Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Темірдің басқа элементтермен металл қорытпасы
Metal alloy of iron with other elements
Болат – темір мен көміртегінің қорытпасы, ол темірдің басқа түрлеріне қарағанда жоғары беріктікке және сынуға төзімділікке ие. Жоғары тартылу беріктігі мен төмен құнының арқасында болат әлемдегі ең көп өндірілетін материалдардың бірі болып табылады. Болат ғимараттарда, бетонды арматуралау үшін, көпірлерде, инфрақұрылымда, құралдарда, кемелерде, пойздарда, автомобильдерде, велосипедтерде, машиналарда, электр құралдарында, жиһазда және қару-жарақтарда қолданылады. Темір әрқашан болаттың негізгі құрамы болып табылады, бірақ көптеген басқа элементтер де болуы немесе қосылуы мүмкін. Тотығу мен коррозияға төзімді болатқа, әдетте, қосымша 11% хром қажет. Темір – болаттың негізгі металлы. Температураға байланысты, ол екі кристалдық түрін (аллотроптық түрлерді) қабылдайды: денеге ортақталған кубтық және бетке ортақталған кубтық. Темірдің аллотроптарының қорытпа элементтерімен, ең алдымен көміртегімен өзара әрекеттесуі болат пен шойынға ерекше қасиеттер береді. Таза темірдің кристалдық құрылымы темір атомдарының бір-бірінен сығуға кедергісіздігіне байланысты, сондықтан таза темір өте икемді, яғни жұмсақ және оңай қалыптасады. Болатта көміртегінің аз мөлшері, басқа элементтер және темір ішіндегі қоспалар дислокациялардың қозғалысын болдырмайтын қатайтқыштар ретінде әрекет етеді. Типтік болат қорытпаларындағы көміртегі оның салмағының 2,14%-ға дейін құрауы мүмкін. Көміртегінің және көптеген басқа қорытпа элементтерінің мөлшерін өзгерту, сондай-ақ олардың соңғы болаттағы химиялық және физикалық құрамын бақылау (ерітінді элементтері ретінде немесе тұндырылған фазалар ретінде) таза темірді икемді ететін дислокациялардың қозғалысын шектейді, осылайша оның қасиеттерін бақылайды және жақсартады. Бұл қасиеттерге қатайғыштық, сөндіру мінез-құлқы, отқа төзу қажеттілігі, қайтару мінез-құлқы, беріктік және алынған болаттың тартылу беріктігі жатады. Болаттың таза темірге қарағанда беріктігін арттыру тек темірдің икемділігін азайту арқылы ғана мүмкін. Болат мыңдаған жылдар бойы гүлдену пештерінде өндірілген, бірақ оның кең ауқымды, өнеркәсіптік қолданылуы 17 ғасырда жоғары пеш пен балқытушы болат өндірісі енгізілгеннен кейін ғана басталды, бұл тиімді өндіріс әдістерін ойлап табуға әкелді. Содан кейін 19 ғасырдың ортасында Англияда Бессемер процесі, одан кейін ашық ошақ пеші пайда болды. Бессемер процесінің қабылдануымен болатты жаппай өндірудің жаңа дәуірі басталды. Жұмсақ болат, ұнтақ темірді ығыстырды. 19 ғасырда Германия мемлекеттері Еуропадағы ең ірі болат өндірушілер болды. Американың болат өндірісі 20 ғасырдың соңына дейін Питтсбургте, Бейтлехемде (Пенсильвания штаты) және Кливлендте шоғырланған. Процестегі одан әрі жетілдірулер, мысалы, негізгі оттегімен болат қорыту (BOS), өндіріс шығындарын одан әрі төмендету және соңғы өнімнің сапасын арттыру арқылы бұрынғы әдістерді толығымен алмастырды. Бүгінде жылына 1,6 миллиард тоннадан астам болат өндіріледі. Қазіргі заманғы болат әдетте әртүрлі стандарттау ұйымдарымен анықталған әртүрлі маркалармен сипатталады. Қазіргі заманғы болат өнеркәсібі әлемдегі ең ірі өндіріс салаларының бірі, сонымен қатар энергияны көп тұтынатын және парниктік газдардың шығарылуын қамтамасыз ететін салалардың бірі, ол әлемдік эмиссияның 8%-ын құрайды. Алайда, болатты қайта пайдалану өте оңай: ол әлемдегі ең көп қайта өңделетін материалдардың бірі, оның қайта өңдеу деңгейі жаһандық деңгейде 60%-дан асады. Болаттағы көміртегінің мөлшері қарапайым көміртекті болат үшін салмағы бойынша 0,02% және 2,14% арасында. Көміртегінің мөлшері аз болса, (таза) темір өте жұмсақ, икемді және әлсіз болады. Болаттағыдан жоғары көміртегі мөлшері сыныпқа ұшырайтын қорытпаны құрайды, ол әдетте шойын деп аталады. Қорытпа болат – болаттың қасиеттерін өзгерту үшін басқа қорытпа элементтері қасақана қосылған болат. Көбінесе қолданылатын қорытпа элементтері: марганец, никель, хром, молибден, бор, титан, ванадий, вольфрам, кобальт және ниобий. Болатта көбінесе жағымсыз деп саналатын қосымша элементтер де маңызды: фосфор, күкірт, кремний және аздаған мөлшерде оттегі, азот және мыс. Көміртегінің мөлшері 2,1%-дан жоғары қарапайым көміртекті темір қорытпалары шойын деп аталады. Қазіргі заманғы болат жасау әдістерімен, мысалы, ұнтақ металл пішінділеу арқылы, өте жоғары көміртекті (және басқа қорытпа материалдардан) болаттар жасауға болады, бірақ мұндай болаттар сирек кездеседі. Шойын ыстық болғанда да майлы болмайды, бірақ оны құю арқылы жасауға болады, себебі оның болаттан төмен балқу температурасы және жақсы құю қасиеттері бар. Кішкентай мөлшердегі темір ежелгі заманда, қатты күйде, көмірмен отты қыздыру арқылы және содан кейін балшықтарды балғамен соғып, қорытпаларды сығып шығару арқылы балқытылды. Сақтықпен, отта жылжыту арқылы көміртегінің мөлшерін бақылауға болады. Мыс және қалай сияқты, сұйық немесе қатты темір көміртегіні оңай ерітеді. Бұл температуралардың бәрін қола дәуірінен бері қолданылатын ежелгі әдістермен қол жеткізуге болады. Темірдің тотығу жылдамдығы 800 °C (1472 °F) жоғары температурада тездейтіндіктен, балқытудың төмен оттегілі ортада жүргізілуі маңызды. Көмірді пайдаланып темір тотықтарын тотықтыру, болат деп аталатын тым көп көміртегі бар қорытпаны (шойын) тудырады. Коррозияны тежеу үшін болатқа кемінде 11% хром қосуға болады, сонда металл бетінде қатты тотық қабаты пайда болады; бұл тот баспайтын болат деп аталады. Вольфрам цементиттің түзілуін баяулатып, көміртегіні темір матрицасында ұстап тұрады және мартенситтің баяу сөндіру жылдамдықтарында қалыптасуына мүмкіндік береді, нәтижесінде жылдам болат пайда болады. Қорғасын мен күкірттің қосылуы дән өлшемін азайтады, осылайша болатты бұруды жеңілдетеді, бірақ сонымен қатар оны сыныпқа ұшыратып, коррозияға бейімдейді. Мұндай қорытпалар, әдетте, соқтығысқа және коррозияға төзімділік қажет емес қолданбаларда гайкалар, бұрандалар және шайбалар сияқты компоненттер үшін жиі қолданылады. Көбінесе, алайда, күкірт, азот, фосфор және қорғасын сияқты p-блок элементтері болатты сыныпқа ұшырататын ластанушы заттар ретінде қарастырылады және сондықтан олар балқыту процесінде болаттан алынады. Болатты құрайтын көміртегі мен темірдің тар шеңберінде де, өте әртүрлі қасиеттері бар бірнеше әртүрлі металлургиялық құрылымдар пайда болуы мүмкін. Мұндай қасиеттерді түсіну сапалы болат жасау үшін маңызды. Бөлме температурасында таза темірдің ең тұрақты түрі денеге ортақталған кубтық (BCC) құрылымы, α темір деп аталады. Бұл салыстырмалы түрде жұмсақ металл, ол тек аз мөлшерде көміртегіні, 0 °C (32 °F) температурада 0,005%-дан және 723 °C (1333 °F) температурада 0,021 салмақтық %-дан артық еріте алмайды. α темірдегі көміртегінің болуы феррит деп аталады. 910 °C температурада таза темір бетке ортақталған кубтық (FCC) құрылымына, γ темір деп аталатын құрылымға айналады. γ темірдегі көміртегінің болуы аустенит деп аталады. Аустениттің ашық FCC құрылымы ферритке қарағанда әлдеқайда көп көміртегіні, 1148 °C (2098 °F) температурада 2,1% (ферритке қарағанда 38 есе көп) еріте алады, бұл болаттың жоғарғы көміртегі мазмұнын көрсетеді, одан асырса шойын болады. Көміртегі темірмен ерітіннен шыққанда, өте қатты, бірақ сыныпқа ұшырайтын материал – цементит (Fe3C) пайда болады. Дәл 0,8% көміртегі бар болаттарды (эвтектоидты болаттар деп аталады) салқындатқанда, қоспаның аустениттік фазасы (FCC) ферриттік фазаға (BCC) айналуға тырысады. Көміртегі енді FCC аустениттік құрылымына сәйкес келмейді, нәтижесінде артық көміртегі пайда болады. Көміртегі аустениттен шығудың бір жолы – цементит ретінде ерітіннен тұнбаға түсіру, феррит деп аталатын BCC темірдің айналасындағы фазаны қалдыру, оның құрамында аз мөлшерде көміртегі бар. Екі, феррит және цементит, бір мезгілде тұнбаға түсіп, ана перлене байланыстылығынан есім алған қабатты құрылымды құрайды. 0,8% көміртегіден жоғары құрамы бар гиперэвтектоидты құрамда, көміртегі алдымен аустениттік дән шекараларында үлкен цементит инклюзиялары ретінде тұнбаға түседі, дән ішіндегі көміртегінің пайыздық құрамы эвтектоидты құрамға дейін төмендейді...
Steel is an alloy of iron and carbon with improved strength and fracture resistance compared to other forms of iron. Because of its high tensile strength and low cost, steel is one of the most commonly manufactured materials in the world. Steel is used in buildings, as concrete reinforcing rods, in bridges, infrastructure, tools, ships, trains, cars, bicycles, machines, electrical appliances, furniture, and weapons. Iron is always the main element in steel, but many other elements may be present or added. Stainless steels, which are resistant to corrosion and oxidation, typically need an additional 11% chromium. Iron is the base metal of steel. Depending on the temperature, it can take two crystalline forms (allotropic forms): body centred cubic and face centred cubic. The interaction of the allotropes of iron with the alloying elements, primarily carbon, gives steel and cast iron their range of unique properties. In pure iron, the crystal structure has relatively little resistance to the iron atoms slipping past one another, and so pure iron is quite ductile, or soft and easily formed. In steel, small amounts of carbon, other elements, and inclusions within the iron act as hardening agents that prevent the movement of dislocations. The carbon in typical steel alloys may contribute up to 2.14% of its weight. Varying the amount of carbon and many other alloying elements, as well as controlling their chemical and physical makeup in the final steel (either as solute elements, or as precipitated phases), impedes the movement of the dislocations that make pure iron ductile, and thus controls and enhances its qualities. These qualities include the hardness, quenching behaviour, need for annealing, tempering behaviour, yield strength, and tensile strength of the resulting steel. The increase in steel's strength compared to pure iron is possible only by reducing iron's ductility. Steel was produced in bloomery furnaces for thousands of years, but its large scale, industrial use began only after more efficient production methods were devised in the 17th century, with the introduction of the blast furnace and production of crucible steel. This was followed by the Bessemer process in England in the mid 19th century, and then by the open hearth furnace. With the invention of the Bessemer process, a new era of mass produced steel began. Mild steel replaced wrought iron. The German states were the major steel producers in Europe in the 19th century. American steel production was centered in Pittsburgh, Bethlehem, Pennsylvania, and Cleveland until the late 20th century. Further refinements in the process, such as basic oxygen steelmaking (BOS), largely replaced earlier methods by further lowering the cost of production and increasing the quality of the final product. Today more than 1.6 billion tons of steel is produced annually. Modern steel is generally identified by various grades defined by assorted standards organizations. The modern steel industry is one of the largest manufacturing industries in the world, but also one of the most energy and greenhouse gas emission intense industries, contributing 8% of global emissions. However, steel is also very reusable: it is one of the world's most recycled materials, with a recycling rate of over 60% globally. The carbon content of steel is between 0.02% and 2.14% by weight for plain carbon steel (iron carbon alloys). Too little carbon content leaves (pure) iron quite soft, ductile, and weak. Carbon contents higher than those of steel make a brittle alloy commonly called pig iron. Alloy steel is steel to which other alloying elements have been intentionally added to modify the characteristics of steel. Common alloying elements include: manganese, nickel, chromium, molybdenum, boron, titanium, vanadium, tungsten, cobalt, and niobium. Additional elements, most frequently considered undesirable, are also important in steel: phosphorus, sulfur, silicon, and traces of oxygen, nitrogen, and copper. Plain carbon iron alloys with a higher than 2.1% carbon content are known as cast iron. With modern steelmaking techniques such as powder metal forming, it is possible to make very high carbon (and other alloy material) steels, but such are not common. Cast iron is not malleable even when hot, but it can be formed by casting as it has a lower melting point than steel and good castability properties. Small quantities of iron were smelted in ancient times, in the solid state, by heating the ore in a charcoal fire and then welding the clumps together with a hammer and in the process squeezing out the impurities. With care, the carbon content could be controlled by moving it around in the fire. Unlike copper and tin, liquid or solid iron dissolves carbon quite readily. All of these temperatures could be reached with ancient methods used since the Bronze Age. Since the oxidation rate of iron increases rapidly beyond 800 °C (1472 °F), it is important that smelting take place in a low oxygen environment. Smelting, using carbon to reduce iron oxides, results in an alloy (pig iron) that retains too much carbon to be called steel. To inhibit corrosion, at least 11% chromium can be added to steel so that a hard oxide forms on the metal surface; this is known as stainless steel. Tungsten slows the formation of cementite, keeping carbon in the iron matrix and allowing martensite to preferentially form at slower quench rates, resulting in high speed steel. The addition of lead and sulfur decrease grain size, thereby making the steel easier to turn, but also more brittle and prone to corrosion. Such alloys are nevertheless frequently used for components such as nuts, bolts, and washers in applications where toughness and corrosion resistance are not paramount. For the most part, however, p block elements such as sulfur, nitrogen, phosphorus, and lead are considered contaminants that make steel more brittle and are therefore removed from steel during the melting processing. Even in a narrow range of concentrations of mixtures of carbon and iron that make steel, several different metallurgical structures, with very different properties can form. Understanding such properties is essential to making quality steel. At room temperature, the most stable form of pure iron is the body centred cubic (BCC) structure called alpha iron or α iron. It is a fairly soft metal that can dissolve only a small concentration of carbon, no more than 0.005% at 0 °C (32 °F) and 0.021 wt% at 723 °C (1333 °F). The inclusion of carbon in alpha iron is called ferrite. At 910 °C, pure iron transforms into a face centred cubic (FCC) structure, called gamma iron or γ iron. The inclusion of carbon in gamma iron is called austenite. The more open FCC structure of austenite can dissolve considerably more carbon, as much as 2.1%, (38 times that of ferrite) carbon at 1148 °C (2098 °F), which reflects the upper carbon content of steel, beyond which is cast iron. When carbon moves out of solution with iron, it forms a very hard, but brittle material called cementite (Fe3C). When steels with exactly 0.8% carbon (known as a eutectoid steel), are cooled, the austenitic phase (FCC) of the mixture attempts to revert to the ferrite phase (BCC). The carbon no longer fits within the FCC austenite structure, resulting in an excess of carbon. One way for carbon to leave the austenite is for it to precipitate out of solution as cementite, leaving behind a surrounding phase of BCC iron called ferrite with a small percentage of carbon in solution. The two, ferrite and cementite, precipitate simultaneously producing a layered structure called pearlite, named for its resemblance to mother of pearl. In a hypereutectoid composition (greater than 0.8% carbon), the carbon will first precipitate out as large inclusions of cementite at the austenite grain boundaries until the percentage of carbon in the grains has decreased to the eutectoid composition (0.8% carbon), at which point the pearlite structure forms. For steels that have less than 0.8% carbon (hypoeutectoid), ferrite will first form within the grains until the remaining composition rises to 0.8% of carbon, at which point the pearlite structure will form. No large inclusions of cementite will form at the boundaries in hypoeutectoid steel. The above assumes that the cooling process is very slow, allowing enough time for the carbon to migrate. As the rate of cooling is increased the carbon will have less time to migrate to form carbide at the grain boundaries but will have increasingly large amounts of pearlite of a finer and finer structure within the grains; hence the carbide is more widely dispersed and acts to prevent slip of defects within those grains, resulting in hardening of the steel. At the very high cooling rates produced by quenching, the carbon has no time to migrate but is locked within the face centred austenite and forms martensite. Martensite is a highly strained and stressed, supersaturated form of carbon and iron and is exceedingly hard but brittle. Depending on the carbon content, the martensitic phase takes different forms. Below 0.2% carbon, it takes on a ferrite BCC crystal form, but at higher carbon content it takes a body centred tetragonal (BCT) structure. There is no thermal activation energy for the transformation from austenite to martensite. There is no compositional change so the atoms generally retain their same neighbours. Martensite has a lower density (it expands during the cooling) than does austenite, so that the transformation between them results in a change of volume. In this case, expansion occurs. Internal stresses from this expansion generally take the form of compression on the crystals of martensite and tension on the remaining ferrite, with a fair amount of shear on both constituents. If quenching is done improperly, the internal stresses can cause a part to shatter as it cools. At the very least, they cause internal work hardening and other microscopic imperfections. It is common for quench cracks to form when steel is water quenched, although they may not always be visible.
Жылумен өңдеу
Болатқа жылулық өңдеудің көптеген түрлері бар. Ең көп қолданылатындары – қайтару, сөндіру және темперлеу. Қайтару – болатты жергілікті ішкі кернеулерді азайту үшін жеткілікті биік температураға дейін қыздыру процесі. Бұл өнімді жалпы түрде жұмсартпайды, тек материалдың ішінде сақталған шикіліктер мен кернеулерді жергілікті түрде жеңілдетеді. Қайтару үш кезеңнен өтеді: қалпына келтіру, қайта кристалдану және дән өсуі. Нақты болатты қайтару үшін қажетті температура, қайтару түріне және қорытқыш элементтерге байланысты. Сөндіру болатты аустениттік фазаға дейін қыздыруды және одан кейін сумен немесе маймен жылдам салқындатуды қамтиды. Бұл жылдам салқындату нәтижесінде қатты, бірақ сынғыш мартенситтік құрылым пайда болады.
There are many types of heat treating processes available to steel. The most common are annealing, quenching, and tempering. Annealing is the process of heating the steel to a sufficiently high temperature to relieve local internal stresses. It does not create a general softening of the product but only locally relieves strains and stresses locked up within the material. Annealing goes through three phases: recovery, recrystallization, and grain growth. The temperature required to anneal a particular steel depends on the type of annealing to be achieved and the alloying constituents. Quenching involves heating the steel to create the austenite phase then quenching it in water or oil. This rapid cooling results in a hard but brittle martensitic structure.
Өндіріс
Темірді кенінен балқытқанда, оның құрамында қажетті мөлшерден артық көміртегі болады. Болатқа айналу үшін көміртегі дұрыс мөлшерге дейін азайтылып, қайта өңделеді, одан кейін басқа элементтер қосылуы мүмкін. Бұрын болат зауыттары шикі болатты бланкілерге (құймаларға) құятын, олар келесі тазарту процестерінде пайдаланылғанға дейін сақтауға қойылатын. Қазіргі заманғы зауыттарда бастапқы өнім соңғы құрамға жақын болады және үздіксіз түрде ұзын плиталарға құйылады, содан кейін олар кесіліп, сырықтар мен профильдерге айналдырылып, соңғы өнімді алу үшін жылумен өңделеді. Бүгінде болаттың шамамен 96% үздіксіз құйылады, ал тек 4% ғана бланкілер түрінде өндіріледі. Бланкілер ыстық пеште қыздырылып, содан кейін табақшаларға, түйіршіктерге немесе гүлдерге (слябтарға, заготовки, блюмдерге) айналдырылады. Табақшалар ыстық немесе суық прокаттау арқылы металл табақтарына немесе пластиналарға айналады. Түйіршіктер ыстық немесе суық прокаттау арқылы сырықтарға, таяқшаларға және сымға айналады. Гүлдер ыстық немес суық прокаттау арқылы I арқалықтар мен рельстер сияқты құрылымдық болатқа айналады. Қазіргі болат зауыттарында бұл процестер көбінесе бір желіде жүзеге асырылады, кен кіріп, дайын болат өнімдері шығады. Кейде болаттың соңғы прокаттаудан кейін мықтылығын арттыру үшін жылумен өңделеді, бірақ мұндай жағдай сирек кездеседі.
When iron is smelted from its ore, it contains more carbon than is desirable. To become steel, it must be reprocessed to reduce the carbon to the correct amount, at which point other elements can be added. In the past, steel facilities would cast the raw steel product into ingots which would be stored until use in further refinement processes that resulted in the finished product. In modern facilities, the initial product is close to the final composition and is continuously cast into long slabs, cut and shaped into bars and extrusions and heat treated to produce a final product. Today, approximately 96% of steel is continuously cast, while only 4% is produced as ingots. The ingots are then heated in a soaking pit and hot rolled into slabs, billets, or blooms. Slabs are hot or cold rolled into sheet metal or plates. Billets are hot or cold rolled into bars, rods, and wire. Blooms are hot or cold rolled into structural steel, such as I beams and rails. In modern steel mills these processes often occur in one assembly line, with ore coming in and finished steel products coming out. Sometimes after a steel's final rolling, it is heat treated for strength; however, this is relatively rare.
Ежелгі
Болат ежелгі заманнан белгілі және гүлдерде және тостағандарда өндірілген. Болат өндірісінің ең ерте мысалы Түркиядағы (Каман Калехойюк) археологиялық қазбалар кезінде табылған, шамамен 4000 жыл бұрынғы, б.з.д. 1800 жылға жататын темір бұйымдарында көрінеді. Болат кельт Еуропасында б.з.д. 800 жылдан бері, ал жоғары көміртекті болат Ұлыбританияда б.з.д. 490-375 жылдар аралығында, ал өте жоғары көміртекті болат Нидерландта б.з. 2-4 ғасырларында өндірілген. Римдік автор Гораций Иберия түбегіндегі фалката сияқты болат қаруларын атап көрсетеді, ал норикалық болат рим әскері тарапынан қолданылған. Оңтүстік Азияның Серик темірінің (вуц болат) беделі әлемде айтарлықтай артты. Ал Хан әулетінің (б.з.д. 202 – б.з. 220) қытайлықтары б.з. 1 ғасырында темірді құйма темірмен бірге балқытып, аралық көміртекті болат жасады. 2000 жыл бұрын Батыс Танзанияда Хая халқының ата-бабалары күрделі "алдын ала қыздыру" процесі арқылы, пештің ішіндегі температураны 1300-1400 °C-қа жеткізе отырып, көміртекті болат жасағандығының дәлелдері бар.
Steel was known in antiquity and was produced in bloomeries and crucibles. The earliest known production of steel is seen in pieces of ironware excavated from an archaeological site in Anatolia (Kaman Kalehöyük) which are nearly 4,000 years old, dating from 1800 BC. Steel was produced in Celtic Europe from around 800 BC, high carbon steel was produced in Britain from 490 375 BC, and ultrahigh carbon steel was produced in the Netherlands from the 2nd 4th centuries AD. The Roman author Horace identifies steel weapons such as the falcata in the Iberian Peninsula, while Noric steel was used by the Roman military. The reputation of Seric iron of South Asia (wootz steel) grew considerably in the rest of the world. while Chinese of the Han dynasty (202 BC—AD 220) created steel by melting together wrought iron with cast iron, thus producing a carbon intermediate steel by the 1st century AD. There is evidence that carbon steel was made in Western Tanzania by the ancestors of the Haya people as early as 2,000 years ago by a complex process of "pre heating" allowing temperatures inside a furnace to reach 1300 to 1400 °C.
Вутц пен Дамаск
Оңтүстік Азияда жоғары көміртекті болатты өндірудің ең алғашқы дәлелдері Тамил Надудағы Кодуманал, Үндістанның Андхра Прадеш және Карнатака штаттарындағы Голконда аймағы, сондай-ақ Шри-Ланканың Саманалавева және Дехигаха Алаканда аймақтарында табылды. Бұл б.з.д. VI ғасырда Оңтүстік Үндістанда өндірілген және бүкіл әлемге экспортталған «вутц» болат ретінде белгілі болды. Темір технологиясы б.з.д. 326 жылға дейін аймақта болған, өйткені ол Сангам тамил, араб және латын әдебиеттерінде Рим, Египет, Қытай және араб елдеріне экспортталған әлемдегі ең жақсы болат ретінде еске алынған. Б.з.д. 200 жылы Тамил сауда гильдиясы Шри-Ланканың оңтүстік-шығысындағы Тиссамахарамаға классикалық кезеңдегі ең көне темір және болат бұйымдарын, сондай-ақ өндіріс процестерін әкелді. Б.з. 5-ші ғасырына қарай Шри-Ланканың Анурадхапура қаласындағы қытайлықтар мен жергілікті тұрғындар Оңтүстік Үндістанның Чера әулеті тамилдерінен «вутц» болатты жасау әдістерін қабылдады. Шри-Ланкада болатты ерте жасау әдісінде муссондық желдің күшімен жұмыс істейтін, жоғары көміртекті болат өндіруге қабілетті ерекше жел пеші қолданылды. Технология Оңтүстік Үндістанның тамилдерінен алынғандықтан, Үндістанда болат технологиясының пайда болуы б.з.д. 400-500 жылдарға дейін соқталады. Жақында жасалған зерттеулер оның құрамында көміртек нанотүтікшелері болуы мүмкін екенін, бұл оның кейбір керемет қасиеттерін түсіндіруге болады, бірақ сол кездегі технологияны ескере отырып, мұндай қасиеттер жоспарлы түрде емес, кездейсоқ пайда болған болуы мүмкін. Темір кені бар топырақ ағашпен қыздырылатын жерде табиғи жел пайдаланылды. Ежелгі сингалылар әр 2 тонна топырақтан 1 тонна болат алуға қол жеткізді. 9-10 ғасырларда Мервте таза темір мен көмірді (әдетте ағаш көмірі түрінде) баяу қыздырып, салқындату арқылы балқытушы болат өндірілді.
Evidence of the earliest production of high carbon steel in South Asia is found in Kodumanal in Tamil Nadu, the Golconda area in Andhra Pradesh and Karnataka, regions of India, as well as in Samanalawewa and Dehigaha Alakanda, regions of Sri Lanka. This came to be known as wootz steel, produced in South India by about the sixth century BC and exported globally. The steel technology existed prior to 326 BC in the region as they are mentioned in literature of Sangam Tamil, Arabic, and Latin as the finest steel in the world exported to the Romans, Egyptian, Chinese and Arab worlds at that time – what they called Seric Iron. A 200 BC Tamil trade guild in Tissamaharama, in the South East of Sri Lanka, brought with them some of the oldest iron and steel artifacts and production processes to the island from the classical period. The Chinese and locals in Anuradhapura, Sri Lanka had also adopted the production methods of creating wootz steel from the Chera Dynasty Tamils of South India by the 5th century AD. In Sri Lanka, this early steel making method employed a unique wind furnace, driven by the monsoon winds, capable of producing high carbon steel. Since the technology was acquired from the Tamilians from South India, the origin of steel technology in India can be conservatively estimated at 400–500 BC. A recent study has speculated that carbon nanotubes were included in its structure, which might explain some of its legendary qualities, though, given the technology of that time, such qualities were produced by chance rather than by design. Natural wind was used where the soil containing iron was heated by the use of wood. The ancient Sinhalese managed to extract a ton of steel for every 2 tons of soil,
Crucible steel, formed by slowly heating and cooling pure iron and carbon (typically in the form of charcoal) in a crucible, was produced in Merv by the 9th to 10th century AD.
Қазіргі заманғы
XVII ғасырдан бері Еуропалық болат өндірісінің бірінші қадамы – темір кенін домен пешінде шойынға балқыту болды. Бастапқыда көмір қолданылса, қазіргі әдістерде көкшұбар пайдаланылады, ол тиімдірек болып көрінді.
Since the 17th century, the first step in European steel production has been the smelting of iron ore into pig iron in a blast furnace. Originally employing charcoal, modern methods use coke, which has proven more economical.
Темірден басталатын процестер
Бұл процестерде шикі темір кенінен жасалған қорыту темірі, темір желімін алу үшін қорыту пешінде тазартылды, содан кейін ол болат жасауға қолданылды. Кюльдерлік болат – бұл ұрып пішілгенге қарағанда, тостағанда (кювельде) балқытылған болат, нәтижесінде ол біртекті болады. Бұрынғы пештердің көпшілігі болатты балқыту үшін жеткілікті температураға жете алмады. Қазіргі заманғы ертедегі кюльдерлік болат өнеркәсібі 1740 жылдары Бенджамин Хантсманның өнертабысының арқасында пайда болды. Блестерлік болат (жоғарыда айтылғандай) тостағанда немесе пеште балқытылып, (көбінесе) қалыптарға құйылды. Оның әдісі оған үлкен көлемде, арзан бағада болат өндіруге мүмкіндік берді, осылайша жұмсақ болат бұрын қолданылған ұрып пішілген темірдің көптеген мақсаттарында қолданыла бастады. Гилхрист-Томас процесі (немесе негізгі Бессемер процесі) – бұл Бессемер процесінің жақсартылған нұсқасы, онда конвертердің ішкі қабырғасы фосфорды кетіру үшін негізгі материалмен қапталды. 19 ғасырдағы тағы бір болат жасау процесі – Сименс-Мартин процесі, ол Бессемер процесін толықтырды, сондай-ақ басқа да оттегілік болат жасау әдістерін пайдаланды. Негізгі оттегімен болат жасау, бұрынғы болат жасау әдістерінен артықшылыққа ие, себебі пешке берілетін оттегі, бұрын қолданылған ауадан кірген қоспаларды, негізінен азотты шектеді, және ашық ошақты процеске қарағанда, BOS процесінде бірдей көлемдегі болат он екі есе аз уақытта өндіріледі. 1980 жылы АҚШ-та 500 000-нан астам болат жұмысшысы болды. 2000 жылы болат өңдеушілердің саны 224 000-ға дейін азайды. Қытай мен Үндістанның экономикалық өрлеуі болатқа деген сұраныстың күрт өсуіне әкелді. 2000-2005 жылдар аралығында әлемдік болат сұранысы 6%-ға өсті. 2000 жылдан бері бірнеше үнді және қытай болат компаниялары сұранысты қанағаттандыру үшін кеңейді, мысалы Tata Steel (ол 2007 жылы Corus Group компаниясын сатып алды), Baosteel Group және Shagang Group. Дегенмен, ArcelorMittal әлемдегі ең ірі болат өндірушісі болып табылады. 2005 жылы Британдық геологиялық қызметі Қытайдың әлемдік өндірістің үштен бір бөлігімен болат өндіруші елдердің арасында көшбас екенін мәлімдеді; Жапония, Ресей және АҚШ зерттеуге сәйкес, тиісінше екінші, үшінші және төртінші орындарда болды. Болат өндірісінің үлкен көлемі, сонымен қатар, негізгі өндіріс жолымен байланысты көмірқышқыл газының көп мөлшерде шығарылуына да себеп болады. 2008 жылдың соңында болат өнеркәсібі күрт құлдырап, көптеген қысқартуларға әкелді. 2021 жылы әлемдік парниктік газдар эмиссиясының шамамен 7%-ы болат өнеркәсібінен шыққан деп есептелді. Бұл эмиссияны азайту кокстің негізгі өндіріс жолында қолданылуын азайту, болатты қайта өңдеу және көміртегіді ұстау және сақтау немесе көміртегіді ұстау және пайдалану технологияларын қолдану арқылы күтілуде.
In these processes, pig iron made from raw iron ore was refined (fined) in a finery forge to produce bar iron, which was then used in steel making. Crucible steel is steel that has been melted in a crucible rather than having been forged, with the result that it is more homogeneous. Most previous furnaces could not reach high enough temperatures to melt the steel. The early modern crucible steel industry resulted from the invention of Benjamin Huntsman in the 1740s. Blister steel (made as above) was melted in a crucible or in a furnace, and cast (usually) into ingots. His method let him produce steel in large quantities cheaply, thus mild steel came to be used for most purposes for which wrought iron was formerly used. The Gilchrist Thomas process (or basic Bessemer process) was an improvement to the Bessemer process, made by lining the converter with a basic material to remove phosphorus. Another 19th century steelmaking process was the Siemens Martin process, which complemented the Bessemer process. and other oxygen steel making methods. Basic oxygen steelmaking is superior to previous steelmaking methods because the oxygen pumped into the furnace limited impurities, primarily nitrogen, that previously had entered from the air used, and because, with respect to the open hearth process, the same quantity of steel from a BOS process is manufactured in one twelfth the time. In 1980, there were more than 500,000 U. S. steelworkers. By 2000, the number of steelworkers had fallen to 224,000. The economic boom in China and India caused a massive increase in the demand for steel. Between 2000 and 2005, world steel demand increased by 6%. Since 2000, several Indian and Chinese steel firms have expanded to meet demand, such as Tata Steel (which bought Corus Group in 2007), Baosteel Group and Shagang Group. , though, ArcelorMittal is the world's largest steel producer. In 2005, the British Geological Survey stated China was the top steel producer with about one third of the world share; Japan, Russia, and the United States were second, third, and fourth, respectively, according to the survey. The large production capacity of steel results also in a significant amount of carbon dioxide emissions inherent related to the main production route. At the end of 2008, the steel industry faced a sharp downturn that led to many cut backs. In 2021, it was estimated that around 7% of the global greenhouse gas emissions resulted from the steel industry. Reduction of these emissions are expected to come from a shift in the main production route using cokes, more recycling of steel and the application of carbon capture and storage or carbon capture and utilization technology.
Қайта өңдеу
Болат – әлемдегі ең көп қайта өңделетін материалдардың бірі, оның қайта өңдеу көрсеткіші жаһан бойынша 60%-дан асып түседі; АҚШ-та ғана 2008 жылы 83% жалпы қайта өңдеу көрсеткішімен қайта өңделді. Қайта өңделген болаттың жалпы өндірілген болатқа шаққандағы үлесі шамамен 40% құрайды, себебі болатты қалдықтан көбірек өндіреді. 2016 жылы әлемде шикі болаттың белгілі бір көлемі өндірілді, оның ішінде қайта өңделген болат бар.
Steel is one of the world's most recycled materials, with a recycling rate of over 60% globally; in the United States alone, over were recycled in the year 2008, for an overall recycling rate of 83%. As more steel is produced than is scrapped, the amount of recycled raw materials is about 40% of the total of steel produced in 2016, of crude steel was produced globally, with recycled.
Көміртек
Қазіргі болаттар түрлі мақсаттарға қол жеткізу үшін әртүрлі қорытпа металдарының әртүрлі комбинацияларымен жасалады. Жақындағы Корпоративтік орташа отын үнемдеу (CAFE) ережелері Advanced High Strength Steel (AHSS) деп аталатын жаңа болат түрін тудырды. Бұл материал берік және созылатын болғандықтан, көлік құрылымдары материалды аз қолдана отырып, қазіргі қауіпсіздік деңгейін сақтай алады. AHSS-тің бірнеше коммерциялық маркалары бар, мысалы, екі фазалы болат, ол ферриттік және мартензиттік микроқұрылымды құру үшін жылумен өңделеді, нәтижесінде қалыптастыруға болатын, жоғары берікті болат шығады. Трансформациялық пластикалық (TRIP) болат, әдетте аустенитсіз төмен қорытпалы ферриттік болаттарда бөлме температурасында аустениттің белгілі бір мөлшерін тұрақтандыру үшін арнайы қорытпалар мен жылулық өңдеуді қолданады. Деформацияға ұшырағанда, аустенит қосымша жылусыз мартенситке фазалық өтуге ұшырайды. Твинделген пластикалық (TWIP) болат қорытпаның қатаңдану тиімділігін арттыру үшін нақты бір деформация түрін пайдаланады. Көміртекті болаттар көбінесе тот басу үшін мырышпен ыстық әдіспен немесе электролық жабынмен гальвандалады.
Modern steels are made with varying combinations of alloy metals to fulfill many purposes. Recent Corporate Average Fuel Economy (CAFE) regulations have given rise to a new variety of steel known as Advanced High Strength Steel (AHSS). This material is both strong and ductile so that vehicle structures can maintain their current safety levels while using less material. There are several commercially available grades of AHSS, such as dual phase steel, which is heat treated to contain both a ferritic and martensitic microstructure to produce a formable, high strength steel. Transformation Induced Plasticity (TRIP) steel involves special alloying and heat treatments to stabilize amounts of austenite at room temperature in normally austenite free low alloy ferritic steels. By applying strain, the austenite undergoes a phase transition to martensite without the addition of heat. Twinning Induced Plasticity (TWIP) steel uses a specific type of strain to increase the effectiveness of work hardening on the alloy. Carbon Steels are often galvanized, through hot dip or electroplating in zinc for protection against rust.
Құрамында
Тот баспайтын болаттарда коррозияға төзімділік үшін көбінесе никельмен біріктірілген кемінде 11% хром болады. Кейбір тот баспайтын болаттар, мысалы, ферриттік тот баспайтын болаттар магниттік, ал басқалары, мысалы, аустениттік болаттар, магниттік емес. Коррозияға төзімді болаттар CRES деп қысқартылады. Қоспалы болаттар – бұл хром және ванадий сияқты аз мөлшерде қоспа элементтері қосылған қара көміртек болаттары. Заманауи болаттардың кейбірі құралдық болаттарды қамтиды, олар ерітіндіні қатайтуды барынша арттыру үшін үлкен мөлшерде вольфраммен және кобальтпен немесе басқа элементтермен қорытылады. Бұл сондай-ақ дақылдану арқылы қатайтуға мүмкіндік береді және қорытпаның температураға төзімділігін жақсартады. Марагенді болат никель және басқа элементтермен қорытылады, бірақ көптеген болаттардан айырмашылығы, көміртегінің мөлшері аз (0,01%). Бұл өте мықты, бірақ сонымен қатар икемді болатты жасауға мүмкіндік береді. Эглин болатты бункерлерді бұзу қаруларында пайдалануға арналған салыстырмалы түрде арзан болат жасау үшін оннан астам түрлі элементтердің әртүрлі мөлшерде қосылымын пайдаланады, ал Хэдфилд болат (Сэр Роберт Хэдфилдтің құрметіне аталған) немесе марганец болат құрамында 12–14% марганец бар, ол сыртқы әсерге ұшырағанда беткі қабатын қатайтып, тозуға төзімді қатты қабықша құрайды. Бұл қорытпаның қолданылу аймақтарына танк шынжырлары, бульдозер жүзінің жиектері және құтқару құралдарының жақтары кіреді.
Stainless steels contain a minimum of 11% chromium, often combined with nickel, to resist corrosion. Some stainless steels, such as the ferritic stainless steels are magnetic, while others, such as the austenitic, are nonmagnetic. Corrosion resistant steels are abbreviated as CRES. Alloy steels are plain carbon steels in which small amounts of alloying elements like chromium and vanadium have been added. Some more modern steels include tool steels, which are alloyed with large amounts of tungsten and cobalt or other elements to maximize solution hardening. This also allows the use of precipitation hardening and improves the alloy's temperature resistance. Maraging steel is alloyed with nickel and other elements, but unlike most steel contains little carbon (0.01%). This creates a very strong but still malleable steel. Eglin steel uses a combination of over a dozen different elements in varying amounts to create a relatively low cost steel for use in bunker buster weapons, and Hadfield steel (after Sir Robert Hadfield) or manganese steel contains 12–14% manganese which, when abraded, strain hardens to form a very hard skin which resists wearing. Uses of this particular alloy include tank tracks, bulldozer blade edges, and cutting blades on the jaws of life.
Стандарттар
Стандарттау ұйымдары көбінесе қолданылатын болат қорытпаларының көпшілігін түрлі маркаларға бөліп жіктейді. Мысалы, Автокөлік инженерлері қоғамы көптеген болат түрлерін анықтайтын маркалар жүйесін ұсынады. Америкалық сынақ және материалдар қоғамының жеке стандарттары бар, олар АҚШ-та ең көп қолданылатын құрылымдық болат – А36 болат сияқты қорытпаларды анықтайды. JIS де Жапонияда және дамып келе жатқан елдерде кеңінен қолданылатын болат маркаларының тізімін анықтайды.
Most of the more commonly used steel alloys are categorized into various grades by standards organizations. For example, the Society of Automotive Engineers has a series of grades defining many types of steel. The American Society for Testing and Materials has a separate set of standards, which define alloys such as A36 steel, the most commonly used structural steel in the United States. The JIS also defines a series of steel grades that are being used extensively in Japan as well as in developing countries.
Қолданылуы
Темір мен болат жолдар, теміржолдар, басқа да инфрақұрылым, тұрмыстық техника және ғимараттар салуда кеңінен қолданылады. Көптеген ірі қазіргі заманғы құрылыстар, мысалы стадиондар, көкжайлар, көпірлер мен әуежайлар, болат қаңқаға сүйенеді. Тіпті бетонды құрылыстар да нығайту үшін болатты пайдаланады. Ол ірі тұрмыстық техникада және автомобильдерде кеңінен қолданылады. Алюминийдің қолданылуының артуына қарамастан, автомобильдердің корпусын жасауда болат әлі де басты материал болып табылады. Болат түрлі құрылыс материалдарында, мысалы бұрандалар, шегелер және бұрандалар, сондай-ақ тұрмыстық заттар мен асүй құралдарында қолданылады. Басқа да көп қолданылатын салаларға кеме жасау, құбыр жүйелері, кен өндіру, теңіз құрылысы, ғарыш өнеркәсібі, ақ техника (мысалы, кір жуғыш машиналар), бульдозерлер сияқты ауыр техника, кеңсе жиһаздары, болат жүн, құралдар және жеке қорғаныш жилеттері немесе көліктерге арналған броня (бұл рөлде біртекті броня ретінде танымал) жатады.
Iron and steel are used widely in the construction of roads, railways, other infrastructure, appliances, and buildings. Most large modern structures, such as stadiums and skyscrapers, bridges, and airports, are supported by a steel skeleton. Even those with a concrete structure employ steel for reinforcing. It sees widespread use in major appliances and cars. Despite the growth in usage of aluminium, steel is still the main material for car bodies. Steel is used in a variety of other construction materials, such as bolts, nails and screws, and other household products and cooking utensils. Other common applications include shipbuilding, pipelines, mining, offshore construction, aerospace, white goods (e. g. washing machines), heavy equipment such as bulldozers, office furniture, steel wool, tool, and armour in the form of personal vests or vehicle armour (better known as rolled homogeneous armour in this role).
Тарихи
Бессемер процесі және басқа да қазіргі заманғы өндіріс техникалары енгізілгенге дейін болат қымбат болды және тек арзан баламасы болмаған жағдайларда ғана қолданылды, әсіресе пышақтардың, қырықтардың, қылыштардың және басқа да заттардың кескіш жағында, мықты және өткір жиек қажет болғанда. Ол серіппелерге де қолданылды, соның ішінде сағаттар мен сағаттардағы серіппелерге де. Көміртекті талшық кейбір бағаға сезімтал емес қолдануларда, мысалы спорттық жабдықтар мен жоғары деңгейдегі автомобильдерде болатты ығыстырып шығаруда.
Before the introduction of the Bessemer process and other modern production techniques, steel was expensive and was only used where no cheaper alternative existed, particularly for the cutting edge of knives, razors, swords, and other items where a hard, sharp edge was needed. It was also used for springs, including those used in clocks and watches. Carbon fiber is replacing steel in some cost insensitive applications such as sports equipment and high end automobiles.
Төменгі фон
Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін өндірілген болат, ядролық қару сынақтарының салдарынан радионуклидтермен ластанды. 1945 жылға дейін өндірілген, төмен фонды болат, Гейгер санағыштары және радиациядан қорғау сияқты радиацияға сезімтал қолданыстарда пайдаланылады.
Steel manufactured after World War II became contaminated with radionuclides by nuclear weapons testing. Low background steel, steel manufactured prior to 1945, is used for certain radiation sensitive applications such as Geiger counters and radiation shielding.