Железо в природе находится в составе руд, которые представляют собой главным образом соединения железа с кислородом. В производстве чугуна используют следующие железные руды: магнитный железняк, содержащий в основном минерал магнетит (Fe₃O₄); красный железняк, содержащий минерал гематит (Fe₂O₃); бурый железняк, содержащий минералы лимонит (2Fe₂O₃·3H₂O) и гетит (Fe₂O₃·H₂O), и некоторые другие. В основе получения чугуна из железной руды лежит процесс восстановления железа из окислов. Этот процесс совершается в доменной печи, где при высокой температуре, развивающейся благодаря горению кокса, железная руда отдает свой кислород углероду. Выделяющееся железо при высокой температуре обладает способностью соединяться с углеродом; таким образом вместо соединения железа с кислородом (руда) получается соединение железа с углеродом (чугун).

Руда в природе обычно бывает загрязнена примесями (пустой породой) — песком, глиной, иногда известняком. Уголь (кокс), применяемый в плавке, также содержит примеси, похожего состава. Чтобы отделить примеси их так же, как и чугун нужно расплавить. Чтобы понизить температуру плавления примесей, прибавляют флюсы (плавни). Для легкоплавкости песчано-глинистых примесей прибавляют известняк и, наоборот, для руд с известковыми примесями (что бывает гораздо реже)— кремнеземистые породы.

Загружаемая сверху в доменную печь шихта, содержащая железную руду, кокс и флюсы, постепенно перемещается вниз и попадает в зоны все более высокого нагрева. Нижняя часть печи называется горном. В горне домны развивается самая высокая температура (около 1600 °С). Жидкие чугун и шлак стекают вниз и собираются в горне. Более легкий шлак плавает на чугуне. Через каждые 2—3 часа работы домны выпускается шлак и направляется в чугунный ковш, в котором отвозится для дальнейшей переработки. Чугун выпускается 4—5 раз в сутки. Струя чугуна направляется в ковш для отправки в сталелитейный цех на передел в сталь или в литейный цех, где разливается ручьем по заранее приготовленным углублениям в песке и застывает. Таким образом получается чушковый чугун.

Процессы в доменной печи

Вдуваемый в доменную печь воздух, нагретый до 700—800 °С. соединяется с углеродом кокса (О₂ + С =СО₂) и развивает при этой реакции температуру около 1600 °С.

При этой температуре углекислота в присутствии углерода кокса существовать не может, а потому сразу же разлагается с образованием окиси углерода (СО₂ + С = СО) и поглощением тепла. Железная руда, опускаясь вниз вместе с шихтой, встречается с окисью углерода, которая и отнимает постепенно кислород у окислов железа с образованием углекислоты:

3Fe₂O₃ + CO = CO₂ + 2Fe₃O₄,

Fe₃O₄ + CO = CO₂ + 3FeO,

FeO + CO = CO₂ + Fe.

При температуре около 1000 °С имеет место науглероживание восстановленного железа и превращение его в чугун (2СО+ЗFе= СО₂ + Fe₃C). Образовавшаяся в результате всех этих реакций СО₂ опять восстанавливается находящимся здесь коксом в СО.

Материалы, входящие в состав пустой породы и флюсов, также претерпевают определенные превращения, переходя в шлак, являющийся ценным полупродуктом для цементной промышленности. При температуре 500-600 °С начинается разложение известняка на известь и углекислоту (СаСО₃ = СаО + СО₂). Известь, соединяясь с кремнекислотой и другими примесями, образует силикаты и алюмосиликаты кальция, являющиеся главными соединениями в доменном шлаке. Все газы—N (из воздуха), СО и СО₂ от упомянутых выше реакций—образуют доменный газ, удаляющийся из домны через колошник по газопроводам.

В материалах шихты, кроме окислов железа, имеются окислы марганца (МnО), фосфора (Р₂О₅) и сернистые соединения железа (FеS₂). Примеси Mn и P в доменном процессе частично (Мn) или полностью (Р) восстанавливаются углеродом и переходят в чугун.

МnО + 2С = 2СО + Мn

Р₂О₅ + 5С = 5СО + 2Р

Чтобы чугун не содержал фосфора, шихта должна быть совершенно свободна от примеси фосфорного ангидрида, так как в доменном процессе нельзя удалить фосфор из чугуна.

Сера, образующаяся при разложении FеS₂ в верхних слоях домны (FеS₂ = FеS +S), удаляется вместе с доменным газом. FеS разлагается только в нижних слоях домны при действии высокой температуры и СаО, содержащейся в шлаке (FеS + СаО + С = Fe + СаS + СО). Таким образом сера может быть удалена из чугуна в доменном процессе при сильноосновном шлаке и высокой температуре процесса, что требует большой затраты кокса и удорожает чугун.

Кремнекислота (SiO₂) является непременным спутником всех руд и сама может рассматриваться как руда кремния. В обычных плавках часть кремнекислоты разлагается углеродом (SiO₂ + C = CO + Si) и восстановленный кремний растворяется в чугуне.

Итак вследствие доменного процесса получается сплав железа и углерода, в котором содержатся полезные (марганец, кремний) и вредные (сера, фосфор) примеси. Такой сплав носит название чугуна.

В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода (более 2,14 % С) и поэтому обладают низкой способностью к пластической деформации. Их высокие литейные свойства обусловлены наличием в структуре эвтектики. Стоимость чутуна ниже стоимости стали.

Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для получения стали и литейного чугуна. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0 % С.

В зависимости от формы содержащегося в чугуне углерода различают:

1.Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии – в виде химического соединения Fe₃C, так называемого цементита. Белый чугун имеет в изломе белый цвет (отсюда и название) и характерный блеск.

2. Серый чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии (в виде цементита) составляет не более 0,8 %.

Белый чугун из-за очень высокой твердости цементита практически не поддается механической обработке и используется в основном для получения стали. Для литых изделий употребляется только серый чугун и те его разновидности, которые содержат большую часть углерода в форме графита.

 

Сталь отличается от чугуна только тем, что содержит значительно меньше углерода (не более 2,14 %), благодаря чему сталь является более пластичной и вязкой и поддается ковке и штамповке, чугун же при ударах рассыпается. Чтобы получить из чугуна сталь, надо удалить из него углерод. Углерод удаляется окислением его, т. е. выжиганием. Попутно выгорают и примеси, содержащиеся в чугуне,—кремний, марганец, фосфор. Сера при этом удаляется с трудом, поэтому для стали нужно брать бессернистый чугун. В отличие от доменного процесса переработка чугуна в сталь происходит при более высокой температуре, так как сталь более тугоплавка, чем чугун. Повышение температуры достигается за счет теплоты, выделяющейся в основном при выгорании кремния и марганца. Горение углерода дает слишком мало тепла и не может обеспечить повышение температуры.

1. Бессемеровский процесс (кислый)

оглавление | следующий пункт

Первым по времени процессом получения стали из чугуна был процесс англичанина Бессемера (1855 г.). Принципиально, идея очень проста. Для выжигания углерода через расплавленный чугун продувается струя воздуха, которая и окисляет углерод и примеси.

Рис. 25. Конвертор во время заливки

Такому процессу хорошо поддаются чугуны с большим содержанием кремния и марганца. Горение кремния в наибольшей степени способствует повышению температуры ванны и сохранению жидкого состояния металла. Достаточно выгорания 1—1,5 % кремния для поднятия температуры ванны с 1200 до 1500 ^оС. Процесс бессемерования происходит в сосуде, называемом конвертором (рис. 25). Повертывая конвертор „на спину" в него вливают расплавленный чугун из ковша в таком количестве, чтобы не залить отверстий для дутья. Число их в днище достигает 150—300. После пуска дутья конвертор выпрямляется, и всю толщу металла пронизывает воздух, вдуваемый под давлением 0,2-0,3 МПа. Таким образом жидкий металл не может проникнуть в воздушную систему.

Образующаяся при горении углерода СО, выделяясь из конвертора, загорается в атмосфере, образуя факел пламени. Горение углерода продолжается 5-10 минут.

После того как содержание углерода понизится до 0,1—0,2 %, может окисляться железо. Окислы железа переходят в шлак и частично растворяются в расплавленной стали, сообщая ей отрицательные качества: сталь делается хрупкой и плохо куется.

Чтобы предупредить окисление железа, продувку обычно не доводят до конца; ее останавливают когда факел пламени еще не погас, но начал уменьшаться. Часто этой меры оказывается недостаточно, и для разрушения образовавшихся окислов FеО в конце процесса, когда прекратится дутье, в расплав вводят присадку (раскислитель) – специальный чугун, или ферромарганец, а также сплавы их с ферросилицием и алюминием. Входящие в присадки Mn, Si и Al отнимают кислород от окислов железа, образуя нелетучие продукты, переходящие в шлак.

Вредные примеси чугуна—сера и фосфор—не участвуют в процессе бессемерования и их количество остается в стали таким же, как было в чугуне. Поэтому для получения доброкачественной бессемеровской стали исходный чугун должен быть весьма чист от серы и фосфора, а это в свою очередь требует соответственной чистоты железных руд от фосфора, ибо от серы можно освободиться в процессе доменной плавки.

Для удаления фосфора надо иметь в шлаке высокое содержание извести и низкое кремнекислоты (основной шлак), тогда фосфорная кислота (Р₂О₅) может быть нейтрализована и переведена в шлак. В бессемеровском же процессе шлак должен быть кислым (с малым содержанием СаО и высоким SiO₂), иначе будет разъедена футеровка конвертера, которая состоит из килого огнеупорного материала – динаса, являющегося по химическому составу чистой кремнекислотой (SiO₂).

2. Томасовский процесс (основной)

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Практически эти условия были известны еще в 60-х годах позапрошлого столетия, однако только в 1878 г. Томас (Тhоmas) и Джильхрист (Gilchrist) нашли, огнеупорную массу иную, чем динас. Это был материал на основе природного доломита. Такая футеровка позволяет иметь основные шлаки для удаления из стали фосфора.

Содержание фосфора в чугуне стремятся иметь возможно более высоким (2—2,5 %), ибо при его сгорании развивается то количество тепла, которое необходимо для повышения температуры металла и которое в способе Бессемера получается от сгорания кремния. Главная масса тепла выделяется в конце томасовского процесса, а не вначале, как при бессемеровании, поэтому металл выливается из конвертора при более высокой температуре. Известно, что чем горячей ванна, тем большее количество закиси железа она может растворить, а так как закись железа придает стали хрупкость, то при всех прочих равных условиях томасовское железо обладает более низкими механическими характеристиками, чем бессемеровская. так как она содержит больше растворенной закиси железа в металле. Томасовскую сталь перед разливкой раскисляют так же, как при бессемеровании, ферромарганцем или другими присадками.

Заметим, что удалить фосфор в достаточной степени нельзя, пока из ванны не удален вполне углерод (до 0,1 %), поэтому томасовским способом получается главным образом мягкая сталь с малым содержанием углерода (около 0,1 %). В бессемеровском процессе, наоборот, нельзя получить мягкую сталь, а только сталь с содержанием углерода выше 0,15 %.

3. Мартеновский процесс

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Неудобство томасовского и бессемеровского процессов получения стали заключается в том, что в передел поступает только расплавленный чугун и нет возможности переплавлять металлический лом, имеющийся везде в больших количествах. Попытки переплавки стали на поду печи не удавались ввиду высокой температуры плавления стали (около 1500 °С). Обычная топка на угле могла развить только 1200—1300 °С. Задача получения в печи требуемой температуры была решена впервые Мартеном (Р. Маrtiп) в 1865 г. постройкой во Франции первой мартеновской печи. В этой конструкции был использован принцип регенерирования (обратного возвращения) тепла, уносимого из печи отходящими газами. Принцип получения высокой температуры заключался в том, что поступающий для сжигания воздух подогревался отходящим из печи дымом. Сименс предложил превращать твердое топливо в газ в генераторе и его также подогревать перед сожжением. Таким образом если холодное топливо с холодным воздухом развивали температуру 1300 °С, то, подогретые до 700—900 °С они легко давали требуемую температуру (1600—1700 °С). Этот процесс называют по имени обоих изобретателей сименс-мартеновским.

Мартеновский процесс возник на основе переплавки железного лома, накопившегося с момента пуска бессемера (1855 -1865 гг.) в большом количестве и обесцененного ввиду неумения его утилизировать. Однако уже с первых же шагов переплавки лома выяснилось, что при расплавлении железо поглощает большое количество кислорода, т. е. сильно окисляется (горит), и было очень трудно раскислить расплавленную окисленную сталь. Поэтому в скрап (металлический лом) стали вводить некоторое количество чугуна, примеси которого — углерод, кремний, марганец, — защищают железо от окисления. Для окисления и удаления последних в шлак вводят окислы железа, например железную руду.

Под мартеновской печи, где плавится сталь, подобно конвертору, делается либо из кислых огнеупорных материалов (динаса), либо из основных (доломита, магнезита).

Шихта на кислой печи состоит приблизительно из 25 % передельного чугуна и 75 % лома. Кислая сталь содержит углерода не ниже 0,18—0,20 % и по механическим свойствам, особенно в смысле меньшей хрупкости, лучше основной. Однако необходимость перерабатывать шихты с высоким содержанием фосфора повела к выкладке плавильного пространства мартеновской печи основными огнеупорными материалами — доломитом и магнезитом (так же, как и в томасовском конверторе). Шихта составляется для основной печи из 50 % чугуна и 50 % скрапа. В основной печи получается железо с содержанием углерода менее 0,1 %, в особых случаях даже почти чистое железо—99,95, чего нельзя достигнуть в кислом процессе. Получать основную сталь с хорошими механическими качествами труднее, чем кислую.

На больших металлургических заводах, где имеется доменный цех, получающийся чугун при выпуске из домны может перерабатываться в мартеновском цехе своего завода, Тогда нет смысла охлаждать чугун и терять значительное количество тепла, заключающегося в жидком чугуне, поэтому чугун заливают жидким в мартеновскую печь (плавка на жидкой шихте). В состав шихты включают также скрап до 30 % и железную руду до 25-30 % от массы металла. Последнюю применяют для окисления примесей чугуна.

4. Электроплавка

оглавление | предыдущий пункт

Все вышеописанные процессы получения литой стали происходили в атмосфере окислительного пламени. Результатом являлось присутствие в стали большего или меньшего количества окислов железа, которые делают сталь хрупкой. В 1900 г. инженером Эру (Heroult) был предложен способ плавления стали в восстановительной атмосфере электрической печи, но без соприкосновения с углеродом, чтобы предупредить науглероживание железа.

В электропечах можно получать температуру до 3000 °С, чего нельзя достигнуть ни в какой пламенной печи. Поэтому возможно применять для плавки шлаки с высоким содержанием извести (тугоплавкие). При этом из стали выделяются все вредные примеси—сера, фосфор, окислы, и из исходных материалов невысокого качества получается очень чистый и высококачественный металл. Благодаря возможности регулировать температуру в очень узких пределах и полностью исключить доступ воздуха, выплавленный металл содержит наименьшее количество шлаковых включений и растворенных газов, вредно влияющих на механические качества металла. Работа электропечи заключается только в рафинировании стали, полученной вышеописанными способами.

В электропечах уже химический характер атмосферы печи (восстановительный) гарантирует хорошее раскисление (удаление окислов) ванны, а для удаления серы требуется основная футеровка печи. Поэтому кислая футеровка в электропечах для стали применяется редко.

В условиях работы электрической печи можно легко ввести всевозможные добавочные металлы для получения легированных сталей например хром, вольфрам, ванадий и т. п. Все эти металлы легко окисляются и переходят в шлак в обычных условиях плавления в мартеновской печи, а в электрической печи условия плавления этих металлов обеспечивают полный переход их в сталь почти без потерь на окисление. Вот причины, почему специальные легированные стали получают главным образом из электропечей.

1. Структура и фазовый состав углеродистой стали

оглавление | следующий пункт

Рис. 26. Микроструктура сталей с различным содержанием углерода

Всего две фазы (два типа кристаллов) образуют структуру углеродистой стали при нормальной температуре, это – очень мягкий и пластичный феррит (Ф) и очень твердый и хрупкий цементит (Ц). Соотношение между ними может изменяться в пределах от 100 % феррита (0 % цементита) до 68 % феррита +32 % цементита. Такое изменение в содержании фаз обусловлено изменением содержания углерода в стали от 0 до 2,14 %. Чем больше в стали углерода, тем больше образуется цементита – химического соединения состава Fe₃C – и меньше остается на долю феррита. Феррита в стали будет 100 % (цементит отсутствует), когда содержание углерода составляет почти 0 %, а точнее не более 0,02 %. Под микроскопом феррит представляет собой однородную кристаллическую структуру (фазу), показанную на рис. 26а. Таким образом феррит – это практически чистое железо (отсюда и название – ferrum – железо), хотя, строго говоря, это не совсем так – ведь немного углерода в феррите все же присутствует. При этом атомы углерода вытесняют некоторые атомы железа и занимают их места, не образуя химических связей с атомами железа. Такие системы называют твердыми растворами замещения. Феррит – это твердый раствор углерода в железе, причем в так называемой α-модификации, в которой железо существует при температурах ниже 911 ^оС. Именно α-железо растворяет так мало углерода (менее 0,02 %), что связано с особенностями кристаллической решетки. При температуре выше 911 ^оС железо переходит в γ-модификацию, отличающуюся от α-железа структурой кристаллической решетки и способностью растворять углерод в значительно большем количестве - до 2,14 %. Такой твердый раствор называется аустенитом (А). Железо и углерод в стали образуют аустенит при температурах выше 727 ^оС (заметим, что 911 ^оС – это критическая температура для чистого железа), при более низких температурах они дают феррит и цементит. Две эти фазы не только являются сами по себе соответствующими структурными составляющими (элементами структуры сплава), но и образуют еще одну, третью структурную составляющую, которая представляет собой механическую смесь феррита и цементита, настолько тонкую, что кристаллы в ней практически неразличимы при увеличении микроскопа в 200 раз и она представляется однородным веществом, в то время как кристаллы, например, феррита видны крупным планом (см. рис 26б). Такая смесь, получившая название эвтектоидной смеси или перлита, получается при одном-единственном соотношении, а именно 88 % феррита и 12 % цементита. Это соотношение удобнее характеризовать просто содержанием углерода, которое составляет 0,8 % (99,2 % железа). Если сталь содержит 0,8 % углерода, то она полностью представляет собой эвтектоидную смесь (перлит). Другие структурные составляющие (феррит и цементит) в структуре такой стали отсутствуют. Структуру самого перлита, то, что он неоднороден, мы видим только при большом увеличении микроскопа (рис. 26в). Если содержание углерода больше 0,8 %, то в структуре сплава наряду с перлитом появляются кристаллы цементита (рис. 26г). При содержании углерода менее 0,8 % структура стали включает перлит и феррит.

2. Влияние углерода на свойства стали

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

С увеличением содержания в стали углерода растет доля очень твердой и хрупкой составляющей – цементита и, соответственно снижается доля мягкого и пластичного феррита, в итоге возрастает твердость стали, а ее пластичность и ударная вязкость снижаются.

Что касается прочности, то она с повышением содержания углерода сначала растет, затем достигает своего максимума (при содержании углерода в стали 0,8 - 1,0 %), после чего начинает снижаться. Это связано со структурными напряжениями, вызванными выделением из аустенита вторичного цементита при застывании сплава.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться как в горячем, так и особенно в холодном состоянии.

Резанием лучше всего обрабатываются среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3 - 0,4 % С. Низкоуглеродистые стали дают рваную поверхность и трудноудаляемую стружку. Обработка высокоуглеродистых сталей затруднена из-за их повышенной твердости.

3. Влияние примесей на свойства стали

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Постоянными примесями в углеродистых сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси - газы: кислород, азот, водород.

Марганец и кремний являются полезными примесями. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления. В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мn и до 0,4 % Si. В таких количествах и марганец и кремний полностью растворяются в феррите повышая его прочность. Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали красноломкость (хрупкость при горячем деформировании). Сера образует с железом соединение FeS – сульфид железа, хорошо растворимый в жидком металле, но не растворимый в твердом состоянии, благодаря чему в конце кристаллизации преимущест-венно по границам зерен образуется легкоплавкая эвтектика Fe - FeS с температурой плавления 988 °С. При нагреве стали до температуры прокатки или ковки (1000 - 1200 °С) эвтектика расплавляется и обуславливает образовывание надрывов и трещин при деформировании.

Основной источник фосфора - руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор в количестве до 1,2 % растворяется в феррите и сильно искажает его кристаллическую решетку, увеличивая прочность, но снижая пластичность и ударную вязкость стали. Резко отличаясь от железа типом кристаллической решетки и диаметром атомов, фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

4. Классификация углеродистых сталей

оглавление | предыдущий пункт

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. При одинаковом содержании углерода кипящие, полуспокойные и спокойные стали имеют близкие величины прочностных свойств и различаются значениями характеристик пластичности. Содержание кремния в спокойной стали составляет 0,15 - 0,35, в полуспокойной 0,05 - 0,15, в кипящей до 0,05 %.

Для раскисления кипящей стали кремний и алюминий не применяют, ее раскисляют марганцем. Кипящая сталь имеет резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Благодаря низкому содержанию кремния и углерода кипящие стали хорошо штампуются в холодном состоянии. Из-за повышенной концентрации кислорода кипящие стали имеют сравнительно высокий порог хладноломкости и их не рекомендуют применять для изделий северного исполнения. Полуспокойная сталь раскисляется марганцем и в ковше алюминием. Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Слитки спокойной стали характеризуются наименьшей пористостью и имеют наиболее однородный химический состав.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора), а также с учетом наличия легирующих элементов сталь различают по качеству и делят на следующие группы.

1. Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) содержит углерода от 0,06 до 0,49 %. Содержание вредных примесей не должно превышать: серы – 0,05 %; фосфора – 0,04 %. Эту сталь получают в мартеновских печах и кислородных конверторах. Стандартом установлены следующие марки, различающиеся по содержанию углерода, марганца и кремния, а также механическими свойствами: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В конце обозначения марки могут стоять буквы “кп”, “пс”, “сп”, которые указывают на способ раскисления: “кп” - кипящая (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп), “пс” - полуспокойная (Ст1пс, Стпс2, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс, Ст6пс), “сп” - спокойная (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп, Ст6сп). Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода.
2. Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050-88. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %). Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается.По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеро-дистые (до 0,25 %), среднеуглеродистые (0,3-0,5%) и высокоуглеродистые (0,5-0,65 %).
3. Высококачественные стали отличаются еще более низким содержанием серы (не более 0,025 %) и фосфора (не более 0,025 %). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А. Буква “У” означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными бывают не углеродистые, а легированные стали.

Легирующими элементами называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее структуры и свойств. По количеству легирующих элементов различают низколегированные стали, содержащие до 2,5 % легирующих элементов, среднелегированные от 2,5 до 10 % и высоколегированные стали, содержащие более 10 % легирующих элементов.

Легирование производится с целью изменения механических (прочности, пластичности, вязкости), физических (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических (коррозионной стойкости) свойств.

Основными легирующими элементами являются Сr, Ni, Мn, Si, W, Мо, V, А1, Сu, Тi, Nb, Zr, В. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами, например Сr и Ni, получая хромоникелевую сталь, Сr и Мn -хромомарганцевую сталь, Сr, Ni, Мо, V - хромоникельмолибденованадиевую сталь.

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, В - вольфрам. М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, К - кобальт, Ц - цирконий, Р - бор, Б - ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки - то, что сталь высококачественная.

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1 - 4 %, марганец до 2 %, кремний 0,6 - 1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Сr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: Мо – 0,2 - 0,4; W – 0,5 - 1,2; V – 0,1 - 0,3; Тi – 0,1 - 0,2.

Например, сталь 18ХГТ содержит, %: 0,17 - 0,23 С, 1,0 - 1,3 Сr, 0,8 -1,1 Мn, около 0,1 Тi; Сталь 38ХН3МФА содержит 0,33-0,40 С, 1,2-1,5 Сr, 3,0-3,5 Ni, 0,35-0,45 Мо, 0,1 - 0,18 V; сталь 30ХГСА содержит 0,32 - 0,39 С, 1,0 - 1,4 Сr, 0,8 - 1,1 Мn, 1,1 -1,4 Si.

Марки стали для строительных конструкций обозначают С235, С245, С255, С345, С590К и т.д., где буква С означает, что сталь строительная, цифры - предел текучести проката, а буква К - вариант химического состава. Если в конце обозначения стоит буква Д, это значит, что сталь дополнительно легирована 0,15 - 0,30 % Сu, например, С345Д.

Термическая обработка, являющаяся способом целенаправленного регулирования свойств стали, основана на зависимости структуры стали от скорости охлаждения аустенита. При термической обработке изменяется только структура стали; химический состав остается неизменным. Нагрев или охлаждение стали с переходом температуры через критическую точку 727 ^оС вызывает следующие фазовые превращения:

перлита в аустенит (при нагреве);

аустенита в перлит (при медленном охлаждении);

аустенита в мартенсит (при резком охлаждении).

При быстром охлаждении, например в воде, аустенит сохраняется до температуры примерно 200 °С и затем мгновенно превращается в мартенсит. При этом атомы железа также как и при медленном охлаждении перестраиваются из решетки γ-Fe в решетку α-Fe, но атомы углерода не успевают покинуть решетку γ-Fe, где их может быть много (до 2,14 %), и остаются на своих местах, зажатыми теперь уже в решетке α-Fe, где в нормальным условиях углерода не может содержаться более 0,02 %. Таким образом, получается сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе, называемый мартенситом. Углерод искажает решетку α-Fe, сообщая ей высокие внутренние напряжения, обусловливающие высокую твердость и хрупкость стали. Наличие внутренних напряжений вызывает стремление углерода к выходу из решетки α-железа путем диффузии, образованию химических связей с атомами железа (образованию цементита) и, тем самым, распаду мартенсита на две фазы: феррит и цементит. Этот процесс при нормальных температурах практически заторможен, но при нагревании он может пойти достаточно быстро, с превращением мартенсита в перлит.

При невысоком нагреве мартенсита могут получаться промежуточные структуры, которые отличаются от перлита гораздо меньшим размером кристаллов феррита и цементита – это троостит и сорбит. Троостит – это коллойдный раствор цементита в феррите. Сорбит – тонкодисперсная смесь феррита и цементита. Эти структуры имеют меньшую, чем мартенсит, но более высокую, чем перлит, твердость. Главным их достоинством является то, что они сочетают достаточно высокую твердость и значительную ударную вязкость (низкую хрупкость).

Закалка стали. Целью закалки является повышение твердости стали. При закалке стальные изделия нагревают до определенной температуры, которую устанавливают с помощью диаграммы состояния Fe-C, выдерживают некоторое время при этой температуре и затем резко охлаждают, погружая в воду, масло, растворы или расплавы солей. Выбором закалочной среды устанавливают ту или иную скорость охлаждения. От этого будет зависеть структура стали после закалки. Мартенсит получается при самой высокой скорости охлаждения (в воде), троостит – при меньшей скорости (в масле), сорбит – при еще более медленном охлаждении (в расплавах солей).

Температура нагрева стали при закалке зависит от содержания в ней углерода и лежит в интервале 750-950 °С.

В результате закалки значительно возрастают твердость, износостойкость, а также прочность стали, но снижаются ее пластичность и ударная вязкость.

Отпуск. Целью отпуска является уменьшение хрупкости закаленной стали путем устранения внутренних напряжений, возникающих при закалке. Закаленную сталь нагревают до температуры не превышающей 727 °С и выдерживают определенное время. Чем выше температура отпуска, тем полнее снимаются напряжения. При отпуске стали происходит переход мартенсита в более устойчивые структуры за счет диффузии углерода при повышении температуры. Фазовых превращений при этом не происходит. Различают следующие виды отпуска:

Низкий отпуск (150-200 °С) – повышается прочность и незначительно ударная вязкость, твердость почти не снижается. Структура после отпуска – мартенсит.

Средний отпуск (350-500 °С) – повышается пластичность, несколько снижается твердость. Структура после отпуска – троостит.

Высокий отпуск (500-680 °С) – возрастает ударная вязкость, снижается твердость. Структура после отпуска – сорбит.

Отжиг стали. В отличие от закалки характерной особенностью отжига является медленное охлаждение, достигаемое, остыванием деталей вместе с печью или под слоем песка, золы, шлака и т. п.

Различают отжиг I и II рода.

Отжиг I рода имеет целью устранение физической или химической неоднородности стали, независимо от того протекают ли при этом фазовые превращения или нет. Фазовые превращения при отжиге I рода могут происходить, но для достижения цели они не нужны. Отжиг I рода подразделяется на следующие виды:

Диффузионный отжиг (1100-1200 °С) – для выравнивания химического состава стали по объему за счет диффузии углерода в аустените.

Рекристаллизационный отжиг (680-730 °С) – для выравнивания неоднородностей кристаллического строения, образовавшихся в результате деформаций стали в холодном состоянии (устранение наклепа).

Отжиг для снятия остаточных напряжений, которые возникают при сварке, механической обработке, ковке и т. п. (160-700 °С).

Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация) имеет целью получение высокой пластичности и низкой твердости и прочности (для лучшей обрабатываемости). Эта цель достигается путем замены метастабильных структур (мартенсита, троостита, сорбита) равновесными (ферритом, перлитом, цементитом).

При отжиге II рода сталь нагревают до тех же температур, что и при закалке, выдерживают до полного завершения фазовых переходов (получения структуры аустенита) и медленно охлаждают, чтобы обеспечить распад аустенита при малом переохлаждении и избежать образования сорбита. Чем больше устойчивость переохлажденного аустенита, тем медленнее должно быть охлаждение. Скорость охлаждения для углеродистых сталей обычно составляет 100-150 °С/ч, для легированных сталей – 40-60 °С/ч.

При химико-термической обработке происходит изменение не только структуры, но и химического состава металла.

Химико-термическая обработка металлов заключается в насыщении поверхностных слоев стали различными элементами в атомарном (ионизированном) состоянии: углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом одновременно (цианирование), бором (борирование), кремнием (силицирование) и другими. Изменению химического состава подвергается только поверхностный слой и его свойства становятся отличными от свойств сердцевины детали, что позволяет сочетать несовместимые обычно свойства, например, высокую твердость и ударную вязкость. Высокую твердость придают поверхностному слою деталей, что обеспечивает их износостойкость, а сердцевинную часть делают ударопрочной, способной воспринимать динамические нагрузки.

Цементация. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,2 % С. Их насыщают углеродом до концентрации в поверхностном слое 0,8—1,0 % С и затем подвергают закалке, в результате которой цементованный слой, толщиной 0,5 - 2,5 мм, приобретает структуру мартенсита и высокую твердость. Сердцевина изделия, содержащая слишком мало углерода, не закаливается и остается ударно-вязкой и пластичной.

Науглероживание производят в твердой или газовой среде, называемой карбюризатором.

При твердой цементации детали укладывают в стальные ящики пересыпая карбюризатором – древесным углем или коксом (3-10 мм) с активизаторами BaCO₃, Na₂CO₃ в количестве 10-40 %. Ящики закрывают крышками, герметизируют огнеупорной глиной и ставят в печь. При температуре 930 - 950 °С (выше линии GS) образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.

При газовой цементации стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих метан, пропан, бутан и др.

Азотирование. Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью и повышенным сопротивлением коррозии.

Процесс азотирования состоит в выдержке деталей в течение довольно длительного времени (до 60 ч) в атмосфере аммиака при 500 - 600 °С. Детали в стальных, герметически закрытых ретортах, помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов в реторты аммиак при нагреве разлагается на азот и водород. Активные атомы азота проникают в решетку α-железа, образуя нитриды железа, не обеспечивающие, однако, достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов – хрома, молибдена, алюминия. Поэтому азотированию обычно подвергают легированные стали.

По сравнению с цементацией азотирование дает более высокую твердость и износостой-кость поверхностного слоя, высокие коррозионные свойства и усталостную прочность. После азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.

Цианирование. Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стали азотом и углеродом. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей. При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий (NаСN), либо в газовой среде, состоящей из смеси метана (СН4) и аммиака (NН3).

При низкотемпературном цианировании (500 - 600 °С) поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Глубина цианированного слоя 0,01 - 0,04 мм. После низкотемпературного цианирования отпуск не проводят.

Высокотемпературное цианирование (850 - 950 °С) применяют для крупных деталей и получения глубины обработанного слоя 0,6 - 1,8 мм. Процесс занимает от 3 до 10 ч, после чего детали подвергают закалке и низкому отпуску.

По сравнению с цементованным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью стро-гого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.

Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость, изно-состойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Насыщение бором часто проводят при электролизе расплавленной буры (Nа₂В₄О₇), при этом стальная деталь служит катодом. Борирование также производят в расплавленных солях или газовой среде, содержа-щих соединения бора. Диффузионный слой состоит из боридов железа и имеет толщину 0,1-0,2 мм.

Силицирование, насыщение кремнием, придает стали высокую коррозионную стойкость и кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах. Силицированный слой является твердым раствором кремния в α-железе, он имеет толщину 0,3-1,0 мм и отличается повышенной пористостью и низкой твердостью. Однако, несмотря на это, износостойкость его после горячей пропитки маслом оказывается достаточно высокой. Силицирование применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности.

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка металлов (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации стали в состоянии аустенита с закалкой.

Наиболее распространен высокотемпературный способ, при котором сталь деформируют на 20-30 % при температуре устойчивого аустенита, после чего следует немедленная закалка и низкотемпературный отпуск. Такая комбинированная обработка позволяет получить очень высокую прочность при хорошей пластичности и вязкости.

В строительстве используются в основном изделия из стального проката, а также из гнутых и сварных профилей. Прокатка стали состоит в том, что раскаленные стальные заготовки многократно пропускают между вращающимися навстречу друг другу валками прокатного стана. Проходя в зазоре между валками горячий металл пластически деформируется, сжимаясь в поперечном сечении и вытягиваясь в длину, в результате чего он превращается в длинномерное изделие с постоянным по всей длине поперечным сечением определенной формы. Такие изделия, называют прокатом.

Стальной прокат можно подразделить на следующие виды:

1. Сортовой прокат включает полосы, прутки круглого, квадратного, шестигранного сечения.
2. Фасонный прокат имеет сложный профиль поперечного сечения – уголок (равнобокий и неравнобокий), швеллер, тавр, двутавр.
3. Листовой прокат включает листовую сталь, различной толщины и размеров, универсального или специального назначения, гладкую или рифленую, а также кровельное железо, листовое, рулонное, профилированное (волнистое или трапециевидное), металлочерепицу.
4. специальные прокатные профили (шпунт, сваи, арматура, трубы, рельсы и др.).

Основным видом специального проката для строительства является арматурная сталь. Она делится на классы: стержневая арматура — класс А, проволока — В, арматурные канаты — К. При указании класса могут дополнительно обозначаться способ изготовления, особые свойства или назначение арматуры. Термически обработанную стержневую арматурную сталь обозначают символом Ат, сталь для конструкций, используемых в районах Севера,— Ас, термически обработанную свариваемую сталь—индексом С (например, Ат-IVС), а такую же сталь с повышенной стойкостью против коррозионного растрескивания под напряжением—К (например, Ат-IVК). Арматуру класса А-I изготавливают круглого сечения с гладкой поверхностью, арматура других классов имеет периодический профиль. Арматурная сталь периодического профиля представляет собой круглые стержни с двумя продольными ребрами и поперечными выступами, идущими по трехзаходной винтовой линии. Арматуру поставляют в прутках длиной от 6 до 12 м (термически упрочненную—в прутках от 5,3 до 13,5 м). Арматура классов А-I и А-II диаметром 12 мм, а также класса А-III диаметром до 10 мм может поставляться в мотках.

Арматурную проволоку выпускают диаметром от 3 до 8 мм и подразделяют по форме поперечного сечения на гладкую (В) и периодического профиля (Вр).