Новые способы получения стали изобрел. Сталь: получение стали, процесс и способы. Технология получения стали. Резцы и ножи
До н.э. в Европе уже повсюду производили кованое железо. Многие великолепные Греческие и Римские здания были построены из камня с применением железных инструментов в форме бабочки, покрытых свинцом. В 500 году до н. э. этруски, жившие на западном побережье Италии производили более 4,5 тысячи килограмм железа в год. Ковку железа осуществляли в кузнице, а для поддержания огня использовали древесный уголь. Огонь раздували при помощи специальных мехов, сшитых из шкур животных. Позже маленькие каменные печи разобрали, и начали массовую выплавку железа. Руду к печам доставляли на парусных судах. В связи с тем, что метод обработки руды, который использовали этруски, был малоэффективен, ее запасы быстро истощились. К тому же производство древесного угля резко сократило количество лесов на западе Италии.
Первая сталь была создана кельтами около 200 года н. э. Они резали кованое железо на тонкие полоски и складывали их в контейнер с обожженными костями и углем, после чего все это нагревали в печи в течение 10-12 часов на очень сильном огне. В результате поверхность металла обогащалась углеродом. Затем они эти полоски сваривали между собой посредством ковки и таким образом создавали ножи. Эти ножи стали предшественниками клинков, которые мы ошибочно называем дамасскими. Кельтский процесс производства стали в 1050 году был скопирован викингами и немцами. С тех пор в этих странах производили стальные клинки, метод изготовления которых, был строго засекречен. Дамасскую сталь производили в Пакистане и в виде булатных заготовок отправляли в Сирию, где изготавливали знаменитые дамасские клинки. Процесс производства дамасской стали очень сложный, поскольку ее необходимо было нагревать до очень высокой температуры, и если температуру превысить, то материал мог разрушиться.
Со временем температура плавления железа в печах становилась все выше, поэтому полученное железо, содержало 3-4% углерода. Оно было хрупким и подходило только для литья. Из него нельзя было делать ножи и детали для транспорта. К тому же к этому времени огромная часть лесов в Европе была вырублена для строительных целей и производства древесного угля. Тогда король Англии издал указ о том, что леса вырубать больше нельзя, и производителям стали пришлось придумать способ переработки угля в кокс. В Англии разработали метод лужения стали, при этом они смешивали расплавленное железо, с силикатом железа и оксидом железа. Силикат железа является одним из компонентов кованого железа.
Печи, работающие на угле, назвались кричным горном. Один работник должен был помешивать полученную смесь, в результате чего образовывался диоксид углерода, поэтому температура плавления железа становилась выше, и начинался процесс лужения. Внутрь помещались крупные куски весом от 90 кг до 130 кг. Другой работник с помощью пары больших щипцов брал эти куски и помещал под пресс, чтоб из них выдавить силикат железа. После пресса куски помещали в прокатный стан, где из них формировались полоски кричного железа. Эти полоски нарезали на короткие кусочки и соединяли между собой, после чего помещали их в углубление, заполненное углеродом, и нагревали до температуры сварки. После этого полоски кричного железа снова отправляли в прокатный стан и получали сортовое железо. Этот способ использовали не только в Европе, но на востоке Соединенных Штатов.
Чтоб получить сталь, тонкий сортовой прокат помещали в углубление, заполненное углеродом, полученным в результате сожжения костей, и нагревали при высокой температуре в течение нескольких дней. Углерод поглощался железом, и в результате получалась пузырчатая сталь. Пузырчатой называли цементную сталь или томленку. Это понятие появилось благодаря внешнему виду полосок, извлеченных из углеродной ямы, которые были покрыты пузырями. После этого полоски складывали вместе и ковали, затем снова складывали и ковали, таким способом получали сталь высокого качества.
Англия нуждалась в высококачественной стали, чтоб создать флот, который смог бы пресечь океан. Один предприимчивый англичанин заметил, что стеклодувы в своих печах могут получать очень высокую температуру. Он взял полоски пузырчатой стали и поместил их в керамический тигель, после чего поставил емкость в печь стеклодувов. В результате сталь расплавилась, силикат железа испарился, а углерод остался, и получилась сталь очень высокого качества. На тот момент за процессом наблюдало много людей, и он не смог сохранить его в секрете. Таким способом получали литую сталь, из которой в США было сделано большое количество старых инструментов, с маркировкой «литая сталь». Многие ошибочно считают их литыми, что следует из названия.
Новый импульс производство стали получило, когда был изобретен Бессемеровский процесс производства стали. Такую сталь применяли для строительства крупных объектов, таких как плотина Гранд-Кули, потому как она не подвержена действию коррозии. В начале 20 века приступили к производству различных сплавов. Тогда в газовых мартеновых печах к железу стали добавлять марганец, хром, никель и другие элементы. Во время Второй мировой войны, когда потребность в металле возросла, производство сплавов получило новый мощный толчок. С тех пор был сделан огромный шаг в производстве и совершенствовании различных сталей.
Сталь имеет более высокие физико-механические свойства по сравнению с чугуном: ее можно ковать, прокатывать, она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестью для получения отливок.
Мягкая сталь с содержанием углерода менее 0,25% обладает высокой пластичностью, способностью хорошо свариваться, легко куется и прокатывается в горячем и холодном состояниях. Поэтому такая сталь является основным материалом для современного машиностроения, транспорта и других отраслей народного хозяйства страны.
В древности мягкую сталь (техническое железо) получали непосредственно из руд в тестообразном состоянии. Позднее научились получать сталь из чугуна в кирпичном горне, также в тестообразном состоянии. В 1740 г. в Англии стал применяться способ получения жидкой стали в тиглях, задолго до того известный на Востоке. С 1784 г. начали применять пудлингование - получение стали в тестообразном состоянии из чугуна окислением его примесей на поду пламенной печи. Все эти способы были мало производительны, требовали больших затрат топлива и труда.
Бурный рост промышленности и железнодорожного транспорта во второй половине XIX в. потребовал громадного количества стали, а старые способы ее получения не могли удовлетворить эту потребность. Были созданы новые, более производительные способы плавки стали. В 1856 г. появился бессемеровский способ (названный по имени его изобретателя Г. Бессемера), а в 1878 г. - томасовский способ (предложенный С. Томасом) получения литой стали из жидкого чугуна в конвертерах. В 1857 г. крупный русский металлург П. М. Обухов получил привилегию на изобретенный им способ производства орудийной стали путем сплавления чугуна и мягкой стали. Орудийная сталь П. М. Обухова по качеству превосходила лучшие заграничные стали. С 1864 г. применяется мартеновский способ получения стали в пламенных печах (названный по имени его изобретателя П. Мартена), а с 1899 г. - способ производства стали в электропечах, основанный на применении явления электрической дуги, открытой в 1802 г. акад. В. В. Петровым.
Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора . Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (окись углерода СО), который улетучивается. Другие примеси переводятся в окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак. При сгорании марганец и кремний образуют нерастворимые в металле окислы MnO и SiO 2 . При сгорании фосфора образуется его окись Р 2 О 5 , которая хорошо растворяется в металле. Чтобы удалить фосфор из металла, наводят шлак с избытком извести (состоящей преимущественно из СаО), которая и связывает Р2О5 в прочное соединение (СаО)4 Р2О5, нерастворимое в металле.
Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS; ее удаляют из металла с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимое в металле соединение MnS или нерастворимое соединение CaS.
В настоящее время в металлургии страны применяются следующие способы получения стали: конвертерный, мартеновский и электроплавка.
Электроплавка применяется, главным образом, для получения высококачественной стали и за последние годы усиленно развивается.
Технический прогресс в сталеплавильном производстве характеризуется интенсивным наращиванием мощностей плавильных агрегатов, широким применением кислородно-конверторного процесса и непрерывной разливки стали, повышением качества металла.
Когда говорят «стальной характер», имеют в виду твёрдость и решительность, надёжность и мужественность. Сплав железа с углеродом сегодня служит символом лучших качеств, которые приписывают не только вещам, но и людям. Различают два вида:
- легированную;
- углеродистую.
Принята также классификация по качеству. Бывают сплавы обычные и качественные а также повышенного качества и самые лучшие высококачественные.
Что производят из прочнейшего материала
Первородная сталь впервые была произведена у кельтов. Произошло это около 200 г. до нашей эры. Технология тогдашнего производства состояла в следующем: кованное железо разрезалось на тонкие полоски, которые укладывались в контейнер, в котором уже находились обожжённые кости и уголь. Контейнер вместе со всем содержимым нагревался и оставался в печи, в которой поддерживали сильный огонь, около 10-12 часов. В результате этого длительного и трудоёмкого процесса поверхность металла обогащалась углеродом.
Первыми орудиями, которые производили из стали, были ножи. Листы соединяли между собой и обрабатывали для получения определённой формы. Очень долгое время рецепт изготовления прочного сплава был засекреченным и передавался из уст в уста только посвящённым. С тех пор сталь далеко ушла в своём усовершенствовании. Изделия из стали можно встретить в каждом доме.
Большим прорывом стало изобретение в XX веке нержавейки. Этот продукт производства нашёл применение во многих сферах промышленности и в быту. Проще сказать, где его не применяют. Наиболее распространёнными и востребованными видами стальной продукции являются:
- металлопрокат;
- украшения;
- инструменты;
- посуда;
- детали для станков и транспорта и т.д.
Высокая востребованность материала базируется на его удивительных свойствах. Это и прочность, и коррозийная стойкость, и теплопроводность, и электропроводность и т.д. Различные виды сплава могут характеризоваться различными качествами.
Где купить стальные изделия высокого качества
Как говорилось выше, существуют различные классификации сплава, одна из них основывается на его качестве. Оно должно соответствовать назначению того, что изготавливают. Большой ассортимент стальных изделий предлагает бизнес-портал All.biz. На ресурсе располагаются запчасти, инструменты, покат и многое другое. Тут http://www.kz.all.biz/ есть всё, что производится у нас и за рубежом. Поисковик настроен так, что можно найти всё необходимое. Особенно привлекают цены.
Долговечность и надежность механизмов зависят от материала, из которого они были изготовлены, то есть от совокупности всех его свойств и особенностей, которые и определяют эксплуатационные характеристики. На сегодняшний день большинство узлов и деталей машин производят из различных марок сталей. Рассмотрим этот материал более подробно.
Что такое сталь
Сталь - это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.
Но сталь - это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу - повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.
Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.
Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.
Получение стали. Металловедение
Сталь - это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.
Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.
Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.
Классификация сталей по качеству
Все стали по качеству подразделяют на:
Сталь обыкновенного качества;
Качественная;
Сталь повышенного качества;
Высококачественная.
Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества - для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные - в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.
Стали по ГОСТ: классификация
Сталь. Свойства: таблицы для самых распространенных марок с основными механическими и технологическими характеристиками
Марка стали | Механические свойства | Технологические свойства |
||||
Обрабатываемость резанием | Свариваемость | Пластичность при холодной обработке давлением |
||||
горячекатанная | ||||||
Н - низкая;
У- удовлетворительная;
В - высокая;
σт - физический предел текучести, МПа;
σв - предел прочности при растяжении, МПа;
δ - относительное удлинение, %.
Сталь – это железоуглеродистый сплав, который содержит около 1,5% углерода, если его содержание увеличивается, то значительно повышается хрупкость и твердость стали. Основной исходный материал для производства стали - стальной лом и передельный чугун.
В первую очередь окисляется железо при взаимодействии кислорода и чугуна в сталеплавильных печах. Вместе с железом окисляются фосфор, кремний, углерод и марганец. Оксид железа, который образуется при высоком температурном режиме, отдает свой кислород в чугуне более активным примесям, при этом окисляя их.
Производство стали осуществляется в три стадии.
Первая стадия производства стали - расплавление породы
Происходит расплавление шихты и нагревается ванна жидкого металла. Температура металла невысокая, энергично окисляется железо, образуется оксид железа и окисляются примеси: марганец, кремний и фосфор.Самая важная задача этой стадии производства стали – это удаление фосфора. Для этого нужно проводить плавку в основной печи, где шлак будет содержать оксид кальция (CaO). Фосфорный ангидрид - P2O5 будет образовывать с оксидом железа непрочное соединение (FeO)3 x P2O5. Оксид кальция – как более сильное основание, по сравнению с оксидом железа, и при не очень высоких температурах связывает P2O5 и превращает его в шлак.
Для того чтобы удалить фосфор, нужна не очень высокая температура, ванны шлака и металла, достаточное содержание в шлаке FeO. Для того чтобы увеличить в шлаке содержание FeO и ускорить окисление примесей добавляется в печь окалина и железная руда, наводя железистый шлак. Постепенно, по мере удаления из металла в шлак фосфора, содержание в шлаке фосфора повышается. Так что нужно убрать данный шлак с зеркала металла, а затем заменить его новым со свежими добавками оксида кальция.
Вторая стадия производства стали - кипение
Происходит кипение металлической ванны. Начинается постепенно, по мере нагрева до высоких температур. При увеличении температуры интенсивней происходит реакция окисления углерода, протекающая с поглощением теплоты:Для того чтобы окислить углерод вводят в металл небольшое количество окалины, руды или вдувают кислород. При реакции углерода с оксидом железа, пузырьки оксида углерода выводятся из жидкого металла, и происходит "кипение ванны". Во время "кипения" сокращается в металле содержание углерода до требуемого количества, температура выравнивается по объему ванны, немного удаляются неметаллические включения, которые прилипают к всплывающим пузырькам CO и газы, которые проникают в пузырьки CO. Все это ведет к увеличению качества металла. А значит, данная стадия - основная в процессе производства стали.
Создаются условия для того чтобы удалить серу. В стали сера находится в форме сульфида - FeS, растворяемого в основном шлаке. Чем будет выше температурный режим, тем больше сульфида железа растворится в шлаке и будет взаимодействовать с оксидом кальция CaO:
Соединение, которое образуется – CaS, растворяется в шлаке, но при этом не растворяется в железе, так что сера выводится в шлак.
Третья стадия производства – раскисление стали
Происходит восстановление оксида железа, который растворен в жидком металле. Увеличение содержания кислорода в металле при плавке необходимо для осуществления окисления примесей, но в уже готовой стали кислород является вредной примесью, потому что понижает механические свойства стали.Раскисление сталь осуществляется двумя методами: диффузионным и осаждающим.
Диффузионное раскисление происходит благодаря раскислению шлака. В измельчённом виде ферросилиций, ферромарганец и алюминий переносят на поверхность шлака. Эти раскислители, восстанавливают оксид железа, и при этом сокращают содержание его в шлаке. А значит, оксид железа, который растворен в стали переходит в этот шлак. Оксиды, которые образуются при таком процессе, остаются в шлаке, а железо, уже в восстановленном виде, переходит в сталь, а в ней уменьшается содержание неметаллических включений и увеличивается ее качество.
Осаждающее раскисление происходит благодаря введению в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферросилиция, ферромарганца, алюминия), которые содержат элементы, обладающие более высоким сродством к кислороду, в сравнении с железом. В конце концов, после раскисления восстанавливается железо и создаются оксиды: SiO2, MnO, Al2O5, имеющие меньшую плотность,в сравнении со сталью, и выводятся в шлак.
В зависимости от уровня раскисления можно выплавлять такие виды стали: - кипящие – не полностью раскислены в печи. Раскисление такой стали продолжается в изложнице при затвердевании слитка, за счет взаимодействия углерода и оксида железа: FeO + C = Fe + CO.
Оксид углерода, который образовался, выводится из стали, обеспечивая удалению водорода и азота из стали, газы выводятся в виде пузырьков, приводя её к кипению. Кипящая сталь не имеет неметаллических включений, поэтому отличается высокой степенью пластичности.
- спокойные - получается при абсолютном раскислении в ковше и в печи.
- полуспокойные – отличаются промежуточной раскисленностью между кипящей и спокойной сталями. Частично раскисляется в ковше и в печи, а частично – в изложнице, за счет взаимодействия углерода и оксида желез, которые содержатся в стали.
Оборудование для производства и выплавки стали
Для производства стали на сталелитейных заводах должно быть специальное оборудование:Кислородные конверторы
- аргоновое хозяйство;
- детали конвертеров (сосуды и несущие кольца конвертера);
- фильтрация пыли;
- отсасывание конвертерного газа;
Электропечи
- (изготовление периферий);
- (изготовление энергетических опор, стальных частей для горнов, охлаждение электродов);
- загрузочные бадьи;
- скрапное отделение;
- частотные преобразователи для индукционного нагревания;
Вторичная металлургия
- обессеривание стали;
- гомогенизация стали;
- электрошлаковый переплав;
- создание вакуума;
Ковшовая технология
- оборудование LF типа;
- оборудование SL типа;
Ковшовое хозяйство
- крышки литейных и разливочных ковшей;
- литейные и разливочные ковши;
- шиберные затворы;
Оборудование непрерывной разливки стали
- разливочная поворотная станина для манипуляции с промежуточными ковшами и ковшами;
- сегменты оборудования непрерывной разливки;
- вагонетки промежуточных ковшей;
- аварийные лотки и сосуды;
- промежуточные ковши и подставки для складывания;
- пробочный механизм;
- передвижные мешалки чугуна;
- охлаждающее оборудование;
- выводные участки непрерывной разливки;
- металлургические рельсовые транспортные средства.
О технологических новинках публика часто узнает из средств массовой информации, однако такие сообщения обычно не опираются на дипломатические источники. 31 января 1915 года это правило было нарушено. Газета New York Times опубликовала небольшую заметку, озаглавленную A Non-Rusting Steel. В газетном сообщении говорилось, что компания из британского города Шеффилда выпустила на рынок новый вид стали, «которая не поддается коррозии, не тускнеет и не покрывается пятнами». Производитель утверждал, что она чрезвычайно подходит для изготовления столовых приборов, поскольку изделия из нее хорошо моются и не теряют блеска при контакте даже с самой кислой пищей. В качестве источника информации был назван американский консул в Шеффилде Джон Сэвидж. Вот так, без большого шума и с изрядным запозданием, мир узнал об изобретении нержавеющей стали.
Нержавеющие стали различаются свойствами, составом и назначением, но в целом их можно разделить на несколько основных групп по кристаллической структуре: ферритные, аустенитные, мартенситные и двухфазные (ферритно-аустенитные). Ферритные нержавеющие — это хромистые (10−30% хрома) и низкоуглеродистые (менее 0,1%) стали. Они достаточно прочные, пластичные, относительно несложно обрабатываются и при этом дешевы, но не поддаются термической обработке (закаливанию). Мартенситные нержавеющие — это хромистые (10−17% хрома) стали, содержащие до 1% углерода. Они хорошо поддаются термообработке (закаливанию и отпуску), что придает изделиям из таких сталей высокую твердость (из них делают ножи, подшипники, режущие инструменты). Мартенситные стали сложнее в обработке и из-за более низкого содержания хрома менее стойки к коррозии, чем ферритные. Аустенитные нержавеющие стали — хромоникелевые. Они содержат 16−26% хрома и 6−12% никеля, а также углерод и молибден. По коррозионной стойкости превосходят ферритные и мартенситные стали и являются немагнитными. Высокую прочность получают при нагартовке (наклепе), при термообработке (закалке) их твердость уменьшается. Двухфазные стали сочетают различные свойства ферритных и аустенитных сталей.
Предки нержавейки
Вообще-то такую сталь выпускали в Европе и США еще до шеффилдских металлургов. Обычная сталь, сплав железа и углерода, легко покрывается пленкой оксида железа — то есть ржавеет. К слову, именно это обстоятельство было одной из причин блестящего коммерческого успеха американского предпринимателя Кинга Кемпа Жиллетта, который придумал безопасную бритву. В 1903 году его фирма продала лишь 51 лезвие, в 1904-м — без малого 91 000, а к 1915 году общий объем продаж превысил 70 млн. Жиллеттовские лезвия, на которые шла нелегированная сталь из бессемеровских конвертеров, быстро ржавели и тупились и потому требовали частой замены. Любопытно, что рецепт борьбы с этой болезнью главного металла тогдашней индустрии был давно найден. В 1821 году французский геолог и горный инженер Пьер Бертье заметил, что сплавы железа с хромом обладают хорошей кислотоустойчивостью, и предложил делать из них кухонные и столовые ножи, вилки и ложки. Однако эта идея долго оставалась благим пожеланием, поскольку первые сплавы железа и хрома были очень хрупкими. Лишь в начале XX века были изобретены рецептуры сплавов железа, способные претендовать на титул нержавеющей стали. Среди их авторов был один из пионеров американского автомобилестроения Элвуд Хейнс, который собирался использовать свой сплав для изготовления металлорежущего инструмента. В 1912 году он подал заявку на соответствующий патент, который был получен лишь семью годами позже после длительных споров с Бюро патентов США.
Лезвия для станков Gillette делали из твердой углеродистой стали. Они были не слишком долговечны, поскольку легко ржавели от постоянного воздействия влаги.
Случайная находка
Но официальным родителем всем известной нержавейки стал человек, который ее вовсе не искал и создал лишь благодаря счастливому случаю. Этот жребий выпал на долю английского металлурга-самоучки Гарри Брирли, который в 1908 году возглавил небольшую лабораторию, учрежденную двумя шеффилдскими сталеплавильными компаниями. В 1913 году он проводил исследования стальных сплавов, которые предполагалось использовать для изготовления ружейных стволов. Научное металловедение пребывало тогда в зачаточном состоянии, поэтому Брирли действовал методом проб и ошибок, проверяя на прочность и жароустойчивость сплавы с разными присадками. Неудачные заготовки он попросту складывал в углу, и они там спокойно ржавели. Как-то он заметил, что отливка, извлеченная из электрической печи месяц назад, вовсе не выглядит ржавой, а блестит как новая. Этот сплав содержал 85,3% железа, 0,2% кремния, 0,44% марганца, 0,24% углерода и 12,8% хрома. Он-то и стал первым в мире образцом той стали, о которой позднее сообщила газета New York Times. Он был выплавлен в августе 1913 года.
А столовые ножи производства одной из компаний в Шеффилде, возможно, были не такими острыми, но зато хорошо сопротивлялись коррозии.
Провал и успех
Брирли заинтересовался необычной отливкой и вскоре выяснил, что она хорошо сопротивляется действию азотной кислоты. Хоть в качестве оружейной стали новый сплав успеха и не принес, Брирли понял, что этот материал найдет множество других применений. Шеффилд с XVI столетия известен изделиями из металла, такими как ножи и столовые приборы, так что Брирли решил опробовать свой сплав в этом качестве. Однако двое местных фабрикантов, которым он отправил отливки, отнеслись к его предложению скептически. Они сочли, что ножи из новой стали требуют больших трудозатрат для изготовления и закалки. Металлургические компании, в том числе и та, в которой работал Брирли, тоже не горели энтузиазмом. Понятно, что и ножовщики, и производители металла опасались, что изделия из нержавеющей стали окажутся настолько долговечными, что рынок быстро насытится и спрос на них упадет. Поэтому вплоть до лета 1914 года все попытки Брирли убедить промышленников в перспективности нового сплава ни к чему путному не привели.
Но потом ему повезло. В середине лета судьба столкнула его со школьным товарищем Эрнестом Стюартом. Стюарт, сотрудник компании R.F. Mosley & Co, выпускавшей столовые приборы, поначалу вообще не поверил в реальность существования стали, которая неподвластна ржавчине, однако согласился в виде эксперимента изготовить из нее несколько ножей для сыра. Изделия получились отменными, однако Стюарт счел эту затею неудачной, поскольку его инструменты при изготовлении этих ножей быстро тупились. Но в конце концов Стюарт и Брирли все-таки подобрали режим нагрева, при котором сталь поддавалась обработке и не становилась хрупкой после охлаждения. В сентябре Стюарт сделал небольшую партию кухонных ножей, которые он раздал знакомым для тестирования с одним условием: он попросил вернуть их в случае появления на клинках ножей пятен или ржавчины. Но ни один нож так и не вернулся в его мастерскую, и вскоре шеффилдские фабриканты признали новую сталь.
Довольно часто можно встретить утверждение, что метеоритное железо не ржавеет. На самом деле это чистой воды миф. Железоникелевые метеориты имеют в своем составе около 10% никеля, но не содержат хрома, поэтому не обладают коррозионной стойкостью. В этом можно убедиться, посетив минералогический раздел какого-нибудь музея естественной истории. Присмотревшись к образцам железоникелевых метеоритов (скажем, Сихотэ-Алиньского, который часто встречается в таких экспозициях), можно увидеть многочисленные следы ржавчины. А вот образец железоникелевого метеорита, купленный в магазине минералогических сувениров, скорее всего, действительно не будет ржаветь. Причина — в «предпродажной подготовке», которая заключается в покрытии образца густой защитной смазкой. Стоит смыть эту смазку при помощи растворителя — и тогда влага и кислород атмосферы возьмут реванш.
Резцы и ножи
В августе 1915 года Брирли получил на свое изобретение патент в Канаде, в сентябре 1916 года — в США, затем и в нескольких европейских странах. Строго говоря, он патентовал даже не сам сплав, а лишь изготовленные из него ножи, вилки, ложки и прочие столовые приборы. Хейнс опротестовал американский патент Брирли, ссылаясь на свой приоритет, но в конце концов стороны пришли к соглашению. Это сделало возможным учреждение в Питтсбурге совместной англо-американской корпорации The American Stainless Steel Company. Но это уже совсем другая история. Стоит отметить, что нержавеющая сталь Хейнса содержала куда больше углерода, нежели сталь Брирли, и потому имела иную кристаллическую структуру. Это и понятно: углерод обеспечивает твердость при закалке, а Хейнс стремился создать именно сплав для изготовления станочных резцов и фрез. Сейчас стали хейнсовского типа называют мартенситными, а стали, которые исторически восходят к сплаву Брирли, — ферритными (существуют и другие виды нержавеющих сталей).
Железная (Кутубова) колонна — одна из главных достопримечательностей Дели. Воздвигнутая в 415 году, она за 1600 лет почти не пострадала от коррозии — лишь на поверхности виднеются небольшие пятнышки ржавчины, в то время как обычные стальные изделия подобного размера за такое время почти полностью окисляются и рассыпаются в пыль. В попытках объяснить этот феномен было выдвинуто множество гипотез: использование очень чистого или метеоритного железа, естественное азотирование поверхности, воронение, постоянная обработка маслом и даже естественное радиоактивное облучение, превратившее верхний слой в аморфное железо. Были попытки объяснить сохранность колонны и внешними факторами — в частности, очень сухим климатом. Анализы показали, что колонна состоит из 99,7% железа и не содержит хрома, то есть не является нержавеющей в современном смысле слова. Основная примесь в материале колонны — фосфор, и именно в этом, по мнению ученых, главная причина коррозионной стойкости. На поверхности образуется слой фосфатов FePO4·H3PO4·4H2O толщиной менее 0,1 мм, причем, в отличие от ржавчины, которая рассыпается и не препятствует дальнейшему окислению, этот слой образует прочную защитную пленку, предотвращающую ржавение железа.
Естественный вкус
Стюарт не только открыл путь к применению новой стали, но и нашел для нее общепринятое ныне англо-язычное название stainless steel, «сталь без пятен». Если верить стандартному объяснению, оно пришло ему в голову, когда он окунул отполированную стальную пластинку в уксус и, глядя на результат, с удивлением произнес: «This steel stains less», то есть «На этой стали остается мало пятен». Брирли называл свое детище несколько иначе — rustless steel, что соответствует русскоязычному термину «нержавеющая сталь». Кстати, заглавие заметки в New York Times возвещало о появлении именно нержавеющей (а не слаборжавеющей!) стали.
Секрет ее несложен. При достаточной концентрации хрома (не менее 10,5% и до 26% для особо агрессивных сред) на поверхности изделий из нержавейки формируется твердая прозрачная пленка оксида хрома Cr 2 O 3 , прочно сцепленная с металлом. Она образует невидимый глазу защитный слой, который не растворяется в воде и препятствует окислению железа, а следовательно, не позволяет ему ржаветь. У этой пленки есть еще одно ценнейшее качество — она самовосстанавливается в поврежденных местах, поэтому ей не страшны царапины. Столовые приборы из нержавейки приобрели огромную популярность еще и потому, что позволили избавиться от специфического привкуса, свойственного недорогой металлической посуде. Слой оксида хрома предоставляет возможность наслаждаться естественным вкусом пищи, поскольку препятствует непосредственному контакту вкусовых сосочков языка с металлом. В общем, нержавеющая сталь, которую современная индустрия выпускает во множестве разновидностей — поистине замечательное случайное изобретение.
Загрузка...