Общие сведения о чёрных металлах

Наиболее широко распространены в промышленности сплавы железа, называемые чёрными металлами, на долю которых приходится примерно 95% всей металлической продукции. Сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02% С, называют техническим железом, содержащие от 0,02% С до 2,14% С называют сталью, содержащие больше 2,14% С – чугуном.

В чёрных металлах углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита (карбид железа Fе₃C), имеющего высокие твёрдость и хрупкость. В свободном состоянии в виде графита углерод содержится в чугунах. С ростом содержания углерода в сталях возрастают твёрдость, прочность и уменьшаются пластичность, ударная вязкость и хладостойкость.

На свойства чёрных металлов влияет наличие в них постоянных примесей, попадающих из руды, металлического лома, а также в процессе выплавки. Одни примеси сопутствуют процессу получения материала и являются вредными (сера, фосфор, кислород, азот, водород), другие – полезными (кремний, марганец, хром и др.). Вредные примеси снижают наиболее ценные эксплуатационные и технологические свойства материалов, как, например, прочность или пластичность, а полезные, наоборот, эти свойства повышают.

Целенаправленное введение полезных примесей с целью улучшения свойств материала называется легированием. Следует помнить, что чрезмерное легирование приводит к резкому повышению стоимости стали и может заметно ухудшить её технологические свойства.

Из чёрных металлов наибольшее применение имеют стали, поскольку они обладают оптимальным сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств.

В маркировку сталей в подавляющем большинстве случаев вводят цифры, показывающие содержание в них углерода. Например, «сталь 10» означает сталь, содержащую примерно 0,1% С, а «сталь 45» – соответственно, 0,45% С.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные стали в зависимости от назначения делят на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, и строительные, предназначенные для изготовления металлоконструкций и сооружений.

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов.

К сталям с особыми свойствами относятся стали, имеющие специальное назначение, например, коррозионно-стойкие или жаропрочные.

О широте применения сталей и их эксплуатационных свойствах можно судить уже по специализированным названиям их видов: строительные, машиностроительные, автоматные, высокопрочные, износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, пружинные и рессорные, шарикоподшипниковые, инструментальные, штамповые, для ударных инструментов, для измерительных инструментов, для медицинских инструментов, для нагревательных элементов, электротехнические, трансформаторные, магнитные, окалиностойкие, с особыми упругими свойствами.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении.

Углерод в чугуне может находиться в виде графита и цементита. Цементит придаёт излому характерный светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита называют белым чугуном. Графит придаёт излому серый цвет. Поэтому чугун, в котором бόльшая часть углерода находится в виде графита называют серым чугуном.

Белый чугун является очень твёрдым, хрупким и практически не поддаётся обработке резанием. Поэтому для изготовления деталей машин он не используется. Ограниченное применение имеют лишь отбеленные чугуны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твёрдой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, тормозные колодки, колёса, шары для мельниц, лемеха плугов и другие детали, работающие в условиях износа.

Серый чугун нашёл широкое применение в технике. Преобладающий графит обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства, но снижает прочность и пластичность. Серый чугун является наилучшим литейным материалом.

Но все чугуны обладают плохой свариваемостью. Разрушающая нагрузка при сжатии чугуна примерно в 4 раза больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать для изготовления изделий, работающих преимущественно на сжатие.