(L'acier fondu, Flussstahl, cast steel) — Всякий ковкий железный продукт, получаемый путем отливки, принято на заводах назыв. вообще Л. сталью. Такого определения мы будем здесь придерживаться, хотя многие делят Л. металл по способности его принимать или не принимать закалку на Л. сталь (Flussstahl) и Л. железо (Flusseisen; см. Классификация железных продуктов). Трудно определить начало получения Л. стали, но по всем вероятиям оно относится к глубокой древности. Искусство готовить особый сорт Л. стали, называемый табано, был известен до начала XIV века. В Индии Л. сталь вуц (Wootz) с давних времен славилась своими превосходными качествами. Японцы знали уже несколько веков тому назад способы литья стали. Однако в литературе первые сведения о способе получения Л. стали встречаем только в 1720 г. в сочинении Реомюра. Спустя 20 лет после этого английский часовой мастер Веньямин Гунтсман (Huntsmann), нуждаясь в более однородном для пружин металле, чем сварной, привозимый из Германии, рядом долгих опытов получил Л. сталь посредством переплавки в тигле кусков сварочной стали. В 1740 г. он основал первую сталелитейную фабрику в Хандсворте, близ Шефильда, и положил начало тигельному производству. Несмотря на то, что способы получения литого металла держались в секрете, и несмотря на трудность получения хороших огнеупорных тиглей, этот способ развивался все больше и больше. Однако по своей дороговизне тигельное производство могло быть достоянием только самых больших заводов, и Л. сталь не могла конкурировать с сварочным железом. Наконец, в 50-х годах появляется новый способ получения стали посредством обезуглероживания расплавленного чугуна вдуваемым воздухом по способу Бессемера. Простота самого способа, быстрота процесса, а также возможность получить в больших массах дешевый и хороших качеств металл были причиной, что бессемеровский способ сразу завоевал себе прочное место в технике и дал начало новой эпохе не только в металлургии железа, но и вообще в строительном деле. На рельсы, бандажи, суда, мосты и фермы шла новая сталь, заменив железо. Старое железо заваливало все рынки, пока не явилась возможность перерабатывать его в годный продукт по новому способу Мартена. Оба эти способа, развиваясь и постоянно совершенствуясь, дали возможность получать в большом количестве металл, пригодный для всех применений в технике. Превосходные качества мартеновской стали при небольших затратах на устройство приспособлений для производства позволяют с выгодою даже на маленьких механических заводах иметь свою сталелитейную. Отлить болванку в две или три тысячи пудов в настоящее время не представляет больших затруднений, а получение плотного беспузыристого металла позволяет заменить им в фасоныых отливках хрупкий чугун. Раньше для изготовления предмета больших размеров нужно было соединять посредством сварки множество мелких железных кусков, что требовало многих нагревов и долгой работы. В настоящее время такую вещь молот или ковальный пресс приготовляет из отлитой болванки в один или два нагрева. При этом металл не содержит несваренных мест и шлаков, этих неотлучных спутников сварного продукта. Эти недостатки очень ясно обнаруживаются на отшлифованной поверхности образца после вытравления разбавленной кислотой и служат отличительным признаком сварного или пудлингового продукта от литого металла. Кроме того, сварное железо в изломе представляет всегда более или менее волокнистое сложение, образованию которого содействует большое содержание механически примешанных шлаков, в литом же металле излом кристаллический. Благодаря такому более однородному сложению Л. сталь обладает другими свойствами сравнительно с сварной. При одинаковой твердости того и другого металла Л. сталь отличается большею вязкостью, упругостью, сопротивлением разрыву и удлинением при вытягивании; так например:
-
| | Содерж. | Предел | Сопротивл. | Удлинен. | Удельный |
| | углерода | упругости в кг | разрыву на | в % | вес |
| | | на кв. мм | кв. мм | | |
| - - - - - - |
| Пудлинговая сталь | 0,41% | 2000 | 4100 | 8 | 7,785 |
| - - - - - - |
| Бессемеровская | 0,40% | 2500 | 5200 | 21 | 7,8511 |
| сталь | | | | | |
- Но зато магнитные свойства, электровозбудительная сила и способность свариваться проявляются в Л. стали слабее. Это последнее обстоятельство тоже можно приписать отсутствию шлаков, которые в сварном продукте предохраняют соединяемые поверхности от окисления железа; по этой же причине Л. сталь при накаливании подвергается легче перегреву. Кроме того, при холодной обработке внутренние частичные напряжения выступают сильнее. Все эти различия вызваны, главным образом, частичным сложением стали, т. е. группировкой частиц, которая совершается при затвердевании жидкой стали, и перегруппировкой, проходящей при дальнейшей металлургической обработке. Вообще сталь, а поэтому и сталь Л., представляет собою частью химическое, частью механическое соединение железа с углеродом и другими примесями, как напр. кремнием, марганцем, фосфором, серой и т. п. Одни из этих примесей попадают в сталь из чугуна или топлива, другие же вследствие необходимой их прибавки при процессах получения Л. стали. Каждое из этих тел оказывает влияние на свойства стали в зависимости от его количества, природы и, главным образом, от их взаимодействия. Но так как в стали всегда находится несколько примесей, то при определении влияния какой-нибудь из них в отдельности встречаются большие затруднения, а потому, несмотря на многочисленные опыты и исследования, вопрос о влиянии химических элементов на сталь нельзя считать решенным. Более важным и самостоятельным влиянием на свойства стали отличается углерод. Он сообщает стали способность приобретать большую твердость и упругость помощью закалки и отпуска. Другие примеси могут только усиливать или уменьшать эту способность, но при отсутствии углерода никакая другая примесь не может оказать подобного влияния на сталь. Это особенное свойство углерода зависит от термических условий, при которых он изменяет свое состояние, превращаясь в карбид или в углерод закала, а вместе с тем содействует также аллотропическому превращению железа в стали из мягкого состояния железа ? в твердое железо ? и обратно (см. Критические точки железных продуктов). В первом случае получается сталь твердая, закаленная, во втором — мягкая, отпущенная. Но в последнее время, по исследованиям Робертс-Остена и Осмонда, оказалось, что влияние углерода ограничивается только замедлением перехода железа ? в ?, т. е. что углерод понижает начальную температуру превращения и сталь при быстром охлаждении получает закалку. Такую же роль играют при охлаждении стали и другие примеси с той только разницей, что одни действуют, как углерод, замедляющим образом, другие же ускоряют превращение железа ? в ?. К первой группе принадлежат те элементы, которых атомный объем меньше объема атома железа, ко второй — элементы с большим удельным объемом
-
| I группа: | |
| - - |
| Углерод, атомный объем | = 3,6 |
| - - |
| Бор | = 4,1 |
| - - |
| Никель | = 6,7 |
| - - |
| Марганец | = 6,9 |
| - - |
| Медь | = 7,1 |
| - - |
| Железо | = 7,2 |
| - - |
| II группа: | |
| - - |
| Хром, атомный объем | = 7,7 |
| - - |
| Вольфрам | = 9,6 |
| - - |
| Кремний | = 11,2 |
| - - |
| Мышьяк | = 13,2 |
| - - |
| Фосфор | = 13,5 |
| - - |
| Сера | = 13,7 |
- При этом влияние примеси тем сильнее, чем больше отличается объем ее атома от атомного объема железа, и наоборот. Зависимость от атомных объемов сперва была найдена Робертс-Остеном для сплавов золота с медью, а потом Осмонд применил ее к сплавам железа. С увеличением содержания углерода в Л. стали увеличивается ее твердость, упругость, сопротивление изгибу, разрыву, скручиванию, но вместе с тем уменьшается гибкость, вязкость, тягучесть, а также и удельный вес Л. стали, как показано в следующей таблице:
-
| | Предел | Сопрот. | Удлин. | Сжатие попереч. | |
| Содержание | упругости в | разрыву в | при | сечения при | Удельный |
| углерода | кг на кв. мм | гр. на кв. | разрыве | разрыве в % | вес |
| | | мм | в % | | |
| - - - - - - |
| 0,14 | 20,50 | 44,30 | 21,8 | 49,2 | 7,9219 |
| - - - - - - |
| 0,19 | 33,10 | 47,85 | 20,1 | 41,6 | 7,8784 |
| - - - - - - |
| 0,46 | 34,50 | 53,30 | 18,1 | 30,5 | 7,8711 |
| - - - - - - |
| 0,54 | 34,90 | 55,60 | 17,8 | 32,8 | 7,8622 |
| - - - - - - |
| 0,66 | 37,45 | 62,95 | 33,7 | 19,7 | 7,8530 |
| - - - - - - |
| 0,78 | 37,50 | 64,70 | 11,4 | 19,1 | 7,8434 |
| - - - - - - |
| 0,87 | 42,90 | 73,35 | 8,1 | 16,4 | 7,8378 |
| - - - - - - |
| 0,96 | 48,70 | 83,05 | 6,6 | 10,0 | 7,8290 |
- Подобным же свойством отличается марганец, только в меньшей степени. Он увеличивает больше предел упругости, чем сопротивление разрыву. В малоуглеродистой стали марганец увеличивает вязкость, но при значительном содержании углерода он придает стали хрупкость и уменьшает удлинение. Содержание марганца в мягких сортах допускается от 0,5-0,8%; в средних 0,4 до 0,6%; в твердых — не выше 0,3%; при высоких содержаниях марганца, выше 0,3%, сталь получает особые свойства (см. Марганцовистая сталь). Кремний вообще считается опасным врагом Л. стали, и стараются избегать его присутствия в количествах выше 1/4%. При небольшом же содержании он оказывает даже благоприятное влияние на качество Л. стали, увеличивая ее прочность без заметного уменьшения вязкости металла. С возрастанием содержания углерода влияние кремния усиливается; сталь делается хрупче, и ее ковкость при высокой температуре уменьшается. В хорошей тигельной стали содержание кремния не должно превышать 0,2%; в бессемеровской и мартеновской стали обыкновенно его содержание ниже 0,1%. При отливке присутствие кремния действует как успокоитель, причем отношение содержания кремния к марганцу должно быть как 3:4,5. Самым опасным врагом Л. стали считается фосфор, который придает ей хладноломкость, т. е. хрупкость в холодном состоянии. Особенно вредное влияние фосфора на сталь оказывается при температурах ниже 0°; при высоких же температурах нагрева фосфористая сталь имеет большую способность к кристаллизации, и тогда хрупкость ее еще больше увеличивается. Количество допускаемого содержания фосфора зависит от содержания углерода в стали. Вообще в хороших сортах стали содержание фосфора не должно превышать 0,05%. Присутствие марганца в некоторой степени ослабляет действие фосфора. Присутствие серы сообщает Л. стали при ее обработке в раскаленном состоянии свойства красноломкости; крайний предел содержания серы не больше 0,03%. При фасонных отливках, не подвергающихся проковке, содержание серы может быть допущено гораздо выше. Подобным образом действует и медь на сталь, только в более слабой степени. Хром и вольфрам прибавляются для приготовления специальных сортов стали; они придают стали большую твердость, особенно в присутствии углерода. Сталь, содержащая около 2% вольфрама, обладает такой твердостью, что не требует закалки. При нагревании хром и вольфрам способствуют кристаллизации и перегреву болванки; при закалке вызывают сильные внутренние натяжения. Снарядная сталь заключает хрома около 1,5-2,5%. Никель оказывает очень полезное влияние; при небольшом содержании углерода в стали он увеличивает вязкость металла, а после закалки сильно повышается его упругость, с увеличением же углерода вязкость значительно понижается. В последнее время никелевую сталь с успехом начали применять для броней (см. Никелевая сталь). Алюминий употребляется только как успокоитель при отливке, для получения плотной беспузыристой стали. По своей легкой окисляемости он почти весь выгорает и потому на сталь не оказывает влияния. Эти различные по своему качеству сорта стали могут быть изготовлены или посредством переплавки в тиглях, так назыв. тигельный способ, или окислением расплавленного чугуна вдуванием воздуха — бессемеровский способ, или, наконец, посредством сплавления чугуна с железом в газовых печах — мартеновский способ. Полученная одним из этих способов жидкая сталь разливается в чугунные или земляные формы, в которых она застывает в виде цельных слитков (болванок) или в виде готового изделия (фасонные отливки). I. Тигельный способ. Тигельная сталь получается переплавкой в тиглях пудлинговой, кричной или другой какой-нибудь стали. Для этого сперва прокатывают сталь различной твердости и разрезают ее на мелкие кусочки, потом составляют шихту, переплавляют ее в огнеупорных тиглях, и жидкую сталь сливают в формы (изложницы), где она застывает. Полученная болванка поступает в дальнейшую обработку (см. Ковка). Для плавки стали устраиваются самодувные горна (фиг. 2, табл. 1); каждый горн делается на 2 или 4 тигля, или же плавку ведут в регенеративных печах Сименса (ф. I, 3), состоящих из нескольких плавильных пространств на 4-8 тиглей каждое. b34_770-4.jpg ЛИТАЯ СТАЛЬ I. Фиг. 1. Тигель для плавки стали. Фиг. 2. Тигельный горн. Фиг. 3. Регенеративная печь для тигельной стали. Фиг. 4, 5, 6, 7, 8, 10 и 15. Разные формы реторт Бессемера. Фиг. 11. Фурменный кирпич. Фиг. 12. Реторта с днищем Holley. Фиг. 13. Реторта с кирпичным днищем. Фиг. 14, 16 и 17. Реторты для малых насадок. Тигли (ф. I, 1) вместимостью (около 300 куб. дюймов) на два пуда стали приготовляются из огнеупорной глины, к которой иногда прибавляют графит. Топливом служит каменный или древесный уголь, торф, чаще всего кокс. В 4-местных горнах на 1 пуд стали расходуется от 21/2 до 3 пд. кокса или от 6-9 пд. древесного угля. В газовых печах на пуд стали идет около 1,5 пд. камен. угля. Тигли выдерживают в горнах 1-2 плавки, в газовых 3-5. Процесс переплавки в тиглях очень прост. На колосники подогретого горна ставят глиняные поддонники, а на них тигли. Пространство между тиглями засыпают коксом. В тигли кладут шихту и закрывают их крышками, снабженными отверстиями для наблюдения за ходом плавки. Плавка продолжается около 4 час. Расплавленной стали дают время выстояться, а потом вынимают тигли особыми клещами и переносят их к литейной яме, где помещаются изложницы. По дороговизне этого способа для шихты употребляются материалы самых высоких качеств. До последнего времени почти единственным материалом служила цементная и пудлинговая сталь. Для получения твердой инструментальной стали в шихте прибавляется еще чистый рафинированный, а иногда и зеркальный чугун, или же плавят мягкое пудлинговое железо с прибавкой древесного угля. На мягкую сталь берут более мягкие сорта пудлинговой стали вместе с железом. Во всех этих случаях процесс состоит только в переплавке металла в тигле. Чаще всего берут такой состав шихты, при котором в тигле совершается более сложный процесс. Так, напр., по способу Ухациуса шихта состоит из чугуна, железной руды и перекиси марганца; Обухов предложил шихту из пудлинговой стали, рафинировочного чугуна и магнитного железняка с прибавлением марганца в виде перекиси марганца или зеркального чугуна; по Мюшету, железо сплавляется в тигле с древесным углем, количество которого зависит от желаемой твердости стали. В первых двух способах, кроме плавления, происходит еще процесс окисления чугуна (свежевание) и обезуглероживания металла, в последнем же цементация железа. Сюда можно еще отнести старый способ индусов для получения дамасской стали (булата), которая получалась сплавлением в тигле кусков железа со стеблями растения Cassia (для введения углерода). Вообще плавку в тигле можно разделить на 3 периода: 1) расплавление чугуна и растворение в нем стали и железа; при этом руда вызывает образование шлака, который действует окислительным образом на кремний, марганец, а также и на железо; 2) обезуглероживание металла на счет кислорода руды; 3) период поспевания, во время которого происходит восстановление железа из шлака на счет углерода стенок тигля, а также восстановляется часть кремния, который переходит в металл. На состав стали всегда оказывают влияние стенкн тиглей, особенно графитовых, из которых часть углерода и кремния переходит в металл. Так, напр., твердая инструментальная сталь с 0,06% кремния после переплавки в глиняном тигле содержала 0,23%, а в графитовом 0,24% кремния. Бессемеровская сталь с 0,25% углерода и 0,06 кремния после переплавки в графитовом тигле содержала 0,63% углерода и 0,21% кремния. Продолжительность операции главным образом зависит от состава шихты, а также от горючего материала и устройства горна. На Обуховском заводе плавка продолжается около 4 часов; при шихте Ухациуса от 21/2-3 часов; из мягкой стали от 4-5 часов, а из железа еще больше. На Обуховском заводе тигельная сталь получается 4 сортов.
-
| | Содержание | Предел упругости | Сопротивл. | |
| | углерода в | в кг на кв. мм | разрыву в кг на кв. | Удлинен. в % |
| | % | | мм | |
| - - - - - |
| Твердая инструм. | 0,75 — 1 | 40 | 85 | 14 |
| незакален. | | | | |
| - - - - - |
| Твердая инструм.после | - | 120 | 160 | 6 |
| закала | | | | |
| - - - - - |
| Твердая кольцевая | 0,6 — 0,7 | 35 | 70 | 15 |
| незакален. | | | | |
| - - - - - |
| Твердая кольцевая после | - | 100 | 130 | 9 |
| закала | | | | |
| - - - - - |
| Средн. твердая орудийн. | 0,5 — 0,6 | 130 | 60 | 18 |
| незакален . | | | | |
| - - - - - |
| Средн. твердая орудийн. | - | 75 | 100 | 11 |
| после закала | | | | |
| - - - - - |
| Мягкая трубн. | 0,4-0,5 | 25 | 50 | 20 |
| незакаленная | | | | |
| - - - - - |
| Мягкая трубн. после закала | | 50 | 80 | 14 [b][!tr