19.3. Сталь

Сталь представляет собой очищенный сплав железа с углеродом и другими элементами, получаемый в жидком состоянии. В большинстве сортов сталей почти не содержится фосфора, серы и кремния, а содержание углерода в них составляет 0,1—1,5%. Мягкие стали — малоуглеродистые стали (содержат углерода менее 0,2%). Они ковки и тягучи, и их применяют вместо ковкого железа. Твердость таких сталей не повышается при закалке (быстром охлаждении) от температуры красного каления. Средние стали, содержащие 0,2—0,6% углерода, применяют при производстве рельсов и строительных конструкций (балок, ферм и т. д.). Мягкие и средние стали поддаются обработке ковкой, и их можно сваривать. Высокоуглеродистые стали (0,75—1,50% углерода) применяют для изготовления бритв, хирургических инструментов, сверл и других инструментов. Средние и высокоуглеродистые стали можно закаливать и отпускать (см. ниже разд. «Свойства стали»).

Сталь получают из доменного чугуна главным образом мартеновским способом (в США этим методом производят более 80% стали) и бессемеровским процессом, а также плавкой с кислородным дутьем. Печи или конвертеры для этих процессов могут иметь основную или кислую футеровку. Основную футеровку (известь, магнезит или смесь этих веществ) применяют в тех случаях, когда чугун содержит такие элементы (например, фосфор), которые образуют кислотные окислы, а кислую футеровку (динас) — если чугун содержит элементы, образующие основные окислы.

Мартеновскую сталь производят в отражательных печах, т. е. в таких печах, в которых пламя отражается от потолка камеры сгорания и нагревает загруженный материал. Чугун плавят со стальным скрапом и некоторым количеством гематита в печи, обогреваемой газообразным или жидким топливом. Горючее и воздух (иногда обогащенный кислородом) предварительно нагревают, пропуская через камеры с горячей насадкой из огнеупорного кирпича, расположенные по одну сторону печи; аналогичные камеры, расположенные по другую сторону печи, обогреваются выходящими из печи газами. Время от времени направление потока газов изменяют на обратное. Углерод и другие примеси, содержащиеся в расплавленном железе, окисляются гематитом и избытком воздуха, поступающим в печь вместе с газом. В процессе плавки производят анализы (плавка занимает примерно 8 ч) и, когда почти весь углерод окисляется, добавляют необходимое для данной марки стали количество кокса, или высокоуглеродистого сплава, обычно ферромарганца, или зеркального чугуна. Затем расплавленную сталь разливают в изложницы, где она затвердевает в виде слитков (болванок). Мартеновскую сталь можно получить вполне определенного качества, благодаря тому что данный процесс подвергается строгому аналитическому контролю на протяжении нескольких часов плавки.

Бессемеровский процесс производства стали разработан в 1852 г. американцем Уильямом Келли и независимо от него в 1855 г. англичанином Генри Бессемером. При производстве стали этим методом чугунные чушки расплавляют и жидкий металл выливают в яйцевидный конвертер (рис. 19.5). Через специальные сопла, вмонтированные в дно конвертера, в расплав продувают воздух, который окисляет кремний, марганец и другие примеси, а в последнюю очередь углерод. Реакция завершается примерно за 10 мин, что можно наблюдать по изменению характера пламени горящей окиси углерода, выбрасываемого из конвертера. Затем добавляют высокоуглеродистый сплав и готовую жидкую сталь разливают.

Сталь, получаемая бессемеровским методом, обходится недорого, однако по качеству она уступает стали, получаемой в мартеновских печах.

Начиная с 1955 г. все большее количество стали производят во всем мире новым методом, основанным на применении кислородного дутья. При этом железо помещают в конвертер, напоминающий бессемеровский (рис. 19.5), но не имеющий фурм в нижней части. Затем поверхность расплавленного металла обдувают чистым кислородом (99,5%), поступающим по длинным медным трубам, охлаждаемым водой; в результате происходит окисление углерода и фосфора. Плавка 50—250 т стали занимает 40—50 мин. Этот метод позволяет получать сталь высокого качества.

Рис. 19.5. Бессемеровский конвертер, применяемый для производства стали из чугунных чушек. 1 — огнеупорная футеровка; 2 — сжатый воздух, продуваемый через расплавленный чугун, окисляет углерод и кремний; 3 — сжатый воздух подается через цапфу; 4 — фурмы, или сопла; 5 — камера подачи дутья; 6 — зубчатая рейка и шестерня для опрокидывания конвертера; 7 — цапфа.

После нагревания высокоуглеродистой стали до ярко-красного каления и последующего медленного охлаждения она становится сравнительно мягкой; если же ее быстро охладить (закалить), погрузив в воду, масло или ртуть, то она становится тверже стекла, приобретает хрупкость и теряет вязкость. Такую закаленную сталь можно «отпустить» соответствующей термической обработкой, придающей ей желательное сочетание твердости и вязкости. Часто отпуск производят так, что одни участки, например режущие части инструментов, остаются очень твердыми (закаленными), тогда как другие — отпущенными, обладающими свойствами мягкого, вязкого металла.

Степень отпуска приближенно можно оценить по цветам побежалости тонкой окисной пленки, образующейся на полированной поверхности стали при повторном нагревании: цвет соломы (230 °C) отвечает удовлетворительному отпуску стали для бритв, желтый (250 °C) — для перочинных ножей, коричневый (260 °C) — для ножниц и резцов, пурпурный (270 °C) — для специальных ножей, синий (290 °C) — для часовых пружин и черно-синий (320 °C) — для пил.

Процессы закалки и отпуска можно понять, если рассмотреть фазы, образующиеся в системе железо—углерод. Углерод растворим в гамма-железе, причем такая форма устойчива выше 912 °C. Если сталь закалить от температуры, превышающей эту, то образуется твердый раствор углерода в гамма-железе. Такой материал называется мартенситом; он обладает очень высокой твердостью и хрупкостью. По твердости и хрупкости его можно сравнить с высокоуглеродистой сталью. При комнатной температуре мартенсит неустойчив, однако при этой температуре скорость его превращения в более устойчивые формы настолько мала, что таким процессом можно пренебречь; закаленная сталь, содержащая мартенсит, сохраняет свою твердость до тех пор, пока снова не подвергнется нагреванию.

При отпуске закаленной стали (медленным нагреванием) мартенсит превращается в более устойчивые фазы. Изменения, которым он подвергается, очень сложны, но в конечном счете процесс сводится к тому, что образуется смесь зерен альфа-железа (феррита) и твердого карбида Fe₃C (цементита). Сталь, содержащая 0,9% углерода (эвтектоидная сталь), при отпуске превращается в перлит, состоящий из перемежающихся очень тонких слоев феррита и цементита. Перлит обладает высокими значениями предела прочности и вязкости. Сталь, содержащая менее 0,9% углерода (доэвтектоидная сталь), изменяется при отпуске, превращаясь в микрокристаллический металл, состоящий из зерен феррита и зерен перлита, тогда как сталь, содержащая более 0,9% углерода (заэвтектоидная сталь), при отпуске дает зерна цементита и зерна перлита.

Многие легированные стали, т. е. такие стали, которые содержат значительные количества других металлов, помимо железа, имеют ценные свойства и широко используются в промышленности. Марганцевая сталь (12—14% Mn) обладает исключительной твердостью, и из нее делают дробильные и мелющие агрегаты, сейфы и т. д. Никелевые стали имеют множество специальных применений. Хромованадиевая сталь (5—10% Cr, 0,15% V) обладает вязкостью и эластичностью, из нее изготовляют автомобильные оси, рамы и другие детали. Нержавеющие стали обычно содержат хром; широко распространена нержавеющая сталь, содержащая 18% хрома и 8% никеля. Из молибденовых и вольфрамовых сталей изготовляют инструменты для скоростной обработки металлов.