Реферат : Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны
Введение
Технология металлов — наука, представляющая собой совокупность современных знаний о способах производства металлических материалов и средствах их физико-химической переработки в целях изготовления деталей и изделий различного назначения. Достоинством металлов и сплавов является то, что путем целенаправленного изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать различные конструкционные материалы с новыми свойствами, дающими возможность применения их во всех отраслях народного хозяйства. Несмотря на то, что с каждым годом появляется все больше полимеров и других химических материалов, металлы по-прежнему остаются основой технического прогресса.
При выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его состав, строение, механические, физико-химические свойства, а также учитывать условия эксплуатации, воздействие силовых и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин.
[sms]
Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Они не всегда экономичны, не всегда отвечают требуемым свойствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно несколько свойств, например твердость с пластичностью. Их электрические свойства зависят от изменения температуры, они имеют высокий коэффициент теплового расширения и т. д. Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами. Сплавы — кристаллические вещества, полученные соединением металлов с металлами или неметаллами. Например, чугун и сталь — это сплавы железа с углеродом. Составляющие части сплавов называются компонентами. Сплавы могут быть двух-, трех- и четырехкомпонентными.
Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производства чугуна и стали намного, более чем в 10 раз превосходит производство, всех других металлов, вместе взятых.
1. Чугун
1.1. Получение
Сырьем для плавки чугуна является железная руда. Это горная порода, содержащая железо в количестве, необходимом для переработки. Важнейшими железными рудами являются: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк и железистые кварциты. Наиболее богатые руды — это магнитный железняк, содержание железа в нем составляет 70 %, в красном железняке — до 65 %. Бурый железняк беднее железом, содержание его в руде составляет 25—50 %, в шпатовом железняке железа 35—37 %, и самая бедная железом руда — железистые кварциты.
Наша страна располагает богатейшими запасами железных руд — на Урале, Украине, в Сибири. Богатейшим месторождением руды является Курская магнитная аномалия (КМА), ее запасы превышают миллионы тонн богатых железом руд и триллионы тонн бедных железом кварцитов. Недавно введены в эксплуатацию руды Карельского месторождения.
В рудах кроме оксидов железа находится пустая порода — кремнезем, глина, сера, фосфор и другие примеси. Их частично нужно удалить еще до плавки. Поэтому руду подвергают предварительному обогащению с целью увеличить содержание в ней железа. Обогащение производят различными способами: промывкой, магнитным способом, обжигом. Эффективным способом подготовки и обогащения руд является агломерация, т. е. спекание мелких порошкообразных руд, рудной пыли и окалины с коксовой мелочью, а также окатышей, которые получают смешиванием рудной мелочи и пыли с небольшим количеством связующего вещества — флюса, главным образом глины. Окатыши нашли широкое применение при плавке стали бездоменным способом.
Продуктом, необходимым при плавке чугуна, являются флюсы, главным образом известняк СаСОз, они служат для окончательного удаления пустой породы из руды в процессе плавки в доменной печи.
Важный материал для получения чугуна — топливо. Топливом является кокс. Его получают из специальных коксующихся углей путем нагрева до температуры 1000° С без доступа воздуха. При этом удаляются смола и газы и остается пористый материал, почти целиком состоящий из углерода. В России и бывшем Советском Союзе угольные бассейны коксующихся углей — Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский. Кокс — дорогостоящее топливо, поэтому в целях уменьшения его расхода, который составляет 400 – 450 кг на 1 т чугуна, и для повышения производительности доменных печей используют природный газ. В нашей стране разработан способ вдувания в доменную печь угольной пыли. Это дает большой экономический эффект. Кроме указанных материалов при плавке чугуна вводят немного марганцевой руды. Чугун выплавляется в доменных печах [Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987].
1.2. Структура и свойства чугуна
Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.
Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.
Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т. е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.
На какие же свойства особенно сильно влияют графитные включения пластинчатой формы, играющие роль трещин, острых надрезов внутри металла?
При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины (тем не менее, разрушается чугун вязко, излом ямочный, но 1 очень мала), и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).
Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например, при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.
Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.
Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали.
Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере скругления графитных включений указанное отрицательное влияние графитных включений уменьшается.
Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются “трещинами” и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом — высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном с вермикулярным графитом между серым и ковким.
Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений [Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1979].
1.3. Маркировка и область применения чугуна
Согласно ГОСТ 4832-86, установлены следующие марки отливок из серого чугуна (СЧ): СЧ00, СЧ120, СЧ150, СЧ180, СЧ210, СЧ240, СЧ280, СЧ320, СЧ360, СЧ400, СЧ440 и др. Буквы СЧ обозначают серый чугун цифры, стоящие за буквами, показывают предел прочности изготовления чугуна (МПа). Чугун марки СЧОО не испытывают, так как его применяют для изготовления неответственных деталей. Группу чугунов марок СЧ120 – СЧ210 относят к чугунам невысокой прочности, используют для производства труб, фитингов, колец; твердость чугунов 143 – 231 НВ.
Чугуны марок СЧ240 – СЧ440 являются чугунами повышенной прочности, их твердость 170 – 260 НВ, предназначены для изготовления станин, штампов, маховиков. Наибольшей твердости и прочности чугуны марок СЧ550 – СЧ650; используют их для производства более ответственных изделий: шестерен, рам и др. [Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М., Высшая школа, 1980].
Легированные чугуны (ГОСТ 7769–82) содержат наряду с обычными примесями легирующие элементы (хром, никель, титан и др.), которые резко улучшают механические свойства, увеличивают сопротивление коррозии и заменяют стальное литье. Например, чугуны марок: ЧЮ6С5 применяют для изготовления жаростойких изделий в воздушной среде; ЧХ9Н5 — дробометов, ковшей пескометов; ЧХ18ДЗ — немагнитных деталей; ЧХ28 — коррозионно-стойких деталей и др.
Специальные чугуны или ферросплавы обладают повышенным содержанием кремния или марганца. К ним относят ферросилиций, ферромарганец и др. Эти чугуны применяют для раскисления стали, т. е. для изъятия из стали вредной примеси — кислорода.
Ковкие чугуны (КЧ) значительно пластичнее серых. Согласно ГОСТ 1215-79, установлены следующие марки ковких чугунов: КЧ 330-8, КЧ 370-12, КЧ 620-2 и др. Первое число показывает предел прочности на растяжение (МПа), второе — пластичность в процентах относительного удлинения.
Высокопрочные чугуны (ВЧ) отличаются высокими прочностью и пластичностью. Применяются для изготовления ответственных изделий, заменяют сталь. По ГОСТ 7293-85 их марки: ВЧ 450-5, ВЧ 600-2, ВЧ 1200-4 и др. Число при ВЧ обозначает то же, что и при КЧ. Высоко-прочный чугун получают введением в жидкий серый чугун магния или силикокальцня, способствующего превращению пластинчатого графита в сфероидальный. Высокопрочный чугун применяют для производства коленчатых валов, губчатых колес и подобных деталей, он часто заменяет сталь.
Синтетический чугун получают плавлением металлического лома в электрических печах путем науглероживания. Их него изготовляют отливки повышенного качества [Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1980].
2. Стали
2.1. Получение
Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90 % изготавливается углеродистой стали и 10 % легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь.
Сталь — важнейший материал, используемый в машиностроении. В отличие от чугуна она содержит меньше углерода и вредных примесей. Поэтому процесс получения стали состоит в удалении этих элементов. Основные способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.
Углеродистая сталь промышленного производства — сложный по химическому составу сплав. Кроме основы — железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0 – 99,5 %), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).
В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно — углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.
Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод.
Естественно, что эти сплавы (при С < 2 %) называются углеродистыми сталями [Бунин К. П. Железоуглеродистые сплавы. — М.: Машгиз, 1949].
2.2. Структура и свойства стали
С изменением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8 % С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8 % С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8 %, то структура стали состоит из феррита и перлита.
Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Приводимые механические свойства относятся к горячекатаным изделиям без термической обработки, т. е. при структуре перлит + феррит (или перлит + цементит). Цифры являются средними и могут колебаться в пределах ±10 % в зависимости от содержания примесей, условий охлаждения после прокатки и т. д. Если сталь применяют в виде отливок, то более грубая литая структура обладает худшими свойствами (понижаются главным образом показатели пластичности). Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т. е. при температурах выше порога хладноломкости).
Влияние постоянных примесей на свойства стали. Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в том или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали.
Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами: 0,8 % Мn; 0,5 % Si; 0,05 % Р; 0,05 % S.
При большем содержании этих элементов сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные стали).
Марганец. Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления.
FеО + Мп → МпО + Fе,
т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа, растворяется в феррите и цементите.
Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства. Но так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается не ощутимым.
Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции:
2FеО + Si → 2Fе + SiO2.
Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.
Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.
При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавленная в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02 – 0,04 %), а в электропечи менее 0,02 %. Уменьшить содержание до 0,01 % и меньше металлургическими приемами затруднительно, и достигается это использованием исходной высокочистой шихты (например, железо ПВ).
Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов — продукт горения топлива (SО2). В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электрической печи сера удаляется из стали.
Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02 – 0,03 %. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03 – 0,04 %.
Обработкой жидкого металла I синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005 %.
2.3. Маркировка и область применения стали
Углеродистую сталь классифицируют по назначению и качеству. По назначению она бывает конструкционной и инструментальной.
Конструкционной углеродистой называют сталь, содержащую не более 0,6 % углерода (в виде исключения — до 0,85 %). По качеству конструкционную углеродистую сталь делят на две группы: обыкновенного качества и качественную. Сталь обыкновенного качества предназначена для изготовления неответственных строительных конструкций, крепежных деталей, листов, труб, заклепок, рельсов, валов, фланцев, кулачков и т. д. Качественную конструкционную сталь используют для изготовления деталей, требующих высоких пластичности и сопротивления удару: зубчатых колес, винтов, деталей, подлежащих цементации, и т. д. В качественной стали меньше серы и фосфора, чем в обыкновенной. Конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества производят в соответствии с ГОСТ 380-71. Она выплавляется в кислородных конверторах и мартенах и делится на три группы: А, Б. В. Сталь группы А поставляется по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по химическому составу и механическим свойствам. Их механические свойства определяются пределом прочности и пластичности.
Инструментальная углеродистая сталь характеризуется содержанием углерода от 0,7 % и выше. Она отличается высокой твердостью, прочностью, предназначена для изготовления инструментов и штампов. По качеству эту сталь делят на качественную и высококачественную.
Марки согласно ГОСТ 1435-74 для качественной стали: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, V13; для высококачественной: У7А, У8А, У8ГА, У9А, У1 ОА, УНА, У12А1, У13А. Буква У обозначает инструментальную сталь, буква А — высококачественную сталь, цифры указывают среднее содержание углерода в десятые долях процента, буква Г — повышенное содержание марганца. Содержание серы в качественной стали 0,03 %, в высококачественной — 0,02 %, соответственно фосфора 0,35 и 0,03 %. Высококачественная сталь выплавляется в электрических печах, а качественная — в мартенах и кислородных конверторах. Твердость инструментальной закаленной стали 63НКСЭ.
Ниже приведена область применения инструментальной углеродистой стали различных марок.
У7, У7А — для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, слесарные и кузнечные молотки, штампы, клейма, масштабные линейки, по дереву, центры токарных станков и т. д.).
У8, У8А, У8Г, У8ГА — для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, кернеры, матрицы, пуансоны, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент), буры средней твердости.
У9, У9А — для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости (кернеры, штемпели, зубила по каменным породам и столярный инструмент).
У10, У10А — для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы-фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по каменным юродам, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники, гребенки).
У11, УНА, У12, У12А — для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу, метчики).
У13, У13А — для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников) [Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987].
Заключение
Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производства чугуна и стали намного, более чем в 10 раз превосходит производство, всех других металлов, вместе взятых.
Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Простые конструкционные стали состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07 – 0,5 %) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10 % других металлов, из них примерно 3 % составляет углерод, а остальные — кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.
Библиографический список
Бунин К. П. Железоуглеродистые сплавы. — М.: Машгиз, 1949.
Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987.
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1980.
Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1979.
Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М.: Высшая школа, 1980.
[/sms]
