Художественная обработка металла Черные металлы. Железо. Чугун. Сталь

В состав черных металлов входят железо, сталь и чугуны.

 

Железо

Железо (Fe) – это химический элемент 8 группы периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55, 847, валентность 2, 3, плотность 7874 кг/м3, температура плавления 1812 К, температура кипения 3013 К, твердость по Бринеллю 350 – 450 Мн/м2.

Железо известно человеку с доисторических времен. В большинстве очагов древней культуры железный век пришел на смену бронзового или медного века.

В Европе железная культура возникла около 1000 лет до нашей эры, сменив более древнюю бронзовую эру, которая относится ко второму тысячелетию до нашей эры. Смена бронзового века железным в различных частях земного шара совершалась не одновременно. Более того, некоторые народы открыли железо, не зная бронзы, каменные орудия труда сменились сразу железными.

Например, когда в Египте использовали только литье из бронзы и драгоценных металлов, негритянские племена центральной Африки уже умели ковать железо. Возможно высокоразвитое кузнечное искусство Верхнего Египта воспринято от африканских кузнецов.

Похожим было положение и в Индии, богатой железной рудами. Культура железа здесь развилась очень давно, минуя бронзовый век. Высоко было искусство черных металлов в Вавилоне и Ассирии. В 9 и 8 веках до нашей эры древние кузнецы умели ковать из железа оружие, а также украшать железные шлемы и панцири бронзой.

При раскопках Вавилона был обнаружен клад общим весом до 160 кг. Состоял он из железных слитков в форме двойной пирамиды. Металл был отличного качества, совершенно не ржавым. Железо было известно также на восточном побережье Черного моря.

В древней Руси техника обработки черного металла достигла высокого уровня. В 9 – 10 веках русские мастера пользовались многими технологическим приемами обработки железа – ковкой, сваркой, термической обработкой, пайкой. Тогда железо добывали из болотной или луговой руды, загружая в яму, обмазанную глиной измельченную руду и древесный уголь. В нижней части ямы делали отверстие, через которое осуществлялось дутье ручными, а позднее механическими мехами. Окись железа восстанавливалась до металла, пустая порода ошлаковывалась и стекала вниз, а на дне скапливались зерна железа, которые, слипались в рыхлую губчатую массу, пропитанную шлаками. Эту, раскаленную до бела, массу вынимали и быстро проковывали на наковальне, отжимая из нее шлак, и сваривали в монолитный кусок железа, похожий по форму на лепешку весом от двух до шести килограмм.

Такой способ прямого получения железа из руды существовал почти 300 лет. Только в начале 13 века он начал заменяться доменным процессом. В Финляндии этот способ использовали до 19 века, а в некоторых странах применяют до сих пор.

Сыродутое железо по своему составу представляло собой сплав железа с углеродом. Однако процентное содержание углерода не превышало и сотых долей.

В наше время существует классификация железоуглеродистых сплавов. Сплавы, содержащие углерода до 2 процентов, называют сталью. При этом если в сплаве углерода меньше 0,25 процента, то такую сталь называют малоуглеродистой или мягкой сталью. При содержании углерода от 0,25 до 0,6 процента сплав называют среднеуглеродистой сталью, а при содержании от 0,6 до 2 процентов – высокоуглеродистой сталью. При содержании углерода более 2 процентов железные сплавы называют чугуном.

В сталях, кроме железа и углерода присутствуют примеси фосфора, серы, кремния, марганца. Железо и его сплавы – сталь, чугун, которые относятся к черным металлам, занимают первое место по производству и использованию в современной металлургии.

Как художественный материал железо использовалось уже в глубокой древности, например в Древнем Египте в гробнице Тутанхамона найдены изделия из железа, в Индии до наших дней сохранилась железная колонна близ Дели, воздвигнутая в 5 веке до нашей эры и др.

В ювелирном деле железо почти не применяют из-за легкой окисляемости и высокой температуры плавления.

Железо представляет собой блестящий серебристо-белый металл, ковкий и пластичный.

При температуре 768˚С намагничивается, а при дальнейшем нагревании теряет ферромагнитные свойства.

В сухой среде почти не окисляется, однако при наличии в воздухе влаги и кислорода покрывается коричневым слоем ржавчины, состоящим из водосодержащего окисла железа. Строение этого слоя пористое, процесс коррозии продолжается до тех пор, пока весь металл не превратиться в ржавчину.

Коррозия происходит и в воде. Если железо подогреть до температуры свыше 650˚С, на его поверхности образуется хрупкий черный слой окалины.

Железо растворяется в соляной кислоте (хлорид FeC2), а в концентрированных серной и азотных кислотах покрывается защитным слоем, который предохраняет железо от дальнейшего разъедания.

 

Чугун

Чугуном называется сплав железа с углеродом. Обычно это 3 – 4 процента. Используют в данном сплаве некоторое количество марганца (2,5 – 4,5 процента), кремния (до 4,5 процента), серы (около 0,08 процента), фосфора (до 1,8 процента), и некоторых других элементов.

Чугун – первичный продукт переработки железных руд путем их плавки в доменных печах.

По мнению специалистов впервые чугун стали получать на Востоке. В 13 веке его стали выплавлять в Европе, а в России первые доменные печи были построены под Тулой в 17 веке.

При современном доменном процессе получают чугун белый, серый и ковкий, высокопрочный.

Углерод в чугуне может находится в химически связанном состоянии в виде цементита или в структурно свободном состоянии в виде графита.

Если в чугуне содержится 3,0 – 4,5 процента углерода, то повышается его твердость и прочность, но уменьшается пластичность и снижается температура плавления.

При повышении содержания кремния от 0,3 до 2,5 процентов улучшаются литейные свойства чугуна.

Присутствие 0,5 – 0,6 процента марганца способствует образованию карбида железа, повышению твердости и прочности чугуна.

Примесь 0,08 – 2,2 процента фосфора делает его жидкотекучим, твердым и хрупким, а вредная примесь 0,03 – 0,12 процента серы ухудшает жидкотекучесть чугуна, при повышении температуры он становится очень хрупким.

В белом чугуне большая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита. Цементит имеет белый цвет, очень твердый и хрупкий.

Белый чугун в изломе также светло-серого, почти белого цвета, твердый, не поддается механической обработке и сварке. Используется для получения ковкого чугуна.

В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Он мягок, хорошо обрабатывается, обладает отличными литейными качествами, в изломе темно-серого цвета. После отделки его цвет колеблется от теплого темно-серого до черного с коричневатым оттенком. Он одинаково красив на матовой, и на глянцевой блестящей поверхности.

Чугун обладает лучшими антикоррозийными качествами по сравнению со сталью и является более долговечным материалом.

Важной особенностью антикоррозийных свойств чугуна является их способность возрастать во времени.

Наиболее прочно литье из серого чугуна работает на сжатие, примерно в два раза слабее на изгиб и в три-четыре раза хуже на растяжение. Эти свойства чугуна необходимо учитывать при проектировании различных художественных изделий, предназначенных под отливку. Чугун широко применяется как материал для прикладного искусства. Из него отливают вазы, скульптуры, парковые декоративные фигуры, садовые ограды, ворота, надгробные плиты, решетки, ворота, садовую мебель.

Высокая прочность на истирание и долговечность определяют применение чугуна для изготовления плит для полов, ступеней и ограждений лестниц и др.

Высокие литейные свойства позволяют отливать из него тончайшие ажурные предметы с красивым темно-коричневым цветом.

Чугун является прекрасным материалом для производства всевозможных мелких бытовых предметов: различных настольных фигур, шкатулок, дверных ручек и т.п.

Наиболее древними образцами художественного литья из чугуна, относящихся к 16 и 17 векам, являются орнаментальные плиты полов в древних соборах, двери и надгробные плиты. При Петре 1 появляются чугунолитейные заводы на Урале.

В 18 веке в Петербурге был построен Александровский завод, оборудованный новыми доменными и иными печами. На нем изготовляют разнообразные художественные изделия, такие как колонны, решетки, статуи, вазы и др. На этом заводе были отлиты чугунные ворота дома Демидовых в Москве и иные изделия.

Известные русские архитекторы и скульпторы применяли чугунное литье при воплощении своих художественных замыслов.

Так по проекту архитектора А.Н. Воронихина была отлита исключительная по своей композиции и красоте чугунная решетка у Казанского собора, замечательные чугунные ограды Петербурга и др.

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.

Марки обозначаются буквой У, которая указывает на то, что сталь углеродистая. Цифры, следующие за буквой, означают среднее содержание углерода.

Так, марка стали У7 с содержанием углерода 0,60 – 0,74 процента применятся для изготовления зубил, кузнечных штампов, отверток, клейм по стали, слесарных молотков, чеканов, кувалд.

Марка стали У8 с содержанием углерода 0,75 – 0,85 процента применяется для изготовления штихелей, пуансонов, резцов для обработки медных сплавов, кернов, матриц, граверных зубил.

Из стали марки У9 (0,86 – 0,94 процента углерода) изготовляют зубила по камню, инструмент по дереву, дыропробивные штампы.

Из стали У10 (0,95 – 1,09 процента углерода) изготовляют сверла, метчики, фрезы, ножовочные полотна, плашки, развертки.

Из стали У12 (1,10 – 1,25 процента углерода) изготовляют метчики, сверла, калибры, напильники, пилы по металлу, развертки, плашки.

Из стали У13 (1,26 – 1,40 процента углерода) изготовляют резцы по твердому металлу, шаберы, зубила для насечки напильников, волочильный инструмент.

Высокачественная инструментальная углеродистая сталь отмечается в конце марки буквой А (У8А, У10А и т.д.).

К сталям с особыми химическими и физическими свойствами относится электротехническая сталь, нержавеющая, кислотостойкая, окалиностойкая, жаропрочная, сталь для постоянных магнитов и др. Для них характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

Сталь легированная для обеспечения нужных свойств, кроме обычных смесей, содержит элементы, которые вводят специально в определенных количествах. В зависимости от содержания легирующих элементов она подразделяется на низколегированные (2,5 процента), среднелегированные (2,5 – 10 процентов) и высоколегированные (свыше 10 процентов).

Легированные стали делятся на две группы: легированные конструкционные и легированные инструментальные.

Первые применяются как поделочный материал.

Вторые – для производства инструментов и приспособлений.

Легированные стали обладают одновременно высокой прочностью и пластичностью.

В углеродистых сталях такого сочетания достичь невозможно. Легирующие элементы, входящие в состав стали, участвуют в образовании структуры и влияют на различные свойства стали.

В наименования марок стали введены дополнительные буквенные обозначения, которые определяют содержание входящего компонента: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром.

Легированная конструкционная сталь маркируется цифрами, которые обозначают среднее содержание углерода в десятых долях процента, а буквы – наличие легирующих элементов. Например, марка стали 13Н2ХА означает, что в состав стали ходит 1,3 процента углерода, 2 процента никеля, 1 процент хрома, бука А указывает на высококачественные стали. Цифры, стоящие после буквы, обозначают приблизительное содержание элемента в процентах, если содержание его больше 1 процента. При большем количестве – цифра не ставится.

По тому, как застывает металл, различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.

Поведение металла при кристаллизации зависит от степени его раскисленности: чем полнее удален кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания. При разливке малораскаленной стали в изложнице происходит бурное выделение пузырьков углерода – сталь как бы кипит.

Выбор технологии раскисления и разливки определяется назначением стали и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей позволяет узнать их состав и свойства. Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяются на три группы: А – с гарантируемыми механическими свойствами; Б – с гарантируемыми химическим составом; В – с гарантируемыми механическими свойствами и предельным содержанием отдельных элементов.

Стали группы А в зависимости от нормируемых показателей подразделяются на три категории – А1, А2, А3. Стали группы Б подразделяются на две категории – Б1 и Б2. Стали группы В подразделяются на 6 категорий – В1, В2, В3, В4, В5, В6.

Сталь группы А маркируется буквами "Ст", за которыми идут цифры: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В этих марках стали содержание углерода находится в пределах от 0,2 до 0,6 процента. По мере увеличения углерода сплав приобретает лучшую способность к закаливанию.

Для стали группы Б установлены марки БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6; для стали группы В – ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Сталь марки ВСт5 изготовляется мартеновским и конверторным способами.

Буквы "Ст" обозначают сталь, цифры от 0 до 6 – условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В обозначают группу, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", спокойной – "сп", полуспокойной – "пс", например О5кп, Ст3сп, Ст5пс.

Качественная углеродистая конструкционная горячекатанная и кованая сталь подразделяется на две группы: I – сталь с нормальным содержанием марганца, II – с повышенным (0,7 – 1,2 процента).

Сталь группы I маркируется двумя цифрами: 08кп, 10кп и далее до 85. Цифры в марке показывают содержание углерода в сотых долях процента.

В стали группы II после чисел, которые указывают содержание углерода, ставят букву г, например: 15г, 20г и далее до 70г, что обозначает повышенное содержание марганца.

Конструкционная углеродистая специальная сталь, предназначенная для обработки на металлорежущих автоматах, маркируется буквой А впереди чисел, указывающих содержание углерода, например: А12, А20…

Для марок сталей специального назначения введены буквенные обозначения, которые ставят перед цифровым указателем углерода, например: Р18Ф2. Буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Если перед цифровым указателем углерода стоит буква Я – сталь кислотоупорная, Ш – шарикоподшипниковая, Ж – жаростойкая, Е – электротехническая.

Для производства художественных изделий особый интерес представляет нержавеющая сталь. По своему составу она относится к высоколегированным сталям с малым содержанием углерода (0,14 – 0,23 процента), высоким содержанием хрома (10 – 23 процента) и никеля (4 – 10 процентов). Эта сталь отличается высокой коррозийной стойкостью. На открытом воздухе без каких-либо дополнительных покрытий она хорошо сохраняет свой серебристый блеск и цвет. Промышленность выпускает нержавеющую сталь в виде листов толщиной 0,1 – 2 мм, что очень удобно для производства различных художественных изделий. Они достаточно вязки и пластичны, хорошо дифуются, принимая объемную форму, их сравнительно легко разрезать, сверлить, паять и сваривать. Листовая нержавеющая сталь применяется и в архитектуре, она долговечна и декоративна. Полосами из нержавеющей стали обработаны некоторые колонны московского метро. Кроме того, нержавеющая сталь является очень хорошим материалом для изготовления столовых приборов, посуды и т.п.

Для изготовления инструмента и приспособлений для ювелирных и чеканных работ состав стали зависит от характера этих работ. Например, для ударного инструмента используют стали марки У7, У8, а для режущего инструмента – У8, У12. Для обработки холодного металла давлением используют марки 9Х, 5ХВС, ХВГ.