Чугун

Чугунът е клас желязо-въглеродни сплави със съдържание на въглерод над 2% и съдържание на силиций около 1-3%. Неговата полезност се дължи на сравнително ниската му температура на топене.

Чугунът не е ковък, дори когато е горещ, но може да се формира чрез леене, тъй като има по-ниска температура на топене от стоманата и добри леярски свойства.

Чугунът е крехък. Със своята относително ниска температура на топене, добра течливост, леярски свойства, отлична обработваемост, устойчивост на деформации и износоустойчивост чугунът се е превърнал в градивен материал с широк спектър от приложения и се използва в тръби, машини и части за автомобилната промишленост, като цилиндрови глави, цилиндрови блокове и корпуси на скоростни кутии. Някои сплави са устойчиви на увреждане от окисляване. Като цяло чугунът е известен с това, че е труден за заваряване.

Чугунът не може да се кове, но ако чистотата му е добра, той може да се използва за отливане на компоненти, като например части за двигатели.

 

Стомана

Стоманата е сплав от желязо и въглерод. Основната й съставка - желязото - е доста пластична, или мека и е лесна за оформяне в чист вид. Добавянето на въглерод към елемента значително повишава якостта на опън, твърдостта и устойчивостта на износване и абразия, но понижава пластичността, обработваемостта и издръжливостта му.

Общото количество на добавения въглерод обаче трябва да е по-малко от 2 %, за да може полученият метал да се класифицира като стомана.

Стоманата също така може да се използва многократно: тя е един от най-рециклираните материали в света, като процентът на рециклиране в световен мащаб е над 60 %.

В допълнение към въглерода, в процеса на производство на стомана могат да се добавят и други елементи, за да се подобрят още повече характеристиките на стоманата. Точните свойства на дадена легирана стомана зависят от включените елементи и тяхното съотношение. Като цяло легираните стомани се отличават с огромна здравина, твърдост и гъвкавост. Чрез смесване на легиращи елементи и подлагане на сместа на висока температура, за да се промени нейната твърдост, можем да променим механичните свойства като твърдост, якост, издръжливост и пластичност.

 

Въглеродни стомани

Въглеродните стомани се състоят предимно от желязо и въглерод като втвърдяващ елемент и нищо друго (с изключение на леки примеси).

Обикновено те се групират в четири подкатегории:

  • Нисковъглеродна стомана - Мека стомана (0,03 % до 0,15 % въглерод). Обикновена въглеродна стомана. Не съдържа достатъчно въглерод, за да бъде закалена чрез нагряване и закаляване.
  • Средновъглеродна стомана (0,25 % до 0,50 % въглерод). Тя балансира пластичността и якостта и има добра износоустойчивост. Използва се за големи части, коване и автомобилни компоненти.
  • Високовъглеродна стомана (от 0,55 % до 1,10 % въглерод). Тя е много здрава, използва се за пружини, ръбови инструменти и високоякостни проводници.
  • Свръхвисоко въглеродна стомана (1,25 % до 2,0 %). Стомани, които могат да се закаляват до голяма твърдост. Използва се за специални цели, като например ножове (без промишлено предназначение), оси и перфоратори.

Колкото по-високо е съдържанието на въглерод, толкова по-твърд е полученият материал и съответно толкова по-труден е за обработка. С увеличаване на процентното съдържание на въглерод стоманата има способността да става по-твърда и по-здрава чрез термична обработка; тя обаче става по-малко пластична.

Независимо от топлинната обработка, по-високото съдържание на въглерод намалява заваряемостта.

При въглеродните стомани по-високото съдържание на въглерод понижава температурата на топене.

Въглеродната стомана е податлива на ръжда и корозия, особено в среда с високи нива на влага и/или сол. 

 

Стоманени сплави (легирана стомана)

Стоманените сплави комбинират въглеродна стомана с други легиращи елементи, за да добавят или подобрят специфични характеристики на материала и да подобрят механичните му свойства, като например якост, твърдост или устойчивост на корозия. За да се постигнат тези подобрени свойства, металът може да изисква специфична термична обработка, съчетана със строги протоколи за охлаждане.

Те могат да бъдат групирани по примеси или процентно съдържание на примеси. Като насока, легиращите елементи се добавят в по-ниски проценти (по-малко от 5 %), за да се увеличи якостта или твърдостта, или в по-големи проценти (над 5 %), за да се подобри устойчивостта на корозия или температурната стабилност.

  • Високолегираните стомани съдържат по-висок процент легиращи елементи (над 8 %, но обикновено поне 10 %).
  • Нисколегираните стомани съдържат ниско процентно съдържание на легиращи елементи (обикновено между 1 и 5 %, но може да достигне до 8 %).

Свойствата на стоманените сплави се влияят в голяма степен от добавените легиращи елементи. Всеки легиращ елемент има уникални свойства, които придава на въглеродната стомана.

Някои често срещани легиращи елементи са изброени по-долу.

  • Хромът оказва влияние в зависимост от процентното му съдържание. Той повишава температурата на топене. Когато се използва в малък процент (0,5 % - 2 %), той може да увеличи твърдостта и якостта на материала. По-високият процент (4 % - 18 %) може да повиши устойчивостта на корозия и окисляване.
  • Ванадий в количество около 0,15% може да увеличи твърдостта и здравината на въглеродната стомана (като същевременно я прави по-малко склонна към умора на метала), устойчивостта на топлина и цялостната структура на зърната. Когато се използва с хром, сплавта от формована стомана има повишена твърдост, без да губи формообразуващата си способност.
  • Никелът също има ефект в зависимост от процентното съдържание. При около 5 % от него стоманената сплав се отличава с повишена якост. По-високият процент (над 12 %) повишава устойчивостта на формованата сплав на корозия и окисляване.
  • Волфрамът ще увеличи структурния състав на формованата стоманена сплав. Освен това той повишава устойчивостта на топлина, което води до повишаване на температурата на топене.
  • Манганът с малки количества фосфор и сяра прави формираната стоманена сплав по-малко крехка и по-пластична.
  • Молибденът подобрява якостта и издръжливостта на стоманената сплав при високи температури. Той се използва и за устойчивост на крехкост.
  • Силицият подобрява магнитната мекота (лесно се намагнитва и размагнитва) и увеличава електрическото съпротивление.
  • Борът улеснява втвърдяването на стоманата.

В стоманата са важни и допълнителни елементи, които най-често се считат за нежелани: фосфор, сяра, силиций, олово и следи от кислород и мед. Те се смятат за замърсители, които правят стоманата по-крехка, и затова се отстраняват от стоманата по време на обработката при топене.

Някои общи свойства на стоманата включват следното:

  • Твърдост: устойчивост на материала на износване и надраскване.
  • Якост: способността на материала да се натоварва, без да се деформира трайно.
  • Пластичност: способността на материала да се деформира трайно при натоварване, преди да се счупи.
  • Здравина: комбинацията от якост и пластичност на материала, която му позволява да поглъща енергия, без да се разрушава.

Плътността на стоманата варира в зависимост от легиращите съставки, но обикновено варира между 7,5 и 8,0 kg/m3 в зависимост от сплавта.

 

Неръждаема стомана

Неръждаемата стомана, известна още като инокс, корозионноустойчива стомана (CRES) и неръждаема стомана, е сплав на желязна основа, съдържаща минимално количество хром, която е устойчива на ръждясване и корозия. Устойчивостта на неръждаемата стомана на корозия се дължи на съдържанието на хром от 10,5 % или повече, което образува пасивен филм, който може да предпазва материала и да се самовъзстановява в присъствието на кислород. Неръждаемата стомана може да се легира и с други елементи, като молибден, въглерод, никел и азот, за да се получат различни свойства в зависимост от конкретната ѝ употреба.

Свойствата на сплавта, като блясък и устойчивост на корозия, са полезни за много приложения.

Биологичната чистота на неръждаемата стомана превъзхожда алуминия и медта и е сравнима със стъклото. Нейната чистота, здравина и устойчивост на корозия са причина за използването на неръждаемата стомана във фармацевтичните и хранително-вкусовите предприятия.

  • Устойчивост на корозия

Въпреки че неръждаемата стомана ръждясва, това засяга само външните няколко слоя атоми, тъй като съдържанието на хром предпазва по-дълбоките слоеве от окисляване.

Добавянето на азот също така подобрява устойчивостта на питинг корозия и увеличава механичната якост. Съществуват многобройни марки неръждаема стомана с различно съдържание на хром и молибден, които отговарят на средата, на която сплавта трябва да издържи. Устойчивостта на корозия може да се повиши допълнително чрез следните средства:

- увеличаване на съдържанието на хром до повече от 11 %

- добавяне на никел до най-малко 8 %.

- добавяне на молибден/ванадий (който също така подобрява устойчивостта на питинг корозия)

  • Здравина

Неръждаемата стомана винаги осигурява по-голяма якост от алуминия, когато се сравняват подобни форми, дебелини или конструкции.

В сравнение с нисковъглеродната стомана, неръждаемата стомана предлага огромно подобрение на здравината, твърдостта и най-вече на устойчивостта на корозия.

Високовъглеродната стомана предлага здравина, съперничеща и понякога надвишаваща неръждаемата стомана, но до голяма степен е нишов материал в света на производството.

  • Точка на топене

Температурата на топене на неръждаемата стомана е близка до тази на обикновената стомана и много по-висока от температурата на топене на алуминия или медта.

  • Проводимост

Подобно на стоманата, неръждаемите стомани са сравнително слаби проводници на електричество, със значително по-ниска електропроводимост от медта.

  • Магнетизъм

Мартензитните, дуплексните и феритните неръждаеми стомани са магнитни, докато аустенитната неръждаема стомана обикновено е немагнитна.