Сталь

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Сталь - важнейший продукт черной металлургии (см. Металлургия), без которого практически не могла бы работать ни одна отрасль промышленности. Уровень производства стали может служить характеристикой общего технико-экономического уровня развития государства.

К стали как важнейшему материалу современной техники предъявляются разнообразные требования. Поэтому существует большое число марок сталей, различающихся по химическому составу, структуре и свойствам.

Разливка стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит некоторое количество марганца (0,1-1,0%), кремния (до 0,4%), а также вредных примесей - серы и фосфора. Для придания стали каких-либо особых свойств - механических, электрических, магнитных, коррзионной стойкости и т. д.-в нее вводят так называемые легирующие элементы, как правило, металлы: хром, никель, молибден, алюминий и др. Такие стали называют легированными.

Свойства сталей можно также изменять, применяя различные виды обработок: термическую (закалка, отжиг), химико-термическую (цементация, азотирование), термомеханическую (прокатка, ковка). При обработке стали для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее сталям так же, как и их основе - железу. Полиморфизм - способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении. Взаимодействие углерода с двумя модификациями (видоизменениями) железа - аα и уγ - приводит к образованию твердых растворов. Избыточный углерод, не растворяющийся в аα-железе, образует с ним химическое соединение-цементит Fe₃C. При закалке стали образуется метастабильная фаза (см. Фазы) - мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в аα-железе. Сталь при этом теряет пластичность и приобретает высокую твердость. Сочетая закалку с последующим нагревом (отпуском), можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов. Инструментальные стали служат для изготовления резцов, штампов и других режущих, ударно-штамповых и измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относятся электротехнические, нержавеющие, кислото-стойкие и др.

В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д.

При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащие оксиды железа, которые служат источником кислорода. Выплавку следует вести при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов. При этом железо, содержащееся в чугуне, частично окисляется:

Образующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет, кремний, марганец, фосфор и углерод, входящие в состав чугуна:

Чтобы довести до конца окислительные реакции в расплаве, добавляют так называемые раскислители - ферромарганец, ферросилиций, алюминий.