Илья Мельников - Художественная обработка металла. Черные металлы. Железо. Чугун. Сталь
Ковкий чугун вырабатывается из белого и является его разновидностью. Получают его путем термической обработки – длительной выдержки при температуре 800 – 850˚С. При этом углерод в чугуне выделяется в виде хлопьев свободного углерода, которые располагаются между кристаллами чистого железа.
По своим механическим свойствам ковкий чугун занимает среднее место между чугуном и сталью. Он более вязкий, подвергается правке и чеканке, но не куется.
Применяется при отливке мелких художественных изделий сложной формы, требующих тщательной отделки, которая осуществляется чеканкой.
Из серого чугуна путем специальной обработки – введения в жидкий чугун при температуре не ниже 1673 К чистого магния или его сплавов, получают высокопрочный чугун.
Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными качествами, подвергается почти всем видам термической обработки, приближаясь по свойствам к углеродистым сталям, хорошо обрабатывается резанием.
Применяется в машиностроении при замене стальных и кованых изделий.
По химическому составу чугун подразделяется на нелегированный, малолегированный, среднелегированный и высоколегированный.
В нелегированном чугуне содержатся следующие примеси: марганца – не более 2 процентов, кремния – 4 процента, хрома – 0,1 процент, 0,1 процент никеля.
В малолегированном чугуне суммарное количество легирующих элементов не превышает 3 процентов.
В среднелегированном чугуне суммарное количество легирующих элементов не превышает 7 – 10 процентов.
В высоколегированном – не более 10 процентов.
Легирующие элементы повышают прочность при ударных нагрузках и усиливают антикоррозийную стойкость чугуна.
Маркировка чугунов производится следующими буквенными обозначениями: Ч – чугун; С – серый; К – ковкий; В – высокопрочный; М – модифицированный. Цифрами указываются механические свойства чугуна.
В марках серого и модифицированного чугунов первое двузначное число после букв указывает временное сопротивление при растяжении, второе – при изгибе. Например, СЧ 15-32 – серый чугун с временным сопротивлением при растяжении 150 и при изгибе 320 Мн/м2. В ковком и высокопрочном чугунах первое двузначное число указывает временное сопротивление разрыву при растяжении, второе – относительное удлинение. Например, ВЧ 60 – 2 – высокопрочный чугун с временным сопротивлением разрыву 600 Мн/м2 и относительным удлинением 2 процента.
Марки легированных чугунов обозначаются буквами, которые указывают, какие легирующие элементы входят в состав чугуна и цифрами, стоящими за каждой буквой. Цифры характеризуют среднее содержание данного легирующего элемента. При содержании легирующего элемента менее 1 процента, цифры с соответствующей буквой не ставят. Например, ЧН19Х3 означает чугун, содержащий 19 процентов никеля и 3 процента хрома.
Сталь
Сталь представляет собой деформируемый или ковкий сплав железа с углеродом и другими элементами.
Сталь получается из передельного чугуна путем его переплавки. Во время переплавки из чугуна выгорает часть примесей, так как они окисляются легче, чем железо.
Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и других примесей. Она закаливается, куется, прокатывается, режется и может отливаться.
Содержание железа в стали колеблется в пределах 97,0 – 99,5 процентов. При выплавке ее наряду с углеродом попадают также и такие постоянные примеси, как кремний, марганец, сера, фосфор, азот, водород и некоторые другие.
Кремний и марганец вводят в металл в процессе выплавки с целью улучшения качества стали. Фосфор и сера ухудшают ее качество, но удалить их невозможно. Сера делает сталь красноломкой, т.е. повышает ее хрупкость при высоких температурах, а фосфор – хладноломкой, повышая ее хрупкость при низких температурах.
Общее содержание серы и фосфора в высококачественной стали не должно превышать 0,03 процента; в сталях обыкновенных допускается не более 0,055 – 0,07% серы и 0,045 – 0,09% фосфора.
Скрытыми нежелательными примесями являются также кислород, азот и водород. Они могут находится в виде химических соединений или газов. В зависимости от способа получения стали допускается предельное содержание кислорода 0,1 – 0,01, азота 0,01 – 0,001 и водорода 0,0007 – 0, 0001 процент. В современной металлургии сталь получают главным образом из смеси чугуна, который выплавляют в доменных печах со стальным ломом.
По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами – специальные.
Конструкционную сталь применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин, механизмов судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и других изделий. Она может быть как углеродистой, так и легированной (основными легирующими элементами являются хром и никель).
Мягкую сталь (техническое железо) в давние времена добывали непосредственно из руды. В 18 веке в Англии начали применять получение стали в тиглях. Через некоторое время появился способ получения стали в тестообразном состоянии из чугуна в пламенных печах. Однако эти способы были мало производительны.
В 1856 году Г. Бессемер открыл новый способ получения стали, который был назван по его имени бессемеровским.
Сталь, получаемая бессемеровским и томасовскими способами, называется конвертерной. Качество ее сравнительно невысокое. Из нее изготавливают рельсы, трубы, болты и т.д.
В 1878 году С. Томас несколько видоизменил этот способ, и теперь его называют томасовским.
Томасовская сталь более мягкая и идет на прокат листовой стали (кровельного железа), проволоки и т.п. Преимущество этих способов заключается в том, что процесс получения стали идет очень быстро и стоимость конвертерной стали невысока.
Для получения качественных сталей применяется мартеновский способ, при котором сталь выплавляют в мартеновских печах. Из мартеновской стали изготавливают листовую, сортовую, высококачественную и легированную.
Электросталь выплавляют в дуговых или индукционных высокочастотных печах. По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную.
Углеродистая сталь может быть обыкновенного качества, качественной, повышенного качества и высококачественной.
Обыкновенная углеродистая сталь широко применяют как поделочный материал, из которого изготовляют различными способами художественные изделия, например, декоративные решетки из стальной полосы.
Промышленность выпускает эти стали в форме различных полуфабрикатов и заготовок, получаемых прокаткой, из которых путем последующей обработки можно выполнить художественные изделия.
Стальной прокат подразделяется на следующие группы: листы, трубы, сортовой прокат, периодический прокат.
Листовой прокат подразделяется на толстые листы (толще 4 мм) и тонкие листы. Например, кровельная сталь (кровельное железо), листовая декопированная сталь, т.е. отожженная и травленая сталь, которая становится мягкой и более устойчивой против коррозии.
Белая жесть представляет собой тонкие листы мягкой стали, покрытые с обеих сторон слоем олова.
Жесть может быть черной полированной и т.д.
Сортовой прокат различается по размерам: крупный, средний и мелкий.
Кроме того, он может быть различной формы: квадратным, полосовым, трехгранным, шестигранным, круглым, полукруглым и т.д.
Сортовой прокат может быть угловым, коробчатым (или швеллерным), тавровым, двутавровым, колонным, рельсовым и др.
Для выделки различных художественных изделий мягкая малоулеродистая сталь, которую раньше называли поделочным железом, применялась издавна.
В древней Руси, к примеру, наряду с железом (малоуглеродистой сталью) была известна и высокоуглеродистая сталь с хорошей однородной структурой и содержанием углерода от 0,35 до 0,85 процентов. Из этой стали делали мечи, кинжалы, ножи, сварные клинки со сложным узором, которые изготовлялись по очень сложной технологии.
Из малоуглеродистой стали (ковочного железа) методом свободной ковки кузнечные мастера изготовляли флюгеры, шпили. Применяли ее и при изготовлении витражей, решеток и т.д.
Качество стали зависит от наличия в ней вредных и загрязненных примесей.
Сталь обыкновенного качества выплавляют в бессемеровских конвекторах и мартеновских печах.
Качественную сталь – в мартеновских и электропечах.
Высококачественную сталь – в кислых, основных мартеновских и электрических печах. Электрические печи содержат небольшое количество серы, фосфора, кремния и марганца.
Из инструментальной стали изготовляют инструменты и приспособления для художественной обработки других металлов: резцы, штихели, чеканы, прессформы, граверные пуансоны, матрицы, молотки, мерительный инструмент и т.д. Обыкновенно эта сталь содержит 0,6 – 1,4 процента углерода.
Установлено несколько марок инструментальной углеродистой стали.
