Как мы видим, прежде чем отправить сталь на дальнейшую обработку, приходится выполнить последовательно две операции — разливку и охлаждение стали в изложницах и затем обработку слитков в обжимных цехах.
А нельзя ли объединить каким-то образом эти две операции? Оказывается, можно.
В нашей стране уже работают установки для непрерывной разливки стали. Здесь сталь заливается в кристаллизатор — изложницу с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Проходит несколько минут, и наружный слой стали затвердевает. После этого специальный механизм вытягивает слиток из кристаллизатора вниз. Сверху поступают новые порции расплавленного металла, которые давят на расположенные ниже слои и не дают образоваться усадочной раковине. Таким образом, получается нечто похожее на один длинный слиток. Пока первые порции стали доходят до конца системы, металл полностью затвердевает. Полученный слиток однороден, резко уменьшаются отходы. Из установки после разрезания слитка выходят уже готовые блюмы.
В наше время научная мысль и практика металлургии дают и другие способы улучшения структуры металла. На очереди стоит широкое внедрение вакуумной разливки стали. При этом растворенные в расплавленном металле газы удаляются и структура стали улучшается.
Полученные блюмы и слябы поступают на прокатные станы. Здесь раскаленный металл проходит через систему валков различной формы и выходит со стана в виде проката нужного профиля. Сталь также обрабатывается на различных станках, которые и делают стальные изделия такими, какими мы привыкли их видеть.
«Ну, наконец-то путь железа подходит к концу!» — скажете вы. Не торопитесь! Очень часто полученное изделие еще не может «работать».
Давайте посмотрим, какие требования предъявляет жизнь к изделиям из металла. Понятно, что эти требования очень разнообразны и зависят от назначения детали и от условий ее работы.
По каким свойствам можно судить о качестве металла? Критериев качества несколько. Вот важнейшие из них: твердость, прочность на разрыв, пластичность, упругость, ползучесть (способность изменять форму даже под влиянием небольших, но действующих длительное время нагрузок). Наконец, очень важным свойством является выносливость металла, способность его выдерживать в течение долгого времени нагрузки, меняющиеся по величине и направлению. Коленчатый вал двигателя имеет сложную форму и работает очень напряженно: за один только сельскохозяйственный сезон коленчатый вал тракторного двигателя поворачивается в среднем 50 миллионов раз. Тут и металл устанет! Поэтому важно бывает оценить предел выносливости металла — ту нагрузку, которую деталь может выдерживать сколько угодно раз, не разрушаясь.
Конечно, для разных деталей на первый план выступает тот или иной критерий, самый главный среди прочих. Ниже мы еще будем говорить о специальных сталях, содержащих добавки других элементов, позволяющие в широких пределах менять свойства стали. Но оказывается, что и простые углеродистые стали или чугуны могут после специальной обработки иметь разные свойства при одном и том же составе.
Всем известна закалка стали, пример термической обработки металла. Стальное изделие нагревают до температуры около 900 градусов. При этом структура металла перестраивается, и в конце нагревания он представляет собой смешанные кристаллы гамма-железа и карбида железа Fe3C. Это так называемый аустенит. Затем сталь опускают в холодную воду. В результате быстрого охлаждения аустенит распадается, давая чрезвычайно твердый мартенсит. Таким образом сталь закалилась.
Но при быстром охлаждении в структуре металла создались внутренние механические напряжения, увеличивающие хрупкость стали. Поэтому закаленное изделие нужно отпустить, нагрев его снова, но до сравнительно небольшой температуры, при которой структура не менялась бы, но исчезли бы внутренние нагрузки. Температура отпуска зависит от того, что выгоднее сохранить в большей степени — твердость или упругость. Практически стальные инструменты, в которых нам очень важна именно их твердость, отпускают при 100–150 градусах; при изготовлении же пружин или рессор, конечно, важнее их упругость. Поэтому такие изделия отпускают при более высокой температуре — до 250–300 градусов.
Термическая обработка позволяет управлять и свойствами чугуна.
Таким образом, термическая обработка позволяет мобилизовать внутренние резервы прочности металла и, не изменяя его химического состава, менять в ту или иную сторону его свойства. Однако требования к металлическим изделиям со стороны промышленности настолько велики и многообразны, что обойтись только внутренними резервами нельзя. Приходится звать на помощь других членов обширной семьи химических элементов.
Друзья и враги железа
Не всегда нужно, оказывается, чтобы свойства стали были одинаковы по всему объему изделия. Например, колеса железнодорожных вагонов или шестеренки различных механизмов должны сочетать в себе два, казалось бы, противоположных качества — вязкость и твердость. Правда, твердой должна быть лишь поверхность таких изделий, самые внешние слои металла, которые как раз и подвергаются максимальной нагрузке и должны противостоять истиранию.
Такие изделия изготовляют из вязкой малоуглеродистой стали, а затем подвергают их поверхность цементации: нагревают готовую деталь в присутствии угля и окиси углерода при 900 градусах. В этих условиях углерод начинает проникать в металл, но происходит это лишь с поверхности. В результате слой металла толщиной в 0,5–2 миллиметра становится твердым при сохранении вязкости внутренних слоев металла.
При нагревании стального изделия до 500 градусов в присутствии аммиака поверхность насыщается азотом. При этом образуется нитрид железа Fe4N, вещество настолько твердое, что оно делает поверхность очень прочной, хотя толщина этой «брони» совсем невелика. Такой процесс называется азотированием.
Бериллиды железа, образующиеся при нагревании детали в порошке бериллия, не только повышают в 1,5–2 раза прочность стали, но и защищают ее от окисления при высоких температурах. При борировании стали ее прочность возрастает втрое.
Часто для улучшения свойств стали изделия покрывают тонким слоем другого металла. Делать это можно разными путями.
Так, хромировать сталь можно электролитическим путем. При этом толщина образующегося слоя хрома составляет всего 0,005 миллиметра, но этого уже достаточно, чтобы значительно увеличить стойкость изделия.
Никель можно нанести на сталь еще проще: для этого деталь погружают в нагретый раствор солей никеля. Железо, как более активный металл, вытесняет никель, который и осаждается на поверхности детали. Никелированные изделия хорошо работают при повышенных температурах.
Очень тонкие и прочные покрытия можно получить электроискровым методом. Стальное изделие присоединяют к источнику тока, к его поверхности приближают другой электрод, сделанный из металла, который хотят нанести на сталь. Вспыхивает разряд, и мельчайшие частицы металла-защитника начинают распыляться и оседать на поверхности обрабатываемой детали. Этим методом можно наносить на поверхность также углерод и твердые сплавы, причем в последнем случае прочность детали возрастает в десятки раз.
До сих пор речь шла о поверхности стальных изделий и улучшении ее свойств элементами — помощниками железа. Поистине неисчерпаемым арсеналом различных ценнейших свойств обладают многочисленные сплавы на основе железа. Их обычно приготовляют из ковкого железа, добавляя к нему в мартенах или электропечах другие элементы в строго рассчитанных количествах.
Для введения в сталь хрома, молибдена, вольфрама обычно добавляют в печь не сами эти элементы, а их сплавы с железом, так называемые ферросплавы. Феррохром, например, содержит 60 процентов хрома, ферромолибден — до 75 процентов Mo.
