1. Краткие сведения о металлургическом производстве Состояние и тенденции развития черной металлургии Способы производства металлов и сплавов

Легированные стали
В легированных сталях кроме углерода и примесей содержатся специально добавленные перед выплавкой или во время ее легирующие элементы. В период кристаллизации легирующие элементы взаимодействуют с железом и углеродом, а также между собой, образуя новые фазы, что и приводит к изменению химического состава, структуры и вместе с тем свойств стали.
Легированными называют такие стали, в которых кроме железа и углерода содержатся специально добавленные элементы для улучшения их свойств.
Эти элементы называют легирующими. К ним относятся Cr, Ni, Mo, V, Ті и т.д.
І. Классификация легированных сталей. Эти стали классифицируют по следующим признакам: название основных легирующих элементов, содержание легирующих элементов в стали и т.д.
1, По названию основного легирующего элемента. Легированные стали разделяют на хромистые, хромоникелевые и т.д. Основными легирующими элементами в этих сталях является хром, никель.
2. По содержанию легирующих элементов. Легированные стали разделяют на малолегированные (содержание легирующих элементов не превышает 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (свыше 10%).
3. По назначению: конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные – низко- и среднеуглеродистые; инструментальные – высокоуглеродистые.
II. Маркировка легированных сталей. Маркируют легированные стали с помощью больших букв и цифр. Буквой обозначают название легирующего элемента, который содержится в стали, цифра после буквы означает его среднее содержание в процентах. Если в стали содержится менее 1% данного элемента, то пишут только букву.
Каждый легирующий элемент обозначают буквой, например:
Н - никель;
Г - марганец;
С - кремний;
П - фосфор;
Ю - алюминий;
Б - ниобий;
Х-хром;
М-молибден;
К-кобальт;
Т-титан;
Ф – ванадий,
Д – медь
В - вольфрам

Среднее содержание углерода в стали обозначают цифрами, которые ставят в начале марки. Если содержание углерода в стали около 1%, то цифры не ставят, если десятые или сотые доли, то в соответствии ставят одну или дни цифры. Например, сталь марки 12ХНЗ содержит около 0,12% углерода, 1% хрома и 3% никеля.

Конструкционные стали

Конструкционными называют стали, которых изготавливают детали машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

Основным критерием выбора нужной стали для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений являются механические свойства стали и их стабильность в условиях эксплуатации изделий. Кроме того, конструкционные стали должны иметь хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (ковкой, штамповкой, вальцеванием и т.п.), резанием и хорошо свариваться.
Углеродистые конструкционные стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.
Стали обыкновенного качества содержат повышенное количество серы (до 0,05%), фосфора (до 0,04%) и азота (до 0,008%). их варят в мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кислородных конвертерах. Этих сталей производят больше - около 80% углеродистых сталей.
Качественные стали содержат меньшее количество примесей, чем стали обыкновенного качества: серы - < 0,04%, фосфора - < 0,035-0,04%. Кроме того, они менее загрязненные неметаллическими включениями.
Легированные конструкционные стали выплавляется в основном качественными (<0,035% Р и < 0,035% S).
Очень качественные стали содержат меньше вредных примесей, чем качественные (<0,025% Р и < 0,025% S).
В строительстве для изготовления конструкций и сооружений используют углеродистые и легированные стали. Поскольку детали строительных конструкций соединяют сваркой, то для их изготовления используют малоуглеродистые стали обыкновенного качества.
Прочность строительных сталей увеличивается вследствие их легирования небольшим количеством недорогих легирующих элементов.
Малолегированные строительные стали содержат до 0,22% С и легирующие элементы: до 1,8% Мn, 1,2% Si, 0,8% Сr, 0,8% Ni, 0,5% Сu, 0,15% V, 0,03% Ti; 0,15% N и другие отдельно или вместе взятые химические элементы.
Строительные стали используют для армирования бетонных конструкций, во время изготовления железобетона и т.д.

Инструментальные стали

Инструментальными называют стали, из которых изготавливают инструменты для обработки конструкционных материалов резанием, штампы для изготовления заготовок давлением, измерительные инструменты и т.д.

Инструментальные стали должны иметь большую твердость (60-65 НRС), прочность, износостойкость, теплостойкость (т.е. способность сохранять большую твердость в процессе нагрева во время работы) и т.д.
По теплостойкости инструментальные стали разделяют на три группы: 1 - нетеплостойкие, 2 - полутеплостойкие (выдерживают нагрев до 400 - 500 ⁰С), 3 - теплостойкие (выдерживают нагрев до 550-650 ⁰С).
К первой группе относятся углеродистые и легированные стали, содержащие 3-4% легирующих элементов; ко второй - стали, которые содержат свыше 0,6-0,7% С и 4-18% Сr, к третьей - высоколегированные стали, содержащие Сr, W, V, Mo, Co их называют быстрорежущими.
Из углеродных инструментальных сталей изготавливают режущие инструменты (фрезы, сверла и др.), которые работают только при небольших скоростей резания, поскольку во время нагревания свыше 200 ⁰С твердость углеродистой стали уменьшается.
Из легированных инструментальных сталей изготавливают режущие инструменты, которыми можно резать конструкционные материалы со скоростью резания 0,8-1,3 м/с (развертки, ручные развертки и т.д.). Инструменты изготовлены из этих материалов выдерживают нагрев до 200-250 ⁰С.
В отличие от углеродистых и легированных сталей быстрорежущие является теплостойкими, твердыми и износостойкими при высоких температурах. Они не меняют своих режущих свойств вплоть до температуры 600-650 ⁰С. В случае использования инструментов, изготовленных из этих сталей, скорость резки увеличивается в 2-4 раза по сравнению с инструментами, изготовленными из легированных сталей.
Для изготовления инструментов, с помощью которых производят из конструкционных материалов изделия давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валки и т.п.), используют стали, которые называют штамповочными. Поскольку названные инструменты работают в условиях высоких температур и механических нагрузок, то выбор стали обусловлен именно этими факторами. Для изготовления измерительных инструментов (линейки, шаблоны, шкалы и т.п.), которые в течение длительного времени сохраняют форму и размеры, используют стали большой твердости и износостойкости с минимальным коэффициентом линейного расширения. Это высокоуглеродистые хромистые стали.

Специальные стали

Специальными сталями называют стали с особыми свойствами.

Современные отрасли промышленности (химическая, ракетная техника, атомное и космическое машиностроение) ставят очень большие требования к конструкционных материалов: они должны быть корозиестойкими в агрессивных средах (твердых, жидких, паровых и газовых), жаростойкими. Этим требованиям удовлетворяют нержавеющие, коррозие-, кислото- и жаростойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.
Жаростойкие стали не разрушаются в газовой среде при температурах свыше 550 ⁰С. На поверхности изделий, изготовленных из этих сталей, образуются оксидные пленки, толщина которых со временем увеличивается. На интенсивность окисления влияют состав и строение оксидных пленок. Если пленки пористые, изделия окисляются очень быстро; если плотные, то со временем окисления замедляется и даже прекращается. Для получения плотной защитной пленки стали легируют хромом, кремнием, алюминием отдельно или вместе взятыми. В процессе нагрева на поверхности стальных изделий образуются защитные пленки из оксидов (Сr, Fe)₂О₃, (А1, Fе)₂О₃. Добавление к стали 5-8% хрома повышает ее жаростойкость до 700-750 ⁰С, увеличение содержания хрома до 15-17% делает сталь жаростойкой к 950-1000 ⁰С. Дальнейшее увеличение содержания хрома до 25% повышает жаростойкость стали до 1100 ⁰С. Если до 25% Сr добавить 5% Аl, то сталь выдерживает нагревание до температуры 1300 ⁰С. Из жаростойких сталей изготавливают детали печей, газовых турбин и т.п., которые работают при высоких температурах.
Жаропрочные стали выдерживают одновременно нагрев до высоких температур и нагрузки. Из них изготавливают детали газовых турбин реактивных двигателей, ракет и т.п., которые работают в условиях высоких температур и нагрузок. Изделия, изготовленные из жаростойких сталей, выдерживают нагрев до температуры 500-750 ⁰С.
Коррозиестойкие стали принадлежат к конструкционным материалам, способным не подвергаться воздействию агрессивных сред. Это хромистые и хромоникелевые стали. Содержание хрома в сталях не может быть меньше 12,5%.
Из хромистых сталей изготавливают предметы домашнего обихода, хирургические инструменты, оборудование для пищевой промышленности и т.д.
Хромоникелевые стали имеют высшую коррозиестойкость, чем хромистые. Из них изготавливают оборудование для химической, нефтехимической и пищевой промышленности. Хромоникелевые стали дорогие, поскольку дорогой никель. Именно поэтому никель в этих сталях частично заменяют на марганец.