Виды стали: нержавеющая, иные марки, температура плавления

Каждый год во всех частях нашей планеты вместе производится около полутора миллионов тысяч тонн стали. Её используют в множестве отраслей, начиная от производства зубных протезов, заканчивая деталями космических шаттлов. Для каждой отрасли найдётся такая марка стали, которая будет подходить по физическим и механическим свойствам, по структуре и химическому составу.

Разные характеристики получаются в зависимости от того, какие примеси и в каком количестве содержатся в металле, каким способом он изготовлен и как обработан. Оттого меняются итоговые свойства, такие как плотность, температура плавления, теплопроводность, предел прочности при растяжении, линейное тепловое расширение, удельная теплоёмкость и так далее.

Содержание

• 1 Определение стали: что это такое?
• 2 Основные моменты технологии производства

• 3 Обработка стали для получения специальных свойств
• 4 Конкретный пример легированной стали

Определение стали: что это такое?

Сталью является сплав железа с углеродом, в комплекте с другими различными элементами. При этом железа в нём должно содержаться не менее 45%. Раз речь зашла о составе, то рассмотрим классификацию по химической составляющей.

Основное разделение идёт на сталь углеродистую и легированную (пример — нержавеющая сталь). Первый вид имеет несколько подвидов по количеству процентного содержания углерода:

• низкоуглеродистые стали, в которых содержится до 0,25% C;
• среднеуглеродистые (до 0,55% C);
• высокоуглеродистые (от 0,6% до 2% C).

Аналогично и второй вид разделяется на три подвида по содержанию легирующих элементов:

• низколегированные (до 4%);
• средне (до 11%);
• высоколегированные (более 11%).

Кроме того, в стали могут содержаться и неметаллические включения. В зависимости от них идёт классификация по другому параметру – по качеству. Чем меньший процент неметаллических включений, тем выше качество стали. В целом здесь выделяют четыре вида:

• обыкновенная;
• качественная;
• высококачественная;
• особо высококачественная сталь.

Её состав также определяет разделение на виды по назначению. Их множество, например, криогенные стали, конструкционные, жаропрочные, нержавеющие, инструментальные и т. д. Разделение на виды идёт также по структуре:

• ферритная;
• аустенитная;
• бейнитная;
• мартенситная;
• перлитная.

В структуре могут преобладать две фазы и даже более. Сталь в этом случае разделяют соответственно на двухфазную и многофазную.

Основные моменты технологии производства

Суть производства стали заключается в том, чтобы в процессе переработки исходного материала в нём понизилась концентрация углерода, серы, фосфора и других нежелательных составляющих. Эти элементы делают сталь ломкой и хрупкой, а избавление от них приносит повышенную прочность и жаростойкость. Исходным материалом чаще всего выступает чугун и стальной лом.

Процесс производства может быть выполнен одним из двух основных способов, которые обобщают собой однотипные методы – это либо конвертерный, либо подовый процесс. Первый не требует дополнительных источников тепла, так как его используют для расплавленного передельного чугуна, который и так обладает достаточной температурой. В этом случае происходит вдувание чистого кислорода (или обогащённого им воздуха, что уже устарело) в расплавленный металл, который окисляет присутствующие в чугуне элементы типа фосфора, марганца, кремния или углерода. Это, в свою очередь, позволяет поддерживать достаточное количество тепла для пребывания стали в жидком состоянии.

При таком изготовлении может получиться три вида стали – кипящая, полуспокойная и спокойная. Спокойная сталь обладает лучшим составом и более однородной структурой, когда кипящая содержит в себе весомое количество растворённых газов. Для полуспокойной характерны промежуточные значения между первыми двумя видами. Естественно, что спокойная сталь, исходя из лучших характеристик, дороже. Её цена выше, чем у кипящей, примерно на 10-15%.

Подовые процессы происходят при высоких температурах, которых добиваются за счёт задействования внешнего источника тепла для переработки твёрдой шихты. Их есть два вида – мартеновский процесс и электротермический. Мартеновский происходит в результате нагрева исходного материала от сгорания газа или мазута, а электротермический выполняется в индукционных или дуговых печах, где нагрев идёт при помощи электричества.

При необходимости, для производства особых видов стали могут быть использованы два последовательных метода, а для отдельных специальных её видов существует иные специфические процессы. Кроме того, появляются новые методы производства, которые ещё не стали широко используемыми, но успешно развиваются. Такими методами является электрошлаковый переплав, электролиз, прямое восстановление стали из руды и т. д.

Обработка стали для получения специальных свойств

Чтобы придавать материалу определённые свойства или изменять их, применяют легирующие элементы и различные виды обработки.

В качестве легирующих элементов выступают некоторые металлы. Ими могут быть хром, алюминий, никель, молибден и другие. Таким образом, добиваются определённых электрических, магнитных или механических свойств, а также коррозионной устойчивости. Так, нержавеющая сталь получается, если она была легирована хромом.

Изменяются свойства стали путём обработки:

• термомеханической (ковка, прокатка);
• термическая (отжиг, закалка);
• химикотермической (азотирование, цементизация).

Термическая обработка имеет в своей основе свойство полиморфизма – при нагреве и охлаждении кристаллическая решётка способная менять своё строение. Это свойство характерно основе стали – железу, потому присуще и ей.

Разные виды элементов, которые могут присутствовать в стали

Углерод. С повышением процентного содержания в стали этого элемента увеличивается её прочность и твёрдость. Но идут потери в пластичности.

Сера. Эта примесь вредна, так как вместе с железом она образует сернистое железо. Из-за него в материале возникают трещины как следствие потери связей между зёрнами при обработке высокой температурой и под воздействием давления. Негативно наличие серы сказывается и на прочности стали, её пластичности, износостойкости, коррозийной стойкости.

Феррит. Это железо, которое обладает объемноцентрированной кристаллической решёткой. Характерно, что сплавы с его наличием выходят мягкими и обладают пластичной микроструктурой.

Фосфор. Если сера уменьшает прочность при высоких температурах, то фосфор придаёт стали хрупкости при температурах пониженных. Тем не менее есть группа сталей, в которой повышено содержание этого, казалось бы, вредного элемента. Изделия из такого металла очень легко поддаются резке.

Цементит, он же карбид железа. Его влияние противоположно к влиянию феррита. Сталь становится твёрдой и хрупкой.

Конкретный пример легированной стали

Нержавеющей называют такую сталь, которая может сопротивляться коррозии в агрессивных средах или в атмосфере. Её состав был открыт в 1913 году Гарри Бреарли. Он заметил во время экспериментов, что сталь, в которой содержалось большое количество хрома, могла активно сопротивляться кислотной коррозии.

Сейчас нержавеющую сталь разделяют на три группы:

• жаропрочная – обладает высокой механической прочностью даже при значительных температурах;
• жаростойкая – имеет устойчивость к коррозии в условиях высоких температур и агрессивной среды. Подойдёт для использования на химических заводах;
• коррозионно-стойкая нержавеющая сталь – обладает такой стойкостью к коррозии, которой достаточно для бытовых условий и для несложных промышленных задач. Из неё могут быть изготовлены хирургические инструменты, бытовая посуда, детали для машиностроительной промышленности, лёгкой промышленности или, например, нефтегазовой.

Чтобы получить сталь, которая будет более стойкой к коррозийным влияниям, нужно повышать в ней количество хрома. Так, для обычной среды его достаточно от 13 до 17%. Если хрома больше 17%, то такой сплав можно использовать в более агрессивных средах. Чтобы металл не разрушался от влияния сильных кислот, сплав стали должен содержать не только хром, но и никель с присадками молибдена, силициума, купрума.

Пределы значений различных характеристик стали — температура плавления, удельная теплопроводность и т. п.

Исходя из того, что состав сплава может быть разным, то и значение различных свойств для каждого вида стали своё. Приведём обобщённые показатели, в которых указаны пределы значений свойств.

• коэффициент теплопроводности – 39 ккал/м*час*град;
• плотность стали лежит в пределах (от 7,7 до 7,9)*10^3 кг/м^3;
• температура плавления стали – в зависимости от её марки от 1300 °C до 1400 °C;
• удельный вес – от 0,7 до 7,9 г/см^3;
• удельная теплоёмкость (при значении температуры 20 °C) — 0,11 кал/град;
• удельная теплоёмкость плавления – 49 кал/град;
• коэффициент линейного расширения стали для разных видов (при температуре примерно 20 °C):
  • сталь 3 (марка 20) – 11,9 (град^-1);
  • сталь нержавеющая – 11,0 (град^-1);
• предел прочности при растяжении:
  • для марки стали, применяемой для конструкций – 38-42 (кГ/мм^2);
  • для машиноподелочной (она же углеродистая) – 32-80 (кГ/мм^2);
  • для рельсовой – 70-80 (кГ/мм^2);
  • кремнехромомарганцовистая сталь (наибольший показатель)– 155 (кГ/мм^2).