термической обработке. В основном все признаки классификации легированных сталей заложены в принципы маркировки. Рассмотрев и изучив принципы маркировки, по марке можно определить назначение стали, ее качество, химический состав, принадлежность к термически улучшаемым или цементуемым сталям.

В зависимости от основных легирующих элементов сталь легированная конструкционная по ГОСТ 4543-71* выпускается следующих групп:

• хромистая (15Х, 15ХА, 40Х, 45Х и др.);
• марганцовистая (15Г, 30Г, 10Г2, 40Г2, 50Г2 и др.);
• хромомарганцевая (16ХГ,30ХГТ, 35ХГ2 и др.);
• хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС);
• хромомолибденовая и хромомолибденованадиевая (15ХМ, 20ХМ, 30Х3МФ и др.);
• хромованадиевая (15ХФА, 40ХФА);
• никельмолибденовая (15Н2М, 20НМ);
• хромоникелевая и хромоникелевая с бором (20ХН, 40ХН, 20ХНР и др.);
• хромокремнемарганцевая и хромокремнемарганцевоникелевая (20ХГСА, 25ГСА, 30ХГС и др.);
• хромомарганцево-никелевая и хромомарганцево-никелевая с титаном и бором (15ХГН2ТА, 20ХГНР, 38ХГН, 20ХГНТР);
• хромоникельмолибденовая (18Х2Н3МА, 40ХН2А, 25Х2Н4МА и др.);
• хромоникельмолибденовая и хромоникелеванадиевая (30ХН2МФ, 20ХН4ФА и др.);
• хромоалюминиевая и хромоникелеалюминиевая с молибденом (38Х2Ю, 38Х2МЮА и др.).

Принцип маркировки легированных конструкционных сталей рассмотрим на примерах. Марка 15ХА - сталь легированная конструкционная хромистая, цементуемая, высококачественная, массовая доля углерода - 0,15 %, хрома - примерно 1 %, с пониженным содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Марка 30ХГСН2А - сталь легированная конструкционная улучшаемая, хромокремнемарганцево-никелевая, высококачественная, массовая доля углерода - 0,3 %, хрома, марганца и кремния - по 1 %, никеля - 2 %, имеет пониженное содержание вредных примесей. Легированные конструкционные стали по ГОСТ 4543-71* по массовой доле углерода подразделяются на цементуемые и улучшаемые стали.

Цементуемые легированные стали - это низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода) и низко- и среднелегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 20Г, 10Г2, 18ХГТ, 20ХГТ и др. В связи с низкой массовой долей углерода эти стали закалке не подвергаются. С целью улучшения механических свойств поверхностей деталей их насыщают углеродом (цементация). После цементации производится закалка с последующим отпуском. После закалки и отпуска поверхность деталей имеет высокую износостойкость, твердость 58 … 63 НRС и прочную и вязкую сердцевину.

Улучшаемые легированные стали - это среднеуглеродистые (массовая доля углерода - более 0,3 %) и среднелегированные стали марок 30Х, 30Г 35Х, 38ХА, 40Х, 50Х, 50Г, 50Г2, 30ХГТ и др. Повышение механических свойств улучшаемых легированных сталей производят путем закалки и последующего отпуска.

Легированные стали маркируются цифрами, указывающими массовую долю углерода и легирующих элементов, и буквами, обозначающими легирующие элементы.

Буквой А в конце марки обозначают сталь высококачественную, а буквой Ш - особовысококачественную. Эти стали имеют пониженную массовую долю вредных примесей - серы и фосфора.

Цифры, стоящие вначале, указывают на содержание углерода: в конструкционных сталях - в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента.

Если впереди марки цифр нет, то массовая доля углерода в пределах 1 %.

Цифры, стоящие после букв, соответствуют массовой доле легирующих элементов в процентах.

Если после букв цифр нет, то массовая доля легирующих элементов в пределах 1 %.

Например, 18Х2Н4МА - легированная конструкционная высококачественная (с пониженным содержанием серы и фосфора) хромоникельмолибденовая (2 % хрома, 4 % никеля, 1 % молибдена, 0,18 % углерода) сталь.

Так как массовая доля углерода - до 0,3 %, сталь является цементуемой, т. е. улучшается химико-термической обработкой.

Сталь легированная конструкционная поставляется в виде сортового проката, в том числе фасонного, калиброванного и шлифованного прутка и серебрянки, полосы, поковок и кованых заготовок, труб, листов разной толщины и других видов проката. Легированная конструкционная сталь выпускается горячекатаной и кованой с обточенной или ободранной поверхностями, калиброванной и со специальной отделкой поверхностей круглого сечения.

В зависимости от назначения сталь подразделяется на четыре подгруппы:

• для горячей обработки давлением;
• для холодной механической обработки (точение, строгание, сверление, фрезерование и др.);
• для холодного волочения (подкат);
• для горячей осадки, штамповки, высадки.

Сталь может поставляться в термически обработанном состоянии (Т), без термической обработки и нагартованная (Н).

Легированные цементуемые конструкционные стали применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения при незначительных нагрузках: втулок, пальцев, валиков, толкателей, шестерен и др.

Улучшаемые легированные конструкционные стали применяются для изготовления деталей, работающих при средних и высоких нагрузках:

• шпинделей и валов в подшипниках скольжения,
• червячных валов,
• роторов,
• рычагов,
• толкателей,
• блоков,
• крепежных деталей, работающих при высоких температурах,
• крупных зубчатых колес,
• валков горячей прокатки.

5. Легированные инструментальные стали

Основными требованиями, предъявляемыми к инструментальным сталям, являются высокая твердость, износостойкость, ударная вязкость и прокаливаемость. Кроме того, в зависимости от условий работы могут предъявляться специфические требования. Например, режущий инструмент, работающий при высокой скорости резания, должен обладать высокой износостойкостью при температуре 500 … 600 °С, а инструмент, работающий при низких режимах резания, требует износостойкости при температуре до 200 °С. Ручной инструмент (напильники, плашки, метчики и др.) должен иметь высокую износостойкость при нормальных условиях. К штампам, работающим при горячем деформировании, предъявляются требования горячей твердости, адгезии, жаропрочности, упругости и ударной вязкости.

Высокие требования из-за специфики и условий работы различных инструментов создаются наличием тех или иных легирующих элементов.

Легированные инструментальные стали поставляются в виде горячекатаного калиброванного проката, поковок, шлифованного прутка, полосы, кованых заготовок и валков.

Массовая доля вредных примесей (серы и фосфора) в легированных инструментальных сталях не должна превышать 0,03 % каждого элемента. В стали, полученной методом электрошлакового переплава, массовая доля серы допускается не более 0,015 %.

В состоянии поставки твердость легированной инструментальной стали колеблется в зависимости от химического состава в пределах 217 … 269 НВ. Все инструментальные легированные стали улучшаются закалкой. Твердость инструмента, изготовленного из легированной стали, после закалки будет следующая: режущего инструмента - 60 … 64 НRС, измерительного - 50 … 58 НRC.

В связи с тем что в процессе работы к инструменту, изготовленному из легированных инструментальных сталей, предъявляются различные требования, эти стали подразделяются на следующие группы:

• сталь для режущего и измерительного инструмента;
• сталь для штампового инструмента;
• быстрорежущие инструментальные стали.

Кроме того, легированные стали подразделяют на качественные, высококачественные и особовысококачественные (последние две группы указываются в маркировке).

Сталь для режущего и измерительного инструмента. Для этих целей применяются средне- и высокоуглеродистые и низко- и среднелегированные стали. Массовая доля углерода в этих сталях колеблется в пределах 0,7 … 1,0 %, а отдельные марки содержат до 1,4 %.

Стали для режущего и измерительного инструмента подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

Стали неглубокой прокаливаемости включают в себя хромистые, хромованадиевые, хромовольфрамовые и ванадиевые стали. Массовая доля легирующих элементов колеблется в пределах 1 … 5 %, массовая доля углерода - 0,6 … 1,1 %. Характерной особенностью этих сталей из-за малого содержания легирующих элементов является низкая прокаливаемость. Инструмент, изготовленный из этих сталей, при закалке охлаждается в воде и имеет мягкую незакаленную сердцевину. В связи с этим стали неглубокой прокаливаемости идут на изготовление режущего и измерительного инструмента сечением до 25 мм, что при закалке предотвращает коробление и способствует прокаливаемости по всему сечению инструмента.

Марки стали этой группы: 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 11ХФ (11Х), 13Х. Из сталей этих марок изготавливают резьбовые калибры, метчики, плашки, развертки, протяжки и другой специальный инструмент и технологическую оснастку.

Стали глубокой прокаливаемости содержат 1 … 4 % легирующих элементов; отдельные марки имеют до 8 … 10 % легирующих элементов. Основной легирующий элемент, повышающий прокаливаемость, - хром. Его массовая доля, как правило, составляет 1,0 … 1,5 %. Также прокаливаемость повышают кремний и марганец, однако наличие этих элементов в стали затрудняет технологию закалки.

Марки сталей этой группы: 9X1 (9X), 12X1 (20X), 9ХС, ХГС, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ, 9Х5ВФ (120X), 8Х4В3М3Ф2.

Из этих сталей изготавливают те же инструменты, что и из сталей неглубокой прокаливаемости, а также холодновысадочные матрицы, пуансоны, клейма, штемпели и другие ответственные детали, от которых требуется повышенная износостойкость.

Сталь для штампового инструмента. Для изготовления инструментов, деформирующих металл, предназначены штамповые стали, которые подразделяются на следующие группы:

• для деформации в холодном состоянии (Х6ВФ, Х12, Х12ВМ, Х12М, Х12Ф1, 7ХГ2ВФ, 6ХВ3МФС);
• для деформации в горячем состоянии (7Х3, 8Х3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 5ХГМ, 4ХМФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС);
• для ударного инструмента (4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 6ХВ2С, 3Х2Н2МВФ);
• сталь инструментальная валковая (9Х2, 90ХФ, 9Х2МФ, 55Х, 60ХН).

Стали для холодного деформирования должны иметь высокие твердость и прочность, высокую износостойкость, удовлетворительную вязкость и высокую прокаливаемость.

Стали для горячего деформирования должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации, высокой теплостойкостью и высокой разгаростойкостью, т. е. высоким сопротивлением термической усталости.

Быстрорежущие инструментальные стали. Быстрорежущими называют высоколегированные стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких режимах резания. ГОСТ 19265-73 предусматривает поставку инструментальной быстрорежущей стали в виде горячекатаного, калиброванного проката, кованой, в виде полос и прутков со специальной отделкой поверхности следующих марок: Р9, Р18, Р6АМ5, Р6М5К5, 11Р3АМ3ФА, Р6АМ5Ф2, Р12Ф3, Р18К5Ф2, Р9М4К8.

В маркировке быстрорежущих сталей приняты следующие обозначения:

• буквой Р (от англ. rapid - скорый) обозначаются все быстрорежущие стали. Цифра, стоящая справа после буквы Р, указывает на среднюю массовую долю основного легирующего элемента - вольфрама.
• Буква К обозначает кобальт,
• М - молибден,
• А - азот.

В обозначении марок быстрорежущих сталей не указывается массовая доля хрома, молибдена до 1 % включительно и ванадия в сталях марок Р9, Р18, Р6АМ5, Р9К5, Р6М5К и Р9М4К8.

Все быстрорежущие стали содержат 0,70 … 1,12 % углерода в зависимости от марки, 3,8 … 4,4 % хрома, 0,4 % никеля.

Быстрорежущие стали имеют высокую красностойкость до 620 °С, ударную вязкость в состоянии поставки 18 … 26 Дж/см 2 , твердость 220 … 260 НВ, предел прочности при растяжении σ в = 840 … 940 МПа (84 … 94 кгс/мм 2). Высокая красностойкость и горячая твердость создаются легирующими элементами - вольфрамом, ванадием, хромом и молибденом.

Из быстрорежущих сталей делают цельные токарные, строгальные резцы, фрезы, развертки, модульные фрезы, долбяки, протяжки, сверла, метчики и плашки. Кроме того, быстрорежущие стали идут на изготовление различного штампового инструмента (пуансоны, матрицы, ножи для ножниц, машинные ножовки по металлу) и другого инструмента.

Быстрорежущие инструментальные стали способны самозакаливаться на воздухе. В связи с этим при ковке эти стали охлаждают в нагревательных колодцах или в соляных ваннах. При медленном охлаждении в колодцах происходит укрупнение зерен сорбитообразного перлита и карбидов. Кроме того, с целью улучшения обрабатываемости резанием быстрорежущим сталям производят изотермический отжиг. В результате этих операций твердость достигает 200 … 255 НВ.

При последующей ступенчатой закалке при температуре 1 270 … 1 290 °С и трехкратном отпуске при температуре 550 … 570 °С достигаются высокие прочность, твердость и ударная вязкость, а также высокие режущие свойства инструмента. Структура после закалки: карбиды, мартенсит и остаточный аустенит. Остаточный аустенит несколько снижает твердость, и его устраняют многократным отпуском и обработкой холодом. После этих операций он превращается в мартенсит.

По режущим свойствам эти стали бывают нормальной и повышенной производительности. Нормальную производительность имеют стали марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 (вольфрамовые), Р6М3, Р6М5 (вольфрамомолибденовые); твердость этих сталей равна 98 НRА, теплостойкость - 620 °С. Стали марок Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 (с повышенной массовой долей ванадия и содержанием кобальта) имеют повышенную производительность; твердость этих сталей - более 64 НRС, теплостойкость - 630 … 640 °С. Стали последней группы применяют для обработки высокопрочных сталей с аустенитной структурой и других твердых конструкционных материалов.

6. Высоколегированные стали

Общая характеристика высоколегированных сталей и сплавов. Практикой установлено, что коррозию можно приостановить путем легирования конструкционных сталей и чугунов хромом или хромом и никелем и другими легирующими элементами. Эти легирующие элементы в активных средах переходят в пассивное состояние, на их поверхности возникают тонкие оксидные пленки и поверхность приобретает высокую коррозионную стойкость.

Легирование стали никелем дает возможность получать компонентную (аустенитную) структуру, которая обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем хромистые и хромоникелевые стали.

Высоколегированные стали и коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные сплавы (ГОСТ 5632-72) выпускаются на железной, железоникелевой и никелевой основах и поставляются в виде сортового и фасонного проката, калиброванного прутка, прутка со специальной отделкой поверхности, листа тонкого и толстого, полосы, поковок и кованых заготовок, проволоки и труб. Они предназначены для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций для работы в коррозионно-активных средах и при высоких температурах.

Высоколегированные стали и сплавы получают методом электрошлакового (ЭШ), вакуумно-дугового (ВД) переплавов и индукционной электроплавкой (ЭП) и в зависимости от основных свойств подразделяют на следующие группы:

• коррозионно-стойкие;
• жаростойкие;
• жаропрочные.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Коррозионно-стойкими называют такие конструкционные материалы, которые сопротивляются химическому и электрохимическому воздействию окружающей среды.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химической и электрохимической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, межкристаллитной и коррозии под напряжением).

Наиболее стойкими против коррозии являются такие химические элементы, как хром и никель, поэтому эти химические элементы являются постоянными легирующими элементами при получении коррозионно-стойких сталей и сплавов. Практика показывает, что устойчивая коррозионная стойкость у сталей и сплавов образуется при массовой доле хрома 12,5 % и выше.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от массовой доли хрома и углерода. При содержании хрома 13; 17 и 25 % и при наличии 0,1 … 0,4 % углерода стали приобретают высокую жаростойкость (окалиностойкость).

Хромистые стали имеют высокие технологические свойства: деформируемость, свариваемость и улучшаемость, поэтому основная группа коррозионно-стойких сталей производится на основе хрома, а отдельные марки на основе хрома и никеля, а также титана. Титан и никель вводят для измельчения зерна, а отдельно никель для увеличения прочности, твердости и ударной вязкости.

Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкие хромистые стали следующих марок: 12Х12, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х13 и др.

Стали марок 12Х13 и 20Х13 хорошо деформируются и свариваются. Стали марок 30Х13 и 40Х13 свариваются ограниченно, так как средняя массовая доля углерода и высокое содержание хрома способствуют образованию при сварке трещин в районе околошовной зоны основного металла. Эти стали хорошо куются и штампуются в горячем состоянии, так как при высокой температуре они пластичны.

Эти стали широко используются как конструкционный и коррозионно-стойкий материал. Их используют для изготовления лопаток различных турбин, компрессоров, клапанов, арматуры нефтеустановок и аппаратов, а стали 30Х13 и 40Х13 - для режущего и измерительного инструмента, пружин, деталей карбюраторов и других деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Детали, изготовленные из этих сталей, подвергаются закалке и низкому, среднему и высокому отпуску в зависимости от марки и требуемых свойств.

Сталь марки 40Х13 широко применяется для изготовления хирургического и бытового инструмента.

Хромоникелевые стали в зависимости от химического состава, массовой доли хрома и никеля выпускаются следующих классов: аустенитный, аустенитно-ферритный и аустенитно-мартенситный. Стали с содержанием 18 % хрома и 9 … 10 % никеля образуют структуру аустенита. Эти стали имеют коррозионную стойкость при высоких температурах в различных рабочих средах, в том числе в растворах кислот, обладают высокой обрабатываемостью давлением и свариваемостью. Аустенитные стали получили наиболее широкое применение в химической промышленности и строительстве.

К недостаткам аустенитного класса сталей относят низкие обрабатываемость резанием и литейные свойства, поэтому они широко применяются как конструкционный материал в сварных конструкциях и изделиях, получаемых обработкой давлением.

Наиболее широкое применение нашли стали аустенитного класса О4Х18Н10, О8Х18Н10, О8Х18Н10Т и многие другие, всего около 30 марок. Титан вводится в сталь с целью устранения межкристаллитной коррозии. Аустенитные стали подвергаются закалке при температуре 1 050 … 1 100 °С. Охлаждение изделий производят в масле. После закалки предел прочности при растяжении σ в = 500 … 600 МПа (отдельные марки достигают прочности 1 000 … 1 200 МПа), относительное удлинение δ = 35 … 40 %.

Стали аустенитно-ферритного класса в своем составе кроме хрома и никеля содержат титан и кремний. Они имеют более высокие антикоррозионные свойства в активных средах, а также высокие технологические свойства. Наиболее широкое применение нашли аустенитно-ферритные стали марок 12Х21Н5Т, ОХ22Н5Т, Х28АН и др., всего примерно 10 марок.

Закалку этих сталей производят при температуре 950 … 1 000 °С, охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят операцию старения при температуре 500 °С. Предел прочности этих сталей σ в = 950 … 1 200 МПа, относительное удлинение δ = 4… 12 %.

Стали аустенитно-мартенситного класса кроме хрома в своем составе имеют алюминий и марганец и пониженную массовую долю никеля (1 … 9 %). Стали этого класса используются как коррозионно-стойкий конструкционный материал для работы в активных, окислительных рабочих средах и имеет более высокие, по сравнению с рассмотренными ранее сталями, механические и химические свойства. Предел прочности в зависимости от химического состава - 1 200 … 1 900 МПа, относительное удлинение - 3 … 10 %.

Марки сталей аустенитно-мартенситного класса: 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, ОХ17Н7Ю, ОХ17Н7Ю1, 09Х15Н8Ю, 2Х17Н2 и др.

Закалку этих сталей производят при температуре 975 °С, охлаждение осуществляют в масле. После закалки проводят обязательные операции обработки холодом, старение и упрочнение при холодной прокатке.

Жаростойкие стали и сплавы. Известно, что образование окалины на поверхности металла происходит под воздействием температуры и кислорода рабочей среды. Чем выше температура рабочей среды, тем активнее идет процесс образования окалины. Между тем, сама образовавшаяся окалина может препятствовать дальнейшему окислению металла. Это может быть достигнуто тогда, когда оксидная пленка плотная, без трещин и пор.

Практика показывает, что оксидная пленка железа, вольфрама и других элементов обладает низкими защитными свойствами. Через пленки этих металлов легко диффундирует кислород, и происходит образование окалины на большую глубину; окалина растрескивается, становится пористой, металл сгорает.

Хром, алюминий, никель, кремний имеют плотную оксидную пленку, и, кроме того, пленки этих металлов под воздействием температуры не трескаются. Окислившись, поверхность металла детали под воздействием температуры и кислорода в начальный период нагрева становится теплостойкой. Образовавшаяся на поверхности оксидная пленка защищает металл от дальнейшего разрушения.

Максимальная массовая доля хрома (10 %) при температуре 800 … 900 °С обеспечивает устойчивую окалиностойкость. При массовой доле хрома 20 … 25 % рабочая температура может достигать 1 000 … 1 100 °С.

Свойство окалиностойкости обеспечивает не структура стали, а только ее химический состав. В практике нашли применение следующие марки жаростойких сталей: 4Х9С2, 1Х12СЮ, 4Х10С2М, 3Х13Н7С2, Х20НМС2, 4Х18Н25С2, ОХ18Н10Т и др., всего приблизительно 60 марок.

Жаростойкие стали применяют для изготовления деталей, работающих в активных рабочих средах и при высоких температурах с незначительной механической нагрузкой: клапанов автомобильных, тракторных двигателей и дизелей; теплообменников, колосников, труб, электродов свечей зажигания, печных конвейеров, ящиков для цементации, муфелей, реторт, выхлопных систем и других деталей и конструкций в химическом, нефтехимическом и газовом производстве.

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочность сталей всегда сопровождается их жаростойкостью (окалиностойкостью), т. е. все жаропрочные стали должны быть, прежде всего, жаростойкими.

Рассматривая жаропрочность конструкционного материала, следует знать, что с повышением температуры прочностная характеристика любого конструкционного материала уменьшается, в том числе у обычной конструкционной углеродистой стали. Следовательно, жаропрочность характеризуется двумя показателями: температурой и временем. При этом, если показатель времени брать за основополагающий фактор, то жаропрочность следует характеризовать длительной прочностью. При определении длительной прочности при высокой температуре будем наблюдать ползучесть испытуемого образца, и эта ползучесть увеличивает жаропрочность. На жаропрочность конструкционных материалов влияет их структура и легирующие элементы. Классы структур в этих сталях бывают перлитные, аустенитные и мартенситные. В качестве легирующих элементов в хромоникелевых сталях применяют кремний, марганец, молибден, вольфрам, ванадий и ниобий с различной мас совой долей в зависимости от назначения стали.

По назначению жаропрочные легированные стали подразделяются на клапанные, котельные, котлотурбинные, для реактивной техники. Из этих сталей делают различные детали и конструкции, такие как клапаны машинных двигателей, трубы паро- и газопроводов, аппараты и котлы сверхвысокого давления, лопатки паровых и газовых турбин, вкладыши сопел, крепежные детали и др.

7. Углеродистые и легированные стали специального назначения

Рессорно-пружинная сталь. Рессорно-пружинная сталь (ГОСТ 14959-79*) выпускается в виде горячекатаного проката или кованой (диаметром или толщиной до 250 мм), а также в виде калиброванных прутков круглого, квадратного и профильного сечений, мотков и полос со специальной отделкой поверхности.

Рессорно-пружинная сталь выпускается качественной и высококачественной, а также углеродистой (65, 70, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г) и легированной (55С2, 55С2А, 60С2, 70С3А, 60С2Г, 50ХГ, 50ХГА и др.).

Цифры в маркировке углеродистых сталей указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента; буква Г, стоящая справа после цифры, - повышенное содержание марганца (0,7 … 1,2 %). В обозначении легированных сталей цифры, стоящие впереди марки, указывают массовую долю углерода в сотых долях процента.

Для примера рассмотрим химический состав стали марки 60С2Н2А. Массовая доля углерода составляет 0,56 … 0,64 %, кремния - 2 %, никеля - 2 %. Буква А, стоящая в конце марки, указывает, что сталь высококачественная, т. е. имеет пониженную массовую долю вредных примесей - серы и фосфора (их суммарная массовая доля составляет 0,05 %).

Рессорно-пружинные стали поставляются по строго заданным нормируемым характеристикам. Нормируемыми характеристиками являются химический состав, механические свойства и назначение.

По нормируемым характеристикам эти стали подразделяются на категории: 1, 1A, 1Б, 2, 2А, 2Б, 3, 3А, 3В, 3Г, 4, 4А, 4Б.

• а - для горячей обработки (ковка, штамповка);
• б - для холодной механической обработки (строгание, точение, фрезерование);

Рессорно-пружинные стали обладают высокими механическими свойствами как в сыром, так и в термически обработанном состоянии. Углеродистые и марганцовистые стали имеют пределы прочности при растяжении σ в = 1 000 … 1 130 МПа (100 … 115 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 7 … 9 %, твердость 230 … 250 НВ. Кремнистые, кремнисто-хромистые и кремнистоникелевые стали имеют более высокие механические свойства по сравнению с углеродистыми и марганцовистыми сталями. Например, сталь марки 60С2Н2А имеет предел прочности при растяжении σ в = 1 500 МПа (150 кгс/мм2), твердость 420 … 475 НВ, относительное удлинение δ = 19 %.

Рессорно-пружинная сталь обладает высокой ковкостью, ограниченной свариваемостью, высокой прокаливаемостью и отсутствием отпускной хрупкости.

В нормативно-технической документации и на чертежах рессорно-пружинная сталь обозначается следующим образом:

что означает - сталь горячекатаная, круглая, диаметром 100 мм, обычной точности прокатки по ГОСТ 2590-2006 марки 65Г, для горячей обработки подгруппы а, категории 4А.

Аналогично обозначаются и другие виды проката этих сталей.

Из рессорно-пружинной стали изготавливают рессоры, пружины общего назначения, пружины клапанов автомобилей, амортизаторов, замковые шайбы, диски сцепления, эксцентрики, бандажи, тормозные барабаны и ленты, фрикционные диски, шайбы пружинные, торционные валы и другие детали, от которых требуется высокая упругость и износостойкость, в том числе тяжело нагруженные пружины и рессоры для большегрузных автомобилей, тракторов и железнодорожных вагонов.

Подшипниковая сталь. По ГОСТ 801-78 предусматривается выпуск подшипниковой стали горячекатаной, катаной, калиброванной и со специальной отделкой поверхности в виде круга, полосы, квадрата, труб, ленты, проволоки (ШХ4, ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ).

В маркировке этих сталей приняты следующие обозначения:

• буквы ШХ - подшипниковая хромистая;
• буквы С, Г - легирующие элементы (кремний и марганец);
• цифры показывают количество хрома в десятых долях процента.

В маркировке отдельных сталей указывается способ выплавки:

• буквой Ш обозначают электрошлаковый переплав;
• буквой В - вакуумирование;
• буквой Д - двойная очистка (например, ШХ9-Ш; ШХ15-ШВ; ШХ15-ШД).

Подшипниковая сталь в зависимости от дальнейшей обработки подразделяется на следующие группы:

• для горячей обработки давлением (штамповка, ковка);
• для холодной высадки;
• для холодной штамповки.

Подшипниковые стали имеют высокие механические свойства (особенно после закалки): твердость, прочность, ударную вязкость, износостойкость и теплостойкость.

Например, сталь марки ШХ15СГ в состоянии поставки имеет следующие свойства:

• предел прочности при растяжении σ в = 590 … 730 МПа (60 … 73 кгс/мм 2),
• твердость 179 … 217 НВ, ударную вязкость 44 Дж/см 2 ;
• после закалки при температуре 810 … 840 °С,
• охлаждения в масле и последующего отпуска при температуре 150 °С - твердость 61 … 65 НRC,
• предел прочности при растяжении σ в = 1 960 … 2 300 МПа (196 … 230 кгс/мм 2).

Подшипниковая сталь имеет высокие технологические свойства: ковкость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, прокаливаемость и низкую склонность к отпускной хрупкости; свариваемость ограниченная. Из этой стали изготавливают шарики, ролики, кольца, втулки, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Подшипниковая сталь, легированная кремнием и марганцем, идет на изготовление подшипников, работающих при повышенных температурах.

Конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматная). По ГОСТ 1414-75 выпускают следующие группы конструкционных сталей повышенной и высокой обрабатываемости резанием:

• углеродистая сернистая (А11, А12, А20, А30, А35);
• сернисто-марганцевая (А40Г);
• сернисто-марганцевая свинецсодержащая (АС35Г, АС45Г2, А35Е, А45Е);
• легированная свинецсодержащая (А12ХМ, АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГНМ, АС40ХГНМ) и другие группы.

В маркировке этой группы сталей приняты следующие обозначения:

• буква А - сталь автоматная;
• АС - автоматная свинецсодержащая;
• буква Е указывает на наличие в стали селена.

Цифры, стоящие после букв, указывают на массовую долю свинца. Остальные условные обозначения такие же, как у легированных конструкционных сталей.

Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием выпускается в виде горячекатаного круглого, квадратного и шестигранного, катаного и калиброванного проката, как термически обработанного (Т), так и без термической обработки, а также нагартованного (Н). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на группы:

• а - для горячей обработки давлением;
• б - для холодной механической обработки;
• в - для холодного волочения (подкат).

В зависимости от химического состава конструкционная сталь повышенной и высокой обрабатываемости резанием имеет следующие пределы механических свойств: предел прочности при растяжении σ в = 580 … 800 МПа (58 … 80 кгс/мм2) (для некоторых марок стали σ в = 1 000 … 1 200 МПа); твердость по Бринеллю 187 … 241 НВ; относительное удлинение δ = 8 … 12 % (для некоторых марок стали σ = 20 %).

Автоматные стали обладают высокими технологическими свойствами: ковкостью, свариваемостью и особенно обрабатываемостью резанием. Последнее свойство достигается путем специальных металлургических процессов, предусматривающих введение в конструкционную сталь серы, свинца и селена. Эти добавки в процессе обработки резанием создают как бы внутреннюю смазку, которая снижает трение в месте контакта резца с заготовкой, при этом процесс резания идет мягко, создаются условия измельчения стружки. Вредное влияние серы в этих сталях нейтрализуется повышенным содержанием марганца.

Конструкционные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием обладают повышенными вязкостью, пластичностью и усталостью, поэтому имеют ограниченное применение.

Углеродистые сернистые стали используют для крепежных малонагруженных деталей, к которым предъявляются требования высокой точности и шероховатости поверхности. Другие группы автоматных сталей используют для деталей, работающих при более высоких напряжениях и нагрузках. Например, стали марок А12, А20, А30 и А40Г идут на изготовление осей, валиков, зубчатых колес, шестерен, пальцев, винтов, болтов, втулок, колец, ходовых винтов и других деталей сложной формы, получаемых на станках-автоматах и требующих высокого качества поверхности. Первые две из указанных марок подвергаются цементации, а последующие марки улучшаются закалкой и отпуском.

Сталь для отливок. В зависимости от назначения, механических свойств и химического состава отливки подразделяются на три группы:

• общего назначения;
• ответственного назначения;
• особо ответственного назначения.

Отливки изготовляются из сталей следующих марок (ГОСТ 977-88): 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 50, 55Л, 20ГЛ, 20Г1ФЛ, 10ФЛ, 30ХГСФЛ, 45ФЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 35ХГМЛ, 20ДХЛ, 20ХГСНДМЛ, 08ГДНФЛ, 13ХНДФТЛ, 12ДН2ФЛ, 12ДН1МФЛ, 23ХГС2МФЛ, 25Х2Г2ФЛ.

Принцип маркировки литейных сталей аналогичен маркировке углеродистых и легированных качественных конструкционных сталей, но в конце маркировки ставится буква Л (сталь литейная).

В нормативно-технической документации и на чертежах литейные стали обозначаются следующим образом: отливка 12ДХН1МФЛГОСТ 977-88, что означает: отливка из стали марки 12ДХН1МФЛ группы особо качественного назначения, ГОСТ 977-88.

Аналогично обозначаются и другие марки сталей. Химический состав сталей обусловлен соответствующими марками. Механические и технологические свойства отливок зависят от выбранных для этих целей марок сталей.

Сталь низколегированная строительная. По ГОСТ 19281-89* выпускается низколегированная строительная сталь следующих групп и марок:

• марганцевая - 14Г2, 0912;
• марганцовистая с медью - 09Г2Д;
• кремнемарганцовистая - 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 10Г2С1;
• кремнемарганцовистая с медью - 09Г2СД, 10Г2С1Д;
• марганцевованадиевая - 15ГФ, 15Г2СФ;
• марганцевованадиевая с медью - 157ГФД, 15Г2СФД;
• марганцевованадиевая с азотом - 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ;
• марганцевованадиевая с азотом и медью - 14Г2АФД, 16Г2АФД, 15Г2АФДжс, 18Г2АФДпс;
• марганцевониобиевая - 10Г2Б, 12Г2Б.

В маркировке низколегированных строительных сталей принят тот же принцип, что и для легированных конструкционных сталей.

Сталь низколегированная выпускается в виде толстолистового и широколистового проката в рулонах, лентах и листах, применяемых для сварных строительных конструкций (в машиностроении - для несварных конструкций) без термообработки: трубопроводов, емкостей для хранения и транспортировки жидкостей и т. д.

Предел прочности этой стали σ в = 440 … 600 МПа, относительное удлинение δ = 20 … 23 %, ударная вязкость составляет 30 … 44 Дж/см 2 .

В нормативно-технической документации принято следующее обозначение:

что означает: сталь широкополосная универсальная, толщиной 40 мм, шириной 500 мм (ГОСТ 82-70*), с ребровой кривизной по классу А, марки 10Г2С1 (ГОСТ 19281-89*), категории 5.

Низколегированная строительная сталь применяется для изготовления ферм, обвязки вагонов, элементов сварных строительных конструкций, листовых конструкций, днищ сосудов, а также арматуры железобетонных изделий. В зависимости от химического состава марок сталей строительные конструкции могут работать при температуре 40 … 70 °С, а из отдельных марок - при отрицательных температурах и под давлением.

В Conan Exiles многое базируется на крафте различных предметов. Именно благодаря нему удается создавать новые инструменты, оружие и доспехи. Чем лучше будут у игрока эти вещи, тем сильнее окажется его герой. Однако для разработки наиболее прочных и смертельно опасных изделий понадобятся довольно редкие материалы, к которым можно отнести сталь и стальные слитки. В отличие от других ресурсов, вы не сможете добыть их на открытой местности, а только создать с помощью специальных станков и печей. Ниже мы расскажем вам, как это сделать.

Изготовление стальных брусков в Conan Exiles

Основу крафта мы рассмотрели в нашем специальном руководстве , где примерно рассказали о том, какого уровня вы должны быть, чтобы заниматься кузнечеством, поэтому не станем повторять пройденный материал, а сразу возьмемся за изготовление стали. Для этой процедуры вам потребуются сразу 3 станка:

• Котел для розжига огня.
• Дубильный станок.
• Плавильня или горнило.

К сожалению, без этих конструкций вам не обойтись, поэтому не думайте, что сможете начать ковать стальное оружие через пару часов игры. Для этого вам придется потратить очень много времени. Итак, сама процедура изготовления состоит из следующих этапов:

1. Нужно добыть железную руду и переплавить ее в железные бруски (на 1 слиток потребуется 2 единицы руды). В виде горючего можно использовать ветки, древесину или уголь (горит намного дольше). Весь этот процесс осуществляется в горниле.
2. Теперь нужно создать деготь, который представляет собой вторичное сырье. Его можно получить во время дубления шкур на дубильном станке. Вместе с 1 миской дегтя вы также получите 1 единицу кожи (толстую или тонкую). В виде горючего стоит использовать кору деревьев, так как именно она выделяет нужный нам ресурс.
3. Затем пытаемся сделать стальной огонь, являющийся катализатором, без которого невозможно изготовление стали. Он создается в котле для огня с использованием дегтя и серы. Из 2-х мисок дегтя и 1 единицы серы получаются 2 единицы стального огня. В качестве горючего можете использовать дерево, ветки или уголь.
4. На последнем этапе нужно взять железные бруски и поместить их в плавильню вместе со стальным огнем. Далее запустите печь и получите на выходе стальные бруски. Для создания 1 стального бруска нужно будет потратить 1 единицу стального огня и 5 железных брусков.

Вам наверняка интересно, а где можно достать серу. Отыскать этот материал вы сможете в пещерах или добыть с трупов монстров, которых в игре называют Камнерогами (похожи на гигантских ящерок). После убийства такой твари необходимо разделать трупик с помощью кирки. Лучше использовать железный инструмент, чтобы получить больше полезных материалов. Кстати, с этих существ также выпадают такие материалы как камень и хрусталь. Последний помещается горнило для создания стекла. Найти камнерогов можно в северо-восточной части карты, похожей на трехпалую лапу. Ниже мы разместили карту, где желтыми кружечками обозначены месторождения серы. Там же можно увидеть ту самую «лапку».

Добавим, что в локации, где обитают камнероги можно также столкнуться с Королевскими камнерогами, которые могут убить вашего героя с одного-двух ударов, поэтому не советуем ходить в эти земли с неподготовленным персонажем.

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!

, быстрорежущая)

Чугуны

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

Вам могут быть интересны следующие материалы

Бизнес

Вопросы

Интернет

Недвижимость

Страхование

Услуги

© 2024 Финансы. Бизнес. Недвижимость. Услуги. Страхование