Сплавы железа: известные и не очень разновидности

Сплавы железа широко применяются в промышленности, а полученные изделия занимают практически любую сферу нашей жизни. Дома, автомобили, предметы быта, инструменты, медицина – вот далеко не полный перечень направлений, где применимы сплавы железа.

Несмотря на то, что наиболее часто используют всего два таких сплава – сталь и чугун, каждый из них имеет свои разновидности, которые определяют сферу применения. В нашей статье мы расскажем, что такое сплавы железа, какими они бывают, и поговорим о тех сферах, где их используют чаще всего.

Описание сплава железа

Металлы в чистом виде имеют недостаточную прочность, поэтому относительно редко используются в машиностроении, а роль конструкционных материалов обычно играют сплавы.

Сплавом называют вещество, для получения которого два и более компонента, в том числе металлы и неметаллы, смешиваются в жидком виде. Также в составе данного соединения присутствуют примеси – они делятся на полезные и вредные. Первые улучшают эксплуатационные характеристики материала, тогда как вторые, наоборот, негативно отражаются на его качествах. Кроме того, примеси могут быть случайными и специально добавленными в металл, чтобы обеспечить ему определенные показатели.

Отвердение сплава приводит к тому, что компоненты формируют твердый раствор, химическое соединение или механическую смесь. В первом случае кристаллическая решетка основного компонента остается неизменной, а другой распределяется в ее пределах в виде отдельных атомов. В химическом соединении элементы взаимодействуют, что приводит к формированию новой кристаллической решетки. В механической смеси компоненты имеют полную нерастворимость, поэтому их кристаллические решетки сохраняются, и сплав представляет собой смесь кристаллов веществ.

Металлы на основе алюминия, магния, титана и бериллия обладают незначительной плотностью, поэтому носят название легких цветных сплавов. Материалы на базе меди, свинца, олова считаются тяжелыми цветными сплавами. Цинк, кадмий, олово, свинец, висмут являются основой для легкоплавких цветных сплавов. А из молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и прочих металлов делают тугоплавкие цветные сплавы.

В промышленности активнее всего применяются сплавы на основе железа с добавлением углерода – их принято обозначать как железоуглеродистые сплавы. В эту категорию входят стали и чугуны. Разница между этими двумя видами сплавов железа состоит в доле углерода: если этого компонента менее 2,14 %, то речь идет о стали, при большем показателе металл считается чугуном.

Стали и чугуны являются основными металлическими сплавами для современной техники, поэтому объемы их производства в десять раз превышают аналогичный показатель для всех вместе взятых остальных металлов.

Сталь как один из самых распространенных сплавов железа

Сталью называется сплав железа с углеродом, если содержание последнего не выходит за пределы 2,14 %. Точное соблюдение пропорций позволяет достичь очень высокой прочности металла.

За счет дополнительных компонентов материалу придают необходимые технические характеристики. Еще один способ получения особых свойств – термообработка. Она дает возможность изготавливать марки стали с улучшенными магнетическими показателями, повышенной прочностью, стойкостью к появлению ржавчины. Для каждого вида таких сплавов железа используется отдельная маркировка, включающая в себя комбинацию цифр и букв.

На основании содержания углерода среди сталей выделяют:

• малоуглеродистые;
• среднеуглеродистые;
• высокоуглеродистые.

Повысить качество металла позволяют специальные добавки, поэтому принято говорить о трех видах легированных сплавов:

• низколегированные;
• среднелегированные;
• высоколегированные сплавы, в которых может присутствовать до 50 % примесей.

По маркировке легированного сплава, например, железа с никелем, можно судить о его назначении. Причем буквы устанавливают вещество, использованное в качестве добавки.

Для обозначения сплавов железа используются:

• С – строительная сталь, буква обозначает текучесть материала;
• Ш – подшипниковые стали, далее в маркировке идет указатель металла, внесенного в сплав;
• У – признак индустриальной стали;
• Р – ставится на быстрорежущих сплавах;
• Сп – является маркировкой конструкционного сплава.

За счет термической обработки на производстве могут задавать новое внутреннее строение кристаллической решетки железа. Для этой цели используют различные технологии.

Литье позволяет изготавливать сплавы разного качества. Данная характеристика зависит от присутствия посторонних включений, например, фосфора и серы. Поэтому принято говорить об обыкновенных и высококачественных сплавах, которые обозначаются буквой А. В норме, доля серы не может выходить за пределы 0,25 %.

По раскислению стали и сплавы делят на такие виды:

1. Кипящие – имеют плохие свойства, что связано с увеличением выхода готового расплава за счет сокращения доли легирующих компонентов. Для маркировки используют «КП».
2. Спокойные – вредное раскисление уже завершено. Здесь улучшается качество производства, однако повышаются финансовые расходы. Такой металл обозначается как СП.
3. Полуспокойные – это промежуточное состояние между двумя описанными выше, маркируется как «ПС».

Элементы, включенные в состав конкретного сплава железа, фиксируют при помощи марочника сталей. Подобные обозначения позволяют определять легирующие материалы:

• вольфрам имеет маркировку в виде буквы В;
• кобальт – К;
• молибден – М;
• никель – Н;
• титан – Т;
• хром – Х;
• марганец – Г;
• алюминий – Ю;
• кремний – К.

В металлургической промышленности свойства металла улучшают, в том числе при помощи неметаллов, таких как азот и кремний. Они обозначаются буквами А и К соответственно.

Сферы применения стали различного типа

Сплавы железа, в том числе с медью, являются ключевыми конструкционными материалами для сферы техники и промышленности. Железо в сочетании с углеродом используется для производства подавляющего большинства конструкций в машиностроении и тяжелой промышленности. Сталь является материалом для легковых, грузовых автомобилей, станков, железных дорог, многих элементов судов.

В целом, из стали делают примерно 95% всей металлической продукции. В современном мире по масштабам производства данного металла можно судить об общем технико-экономическом уровне развития страны.

Легированные стали идут на изготовление инструментов и машинных узлов, поскольку имеют особую прочность, стойкость к высоким температурам и образованию ржавчины, что достигается за счет внесенных добавок. Углеродистые стали чаще всего используют для каркасных сооружений, прокладки водопроводов, пр.

Исходя из назначения, стали как сплавы железа делятся на такие основные категории:

• Строительные. В эту группу входят преимущественно высоко- или среднеуглеродистые марки. Их задействуют во время строительных работ на всех этапах от подготовки каркасов до производства кровельного листа и даже бытовых предметов.
• Конструкционные. Это металлы с низким содержанием углерода, то есть не более 0,75 %. Они играют роль основного материала для машиностроения, используются как при изготовлении обычных велосипедов, так и морских судов.
• Инструментальные. Еще одни вид низкоуглеродистой стали, который характеризуется малой долей марганца в пределах 0,4 %. Его используют для производства измерительных, штампованных, режущих инструментов.
• Специальные. В данной группе есть два подвида с особыми физическими и химическими свойствами. Под первым понимают электротехническую сталь с заданными магнитными характеристиками, а второй – это жаропрочная нержавеющая сталь и другие типы.

Сфера использования легированных сталей зависит от их характеристик:

• Нержавеющие сплавы применяют в строительстве, машиностроении, если необходима повышенная способность противостоять образованию ржавчины.
• Жаропрочные стали, в соответствии с названием, задействуются при высоких температурах, будучи материалом для турбин, отопительных магистралей. Дело в том, что они не подвержены окислению под действием значительного нагрева, в этом основное качество для большинства рабочих узлов в теплотехнике.

Виды и область использования чугуна

Чугун практически также популярен в сфере производства, как и сталь, ведь по механическим характеристикам он сравним со многими ее марками. Использование данного сплава железа зависит от его категории.

Принято говорить о таких видах чугуна:

• Серый. Углерод в его составе представляет собой графитовые пластинки. Имеет высокие литьевые характеристики при незначительной усадке. Но основным свойством металла считается способность выдерживать переменные нагрузки. Поэтому его применяют в качестве материала для прокатных станков, станин, подшипников, маховиков, поршневых колец, деталей тракторных и автомобильных двигателей, корпусов, пр.
• Белый. Здесь углерод связан с железом, поэтому такой сплав железа идет преимущественно на изготовление стали.
• Высокопрочный. Углерод выглядит как шарообразные включения, за счет чего достигается повышенная стойкость к растяжению и изгибу. Материал используется для производства элементов турбин, коленчатых валов тракторов и автомобилей, шестерней, пр.

Чугун может быть легирован, если необходимо обеспечить ему дополнительные характеристики:

• Износостойкий – используется как материал для насосных деталей, тормозов, дисков сцепления.
• Жаростойкий – идет на доменные, мартеновские, термические печи.
• Жаропрочный – подходит для изготовления газовых печей, компрессорного оборудования, дизельных двигателей.

Менее распространенные сплавы железа

Сплав феррит

Это твердый раствор углерода, доля которого не превышает 0,02 % в α-железе. Стоит понимать, что в данной разновидности железа углерод растворяется при комнатной температуре в тысячных долях процента. Поэтому феррит по своим качествам похож на железо в чистом виде, то есть пластичен, но обладает низкой прочностью и твердостью. Данная структура чаще всего встречается у тонколистовой и низкоуглеродистой стали.

Сплав аустенит

Аустенит также является твердым раствором углерода, но содержание последнего доходит до 2 %. В этом сплаве α-железа присутствуют легирующие добавки. Он имеет в 2–2,5 раза более высокую твердость, чем феррит, при этом характеризуется высоким уровнем пластичности. Добиться подобного эффекта позволяет термическое и химико-термическое воздействие на металл.

Сплав цементит

Сплав представляет собой химическое соединение железа с углеродом в пределах 6,67 %. Он имеет высокую хрупкость, зато по своей твердости сравним с алмазом.

Сплав перлит

Речь идет о механической смеси феррита с цементитом, которая получается вследствие распада аустенита. Доля углерода в данном сплаве железа составляет 0,8 %. Перлит является самым распространенным структурным элементом сталей и чугунов.

Сплав ледебурит

Это одна из ключевых структурных составляющих сплавов железа с углеродом. Она представляет собой цементит и аустенит в момент образования, но, остывая, превращается в сочетание цементита и перлита. В составе ледебурита 4,3 % углерода, такой металл имеет значительную твердость, при этом хрупок.

Это все ключевые свойства наиболее распространенного в промышленности металла. Люди научились применять сплавы железа очень давно, сделав их материалом для орудий труда, украшений, оружия, домашней утвари.

Современные производства работают более чем с 10 000 видов сплавов железа. Это объясняется тем, что лишь данный металл способен претерпевать такое количество превращений, сильно меняя характеристики под действием легирования и высокой температуры. Ученые непрерывно ищут новые методы получения и обработки сплавов железа с необходимыми дополнительными свойствами.