Производство сплавов железа

Железо — главный металл современной техники.

Чистое железо в качестве конструкционного материала мало пригодно. Оно недостаточно прочно: и чугун, и сталь — сплавы железа с углеродом — намного прочнее его. О том, что углерод делает железо прочнее, догадывались еще в XVIII в. Французский химик и металлург Базен еще в 1737 г. писал, что эльзасская сталь — это нечто среднее между чугуном и чистым железом. Однако большинство его современников придерживались диаметрально противоположной точки зрения. Один из них писал: «Железо есть металл несовершенный... Вероятно, составлен он из собственной ему земли (окиси) и горючего вещества, он есть самый твердый и упругий металл, когда бывает без примеси».

С первым из этих утверждений — о несовершенстве железа — согласиться трудно: что считать совершенством, какими критериями руководствоваться? К совершенству или несовершенству чистого железа мы вернемся чуть позже, а сейчас попробуем с позиций современного знания оценить второе утверждение—о том, что железо без примесей — вероятно... и есть «самый твердый и упругий металл».

Очевидно, что это предположение не верно. Чистому железу, без примесей, свойственна большая коррозионная стойкость, магнитные свойства у него замечательные, что же до твердости и упругости, то эти показатели чистого железа, прямо скажем, посредственны. Удаление из сплавов на основе железа «горючего вещества» углерода приводит к потере и упругости, и твердости.

Крайне противоречивым было отношение ученых прошлого и к другим содержащимся в чугуне и стали примесям. Так, немецкий металлург и химик Карстен, точно установивший химическую природу чугуна и стали, считал кремний вредной примесью в чугуне. А сегодня металлурги широко используют кремний для раскисления стали — удаления из нее действительно вредных примесей, в первую очередь кислорода.

Читатель, конечно, знает, что сейчас существуют стали разных марок, разного состава и назначения; знает он и о том, что полезные качества придают стали разные легирующие добавки. Потому о легировании поговорим лишь очень кратко.

Первой легированной сталью массового производства стала сталь Гадфильда, названная по имени изобретшего ее английского металлурга. В составе стали Гадфильда—1—1,5% углерода и 12—14% марганца.

Промышленное производство этой стали началось еще в 1832 г. Сталь Гадфильда отличается большим сопротивлением удару и истиранию, поэтому ее широко используют в производстве экскаваторов, драг, камнедробильных машин, шаровых мельниц. Пожалуй, больше всего этой стали идет на изготовление железнодорожных стрелок.

Сталь, легированная хромом, известна с двадцатых годов прошлого века, но массовое производство этой стали началось лишь в начале нашего столетия.

Хром придает стали многие полезные свойства — жаропрочность, твердость, коррозионную стойкость, именно поэтому его вводят в состав стали разных марок, разного назначения. Например, в нержавеющей стали от 12 до 20% хрома.

Никель тоже повышает прочность стали и одновременно — ее упругость. Этот металл входит в состав многих сталей и, в частности, в броню, как, впрочем, и другой важный легирующий металл — молибден.

Самый, пожалуй, необычный из никельсодержащих черных сплавов получил неофициальное название «деревянной стали». В этом сплаве никеля — 31%, а хрома — всего один; остальные 68%—доля железа и неизменного углерода. В 1927 г. на выставке в Берлине посетителям демонстрировали эффектный фокус. Стендист брал в руки небольшую металлическую кастрюльку, наливал в нее воду и кипятил. А затем—спокойно снимал кастрюльку с огня, взяв ее за металлическую ручку.

Стендист не был йогом. Присутствующие имели возможность убедиться, что ручка, за которую он брался,— теплая, но не горячая. Она была сделана из «деревянной стали», теплопроводность которой чуть больше, чем у дерева. Зато другая ручка, той же кастрюли, сделанная из обычной стали, была очень горячей, и ее нельзя было взять незащищенной рукой.

Серьезно влияют на качество стали и многие другие элементы: титан, алюминий, вольфрам, бор, ванадий...

Генри Форд, основатель крупнейшего американского автомобильного концерна, говорил: «Если бы не было ванадия, то не было бы и моего автомобиля». И действительно, ванадиевая сталь, впервые широко примененная в автомобилестроении на заводе Форда, стала для этой отрасли машиностроения незаменимой. Однако такие марки стали применяются не только в автомобилестроении. Сложное технологическое оборудование размещается в стеллажах, предлагаемых на предприятии шкафы-19.рф и других подобных организациях. Они также изготавливаются из стали, устойчивой к воздействию вибраций.

Особое место среди множества марок стали занимает низкоуглеродистая электротехническая сталь.

В этой стали содержание главного элемента — железа больше, чем в любой другой стали. По существу, это технически чистое железо; доля углерода в нем лишь 0,02—0,04%, других примесей еще меньше. Такая сталь нужна для изготовления сердечников и полюсов электромагнитов, ибо магнитная проницаемость чистого железа выше, чем у подавляющего большинства сплавов. Из других характерных свойств высокочистого железа следует отметить химическую стойкость и слабую растворимость в нем газов. Направленное легирование высокочистого железа позволяет получать сплавы с лучшими прочностными характеристиками, чем у самых прочных сталей, полученных классическим путем.

Металловеды, имеющие сегодня дело с железом, часто говорят не только о химической чистоте (отсутствии примесей), но и о чистоте физической. В это понятие они вкладывают не совсем очевидный смысл. «Примесью» в металле может считаться и нарушение его внутренней структуры, кристаллической решетки и, как следствие, локализация электронов в одном месте.

Самые совершенные структуры в неживой природе — это структуры кристаллов. Кристаллы чистого железа коллекционировал известный русский металлург Д. К. Чернов. Экспонаты этой коллекции помогали ученому глубже постичь зависимость свойств металла от его строения. И радость Чернова, получившего от одного из учеников железный кристалл длиной около сорока сантиметров, была не только радостью коллекционера, пополнившего свои «владения» редким экспонатом. Это была радость ученого, получившего в руки благодатный объект исследования.

Между прочим, знаменитый кристалл Чернова — не единственный в своем роде. И в наши дни в металлических слитках несколько раз обнаруживали крупные железные кристаллы глубокого черного цвета. Прошло время, когда интерес к металлическим кристаллам носил сугубо теоретический интерес. Когда из кристаллов железа сделали лопатки турбин экспериментального самолета, эти лопатки проработали под нагрузкой вдвое дольше, чем традиционные, сделанные из жаропрочных сплавов.

Наибольшей физической чистотой обладают так называемые «усы» — тончайшие кристаллы нитевидной формы. Предел прочности железных «усов» на разрыв—1200—1300 кг/мм2. Это очень много: сталь с пределом прочности всего в 200 кг/мм2 считается сверхпрочной.

Мировое производство стали в наши дни превысило 600 миллионов тонн в год. В научных исследованиях, так или иначе связанных с железом, заняты миллионы людей. Еще больше их работает в черной металлургии и машиностроении — отраслях, «железных» в своей основе. Тем не менее нельзя сказать, что о главном металле наших дней мы знаем буквально все.