Как из железа сделать сталь?

Как и из чего получают сталь

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом и другими легирующими элементами. Ее используют для изготовления металлопроката, посуды, медицинских инструментов, механизмов и различных деталей для промышленности. Сплав почти на 99 % состоит из железа. Углерод занимает от 0,1 до 2,14 % общей массы металла. Углерод, марганец, кремний, магний, фосфор и сера изменяют физико-химические свойства стали. Количество примесей определяет способы обработки металла и сферы его применения. Производство стали занимает весомую долю черной металлургии.

Из чего делают сталь?

Сталь — одна из самых востребованных в промышленности. Железо и углерод — основные компоненты для изготовления стали. Железо отвечает за пластичность и вязкость, а углерод — за твердость и прочность.

Получают деформируемый сплав железа, который поддается механической, термической, токарной и фрезерной обработке. Литьем, прессованием, резкой, шлифовкой и сверловкой добиваются нужной формы. Стальные изделия получают с точно выверенными размерами.

Железо и углерод занимают львиную долю от общей массы, но кроме них сталь всегда содержит другие примеси. Чистота по неметаллическим включениям определяет качества стали. Оксиды, сульфиды и вредные примеси делают ее хрупкой и непластичной. Их содержание снижают очисткой или вводят дополнительные компоненты, чтобы добиться нужных физико-химических свойств.

Примеси бывают полезными и вредными. Разделение условное и означает то, что элементы улучшают химический состав стали или ухудшают его свойства. К полезным элементам относятся марганец и кремний. Сера, фосфор, кислород, азот, водород — вредные примеси в составе стали.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Эффект от различных элементов в сталях:

• Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
• Кремний улучшает прочность и способствует раскислению сплава, удаляя оксиды и сульфиды.
• Сера ухудшает пластичность и вязкость. Ее большое содержание проявляется красноломкостью: во время горячей обработки металл трескается в области красного или желтого каления.
• Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при механической обработке металл трескается или разламывается на куски.
• Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают вязкость и пластичность.
• Водород приводит к хрупкости металла.

Чтобы удалить вредные примеси и неметаллические включения, жидкую сталь рафинируют. Используют комбинированное рафинирование в печи и вне печи. К примеру, раскисление, десульфурацию, дегазацию и другое. За счет очистки структура металла становится однородной, а качество возрастает.

Почему сталь сравнивают с чугуном?

Металлы похожи составом и способом изготовления. Чугун и сталь — сплавы железа, отличающиеся по концетрации углерода. В чугуне его свыше 2,14 % от общей массы, а в стали — не больше 2,14 %. Кроме процентной доли углерода в сплаве, они различны по свойствам. Чугун жаростойкий, теплоемкий, легкий и устойчивый к коррозии. А сталь прочнее, тверже и легче поддается механической обработке.

Плюсы и минусы стали

Сталь классифицируется по химическому составу и физическим свойствам. Разным маркам металла характерны свои преимущества и недостатки.

По сравнению с другими сплавами сталь отличается:

• высокой прочностью;
• твердостью;
• устойчивостью к ударной, статической и динамической нагрузке;
• пригодностью к сварке, резке и гибке заготовок механическим или ручным способом;
• многолетней износостойкостью;
• доступной стоимостью.

К минусам стали относится нестойкость к коррозии, тяжелый вес и намагничивание. Чтобы изделия из стали не портились, изготавливают нержавеющие марки. Чтобы получить устойчивый к коррозии сплав, добавляют хром. Также в составе могут присутствовать никель, молибден, титан, сера, фосфор.

Способы производства

Используют три метода изготовления стали, у каждого из которых свои достоинства и недостатки.

Мартеновские печи

Применяемые печи выкладывают из хромо-магнезитового кирпича. В них плавят сырье, окисляют сплав и удаляют посторонние включения. Печи могут быть использованы для изготовления углеродистых и легированных сталей. Они нагреваются до температуры +2000оС, позволяют добавлять различные примеси.

Кислородно-конвертерный метод

Это способ, получивший звание универсального. Его используют в производстве ферромагнитных сплавов. Выплавляют сталь из жидкого чугуна и шихты. Задействуют конвертер, облицованный огнеупорными материалами. Чтобы ускорить процесс окисления, через него подают струю воздуха.

Электродуговой способ

Принцип производства заключается в выделении тепла при горении электрической дуги. Тепловой режим обеспечивает плавление сырья под температурой +6000оС. Благодаря нему получаются высококачественные сплавы. У этой группы больше остальных хорошо раскисленных сталей.

Как получают сталь?

Производство стали состоит из нескольких этапов. Нарушения технологии влияют на свойства металла.

Расплавление шихты железных руд и нагрев ванны жидкого металла

На первом этапе плавят сырье на низкой температуре. При постепенном повышении температуры окисляется железо, кремний, марганец, фосфор. Затем повышают содержание оксида кальция, чтобы удалить фосфор.

Кипение ванны металла

Повышение температуры и интенсивное окисление железа путем введения руды, окалины и кислорода. Введение добавок позволяет получить оксид железа. С ним будет взаимодействовать углерод. Образующиеся пузырьки оксида углерода приводят сплав в кипящее состояние. К пузырькам прилипают сторонние примеси, тем самым очищая состав стали. Также удаляют сульфид железа, чтобы избавиться от серы.

Раскисление стали

В этом процессе восстанавливают оксид железа, который был растворен в жидком металле. Когда плавят шихту, кислород окисляет примеси, но в готовой стали он не нужен. Кислород понижает механические свойства стали, поэтому его нужно восстановить и удалить. Раскисляют стали ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Попадая в сплав, раскислители образуют оксиды низкой плотности, а затем отходят в шлак.

Как классифицируют сталь?

Физико-механические свойства и химический состав определяют виды металла. Сталь делят по составу, методу получения, структуре и примесям. Углеродистые и легированные стали различают по содержанию углерода и легирующим элементам. Сплавы обычного и высокого качества делят по содержанию примесей. Инструментальные, конструкционные и специальные стали делят в зависимости от назначения.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь содержит углерод от 0,1 до 2,14 %. Количество углерода определяет группы стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,3 % углерода.
• Среднеуглеродистые — от 0,3 до 0,7 %.
• Высокоуглеродистые — более 0,7 до 2,14 %.

По процентному содержанию углерода определяют структуру сплава. Сталь с 0,8 % углерода сохраняет ферритно-перлитную структуру, с повышением меняет ее на перлит и цементит. Преобразования каждой фазы отражаются на прочностных характеристиках. Также углеродистые стали разделяют на группы А, Б, В, которые в свою очередь делятся на категории и марки.

Легированные

Сталь обогащают марганцем, хромом, никелем, молибденом и другими легирующими элементами. Количество примесей считают суммарно. В зависимости от их содержания различают:

• низколегированные — до 2,5 % примесей;
• среднелегированные — от 2,5 до 10 %;
• высоколегированные — более 10 %.

Марганцем повышают прочность и твердость материала, хромом — стойкость к ударам, жаропрочность и устойчивость к коррозии. Никель делает сталь упругим и стойким к высоким температурам.

Марки стали отличаются сложной структурой. Обязательно указывают их состав в порядке убывания. Начинают с доли углерода, а затем прописывают меньшие доли легирующих добавок.

Спокойные, полуспокойные и кипящие

Стали классифицируют по степени раскисления. Чем меньше в сплаве газов, тем равномернее его структура и чище состав. Спокойные стали содержат меньше закиси железа, а кипящие — большое количество оксидов. Пузырьки оксида углерода ухудшают прочностные и пластичные свойства металла. Спокойные стали стабильны, их используют в изделиях ответственного назначения. Полуспокойные марки — среднепрочные, их задействуют как конструкционный материал. Кипящие разрушаются, трескаются и плохо поддаются сварке, поэтому и стоят меньше. Они разрешены в простых конструкциях.

Строительные

Низколегированные сплавы обычного качества. Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, выдерживают статические и динамические нагрузки, пригодны к сварке.

Инструментальные

Высокоуглеродистые или высоколегированные сплавы. Их используют для изготовления штампов, режущего и измерительного инструмента. Разделяют соответственно на штамповые металлы, сплавы для режущего и измерительного инструмента. Названия группы зависит от назначения сталей. К примеру, штамповую сталь используют для изготовления инструментов, которыми будут обрабатывать металлы под давлением.

Конструкционные

Стали с низким содержанием марганца. Их делят на цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые и другие. Используют для изготовления узлов механизмов или конструкций.

Стали специального назначения

Эти сплавы относятся к конструкционным сталям. Они бывают жаропрочными, жаростойкими, кислотоупорными, криогенными, электротехническими, парамагнитными, немагнитными.

Сталь: получение стали, процесс и способы. Технология получения стали

Стальные изделия даже на фоне активного распространения высокопрочных пластиков сохраняют свои позиции на рынке. Углеродистые сплавы с разными характеристиками используются в приборо- и автомобилестроении, строительстве и на производствах. Уникальное сочетание упругости и прочности делает материал выгодным с точки зрения длительной эксплуатации. Соответственно, изделия служат дольше и дешевле обходятся в обслуживании. Но и это не все достоинства, которыми обладает сталь. Получение стали с применением современных технологий позволяет наделять структуру металла и дополнительными свойствами.

Общие сведения о технологиях производства

Главная задача технолога заключается в обеспечении процесса, при котором в заготовке уменьшается содержание углерода и всевозможных примесей, например серы и фосфора. Основой для заготовки выступает чугун. Стоит отметить, что печи для изготовления чугуна появились еще в средних веках, в то время как первое получение стали было реализовано только в 1885 г., и по сей день методы производства сплава развиваются и улучшаются. Различия в подходах к процессу преимущественно обусловлены способом окисления углерода.

В качестве исходного материала используется литейный чугун. Он может быть применен в твердом или расплавленном виде. Также могут применяться железосодержащие изделия, получение которых осуществлялось путем прямого восстановления. Практически все способы получения стали в том или ином виде также предусматривают процесс рафинирования от примесей. Например, конвертерная технология обеспечивает их выдувание кислородом.

Конвертерный метод

При таком способе в качестве основы может применяться расплавленный чугун, а также примеси и отходы в виде руды, металлического лома и флюса. Сжатый воздух подается через технологические отверстия на подготовленную основу, способствуя выполнению химических реакций. Также в процессе участвует тепловое воздействие, при котором происходит окисление кислорода и примесей. Особое значение имеют и характеристики печного сооружения, в котором обрабатывается сталь. Получение стали может происходить в агрегатах с разной футеровкой – наиболее распространены способы защиты конструкций огнеупорным кирпичом и доломитовой массой. По типу футеровки конвертерный метод подразделяется также на два других способа: томасовский и бессемеровский.

Томасовский способ

Особенностью данного метода является тщательная переработка чугуна, содержащего до 2 % фосфорных примесей. Что касается техники футеровки, то ее реализуют с применением оксидов кальция и магния. Благодаря этому решению шлакообразующие элементы наделяются избыточным количеством оксидов. Процесс фосфорного горения выступает одним из ключевых источников тепловой энергии в данном случае. К слову, сгорание 1 % фосфорного наполнения повышает температуру печи на 150 °C. Томасовские сплавы отличаются малым содержанием углерода и чаще всего применяются в качестве технического железа. В дальнейшем из него изготавливают проволоку, кровельное железо и т. п. Кроме того, получение стали (чугунов) может применяться для выработки фосфористого шлака с целью дальнейшего использования в качестве удобрения на почвах с повышенной кислотностью.

Бессемеровский способ

Этот способ предполагает переработку основ, в которых содержится небольшое количество серы и фосфора. Но при этом отмечается и высокое содержание кремния – порядка 2 %. В процессе продувания в первую очередь происходит окисление кремния, что способствует интенсивному выделению тепла. В итоге температура в печи повышается до 1600 °C. Окисление железа происходит также интенсивно по мере сгорания углерода и кремния. При бессемеровском способе процесс получения стали предусматривает полный переход фосфора в сталь. Все реакции в печи идут быстро – в среднем 15 мин. Связано это с тем, что кислород, выдуваемый через чугунную основу, вступает в реакции с соответствующими веществами по всему объему. Готовая же сталь может содержать высокую концентрацию монооксида железа в растворенном виде. Данная особенность относится к минусам процесса, так как общее качество металла понижается. По этой причине технологи рекомендуют перед разливкой раскисливать сплавы при помощи специальных компонентов в виде ферромарганца, ферросилиция или алюминия.

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях – для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и легированные стали.

Электротермический способ

На сегодняшний день электротермическое получение сталей считается наиболее эффективным. Так, по сравнению с мартеновскими печами и конвертером данная методика обеспечивает возможность более точного контроля качества стали – в том числе за счет регуляции химического состава. Отдельного внимания заслуживает и взаимодействие печных камер с воздушной средой. Электротермическая технология получения стали предусматривает минимальный доступ к воздуху, обуславливая уже другие преимущества. Например, это позволяет минимизировать скопления монооксида железа и посторонних частиц в сплаве, а также обеспечивать более эффективное выгорание фосфора и серы.

Высокий температурный режим на уровне 1650 °C дает возможность выполнять плавку проблемных шлаков, которые требуют термического воздействия на повышенных мощностях. Также в электропечах можно осуществлять легирование стали за счет тугоплавких металлов, среди которых вольфрам и молибден. Однако есть и серьезный недостаток у данного метода получения сталей. Используемые печи требуют больших объемов энергии, что делает этот процесс самым дорогим.

Зависимость свойств металла от элементной базы

Эксплуатационные качества стали определяются набором химических элементов, которыми был наделен сплав в ходе изготовления. Одним из ключевых компонентов, благодаря которым данный металл обретает свои основные свойства в виде твердости и прочности, является углерод. Чем он выше, тем надежнее сталь. Марганец с кремнием особого влияния на качества материала не оказывают, но их использование необходимо в изготовлении некоторых марок стали для выполнения процесса раскисления. Негативное же воздействие на формирование изделия оказывают сера и фосфор. В зависимости от того, по какой технике выполнялось получение, состав стали может иметь разные концентрации данных элементов. В любом случае сера повышает ломкость металла, а также уменьшает свойства прочности и пластичности. Фосфор, в свою очередь, наделяет сталь хладноломкостью, которая в процессе эксплуатации может быть выражена хрупкостью.

Техники обработки сталей

Далеко не всегда процесс окончательного формирования структуры металла завершается после основного получения. В дальнейшем, с целью совершенствования характеристик изделия, могут применяться средства дополнительной обработки. К таким можно отнести деформационные методы в виде ковки, штамповки и вальцевания. Это помогает уже на этапе производства сформировать комплекс необходимых технических свойств, которыми будет обладать готовая сталь. Получение стали на выходе дает пластичную структуру, поэтому и технологии первичной переработки достаточно разнообразны. Так, помимо деформирования, могут применяться методы закалки, отжига и нормализации.

Заключение

Сталь ассоциируется с надежностью и долговечностью. В случае с качественными изделиями этого вида такие характеристики оправданы. Например, отдельные марки обеспечивают довольно высокие качества прочности и упругости. В зависимости от того, по какой технологии выполнялось получение, применение стали может быть ориентировано на поддержание твердости, способность выдерживать динамические нагрузки и т. д. Наиболее выгодный с точки зрения технико-эксплуатационных свойств металл позволяет получать электротермический способ. Но в то же время он является и самым дорогостоящим, поэтому к данной методике прибегают только в особых случаях — для создания спецсталей.

Популярные способы литья стали

Литье стали — это процесс, в результате которого образуются сплавы с разным химическим составом. Разработаны технологии, где в качестве сырья используется шихта, бывшие в употреблении металлические изделия и чугун. Получаемые заготовки соответствуют параметрам ГОСТа.

В процессе литья получаются изделия разного качества. Зависит это от способа изготовления. Важно, чтобы вредные примеси, которые дают сплаву хрупкость, уходили в отход. Происходит это за счет их окисления, при взаимодействии железа с кислородом.

Литье стали

История и суть технологии

В древние времена сталь получали в шахтных печах сыродутным способом. Для этого использовался древесный уголь. Железо добывалось из руды. Одновременно в качестве сырья использовались мелкие кусочки чугуна. Плавка проводилась в тиглях. Качество получаемого материала было высоким, но малопроизводительным. Однако именно таким способом получали дамасскую сталь.

Позже чугун перерабатывался при помощи кричного передела. Шло его рафинирование в кричном горле.

В 18 веке начала внедряться технология пудлингования. Исходным материалом так же выступал чугун. Недостатком технологии являлась низкая производительность.

Мартеновский способ производства был разработан в 19 веке. Он оказался настолько удачным, что применялся в течение 100 лет. И только затем в 50 годах его сменил кислородно-конвертерный процесс.

Значение стали в мировой индустрии

Сталь — это материал, который имеет первостепенное значение. Редкая конструкция может обойтись без него. Если сопоставить выплавку стали со всеми цветными металлами, то в общем объеме ее выпуск составляет 90 %. Индустриализация формирует постоянный спрос на такой материал. Он востребован в любой отрасли промышленности.

Без болтов, гаек, шайб или гвоздей не обойдется ни одно производство. Сталь используется в масштабных проектах. В первую очередь, это мосты, где базовую основу составляет металлический каркас. Без нее не обходится и авиация. Большое количество материала идет на прокладку рельс. Даже если изделие сделано из пластмассы или другого неметаллического материала, оно может иметь стальной скелет.

Определенные марки стали используют для производства воздуховодов, необходимые для вентиляционных систем. В качестве исходного материала используется листовая сталь.

Характеристика стали

Основой любой марки стали является железо и углерод. Количество последнего изменяется в пределах 0,1–2,14 %. Чем его содержание выше, тем качественнее сталь. Если количество углерода превышает 0,6 %, сплав называется высокоуглеродистым. Когда процент углерода превышает величину 2,14, материал называют чугуном.

При расплавлении стали в нее добавляются легирующие добавки, что изменяет механические свойства сплава. К ним относятся:

• хром;
• вольфрам;
• кобальт;
• титан;
• ванадий.

Важным элементом в легированном сплаве является хром. При его содержании свыше 12 %, материал приобретает антикоррозионные характеристики. Он носит название нержавейка.

При производстве стали избавиться от всех примесей невозможно, часть из них остается. К ним относятся:

• марганец;
• сера;
• кремний;
• фосфор.

Они ухудшают качество сплава. Их процентное содержание должно быть меньше.

Важной характеристикой сплава является его температура плавления. Находится она в диапазоне 1350–1521 градусов. Углерод и легирующие добавки влияют на увеличение этой величины. Необходимо точно знать показатели температуры, поскольку нагрев следует вести на 100–150 градусов выше допустимой.

Марганец

Разновидность сталей

В зависимости от процентного содержания примесей, стали разделяются на такие виды:

• обыкновенного качества;
• качественные;
• повышенного качества;
• высококачественные.

Важной характеристикой является способность материала к свариванию. Зависит это от степени раскисления содержащихся примесей.

Классификация выглядит следующим образом:

1. Спокойные. Примеси полностью раскисляются.
2. Полуспокойные. Имеют схожие характеристики.
3. Кипящие. Плохая способность к раскислению неметаллических элементов.

Кроме того, сталь классифицируется и по сфере использования:

Сталь: виды, свойства, область применения

Сталь: виды, свойства, марки, производство

Эти сведения важны, скорее, для тех, кто решился приступить к строительству собственного жилья, и не знает какие металлоизделия подходят для этих целей. Итак, о том, что такое сталь, какие виды стали существуют, и какими свойствами обладает этот популярный на сегодняшнее время сплав, будет рассказано в строительном журнале samastroyka.ru .

Что такое сталь, и её отличие от чугуна

Железоуглеродистый сплав — это и есть всем известная сталь. Обычно доля углерода в сплаве варьируется от 0,1 до 2,14%. Увеличение концентрации углерода делает сталь хрупкой. Кроме основных компонентов в сплаве содержатся и небольшие количества магния, марганца и кремния, а так же вредных серных и фосфорных примесей.

По основным свойствам сталь и чугун очень схожи. Несмотря на это между ними существуют значительные различия:

• сталь более прочный и твёрдый материал, нежели чугун;
• чугун, несмотря на обманчивую массивность чугунных изделий, более лёгкий материал;
• поскольку в составе стали ничтожно малый процент углерода, её легче обрабатывать. Для чугуна более предпочтительна отливка;
• изделия из чугуна лучше сохраняют тепло, благодаря тому, что его теплопроводность значительно ниже чем у стали;
• закалка металла, повышающая прочность материала, невозможна в отношении чугуна.

Достоинства и несовершенства стальных сплавов

Поскольку марок стали огромное количество, а изделий из неё ещё больше, то говорить о плюсах и минусах стали бессмысленно. Тем более, что свойства металла во многом зависят от технологий изготовления и обработки.

Вследствие этого можно только выделить несколько общих преимущественных особенностей стали, таких как:

• прочность и твёрдость;
• вязкость и упругость, то есть способность не деформироваться и выдерживать ударные, статические и динамические нагрузки;
• доступность для разных способов обработки;
• долговечность и повышенная износоустойчивость в сравнении с другими металлами;
• доступность сырьевой базы, экономичность производственных технологий.

К сожалению, стали свойственны и некоторые минусы:

• неустойчивость к коррозии, в том числе высокий уровень электрохимической коррозии;
• сталь — тяжёлый металл;
• изготовление изделий из стали производится в несколько этапов, нарушение технологии на любом из них приводит к снижению качества.

Разновидности и классификации стальных сплавов

Сегодня сложно определить количество производимых и используемых стальных сплавов. Так же не просто их классифицировать, поскольку их свойства зависят от множества параметров, таких как состав, характер и количество добавок, способы изготовления и обработки, назначения и многих других.

По качеству принято различать обычные, качественные, высококачественные и особовысококачественные стали. Доля вредных примесей является основным критерием для определения качества сплава. Для обыкновенных сталей характерны более высокие значения доли примесей, чем для особовысококачественных сплавов.

Химический состав стали. В основу производства сплавов из железа положена его способность формировать различные структурные фазы при разных температурах, так называемый полиморфизм. Благодаря этой способности, растворённые в железе примеси, образуют сплавы различных составов. Принято делить стальные сплавы на углеродистые и легированные.

Сталь по определению является сплавом железа с углеродом, от концентрации которого зависят его свойства: твёрдость, прочность, пластичность, вязкость. В составе углеродистой стали практически не содержится дополнительных добавок.

Базовые примеси — марганец, магний, и кремний содержатся в минимальных количествах, и не ухудшают её свойств и качеств. Кремний и марганец оказывают на сплав раскисляющее действие, повышают упругость, износоустойчивость, жаростойкость. Но, в случае увеличения доли являются легирующими элементами. Стали с большим содержанием марганца теряют магнитные свойства.

Значительно более вредные для обоих видов сталей примеси серы и фосфора. Сера, соединяясь с железом, способствует повышению хрупкости при обработке высокими температурами (прокат, ковка), увеличению усталости, уменьшению устойчивости к коррозии.

Фосфор, особенно при большой доле углерода в сплаве, повышает его хрупкость в обычных температурных условиях. Кроме этого, существует целая группа скрытых, неудаляющихся во время плавки вредных примесей. Эти неметаллические включения в виде азота, водорода и кислорода при горячей обработке делают металл более рыхлым.

Виды углеродистой стали

Углеродистые стали делятся на виды, которые характеризуются долей содержания углерода:

• к высокоуглеродистым относятся сплавы с долей более 0,6 %;
• в среднеуглеродистых сплавах концентрация углерода находится в пределах от 0,25 до 0,6 %;
• допустимые значения, характерные для низкоуглеродистых сталей — не более 0,25 % .

Легированные стали подразделяются на:

— низколегированные, с долей легирующих добавок не более 2,5 %;

— среднелегированные, с долей дополнительных элементов до 10%;

— высоколегированные, в которых доля легирующих элементов составляет более 10%.

Легированные стали отличаются низкой концентрацией углерода и наличием различных легирующих добавок.

В соответствии с назначением стали делят на группы конструкционных, инструментальных и сталей особого назначения.

Каждая группа делится на подгруппы и виды, которые конкретизируют свойства, особенности и области применения сплавов.

К конструкционным сталям относятся:

1. Строительные, их основное свойство — хорошая свариваемость, это низколегированные сплавы обычного качества.
2. Для холодной штамповки используют прокат из низкоуглеродистых сплавов обычного качества.
3. Цементуемые, применяются в изготовлении деталей с поверхностным истиранием.
4. Высокопрочные характеризуются двойным порогом прочности относительно других конструктивных видов.
5. Рессорно-пружинные стали с добавлением ванадия, брома, кремния, хрома и марганца, рассчитаны на длительное сохранение упругости.
6. Шарикоподшипниковые стали с большой долей углерода и добавлением хрома, которым свойственны особая износоустойчивость, прочность и выносливость.
7. Автоматные, в их составе присутствуют примеси серы, свинца, теллура и селена, облегчающие обработку металла станками — автоматами, на которых осуществляется производство массовых деталей
8. Нержавеющие, к ним относятся сплавы с высоким содержанием хрома и никеля. Концентрация углерода в таких сплавах минимальна.

Виды инструментальной стали

Стали инструментального назначения имеют несколько разновидностей:

• Используемые в производстве режущих инструментов, к ним относятся некоторые виды углеродистой, легированной и быстрорежущей стали.
• Измерительные инструменты производятся из достаточно твёрдых сплавов, обладающих износоустойчивостью и способностью к сохранению постоянных размеров, чаще всего для этого используют закалённую и цементированную сталь.
• Для штамповой стали характерны твёрдость, термоустойчивость и прокаливаемость. Этот вид делится на подвиды, к которым относят валковые сплавы и стали для разнотемпературной обработки.

К сталям особого назначения относят марки сталей, которые применяются в конкретных производственных областях:

• электротехнические стали — из них производят магнитные провода;
• суперинвары — используют в производстве высокоточных приборов;
• жаростойкие — работают при температурах более 900 °C;
• жаропрочные — могут работать при высоких температурах в нагруженных состояниях.

Структура стали

Концентрация углерода в сплаве определяет не только свойства металла, но и его внутреннюю структуру. К примеру, мало- и среднеуглеродистые сплавы имеют структуру, состоящую из феррита и перлита. При увеличении доли углерода начинается формирование вторичного цементита. Легирование стали тоже меняет структуру сплава.

По структуре стали могут быть:

• перлитными — с низким содержанием легирующих добавок;
• мартенситными — стали, имеющие пониженную критическую скорость закалки и средний уровень содержания легирующих примесей;
• аустенитными — высоколегированные сплавы, применяемые в агрессивных средах.

Отожженные стали делятся на:

• доэвтектоидную сталь, с концентрацией углерода менее 0,8%;
• заэвтектоидную сталь, состоящую из перлита и цементита, применяют как инструментальную;
• карбидную (ледебуритную) — к ней относятся быстрорежущие стали;
• ферритную — высоколегированную сталь с низким содержанием углерода.

Способы изготовления стали и технологии

От технологии изготовления стали зависят структура этого сплава, его состав и свойства. Обычные стали производятся в мартеновских печах или конвертерах. Как правило, они насыщены значительным количеством неметаллических примесей.

Высококачественные сплавы производят с использованием электропечей. Особовысококачественные легированные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей, производятся в процессе электрошлаковой переплавки.

При производстве сталей используют процесс раскисления, направленный на выведение кислорода из структуры сплава. От количества удалённого кислорода зависит, какие получаются стали: малораскисленные, совершенно раскисленные или полураскисленные. Их классифицируют, как кипящие, спокойные и полуспокойные.

Марки стали

Несмотря на то, что сталь однозначно признаётся самым востребованным сплавом железа, единая система маркировки её видов по настоящее время не сложилась. Наиболее проста и популярна буквенно-численная маркировка.

Качественные углеродистые стали маркируют с использованием литеры «У» и двузначным числовым значением (в сотых %) уровня углерода в их составе (У11).В марке обычных углеродистых сталей за буквой следует число, указывающее на количество углерода в десятых % — У8.

Литеры используются и в маркировке легированных сталей. Они указывают на основной элемент, применяемый для легирования. Идущая следом цифра показывает концентрацию данного элемента в составе стали. Перед литерой ставят цифру, соответствующую доле углерода в металле в сотых %.

Например, стоящая в конце марки высококачественного сплава буква «А» указывает на его качество. Эта же литера в середине марки уведомляет об основном элементе легирования, в данном случае им является азот. Литера в начале марки сообщает о том, что это автоматная сталь.

Литера «Ш» в конце маркировки, прописанная через дефис, говорит о том, что это особовысококачественный сплав. Качественные стали, не имеют в маркировке литер «А» и «Ш». Кроме того, существует дополнительная маркировка, указывающая на особые характеристики сталей. Так, например, магнитные сплавы отмечают литерой «Е», а электротехнические — «Э».

Буквенно-числовая маркировка, пожалуй, одна из самых простых и понятных для потребителя. Другие, более сложные, доступны только для специалистов.

Как правильно самому закалить металл и сталь в домашних условиях: нагрев и отпуск железа в масле своими руками

Процесс термической металлообработки кажется сложным. Но его можно провести даже дома, правда – с дополнительной подготовкой. Перед началом лучше почитать нашу статью о том, как правильно самому закалить деталь или сверло или вал в домашних условиях в масле.

Введение

Есть характеристика стали – наследственная и приобретенная зернистость. Размер зерна может быть меньше и больше, а также он меняется под воздействием высоких температур. Насколько быстро – зависит от количества примесей. Нельзя однозначно сказать, какая кристаллическая решетка, какие соединения лучше. В одних случаях от этого зависит прочность, в других пластичность. Этот показатель необходимо менять в зависимости от того, какая обработка предстоит. Если листовую сталь или профиль планируют подвергнуть резке, то следует провести процедуру, приводящую к укрупнению зерна. А если работа предстоит с высокоуглеродистой сталью, то лучше обрабатываются заготовки с мелкозернистой структурой.

Изменить зернистость достаточно трудно. При этом нужно учитывать наследственную склонность. Это не значит, что сплав в любом случае будет иметь крупные зерна, но при одинаковом нагреве двух брусков с различной наследственностью один быстрее другого произведет рост соединений. Поэтому фактор очень важен при подборе нагрева. Так не каждый как правильно закалять металл в домашних условиях можно только выборочно, следует знать химический состав.

Сплав имеет множество примесей. Среди них:

• Феррит. Это основополагающий элемент, которого больше всего. Он несет основные свойства, остальные вещества только увеличивают или уменьшают их.
• Перлит. Увеличивает твердость и прочность на растяжение и сжатие.
• Цементит. Химическая формулы – железо с углеродом. И хоть элемент «С» увеличивает прочностные характеристики, если применять FeC чистым, то можно удивиться его хрупкости.
• Графит. Высокоуглеродистые дамасские стали получаются при насыщении этой примесью в момент обработки методом ковки.
• Аустенит. Формируется в момент очень высокого нагрева. При этом увеличивается пластичность, а также исчезают магнитные свойства.

Если углерода в составе от 0% до 2,18%, то мы имеет дело со сталью – низкоуглеродистой (до 0,8%) или углеродистой. А если его больше, чем 2,18%, то перед нами прочный чугун. Делаем вывод: характеристики зависят от двух причин:

• количество примесей;
• степень термальной обработки.

И если первое вы не сможете изменить самостоятельно, то второе – наверняка.

Технологические нюансы: как правильно закаливать металл

Сама процедура включает в себя три шага – нагрев, выдержку и остывание. Оттого, какой результат вы хотите получить и на каком материале работаете, выбирают различные параметры: предел, продолжительность, а также способы охлаждения. Приведем таблицу с несколькими марками стали:

Есть две основные цели термообработки:

• повышение прочности – это необходимо для ножей, топоров, сверл и других инструментов, которыми обрабатывают твердые поверхности;
• увеличение пластичности изделия. Например перед тем, как ковать или гнуть – применяется скорее не в быту, а при небольшом частном деле.

При проведении технологии нагрева следует следить за цветом заготовки. Он должен быть насыщенно-красным с оранжевым или желтоватым отливом в зависимости от типа. На поверхности не должно образовываться черных или иного цвета пятен.

При проведении технологии нагрева следует следить за цветом заготовки. Он должен быть насыщенно-красным с оранжевым или желтоватым отливом в зависимости от типа. На поверхности не должно образовываться черных или иного цвета пятен.

Как правильно закаливать металл и железо, если нет специальной печи для обжига? Применять паяльную лампу или развести обычный костер – его температура и продолжительность горения достаточно велики для того, чтобы выполнить работу, не превышающую бытовых нужд.

Охлаждение можно проводить различными способами. Если срочно нужно сбить нагрев на одном участке изделия, то можно воспользоваться направленной струей холодной воды. Водное, а значит быстрое, остывание необходимо для легированных и углеродистых сталей. После нагрева следует взять элемент щипцами (если это небольшой нож, топор) и поместить в заранее подготовленную емкость с жидкостью. При отпуске следует охлаждать постепенно – сперва водой, а затем маслом.

И третий вариант – постепенное остывание на свежем воздухе. Тоже эффективный способ, когда нужно оставить небольшой эффект пластичности. Посмотрим видео по этой теме:

Термообработка: как лучше закалить железо в домашних условиях

Это процесс нагрева с дальнейшим охлаждением для изменения свойств. Помещаем в печь обычный сплав, а достаем – закаленный, который менее восприимчив к внешним деформациям. Для чего это нужно? При первичной обработке, например при штамповке, резке или литье, внутри сплава появляются внутренние напряжения, которые очень негативно воздействуют на прочностные характеристики и увеличивают хрупкость. Есть четыре типа термообработки:

• Отжиг. Необходим для образования феррита и перлита. Заключается в нагреве в печи до 680-740 градусов, когда уже пройдет порог рекристаллизации. В результате распадаются старые молекулярные связи и образуются новые. Затем следует некоторая выдержка при температурном режиме 400-500, в конце – остывание, медленное, вместе с нагревательным элементом и просто открытыми дверьми.
• Нормализация – аналогичная процедуре для снятия внутреннего напряжения, но нагрев – выше, а охлаждение гораздо быстрее.
• Закалка. Основной происходящий процесс – изменение зернистости, что приводит к нужным результатам. Остывание очень быстрое, часто в воде или масле.
• Отпуск. Бывает в нескольких режимах. О нем поговорим отдельно.

Проверка твердости после закаливания металла в домашних условиях

Привычное для всех в обиходе слово является точным термином и применяется преимущественно к цельным изделиям. Для проверки в поверхность вдавливается шарик или конус из инструментальной стали, а дальше по формулам производится расчет в зависимости от того, насколько глубокий след остался и какая сила была приложена. Есть еще один вариант – прибор Роквелла, но его использование дома или в квартире практически невозможно.

Единица измерения твердости – HRC. Для сравнения значений:

• нож кухонный, крепкий, дорогой — от 55 до 63;
• мелкие шестеренки в машинух — от 52 до 58;
• наконечники, инструменты для дрели, сверла — от 60 и выше.

Закалка и отпуск металла в домашних условиях своими руками в масле

Для закалки углеродистых и легированных сталей, лучше всего использовать масляную жидкость. Причины следующие:

• на поверхности заготовки не находится пузырьки;
• поток стимулирует более активную теплоотдачу;
• чтобы не менять тару, чтобы получить две ступени остывания.

Есть специальный аппарат – пирометр – он напоминает градусник, но измерения проводят без непосредственного контакта. Он дорогостоящий, поэтому для домашней работы покупать его не стоит. Посмотрим таблицу цветов, как по ней определять температуру:

Отпуск

Обработка требуется для того, чтобы убрать напряжения, образованные при первичной обработке. Различают три степени:

• низкая — для ножей, медицинских инструментов, ножниц, лезвий;
• средняя — для топоров, пил, дисков для распиловки дерева;
• высокая — для деталей, необходимых в машиностроении.

Для определения побежалости также есть таблица цветов:

Выбор режима следует осуществлять согласно данным:

Как закалять сталь в домашних условиях: особенности процесса

Рекомендации для правильной закалки:

• нагрев — медленный и постепенный;
• образование темных пятен на поверхности говорит о быстром перегреве;
• дождитесь насыщенного алого цвета;
• режим отпуска должен соответствовать степени закала.

Последний совет можно выполнить, если ознакомиться с таблицей:

Изготовление камеры для закаливания

Название такой конструкции – муфельная печь. Она делается из огнеупорной глины, которую нужно заливать в любую форму, например, подготовленную из картона. Слой должен быть – 0,8-1 см. Нагревательный элемент – нихромовая спираль из проволоки. Посмотрим видео с подробной инструкцией:

Оборудование и особенности закалки

Дома могут быть использованы:

• электрическая или муфельная печь;
• паяльник;
• большой костер на улице.

Выбор нужно осуществлять согласно размерам детали и типу сплава, максимальной температуре нагрева.

Повышение твердости на открытом огне

Если вы не хотите делать горн с поддувом, можно использовать обычный мангал или камин, посмотрим, как это делают на видео:

В статье мы рассказали, как сделать закаленную сталь. Так как процедура сопряжена с риском, просим соблюдать технику безопасности.