Сталь

Сталь (от нем. Stahl)[1] — сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 % железа и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 %, причём содержанию от 0,6 % до 2,14 % соответствует высокоуглеродистая сталь. Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14 %, то такой сплав называется чугуном. Углерод придаёт сплавам прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Сталь
Фазы железоуглеродистых сплавов
  1. Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой)
  2. Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой)
  3. Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
  4. Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Структуры железоуглеродистых сплавов
  1. Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
  2. Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объёмно-центрированной тетрагональной решёткой)
  3. Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
  4. Сорбит (дисперсный перлит)
  5. Троостит (высокодисперсный перлит)
  6. Бейнит (устар.: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа
Стали
  1. Конструкционная сталь (до 0,8 % C)
  2. Высокоуглеродистая сталь (до ~2 % C): инструментальная, штамповая, пружинная, быстрорежущая
  3. Нержавеющая сталь (легированная хромом)
  4. Жаростойкая сталь
  5. Жаропрочная сталь
  6. Высокопрочная сталь
Чугуны
  1. Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
  2. Серый чугун (графит в форме пластин)
  3. Ковкий чугун (графит в хлопьях)
  4. Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
  5. Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)
Диаграмма состояния сплавов железо-углерод, область стали помечена синим

Стали с очень высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью[2].

История стали

Самые ранние известные образцы были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция). Им около 3800 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры.[3][4] Высокой репутацией в древности пользовалась индийская сталь. От индийской стали происходит средневековый булат, широко известный в Средней Азии и Восточной Европе[5]. Сталь научились производить в конце эпохи Античности и в Западной Европе. По определённым показателям (упругость) именно из стали изготавливался испанский копис. Сталь позволила сделать акцент с колющего момента на режущий и перейти к сабле (через палаш). В эпоху Средневековья сталь широко применялась для изготовления холодного оружия (Романский меч, Мечи Ульфберта). На Ближнем Востоке была известна дамасская сталь, из которой ковался шамшир. В средневековой Японии из стали-Тамахаганэ изготавливались знаменитые катана, вакидзаси и танто. Существует версия, что японские мечи XI—XIII веков создавались из легированной стали с примесью молибдена[6]. В Европе сталь позволила удлинить мечи, которые впоследствии эволюционировали в шпагу (в XV веке) и рапиру.

Технологию литой стали изобретает английский инженер Гентсман, однако в континентальную Европу она проникает лишь в начале XIX века (благодаря Круппу). Нарезная артиллерия с 1854 года изготовлялась из стали (Пушка Армстронга). В XX веке из стали начали изготовлять танковую броню[7]. В армии Кайзеровской Германии времен Первой мировой войны появились стальные шлемы (Штальхельм).

Классификация сталей

Существует множество способов классификации сталей, например, по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.

По назначению стали делятся на множество категорий, таких как конструкционные стали, коррозионно стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали.

По химическому составу стали делятся на углеродистые[8] и легированные[9]; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

Хромоникельвольфрамовая сталь15,5 Вт/(м·К)
Хромистая сталь22,4 Вт/(м·К)
Молибденовая сталь41,9 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 30)50,2 Вт/(м·К)
Углеродистая сталь (марка 15)54,4 Вт/(м·К)
Дюралюминиевая сталь 56,3 Вт/(м·К)
  • Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:
сталь Ст3 (марка 20) 1/°C
сталь нержавеющая 1/°C
  • Предел прочности стали при растяжении:
сталь для конструкций373—412 МПа
сталь кремнехромомарганцовистая1,52 ГПа
сталь машиностроительная (углеродистая)314—785 МПа
сталь рельсовая690—785 МПа

Способ производства

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конвертерный, мартеновский и электротермический.

Технология производства стали

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твёрдом виде и железосодержащие изделия, полученные прямым восстановлением (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.

Процессы производства стали делятся на два основных способа, а именно: конвертерный процесс, в котором расплавленный передельный чугун в конвертере рафинируют от примесей, продувая его кислородом, и подовый процесс, для осуществления которого используются мартеновские или электрические печи.

Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда загрузка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Экзотермические реакции окисления некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивают выделение достаточного количества тепла для поддержания расплава в жидком состоянии и даже позволяют переплавлять добавленный лом. Эти процессы включают в себя такие, при которых чистый кислород вдувается в расплавленный металл (процессы Линца — Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и другие), и такие процессы, ныне уже устаревшие, при которых используется воздух, иногда обогащённый кислородом (томасовский и бессемеровский процессы).

Подовые процессы требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твёрдая шихта (например, отходы или лом, губчатое железо и твёрдый передельный чугун). Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагрев осуществляется при сжигании мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагрев осуществляется электричеством.

Для производства некоторых видов стали могут быть последовательно использованы два различных процесса (дуплекс-процесс). Например, процесс плавки может начаться в мартеновской печи, а закончиться в электропечи; или же сталь, расплавленная в электропечи, может быть слита в специальный конвертер, где обезуглероживание завершается путём вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну (процесс, используемый, например, для производства коррозионностойкой стали).

Возникло много новых процессов производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти процессы включают дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку и электрошлаковый переплав. Во всех этих процессах сталь получается из переплавляемого электрода, который при плавлении начинает капать в кристаллизатор. Кристаллизатор может быть изготовлен цельным, или его днище может быть отъёмным для того, чтобы затвердевшую отливку можно было вынуть снизу.

Жидкая сталь, полученная вышеописанными процессами, с дальнейшим рафинированием или без него, сливается в ковш. На этом этапе в неё могут быть добавлены легирующие элементы или раскислители. Процесс также можно провести в вакууме, что обеспечивает снижение содержания газообразных примесей в стали. Стали, полученные этими процессами, подразделяются в соответствии с содержанием в них легирующих элементов на «нелегированные стали» и «легированные стали» (коррозионностойкие стали или другие виды). Далее они подразделяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, например, на автоматную сталь, кремнистую электротехническую сталь, быстрорежущую сталь или кремнемарганцовистую сталь.[11]

Кислородно-конвертерный способ получения стали

В кислородно-конвертерных процессах сталь получают путём окисления избыточного углерода и других примесей чугуна кислородом, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах — конвертерах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Конвертер может поворачиваться вокруг своей оси. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2, имеющий кислотные свойства), либо доломитная масса (смесь CaO и MgO), которые получают из доломита MgCO3·CaCO3. Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конвертерный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровский способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300 °C быстро поднимается до 1500—1600° С. Выгорание 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200 °C. Около 1500 °C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

  • Si + O2 = SiO2
  • 2 C + O2 = 2 CO ↑
  • 2 Fe + O2 = 2 FeO

Образующийся монооксид железа FeO хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак:

  • FeO + SiO2 = FeSiO3

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конвертере идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащённым кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, в виде пузырьков газа поднимается вверх, сгорая над поверхностью расплава с образованием над горловиной конвертера факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворённого монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей — ферросилиция, ферромарганца или алюминия:

  • 2 FeO + Si = 2 Fe + SiO2
  • FeO + Mn = Fe + MnO
  • 3 FeO + 2Al = 3 Fe + Al2O3

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространён, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорание металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьёзным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п.

В настоящее время этот процесс является устаревшим.

Томасовский способ

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (более 2 %). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак:

  • 4 P + 5 O2 = 2 P2O5
  • P2O5 + 3 CaO = Ca3(PO4)2

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертера поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции

  • FeS + CaO = FeO + CaS

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п.

В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна, полученного из керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P2O5. Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах.

Метод является устаревшим и в настоящее время практически вытеснен из производства.

Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конвертерного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счёт кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенератора нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д.

Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600—1700 °C и выше. Выгорание углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счёт избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конвертере, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака — за счёт оксидов железа:

  • 4 Fe2O3 + 6 Si = 8 Fe + 6 SiO2
  • 2 Fe2O3 + 6 Mn = 4 Fe + 6 MnO
  • Fe2O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO ↑
  • 5 Fe2O3 + 2 P = 10 FeO + P2O5
  • FeO + С = Fe + CO ↑

Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:

  • MnO + SiO2 = MnSiO3
  • 3 CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2
  • FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как и конвертеры, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертера, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрев печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют раскислители. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.

На 2009 год работающие мартеновские печи сохранились только в России, Украине и Индии. В 2018 году была закрыта последняя крупная мартеновская печь в России[12]. После этого данный способ производства стали сохранился только на Украине и в Индии.

Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конвертерным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи — не ниже 1650 °C. Это позволяет проводить плавку стали на основных шлаках (которые трудно плавятся), при которой полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами — молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии — до 800 кВт·ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.

Электропечи бывают разной ёмкости — от 0,5 до 180 т. Футеровку печи выполняют обычно из периклазо-углеродистого огнеупора, а свод печи из магнезито-хромитового огнеупора. Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определённой пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.

Свойства стали

Физические свойства

  • плотность ρ ≈ 7,86 г/см3; коэффициент линейного теплового расширения α = (11…13)·10−6 K−1;
  • коэффициент теплопроводности k = 58 Вт/(м·K);
  • модуль Юнга E = 210 ГПа;
  • модуль сдвига G = 80 ГПа;
  • коэффициент Пуассона ν = 0,28…0,30;
  • удельное электросопротивление (20 °C, 0,37—0,42 % углерода) = 1,71·10−7 Ом·м.

Зависимость свойств от состава и структуры

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих:

  • Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность.
  • Кремний и марганец (в пределах 0,5 … 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают. Эти элементы вводятся в большинство углеродистых и низколегированных марок сталей во время операции раскисления (сначала — ферромарганец, затем — ферросилиций, как дешевые раскисляющие ферросплавы).
  • Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.
  • Фосфор также является вредной примесью, так как придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах)[13]. Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию. Однако существует группа сталей с повышенным содержанием фосфора, так называемые — «автоматные стали», металлоизделия из которых легко поддаются обработке резанием (например, болты, гайки и пр. на револьверных токарных станках-полуавтоматах).
  • Феррит — железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой. Сплавы на его основе обладают мягкой и пластичной микроструктурой.
  • Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, придаёт стали твёрдость. При появлении в структуре заэвтектоидной стали свободного цементита (при С более 0,8 %) пропадает четкая связь между содержанием углерода и комплексом механических свойств: твердостью, ударной вязкостью и прочностью.
  • Перлит — эвтектоидная (мелкодисперсная механическая) смесь двух фаз — феррита и цементита, содержит 1/8 цементита (точнее — согласно правилу «рычага», если пренебречь растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре — 0,8/6,67) и поэтому имеет повышенную прочность и твёрдость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.

Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей — повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.

Обработка стали

Виды термообработки

Сталь в исходном состоянии достаточно пластична, её можно обрабатывать путём деформирования (давления): ковать, вальцевать, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно изменять свои механические свойства после термической обработки, сущность которой заключается в изменении структуры стали при нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие виды термической обработки:

  • отжиг;
  • нормализация;
  • закалка;
  • отпуск.

Чем богаче сталь на углерод, тем она твёрже после закалки. Сталь с содержанием углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддаётся.

Химико-термическая обработка сталей

Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путём добавления различных химических веществ до определённой глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространённых целей, относящихся при использовании этих технологий, является повышение твёрдости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышение износостойкости, повышение устойчивости к усталости и улучшение коррозионной стойкости. К этим методам относятся:

  • Цементация (C) увеличивает твёрдость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
  • Азотирование (N), как и цементация, увеличивает поверхностную твёрдость и износостойкость стали.
  • Цианирование и нитроцементация (N + C) — это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации — смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН4 и др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.
  • Сульфатирование (S) — насыщение поверхности серой улучшает приработку трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.

Разновидности некоторых сталей

Марки стали Термообработка Твёрдость (сердцевина-поверхность)
35 нормализация 163—192 HB
40 улучшение 192—228 HB
45 нормализация 179—207 HB
45 улучшение 235—262 HB
55 закалка и высокий отпуск 212—248 HB
60 закалка и высокий отпуск 217—255 HB
70 закалка и высокий отпуск 229—269 HB
80 закалка и высокий отпуск 269—302 HB
У9 отжиг 192 HB
У9 закалка 50—58 HRC
У10 отжиг 197 HB
У10 закалка 62—63 HRC
40Х улучшение 235—262 HB
40Х улучшение+закалка токами выс. частоты 45-50 HRC; 269—302 HB
40ХН улучшение 235—262 HB
40ХН улучшение+закалка токами выс. частоты 48-53 HRC; 269—302 HB
35ХМ улучшение 235—262 HB
35ХМ улучшение+закалка токами выс. частоты 48-53 HRC; 269—302 HB
35Л нормализация 163—207 HB
40Л нормализация 147 HB
40ГЛ улучшение 235—262 HB
45Л улучшение 207—235 HB
65Г

HB — твёрдость по Бринеллю, HRC — твёрдость по Роквеллу.

Сравнительная таблица твёрдости стали[14]

Виккерс

HV

Бринелль

HB

Роквелл

HRB

σB ,

МПа

Виккерс

HV

Бринелль

HB

Роквелл

HRC

σB ,

МПа

100 100 52,4 333 245 245 21,2 815
105 105 57,5 350 250 250 22,1 835
110 110 60,9 362 255 255 23,0 855
115 115 64,1 382 260 260 23,9 865
120 120 67,0 402 265 265 24,8 880
125 125 69,8 410 270 270 25,6 900
130 130 72,4 430 275 275 26,4 910
135 135 74,7 450 280 280 27,2 930
140 140 76,6 470 285 285 28,0 950
145 145 78,3 480 290 290 28,8 970
150 150 79,9 500 295 295 29,5 980
155 155 81,4 520 300 300 30,2 1000
160 160 82,8 530 310 310 31,6 1030
165 165 84,2 550 320 319 33,0 1060
170 170 85,6 565 330 328 34,2 1090
175 175 87,0 580 340 336 35,3 1120
180 180 88,3 600 350 344 36,3 1150
185 185 89,5 620 360 352 37,2 1180
190 190 90,6 640 370 360 38,1 1200
195 195 91,7 650 380 368 38,9 1230
200 200 92,8 665 390 376 39,7 1260
205 205 93,8 685 400 384 40,5 1290
210 210 94,8 695 410 392 41,3 1305
215 215 95,7 715 420 400 42,1 1335
220 220 96,6 735 430 408 42,9 1365
225 225 97,5 745 440 416 43,7 1385
230 230 98,4 765 450 425 44,5 1410
235 235 99,2 785 460 434 45,3 1440
240 240 100,0 795 470 443 46,1 1480
Виккерс

HV

Роквелл

HRC

Виккерс

HV

Роквелл

HRC

Виккерс

HV

Роквелл

HRC

Виккерс

HV

Роквелл

HRC

490 47,5 600 54,2 720 60,2 840 65,1
500 48,2 620 55,4 740 61,1 860 65,8
520 49,6 640 56,5 760 62,0 880 66,4
540 50,8 660 57,5 780 62,8 900 67,0
560 52,0 680 58,4 800 63,6 1114 69,0
580 53,1 700 59,3 820 64,3 1220 72,0

Примечание:

Погрешность перевода чисел твёрдости по Виккерсу в единицы Бринелля ± 20 HB; в единицы Роквелла до ± 3 HRC (HRB), значение σB до ± 10%.

Производство стали

Производство стали в мире

Мировым лидером в производстве стали является Китай, доля которого по итогам 2017 года составила 49 %.

Всего в мире в 2015 году было выплавлено 1 620 млн тонн стали, в 2017 году объём мирового производства составил 1 691,2 млн тонн[15].

В десятку стран-лидеров по выплавке стали вошли[15]:

СтранаВыплавка в 2017 году, млн тонн
Китай831,7
Япония104,7
Индия101,4
США81,6
Россия71,3
Южная Корея71,1
Германия43,6
Турция37,5
Бразилия34,4
Италия24,0

Производство стали по континентам и регионам распределяется следующим образом:

Регионы мира2011 год2017 год
Азия954 1901 162 500
Европейский союз (27)177 431168 700
Северная Америка118 927116 000
СНГ (6)112 434102 100
Южная Америка48 35743 700
Прочая Европа37 181
Ближний Восток20 325
Африка13 966
Океания7 248
Всего в мире1 490 0601 691 200

2008 год

В 2008 году в мире было произведено 1 млрд 329,7 млн тонн стали, что на 1,2 % меньше, чем в 2007 г. Это стало первым сокращением годового объёма производства за последние 11 лет.

2009 год

По итогам первых шести месяцев 2009 года производство стали в 66 странах мира, доля которых в мировой сталелитейной отрасли составляет не менее 98 %, сократилось по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года на 21,3 % — с 698,2 млн тонн до 549,3 млн тонн (статистика World Steel Association).

Китай увеличил производство стали относительно аналогичного периода 2008 года на 1,2 % — до 266,6 млн тонн, в Индии производство стали возросло на 1,3 % — до 27,6 млн тонн.

В США производство стали упало на 51,5 %, в Японии — на 40,7 %, в Южной Корее — на 17,3 %, в Германии — на 43,5 %, в Италии — на 42,8 %, во Франции — на 41,5 %, в Великобритании — на 41,8 %, в Бразилии — на 39,5 %, в России — на 30,2 %, в Украине — на 38,8 %.

В июне 2009 г. производство стали в мире составило 99,8 млн тонн, что на 4,1 % больше, чем в мае 2009 года.

Рейтинг ведущих мировых производителей стали

По данным Metal Bulletin’s Top Steelmakers of 2007[16] производство стали по компаниям производителям составило (в млн тонн):

20072006ПроизводительСтранаПроизводство в 2007 годуПроизводство в 2006 году
11&2ArcelorMittalЛюксембург116,40117.98
23Nippon SteelЯпония34,5033,70
34JFE SteelЯпония33.8031.83
45POSCOЮ. Корея32,7831,20
56Shanghai BaosteelКитай28,5822,53
651Tata SteelИндия26,5223,95
717Jiangsu ShagangКитай22,8914,63
89TangshangКитай22,7519,06
97US SteelСША20,5421,25
1018WuhanКитай20.1913.76
118NucorСША20,0420,31
1211RivaИталия17,9118,19
1315Gerdau GroupБразилия17,9015,57
1413ThyssenKruppГермания17,0216,80
1512СеверстальРоссия16,7517,60
1614ЕвразРоссия16,3016,10
1716AnshanКитай16,1715,00
1825MaanshanКитай14,1610,91
1920SailИндия13,8713,50
2019Sumitomo Metal indЯпония13,5013,32
2123ММКРоссия13,3012,45
2221TechintАргентина13,2012,83
2327ShougangКитай12,8510,55
2422China Steel CorpТайвань12,6712,48
2524JinanКитай12,1211,24

Основные производители стали в России

Производство стали в России в 1992—2015 годах, в млн тонн
Место российских компаний в рейтинге Metal Bulletin
20072006ПроизводительПроизводство
в 2010 году
Производство
в 2007 году
Производство
в 2006 году
1512Северсталь11,0316,7517,60
1614Евраз19,9616,3016,10
2123ММК11,3713,3012,45
3331НЛМК9,329,069,13
4847Металлоинвест3,276,436,28
5147Мечел5,166,095,95
120120ТМК2,002,192,15

Сертификаты качества и соответствия на стальную продукцию

Подавляющая часть стальной продукции подлежит обязательной сертификации. Для простоты в дальнейшем в этом разделе будет упоминаться «прокат», но такие же требования относятся и к поковкам, отливкам, метизам (например, проволока, лента) и проч.

Сертификат качества оформляется предприятием-изготовителем и удостоверяет соответствие продукции действующим нормативам (ГОСТам, ТУ и иным).

Основные нормируемые характеристики:

  • сортамент, то есть геометрия проката (размеры, длина, допустимая кривизна и т. п.);
  • химический состав стали;
  • технические условия (механические свойства, отделка поверхности, для отдельных видов — структура стали и некоторые другие параметры).

Для каких-то видов проката каждая характеристика нормируется отдельным ГОСТом; какие-то ГОСТы объединяют две и даже все три характеристики.

Примеры:

1. Уголок горячекатаный 50х50х5 мм длиной 12,0 м из марки ст3сп-5 нормируется тремя ГОСТами:

  • ГОСТ 8509-93 — на размер (50х50х5мм), длину прутков 12,0 м, допустимую кривизну и т. п.
  • ГОСТ 380—2005 на химсостав (ст3сп)
  • ГОСТ 535—2005 на механические свойства

2. Круг горячекатаный 25 мм из марки ст20 нормируется только двумя ГОСТами:

  • ГОСТ 2590—2006 — на диаметр 25 мм и допустимую кривизну
  • ГОСТ 1050-88 (новая редакция 1050—2013) на химсостав, и на механические свойства, качество поверхности и т. д.

3. Арматура АIII 28 мм из марки 25Г2С — все параметры регламентируются по ГОСТ 5781-82.

Сертификаты соответствия (в основном) удостоверяют, что тот или иной вид проката, выпускаемого предприятием, отвечает требованиям, не имеющим прямого отношения к прокату как таковому: санитарно-гигиеническим, строительным, особым требованиям, предъявляемым к прокату для нужд атомной, авиационной, судостроительной и некоторых других специальных отраслей промышленности. Выдаются такие Сертификаты специально уполномоченными организациями — в зависимости от назначения проката.

См. также

  • Сталеплавильное производство
  • Сталеплавильный процесс
  • Сталь кортеновская
  • Список стран по выплавке стали
  • Крупнейшие производители стали в мире

Примечания

  1. Сталь в викисловаре.
  2. «Материаловедение» Арзамасов Б. Н.
  3. Akanuma, H. The significance of the composition of excavated iron fragments taken from Stratum III at the site of Kaman-Kalehöyük, Turkey (англ.) // Anatolian Archaeological Studies : journal. — 2005. Vol. 14. P. 147—158.
  4. Ironware piece unearthed from Turkey found to be oldest steel, The Hindu (26 марта 2009). Архивировано 29 марта 2009 года. Дата обращения 27 марта 2009.
  5. Загадка булатного узора.
  6. Булат и дамасская сталь — загадки и история.
  7. Танковая броня
  8. ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75
  9. ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79
  10. Раздел 3.7. Теплопроводность // Новый справочник химика и технолога. — Спб.: MMVI, НПО «Профессионал», 2006. — Т. 12.
  11. ПОЯСНЕНИЯ К ЕДИНОЙ ТОВАРНОЙ НОМЕНКЛАТУРЕ ВНЕШНЕЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЕВРАЗИЙСКОГО ЭКОНОМИЧЕСКОГО СОЮЗА (ТН ВД ЕАЭС).
  12. В России остановили крупнейшую мартеновскую печь. РБК. Дата обращения 23 марта 2018.
  13. Васильев А.В., Ермаков С.Б. Причины разрушения высокопрочных сталей при пониженных температурах // Науч. журн. НИУ ИТМО; серия «Холодильная техника и кондиционирование». — 2008. № 2.
  14. Сравнительная таблица твёрдости металлов и сплавов (рус.)  (неопр.) ?. Полный марочник сталей и сплавов | Vse-Stali.ru (13 января 2020). Дата обращения 14 января 2020.
  15. Мировое производство стали в 2017 году выросло на 5,3 процента
  16. Wold top steelmakers of 2007 // Metal Bulletin Weekly. — 17 March 2008. № 9038. С. 7.

Ссылки

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.