Сталь

Слово "сталь" происходит от немецкого языка - Stahl. Таким образом, сталь - это металл, сплав железа и углерода, дополненный другими минеральными составляющими. Она имеет серебристый оттенок, характеризуется высокой ковкостью и имеет устойчивость к коррозии, поэтому применяется во многих отраслях промышленности. Обычно содержание углерода не достигает 1,45% и может снижать пластичность и вязкость стали. При повышении температуры линейное расширение стали может достигать 10-18 градусов Цельсия, а при воздействии высоких температур (900-1000 градусов) ТКЛР может достигать 24,610-6 град. Легирование используется для улучшения прочности и ударопрочности стали, а также устойчивости к высоким температурам. В результате производителям доступно множество типов стали, которые можно использовать в различных сферах и для разнообразных нужд.

Использование стали занимает ведущее место в черной металлургии, благодаря практически бесконечному циклу её использования. Она очень прочная и надежная, поэтому даже марки, изготовленные в мартеновской плавильной печи до сих пор применяются в различных отраслях, почти без изменений. Это приносит много преимуществ с экологической точки зрения, так как материал может быть переработан без порчи окружающей среды.

История

История стали начинается еще в 3800 до н.э. В древности она значительно уступала по своим качеству той, которая используется в настоящее время. В 19 веке производство стали получило большое развитие благодаря Пьеру Мартену, который создал первые печи. Однако первым разработчиком стали был Бессемер, а затем Томас создал томасовский процесс, позволяющий добавлять фосфор в чугун.

Производство стали

Практически все индустриальные и промышленные страны производят сталь. Но Китай выступает лидером мирового рынка, поставляя примерно половину всех стальных изделий. Основная стратегия Китая заключается в производстве бюджетных стальных материалов. Россия также является влиятельным игроком на мировом рынке стали, замыкая 15 наиболее значимых компаний. Существует три основных метода получения стали: термический, термомеханический и термохимический. Они включают в себя такие процессы, как отжиг, закалка наклеп, нормализация, холоднокатание и выдержку в химических средах.

Для получения износостойкого верхнего слоя применяют такие процессы покрытия, как цементация, азотирование, нитроцементация и цианирование. Цементация позволяет насыщать поверхность сплава углеродом, а азотирование - азотом. Нитроцементация и цианирование используется для насыщения стали углеродом и азотом. В результате получаем износостойкий верхний слой, который обеспечивает прочность к коррозии и более высокую стойкость и скорость процесса.

Виды стали на основе металлургических баз

В России имеются 3 крупные металлургические базы, предоставляющие услуги по доставке, обработке и транспортировке готовых изделий сталепроката. Это - Уральская, Центральная и Сибирская металлургические базы. Здесь происходит сбор и обработка металлов по государственным стандартам, что позволяет получать высококачественные изделия.

Виды стали по месту добычи

Россия крупными шагами движется вперёд, потому что она богата железной рудой. Распределение запасов неравномерное: в Центральной России основные коллекции сосредоточены в Курской аномалии возле месторождений Железногорск и Курска, а на Урале и в Восточной Сибири также большие запасы железной руды. Ключевыми объектами добычи являются бассейны Кузбасса и Печорского.

Отличие руды в разных месторождениях в следствии различных дополнительных элементов, входящих в состав железа. За счет легирования или очистки можно устранить отдельные особенности стали. В зависимости от способа обработки сырья и легирующих элементов, можно менять появляющиеся на свет стальные изделия внешне, размеры, свойства и прочность.

Химический состав

Классификация сталей по химическому составу является наиболее популярной. Так, стали могут быть разделены на две составные части: легированные и углеродистые. В первую группу входят сплавы с сложной, многокомпонентной структурой, созданные для определенных задач, которым придают желаемые свойства путем легирования различными примесями. Такие примеси могут быть как металлические (например, кремний, сера, хром, марганец и др.), так и неметаллические. Обычно, доля компонентов рассчитывается по требованиям заказчика, например, для увеличения твердости или прокаливаемости.

Если в металлическом продукте преобладают углерод и железо, то такой металл называют углеродистым. Концентрация углерода в составе такого металла имеет ограничения: если содержание углерода ниже 0,3%, то такой металл считается низкоуглеродным; если содержание углерода больше 0,6%, то металл относится к высокоуглеродным; при содержании углерода между 0,3% и 0,6% такой металл является среднеуглеродным.

Качество стали

Чтобы поддерживать высокое качество изделий, производственный процесс должен быть отличным, а используемые материалы - качественными. Необходимо уделять особое внимание условиям изготовления стали. При этом концентрация газов и количество серы и фосфора должны быть минимальными, что будет гарантировать высокое качество изделий. Таким образом, при отсутствии вредных примесей и задерживании требований по изготовлению металла, стальные изделия будут иметь высокое качество.

Назначение стали

Существует три категории стали, предназначенные для различных промышленных и машиностроительных применений. Это конструкционные сплавы, которые могут быть легированными или углеродистыми. Основными требованиями для них являются соответствие определенному физико-химическому составу и предназначению. В этой группе можно выделить штампуемые, литейные и сварные сплавы, большинство из которых относятся к высокопрочной категории. Также существует особый вид стали для автоматизированного производства деталей - автоматная сталь. Она отличается повышенным содержанием серы, фосфора, свинца, селена и кальция. Она помечается буквой «А» в маркировке стали перед указанием количества углерода.

Невозможно не упомянуть о конструкционных сталях, которые имеются в наличии в зависимости от химического состава. Это может быть коррозионно- и кислотоустойчивые, а также устойчивые к появлению окалин. По уровню стойкости существуют металлы со стандартными характеристиками, а также и подвергающиеся повышенным нагрузкам во время эксплуатации. Они могут содержать от нескольких сотых, до десятых разных неметаллических включений, которые определяют свойства и характеристики стали.

Для достижения необходимого уровня прочности и долгой срок службы, в основной металл добавляют легирующие примеси в пропорции 10:1. Такая большая доля добавок позволяет наладить процесс производства материалов с желаемыми свойствами, такими как устойчивость к коррозии. В зависимости от особенностей соединения, добавляют от 13 до 17% хрома, а также до 2% кремния. Для достижения более высоких показателей прочности и долговечности используют дорогостоящие высоколегированные стали, содержащие редкие металлы, такие как никель.

Структура стали

Классификация сталей по концентрации углерода и легирующих компонентов позволяет определить их прочностные характеристики в нормальном и равновесном состоянии. В таком случае можно классифицировать сталь на несколько групп: ферритную, перлитную, мартенситную и аустенитную. Часть сталей, содержащая углерод, может быть дополнена добавочными компонентами, такими как никель, вольфрам, ванадий, что позволяет создать сталь со сложной структурой. Таким образом, распределение сталей по типам зависит от состава стали, которой определяется их прочностные характеристики.

Аустенитные стали отличаются высокой ценой, благодаря наличию в их составе никеля, марганца и хрома. Это сочетание легирующих компонентов придает материалам повышенную вязкость при воздействии удара на их поверхность.

Классификация стали по качеству

Качество стали зависит от производственных процессов, состава сплава, содержания в нем примесей и других факторов. Различные марки углеродистых и легированных сталей отличаются по качеству и составу примесей. От самых дешевых рядовых сталей, где углерода менее 0,6%, серы - в диапазоне 0,045-0,060%, фосфора - 0,04-0,07%, до особо высококачественных, содержащих не более 0,015% серы и 0,025% фосфора.

Классификация стали по назначению

Конструкционные стали

Они используются для создания машинных частей, сварных конструкций и узлов механизмов. Состав конструкционных сталей включает углеродистые и легированные сорта, как, например, Ст1, Ст2, Ст3; 05, 10, 15; 15Г, 20Х, 45 ХН и др. Например швеллер для строительства ангаров

Инструментальные стали

Они используются для изготовления режущих и ударных инструментов, от лезвия топора и губок плоскогубцев до напильника и сверла. Твердость таких сталей достигается благодаря содержанию углерода не менее 0,7%. Примеры марок: У7, У8ГА, У10А (У - углеродистая; число - усредненное содержание углерода, выраженное в десятых долях процента; Г - повышенное содержание марганца; А - высококачественная сталь). Например для стальных труб

Специальные стали

Это как конструкционные стали, только с дополнительными свойствами. Они могут быть нержавеющими, жаропрочными, электротехническими или кислотостойкими, а также иметь другие особенности, зависящие от состава, способа производства и обработки. Например бронестойкая сталь

Классификация стали по способу раскисления

Кислород выводится из жидкого металла при производстве стали, чтобы создать однородную и чистую структуру. Чем меньше кислорода остается в сплаве, тем чистее и лучше качество стали. Для разных видов стали используются различные методы выведения кислорода из жидкого металла. Например, кипящие стали раскисляются только марганцем, спокойные стали - марганцем, алюминием и кремнием, а полуспокойные стали - марганцем и алюминием. Чем чище и однороднее структура стали, тем лучше прочность и пластичность изделия. Поэтому важно, чтобы в процессе производства было выведено наименьшее количество кислорода.