19.3. Сталь

Сталь є очищеним сплавом заліза з вуглецем та іншими елементами, який одержують у рідкому стані. У більшості сортів сталей майже не міститься фосфору, сірки й кремнію, а вміст вуглецю в них становить 0,1—1,5%. М'які сталі — маловуглецеві сталі (містять менше ніж 0,2% вуглецю). Вони ковкі й тягучі, і їх застосовують замість ковкого заліза. Твердість таких сталей не підвищується при гартуванні (швидкому охолодженні) від температури червоного розжарювання. Середні сталі, що містять 0,2—0,6% вуглецю, застосовують при виробництві рейок і будівельних конструкцій (балок, ферм тощо). М'які та середні сталі піддаються обробці куванням, і їх можна зварювати. Високовуглецеві сталі (0,75—1,50% вуглецю) застосовують для виготовлення бритв, хірургічних інструментів, свердел та інших інструментів. Середні й високовуглецеві сталі можна гартувати та відпускати (див. нижче підрозд. «Властивості сталі»).

Сталь одержують із доменного чавуну головним чином мартенівським способом (у США цим методом виробляють понад 80% сталі) і бесемерівським процесом, а також плавленням із кисневим дуттям. Печі або конвертери для цих процесів можуть мати основну або кислу футерівку. Основну футерівку (вапно, магнезит або суміш цих речовин) застосовують у тих випадках, коли чавун містить такі елементи (наприклад, фосфор), які утворюють кислотні оксиди, а кислу футерівку (динас) — якщо чавун містить елементи, що утворюють основні оксиди.

Мартенівську сталь виробляють у відбивних печах, тобто в таких печах, у яких полум'я відбивається від стелі камери згоряння й нагріває завантажений матеріал. Чавун плавлять зі сталевим скрапом і деякою кількістю гематиту в печі, що обігрівається газоподібним або рідким паливом. Пальне й повітря (іноді збагачене киснем) попередньо нагрівають, пропускаючи через камери з гарячою насадкою з вогнетривкої цегли, розташовані з одного боку печі; аналогічні камери, розташовані з другого боку печі, обігріваються газами, що виходять із печі. Час від часу напрямок потоку газів змінюють на протилежний. Вуглець та інші домішки, що містяться в розплавленому залізі, окиснюються гематитом і надлишком повітря, що надходить у піч разом із газом. У процесі плавлення виробляють аналізи (плавлення триває приблизно 8 год) і, коли майже весь вуглець окиснюється, додають необхідну для даної марки сталі кількість коксу або високовуглецевого сплаву, звичайно феромарганцю, або дзеркального чавуну. Потім розплавлену сталь розливають у виливниці, де вона тверднє у вигляді злитків (болванок). Мартенівську сталь можна одержати цілком певної якості завдяки тому, що цей процес підлягає суворому аналітичному контролю протягом кількох годин плавлення.

Бесемерівський процес виробництва сталі розроблено в 1852 р. американцем Вільямом Келлі й незалежно від нього в 1855 р. англійцем Генрі Бесемером. При виробництві сталі цим методом чавунні чушки розплавляють і рідкий метал виливають у яйцеподібний конвертер (рис. 19.5). Крізь спеціальні сопла, вмонтовані в дно конвертера, у розплав продувають повітря, яке окиснює кремній, манган та інші домішки, а наостанок вуглець. Реакція завершується приблизно за 10 хв, що можна спостерігати за зміною характеру полум'я палаючого карбон(II) оксиду, яке викидається з конвертера. Потім додають високовуглецевий сплав і готову рідку сталь розливають.

Сталь, що її одержують бесемерівським методом, обходиться недорого, проте за якістю вона поступається сталі, одержуваній у мартенівських печах.

Починаючи з 1955 р. дедалі більшу кількість сталі виробляють у всьому світі новим методом, що ґрунтується на застосуванні кисневого дуття. При цьому залізо поміщають у конвертер, схожий на бесемерівський (рис. 19.5), але такий, що не має фурм у нижній частині. Потім поверхню розплавленого металу обдувають чистим киснем (99,5%), який надходить по довгих мідних трубах, що охолоджуються водою; внаслідок цього відбувається окиснення вуглецю й фосфору. Плавлення 50—250 т сталі триває 40—50 хв. Цей метод дає змогу одержувати сталь високої якості.

Рис. 19.5. Бесемерівський конвертер, що застосовується для виробництва сталі з чавунних чушок. 1 — вогнетривка футерівка; 2 — стиснене повітря, що продувається крізь розплавлений чавун, окиснює вуглець і кремній; 3 — стиснене повітря подається через цапфу; 4 — фурми, або сопла; 5 — камера подавання дуття; 6 — зубчаста рейка й шестерня для перекидання конвертера; 7 — цапфа.

Після нагрівання високовуглецевої сталі до яскраво-червоного розжарювання й подальшого повільного охолодження вона стає порівняно м'якою; якщо ж її швидко охолодити (загартувати), зануривши у воду, масло або ртуть, то вона стає твердішою за скло, набуває крихкості й втрачає в'язкість. Таку загартовану сталь можна «відпустити» відповідною термічною обробкою, що надає їй бажаного поєднання твердості та в'язкості. Часто відпуск роблять так, що одні ділянки, наприклад різальні частини інструментів, залишаються дуже твердими (загартованими), тоді як інші — відпущеними, такими, що мають властивості м'якого, в'язкого металу.

Ступінь відпуску можна приблизно оцінити за кольорами мінливості тонкої оксидної плівки, що утворюється на полірованій поверхні сталі при повторному нагріванні: колір соломи (230 °C) відповідає задовільному відпуску сталі для бритв, жовтий (250 °C) — для складаних ножів, коричневий (260 °C) — для ножиць і різців, пурпуровий (270 °C) — для спеціальних ножів, синій (290 °C) — для годинникових пружин і чорно-синій (320 °C) — для пилок.

Процеси гартування й відпуску можна зрозуміти, якщо розглянути фази, що утворюються в системі залізо—вуглець. Вуглець розчинний у гамма-залізі, причому ця форма стійка вище від 912 °C. Якщо сталь загартувати від температури, що перевищує цю, то утворюється твердий розчин вуглецю в гамма-залізі. Такий матеріал називається мартенситом; він має дуже високу твердість і крихкість. За твердістю та крихкістю його можна порівняти з високовуглецевою сталлю. При кімнатній температурі мартенсит нестійкий, проте за цієї температури швидкість його перетворення на стійкіші форми настільки мала, що таким процесом можна знехтувати; загартована сталь, що містить мартенсит, зберігає свою твердість доти, доки знову не піддається нагріванню.

При відпуску загартованої сталі (повільним нагріванням) мартенсит перетворюється на стійкіші фази. Зміни, яких він зазнає, дуже складні, але зрештою процес зводиться до того, що утворюється суміш зерен альфа-заліза (фериту) й твердого карбіду Fe₃C (цементиту). Сталь, що містить 0,9% вуглецю (евтектоїдна сталь), при відпуску перетворюється на перліт, який складається з перемежованих дуже тонких шарів фериту та цементиту. Перліт має високі значення межі міцності й в'язкості. Сталь, що містить менше ніж 0,9% вуглецю (доевтектоїдна сталь), змінюється при відпуску, перетворюючись на мікрокристалічний метал, який складається із зерен фериту та зерен перліту, тоді як сталь, що містить більше ніж 0,9% вуглецю (заевтектоїдна сталь), при відпуску дає зерна цементиту й зерна перліту.

Багато легованих сталей, тобто таких сталей, які містять значні кількості інших металів, крім заліза, мають цінні властивості й широко використовуються в промисловості. Манганова сталь (12—14% Mn) має виняткову твердість, і з неї роблять дробильні та мелючі агрегати, сейфи тощо. Нікелеві сталі мають безліч спеціальних застосувань. Хромованадієва сталь (5—10% Cr, 0,15% V) має в'язкість та еластичність, з неї виготовляють автомобільні осі, рами й інші деталі. Нержавні сталі звичайно містять хром; широко поширена нержавна сталь, що містить 18% хрому й 8% нікелю. З молібденових і вольфрамових сталей виготовляють інструменти для швидкісної обробки металів.