Что добавляют в сталь

Обновлено: 03.05.2024

После угля, цемента, нефти и древесины сталь является самым используемым материалом в мире. Из нее делают детали для автомобилей, самолетов и поездов, ее применяют в производстве бытовой техники, посуды, труб и много где еще. Причина такой востребованности проста. Дело в том, что сталь — материал ковкий и крайне прочный, он легко принимает форму, а при наличии правильного количества примесей практически не поддается коррозии.

О том, как она производится, читайте в этом материале.

Немного истории

Первые изделия из стали были созданы еще до нашей эры. Тогда для производства использовались так называемые сыродутные печи. Механизм их работы был прост: древесный уголь и куски железа слоями закладывали в выкопанную яму. В процессе горения между ними продували холодный воздух, что приводило к соединению кислорода с углеродом, находящимся в руде. В результате образовывался кусок «запеченного» железа с примесями шлаков, который после нагревали и выковывали.

Именно этой технологией несколько сотен лет пользовались люди в разных странах, чаще всего, для создания оружия. Так, например, около 200 лет до нашей эры кельты модернизировали этот способ: они резали кованое железо на тонкие полоски, складывали их в контейнер с обожженными костями, а затем нагревали его 10–12 часов на сильном огне. Позже получившиеся куски сваривали между собой и ковали ножи. Именно такой «кельтский» способ производства в 1050 г. нашей эры скопировали викинги и немцы, которые так делали стальные клинки. Стальное оружие изготавливали в Европе, Японии и других странах.

Проблема заключалась лишь в том, что наши предки не могли разогреть железо до температуры плавления — 1540 градусов по Цельсию. Поэтому им и приходилось спекать куски, что было очень трудоемко. Однако в XVIII веке все изменилось, когда английский металлург Бенджамин Гентсман открыл производство литейной стали. Для этого он переплавлял куски чугуна и сварного железа с примесью флюса, то есть вещества, которое помогало отделять металл от пустой породы. В континентальную Европу этот метод просочился только в начале XIX века благодаря предпринимателю Фридриху Круппу, основавшему первый литейный завод в Германии.

С тех пор сталь получила широкое распространение и применялась, прежде всего, в военной промышленности.

Производственный процесс

Сталь — это сплав железа с углеродом, в котором содержится не менее 45% железа и от 0,02 до 2,14% углерода. Именно от последнего элемента зависят основные свойства стали.

Чтобы производить сталь, нужно для начала добыть руду и каменный уголь, а затем обработать их специальным способом. Железную руду необходимо обогатить. Для этого ее дробят, а затем магнитом отделяют кусочки, в которых присутствует металл. С углем тоже не все так просто, поскольку в природном виде он содержит большое количество примесей, поэтому его также перемалывают, а затем просушивают в специальной «духовке», получая кокс.

Когда обогащенная железная руда и кокс подготовлены, их смешивают с известью и отправляют в печь, где при высокой температуре выплавляется чугун. А уже из чугуна производится сталь.

Чугун обогащен углеродом, который придает сплаву хрупкость. Также в нем все еще много ненужных примесей. Поэтому главные задачи при производстве качественной стали — вывести из состава как можно больше ненужных веществ, а также уменьшить концентрацию углерода до необходимых значений (от 0,02 до 2,14%).

Три основных стадии производства стали

На данном этапе в ванну, расположенную в печи, закладывается шихта — в нашем случае, смесь чугуна с примесями других элементов. Смесь нагревается и расплавляется, а железо окисляется (то есть, забирает кислород), при этом оно окисляет примеси металлов, а именно фосфор, кремний и марганец. Главная задача первой стадии технологического процесса — удаление фосфора.

Итак, ванна нагревается. Под действием температуры часть примесей отделяются и поднимаются на поверхность, превращаясь в шлак. В это время оксид фосфора с оксидом железа создает неустойчивое соединение, которое реагирует с поднявшимся в шлак оксидом кальция. В результате еще одной химической реакции ненужный фосфор остается на поверхности, откуда его можно легко удалить.

Температуру в печи повышают, а внутрь нагнетают чистый кислород. Из-за этого углерод, находящийся в смеси, начинает окисляться — то есть взаимодействовать с кислородом. Соединившись с ним, он превращается в газообразный оксид углерода и с пузырьками покидает смесь. Это создает эффект кипения ванны.

В результате такого взаимодействия количество углерода снижается. А мы с вами помним: чем меньше углерода — тем крепче сплав. Так чугун начинает превращаться в сталь.

Еще один побочный, но полезный эффект процесса заключается в том, что к всплывающим пузырькам «прилипают» неметаллические примеси, что приводит к улучшению качества расплавленного металла. При этом вредная для стали сера также удаляется на этом этапе: когда температура повышается, она в составе сульфида железа реагирует с кальцием и отправляется в шлак. При этом металл остается в смеси.

Итак, количество углерода снизили. Однако в результате химических реакций в смеси теперь достаточно много кислорода, который негативно влияет на свойства стали. Очевидно, что его необходимо удалить. Этот процесс и называется раскислением.

Способов существует несколько, но самых распространенных два. Смысл в том, что в ванну добавляют металлы, которые реагируют с кислородом гораздо активнее, чем железо. В одном случае их примешивают к непосредственно к сплаву, в другом — к шлаку. В результате химической реакции чистое железо отделяется от кислорода и остается в смеси, в то время как кислород с добавленными металлами собирается на поверхности.

В результате концентрация железа увеличивается, кислорода — уменьшается. Так получается сталь. Добавим, что отделившийся шлак не выбрасывают, а пускают в производство. Например, из него делают черепицу и кирпич, добавляют в цемент и так далее.

Разновидности и применение

Сталь можно классифицировать несколькими способами. Прежде всего, она делится по химическому составу с учетом наличия или отсутствия примесей:

• Углеродистые стали не содержат примесей. В зависимости от количества углерода в составе, бывают низкоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2,14% С). Напоминаем, чем больше углерода в составе, тем более прочной, но менее пластичной она становится.

• Легированные содержат различные примеси, в зависимости от их количества делятся на низколегированные — до 4% легирующих элементов, среднелегированные — до 11% и высоколегированные — свыше 11% примесей.

По назначению стали делятся на множество категорий, расскажем об основных.

• Конструкционные. Используются для изготовления деталей, механизмов и конструкций в строительстве и машиностроении. Бывают легированными и углеродистыми, в зависимости от необходимых свойств сплава.

Что делают: проволоку, гвозди, крепежные детали, пружины, железнодорожные и трамвайные вагоны, детали автомобилей.

• Нержавеющие. Легированная сталь, которая устойчива к коррозии в атмосфере и агрессивных средах. Ее получают путем добавления в сплав азота, алюминия, серы, кремния, хрома, никеля, меди, титана и других элементов.

Что делают: кухонную технику (плиты, холодильники, микроволновки), сантехнику, посуду, части мебели и окон, ограждения и водостоки, ключевые узлы в автомобилях (двигатели, коробки передач), трубы в химической промышленности, элементы фильтров и так далее.

• Инструментальные. Сталь с содержанием углерода от 0,7% и выше. Отличается твердостью и плотностью и, как не трудно догадаться, из нее изготавливают инструменты.

Что делают : колуны, молотки, кусачки, плоскогубцы, пилы, стамески, напильники, бритвенные лезвия и ножи, хирургические инструменты, отвертки, заклепки и многое другое.

• Жаропрочные. Легированная сталь, которая отличается способностью работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения.

Что делают : детали конструкций двигателей внутреннего сгорания, клапаны авиационных поршневых моторов, элементы газовых турбин, части реактивных двигателей и так далее.

• Криогенные. Легированные стали, которые могут выдерживать температуру ниже точки кипения кислорода, то есть ниже -183 градусов по Цельсию. Для получения этих свойств в сплав добавляются никель, хром и марганец.

Что делают: детали арматуры, части авиакосмической техники, детали сверхпроводящих магнитов и установок термоядерного синтеза.

Сталь сегодня. Крупнейшие российские производители

В 2021 г. мировое производство стали достигло рекордного значения — 1950,5 млн тонн. Лидером, несмотря на снижение выпуска, остается Китай. На втором месте находится Индия, на третьем — Япония. Четвертую строчку в рейтинге занимает США. Россия в этом списке располагается на пятой позиции.

Крупнейшие российские производители стали — НЛМК, ММК, Северсталь и Евраз.

Это международная сталелитейная компания с активами в России, США и странах Европы. Основное предприятие — Новолипецкий металлургический комбинат, построенный в 1930-ых гг. В группу входят площадки, на которых происходит полный производственный цикл — от добычи сырья до выпуска готовой продукции.

Металлопродукция НЛМК применяется в стратегических отраслях экономики: от машиностроения и строительства до производства труб большого диаметра и энергетического оборудования.

На 2021 г. компания — крупнейший производитель стали в России.

Магнитогорский металлургический комбинат — одно из крупнейших предприятий отрасли в СНГ. Его строительство началось в 1929 г. ММК входит в число крупнейших мировых производителей стали, имеет сталеплавильное производство в Турции.

ММК производит различную металлопродукцию, которая используется в автопроме, судо- и мостостроении, в производстве бытовой техники, трубной промышленности, а также в производстве товаров народного потребления.

В 2021 г. выручка ММК выросла на 86,6% относительно предыдущего года. Компания поставляет продукцию в регионы РФ и страны ближнего зарубежья.

Череповецкий металлургический комбинат должны были построить в 1940-х гг., однако этого не произошло из-за начала Великой отечественной войны. Поэтому свою историю компания отчитывает с 1955 г., когда было запущено производство. Комбинат является одним из ведущих производителей стали в России на листовом прокате. Также занимается производством труб, добычей и обогащением железной руды

По итогам 2021 г. компания представила сильные результаты. Ее выручка увеличилась, несмотря на снижение цены на стальную продукцию.

В феврале 1992 г. была основана компания Евразметалл, которая занималась продажей металлопродукции. В 1995 г. ее в состав вошел Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), в 2002 г. — Западно-Сибирский металлургический комбинат (ЗСМК).

Evraz Group имеет активы в России, Канаде, США, Италии, Казахстане и Чехии. Штаб-квартира находится в Лондоне.

НТМК занимается доменным, коксохимическим, прокатным, сталеплавильным и кислородным производствами. Комбинат выпускает чугун, шлак, сталь для железнодорожного транспорта, в том числе, профили для вагоностроения, рельсы и колеса. Также из стали на предприятии делают трубы большого диаметра для магистральных газопроводов. НТМК производит более 1200 марок стали.

В ЗСМК занимаются доменным, сталепрокатным, коксохимическим и другими видами производств. Выпускаются проволока, стальные трубы, рельсы, товары народного потребления, металлургическая продукция для строительной отрасли.

Интересные факты

• Сталь — один из самых перерабатываемых металлов в мире, потому что его легко переплавить. По статистике, более 60% сплава перерабатывается. Это значит, что больше половины всей стали используется повторно.

• Нержавеющую сталь изобрели случайно. Английский металлург Гарри Брирли пытался создать сплав, который бы защитил жерла пушек от эрозии, то есть от износа, связанного с высокими температурами. Однако в процессе исследования выяснилось, что если сталь содержит от 12 до 20% хрома, то она сопротивляется кислотной коррозии.

• Существует мыло из нержавеющей стали. Если подержать его в руках какое-то время, оно удалит любой, даже самый неприятный запах.

• Высота Эйфелевой башни в зависимости от времени года может меняться на 15 сантиметров. Это связано с тем, что стальные элементы конструкции имеют свойство сжиматься при охлаждении и расширяться при нагреве.

• Для постройки некоторых спутников, измеряющих радиацию в космосе, в 1950-ых гг. американцы подняли со дна стальные части затонувшего в 1919 г. корабля «Кронпринц Вильгельм».

БКС Мир инвестиций

3 обучающих курса

Copyright © 2008– 2022 . ООО «Компания БКС» . г. Москва, Проспект Мира, д. 69, стр. 1
Все права защищены. Любое использование материалов сайта без разрешения запрещено.
Лицензия на осуществление брокерской деятельности № 154-04434-100000 , выдана ФКЦБ РФ 10.01.2001 г.

Данные являются биржевой информацией, обладателем (собственником) которой является ПАО Московская Биржа. Распространение, трансляция или иное предоставление биржевой информации третьим лицам возможно исключительно в порядке и на условиях, предусмотренных порядком использования биржевой информации, предоставляемой ОАО Московская Биржа. ООО «Компания Брокеркредитсервис» , лицензия № 154-04434-100000 от 10.01.2001 на осуществление брокерской деятельности. Выдана ФСФР. Без ограничения срока действия.

* Материалы, представленные в данном разделе, не являются индивидуальными инвестиционными рекомендациями. Финансовые инструменты либо операции, упомянутые в данном разделе, могут не подходить Вам, не соответствовать Вашему инвестиционному профилю, финансовому положению, опыту инвестиций, знаниям, инвестиционным целям, отношению к риску и доходности. Определение соответствия финансового инструмента либо операции инвестиционным целям, инвестиционному горизонту и толерантности к риску является задачей инвестора. ООО «Компания БКС» не несет ответственности за возможные убытки инвестора в случае совершения операций, либо инвестирования в финансовые инструменты, упомянутые в данном разделе.

Информация не может рассматриваться как публичная оферта, предложение или приглашение приобрести, или продать какие-либо ценные бумаги, иные финансовые инструменты, совершить с ними сделки. Информация не может рассматриваться в качестве гарантий или обещаний в будущем доходности вложений, уровня риска, размера издержек, безубыточности инвестиций. Результат инвестирования в прошлом не определяет дохода в будущем. Не является рекламой ценных бумаг. Перед принятием инвестиционного решения Инвестору необходимо самостоятельно оценить экономические риски и выгоды, налоговые, юридические, бухгалтерские последствия заключения сделки, свою готовность и возможность принять такие риски. Клиент также несет расходы на оплату брокерских и депозитарных услуг, подачи поручений по телефону, иные расходы, подлежащие оплате клиентом. Полный список тарифов ООО «Компания БКС» приведен в приложении № 11 к Регламенту оказания услуг на рынке ценных бумаг ООО «Компания БКС». Перед совершением сделок вам также необходимо ознакомиться с: уведомлением о рисках, связанных с осуществлением операций на рынке ценных бумаг; информацией о рисках клиента, связанных с совершением сделок с неполным покрытием, возникновением непокрытых позиций, временно непокрытых позиций; заявлением, раскрывающим риски, связанные с проведением операций на рынке фьючерсных контрактов, форвардных контрактов и опционов; декларацией о рисках, связанных с приобретением иностранных ценных бумаг.

Приведенная информация и мнения составлены на основе публичных источников, которые признаны надежными, однако за достоверность предоставленной информации ООО «Компания БКС» ответственности не несёт. Приведенная информация и мнения формируются различными экспертами, в том числе независимыми, и мнение по одной и той же ситуации может кардинально различаться даже среди экспертов БКС. Принимая во внимание вышесказанное, не следует полагаться исключительно на представленные материалы в ущерб проведению независимого анализа. ООО «Компания БКС» и её аффилированные лица и сотрудники не несут ответственности за использование данной информации, за прямой или косвенный ущерб, наступивший вследствие использования данной информации, а также за ее достоверность.

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
Азот (N₂) и кислород (O₂) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
Водород (H₂) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

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.

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Легирование стали

Сталь представляет собой сплав железа (не меньше 45%) и углерода (до 2,14%). Последний повышает прочностные характеристики металлов, при этом, если сравнивать с химически однородным металлом, понижает их пластичность. В процессе производства стали концентрация углерода специально доводится до необходимых значений. Контроль за содержанием углерода позволяет получать несколько видов стали:

Низкоуглеродистую – содержание углерода не более 0,25%.
Среднеуглеродистую – не более 0,6%.
Высокоуглеродистую – 0,6 – 2,14%.

В металле также могут обнаруживаться и иные примеси, поэтому стали классифицируются как легированные и нелегированные. Последние представляют собой железно-углеродный сплав, в составе которого присутствуют и другие элементы в виде примесей или добавок меньше установленного предельного содержания.

Легированные стали

Элементы, содержание которых превышает обычное предельное значение, указанное в стандартах, называются легирующими добавками. Изменение химического состава металла путем введения легирующих добавок называется легированием стали. Основные цели легирования:

повышение прокаливаемости;
получение специфических прочностных свойств;
вызов желаемых структурных изменений;
получение специальных химических или физических свойств;
улучшение и упрощение технологии термообработки;
повышение коррозионной стойкости и устойчивости к различным температурам.

Исходя из вышесказанного следует, что легирование стали – это металлургический процесс плавки, в ходе которого в него вводятся различные добавки. Добавление легирующих элементов производится двумя способами:

Объемным – компоненты проникают в глубинную структуру материала путем их добавления в шихту или расплав.
Поверхностный – введение легирующих компонентов только верхний слой стали, на глубину 1-2 мм. Такой способ придает материалу определенные свойства, к примеру, антифрикционные.

Легирующие элементы

Хром – увеличивает прочность и твердость, повышает ударную вязкость. В инструментальные стали добавляется для повышения прокаливаемости. В случае нержавеющих сталей – определяет коррозионную стойкость.
Никель – повышает прочность и твердость при сохранении высокой ударной вязкости. Понижает пороговую температуру хрупкости. Это влияет на хорошую прокаливаемость сталей, особенно при участии хрома и молибдена.
Марганец - повышает твердость и прочность за счет пластических свойств. Марганцевая сталь характеризуются повышенным пределом упругости и более высокой стойкостью к истиранию.
Кремний – в металлургическом процессе играет роль раскислителя. Его добавление увеличивает прочность и твердость стали.
Молибден – повышает прокаливаемость сталей больше, чем хром и вольфрам. Уменьшает хрупкость металла после высокого отпуска.
Алюминий – сильно раскисляет, предотвращает рост аустенитных зерен.
Титан – понижает зернистость, что приводит к большей устойчивости к появлению расколов и трещин. Улучшает восприимчивость к металлообработке.

Легирующих добавок может быть несколько, и для получения тех или иных характеристик их введение может производиться на разных этапах плавки.

Помимо того, что в состав стали вводят различные добавки, в самом материале также присутствуют примеси, которые полностью убрать из состава невозможно:

Углерод – способствует повышению твердости, прочности и ударостойкости. Однако его превышение в составе металла понижает пластичность и все вышеперечисленные характеристики.
Марганец – раскислитель, защищающий от кислорода и серы.
Сера – высоким считается ее содержание выше 0,6%, что плохо сказывается на пластичности, прочности, свариваемости и коррозионной устойчивости.
Фосфор – ведет к повышению текучести и хрупкости, понижает вязкость и пластичность.
Кислород, азот, водород – делают сплав более хрупким, снижают показатели его выносливости.

Применение

Благодаря таким характеристикам, как прочность, устойчивость к нагрузкам, твердость, уменьшение намагниченности и нужный уровень вязкости, легированную сталь используют в самых разных сферах человеческой деятельности. Из нее производят:

медицинские инструменты, в том числе, и режущие;
детали с высокой опорной и радиальной нагрузкой;
элементы станков для металлообработки;
нержавеющую посуду;
детали автомобилей;
аэрокосмические детали;
пресс-формы и другие элементы для горячей штамповки, сохраняющие свои свойства при температуре до + 600 градусов;
измерительные приборы и так далее.

Классификация легированных сталей

Принимая принцип разделения по структуре, образованной в условиях медленного охлаждения стали в диапазоне температур, близких к солидусу, или в отожженном состоянии, сталь можно классифицировать следующим образом:

подевтектоид с ферритно-перлитной структурой;
эвтектоид с перлитной структурой;
гиперэвтектоид, содержащий вторичные карбиды, отделенные от аустенита;
ледебуритная сталь, в структуре которой встречаются первичные карбиды, выделившиеся при кристаллизации;
ферритная или аустенитная с осаждением карбидов или интерметаллических фаз. Обычно это стали с высоким содержанием легирующих элементов и низким содержанием углерода;
ферритно-мартенситная или ферритно-аустенитная сталь с наиболее часто высокотемпературным ферритом δ.

Все марки легированных сталей разделяют на три подвида в зависимости от количества полезных примесей:

Низколегированная – процентное содержание добавок около 2,5%. Прибавление некоторых положительных качеств при практически неизменных основных характеристиках.
Среднелегированная – процентное содержание добавок около 10%. Наиболее часто используемое соединение.
Высоколегированная – процентное содержание добавок варьируется от 10 до 50%. Высоколегированная сталь является максимально прочной и дорогой.

Независимо от того, какое процентное содержание добавок в составе металла, сталь разделяется на 3 подвида:

Инструментальная – жаропрочный материал, используемый при производстве станочных и ручных инструментов (сверла, фрезы, стальные резцы и так далее).
Конструкционная – прочная сталь, способная выдерживать высокие динамические и статические нагрузки. Используется при изготовлении двигателей и стальных механизмов в машиностроении, применяется в сфере строительства и станкостроения.
С особыми свойствами – сталь, отличающаяся химической и термической устойчивостью (нержавеющая, кислотостойкая, магнитная, износостойкая, трансформаторная и другие виды). Ряд исследователей предлагают отдельное деление для данного вида сталей:

Жаропрочные – способны выдерживать температуру до 1000 градусов.
Окалиностойкие и жароустойчивые – стали, невосприимчивы к распаду.
Устойчивые к коррозии – применяются при производстве изделий, работающих в условиях высокой влажности.

Марки

В СНГ используется буквенно-цифровая маркировка легированных сталей. Буквами обозначают основные легирующие добавки, цифрами, идущими следом за буквами, обозначают процент их содержания в сплаве (округляя до целого числа). Если в металле присутствует не более 1,5% той или иной добавки, цифра не ставится. Процентное содержание углерода × 100 указывается вначале наименования стали. Буква A, стоящая в середине маркировки, указывает на содержание азота. Если две буквы A стоят в конце, это указывает на особо чистую сталь. Буква Ш в конце обозначает сталь особо высокого качества.

Маркировка может быть дополнена и другими обозначениями, к примеру:

Э — электротехническая;
P — быстрорежущая;
A — автоматная;
Л — полученная литьем.

Исчерпывающие перечни марок легированной стали указаны в ГОСТ 4543-71.

Как химический состав сталей влияет на их механические свойства?

На сегодняшний день сталеплавильные заводы могут выплавлять сотни марок сталей. Есть четыре основных параметра для их классификации:

По назначению стали могут быть конструкционными, инструментальными или специальными. Первые используют для изготовления деталей машин или элементов строительных конструкций; инструментальные оптимальны для изготовления мерительного, режущего или штампового инструмента; специальные востребованы для получения жаропрочных, коррозионностойких и прочих изделий с особыми характеристиками.
По качеству различают стали обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Чем выше качество, тем меньше в стали вредных примесей, ухудшающих ее свойства.
По степени раскисления стали бывают кипящими, полуспокойными и спокойными. Такое деление тоже связано с количеством вредных примесей. В первую очередь – кислорода.
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. У первых механические свойства напрямую зависят от количества содержащегося в них углерода, у вторых – от наличия и содержания легирующих элементов.

Характеристики сталей формируются в процессе их выплавки

Какие элементы могут входить в состав сталей

Элементы, которые входят в состав сталей, можно разбить на три группы:

К первой относятся основные элементы, которые обязательно присутствуют во всех сталях: железо и углерод.
Ко второй – примеси. Их в свою очередь можно разделить еще на три группы:

Фосфор, сера, кремний и марганец по-разному влияют на свойства сталей, но всегда есть в небольших количествах, поэтому их относят к постоянным.
Кислород, водород и азот тоже есть во всех сталях, но все они нежелательны и отрицательно влияют на свойства. Их относят к скрытым.
Мышьяк, медь, цинк, свинец, олово и ряд других элементов встречаются не в каждой марке стали. Их присутствие – особенность месторождений, где добывают руду. Такие примеси считают случайными.

К третьей группе относят легирующие элементы: хром, ванадий, молибден, вольфрам и прочие. Их целенаправленно добавляют в стали для получения нужных свойств.

Как различные химические элементы влияют на свойства сталей

Химические элементы по-разному влияют на механические свойства сталей:

Основные элементы:

Углерод (С) оказывает прямое влияние на способность стали сопротивляться деформации. При увеличении его содержания возрастают твердость, прочность и упругость, но одновременно снижаются свариваемость, обрабатываемость и вязкость.

Примеси:

Фосфор (Р) оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость, обрабатываемость и прочность сталей, но ухудшает их вязкость, пластичность и повышает хрупкость при низких температурах.
Сера (S) улучшает обрабатываемость сталей резанием, но повышает их хрупкость при высоких температурах, снижает коррозионную стойкость, пластичность, истираемость, свариваемость и сопротивление усталости.
Кремний (Si) способствует повышению прочности, упругости, окалиностойкости, кислотостойкости, твердости и электросопротивления, но при содержании более 2 % делает их хрупкими при высоких температурах.
Кислород (О₂) снижает вязкость и пластичность сталей.
Марганец (Mn) считается полезной примесью: он нейтрализует вредное влияние на свойства сталей серы и кислорода. Кроме того, этот элемент повышает прочность, твердость, износоустойчивость и стойкость к ударным нагрузкам.
Водород (Н₂) увеличивает хрупкость сталей.
Азот (N₂) оказывает такое же вредное влияние на свойства сталей, как и кислород: снижает их вязкость и пластичность.
Медь (Cu) улучшает пластичность и коррозионную стойкость.
Свинец (Pb) улучшает обрабатываемость.
Цинк (Zn) повышает коррозионную стойкость сталей.
Олово (Sn) снижает пластичность и повышает хрупкость сталей.
Мышьяк повышает коррозионную стойкость, но незначительно снижает их пластичность.

Прочность и долговечность зависят от механических свойств металлопроката, которые задаются химическим составом сталей

Легирующие элементы:

Хром (Cr) увеличивает твердость, коррозионную стойкость, ударную вязкость, истираемость, жаростойкость, улучшает режущие свойства сталей, но одновременно ухудшает их теплопроводность и пластичность.
Ванадий (V) способствует росту прочности и твердости, улучшению их свариваемости.
Молибден (Мо) улучшает антикоррозионные свойства сталей, их прочность, твердость, устойчивость к ударным нагрузкам, упругость, окалиностойкость, но ухудшает свариваемость.
Вольфрам (W) увеличивает твердость, сопротивление истираемости, антикоррозионные свойства, но, как и молибден или ванадий, ухудшает свариваемость.
Ниобий (Nb) положительно влияет на коррозионную стойкость и кислотостойкость сталей.
(Ti) увеличивает пластичность, прочность, антикоррозионные свойства сталей, улучшает их обрабатываемость.
Никель (Ni) способствует увеличению упругости, прочности, коррозионной стойкости, улучшает ковкость сталей, но снижает их теплопроводность.
Кобальт (Co) положительно влияет на показатели жаропрочности, их сопротивляемость ударным нагрузкам и магнитные свойства.
Алюминий (Al) считается хорошим раскислителем. Он способствует повышению прочности, твердости, окалиностойкости и жаростойкости сталей.
Церий (Се) положительно влияет на показатели пластичности и прочности.
Неодим (Nd) уменьшает количество серы в сталях и снижает ее вредное влияние на свойства, уменьшает пористость, улучшает качество поверхности. Аналогичное влияние на характеристики сталей оказывают лантан (La) и цезий (Cs).

Химические элементы могут ухудшать или улучшать отдельные характеристики сталей. Часть из них неизбежно оказывается в их составе, другие добавляют целенаправленно. От правильно подобранного баланса и зависят конечные свойства сталей.

Читайте также: