Термическая обработка позволяет управлять и свойствами чугуна.
Таким образом, термическая обработка позволяет мобилизовать внутренние резервы прочности металла и, не изменяя его химического состава, менять в ту или иную сторону его свойства. Однако требования к металлическим изделиям со стороны промышленности настолько велики и многообразны, что обойтись только внутренними резервами нельзя. Приходится звать на помощь других членов обширной семьи химических элементов.
Не всегда нужно, оказывается, чтобы свойства стали были одинаковы по всему объему изделия. Например, колеса железнодорожных вагонов или шестеренки различных механизмов должны сочетать в себе два, казалось бы, противоположных качества — вязкость и твердость. Правда, твердой должна быть лишь поверхность таких изделий, самые внешние слои металла, которые как раз и подвергаются максимальной нагрузке и должны противостоять истиранию.
Такие изделия изготовляют из вязкой малоуглеродистой стали, а затем подвергают их поверхность цементации: нагревают готовую деталь в присутствии угля и окиси углерода при 900 градусах. В этих условиях углерод начинает проникать в металл, но происходит это лишь с поверхности. В результате слой металла толщиной в 0,5–2 миллиметра становится твердым при сохранении вязкости внутренних слоев металла.
При нагревании стального изделия до 500 градусов в присутствии аммиака поверхность насыщается азотом. При этом образуется нитрид железа Fe4N, вещество настолько твердое, что оно делает поверхность очень прочной, хотя толщина этой «брони» совсем невелика. Такой процесс называется азотированием.
Бериллиды железа, образующиеся при нагревании детали в порошке бериллия, не только повышают в 1,5–2 раза прочность стали, но и защищают ее от окисления при высоких температурах. При борировании стали ее прочность возрастает втрое.
Часто для улучшения свойств стали изделия покрывают тонким слоем другого металла. Делать это можно разными путями.
Так, хромировать сталь можно электролитическим путем. При этом толщина образующегося слоя хрома составляет всего 0,005 миллиметра, но этого уже достаточно, чтобы значительно увеличить стойкость изделия.
Никель можно нанести на сталь еще проще: для этого деталь погружают в нагретый раствор солей никеля. Железо, как более активный металл, вытесняет никель, который и осаждается на поверхности детали. Никелированные изделия хорошо работают при повышенных температурах.
Очень тонкие и прочные покрытия можно получить электроискровым методом. Стальное изделие присоединяют к источнику тока, к его поверхности приближают другой электрод, сделанный из металла, который хотят нанести на сталь. Вспыхивает разряд, и мельчайшие частицы металла-защитника начинают распыляться и оседать на поверхности обрабатываемой детали. Этим методом можно наносить на поверхность также углерод и твердые сплавы, причем в последнем случае прочность детали возрастает в десятки раз.
До сих пор речь шла о поверхности стальных изделий и улучшении ее свойств элементами — помощниками железа. Поистине неисчерпаемым арсеналом различных ценнейших свойств обладают многочисленные сплавы на основе железа. Их обычно приготовляют из ковкого железа, добавляя к нему в мартенах или электропечах другие элементы в строго рассчитанных количествах.
Для введения в сталь хрома, молибдена, вольфрама обычно добавляют в печь не сами эти элементы, а их сплавы с железом, так называемые ферросплавы. Феррохром, например, содержит 60 процентов хрома, ферромолибден — до 75 процентов Mo.
Сейчас влияние добавок в сталь тех или иных элементов достаточно хорошо изучено, поэтому часто можно заранее предвидеть, как повлияет на свойства стали та или иная присадка.
Так, добавка в сталь кремния увеличивает ее эластичность, а марганца — вязкость и сопротивление удару.
Сталь, содержащая вольфрам, приобретает необычайную прочность, сохраняющуюся при высоких температурах. А это очень важно, так как при высоких скоростях резания металла резец от трения раскаляется, и если он сделан из обычной стали, то теряет при этом свою твердость. Но для вольфрамовой стали, которую так и называют — «быстрорежущей», такое разогревание не страшно: она по-прежнему остается твердой. В состав такой стали, кроме вольфрама (18 процентов), входит хром (4 процента) и ванадий (1 процент).