Справочник автора/Металлургия/Сталь

Материал из Posmotre.li
Перейти к: навигация, поиск

Железо — хороший металл: пластичный, хорошо обрабатывается резанием, в сплавах с углеродом и другими элементами очень прочный. И дешёвый: все реакции ядерного распада тянутся к железу, так что железа на Земле много, известных запасов хватит на пару веков.

Крупных недостатка три. Оно довольно активно — то есть ржавеет и практически не встречается в самородном виде. Плавится при 1500°, эта температура труднодостижима в античное время. И, наконец, у чугуна нет всех этих хороших свойств, кроме дешевизны — так что до появления кричного горна чугун будет отходом.

Что из железа делают[править]

Огромная часть всего добываемого железа получается в результате совместного расплава с углеродсодержащими веществами (графит, уголь каменный, уголь древесный), и логично, что получившиеся сплавы называют именно по содержанию в них углерода:

  • До 0,08 % — собственно железо.
  • До 2,14 % — сталь.
  • Свыше 2,14 % — чугун.

Углерод содержится в стали в виде карбидов железа или вкраплений атомов углерода в кристаллическую решетку железа, и при абсолютно одинаковом массовом содержании углерода свойства сплава могут здорово отличаться в зависимости от того, в каком виде углерод в нём находится.

В абсолютно любом угле присутствуют сера и фосфор, поэтому они есть и в стали, но это вредные примеси. При низких (чем ниже −20 градусов, тем сильнее) и при высоких (более 200 градусов) температурах они вызывают хрупкость и потерю прочности стальных изделий, а при обычных температурах — плохо влияют на свариваемость и ковкость железа. Именно по этой причине все стали делят по качеству именно по их содержанию — чем меньше серы и фосфора, тем более качественна сталь:

  • Обыкновенного качества — P и S — до 0,05 % (при 0,2 % углерода маркировка Ст20).
  • Качественная — P и S — до 0,035 % (при 0,2 % углерода маркировка Сталь 20).
  • Высококачественная — P и S — до 0,025 % (при 0,2 % углерода маркировка 20А).
  • Особовысококачественная — Р и S — до 0,015 % (при 0,2 % углерода маркировка 20Ш).

Разница в содержании серы и фосфора всего в 0,035 % повышает цену стали и изделий из неё в 50-1000 раз.

Практически обязательно в любой стали присутствуют кремний и алюминий. При плавлении железа в нём очень активно начинает растворяться кислород, что очень плохо: при остывании расплава он будет мелкопористым из-за пузырьков воздуха, да и коррозию никто не отменял. Поэтому в расплав обычно добавляют алюминий (реже кремний) для связывания кислорода. В старину металлурги добавляли для этого в расплав разные кремниевые флюсы или даже обычный песок. Кроме того, кремний обычно содержится и в угле, пусть и в малых количествах.

Углерод повышает прочность и коррозионную стойкость стали, но снижает её ковкость. Именно по этой причине режущие кромки оружия обычно соответствуют стали 60-80 (0,6-0,9 % углерода), но целиком сделать из неё меч нельзя, так как при нагрузке он скорее сломается, чем деформируется. С другой стороны, хрупкость имеет свои плюсы — иначе бы было проблемно заточить режущую кромку. Получить одновременно и прочную, и износостойкую сталь можно только добавлением к ней других веществ (легированием). При добавлении марганца можно получить очень прочную и износостойкую сталь — такие лезвия будут очень долго держать заточку и не ломаться. Именно из марганцовистой стали делают пружины, траки, торсионы, валы, шестерни. Только при большом содержании марганца повторно заточить кромку будет очень непросто, а иногда и невозможно.

Существуют также ферросплавы — сплавы железа с легирующими элементами; используют их только на приготовление стали. Так, в феррохроме 60+ % хрома, остальное железо, прочих элементов — по минимуму. Делают их, как правило, в электропечах.

Чугун впервые получили в постоянных железоделательных печах где-то в I тысячелетии; широко стали применять около XVII века. Сталь делают выжиганием углерода из чугуна, и в современном её виде получили в бессемеровском конвертере в середине XIX века.

История железа[править]

Эпоха до металлов[править]

Нелишне затронуть и её. Основными материалами каменных орудий кроманьонцев были кремний и кварц. Потомки накопили огромный практический опыт в их изготовлении и столь аккуратно выбирали небольшие камешки с острыми гранями, а умельцы и вовсе очень аккуратно кололи на них более крупные, что умудрялись собирать из них наконечники копий, стрел, гарпуны, а чуть позже — столовые ножи, шильца и даже иглы. По отзывам археологов, самые лучшие каменные ножи по остроте и рабочим качествам не особо уступали современным. Собственно, многие и сейчас пользуются керамическими ножами — это тоже камень, но искусственный. Для этого требовалось мастерство и опыт подбора заготовок на грани ВЫСОКОГО искусства и огромное количество времени на поиске самих заготовок. Иногда этим умельцам в поисках попадались куски странного красноватого камня со странным блеском…

Медь и бронза[править]

Медь — это первый металл, который стоит в ряду активности за водородом (то есть не поддаётся электрохимической коррозии). Соль меди контактирует с любым неблагородным металлом (например, железом) — железо образует соль, медь в осадок. Что из этого следует? А то, что по аналогии с золотыми существуют медные самородки. Вот так-то и придумали ковку. Потом придумали нагревать медь, чтобы избавиться от проблемных мест в самородках, получилась выплавка меди — из-за неактивности медь была единственным неблагородным металлом, который легко выплавляется из руд.

Медь давала плохие инструменты, но их можно было починить — в отличие от каменных, которые надо было вытёсывать заново, долго и с трудом. А если дело совсем плохо — можно расплавить и заново отлить в форме. Медный век охватывает примерно X—IV тысячелетия до н. э.

Потом придумали мышьяковистую бронзу, сплав куда более прочный, чем медь, но с тремя крупными недостатками:

  • Плавка крайне вредна (вспомните хромого Гефеста — это он наглотался паров мышьяка).
  • Лом не утилизируется — мышьяковистая бронза имела слишком высокую температуру плавления, недостижимую для тех времен.
  • Сплав прочный, но хрупкий.

Позже, в первой половине II тысячелетия до н. э., перешли на оловянную либо сурьмистую бронзу. Но месторождений олова и сурьмы в античном мире было раз, два и обчёлся, зато владельцы этих рудников и торговые посредники имели дикий профит с них.

Подробнее о том, как подарили человеку медь податливые окисленные руды и как сдавались обжигу непокорные сульфидные, можно почитать в основной статье.

Метеоритное железо[править]

Чёрные железные камушки вполне себе обрабатываются по технологиям, знакомым с меди. Обычно в метеоритах есть примеси никеля и драгметаллов, придающие железу твёрдость. Оружие получалось приличное (на уровне современных кухонных ножей), но из-за дороговизны скорее оседало в сокровищницах королей, чем участвовало в бою.

Встречается и самородное железо; ближайшее к античному миру месторождение, ныне выбранное, было в Германии. Значительные его месторождения были и есть в Швеции, менее значительные рудники встречаются и встречались по всему альпийскому региону.

Сыродутная печь и возникшие вокруг неё технологии[править]

Древнейшее выплавленное железо стали получать по берегам Чёрного моря во II тысячелетии до н. э. Железистый песок жгли в сыродутной печи (построенной из земли и глины трубе) с древесным углём.

2C + O2 = 2CO
3CO + Fe2O3 + 2Fe + CO2

Любопытно, что из-за высокой температуры плавления железа (чуть ниже 1600°) процесс восстановления проходил без его плавления, в твёрдой фазе. Это мешало избавиться полученному железу от включений, шлака и непрореагировавшей руды.

То, что получилось, называлось крица — смесь железа и шлака. Чтобы избавиться от шлака, крицу проковывали молотом. Железо получалось дрянное, хуже тогдашней бронзы. К тому же сыродутная печь была одноразовая, на новую плавку приходилось строить новую печь. Многократной ковкой, совмещенной с обработкой хорошим флюсом, особо продвинутые мастера получать почти свободное от шлака «белое железо» — но стоило оно как минимум на порядок дороже обычного.

На рубеже I и II тысячелетий до нашей эры случилось вполне ожидаемое: разведанные месторождения олова были выработаны, а новых не нашли. Кто-то стал передавать бронзовые мечи по наследству, кто-то перешёл на «бросовый металл»… Чтобы получилась «Тисона, меч в тысячу марок», а не железяка какая-то, пришлось решить много задач, и они решались безвестными кузнецами доброе тысячелетие.

  • Как избавиться от примеси кремния — для этого вместе с железным песком закладывали флюс (известняк).
  • Как контролировать содержание углерода в железе. Делалось это кузнецами буквально на глаз, по цвету каления, и передавалось от одного к другому. Лучшие изделия делали из заготовок, пролежавших пару лет в земле или воде, чтобы самые плохие части проржавели.
  • Кристаллическое железо можно было получить только из расплава, а без него был выбор: много углерода — хрупко, мало — пластично. Пришлось сковывать пакеты заготовок с разным содержанием углерода — вот вам и знаменитые технологии производства японских катан (хотя делали так повсеместно). Плюс закалка кромки меча. А если много раз складывать и ковать — получается дамаск (не путать с булатом).

Не удивительно, что профессия кузнеца имела магический налёт. Ковали обычно парами: кузнец тук маленьким молоточком, здоровяк-молотобоец бум в это место здоровенной кувалдой! Так что знаменитая русская игрушка «мужик и медведь» имела вполне реальный прототип.

Только на рубеже I тысячелетия начался железный век, но он позволил, например, массово строить дома из брёвен. Одной из причин появления средневековья стало железо: меч, отработанный к IX в., требовал именно железа, причём хорошего. Плюс сложного обучения. А ещё доспехи, тоже железные. Вместе с хорошим питанием, присущим помещику, получился человек-танк, которого было трудно убить, да и невыгодно убивать: лучше взять в плен за выкуп. Вот такой вышел феодализм: воюем (и это дело было не такое опасное, как кажется), зато получаем земли за военную службу.

Железо было дорогое, и рекламой плотнику было, что он строит «без единого гвоздя». В кораблестроении использовались гвозди, но чаще деревянные, реже медные и бронзовые, т. к. нержавеющую сталь делать тогда не умели, чугун мало где применим, а железо и сталь мгновенно в море корродировали. И хотя металлические детали в кораблестроении применялись ещё с античности, но исключительно стягивающие и сквозные соединения с тщательной их обмазкой и защитой от воздуха: большие суда строить без применения металла чисто из дерева было просто нельзя из соображений прочности. Стальные, бронзовые, чугунные т. н. «дельные вещи» в виде рымов, талрепов, карабинов и т. д. применялись ещё до Колумба, а судовой кузнец был обязательным членом экипажа ещё задолго до отплытия эскадры Васко да Гамы в Индию.

Но в повозках железные и прочие гвозди применялись довольно широко — всё равно ресурс тех частей, которые сбивались гвоздями, был ниже ресурса гвоздей, зато с железными гвоздями ремонт проходил быстрее.

Металлолом и сейчас — не мусор, а утиль, а тогда перековывали всё, что было металлического! На пожарище мгновенно появлялись кузнецы в поисках гвоздей. До того, как появилось гвоздильное производство из проволоки, кованые гвозди имели вид четырёхгранной пирамиды — так всё ещё выглядят ж/д костыли (потому что громадные) и подковные ухнали (загибать удобнее).

И вторая ошибка, ставшая штампом — нарисовать какое-то круто выглядящее оружие, не задумываясь о технике боя и технологиях ковки.

Внимание, ошибка! В одной из мобильных игр я видел квест: помочь гномам найти месторождение каменного угля, чтобы не жгли деревья. Не помню, на топливо или на железо, объясню то и другое. На топливо: каменный уголь знают с древних времён (никакого хайтека не нужно, вспомним донбасские «копанки»), но уголь добывают в месторождениях, а потребляют везде. Только железная дорога позволила развозить уголь. На железо: каменный уголь содержит серу, которая делает железо хрупким. Нужен не просто уголь, а кокс.

Переход на промышленные технологии обработки железа[править]

Где-то в I тысячелетии индийцы придумали штукофен, или домницу — постоянную печь для выплавки железа с высокой (4 м и более) трубой для тяги. Мехи качали несколько человек, а то и водяной двигатель. В штукофене индусы сумели сделать булат — но для этого потребовалась качественная руда и графит вместо древесного угля. Да и сам процесс науглероживания железа не быстрый. Штукофен давал уже до 250 кг крицы в день — но очень много руды переводил в чугун. (По другим источникам, чугун смогли получить и древние римляне). Никакого применения этот чугун не имел и шёл в отходы: отделить железо от шлака можно было только ковкой, а чугун не куётся.

Не удивительно, что штукофен распространился, когда остальные технологии по железу были доведены до кондиции — около XIV в.

Новая печь, блауофен (XV в.). Сделали трубу ещё выше, добавили предварительный нагрев воздуха. Стало лучше железо, стало больше чугуна, но и он стал лучше — из него можно было лить строительные блоки и пушечные ядра.

И тут, около XVI в., сделали такой механизм (кричный горн). На решётке лежит уголь, на нём — чугун. Под решёткой — подача воздуха. Чугун плавится, стекает вниз, и там углерод окисляется. Температура плавления железа больше, чем чугуна, кусок железа загустевал, его ломом вытаскивали наверх — противная, сам понимаете, работа. Когда накопится 50—100 кг крицы, её вытаскивают на проковку. Это оказалось революцией: теперь из чугуна можно делать железо (так называемый передельный процесс)! Метод с точки зрения химика нелепый: сплавить железо с углеродом, чтобы потом выжечь углерод? Но другой технологии не было. Тут уже не стали мелочиться: дунули посильнее и пустили весь металл в чугун. То, что получилось, назвали доменной печью — от слова «дуть». Отсюда же «надменный», то есть «надутый».

И поныне чугун делают в доменных печах, потомках тогдашней, из принципиально нового только кокс и работа на природном газу. А вот передельные процессы сегодня другие, и теперь вся история чёрной металлургии о том, как стали превращать чугун в железо и сталь.

Кокс — почти чистый углерод, добытый обжигом каменного угля без доступа воздуха — изобрели древние китайцы. Видимо, поначалу им топили дома вельмож, потом применили и в металлургии. История кокса на Западе аналогичная: к XVII в. в Англии случился дровяной кризис, запретили выплавлять чугун (его импортировали из России). Зато возник вопрос: чем топить пивоварни (угольный дым вредил бухлу). В XVII в. изобрели кокс, и только к XVIII в. его загрузили в домну.

Водяной двигатель мог качать мехи, а вот чтобы заменить здоровяка-молотобойца машиной, потребовался паровой двигатель (начало XVIII в.). Получился кузнечный пресс.

В конце XVIII в. Генри Корт придумал пудлинговую печь — главным отличием от кричного горна стала изоляция чугуна от топлива. Процесс производства железа был столь же противный. (Тот же Корт, кстати, придумал прокатный стан.)

Лирическое отступление: один из атрибутов стимпанка — шкив с кривыми спицами. Чугун к тому времени стал достаточно хорош, из него уже можно лить, например, станины машин — и эти самые шкивы. Но чугун остаётся хрупким, он может разломаться даже от теплового расширения — потому, чтобы как-то пружинил, спицы стали делать кривыми. А ещё количество спиц делали нечётным — чтобы при усадке отливки круглый шкив не стянуло в многогранник (давление от каждой спицы распределяется на две противолежащих);

В 1856 г. Генри Бессемер разработал первую печь по производству настоящей стали — так называемый бессемеровский конвертер. Это сосуд грушевидной формы с отверстиями внизу. Конвертер кладут на бок, заливают чугун, включают дутьё и ставят конвертер вертикально. Слова «бессемеровская сталь» стали своего рода брендом: теперь то, что кузнец собирал из полос разных сортов железа, можно было сделать, например, литьём или прокатом, массово и дёшево. А поскольку слиток — в отличие от поковки — достаточно однороден, такую сталь удобно обрабатывать резанием.

Современные техпроцессы чёрной металлургии[править]

В 1865 г. Пьер и Эмиль Мартены разработали мартеновскую печь. В основе — отражательный свод, уменьшающий контакт топочных газов с металлом, и регенераторы, предварительно нагревавшие воздух до высокой температуры. Последнее позволяло поднять температуру топочных газов и расплавить сталь.

Если в конвертер можно было грузить металлолом в очень небольших количествах, мартен снова сделал металлолом настоящим утилем. Мартеновская и бессемеровская сталь имели немного разные свойства, но из-за того, что мартеновский процесс более повторяем, он надолго стал главной технологией выплавки стали. В 2018 году в России закрыли последний мартен, и эти печи остались только в Индии и на Украине. Сейчас сталь плавят в конвертерах и электропечах.

Сталь продували, разумеется, воздухом. А в нём 78 % азота, и он вреден. В XX в. сделали дешёвый кислород, и его стали запускать в мартен (в конвертерах развивалась такая температура, что он прогорал). В умеренных, разумеется, количествах — огнеупоры плавились и там. В 1952 г. освоили кислородно-конвертерный процесс: кислород подавали сверху по трубе, а для охлаждения в него постоянно добавляли лом.

Хорошая сталь содержит много легирующих элементов. Но как сделать, чтобы они сплавились со сталью, а не окислились в шлак? Для этого в начале XX в. придумали электропечи — дуговые и индукционные. В них-то может быть любая атмосфера: хоть окислительная, хоть восстановительная, хоть нейтральная. Сначала в окислительной атмосфере добивались нужного количества углерода, убирали шлак, добавляли ферросплавы с нужными элементами и грели без доступа воздуха. В дуговой печи устраивали дугу между чугуном и графитовым электродом, в индукционной грели током высокой частоты.

Из относительно новых технологий — вакуумные печи (снижают количество азота и кислорода в стали), электрошлаковая переплавка (метод очистки стали от серы и фосфора) и прямое восстановление железа в обход чугуна (если дешёвая электроэнергия или большие штрафы за выбросы вредных веществ, бывает дешевле).

[Напишите кто-нибудь про них побольше]

Термообработка стали[править]

Базовые виды[править]

  • Отжиг (нагрев докрасна и медленное охлаждение вместе с печью, в горячей золе, песке и т. п.). Делает сталь пластичной и ковкой. Известен с глубокой древности (применялся еще для меди в медно-каменном веке)
  • Нормализация — самый простой вариант: нагрев докрасна и охлаждение на воздухе.
  • Закалка (нагрев докрасна и резкое охлаждение), обязательно совмещалась с последующим отпуском (умеренным нагревом — температура зависела от назначения: низкий — 150—250°, для режущего инструмента; средний — 350—500°, для пружин, доспехов и т. п., высокий — 500—700°, для ответственных металлоконструкций).

Закалка изобретена на рубеже II и I тыс. до н. э. (самая древняя находка — г. Идалион на Кипре). Это самая ответственная из операций термообработки: небольшая ошибка в температуре нагрева или способе погружения в закалочную жидкость может привести к трещинам или к сильным деформациям изделия. При этом будет ли лезвие острым или тупым — на 90 % зависело именно от температуры закалки!

В качестве традиционной закалочной среды применялась вода (обязательно прохладная — 15—25°), зачастую брали ее лишь из строго определенных рек (Халон и Хилока в Испании, Фюр — во Франции, Деруэнт — в Англии), а также растворы на ее основе, часто весьма экзотичные — моча трёхлетнего барана или рыжего мальчика (кстати, реально гораздо лучше воды: присутствующая в моче соль обеспечивает более резкую и равномерную закалку, а мочевина резко снижает риск появления трещин), кровь (реально — никуда не годный вариант: она моментально сворачивается и на изделии образуется комок белка, препятствующий нормальному охлаждению), молоко (дает не очень твердое, но очень острое лезвие — как и знаменитая закалка в потоке ветра). Для особо капризных изделий использовали закалку в мокрой х/б тряпке, в мокром войлоке (причем пропитанном не водой, а смесь крови, уксуса и лукового сока!), в стволе бананового дерева (он по твердости сопоставим с картофелиной), в свежескошенной траве или лесной ягоде и т. п.

Из неводных закалочных сред наиболее популярны разные виды масел (в наше время — индустриальных, в старину — животные и растительные; в Африке, ессно, особо котировалось оружие, закаленное в человеческом жиру).

Более сложные случаи[править]

  • Азотирование — выдержка стали в слое азота или его соединениях (соли азотных кислот, аммиак, но не азотная кислота) резко повышает прочность её поверхностного слоя и стойкость к коррозии даже при комнатных температурах. Собственно, приведённые выше примеры закалки в моче фактически и есть азотирование. Самородное железо обычно встречается в виде не больших самородков, размером с небольшую горошину и менее, и кельты железного века додумались скармливать их курам или гусям пополам с зерном, а потом промывать их помёт. Это можно было проделывать неоднократно. Этот метод позже переняли и германцы. Годится и просто выдержка готового изделия в чане кипящей мочи; кое-где реально применялся (Индия, Китай), но ввиду тошнотворности, конечно, не получил распространения. В современности он заменен ваннами из нагретых до 500 градусов растворов солей азота либо специальными печами и камерами с нагретым до 1000 градусов аммиаком.

Ссылки[править]