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Stål er en legering af jern med kulstof og andre metaller.

Kulstofindholdet i moderne stål er normalt mellem 0,02 og 0,50%. Når der er mere end 1,7% kul, taler man om støbejern, der er meget hårdt, men også skørt (sprødt). Normalt har støbejern dog 3–6% kulstof.

Tilsætning af kulstof er den billigste måde at øge ståls styrke, men på grund af revnedannelse ved hærdning er stål med højt kulstofindhold ikke svejsbart.

I ældre tid brugtes, især til våben, damasceret stål (efter byen Damaskus). Det var en teknik, hvor rent jern opkulledes ved opvarming i en lukket ovn sammen med kulstof. Dette kunne give helt op til 1,8% kulindhold. Ved at smede det sammen med rent jern kombinerede man de to materialers egenskaber til et materiale, der var hårdt og fleksibelt på samme tid, faktisk ligesom vores tænder; en hård emalje udenpå og blødt ben indeni.

[redigér] Eksterne henvisninger

  • 2004-01-26, ScienceDaily: Microwave Steel: Faster, Cleaner, Cheaper Citat: "...You shouldn't try it at home...He then put iron oxide and coal inside. In a matter of minutes, the microwave energy reduced the iron ore to iron, and the electric arc furnace smelted the iron and coal into steel...It's really cheap, and it's really fast..."


BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting toolaerospace tool .HSS Cutting toolCarbide end millsCarbide cutting toolNAS Cutting toolCarbide end millAerospace cutting toolФрезерыCarbide drillHigh speed steelMilling cutterCVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) Core drillTapered end millsCVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool Single Crystal Diamond Metric end millsMiniature end millsСпециальные режущие инструменты Пустотелое сверло Pilot reamerFraisesFresas con mango PCD (Polycrystalline diamond) FreseElectronics cutterStep drillMetal cutting sawDouble margin drillGun barrelAngle milling cutterCarbide burrsCarbide tipped cutterChamfering toolIC card engraving cutterSide cutterNAS toolDIN toolSpecial toolMetal slitting sawsShell end millsSide and face milling cuttersSide chip clearance sawsLong end millsStub roughing end millsDovetail milling cuttersCarbide slot drillsCarbide torus cuttersAngel carbide end millsCarbide torus cuttersCarbide ball-nosed slot drillsMould cutterTool manufacturer.

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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Stahl bezeichnet alle metallischen Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist, und die als zweites Legierungselement Kohlenstoff mit einem Anteil unter 2% enthalten.

Definition [Bearbeiten]

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die DIN EN 10020, nach der Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% C sind. Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Werkstoff Stahl um eine Legierung aus Eisen und Eisenkarbid.

Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit vor.

Eigenschaften [Bearbeiten]

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung (gleichzeitige thermische Behandlung mit plastischer Umformung) können seine Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden.

Der Stahl kann zum Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech von Konservendosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden, wie etwa martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als Beitrag für Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt als Verbindung (Zementit, Fe3C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen.

Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche Phasen: Austenit, Ferrit, Primär-, Sekundär-, Tertiärzementit und Phasengemische: Perlit, Ledeburit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasengemische wie fein- (ex Sorbit) und feinststreifiger Perlit (ex Troostit) sowie nadeliger/körniger Bainit ("Zwischenstufe") und massiver/nadeliger Martensit bzw. Hardenit entstehen (siehe auch Härten (Stahl)).

Die Phasenzusammensetzung von Stahl wird für den Gleichgewichtszustand mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben.

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt rund 7850 kg/m³, der E-Modul ca. 210 kN/mm².

Veränderung von Stahleigenschaften [Bearbeiten]

Stahl kann gewollte Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit...) annehmen. Die drei grundsätzlichen Methoden, die natürlich in Kombination miteinander verwendet werden können, zur Veränderung der Stahleigenschaften sind:

Arten von Stählen [Bearbeiten]

Nach DIN EN 10020 wird zwischen zwei Hauptgüteklassen unterschieden:

Die Kurznamen der Stähle sind in der DIN EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle [Bearbeiten]

Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind, und in Stähle für eine Wärmebehandlung eingeteilt.

Niedriglegierte Stähle [Bearbeiten]

Als niedriglegierter Stahl gilt, wenn die Summe der Legierungselemente größer gleich 1 % ist, aber die 5 %-Grenze nicht übersteigt.

Niedriglegierte Stähle haben grundlegend andere Eigenschaften als unlegierte Stähle. Technisch wichtig ist ihre wesentlich bessere Eignung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung und mit speziellen Legierungskombinationen auch die erhöhte Warmfestigkeit.

Hochlegierte Stähle [Bearbeiten]

Als hochlegierter Stahl gilt, wenn mindestens ein Legierungselement die 5%-Grenze übersteigt

Hochlegierte Stähle sind für Sondereigenschaften erforderlich. Zunderbeständigkeit, höchste Warmfestigkeit, Rostbeständigkeit oder besondere physikalische Eigenschaften lassen sich nur durch hochlegierte Stähle erzeugen.

Einteilung nach Anwendungsgebieten [Bearbeiten]

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:

Herstellung [Bearbeiten]

siehe: Stahlerzeugung

Wirtschaftliche und historische Bedeutung [Bearbeiten]

Die Verhüttung von Eisen ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt. Die erste Herstellung eines einfachen Stahls wird auf den Anfang des 1. Jahrtausends v. Chr. datiert (vgl. Artikel Eisen).

Im 12. Jahrhundert n. Chr. wurde in Europa der Holzkohle-Hochofen entwickelt, dessen Prozesstemperatur das Schmelzen von Eisenerzen ermöglichte. Anfangs war dieses Eisen wegen seines hohen Kohlenstoffgehaltes nicht schmiedbar; es musste zunächst „gereinigt“ werden, indem der Kohlenstoff und andere Begleitelemente herausgebrannt wurden.

Gussstahl stellte erstmals 1740 der Engländer Benjamin Huntsman im Tiegelstahlverfahren her. Die erste deutsche Gussstahlfabrik gründete Alfred Krupp 1811 in Essen. Der Impuls für die sprunghafte Zunahme der Stahlproduktion erfolgte vor ca. 150 Jahren durch die gleichzeitige Anwendung mehrerer technischer Erfindungen: Die Dampfmaschine stellte der Eisenindustrie eine leistungsstarke und flexible Arbeitskraft zur Verfügung, der Steinkohlebergbau erzeugte den für die Stahlerzeugung notwendigen Koks, und die Entwicklung des Eisenbahnwesens sowie der Dampfschifffahrt schufen neue, große Absatzmärkte für Stahl.

Die Stahlindustrie hatte in allen Ländern, unabhängig von ökonomischen Erwägungen, eine enorme politische Bedeutung, da sie auch eine nationale Prestigefrage war. Die Bedeutung des Stahls für die damalige Zeit symbolisiert der Eiffelturm, der anlässlich der Pariser Weltausstellung von 1889 als ein Monument des technischen Fortschritts aus Stahl erbaut wurde.

Für die Nationalsozialisten, die 1935 ein umfangreiches Rüstungsprogramm gestartet hatten, war Stahl ein kriegswichtiger Werkstoff. So galt der Norwegenfeldzug unter anderem der Sicherung des Nachschubs von schwedischem Eisenerz, das für die damalige Stahlerzeugung ein unverzichtbarer Rohstoff war. Die Alliierten bombardierten das Ruhrgebiet, die größte stahlproduzierende Region Europas. Am Ende des Krieges hatten die Luftangriffe ca. 20 Prozent der Produktionskapazitäten zerstört. Erst 1957 wurde mit einer Rohstahlproduktion von 16 Millionen Tonnen der Vorkriegsstand wieder erreicht.

Die auf der Potsdamer Konferenz beschlossene Demilitarisierung des Deutschen Reiches beinhaltete auch eine Demontage der Stahlindustrie. Ein Teil der demontierten Betriebe ging an die Sowjetunion, die diese zum Wiederaufbau des durch den Krieg zerstörten Landes benötigte. In den westlichen Besatzungszonen regte sich bald Widerstand gegen die Demontage, und so stellten die Alliierten die Demontage schon 1949 wieder ein. Eine weitere Maßnahme der alliierten Kontrollbehörde war die sogenannte „Entflechtung“ der Stahlindustrie. Damit sollte das neuerliche Aufkommen von marktbeherrschenden Unternehmenszusammenschlüssen, wie die „Vereinigte Stahlwerke“, verhindert werden.

Um eine gemeinsame Kontrolle der Kohle- und Stahlproduktion sicherzustellen, wurde 1952 auf französische Initiative hin die Montanunion gegründet. Aus der Montanunion entwickelte sich dann schrittweise die Europäische Union. In der Folge erlebte die Stahlindustrie in der Bundesrepublik Deutschland einen großen Aufschwung. 1961 produzierten 420.568 Beschäftigte 33 Millionen Tonnen Rohstahl, was einen Höchststand bei der Mitarbeiterzahl bedeutete. Einen Produktionsrekord stellte die westdeutsche Stahlindustrie 1974 auf, als sie über 53 Millionen Tonnen Stahl fertigte. Heutzutage benötigt die Stahlindustrie im wiedervereinigten Deutschland etwa 92.000 Mitarbeiter, um rund 45 Millionen Tonnen Stahl herzustellen. Diese enorme Produktivitätssteigerung war nur durch bedeutende technische Innovationen möglich, die häufig zuerst in Deutschland erfolgten.

Rohstoffsituation [Bearbeiten]

Obwohl die Erdkruste zu fünf Prozent aus Eisen, dem wichtigsten Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend im 2. Halbjahr 2003 zeigt sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in der Volksrepublik China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichte die Erzeugung der Erzminen nicht mehr aus, die Umschlagkapazitäten der Erzhäfen waren erschöpft, und es waren auch nicht mehr genug Schiffe für den Erztransport verfügbar. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, welcher für die Roheisenherstellung benötigt wird, und für Schrott als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung.

Die Konsequenzen aus dieser Entwicklung wurden von den großen Stahlherstellern der Industrieländer unterschätzt, so dass der aktuelle Rohstoffbedarf nicht gedeckt werden kann. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer.

Es ist keine Trendwende in Sicht, die Stahlproduktion und der Rohstoffbedarf werden weiter steigen, obwohl die Wachstumsrate durch staatliche Eingriffe gegenwärtig sinkt. Der Bedarf an Eisenerz wird durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden können.

Außer der Stahlindustrie sind auch Beton und Aluminium von diesem Phänomen betroffen. Eine Ursache für den hohen Erdölpreis ist ebenfalls der gestiegene Rohstoffbedarf der Schwellenländer.

Alternative Materialien [Bearbeiten]

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da die anderen metallischen Werkstoffe aber durchwegs weniger fest sind als Stahl, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (etwa dünneres Blech mit Aussparungen, aber dafür Sicken) ausgeglichen werden. Faserverbundwerkstoffe haben zwar wesentlich höhere Festigkeiten (Zugfestigkeit, E-Modul) in Faserrichtung, die Konstruktion und Verarbeitung ist jedoch vollkommen anders als bei metallischen Werkstoffen.

Ökologie [Bearbeiten]

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt wiederverwertbar ist, indem der Schrott wieder zu Stahl geschmolzen wird.

Die Erzeugung von Rohstahl ist energieintensiv, da die metallurgischen Prozessschritte Temperaturen von 1.500 bis 1.800 °C erfordern. Aus ökologischer Sicht wird bei der Hochofenroute CO2 emittiert, da der Hochofen verfahrensbedingt nicht ohne eine bestimmte Menge Koks und Kohlenstoff betrieben werden kann. In Deutschland und Österreich sind bei den Hochöfen allerdings inzwischen Werte erreicht worden, die am verfahrenstechnischen Minimum liegen. Eine weitere Reduktion ist technisch-physiko-chemisch bedingt nicht möglich. Es wird seit Jahren an neuen Verfahren zur Roheisenerzeugung geforscht. Die in die Betriebspraxis umgesetzten Verfahren basieren allerdings auch auf Kohlenstoff, einem der Edukte für Kohlenmonoxid, das als Reduktionsmittel für das Eisenerz fungiert, und so tragen auch diese neuen Verfahren nicht zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei.

Siehe auch [Bearbeiten]

Weblinks [Bearbeiten]

Wiktionary
Wiktionary: Stahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen


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Stahl bezeichnet alle metallischen Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist, und die als zweites Legierungselement Kohlenstoff mit einem Anteil unter 2% enthalten.

Definition [Bearbeiten]

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06 % (Masse) Kohlenstoff enthält. Dieser Definition folgt auch die DIN EN 10020, nach der Stähle Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Kohlenstoffgehalt im allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% C sind. Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Werkstoff Stahl um eine Legierung aus Eisen und Eisenkarbid.

Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit vor.

Eigenschaften [Bearbeiten]

Stähle sind die am meisten verwendeten metallischen Werkstoffe. Durch Legieren mit Kohlenstoff und anderen Legierungselementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung (gleichzeitige thermische Behandlung mit plastischer Umformung) können seine Eigenschaften für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden.

Der Stahl kann zum Beispiel sehr weich und dafür ausgezeichnet verformbar hergestellt werden, wie etwa das Weißblech von Konservendosen. Demgegenüber kann er sehr hart und dafür spröde hergestellt werden, wie etwa martensitische Stähle für Messer (Messerstahl). Moderne Entwicklungen zielen darauf, den Stahl gleichzeitig fest und duktil (verformbar) herzustellen, als Beitrag für Leichtbau von Maschinen.

Das wichtigste Legierungselement im Stahl ist Kohlenstoff. Er liegt als Verbindung (Zementit, Fe3C) vor. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen.

Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche Phasen: Austenit, Ferrit, Primär-, Sekundär-, Tertiärzementit und Phasengemische: Perlit, Ledeburit. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasengemische wie fein- (ex Sorbit) und feinststreifiger Perlit (ex Troostit) sowie nadeliger/körniger Bainit ("Zwischenstufe") und massiver/nadeliger Martensit bzw. Hardenit entstehen (siehe auch Härten (Stahl)).

Die Phasenzusammensetzung von Stahl wird für den Gleichgewichtszustand mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben.

Die Dichte von Stahl bzw. Eisen beträgt rund 7850 kg/m³, der E-Modul ca. 210 kN/mm².

Veränderung von Stahleigenschaften [Bearbeiten]

Stahl kann gewollte Eigenschaften (Härte, Duktilität, Kerbschlagzähigkeit...) annehmen. Die drei grundsätzlichen Methoden, die natürlich in Kombination miteinander verwendet werden können, zur Veränderung der Stahleigenschaften sind:

Arten von Stählen [Bearbeiten]

Nach DIN EN 10020 wird zwischen zwei Hauptgüteklassen unterschieden:

Die Kurznamen der Stähle sind in der DIN EN 10027 festgelegt. Heute werden ca. 2500 verschiedene Stahlsorten hergestellt.

Die Stahlwerkstoffe werden nach den Legierungselementen, den Gefügebestandteilen und den mechanischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt.

In Abhängigkeit vom Legierungsgehalt wird unterteilt in:

Unlegierte Stähle [Bearbeiten]

Unlegierte Stähle werden in Stahlwerkstoffe, die nicht für eine Wärmebehandlung vorgesehen sind, und in Stähle für eine Wärmebehandlung eingeteilt.

Niedriglegierte Stähle [Bearbeiten]

Als niedriglegierter Stahl gilt, wenn die Summe der Legierungselemente größer gleich 1 % ist, aber die 5 %-Grenze nicht übersteigt.

Niedriglegierte Stähle haben grundlegend andere Eigenschaften als unlegierte Stähle. Technisch wichtig ist ihre wesentlich bessere Eignung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung und mit speziellen Legierungskombinationen auch die erhöhte Warmfestigkeit.

Hochlegierte Stähle [Bearbeiten]

Als hochlegierter Stahl gilt, wenn mindestens ein Legierungselement die 5%-Grenze übersteigt

Hochlegierte Stähle sind für Sondereigenschaften erforderlich. Zunderbeständigkeit, höchste Warmfestigkeit, Rostbeständigkeit oder besondere physikalische Eigenschaften lassen sich nur durch hochlegierte Stähle erzeugen.

Einteilung nach Anwendungsgebieten [Bearbeiten]

Weitere wichtige Eigenschaften für den Anwender sind die Einsatzbereiche und Verwendungsmöglichkeiten der Stähle. Daher ist auch eine Kennzeichnung sinnvoll, aus denen dies entnommen werden kann:

Herstellung [Bearbeiten]

siehe: Stahlerzeugung

Wirtschaftliche und historische Bedeutung [Bearbeiten]

Die Verhüttung von Eisen ist bereits für das 2. Jahrtausend v. Chr. im damaligen Hethiter-Reich belegt. Die erste Herstellung eines einfachen Stahls wird auf den Anfang des 1. Jahrtausends v. Chr. datiert (vgl. Artikel Eisen).

Im 12. Jahrhundert n. Chr. wurde in Europa der Holzkohle-Hochofen entwickelt, dessen Prozesstemperatur das Schmelzen von Eisenerzen ermöglichte. Anfangs war dieses Eisen wegen seines hohen Kohlenstoffgehaltes nicht schmiedbar; es musste zunächst „gereinigt“ werden, indem der Kohlenstoff und andere Begleitelemente herausgebrannt wurden.

Gussstahl stellte erstmals 1740 der Engländer Benjamin Huntsman im Tiegelstahlverfahren her. Die erste deutsche Gussstahlfabrik gründete Alfred Krupp 1811 in Essen. Der Impuls für die sprunghafte Zunahme der Stahlproduktion erfolgte vor ca. 150 Jahren durch die gleichzeitige Anwendung mehrerer technischer Erfindungen: Die Dampfmaschine stellte der Eisenindustrie eine leistungsstarke und flexible Arbeitskraft zur Verfügung, der Steinkohlebergbau erzeugte den für die Stahlerzeugung notwendigen Koks, und die Entwicklung des Eisenbahnwesens sowie der Dampfschifffahrt schufen neue, große Absatzmärkte für Stahl.

Die Stahlindustrie hatte in allen Ländern, unabhängig von ökonomischen Erwägungen, eine enorme politische Bedeutung, da sie auch eine nationale Prestigefrage war. Die Bedeutung des Stahls für die damalige Zeit symbolisiert der Eiffelturm, der anlässlich der Pariser Weltausstellung von 1889 als ein Monument des technischen Fortschritts aus Stahl erbaut wurde.

Für die Nationalsozialisten, die 1935 ein umfangreiches Rüstungsprogramm gestartet hatten, war Stahl ein kriegswichtiger Werkstoff. So galt der Norwegenfeldzug unter anderem der Sicherung des Nachschubs von schwedischem Eisenerz, das für die damalige Stahlerzeugung ein unverzichtbarer Rohstoff war. Die Alliierten bombardierten das Ruhrgebiet, die größte stahlproduzierende Region Europas. Am Ende des Krieges hatten die Luftangriffe ca. 20 Prozent der Produktionskapazitäten zerstört. Erst 1957 wurde mit einer Rohstahlproduktion von 16 Millionen Tonnen der Vorkriegsstand wieder erreicht.

Die auf der Potsdamer Konferenz beschlossene Demilitarisierung des Deutschen Reiches beinhaltete auch eine Demontage der Stahlindustrie. Ein Teil der demontierten Betriebe ging an die Sowjetunion, die diese zum Wiederaufbau des durch den Krieg zerstörten Landes benötigte. In den westlichen Besatzungszonen regte sich bald Widerstand gegen die Demontage, und so stellten die Alliierten die Demontage schon 1949 wieder ein. Eine weitere Maßnahme der alliierten Kontrollbehörde war die sogenannte „Entflechtung“ der Stahlindustrie. Damit sollte das neuerliche Aufkommen von marktbeherrschenden Unternehmenszusammenschlüssen, wie die „Vereinigte Stahlwerke“, verhindert werden.

Um eine gemeinsame Kontrolle der Kohle- und Stahlproduktion sicherzustellen, wurde 1952 auf französische Initiative hin die Montanunion gegründet. Aus der Montanunion entwickelte sich dann schrittweise die Europäische Union. In der Folge erlebte die Stahlindustrie in der Bundesrepublik Deutschland einen großen Aufschwung. 1961 produzierten 420.568 Beschäftigte 33 Millionen Tonnen Rohstahl, was einen Höchststand bei der Mitarbeiterzahl bedeutete. Einen Produktionsrekord stellte die westdeutsche Stahlindustrie 1974 auf, als sie über 53 Millionen Tonnen Stahl fertigte. Heutzutage benötigt die Stahlindustrie im wiedervereinigten Deutschland etwa 92.000 Mitarbeiter, um rund 45 Millionen Tonnen Stahl herzustellen. Diese enorme Produktivitätssteigerung war nur durch bedeutende technische Innovationen möglich, die häufig zuerst in Deutschland erfolgten.

Rohstoffsituation [Bearbeiten]

Obwohl die Erdkruste zu fünf Prozent aus Eisen, dem wichtigsten Ausgangsmaterial für Stahl, besteht, wird gegenwärtig der Rohstoffbedarf der Industrie nicht gedeckt. Beginnend im 2. Halbjahr 2003 zeigt sich eine dramatisch veränderte Rohstoffsituation, die vor allem durch den stark steigenden Stahlbedarf der Volkswirtschaften in der Volksrepublik China, Indien und Brasilien verursacht wurde. Seit einigen Jahren wächst allein die Stahlproduktion in China jährlich um mehr als die gegenwärtige Gesamtproduktion Deutschlands. Plötzlich reichte die Erzeugung der Erzminen nicht mehr aus, die Umschlagkapazitäten der Erzhäfen waren erschöpft, und es waren auch nicht mehr genug Schiffe für den Erztransport verfügbar. Ähnliche Entwicklungen ergaben sich für Koks, welcher für die Roheisenherstellung benötigt wird, und für Schrott als Sekundärrohstoff für die Stahlerzeugung.

Die Konsequenzen aus dieser Entwicklung wurden von den großen Stahlherstellern der Industrieländer unterschätzt, so dass der aktuelle Rohstoffbedarf nicht gedeckt werden kann. Infolgedessen haben sich die Preise für Rohstoffe und Stahlprodukte vervielfacht. Gegenwärtig ist Stahl knapp und teuer.

Es ist keine Trendwende in Sicht, die Stahlproduktion und der Rohstoffbedarf werden weiter steigen, obwohl die Wachstumsrate durch staatliche Eingriffe gegenwärtig sinkt. Der Bedarf an Eisenerz wird durch das Erschließen neuer Abbaugebiete gedeckt werden können.

Außer der Stahlindustrie sind auch Beton und Aluminium von diesem Phänomen betroffen. Eine Ursache für den hohen Erdölpreis ist ebenfalls der gestiegene Rohstoffbedarf der Schwellenländer.

Alternative Materialien [Bearbeiten]

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da die anderen metallischen Werkstoffe aber durchwegs weniger fest sind als Stahl, kann der Gewichtsvorteil durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (etwa dünneres Blech mit Aussparungen, aber dafür Sicken) ausgeglichen werden. Faserverbundwerkstoffe haben zwar wesentlich höhere Festigkeiten (Zugfestigkeit, E-Modul) in Faserrichtung, die Konstruktion und Verarbeitung ist jedoch vollkommen anders als bei metallischen Werkstoffen.

Ökologie [Bearbeiten]

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt wiederverwertbar ist, indem der Schrott wieder zu Stahl geschmolzen wird.

Die Erzeugung von Rohstahl ist energieintensiv, da die metallurgischen Prozessschritte Temperaturen von 1.500 bis 1.800 °C erfordern. Aus ökologischer Sicht wird bei der Hochofenroute CO2 emittiert, da der Hochofen verfahrensbedingt nicht ohne eine bestimmte Menge Koks und Kohlenstoff betrieben werden kann. In Deutschland und Österreich sind bei den Hochöfen allerdings inzwischen Werte erreicht worden, die am verfahrenstechnischen Minimum liegen. Eine weitere Reduktion ist technisch-physiko-chemisch bedingt nicht möglich. Es wird seit Jahren an neuen Verfahren zur Roheisenerzeugung geforscht. Die in die Betriebspraxis umgesetzten Verfahren basieren allerdings auch auf Kohlenstoff, einem der Edukte für Kohlenmonoxid, das als Reduktionsmittel für das Eisenerz fungiert, und so tragen auch diese neuen Verfahren nicht zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei.

Siehe auch [Bearbeiten]

Weblinks [Bearbeiten]

Wiktionary
Wiktionary: Stahl – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen


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Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Ο χάλυβας (κν. ατσάλι) είναι κράμα σιδήρουάνθρακα που περιέχει λιγότερο από 2,06% κ.β. άνθρακα, λιγότερο από 1,0% μαγγάνιο και πολύ μικρά ποσοστά πυριτίου, φωσφόρου, θείου και οξυγόνου. Οι κραματωμένοι χάλυβες, όπως π.χ. οι ανοξείδωτοι χάλυβες, οι εργαλειοχάλυβες, κ.λπ., αποτελούν ειδική κατηγορία κραμάτων που περιέχουν υψηλότερα ποσοστά άλλων μετάλλων.

Ο χάλυβας είναι το πιο διαδεδομένο κατασκευαστικό υλικό μετά την πέτρα και το ξύλο. Χρησιμοποιείται παντού: από την αρχιτεκτονική και την ναυπηγική μέχρι την κατασκευή χειρουργικών εργαλείων.

Ο χάλυβας είναι ένα από τα σημαντικότερα βιομηχανικά υλικά και οι χαλυβουργίες (εργοστάσια παραγωγής χάλυβα) ανήκουν στις «βαριές βιομηχανίες». Σε παλαιότερες εποχές, η βιομηχανική παραγωγή μιας χώρας αξιολογούνταν από την παραγωγή της σε χάλυβα. Μια από τις τρεις Ευρωπαϊκές Κοινότητες που ιδρύθηκαν το 1957 ήταν και η Ευρωπαϊκή Κοινότητα Άνθρακα και Χάλυβα.

[Επεξεργασία] Ιστορία του χάλυβα

Η ιστορία του χάλυβα[1] αρχίζει ίσως γύρω 1000 π.Χ., όταν μεταλλουργοί της εποχής εκείνης κατόρθωσαν να παράγουν χάλυβα με ενανθράκωση σπογγώδους σιδήρου. Την εποχή της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας, πολλοί μεσογειακοί λαοί, αλλά και οι Ινδοί, οι Κινέζοι και οι Ιάπωνες γνώριζαν την τέχνη της παραγωγής σπογγώδους σιδήρου και χάλυβα, καθώς και την τέχνη της σκλήρυνσης του χάλυβα με θέρμανση και απότομη ψύξη («βαφή»).

Η σύγχρονη ιστορία του χάλυβα αρχίζει στα μέσα του 19ου αι., όταν ο άγγλος εφευρέτης Χένρυ Μπέσσεμερ (αγγλ., Henry Bessemer), ανακάλυψε πως να μετατρέπει τον τηγμένο χυτοσίδηρο σε χάλυβα με εμφύσηση οξυγόνου σε έναν κάδο («μεταλλάκτη») επενδυμένο με βασικά πυρίμαχα τούβλα. Την ίδια εποχή ανακαλύφθηκε η μετατροπή του χυτοσιδήρου σε χάλυβα σε καμίνους ανοικτής εστίας (κάμινος Siemens-Martin). Πάντως σήμερα, η ανακάλυψη του Μπέσσεμερ χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά για την απανθράκωση του χυτοσιδήρου. Η κάμινος Siemens-Martin εγκαταλείφθηκε ως πιο ενεργοβόρος και λιγότερο φιλική προς το περιβάλλον.

[Επεξεργασία] Η παραγωγή του χάλυβα

Ο χάλυβας παράγεται με τρεις βασικές μεθόδους:

  1. με αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων σε υψικάμινο για την παραγωγή χυτοσιδήρου, και την μετατροπή του χυτοσιδήρου σε χάλυβα μέσα σε μεταλλάκτη με εμφύσηση οξυγόνου·
  2. με την άμεση αναγωγή σιδηρομεταλλευμάτων (δηλ. αναγωγή σε στερεά κατάσταση) σε φρεατώδη κάμινο για την παραγωγή σπογγώδους σιδήρου (αγγλ., Direct Reduced Iron ή DRI), και την μετατροπή του σπογγώδους σιδήρου σε χάλυβα μέσα σε κάμινο (κλίβανο) ηλεκτρικού τόξου· και
  3. με την ανάτηξη παλαιοσιδήρου (σκραπ) σε κάμινο (κλίβανος) ηλεκτρικού τόξου.


Σχηματικό διάγραμμα της παραγωγής χυτοσιδήρου και ημιτελών προϊόντων χάλυβα.

Σχηματικό διάγραμμα της παραγωγής χυτοσιδήρου και ημιτελών προϊόντων χάλυβα.
Σχηματικό διάγραμμα της παραγωγής τελικών προϊόντων χάλυβα.

Σχηματικό διάγραμμα της παραγωγής τελικών προϊόντων χάλυβα.

Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του 2005, το 65,4% της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα προέρχεται από τις δύο πρώτες καθετοποιημένες μεθόδους και το 31,7% από την ανάτηξη παλαιοσιδήρων και σπογγώδους σιδήρου σε κλιβάνους ηλεκτρικού τόξου. Ένα μικρό ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα (2,9% για το 2005) προέρχεται από την μετατροπή χυτοσιδήρου σε κάμινους ανοικτής εστίας ή άλλες μεθόδους.

Στην Ελλάδα, όλη η παραγωγή χάλυβα (περίπου 2,5 εκατ. τόνοι ετησίως) προέρχεται από την ανάτηξη παλαιοσιδήρου και προορίζεται κυρίως για την παραγωγή μπετόβεργας.

[Επεξεργασία] Ποιότητες του χάλυβα

Απόχυση τηγμένου χάλυβα από ηλεκτρική κάμινο τόξου αμερικανικού χαλυβουργείου (περί το 1941).

Απόχυση τηγμένου χάλυβα από ηλεκτρική κάμινο τόξου αμερικανικού χαλυβουργείου (περί το 1941).

Ο χάλυβας δεν είναι ένα μοναδικό προϊόν. Σήμερα υπάρχουν περισσότερα από 3.500 διαφορετικά είδη χαλύβων με πολύ διαφορετικές φυσικές, χημικές και περιβαλλοντικές ιδιότητες. Περίπου τα τρία τέταρτα των ειδών των χαλύβων δημιουργήθηκαν μόλις τα τελευταία είκοσι χρόνια. Οι σύγχρονοι χάλυβες είναι πολύ πιο ανθεκτικοί σε σύγκριση με παλιότερες ποιότητες χαλύβων. Αν χτίζονταν σήμερα ο Πύργος του Άιφελ στο Παρίσι, θα χρειάζονταν το ένα τρίτο της ποσότητας χάλυβα. Ένα σύγχρονο αυτοκίνητο χρειάζεται 25% λιγότερο χάλυβα από ό,τι χρειάζονταν ένα αυτοκίνητο πριν από δυο με τρεις δεκαετίες.

Οι χάλυβες διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες (αγγλ., grades) ανάλογα με την χημική τους σύσταση, την παραιτέρω κατεργασία τους, την κρυσταλλική τους δομή ή και την τελική τους χρήση.

Ως προς την χημική τους σύσταση, οι χάλυβες ταξινομούνται ως εξής:

  • Κοινοί ή ανθρακούχοι χάλυβες (αγγλ., carbon steels). Περιέχουν άνθρακα (έως 2,06%) και μικρό ποσοστό μαγγανίου (έως 1,65%), πυριτίου (έως 0,6%) και χαλκού (έως 0,6%). Χρησιμοποιούνται πολύ και συγκολλούνται εύκολα. Με βάση τον περιεχόμενο άνθρακα, οι κοινοί χάλυβες διακρίνονται στις εξής υποκατηγορίες:
    • χάλυβες χαμηλού άνθρακα ή μαλακοί χάλυβες (αγγλ., mild steels· C <>
    • χάλυβες μέτριου άνθρακα (αγγλ., medium carbon steels· 0,30% <>
    • χάλυβες υψηλού άνθρακα (αγγλ., high carbon steels· 0,60% <>
    • χάλυβες πολύ υψηλού άνθρακα (αγγλ., ultra-high carbon steels· 1,00% < id="_ref-1" class="reference">[2].
  • Κραματωμένοι χάλυβες (αγγλ., alloy steels), δηλ. κράματα σιδήρου με άλλα μέταλλα σε σημαντική περιεκτικότητα. Τέτοιοι είναι οι
    • ελαφρά κραματωμένοι χάλυβες ή χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης, που περιέχουν συνήθως χρώμιο, μολυβδαίνιο, βανάδιο, νικέλιο κ.λπ. σε συνολικό ποσοστό που δεν ξεπερνά το 10 % κ.β., όπως π.χ. οι εργαλειοχάλυβες (0,7% <>
    • ισχυρά κραματωμένοι χάλυβες ή χάλυβες υψηλής κραμάτωσης, όπως οι ανοξείδωτοι χάλυβες (Cr > 10,5%), οι ταχυχάλυβες (C ~ 0.7%, Cr ~4,0%, 5,0% <>

Ανάλογα με την περαιτέρω κατεργασία τους, οι χάλυβες διακρίνονται σε:

  • χάλυβες διαμόρφωσης, που υφίστανται περαιτέρω μηχανική κατεργασία (έλαση, διέλαση, κ.λπ.), και
  • χυτοχάλυβες, που παράγονται απευθείας με χύτευση υπό μορφή χελωνών και επαναχυτεύονται για την παραγωγή δημιουργία διαφόρων εξαρτημάτων.

Τέλος, συχνά γίνεται λόγος για ωστενιτικούς, μαρτενσιτικούς, μπαινιτικούς κ.λπ. χάλυβες ανάλογα με την κύρια κρυσταλλική φάση τους.

Η ονοματολογία των χαλύβων γίνεται σύμφωνα με διάφορα συστήματα τυποποίησης όπως DIN, ASTM, ΕΛΟΤ κ.λπ. Συχνά υπάρχει αντιστοιχία ανάμεσα στο όνομα μιας κατηγορίας χάλυβα και την αντοχή της συγκεκριμένης κατηγορίας χάλυβα σε εφελκυσμό. Για παράδειγμα, το πρότυπο ΕΛΟΤ 1421-3 ορίζει ότι ο χάλυβας B500C πρέπει να έχει όριο διαρροής μεγαλύτερο από 500 MPa (500 N/mm2).

[Επεξεργασία] Χαλυβουργικά προϊόντα

Τα χαλυβουργεία παράγουν ημιτελή και τελικά προϊόντα χάλυβα. Τα ημιτελή προϊόντα χάλυβα είναι συνήθως δοκοί τετραγωνικής διατομής («μπιγιέτες») με ακμή περίπου 10 εκ. ή κυκλικής διατομής με διάμετρο περίπου 25 εκ. (κυλινδρικές «μπιγιέτες» ή «κορμοί») και μήκος μερικά μέτρα, ή ακόμα πλατιά πρίσματα (πλάκες ή «σλαμπ») διατομής 10 εκ. x 100 εκ. και με μήκος μερικών μέτρων. Η παραγωγή των ημιτελών προϊόντων γίνεται με συνεχή χύτευση σε μήτρες από χαλκό, που ψύχονται με νερό και με έλαση σε ειδικά έλαστρα.

Τα ημιτελή προϊόντα αναθερμαίνονται και υποβάλλονται σε έλαση, διέλαση, ολκή κ.λπ. για την παραγωγή των τελικών προϊόντων, που μπορεί να είναι πλατέα (sic) ή επιμήκη[3]. Τόσο τα πλατέα προϊόντα όσο και τα επιμήκη παράγονται με ψυχρή ή ψυχρή έλαση. Η θερμή έλαση γίνεται σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 925 °C, οπότε οι παραμορφωμένοι κόκκοι του μετάλλου ανακρυσταλλώνονται. Η ψυχρή έλαση ωστόσο επιτρέπει την παραγωγή προϊόντων με διαστάσεις πολύ πλησιέστερες στις τελικές διαστάσεις που θέλει ο καταναλωτής.

Τα πλατέα προϊόντα διακρίνονται σε πλάκες ή χονδρές κατασκευαστικές λαμαρίνες (αγγλ., plates), με πάχος 1 έως 20 εκ. για χρήση στην ναυπηγική, την οικοδομή, κ.ά., και σε λεπτές λαμαρίνες σε ρολά ή επίπεδα φύλλα (αγγλ., strips), με πάχος 0,1 έως 1 εκ. για την αυτοκινητοβιομηχανία, την βιομηχανία οικιακών συσκευών, την οικοδομή, κ.ά.

Τα επιμήκη προϊόντα μπορεί να είναι ράβδοι ή χάλυβας οπλισμού σκυροδέματος (μπετόβεργα· αγγλ., reinforcing bars), ελάσματα ή λάμες (τσέρκι· αγγλ., narrow strips), μορφοσίδηρος (χάλυβας διαμορφωμένης διατομής, όπως γωνίες, ταυ, κ.λπ.· αγγλ., profiles), κοίλες δοκοί (αγγλ., hollow sections), σωλήνες με ή χωρίς ραφή (αγγλ., welded or seamless tubes), κ.ά. Στα επιμήκη προϊόντα συμπεριλαμβάνεται και το σύρμα (αγγλ., wire).

Εκτός από τα πλατέα και τα επιμήκη προϊόντα, ο χάλυβας διατίθεται ακόμα στην μορφή χυτής χελώνας (χυτοχάλυβας). Πολλές χαλυβουργίες διαθέτουν φύλλα ή ρολούς επιψευδαργυρωμένου (γαλβανισμένου), επικασσιτερωμένου και επιχρωματισμένου χάλυβα.

[Επεξεργασία] Στατιστικά στοιχεία

Η παγκόσμια παραγωγή χάλυβα από το 1943 έως το 2004. Πηγή: US Geological Survey Data Series 140 (2007).

Η παγκόσμια παραγωγή χάλυβα από το 1943 έως το 2004. Πηγή: US Geological Survey Data Series 140 (2007).

Από το 1998, η πρώτη χώρα σε παραγωγή χώρα σε χάλυβα είναι η Κίνα. Μάλιστα, μέσα στην δεκαετία 19972006, η Κίνα αύξησε την παραγωγή της σε χάλυβα κατά πέντε φορές, ενώ στον δυτικό κόσμο, στην Ιαπωνία, στην Νότιο Κορέα και στην Ινδία, ο ρυθμός αύξησης της παραγωγής χάλυβα ήταν κατά πολύ μικρότερος. Οι δέκα πρώτες χώρες σε παραγωγή ακατέργαστου χάλυβα κατά το 2006 ήταν[4]:

  1. Κίνα 423 Mt[5],
  2. Ιαπωνία 116 Mt,
  3. ΗΠΑ 99 Mt,
  4. Ρωσία 71 Mt,
  5. Ν. Κορέα 49 Mt,
  6. Γερμανία 47 Mt,
  7. Ινδία 44 Mt,
  8. Ουκρανία 41 Mt,
  9. Ιταλία 32 Mt, και
  10. Βραζιλία 31 Mt.

Η μεγαλύτερη σε παραγωγή εταιρεία είναι η ινδικώνευρωπαϊκών συμφερόντων Arcelor–Mittal, η οποία παρήγαγε 117 Mt ακατέργαστου χάλυβα μέσα στο 2006 [6]. Δεύτερη και τρίτη σε παραγωγή χάλυβα κατά το 2006 ήταν οι ιαπωνικές εταιρείες Nippon Steel (33 Mt) και JFE Steel (32 Mt). Την πρώτη πεντάδα των μεγαλύτερων χαλυβουργικών εταιρειών κατά το 2006 συμπληρώνουν η νοτιοκορεάτικη Posco (30 Mt) και η κινεζική Baosteel (23 Mt).

[Επεξεργασία] Βιβλιογραφία και άλλες σημειώσεις

  1. H. Föll, "A brief history of steel".
  2. Οι χάλυβες πολύ υψηλού ά&n

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The steel cable of a colliery winding tower.
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Steel is an alloy consisting mostly of iron, with a carbon content between 0.02% and 1.7 or 2.04% by weight (C:1000–10,8.67Fe), depending on grade. Carbon is the most cost-effective alloying material for iron, but various other alloying elements are used such as manganese and tungsten.[1] Carbon and other elements act as a hardening agent, preventing dislocations in the iron atom crystal lattice from sliding past one another. Varying the amount of alloying elements and form of their presence in the steel (solute elements, precipitated phase) controls qualities such as the hardness, ductility, and tensile strength of the resulting steel. Steel with increased carbon content can be made harder and stronger than iron, but is also more brittle. The maximum solubility of carbon in iron (in austenite region) is 2.14% by weight, occurring at 1149 °C; higher concentrations of carbon or lower temperatures will produce cementite. Alloys with higher carbon content than this are known as cast iron because of their lower melting point.[1] Steel is also to be distinguished from wrought iron containing only a very small amount of other elements, but containing 1–3% by weight of slag in the form of particles elongated in one direction, giving the iron a characteristic grain. It is more rust-resistant than steel and welds more easily. But at present time this term is rarely used in steel industry. It is common today to talk about 'the iron and steel industry' as if it were a single entity, but historically they were separate products.

Though steel had been produced by various inefficient methods long before the Renaissance, its use became more common after more efficient production methods were devised in the 17th century. With the invention of the Bessemer process in the mid-19th century, steel became a relatively inexpensive mass-produced good. Further refinements in the process, such as basic oxygen steelmaking, further lowered the cost of production while increasing the quality of the metal. Today, steel is one of the most common materials in the world and is a major component in buildings, tools, automobiles, and appliances. Modern steel is generally identified by various grades of steel defined by various standards organizations.

[edit] Material properties

v d e
Iron alloy phases

Austenite (γ-iron; hard)
Bainite
Martensite
Cementite (iron carbide; Fe3C)
Ledeburite (ferrite - cementite eutectic, 4.3% carbon)
Ferrite (α-iron, δ-iron; soft)
Pearlite (88% ferrite, 12% cementite)
Spheroidite

Types of Steel

Plain-carbon steel (up to 2.1% carbon)
Stainless steel (alloy with chromium)
HSLA steel (high strength low alloy)
Tool steel (very hard; heat-treated)

Other Iron-based materials

Cast iron (>2.1% carbon)
Wrought iron (almost no carbon)
Ductile iron

Iron, like most metals, is not usually found in the Earth's crust in an elemental state.[2] Iron can be found in the crust only in combination with oxygen or sulfur. Typical iron-containing minerals include Fe2O3—the form of iron oxide found as the mineral hematite, and FeS2pyrite (fool's gold).[3] Iron is extracted from ore by removing the oxygen by combining it with a preferred chemical partner such as carbon. This process, known as smelting, was first applied to metals with lower melting points. Copper melts at just over 1000 °C, while tin melts around 250 °C. Cast iron—iron alloyed with greater than 1.7% carbon—melts at around 1370 °C. All of these temperatures could be reached with ancient methods that have been used for at least 6000 years (since the Bronze Age). Since the oxidation rate itself increases rapidly beyond 800 °C, it is important that smelting take place in a low-oxygen environment. Unlike copper and tin, liquid iron dissolves carbon quite readily, so that smelting results in an alloy containing too much carbon to be called steel.[4]

Even in the narrow range of concentrations that make up steel, mixtures of carbon and iron can form into a number of different structures, with very different properties; understanding these is essential to making quality steel. At room temperature, the most stable form of iron is the body-centered cubic (BCC) structure ferrite or α-iron, a fairly soft metallic material that can dissolve only a small concentration of carbon (no more than 0.021 wt% at 910 °C). Above 910 °C ferrite undergoes a phase transition from body-centered cubic to a face-centered cubic (FCC) structure, called austenite or γ-iron, which is similarly soft and metallic but can dissolve considerably more carbon (as much as 2.03 wt% carbon at 1154 °C).[5] As carbon-rich austenite cools, the mixture attempts to revert to the ferrite phase, resulting in an excess of carbon. One way for carbon to leave the austenite is for cementite to precipitate out of the mix, leaving behind iron that is pure enough to take the form of ferrite, resulting in a cementite-ferrite mixture. Cementite is a stoichiometric phase with the chemical formula of Fe3C. Cementite forms in regions of higher carbon content while other areas revert to ferrite around it. Self-reinforcing patterns often emerge during this process, leading to a patterned layering known as pearlite (Fe3C:6.33Fe) due to its pearl-like appearance, or the similar but less beautiful bainite.

Iron-carbon phase diagram, showing the conditions necessary to form different phases.

Iron-carbon phase diagram, showing the conditions necessary to form different phases.

Perhaps the most important allotrope is martensite, a chemically metastable substance with about four to five times the strength of ferrite. A minimum of 0.4 wt% of carbon (C:50Fe) is needed in order to form martensite. When the austenite is quenched to form martensite, the carbon is "frozen" in place when the cell structure changes from FCC to BCC. The carbon atoms are much too large to fit in the interstitial vacancies and thus distort the cell structure into a body-centered tetragonal (BCT) structure. Martensite and austenite have an identical chemical composition. As such, it requires extremely little thermal activation energy to form.

The heat treatment process for most steels involves heating the alloy until austenite forms, then quenching the hot metal in water or oil, cooling it so rapidly that the transformation to ferrite or pearlite does not have time to take place. The transformation into martensite, by contrast, occurs almost immediately, due to a lower activation energy.

Martensite has a lower density than 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, these 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 water quenched, although they may not always be visible.[6]

Iron ore pellets for the production of steel.

Iron ore pellets for the production of steel.

At this point, if the carbon content is high enough to produce a significant concentration of martensite, the result is an extremely hard but very brittle material. Often, steel undergoes further heat treatment at a lower temperature to destroy some of the martensite (by allowing enough time for cementite, etc., to form) and help settle the internal stresses and defects. This softens the steel, producing a more ductile and fracture-resistant metal. Because time is so critical to the end result, this process is known as tempering, which forms tempered steel.[7]

Other materials are often added to the iron-carbon mixture to tailor the resulting properties. Nickel and manganese in steel add to its tensile strength and make austenite more chemically stable, chromium increases the hardness and melting temperature, and vanadium also increases the hardness while reducing the effects of metal fatigue. Large amounts of chromium and nickel (often 18% and 8%, respectively) are added to stainless steel so that a hard oxide forms on the metal surface to inhibit corrosion. Tungsten interferes with the formation of cementite, allowing martensite to form with slower quench rates, resulting in high speed steel. On the other hand sulfur, nitrogen, and phosphorus make steel more brittle, so these commonly found elements must be removed from the ore during processing.[8]

When iron is smelted from its ore by commercial processes, it contains more carbon than is desirable. To become steel, it must be melted and reprocessed to remove the correct amount of carbon, at which point other elements can be added. Once this liquid is cast into ingots, it usually must be "worked" at high temperature to remove any cracks or poorly mixed regions from the solidification process, and to produce shapes such as plate, sheet, wire, etc. It is then heat-treated to produce a desirable crystal structure, and often "cold worked" to produce the final shape. In modern steelmaking these processes are often combined, with ore going in one end of the assembly line and finished steel coming out the other. These can be streamlined by a deft control of the interaction between work hardening and tempering.

[edit] History of steelmaking

Bloomery smelting during the Middle Ages.

Bloomery smelting during the Middle Ages.

[edit] Ancient steel

Steel was known in antiquity, and may have been produced by managing the bloomery so that the bloom contained carbon.[9] Some of the first steel comes from East Africa, dating back to 1400 BCE.[10] In the 4th century BCE steel weapons like the Falcata were produced in the Iberian peninsula. The Chinese of the Han Dynasty (202 BCE – 220 CE) created steel by melting together wrought iron with cast iron, gaining ultimate product of a carbon intermediate—steel—by the 1st century CE.[11][12] Along with their original methods of forging steel, the Chinese had also adopted the production methods of creating Wootz steel, an idea imported from India to China by the 5th century CE.[13] Wootz steel was produced in India and Sri Lanka from around 300 BCE. This early steel-making method employed the use of a wind furnace, blown by the monsoon winds.[14] Also known as Damascus steel, wootz is famous for its durability and ability to hold an edge. It was originally created from a number of different materials including various trace elements. It was essentially a complicated alloy with iron as its main component. Recent studies have suggested that carbon nanotubes were included in its structure, which might explain some of its legendary qualities, though given the technology available at that time, they were probably produced more by chance than by design.[15] Crucible steel was produced in Merv by 9th to 10th century CE.

In the 11th century, there is evidence of the production of steel in Song China using two techniques: a "berganesque" method that produced inferior, inhomogeneous steel and a precursor to the modern Bessemer process that utilized partial decarbonization via repeated forging under a cold blast.[16]

[edit] Early modern steel

A Bessemer converter in Sheffield, England.

A Bessemer converter in Sheffield, England.

[edit] Blister steel

Main article: Cementation process

Blister steel, produced by the cementation process was first made in Italy in the early 17th century CE and soon after introduced to England. It was probably produced by Sir Basil Brooke at Coalbrookdale during the 1610s. The raw material for this was bars of wrought iron. During the 17th century it was realised that the best steel came from oregrounds iron from a region of Sweden, north of Stockholm. This was still the usual raw material in the 19th century, almost as long as the process was used.[17][18]

[edit] Crucible steel

Main article: Crucible steel

Crucible steel is steel that has been melted in a crucible rather than being 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 in a furnace, and cast (usually) into ingots.[18]

[edit] Modern steelmaking

A Siemens-Martin steel oven from the Brandenburg Museum of Industry.

A Siemens-Martin steel oven from the Brandenburg Museum of Industry.
See also History of the modern steel industry.

The modern era in steelmaking began with the introduction of Henry Bessemer's Bessemer process in the late 1850s. This enabled steel to be produced in large quantities cheaply, so that mild steel is now used for most purposes for which wrought iron was formerly used.[19] This was only the first of a number of methods of steel production. The Gilchrist-Thomas process (or basic Bessemer process) was an improvement to the Bessemer process, lining the converter with a basic material to remove phosphorus. Another was the Siemens-Martin process of open hearth steelmaking, which like the Gilchrist-Thomas process complemented, rather than replaced, the original Bessemer process.[18]

These were rendered obsolete by the Linz-Donawitz process of basic oxygen steelmaking, developed in the 1950s, and other oxygen steelmaking processes.[20]

[edit] Steel industry

Tata Steel plant in the United Kingdom.

Tata Steel plant in the United Kingdom.
Steel output in 2005

Steel output in 2005

Because of the critical role played by steel in infrastructural and overall economic development, the steel industry is often considered to be an indicative for economic prowess.

The economic boom in China and India has caused a massive increase in the demand for steel in recent years. Between 2000 and 2005, world steel demand increased by 6%.[21] Since 2000, several Indian[22] and Chinese steel firms have rose to prominence like Tata Steel (which bought Corus Group in 2007), Shanghai Baosteel Group Corporation and Shagang Group. Arcelor-Mittal is however the world's largest steel producer.[21]

The British Geological Survey reports that in 2005, China was the top producer of steel with about one-third world share followed by Japan, Russia and the USA.

See also: List of steel producers and Global steel industry trends

[edit] Recycling

Steel is the most widely recycled material in North America. The steel industry has been actively recycling for more than 150 years, in large part because it is economically advantageous to do so. It is cheaper to recycle steel than to mine iron ore and manipulate it through the production process to form 'new' steel. Steel does not lose any of its inherent physical properties during the recycling process, and has drastically reduced energy and material requirements than refinement from iron ore. The energy saved by recycling reduces the annual energy consumption of the industry by about 75%, which is enough to power eighteen million homes for one year.[23] Recycling one ton of steel saves 1,100 kilograms of iron ore, 630 kilograms of coal, and 55 kilograms of limestone.[24] 76 million tons of steel were recycled in 2005.[23]

A pile of steel scrap in Brussels, waiting to be recycled.

A pile of steel scrap in Brussels, waiting to be recycled.

In recent years, about three quarters of the steel produced annually has been recycled. However, the numbers are much higher for certain types of products. For example, in both 2004 and 2005, 97.5% of structural steel beams and plates were recycled.[25] Other steel construction elements such as reinforcement bars are recycled at a rate of about 65%. Indeed, structural steel typically contains around 95% recycled steel content, whereas lighter gauge, flat rolled steel contains about 30% reused material.

Because steel beams are manufactured to standardized dimensions, there is often very little waste produced during construction, and any waste that is produced may be recycled. For a typical 2000-square-foot two-story house, a steel frame is equivalent to about six recycled cars, while a comparable wooden frame house may require as many as 40–50 trees.[23]

Global demand for steel continues to grow, and though there are large amounts of steel existing, much of it is actively in use. As such, recycled steel must be augmented by some first-use metal, derived from raw materials. Commonly recycled steel products include cans, automobiles, appliances, and debris from demolished buildings. A typical appliance is about 65% steel by weight and automobiles are about 66% steel and iron.

While some recycling takes place through the integrated steel mills and the basic oxygen process, most of the recycled steel is melted electrically, either using an electric arc furnace (for production of low-carbon steel) or an induction furnace (for production of some highly-alloyed ferrous products).

[edit] Contemporary steel

Modern steels are made with varying combinations of alloy metals to fulfill many purposes.[8] Carbon steel, composed simply of iron and carbon, accounts for 90% of steel production.[1] High strength low alloy steel has small additions (usually < href="http://en.wikipedia.org/wiki/Manganese" title="Manganese">manganese, to provide additional strength for a modest price increase.[26] Low alloy steel is alloyed with other elements, usually molybdenum, manganese, chromium, or nickel, in amounts of up to 10% by weight to improve the hardenability of thick sections.[1] Stainless steels and surgical stainless steels contain a minimum of 10% chromium, often combined with nickel, to resist corrosion (rust). Some stainless steels are magnetic, while others are nonmagnetic.[27]

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.[1] Tool steel is generally used in axes, drills, and other devices that need a sharp, long-lasting cutting edge. Other special-purpose alloys include weathering steels such as Cor-ten, which weather by acquiring a stable, rusted surface, and so can be used un-painted.[28]

Many other high-strength alloys exist, such as dual-phase steel, which is heat treated to contain both a ferrite and martensic microstructure for extra strength.[29] Transformation Induced Plasticity (TRIP) steel involves special alloying and heat treatments to stabilize amounts of austentite at room temperature in normally austentite-free low-alloy ferritic steels. By applying strain to the metal, the austentite undergoes a phase transition to martensite without the addition of heat.[30] Maraging steel is alloyed with nickel and other elements, but unlike most steel contains almost no carbon at all. This creates a very strong but still malleable metal.[31] Twinning Induced Plasticity (TWIP) steel uses a specific type of strain to increase the effectiveness of work hardening on the alloy.[32] Eglin Steel uses a combination of over a dozen different elements in varying amounts to create a relatively low-cost metal for use in bunker buster weapons. Hadfield steel (after Sir Robert Hadfield) or manganese steel contains 12–14% manganese which when abraded forms an incredibly hard skin which resists wearing. Examples include tank tracks, bulldozer blade edges and cutting blades on the jaws of life.[33] A special class of high-strength alloy, the superalloys, retain their mechanical properties at extreme temperatures while minimizing creep. These are commonly used in applications such as jet engine blades where temperatures can reach levels at which most other alloys would become weak.[34]

Most of the more commonly used steel alloys are categorized into various grades by standards organizations. For example, the American Iron and Steel Institute has a series of grades defining many types of steel ranging from standard carbon steel to HSLA and stainless steel.[35] 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.[36]

Though not an alloy, galvanized steel is a commonly used variety of steel which has been hot-dipped or electroplated in zinc for protection against rust.[37]

[edit] Modern production methods

White-hot steel pouring out of an electric arc furnace.

White-hot steel pouring out of an electric arc furnace.

Blast furnaces have been used for two millennia to produce pig iron, a crucial step in the steel production process, from iron ore by combining fuel, charcoal, and air. Modern methods use coke instead of charcoal, which has proven to be a great deal more efficient and is credited with contributing to the British Industrial Revolution.[38] Once the iron is refined, converters are used to create steel from the iron. During the late 19th and early 20th century there were many widely used methods such as the Bessemer process and the Siemens-Martin process. However, basic oxygen steelmaking, in which pure oxygen is fed to the furnace to limit impurities, has generally replaced these older systems. Electric arc furnaces are a common method of reprocessing scrap metal to create new steel. They can also be used for converting pig iron to steel, but they use a great deal of electricity (about 440 kWh per metric ton), and are thus generally only economical when there is a plentiful supply of cheap electricity.[39]

[edit] Uses of steel

Iron and steel are used widely in the construction of roads, railways, infrastructure and buildings. Most large modern structures, such as stadiums and skyscrapers, are supported by a steel skeleton. Even those with a concrete structure will employ steel for reinforcing. In addition to widespread use, in electrical appliances and motor vehicles (despite growth in usage of aluminium, it is still the main material for car bodies), steel is used in a variety of other construction-related applications, such as bolts, nails, and screws.[40] Other common applications include shipbuilding, oil and gas pipelines, mining, aerospace, office furniture, steel wool, tools, and armour in the form of personal vests or vehicle armour (better known as rolled homogeneous armour in this role).

A piece of steel wool

A piece of steel wool

[edit] Historically

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.[18]

A carbon steel knife

A carbon steel knife

[edit] Since 1850

With the advent of faster and more efficient steel production methods, steel has been easier to obtain and much cheaper. It has replaced wrought iron for a multitude of purposes. However, the availability of plastics during the later 20th century allowed these materials to replace steel in many products due to their lower cost and weight.[41]

[edit] Long steel

A stainless steel sauce boat.

A stainless steel sauce boat.

[edit] Flat carbon steel

A steel pylon suspending overhead powerlines.

A steel pylon suspending overhead powerlines.

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Ŝtalo estas tre malmola metalo, alojo de fero kun malpli ol 1,8 % da karbono, jam forĝebla sen speciala traktado, kaj povanta per traktadoj meĥanikaj aŭ termikaj akiri diversajn ecojn. Dura ŝtalo entenas inter 0,6 kaj 0,7 % da karbono, maldura ŝtalo entenas inter 0,15 kaj 0,25 % da karbono.
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Para otros usos de este término véase Acero (desambiguación).
Puente fabricado en acero

Puente fabricado en acero

Comúnmente se entiende por acero la aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2% en peso[1] de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a diferencia de los aceros—, se moldean.

La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que éste último es el único aleante o los demás presentes lo están en cantidades muy pequeñas pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas que reciben denominaciones específicas en virtud ya sea de los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que amén de ser los primeros fabricados y los más empleados[2], sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».[3]

Por la variedad ya apuntada y por su disponibilidad —sus dos elementos primordiales abundan en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales[4]— los aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, habiendo contribuido al alto nivel de desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.[5] Sin embargo, en ciertos sectores, como la construcción aeronáutica, el acero apenas se usa debido a que es un material muy pesado. El acero es casi tres veces más pesado que el aluminio (7,85/2,7).

Historia [editar]

Histórico horno Bessemer

Histórico horno Bessemer

Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado, los primeros utensilios de este metal descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 adC. También se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro.

El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por el método de boomery —fundición de hierro y sus óxidos en una chimenea de piedra u otros materiales naturales resistentes al calor, y en el cual se sopla aire— para que su producto, una masa porosa de hierro (bloom) contuviese carbón. [6]

Algunos de los primeros aceros provienen del Este de África, fechados cerca de 1400 adC. [7]

En el siglo IV adC. armas como la falcata fueron producidas en la península Ibérica.

La China antigua bajo la dinastía Han, entre el 202 adC y el 220 dC, creó acero al derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón intermedio, el acero, en torno al siglo I adC.[8][9]

Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos de producción para la creación de acero wootz, una idea importada de India a China hacia el siglo V[10]

El acero wootz fue producido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 adC. Este temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por los monzones.[11]

También conocido como acero Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un filo. Originalmente fue creado de un número diferente de materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000 partes por millón o 0,1% de la composición de la roca. Era esencialmente una complicada aleación con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que en su estructura se incluían nanotubos de carbono, lo que quizá explique algunas de sus cualidades legendarias; aunque teniendo en cuenta la tecnología disponible en ese momento fueron probablemente producidos más por casualidad que por diseño.[12]

El acero crucible (Crucible steel) —basado en distintas técnicas de producir aleaciones de acero empleando calor lento y enfriando hierro puro y carbón— fue producido en Merv entre el siglo IX y el siglo X.

En China, bajo la dinastía Song del siglo XI, hay evidencia de la producción de acero empleando dos técnicas: una de un método "berganesco" que producía un acero de calidad inferior por no ser homogéneo, y un precursor del moderno método Bessemer el cual utilizaba una descarbonización a través de repetidos forjados bajo abruptos enfriamientos (cold blast).[13]

Grabado que muestra el trabajo en una fragua en la Edad Media.

Grabado que muestra el trabajo en una fragua en la Edad Media.

El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 adC, en Medzamor, cerca de Erevan, capital de Armenia y del monte Ararat.[14] La tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 adC.

Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.

Las características conferidas por la templabilidad no consta que fueran conocidas hasta la Edad Media, y hasta el año 1740 no se produjo lo que hoy día denominamos acero.

Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.[5]

Fue Benjamin Huntsman el que desarrolló un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono, obteniendo de esta forma el primer acero conocido.

En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo posible la fabricación de acero en grandes cantidades, pero su procedimiento ha caído en desuso, porque solo podía utilizar hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones.

En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero, que es el que ha perdurado hasta la actualidad, el procedimiento Martin Siemens, por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro. Siemens había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult —coinventor del método moderno para fundir aluminio— quien inició en 1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos.

El método de Héroult consiste en introducir en el horno chatarra de acero de composición conocida haciendo saltar un arco eléctrico entre la chatarra y unos grandes electrodos de carbono situados en el techo del horno.

Estructura de acero de la Torre Eiffel.

Estructura de acero de la Torre Eiffel.

En 1948 se inventa el proceso del oxígeno básico L-D. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz, Donawitz desarrolló el proceso del oxígeno básico o L-D.

En 1950 se inventa el proceso de colada continua que se utiliza cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de sección constante y en grandes cantidades. El proceso consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena.

En 2007 se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia[15].

El uso intensivo que tiene y ha tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la ciencia de materiales. Así, la Torre Eiffel, construida en París en 1889 es hoy día uno de los monumentos más visitados del mundo mientras el 7 de noviembre de 1940 el mundo asistió al colapso del puente Tacoma Narrows al entrar en resonancia con el viento. Ya durante los primeros años de la Revolución Industrial se produjeron roturas prematuras de ejes de ferrocarril que llevaron a William Rankine a postular la fatiga de materiales y durante la Segunda Guerra Mundial se produjeron algunos hundimientos imprevistos de los cargueros estadounidenses Liberty al fragilizarse el acero por el mero descenso de la temperatura,[16] problema inicialmente achacado a las soldaduras.

En muchas regiones del mundo, el acero es de gran importancia para la dinámica de la población, industria y comercio.

Características mecánicas y tecnológicas del acero [editar]

Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de una fuerza ejercida sobre una viga de acero.

Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de una fuerza ejercida sobre una viga de acero.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:

  • En función de la temperatura el acero se puede encoger, estirar o derretir.
  • El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 ºC, sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 ºC (2500 ºF). Por otra parte el acero rápido funde a 1650ºC[17]
  • Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
  • Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.
  • Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lamina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
  • La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el temple, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles (véase también endurecimiento del acero). Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
  • Se puede soldar con facilidad.
  • La corrosión es la mayor desventaja de los acero ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.
  • Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de[19] 3*106 S m-1. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.
  • Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán debido a que en su composición hay un alto porcentaje de cromo y níquel.
  • Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 • 10-5 (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta.El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado.[20] El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C) [editar]

Fases de la aleación de hierro-carbono

Austenita (hierro-ɣ. duro)
Ferrita (hierro-α. blando)
Cementita (carburo de hierro. Fe3C)
Perlita (88% ferrita, 12% cementita)
Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4.3% carbón)
Bainita
Martensita

Tipos de acero

Acero al carbono (0,03-2.1% C)
Acero corten (para intemperie)
Acero inoxidable (aleado con cromo)
Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)
Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)

Otras aleaciones Fe-C

Hierro dulce (prácticamente sin carbón)
Fundición (>2.1% C)
Fundición dúctil (grafito esferoidal)

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.

Microconstituyentes [editar]

El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:

  • Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de la aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.
  • Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
  • Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.

Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los instersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidas realmente por ferrita y cementita.

Transformación de la austenita [editar]

Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono. Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en abcisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).

Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono. Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en abcisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:

  • Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3[21]los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.
  • Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:

  • Aceros hipoeutectoides (<>3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
  • Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.

Otros microconstituyentes [editar]

Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:

  • La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros.
  • Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla.
  • También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.

Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.

Otros elementos en el acero [editar]

Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación [editar]

Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles[22]. [23]

  • Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruracion, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0.001 a 0.008%.
  • Boro: logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado.
Acería. Nótese la tonalidad del vertido.

Acería. Nótese la tonalidad del vertido.
  • Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros.Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
  • Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc.Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
  • Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata.
  • Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado liquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material.Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0.30 a 0.80%.
  • Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
  • Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.
  • Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un limite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para maquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno.El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
  • Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.
  • Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
  • Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero.
  • Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.
  • Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
  • Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.

Los porcentajes de cada uno de los aleantes que pueden configurar un tipo determinado de acero están normalizados.

Impurezas en el acero [editar]

Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.

  • Azufre: límite máximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material.
Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que hierro por lo que en lugar de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente 5 veces la concentración de S para que se produzca la reacción.
El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición menos porosa de mayor calidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.
  • Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado esteadita, el que es sumamente frágil y posee punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.

Normalización de las diferentes clases de acero [editar]

Imagen:Maulringschluessel.jpg
Llave de acero aleado para herramientas

Como existe una variedad muy grande de clases de acero diferentes que se pueden producir en función de los elementos aleantes que constituyan la aleaci&oac

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