Черные металлы как промышленный материал

Категория:
Промышленные материалы


Черные металлы как промышленный материал

К черным металлам относятся железо и его сплавы — чугун, ферросплавы, сталь.

Железо — пластичный металл (6 = 50%) светло-серого цвета. Будучи пластичным, железо обладает сравнительно высокой твердостью (10 МПа). Плотность 7,9 г/см3, температура плавления 1539 °С. Железо аллотропно, имеет а-, ^’-модификации. а-железо магнитно, имеет решетку объемно-центрированногб куба, при комнатной температуре растворяет углерод в тысячных долях процента. у-железо имеет кубическую гранецентрированную решетку, немагнитно, может растворять до 2% углерода. Железо характеризуется низкой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере, в кислых, щелочных и других средах.

Железо образует сплавы со многими металлами и неметаллами. Наиболее разнообразными свойствами обладают сплавы железа с углеродом, что обусловлено их структурой. К структурным составляющим железоуглеродистых сплавов, образующихся при медленном охлаждении, относятся феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит, при быстром — мартенсит, сорбит и др.

Феррит — твердый раствор углерода (до 0,02%) в а-железе. Так как а-железо растворяет при комнатной температуре углерод в тысячных долях процента, то свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Эта структура преобладает у тонколистовой и низкоуглеродистой сталей.

Аустенит — твердый раствор углерода (до 2%) и легирующих элементов в ужелезе. В бинарных железоуглеродистых сплавах аустенит существует только при температуре выше 723°С. Эту структуру у черных металлов получают при термической и химико-термической обработке.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (6,67%). Отличается высокой твердостью (80 МПа) и хрупкостью. Поэтому сплавы с преобладанием в них цементита трудно обрабатываются резанием.

Перлит — механическая смесь (эвтектоид) феррита с цементитом с содержанием 0,8% углерода. Это наиболее распространенная структурная составляющая сталей и чугунов.

Ледебурит — механическая смесь (эвтектика) аустенита с цементитом, содержащая 4,3% углерода.

Чугуном называется железоуглеродистый сплав, в котором углерода более 2%. На свойства чугуна большое влияние оказывает содержание в нем кремния (до 4,5%). При небольших концентрациях кремния (1,5—2%) углерод соединяется с железом, образуя цементит. При высоких концентрациях кремния (4—4,7%) углерод в чугуне находится в виде свободных включений графита. Кроме кремния в чугуне всегда присутствуют примеси марганца (1,5%), серы (0,08%) и фосфора (до 1,5%). Сера и фосфор снижают механические свойства и коррозионную стойкость чугуна.

Получаемые при доменном производстве из железных руд чу-гуны по назначению подразделяют на передельные, литейные и специального назначения.

Передельный чугун (белый) в изломе имеет белый цвет и це-ментитно-ледебуритную структуру, придающую ему специфический блеск и свойства. Он имеет высокую твердость и хрупкость. Этот чугун переплавляют в сталь. На его долю приходится свыше 80% всех выплавляемых в домнах чугунов. Марки передельных чугунов: Ml, М2, МЗ, Б2, Б4 и др.

Литейный чугун. На его долю приходится около 20% и он является основным материалом для получения отливок. Имеются следующие марки: ЛК00, ЛК0, ЛК1, ЛК2, ЛКЗ и ЛК4, где Л — литейный, К — коксовый. Лучшей маркой считается ЛК00, в этом чугуне содержится наибольшее количество кремния (4,0—4,5%), его называют также гематитовым чугуном.

Серый чугун. По структуре основы серые чугуны подразделяют на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные. Перлитные чугуны обладают высокими механическими свойствами. Серый чугун хорошо обрабатывается резанием. Вырабатывается он переплавкой литейного чугуна с добавлением белого, • а также чугунного ц стального лома. Это самый распространенный и дешевый вид чугуна. Он применяется для изготовления самых разнообразных изделий в различных областях народного хозяйства — в промышленности, строительстве, транспорте.

Модифицированный чугун представляет разновидность серого или ковкого. Он имеет более мелкие и равномерно расположенные пластинки графита; характеризуется более высокими механическими свойствами по сравнению с немодифицированными чугунами.

Ковкий чугун отличается более высокими механическими свойствами и меньшей хрупкостью, чем серый, что объясняется хлопьевидной формой графита. Ковкий чугун имеет марки КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10 и др., где К — ковкий, Ч — чугун, первые две цифры — временное сопротивление, последние — относительное удлинение.

Из ковких чугунов изготовляют изделия, работающие в условиях значительных напряжений, например детали автомобилей, тракторов, инструментов. Недостатком ковких чугунов является их более высокая стоимость по сравнению с серыми, что обусловлено длительной термической обработкой при их получении.

Высокопрочный чугун имеет включения графита шаровидной формы, что достигается легированием магнием, поэтому его иногда называют магниевым. Эти чугуны обладают более высокой прочностью, чем ковкие. Марки высокопрочных чугунов: ВЧ 50-1,5; ВЧ 60-2, ВЧ 45-5 и др., где ВЧ — высокопрочный чугун, первые две цифры — временное сопротивление, последние — относительное удлинение. Высокопрочные чугуны применяют для изготовления коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.

Специальные чугуны представляют собой разновидность легированных чугунов. К ним относятся антифрикционные, жаростойкие, износостойкие и др. Из специальных чугунов изготовляют поршневые кольца, седла клапанов двигателей внутреннего сгорания и другие детали.

Ферросплавы — это сплавы железа с кремнием, хромом, никелем, ниобием и другими металлами и неметаллами. Они соответственно и называются ферросилицием, феррохромом и т. д. Применяются они для легирования и раскисления стали. В отличие от чугунов ферросплавы могут поставляться как в отливках (чушках), так и в порошкообразном состоянии. Из ферросплавов наиболее распространен ферросилиций. Он имеет марки С90, ФС75ч, ФС45 и др., где ФС — ферросилиций, цифры — процентное содержание в сплаве кремния, ч — чушковый.

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом, содержащий не более 2% углерода. В сталях присутствуют те же примеси, что и в чугунах, но в меньших количествах — от сотых долей до 1%.‘Кремний повышает упругие свойства сплава, что является полезным для изготовления пружин, рессор и других пружинящих деталей. Марганец повышает износостойкость и вязкость стали. Сера и фосфор — вредные примеси: сера вызывает красноломкость стали при высоких температурах (800—1000 °С), а фосфор — хладноломкость при температуре —50°С и ниже. Но вместе с тем фосфор улучшает обработку резанием, поэтому в некоторые виды сталей его вводят до 1%. Содержание серы и фосфора строго регламентируется ГОСТом.

Стали характеризуются высокой прочностью на растяжение (от 3 до 30 МПа и более), пластичностью, вязкостью. Их относительное удлинение может колебаться от 1—2 до 30—40%, а ударная вязкость — от 0 до 15 Дж/см2. Стали отличаются упругостью, гибкостью, твердостью, хорошими технологическими свойствами. Они выпускаются как магнитными, так и немагнитными.

Стали классифицируют по назначению, химическому составу, способу получения, степени раскисления, качеству, структуре и некоторым другим признакам.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные стали содержат 0,08—0,85% углерода, хорошо обрабатываются давлением и резанием. Их применяют для изготовления различных конструкций, деталей машин, приборов и самых разнообразных изделий в строительстве, промышленности, связи, транспорте. Выпускаются они легированными и нелегированными.

Инструментальные стали содержат повышенное количество углерода (0,7—1,35%), отличаются высокой твердостью и износостойкостью. Из них изготовляют различные инструменты, иглы и целый ряд других изделий, от которых требуется высокая прочность, твердость, упругость.

К специальным сталям относятся нержавеющие, немагнитные, жаростойкие, износостойкие и другие стали с особыми свойствами; эти стали, как правило, высоколегированные. Так, нержавеющие стали содержат хром (не менее 12%) или хром и никель. Из них вырабатывают ответственные детали машин и приборов.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистыми называют стали, главной составной частью которых является углерод. В них также в небольших количествах содержатся марганец, кремний, сера и фосфор. Свойства углеродистых сталей зависят от содержания в них углерода: чем его больше, тем выше их прочность и твердость. Углеродистые стали по количеству содержащегося в них углерода делят на низко- (до 0,3%), средне- (0,3—0,6%) и высокоуглеродистые (0,7% и более). Низкоуглеродистые отличаются высокой пластичностью и тягучестью; средне- и высокоуглеродистые стали упрочняются термической обработкой.

Легированными называют стали, в состав которых помимо указанных компонентов введены одна или несколько специальных добавок: хром, никель, титан, вольфрам, ванадий и другие, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства.

По способу получения различают стали конвертерные, мартеновские и электростали.

Конвертерную сталь получают из расплавленного чугуна путем продувки воздухом или кислородом в конвертерах. При этом кислород реагирует с углеродом, кремнием, марганцем и другими примесями чугуна с выделением теплоты, поэтому подогрева не требуется. Время выплавки с момента заливки металла до его разливки в изложницы всего 20—30 мин. Эта сталь самая дешевая. Получение ее с заданным химическим составом является трудоемким процессом.

Мартеновскую сталь выплавляют в специальных печах (мартенах), представляющих собой печи ванного типа, в которые вводят топливо (газ, мазут). Эта сталь имеет определенный состав и высокое качество по сравнению с конвертерной.

Электросталь получают в печах, в которых разогрев и выплавка металла производится с помощью электрической энергии. Температура в печи достигает 2000°С, что позволяет получать высококачественные как углеродистые, так и легированные стали.

По степени раскисления стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление сталей производят с целью удаления кислорода, присутствующего в форме оксидов. Для этого в конце варки вводят специальные вещества (раскислители), способны, е соединяться с кислородом. В качестве раскислителей используют ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Спокойной называют сталь, в которую введены все три раскислителя, полуспокойной— два, кипящей — один, например, ферросилиций. Кипящие стали характеризуются высокой пластичностью, так как в них содержатся сотые доли процента марганца и кремния.

По качеству (содержанию серы и фосфора) углеродистые конструкционные стали подразделяют на три подгруппы — стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Инструментальные и специальные стали делятся на качественные и высококачественные. В высококачественных сталях допускается не более 0,02% серы и не более 0,025% фосфора; в качественных — до 0,04% каждого элемента; в сталях обыкновенного качества — до 0,08% серы и до 0,09% фосфора.

По методу прокатки стали делят на горячекатаные и холоднокатаные. Холоднокатаные стали имеют более равномерную толщину, более гладкую и ровную поверхность.

Стали маркируют по буквенно-цифровой системе. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества, в которых регламентируются механические свойства, имеют марки СтО, Ст1, Ст2, СтЗ и т. д. до Стб, где Ст — сталь, цифра номер марки с определенными механическими свойствами. Так, сталь марки Ст1 имеет ав = 3,5-=-4,0 МПа, а сталь марки Стб — 0В = 5,5-^6,0 МПа.

Стали конструкционные обыкновенного качества, в которых устанавливается химический состав, имеют марки БСтО, БСт1 и т. д. до БСтб. Стали, в которых устанавливаются механические свойства и химический состав, имеют марки от ВСт1 до ВСт5. В марках указывается также способ раскисления и содержание марганца. Так, сталь марки СтЗГпс — полуспокойная с повышенным содержанием марганца (1,0—1,5%).

Углеродистую конструкционную качественную сталь выпускают марок 08кп, 10, 20, 25, 30, 35, 40 и т. д., где цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Углеродистую инструментальную сталь производят марок У7, У7А, У8, У8А и т. д. до У13, где У — углеродистая, цифры — содержание углерода в десятых долях процента, А — сталь высококачественная.

Легированную сталь также маркируют по буквенно-цифровой системе. Например, сталь марки 18Х2Н4ВА содержит 0,18% углерода, 2% хрома, 4% никеля, десятые доли процента вольфрама.

Термическая обработка стали. Основная задача термообработки — изменение структуры и свойства сплава. Она состоит в нагреве стальных изделий до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью. Основные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг, нормализация, патентирование.

Закалку применяют для повышения твердости, прочности и упругости стали. Для закалки изделие нагревают до температуры на 30—40°С выше критической. Под критическими точками понимают температуру перехода аустенита в феррит или перлит (при охлаждении). При этой температуре (727—860°С) ферритная структура переходит в аустенитную. После закалки сталь имеет повышенную хрупкость. Для устранения этого закаленные изделия подвергают отпуску — нагреву до 180—200°С, а иногда и выше, с последующим охлаждением на воздухе.

Закалке и отпуску обычно подвергают инструменты, некоторые виды проволоки, крепежных изделий, полос, лент и др.

Отжиг производят для придания металлу высокой пластичности, устранения наклепа, полученного при холодной прокатке листовой стали, проволоки и т. д. Отжигаемые изделия нагревают в печи до температуры 850—950 °С и подвергают длительной выдержке при температуре нагрева. Затем очень медленно охлаждают (иногда вместе с печью). При этом образуются структуры, близкие к равновесному состоянию. Отжиг применяют для сортового и листового проката, кровельной стали, проволоки и других изделий.

Нормализация заключается в нагреве стали до температуры 850—950 °С, выдержке и охлаждении на воздухе. Нормализацию проводят для повышения прочности стальных изделий; ею заменяют закалку с высоким отпуском.

Патентирование применяется при производстве проволоки волочением. Оно состоит в нагреве стали до температуры 820— 860 °С с последующим охлаждением, длительной выдержкой при температуре 650—550 °С и охлаждением на воздухе. Патентирование повышает прочность и упругость проволоки.

При химико-термической обработке происходит насыщение поверхностных слоев стали различными элементами — углеродом, азотом, алюминием, хромом, бором, кремнием и др. При этом изделия нагревают до заданной температуры и выдерживают в среде этих элементов. Химико-термическая обработка применяется для придания поверхности стали высокой прочности, износостойкости и других специфических свойств при сохранении вязкой и пластичной внутренней ее части. Такие изделия выдерживают большие динамические нагрузки и хорошо сопротивляются износу. Наиболее распространенные виды химико-термической обработки — цементация, азотирование, цианирование.

Цементация — диффузионное насыщение поверхностного слоя (0,1—2,0 мм) стали углеродом (науглероживание) при нагревании до 930—950 °С. Цементации подвергают изделия из низкоуглеродистой стали. При этом на глубине 1—2 мм образуется слой с пер-литно-цементитной структурой, которая после закалки с отпуском переходит в мартенситно-трооститную структуру, что придает поверхностному слою износостойкость, высокую твердость и выносливость при изгибе и кручении.

Азотирование — диффузионное насыщение поверхностного слоя (0,2—0,8 мм) стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотируют изделия, предварительно закаленные и изготовленные в основном из легированных сталей. Процесс протекает в среде аммиака, который при температуре 500—750°С разлагается на азот и водород. Азот, диффундируя внутрь металла, образует с углеродом и легирующими добавками соединения, придающие металлу высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость.

Цианирование — одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом (из цианистых солей). Цианированием достигаются более высокие механические свойства, чем при цементации и азотировании. Ввиду токсичности цианистых солей оно применяется редко.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум