Сталь,  технический  более или  менее  ковкий сплав  железа  с  различными  элементами, содержащий не менее 50% железа. Наиболее характерной  и наиболее выгодной  особенностью сплавов, объединяемых понятием сталь, является возможность изменения их структурных, механических и физических характеристик в чрезвычайно широких пределах путём изменения химического состава и применения термической обработки.

Главной и непременной составной частью стали является углерод, входящий в неё в количестве от сотых долей процента до 2%. По современной терминологии вязкое техническое железо, получаемое из жидкого состояния, называется сталью, термин «железо» сохраняется как название некоторых марок малоуглеродистой стали, например, «котельное железо».

Состав стали

Кроме углерода, обычными спутниками железа в стали являются: марганец—до 1,0%, кремний—до 0,5 %, фосфор и сера—до 0,1% каждый. Для изменения различных механических, физических и химических свойств в желаемом направлении в нёе вводятся специальные, т. н. легирующие, элементы: марганец (1,0—15%), кремний (0,5—15%), никель (до 45%), хром (до 30%), вольфрам (до 20%), кобальт (до 35%),  молибден  (до  10%),  ванадий (до 3%), алюминий (до 15%), медь (до 2%), а также—в значительно меньших количествах (десятых долях процента)— титан, цирконий, бериллий, бор, уран, ниобий, тантал и др.

 Наиболее часто применяются сорта, содержащие,  кроме  углерода  и  обычных спутников его, два—три специальных легирующих элемента одновременно. В соответствии с существующими методами производства подразделяются на следующие виды:

  1. Основная мартеновская.
  2. Кислая мартеновская.
  3. Бессемеровская.
  4. Томасовская.
  5. Основная электросталь.
  6. Кислая электросталь и тигельная.

Наилучшей по качеству является тигельная. Однако производство этой стали в наст, время почти прекращено вследствие  дороговизны и трудности получения этим способом крупных слитков. Далее по качеству получаемой стали следуют основные и кислые процессы в электропечах и кислый мартеновский процесс. Этими процессами производится сталь для изделий  наиболее  ответственного  назначения. Наибольшее  количество стали изготовляется по основному мартеновскому процессу, который даёт возможность быстро и дёшево производит, сталь, удовлетворяющую большинству запросов.

При тщательном ведении основного мартеновского  процесса  удаётся  готовить весьма ответственные марки, почти не уступающие свойствам электростали и кислой мартеновской. Бессемеровская и томасовская сталь уступают по качеству мартеновской и идут на производство рядового проката, не подвергаемого термической обработке  (рельсы, балки и пр.). Таким образом, литую сталь получают следующими способами:

  • Конвертерные процессы (бессемеровский и томасовский);
  • Мартеновский  процесс—основной и кислый;
  • Электроплавка в дуговых печах, индукционных и высокой частоты;
  • Тигельный  процесс.

Бессемеровская

Эта сталь обычно содержит повышенное количество фосфора, менее плотна, чем мартеновская, в ней много газовых и шлаковых включений. Она весьма неоднородна, в результате чего она твёрже и более хрупка, чем мартеновская, и уступает ей по качеству. И поэтому  бессемеровская  сталь  по  сравнению с мартеновской имеет ограниченное применение. В последнее время выработаны новые методы контроля процесса  и дефосфорации в ковше. Это позволит расширить сырьевую базу для бессемеровского передела и увеличить применение бессемеровской стали.

Томасовская

Эта сталь имеет те же недостатки, что и бессемеровская, т. е. повышенное содержание газов и включений, в результате чего она также уступает мартеновской. Преимущество  конвертерных  процессов (кислого  и основного)— более низкая себестоимость и быстрота процесса.

Основной мартеновский

Этим процессом  производится  отливка  наибольшего количества стали. По качеству основная мартеновская превосходит конвертерную, но  уступает  электростали,  тигельной и кислой мартеновской, что объясняется менее благоприятными условиями раскисления металла и очищения его от серы и фосфора по сравнению с электросталью. В последнее время  применяют  т. н.  диффузионное раскисление основной стали, что улучшает её качество и приближает к кислой мартеновской.

Кислая мартеновская

Эта сталь, по сравнению с основной, лучше  раскислена, более плотна, однородна и имеет меньше газов и шлаковых включений. При испытаниях на разрыв она даёт лучшие результаты, чем основная сталь, в отношении поперечных и продольных проб. Это преимущество  обусловливает её применение при отливке  орудий большого калибра, коленчатых валов и других особо ответственных изделий. По качеству кислая  мартеновская лучше  основной и уступает только электростали и тигельной. Недостаток кислого мартеновского процесса заключается в том, что он требует применения особо  чистых  материалов  (P<0,03%,S< <0,03%), а запасы руд для выплавки такого чугуна весьма ограничены. Кислая сталь дороже основной.

Тигельный процесс

Это один из самых старых  способов  производства  литой стали, изобретённый в 1740. Плавка ведётся в закрытых тиглях небольшого объёма, вмещающих 30—50  кг. Применяют  особо  чистые материалы. Металл в тигле не подвергается влиянию атмосферы (не окисляется). Тигли изготовляются из кислых материалов,  что создаёт благоприятные условия для раскисления металла, выделения газов и шлаковых включений, и тем самым обусловливается высокое качество тигельной стали. В тигельной плавке происходит самопроизвольное раскисление металла в тигле при восстановлении Si из тигля. При продолжительной выдержке металла в тигле происходит выделение газов и шлаковых включений.

В результате тигельный металл приобретает высокие качества: плотность, чистоту, хорошую раскисленность и содержит минимальное количество шлаковых включений и газов. В тигельной стали не встречаются флокены (т. е. нарушения внутренней сплошности металла). По качеству тигельный металл может быть поставлен на первое  место. С ним  конкурирует  только электросталь из печей высокой частоты. Тигельный способ применяют для выплавки самой ответственной  высоколегированной стали, напр., быстрорежущей. Недостатки тигельного процесса — необходимости применения чистых материалов,  малая  производительность и высокая стоимость металла.

Электросталь   

Преимущество электростали состоит в более высокой  температуре плавки,  что даёт  возможность, более полно очищать металл от серы и фосфора. В электроплавке,  при основном белом или карбидном шлаке,  происходит самопроизвольное  раскисление  металла  шлаком.  При  электроплавке  достигается лучшее очищение металла от шлаковых включений. Атмосфера дуговой электропечи нейтральна,  в  отличие  от  окислительной атмосферы мартеновской  печи.  Выплавленная в электропечах сталь отличается высоким качеством, но сталь эта очень дорога и может быть использована для самых ответственных деталей механизмов.

Строение и свойства стали

Большая часть (свыше 90%) производимой стали отливается в слитки и идёт на производство изделий методом горячей механической обработки, и лишь меньшая часть идёт на так называемое фасонное литьё. При горячей механической обработке  значительно повышаются все механические свойства, что даёт преимущество  механически  обрабатываемым  изделиям  перед  литыми.

Свойства  

Свойства стали зависят от её химического состава и строения, т. е. расположения атомов в кристаллических решётках, микроструктуры, или строения из отдельных структурных элементов. Сталь, как и все металлы, является телом  кристаллическим. При остывании её в изложницах или формах  возникает  большое  число  центров кристаллизации, которые при своём росте сталкиваются и дают структуру, состоящую из большого числа кристаллов с неправильной внешней формой, называемых кристаллитами. Весь затвердевший объём принимает форму сосуда.  Кристаллическая природа стали,  как и всех других металлов, подтверждается рентгеновским анализом, который показывает правильное расположение атомов в кристаллитах.

Микроструктура стали изучается  с  помощью микроскопа, рассматривается  шлифованная поверхность  кубика  из  испытываемой стали после травления его химическими реагентами. При изучении макроструктуры обращают внимание на неоднородность строения различных зон изделия или слитка, или т. н. зональную ликвацию, на величину слагающих дендритов, характер их взаимного  расположения, наличие дефектов строения и степень ликвации в пределах одного дендрита.

Механические свойства

Механические свойства стали могут колебаться  в чрезвычайно  широких пределах  и  характеризуются  следующими данными:

  • Удельный  вес стали находится  в пределах 7,0 -9,0.
  • Теплоёмкость при нормальной  температуре колеблется от 0,10 до 0,13 кал.
  • Теплопроводность  для  мягкой  стали равна 0,2 кал/град., а для сталей с 35% примесей—0,02 кал/град. Очень  низка теплопроводность у нержавеющих сталей.

Кислотоупорная сталь  растворяется в кислотах и ржавеет на воздухе в 100 и более раз медленнее, чем обычная сталь.  Жароупорная сталь окисляется при высокой температуре в 10—40 раз медленнее мягкой не легированной стали.

Все перечисленные колебания механические, физические и химические свойств достигаются путём рационального изменения химического состава и соответствующей термической обработки. Изменение одних свойств в желательном направлении приводит к изменению почти всех прочих свойств, из которых некоторые могут изменяться в нежелательном направлении. В частности, введение всех легирующих элементов затрудняет технологию производства и обработки. Правильное решение задач по достижению необходимых свойств часто представляет значительные  трудности.

Химический состав

По химическому составу  различают следующие сорта стали:

  • Углеродистые представляющие собой сплав Fe + C,  Mn + S и Р.
  • Специальные тройные, которые, кроме Fe и С, содержат один специальный элемент, напр., Cr, W, Ni, Mo, V или Mn и S в количествах, превышающих их обычное содержание в углеродистой стали, например, кремнистая рессорная с 2% Si или марганцовистая, с 12—14% Мн.
  • Специальные четверные, содержащие Р кроме Fe и С, ещё не менее двух специальных элементов.

Углеродистые стали

Углеродистые стали подразделяются:

  1. Поделочную (0,00—0,15% С), которая обычно применяется для промышленных целей как строительный  материал без термической  обработки,  например:  сортовое железо,  балки,  заклёпочное  железо, листовое и пр.;
  2. Конструкционную, идущую на всевозможные машинные части. Её можно подразделить  на 3 группы:  мягкая поделочная (0,2—0,3% С); нормальная  поделочная (0,3—0,4%  С); твёрдая  поделочная  с  содержанием  С (больше 0,4%);
  3. Углеродистую  инструментальную,  применяемую  для  изготовления всевозможных инструментов. Она может быть подразделена на 3 группы: а) полутвёрдая (0,6—0,8%  С); б) твёрдая (0,8—1,1% С);
  4. Особо твёрдая (1,2— 1,5% С).

Специальные тройные

Из специальных тройных сталей особенно часто применяют следующие:

*
  • Поделочные (никелевая  содержит 0,08—0,15% С, 1,5—6,5%  Ni, большею частью 2,0—3,5% Ni);
*
  • Хромистые (0,08—0,55%  С,  0,5—3,0%  Cr. Большею частью 0,8—1,2% Cr);
*
  • Нержавеющая (0,1—0,4%С и 12—17%  Cr;
*
  • Кремнистая для рессор (0,45—0,65%  С, 1,2—2,0% Si);
*
  • Конструкционная (0,15% С и 1,0% Si);
*
  • Марганцовистая поделочная (0,2—0,4%  С, 1,0—1,75%  Мп);
*
  • Ванадиевые (0,08—0,55%  С, 0/1—0,3 % V).

Четверные специальные поделочные стали:

  1. Хромоникелевая (содержит 0,08—0,5% С, 0,5—2,0% Cr, 1,5—4,5% Ni).
  2. Хромомолибденовая (содержит  0,08—0,55% С, 0,8—1,2% Cr, 0,3—1,0% Mo).
  3. Хромованадиевая (0,08—0,55% С, 0,5—1,5% Cr, 0,1—0,3% V).

Применение:

  1. Инструментальные (0,5—0,6% С, 0,8—1,0% Cr, 1,8—2,2% Ni) применяются для ударных инструментов.
  2. Быстрорежущая, устойчивая при  самонагреве резцов  до 600° С, содержит  0,6—0,7% С, 3.5—5,0% Cr, 12—20% W.
  3. Стали с особыми физическими свойствами, устойчивые при высоких температуpax, применяемые для клапанов двигателей внутреннего сгорания, имеют различный состав, напр.: 0,25—0,35% С, 4,5—5,5% Ni, 0,8—1,1% Cr, 0,25% V или более  стойкая, содержащая 0,3—0,4% С, 2,4—2,7% Si. 24—26% Ni.

Классификация по микроструктуре

Механические свойства стали зависят от её структуры, а структура, в свою очередь, зависит от состава и термической обработки, поэтому применяется классификация по структуре в нормализованном состоянии. Обычно различают следующие 4 класса стали:

  • Перлитовый.
  • Мартенситовый.
  • Аустенитовый.
  • Карбидный.

 Наибольшее применение имеют перлитовые стали.

Классификация стали по качеству

Особое значение на практике имеет классификация по качеству и её техническим свойствам в связи с её применением. Так как качество зависит не только от состава и термообработки, но и от способа производства, то эта классификация учитывает, и процесс изготовления стали. Эта классификация делит сталь на 5 следующих групп.

Особовысококачественная сталь «ОВК»

В эту группу входят стали особо сложного  состава  (высоколегированные), обладающие  специальными  физико-химическими  свойствами.  Они  выплавляются  в тигельных и электрических печах. К этой группе относятся следующие сорта:

  • Идущие на изготовление магнитов, для клапанов.
  • Нержавеющие сорта, устойчивые против химического воздействия, кислото- и щелочностойкие.
  • Быстрорежущая и трансформаторная сталь высококачественная сложного состава («ВК»)

Эти сорта выплавляют в тигельных и электрических печах. Иногда применяют дуплекс-процесс — основная кислая мартеновская печь. В последнее время начали изготовлять эти стали в основных мартеновских  печах,  применяя  диффузионное раскисление. К этой группе относят наиболее ответственные  сорта  конструкционной стали: орудийная, броневая, специально  для авиационных моторов и некоторых деталей автомобилей (валов, шестерён и пр.), тракторов, дизелей, турбинных дисков,  а также шарикоподшипниковая, специальная, инструментальная  и особо  чистая углеродистая.

Сталь качественная «К»

К таким сталям относят некоторые наиболее часто применяемые специальные сорта сталей, с наибольшим количеством легирующих примесей и углеродистые стали, особо чистые и однородные. Главнейший способ изготовления мартен + электроплавка. Плавку в мартеновских печах ведут с особой тщательностью. К этим видам относятся следующие сорта: углеродистая  артиллерийская, оружейная, снарядная  низколегированная  и  углеродистая сталь  для  среднеответственных  частей автомобилей,  тракторов.

Сталь повышенного качества («ПК»)

Такие стали отливается из основных мартеновских печей и иногда из кислых и основных конвертеров и выпускается в соответствии с техническими  условиями. К этой  группе  относят металл  для  транспорта—железнодорожные оси, бандажи, углеродистые рессоры, рельсы, котельное железо, строительные сорта — судостроительную.

Торговая сталь «Т»

Такая сталь выпускается без технических условий и испытаний и идет для широкого потребления. Эта сталь выплавляется в основных мартеновских печах, бессемеровских и томасовских конверторах. К этой группе принадлежат стали, применяемые для строительных целей, а также некоторых ответственных деталей сельскохозяйственных машин, неответственного фасонного литья и пр. На основные виды разработаны стандарты (ГОСТы), точно регламентирующие классификацию и технические условия данного вида сталей. За границей в каждой  стране  разработаны  особые  стандарты стали.

Контроль качества

Выпускаемая  заводами сталь подвергается испытаниям для контроля её качества. Главнейшими  испытаниями  являются:

  • Проверка химического состава.
  • Исследование однородности, чистоты и структуры.

Для этого применяются следующие методы:

  • Травление на ликвацию по Бауману и Гойну.
  • Глубокое травление  на выявление  структуры.
  • Контроль микроструктуры  и неметаллических включений.
  • Контроль изломов стали, производимый невооружённым глазом или через лупу.
  • Контроль ликвации химическим анализом.
  • Проверка механических свойств.
  • Испытание  технологическими пробами (на сварку, ковку, закалку и пр.). Инструментальная сталь испытывается на устойчивость при резании.
  • Наружный осмотр для обнаружения поверхностных пороков.

В качестве механических испытаний применяются:

  • Испытания  твёрдости  по  Бринелю.
  • Испытания на разрыв с определенном  сопротивления  разрыву,  удлинения определение предела упругости и текучести.
  • Испытание на ударную вязкость (по Шарпи).
  • Испытания  на усталость и др.

Проволока испытывается на изгиб и скручивание. В особых случаях применяются  специальные испытания, напр., на истирание.