Практическая химия. Железо и его сплавы Сообщение на тему сплавы железа

Железо – это металл сероватого цвета, атомная масса которого равна 55,85, а атомный радиус – 0,127 нм. Температура плавления 1539 0 С. В твердом состоянии железо имеет кристаллическую решетку, для которой характерно два возможных состояния, называемых полиморфной модификацией и обозначаемых как α-Fe и γ-Fe. Существование этих модификаций зависит от температуры нагрева.

Для α-Fe характерна объемноцентрированная кубическая решетка, которая существует при температурах менее T≤910 0 C и в диапазоне T=1392÷1539 0 C. В диапазоне температур T=910÷1392 0 C железо существует в форме γ-Fe.

Углерод является неметаллическим элементом, который растворяется в железе как в жидком, так и твердом состояниях. Чаще всего система Fe-C существует в виде жидкого сплава или твердого раствора. Твердыми растворами называют такие фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую структуру, а атомы других компонентов присутствуют в решетке первого, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения и внедрения.

Твердый раствор углерода и других примесей в α-Fe называется ферритом . Углерод при этом располагается в центре грани куба, в котором может поместиться сфера радиусом, равным 0,29R , где R – атомный радиус железа.

Раствор углерода и других примесей в γ-Fe называют аустенитом . Атом углерода при этом размещается в центре куба со вписанной сферой радиусом 0,41R . Аустенит характеризуется высокой пластичностью и низкой прочностью.

Наиболее распространенными сплавами на основе железа являются сталь и чугун, которые представляют собой твердые растворы (сплавы) железа Fe с углеродом С. Если содержание углерода в растворе менее 2,14%, то такой сплав называется сталью, а если больше 2,14%, то чугуном. Граница разделения чугуна и стали соответствует предельной растворимости углерода в аустените. Стали после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. По этой причине стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.е. являются ковкими материалами. В отличие от сталей чугуны характеризуются хрупкостью, но обладают хорошими литейными свойствами, в том числе более низкими температурами плавления.

Стали

Стали – это деформируемые сплавы железа с углеродом (до 2,14% углерода) и другими элементами. Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали. С повышением содержания углерода повышается твердость и прочность, но уменьшается пластичность и ухудшается свариваемость стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.

В общем объеме продукции машиностроения, продукции из стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) и качественной (ГОСТ 1050-74), а также легированной (ГОСТ 4543-71) составляют почти 80%. Они дешевые и имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением.

Углеродистые стали являются наиболее распространенными. Их производство доходит до 80% от общего объема производства всех сталей.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных – не более 0,025%.

По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 – Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы – А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В – химический состав и механические свойства. Из углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) изготавливают неответственные корпусные детали, крепежные детали, фасонный прокат (двутавры, швеллера, уголки) и др.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Например, сталь Ст2кп – сталь группы А, кипящая; БСт3пс – сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп – сталь группы В, спокойная.

Углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.

Легированными называют стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. В качестве легирующих элементов, как правило, используются: хром (Cr), кремний (Si), никель (Ni), ванадий (W), алюминий (Al), марганец (Mg) и др. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре.

Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5%, называются низколегированными ; в том случае, если содержание легирующих элементов составляет 2,5...10% - это легированные стали, а если легирующих добавок больше 10%, то такие стали называют высоколегированными .

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), а для инструментальных и специальных сталей – в десятых долях. Далее обозначение состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание легирующего элемента в процентах. Цифры за буквой не ставятся при содержании легирующего элемента менее 1,5%. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Т – титан, С – кремний, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам и т.п. Например, нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля и до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого. В сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%.

Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали. Например, буква Ш – шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 – с содержанием хрома ≈ 1,5%), Э – электротехническая и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества по ГОСТу 380-94 с обозначением Ст предназначены для изготовления горячекатаного проката: сортового, фасонного, толсто- и тонколистового, широкополосного (холодного тонколистового), а также слитков, блюмсов, слябов, сутунки, катаной и литой заготовок, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов, малонагруженных деталей, металлоконструкций, всевозможных корпусных деталей и т.п.

Марки зарубежных углеродистых сталей обыкновенного качества и международного стандарта, соответствующих российским сталям марки СТ по механическим свойствам приведены в табл. 2. При этом содержание основных элементов (С, Si, Mn, P, S) лежат в предусмотренных интервалах.

При сопоставлении пределов прочности и текучести разброс составляет в пределах ±50 МПа.

Марки зарубежных аналогов углеродистой и низколегированной качественной конструкционной стали приведены для сравнения результатов исследования ученых различных стран мира (табл. 3 и 4).

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Механические свойства сталей можно характеризовать пределом прочности σ в и пределом текучести σ T , значения которых в сильной степени зависят от химического состава сталей и ее термообработки. Кроме того, для сталей характерно постоянные значения модуля упругости Е и коэффициента Пуассона μ, которые независимо от марки можно полагать равными соответственно E=2,1∙10 5 МПа, μ=0,3. С увеличением процентного содержания углерода повышаются характеристики прочности и снижается пластичность.

Коррозийно-стойкие стали обладают стойкостью против коррозии. Это большая группа высоколегированных сталей. В качестве легирующего элемента здесь используется хром (13...25%), иногда никель.

Материалы с высокими упругими свойствами (пружинные стали) – это углеродистые либо легированные стали, с большим содержанием углерода (0,5...1,1%).

Качество стали определяется содержанием вредных примесей, однородностью химического состава и структуры. Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, кислород, азот и водород. Неметаллические включения в виде оксидов и сульфидов существенно уменьшают пластичность, способствуют хрупкому разрушению. Крупные их частицы с размерами от 20 мкм и выше снижают прочность, контактную выносливость, являются опасными концентраторами напряжений и при знакопеременных нагрузках уменьшают сопротивление усталости деталей. Здесь вакуумирование стали снижает содержание газов, выравнивает химический состав, а электрошлаковый переплав сталей обеспечивает одинаковые механические характеристики вдоль и поперек направления прокатки.

С увеличением количества углерода возрастает доля цементита в структуре, что затрудняет перемещение дислокации и, соответственно, развитие сдвиговых процессов. В результате повышается прочность, но снижается пластичность.

У низколегированной стали с содержанием углерода до 0,2% после закалки и отпуска происходит упрочнение, а также уменьшается чувствительность к концентраторам напряжений.

Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением обладают высокой прочностью, вязкостью и хладостойкостью.

Резервом повышения качества стали является производство их металлизированных окатышей, отличающихся чистотой от вредных примесей. Для улучшения обрабатываемости резанием, в стали дополнительно вводят селен, свинец, кальций и теллур.

Прогрессивными методами винтовой и поперечной, продольно-винтовой, холодной прокатки изготовляются детали в виде тел вращения: роторы компрессоров, шнеки мясорезательных машин, кольца и шарики подшипников, зубчатые колёса с накаткой зубьев, сверла, винты, звездочки цепной передачи, ступенчатые валы, втулки и заготовки других деталей. При этом наружные слои приобретают волокнистую структуру, ориентированную по профилю зуба, твёрдость повышается в 1,4 - 1,5 раза, прочность увеличивается до 25%, а усталостная выносливость повышается до 2,2 раза. Это намного эффективнее, чем точение и фрезерование круглой заготовки.

Разработаны процессы и оборудование для полугорячей и холодной объёмной штамповки, выдавливания, позволяющие получать точную заготовку. При этом направления волокон совпадают с направлениями нормальных напряжений.

Таблица 5. Область применения углеродистых сталей обыкновенного качества

Низкоуглеродистые стали Сталь 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 15Г, 20Г, 25Г (ГОСТ 1050-74) применяются для изготовления шайб, заклепок, крышек, болтов, фланцев, вилок, муфт, втулок, косынок, штуцера теплообменных аппаратов. После цементации и цианирования применяют для изготовления втулок, осей звеньев цепи, болтов, гаек, винтов, шестерен, червяков, шпинделей, звездочек и других деталей с высокой твердостью и износостойкостью поверхностей.

Износостойкие цементируемые стали 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХФ, 18ХГ, 20ХН, 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 14Х2Н3МА, 20ХН2М, 15Н2М, 20Н2М (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления червячных, шлицевых и распределительных валов, зубчатых колес, втулок, шпилек, осей, вал-шестерен, валов редукторов.

Углеродистые стали 5пс и 5сп (ГОСТ 380-88) применяются для изготовления болтов и гаек.

Стали с добавками титана 18ХГТ, 25ХГМ, 25ХГТ, 30ХГТ, 15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТА, 15Х2ГН2ТРА, 20ХГНТР, 25Х2ГНТА (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления зубчатых колес коробок передач, червячных валов, зубчатых венцов, осей, тяжелонагруженных зубчатых колес, трансмиссий транспортных машин. После азотирования – ходовых валиков и винтов станков и др. деталей, от которых требуется минимальная деформация.

Стали с микродобавками бора 20ХГР, 27ХГР, 20ХНР, 20ХГНР (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления зубчатых колес, кулачковых муфт, вал-шестерен, червяков, пальцев, валиков, втулок.

Углеродистые и легированные стали 30, 35, 30Г, 35Г, 40, 45, 40Г, 45Г, 50Г, 50, 55, 40Г2, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 30ХРА, 33ХС, 38ХС, 40ХС, 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГС, 30ХГСА,35ХГСА (ГОСТ 1050-74) и 30ХН2МА, 38Х2Н2МА (ГОСТ 4543-71) с различной термической и химико-термической обработкой применяются для изготовления осей, валиков, винтов, штифтов, упоров, колец, шайб, втулок, тяг, траверс, шатунов, валов, шпинделей, вилок переключения передач, маховиков, гаек, болтов, зубчатых венцов, зубчатых колес, шпонок, храповиков, фрикционных дисков, плунжеров, муфт, зубчатых реек, шлицевых и шестеренных валов, анкерных болтов, муфт сцепления коробок скоростей, полуосей, деталей сварных соединений, ответственных деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам. После закалки с отпуском – тяг, траверс, рычагов, цилиндров прессов, крепежных деталей, валов, шпинделей высокой прочности

Высокопрочные стали 38ХН3МФА, 30ХН2МФА, 38ХН3МА, 34ХН1М, 34ХН1МА, 34ХН3М, 34ХН3МА, 35ХН1М2ФА (ГОСТ 4543-71) применяются для изготовления деталей редукторов, болтов, шпилек, валов, осей, зубчатых колес, муфт, особо ответственных деталей компрессорных машин, роторов, полумуфт и др. особо ответственных тяжелонагруженных деталей.

Конструкционные углеродистые литейные стали 25Л, 30Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л, 35ГЛ, 30ГСЛ, 40ХЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ (ГОСТ 977-75) применяются для изготовления станин прокатных станов, шкивов, траверс, корпусов подшипников, зубчатых колес, корпусов редукторов, кронштейнов, балок, маховиков, тормозных дисков, шестерен, кожухов, вилок, звездочек, вилок компрессора, деталей лебедки, стяжных колец плавающих головок подогревателей и теплообменников, муфт подъемно-транспортных машин, ходовых колес, валиков крупно-, средне- и мелкосортных станов для прокатки мягкого металла, дисков, зубчатых венцов, крестовин, ступиц, валов, кулачковых муфт, цапф, щек дробилок, рычагов, ходовых колес, толкателей, осей и др. деталей общего машиностроения.

Высоколегированные коррозионно-стойкие литейные стали 20Х13Л, 15Х13Л, 09Х16Н4БЛ, 09Х17Н3СЛ, 40Х24Н12СЛ, 10Х18Н11БЛ, 12Х18Н12М3ТЛ, 15Х23Н18Л, 35Х18Н24С2Л (ГОСТ2176-77) применяются для изготовления лопаток компрессоров, шнеков, крепежных деталей, деталей, подвергающихся действию слабых агрессивных сред (влажный пар, водные растворы солей органических кислот), деталей повышенной прочности для пищевой промышленности.

Коррозионно-стойкие стали 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 12Х17, 15Х17АГ14, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х25Т, 15Х28, 08Х22Н6Т, 08Х18Г8Н2Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т, 03Х17Н14М3, 03Х16Н15М3, 03Х16Н15М3Б, 08Х17Н13М2Т, 11Х11Н2В2МФ, 16Х11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ, 31Х9Н9МВБ (ГОСТ 5632-72) применяются для изготовления режущих инструментов, дисков, валов, втулок, оборудования заводов пищевой промышленности, консервных заводов, мясо - молочной промышленности, труб теплообменной аппаратуры, деталей компрессорных машин.

Жаростойкие стали 08Х18Н10, 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 40Х9С2, 12Х17, 08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х18СЮ, 15Х25Т, 15Х28 (ГОСТ 5632-72) применяются для изготовления теплообменников, адсорбционных башен.

Азотируемая сталь 38Х2МЮА (ГОСТ 4543-71) применяется для изготовления втулок, зубчатых колес.

Улучшаемые стали 40, 50 (ГОСТ 8479-70) применяются для изготовления тяг, серьг, крюков, траверс, осей, муфт, звездочек, цилиндров, рычагов.

Низколегированная сталь 14Г2АФ (ГОСТ 19282-73) применяются для изготовления подкрановых ферм для мостовых кранов.

Таблица 6. Физико-механические характеристики

Термин «железоуглеродистые сплавы» применяют для обозначения большой группы металлических сплавов, основой которых является железо — сталей. Несмотря на разработку в последние десятилетие новых выдающихся материалов, сплавы железа до сих пор являются наиболее важными и широко применяемыми металлическими материалами, которые применяют в промышленной практике. Их количество во всем мире, раз в десять превышают количество всех других металлических материалов вместе взятых.

Железоуглеродистые сплавы – стали

Популярность сталей можно объяснить несколькими факторами:
1) Руды, из которых производится железо, относятся к наиболее доступным минералам, которые находят в земной коре. Около 4,2 % земной коры составляют различные железные руды. Из этих руд железо можно извлекать относительно простыми и дешевыми методами по сравнению с другими металлами.
2) Точка плавления чистого железа составляет 1536 °С. Ниже этой температуры железо существует в виде различных модификаций – альфа-железа, гамма-железа и дельта-железа – в различных температурных интервалах. Поэтому существует много различных термических процессов – и при не слишком высоких температурах – которые дают возможность выгодно модифицировать свойства сплавов железа в очень широком диапазоне.
3) Ниже температуры 769 °С – точки Кюри – железо становится ферромагнитным, что делает возможным применение стали во многочисленных электротехнических приложениях.

Легирующие элементы как примеси

Сплавы железа, кроме самого железа – основного или базового металла – всегда содержат углерод, который является для них основным легирующим элементом. Стали обычно также содержат в небольших количествах и другие элементы. В ходе процесса производства чугуна и стали все стали неизбежно получают некоторое содержание марганца, кремния, серы и фосфора. Эти элементы входят металл, как примеси из исходного сырья или продуктов сгорания. В некоторых случаях эти элементы добавляют к исходному сырью намеренно для получения специальных свойств сплава.

Поэтому можно сделать вывод, что сплавы железа являются многокомпонентными металлическими сплавами. Однако, пока количества перечисленных элементов не превысят неизбежные уровни содержания, связанные с производством чугуна и стали (0,05-0,4 % кремния – 0,15-0,7 % магния – 0,035 % серы и фосфора), они не оказывают существенного влияния на равновесную фазовую диаграмму двухкомпонентного сплава системы железо-углерод. Поэтому для обыкновенных, нелегированных сплавов железа считают справедливой двухкомпонентную, то есть бинарную, равновесную фазовую диаграмму железо-углерод.

Модификации железа — рычаг термической обработки

Температура плавления чистого железа составляет 1536 °С. В твердом состоянии чистое железо обладает тремя аллотропическим модификациями, а именно:
— дельта-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 1392 до 1536 °С;
— гамма-железо – гранецентрированная кубическая кристаллическая структура в интервале от 911 до 1392 °С;
— альфа-железо – объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура при температуре до 911 °С.

Среди всех аллотропических превращений самую важную роль играет превращения альфа → гамма и гамма → альфа. Именно эти превращения дают теоретическую базу для большинства процессов термической обработки.

Железо образует твердые растворы со многими неметаллическими элементами. Оно образует растворы замещения с хромом, никелем, кобальтом и ванадием, тогда как с углеродом образует очень важный раствор внедрения.

Углерод и железо

Растворимость углерода в альфа-железе – феррите – очень незначительная – при комнатной температуре только 0,006 %. В гамма-железе – аустените – растворимость железа на несколько порядков выше – 2,06 % при температуре 1147 °С.

Железо образует с углеродом не только твердые растворы, но металлические соединения. Заместительным соединением железа и углерода является карбид железа – цементит – Fe 3 C. Основным свойством карбида железа является его высокая твердость (твердость по Викерсу около 900) и высокая хрупкость. Карбид железа практически не поддается никакой деформации. Температура плавления карбида железа – 1250 °С. Карбид железа не может считаться равновесной фазой. При определенных условиях он распадается на свои компоненты – железо и углерод. Этот углерод – графит – является уже равновесной фазой.

Содержание статьи

МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ, железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом, называемых сталями, изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. Легковые, грузовые автомобили, станки, железные дороги, корпуса и силовые установки судов – все это делается в основном из стали. Масштаб производства стали является одной из основных характеристик общего технико-экономического уровня развития государства. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции.

когда температура опускающейся смеси руды с коксом достигает 600–700° С. В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).

Если бы доменную печь можно было загружать чистыми оксидом железа и углеродом и продувать чистым кислородом, то термохимия доменной печи сводилась бы к написанным выше простым уравнениям. На самом же деле во вдуваемом воздухе больше азота, чем кислорода, а руда может содержать свыше 50% безрудных минералов (пустой породы), в основном силикатов. Азот проходит через печь, не вступая в реакцию, но с силикатами дело сложнее. Чтобы можно было отделить силикаты от железа и вывести из печи, они должны быть жидкими. Силикаты, содержащиеся в железной руде, образуют расплавленный шлак при взаимодействии с известью CaO. Для этого в печь вместе с рудой загружают в нужной пропорции известняк CaCO 3 . Известняк, или «флюс», разлагается в верхней части печи соответственно реакции

образуя известь, необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак. Доменная печь дает почти столько же шлака, сколько и чугуна. Затвердевая, шлак превращается в темный стекловидный материал, который в прошлом накапливался в больших шлаковых отвалах возле передельных металлургических заводов. В наши дни шлак идет на изготовление заполнителя для бетона, железнодорожного балласта, шлаковаты и противоюзового покрытия автомобильных дорог.

Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Она должна обеспечивать непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху, непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов снизу. Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекать необходимые химические реакции. Воздух вдувается в печь через фурмы, расположенные в ее нижней части, и поднимается сквозь шихту вверх. Восстановленное губчатое железо и шлак плавятся на уровне «заплечиков», в самой широкой части печи, а жидкость накапливается в горне, ниже фурм. В горне периодически пробивают заделанные глиной летку для выпуска металла и (несколько выше) шлаковую летку.

Восстановление оксида железа до губчатого железа и разложение известнякового флюса происходят в шахте – основной части доменной печи – в процессе медленного оседания шихты. Шихта начинает разогреваться в колошнике – верхнем конце шахты. Диоксид углерода и азот непрерывно отводятся по широкому газоходу из колошника. Поскольку при нормальной работе доменной печи давление газов в колошнике выше атмосферного, верхний конец печи нельзя просто открывать для загрузки, иначе упадет давление газов и из печи будут выдуваться наружу тонкоизмельченные компоненты шихты. Для предотвращения этого предусмотрен двухконусный шлюзовой засыпной аппарат. Нижний конус поднимают так, чтобы он газоплотно закрывал загрузочное отверстие, а затем опускают верхний для загрузки. После этого снова поднимают верхний конус, герметизируя вход в печь, и, опустив нижний, пропускают порцию шихты (колошу) в колошник.

Современная доменная печь представляет собой крупное сооружение. Высота печи, производящей 1000 т чугуна в сутки, составляет около 30 м, а диаметр на уровне заплечиков – ок. 8 м. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором в стальном кожухе выводится кладка из огнеупорного кирпича. Нижняя часть этой конструкции охлаждается водой.

Сколь ни внушительны размеры доменной печи, сама она – лишь малая часть чугуноплавильного завода. Для ее нормальной работы нужны еще отделение шихтовых материалов, грузоподъемные устройства для загрузки печи, насосы для подачи воздуха (дутья) и воздухонагреватели (кауперы), шлаковозы и литейный цех или приемная система для расплавленного металла. Для загрузки доменных печей иногда применяются ленточные конвейеры, но чаще руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приемную воронку засыпного аппарата.

Эффективность доменной печи существенно повышается при использовании горячего дутья. Воздух, подводимый к фурмам, предварительно нагревается до температуры, которая может достигать 1000° C. Нагревание осуществляется в кауперах, каждый из которых ненамного уступает в размерах самой доменной печи. Каупер представляет собой вертикальный цилиндрический стальной кожух с внутренней «шахматной» насадкой из огнеупорного кирпича.

Газ, отводимый с верхнего конца доменной печи, содержит моноксид углерода и другие газы, способные гореть. Этот газ по широким наклонным газоходам подводится к нижней части каупера, где, пройдя через пылевой фильтр, сжигается в камере горения. Продукты горения поднимаются вверх, нагревая кирпичную насадку. Когда насадка достаточно нагрета, перекрывают подачу топлива и газа в камеру горения и включают воздуходувки, которые гонят воздух через каупер в фурмы доменной печи. Для каждой доменной печи обычно предусматривают четыре каупера: два нагреваются, а два других подают горячее дутье. Потоки газа и воздуха периодически переключаются так, что непрерывно поддерживается заданная температура дутья.

Существует ряд способов дополнительного повышения эффективности доменной печи. Один из них – работа при давлении внутренних газов, вдвое превышающем атмосферное. Это позволяет повысить производительность примерно на 15% и снизить потребление кокса примерно на 10%. Экономические преимущества повышения производительности в какой-то мере снижаются затратами на более мощное воздуходувное оборудование и возможным уменьшением срока службы огнеупорной кладки.

При выпуске плавки из доменной печи шлак вытекает из своей летки, а металл – из своей, расположенной ниже. Ранее шлак заливали в шлаковозы – большие ковши на железнодорожных колесных тележках, которые доставляли незатвердевший шлак к отвалам. Теперь же шлак обычно отводят на перерабатывающую установку, расположенную рядом с домной, где он охлаждается водой и при этом гранулируется, после чего используется как заполнитель для бетона и пр.

Жидкий металл, вытекающий из летки, направлялся по желобам, подготовленным в песочной «постели» перед печью. Из желобов он растекался по удлиненным боковым углублениям в песке, где и затвердевал в виде болванок, называемых чушками (из-за сходства с многочисленными поросятами, сосущими свиноматку). Хотя литье в песок более не применяется, металл, выплавляемый в доменных печах, по-прежнему называют чушковым (применяется и термин «штыковой» чугун). В наши дни в тех случаях, когда требуется чушковый чугун, расплавленный металл разливают по стальным литейным формам, непрерывно движущимся перед домной на ленточном конвейере. Когда металл затвердевает, формы переворачиваются и, освободившись от чушки, возвращаются за следующей отливкой. Чтобы чугун не приставал к формам, их покрывают каменноугольной смолой или известью.

Чугун.

Выплавляемый в доменной печи сплав железа с углеродом и кремнием имеет температуру плавления ок. 1150° C. В расплавленном состоянии чугун легко заполняет литейные формы любой конфигурации. Поэтому он очень подходит для изготовления многих видов изделий.

Основные средства производства на чугунолитейном заводе – это плавильная печь, модели изделий и формовочные материалы. Из плавильных печей проще всего вагранка, т.е. небольшая печь шахтного типа, футерованная огнеупорным кирпичом. В ее нижней части имеются фурмы, а в верхней – дымоход для отходящих газов. Через боковое отверстие загружают топливо и чугун, печь разжигают и включают дутье. Расплавленный чугун собирается на подовой плите и по мере надобности выпускается через летку. На более крупных чугунолитейных заводах чугун плавят в отражательных печах.

Для получения отливок хорошего качества нет необходимости в очень сложном оборудовании. Первый шаг – изготовление модели изделия. Модель изготовляет из дерева опытный мастер-модельщик, давая припуск на усадку чугуна при затвердевании. Литейные формы для чугунных отливок делают из формовочной смеси (глины с песком), липкой, но пористой. Модель помещают внутрь разъемной рамы, состоящей из «опок», и заполняют опоки формовочной смесью. Затем опоки разнимают и удаляют модель. Когда их снова складывают вместе, в формовочной смеси образуется полость литейной формы, точно соответствующая модели. Остается проделать литниковые отверстия и каналы, по которым жидкий чугун мог бы затечь в полость формы.

После высыхания форма готова к заливке. Если заливка проходит хорошо, то жидкий чугун заполняет все пустоты формы, не оставляя воздушных пузырей. Когда чугун затвердевает, отливку «раздевают», разбивая форму. Во многих случаях для «доводки» изделия бывает достаточно сгладить шлифованием неровные края отливки.

Чушковый чугун, чаще всего применяемый для литья, называют серым чугуном, поскольку серой, даже сажистой, выглядит его поверхность на изломе. Такой ее вид объясняется большим содержанием углерода (около 4%), присутствующего в железе в форме чешуек графита. Серый чугун жидкотекуч, имеет низкую температуру плавления и к тому же хорошо поглощает энергию вибрации – чугунный колокол не звенит. Благодаря этому чугун подходит для изготовления рояльных рам, станин прокатных станов, токарных, фрезерных и других станков. Очень распространенное изделие из серого чугуна – блок цилиндров автомобильного двигателя; чугун для этого применения хорош тем, что дешев и легко заливается в формы сложной конфигурации.

Хотя серый чугун и прочен, он хрупок и легко разрушается при резком ударе. Поэтому вместо него чаще применяют ковкий чугун. Отливки из ковкого чугуна получают в два этапа. Сначала делается отливка из белого чугуна со сравнительно низким содержанием углерода и кремния. Такой чугун очень хрупок, но после высокотемпературного отжига в течение суток его пластичность намного увеличивается. Увеличение пластичности обусловлено перераспределением углерода в металле, происходящим при отжиге. В белом чугуне углерод содержится в форме карбида железа Fe 3 C. В процессе отжига карбид разлагается на железо и графит. Этот графит имеет вид малых сферических включений, которые, будучи отделены друг от друга, почти не снижают пластичность окружающей их железной матрицы. Из ковкого чугуна изготовляют трубопроводные фитинги и железнодорожное оборудование.

СТАЛЬ

Первоначально доменные печи строили в основном для выплавки литейного чугуна. Позднее были найдены способы переработки чугуна в сварочное железо, и металл доменной печи стал исходным материалом для такого железа. После разработки широкомасштабного и недорогостоящего производства стали на основе бессемеровского процесса и процесса Сименса стала экономически целесообразной переработка чугуна, выплавляемого в доменных печах, в сталь. В настоящее время почти весь чугун доменных печей идет на такой передел. Сталь – это особенно ценный конструкционный материал, которому можно придавать практически любую форму прокаткой, штампованием и прессованием, литьем или обработкой резанием. Путем легирования и термообработки можно получать стали с самыми разнообразными физическими и химическими свойствами. Так, например, одни стали настолько мягки, что их можно обрабатывать простым ручным слесарным инструментом, а другие столь тверды, что позволяют резать стекло.

ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

При переделе в сталь чугуна, выплавленного в доменной печи, из него окислением удаляют почти весь углерод и весь кремний. Могут добавляться в качестве легирующих элементов марганец, никель или хром. В настоящее время основным способом переработки чугуна, выплавляемого в доменной печи, стал кислородно-конвертерный процесс, хотя кое-где еще применяется мартеновский процесс.

Важной особенностью производства стали является относительная легкость ее повторного использования. И кислородный конвертер, и мартеновская печь могут работать с большим процентом стального металлолома (скрапа), а электропечь – и на одном скрапе. Это приобретает особенно важное значение в наши дни, когда обострилась проблема удаления отходов.

Стоимость повторного использования в значительной мере зависит от качества металлолома. Металлолом, содержащий олово или медь, нежелателен в производстве стали, поскольку эти трудноудаляемые металлы ухудшают механические свойства стали. Наибольшую ценность представляет крупный металлолом, происхождение которого известно. Некоторые количества такого скрапа поступают с металлообрабатывающих заводов, а еще больше – после разборки устаревшего заводского и железнодорожного оборудования и разделки на металлолом морских и речных судов. Скрап в виде отработавших свой срок автомобилей и емкостей для продуктов питания менее ценен, так как он наверняка содержит медь и олово.

Легирующие элементы обычно добавляют в сталь в виде ферросплавов. Ферросплавы содержат значительные количества железа, которое служит носителем легирующих элементов. К наиболее важным ферросплавам относятся ферромарганец (такой, как шпигель, или зеркальный чугун), необходимый для всех сталей; ферросилиций, применяемый для получения сталей со специальными магнитными свойствами и для раскисления сталей, выплавляемых в электропечах; феррохром и феррованадий. Никель добавляется в виде беспримесного металла.

Конвертерный процесс.

В первой половине 20 в. первоначальный бессемеровский процесс постепенно утратил свое прежнее значение. Дело в том, что тепла, выделяющегося в бессемеровском конвертере, недостаточно для расплавления металлолома – более дешевого сырья, нежели горячий металл из доменной печи. Быстрое протекание плавки в бессемеровском конвертере не давало возможности провести анализы стали и скорректировать ее состав в соответствии со спецификациями. Мартеновский же процесс допускает значительный процент металлолома в загрузке печи, и реакции в нем протекают достаточно медленно, чтобы можно было успеть выполнить анализ в процессе плавки и провести коррекцию состава до выпуска металла.

Но в 1950-х годах конвертерный процесс производства стали снова вернулся к жизни и в течение следующих 35 лет полностью вытеснил мартеновский процесс, поскольку была разработана технология получения дешевого чистого кислорода, позволившая перейти с воздушного на кислородное дутье в конвертере. По этой технологии кислород в количествах, измеряемых тоннами, производят дробной (фракционной) перегонкой жидкого воздуха; для производства стали требуется кислород с чистотой 99,5%.

Воздух – это на 80% азот, а азот – это инертный газ, не участвующий в реакциях конвертерной выплавки стали. Таким образом, в бессемеровском конвертере через расплавленный металл продувается большое количество бесполезного газа. Но этого мало – часть азота растворяется в стали. Последующее выделение растворенного азота в форме нитридов может приводить к ее последеформационному старению – постепенному уменьшению пластичности, которое приводит к трудностям при обработке давлением. Такого рода трудности отпадают, если металл в конвертере продувать не воздухом, а чистым кислородом. Но простой переход с воздуха на кислород в бессемеровском конвертере недопустим, так как из-за сильного разогрева фурм конвертер быстро выйдет из строя. Эта проблема была решена так: кислородное дутье подводится к поверхности расплавленного чугуна по трубе с водяным охлаждением. В 1952 35-тонный конвертер такого типа был успешно запущен в австрийском городе Линце на заводе фирмы VOEST. Такая технология, названная процессом ЛД (аббревиатура от Линца и Р.Дюррера, инженера фирмы), позднее была развита в кислородно-конвертерный процесс. Быстрая реакция окисления в конвертерной шихте, характеризующейся малым отношением площади поверхности к объему, сводит к минимуму потери тепла и позволяет вводить в шихту до 40% металлолома. Кислородный конвертер может каждые 45 мин выдавать 200 т стали, что в 4 раза превышает производительность мартеновской печи.

Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку.

Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO 2 , а кремний – до диоксида SiO 2 . По «течке» (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

Кроме кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой, существует кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера. Фурмы в днище конвертера защищаются одновременной продувкой природного газа. Такой процесс быстрее протекает, он более производителен, чем процесс с верхней продувкой, но менее эффективен в отношении расплавления металлолома. Однако нижнюю продувку можно сочетать с верхней.

Мартеновская печь.

Как уже упоминалось, мартеновская выплавка стали еще применяется в ряде стран, хотя и постепенно заменяется кислородно-конвертерным процессом. Мартеновская печь обычно вмещает 500 т стали. Она имеет широкий неглубокий под и низкий арочный свод, отражающий тепло в сторону пода. Газ и воздух вводятся с одного конца и сгорают над подом. Чем ниже содержание углерода, тем выше температура плавления. Для достижения температуры, при которой плавится сталь с минимальным содержанием углерода, применяют принцип регенерации тепла. На обоих концах печи имеются регенерационные камеры с такой же кирпичной насадкой, как и в кауперах доменной печи. Продукты сгорания пропускаются через одну из этих камер. Когда футеровка достаточно нагрета, направление потоков через печь меняется на обратное. Поступающие воздух и газ воспринимают тепло от кирпичей насадки, а отходящие газы нагревают вторую камеру. Таким образом достигается экономия топлива и повышается рабочая температура.

Мартеновская печь – крупное сооружение, и процесс выплавки стали занимает довольно много времени. На загрузку печи рудой, металлоломом и чугуном уходит ок. 5 ч, на расплавление – 4 ч и на рафинирование и корректировку окончательного состава стали – еще 3–4 ч. Чугун и металлолом могут загружаться в разных пропорциях в зависимости от потребности и экономических соображений.

Термохимический процесс плавки стали в мартеновской печи сложен. Как уже упоминалось, главными примесями чушкового чугуна являются кремний Si, углерод C, сера S и фосфор P.

Кремний реагирует с железной рудой [оксидом железа (III) Fe 2 O 3 ], давая в результате диоксид кремния SiO 2 и железо:

Углерод выгорает, образуя моноксид углерода CO и восстанавливая из руды железо:

Фосфор тоже, образуя пентоксид фосфора P 2 O 5 , высвобождает железо из руды:

Сера, реагируя с известью CaO и углеродом, образует сульфид кальция CaS и моноксид углерода CO:

Сульфид кальция и пентоксид фосфора переходят в шлак, плавающий на поверхности очищенного железа. Шлак представляет собой в основном силикат кальция CaSiO 3 , образующийся в реакции соединения диоксида кремния с известью:

В процессе плавки шлаку уделяется не меньше внимания, чем самой стали, так как хорошая сталь получается в результате реакций между шлаком и металлом.

Электрическая печь.

Электропечи сначала применялись только для выплавки качественных инструментальных и нержавеющих сталей, выплавлявшихся до этого в тиглях. Но постепенно электропечи стали играть важную роль в производстве малоуглеродистой стали из металлолома в тех случаях, когда не требуется передела чугуна из доменной печи. В настоящее время ок. 30% нерафинированной стали выплавляется в электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи. Под дуговой сталеплавильной печи облицован огнеупорной кирпичной кладкой, свод охлаждается водой и может сдвигаться в сторону для загрузки печи. Через три отверстия в своде вводятся угольные электроды. Между электродами и металлоломом на поду печи зажигается дуговой разряд. В большой печи ток дуги может достигать 100 000 А.

Плавка стали обычно производится следующим образом. Свод печи отводят в сторону, и на под печи осторожно загружают металлолом. После этого свод возвращают на место, а электроды опускают так, чтобы они на 2–3 см не доходили до верха загруженного металлолома. Зажигают дугу и по мере расплавления завалки постепенно увеличивают мощность. В печь вводят кислород для окисления углерода и кремния в завалке и известь для образования шлака. На этом этапе химия плавки такая же, как и в кислородно-конвертерном процессе. По окончании периода окисления отбирают пробу, анализируют ее и при необходимости корректируют состав. Затем выключают дугу, поднимают электроды, наклоняют печь и выпускают сталь в ковш.

Электросталеплавильный процесс находит также важное применение в вакуумной плавке стали. Для этого обычно пользуются индукционными электропечами. Сталь помещают в графитовый тигель, окруженный медным змеевиком индуктора. На индуктор подается переменное напряжение высокой частоты. Вихревые токи, наводимые индуктором в графитовом тигле, нагревают его, поскольку удельное сопротивление графита довольно велико. Если тигель с индуктором помещен в вакуумную камеру, то сталь, плавясь в вакууме, освобождается от кислорода и других растворенных газов. В результате получается очень чистая сталь, не содержащая оксидов. Вакуумная плавка дорогостояща и применяется лишь в тех случаях, когда требуется особо прочная и надежная сталь, например для шасси самолетов. Улучшение механических свойств стали в результате вакуумной плавки связано с отсутствием частиц оксидов, на которых в обычной стали часто зарождаются трещины.

Литье стали.

Заключительным этапом описанного выше процесса производства является литье стали в отдельные слитки или в непрерывный слиток. Для получения отдельных слитков сталь разливают по массивным чугунным изложницам. Как только сталь затвердевает, слитки отделяют от изложниц и еще горячими переносят в нагревательный колодец. Здесь большое количество слитков выдерживается при высокой температуре, пока они не будут готовы к прокатке.

Разливка стали по изложницам, «раздевание» слитков (отделение от изложниц), их перемещение в нагревательный колодец и последующее извлечение для прокатки требуют многочисленных транспортировочно-перегрузочных операций, обойтись без которых позволяет метод непрерывной разливки в слиток почти окончательной формы. Сталь заливается в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, в котором затвердевание начинается с наружной поверхности. Сталь, вытягиваемая из кристаллизатора, дополнительно охлаждается до полного затвердевания водой, разбрызгиваемой форсунками.

Обработка давлением.

Стальному слитку должна быть придана форма, удобная для применения стали в качестве конструкционного материала. Чаще всего слитки обрабатывают методом горячей прокатки (после соответствующей подготовки). При таком методе плоская заготовка (сляб), пропускаемая между горизонтальными валками, приводимыми во вращение мощными электродвигателями, удлиняется и утоняется. Стан для первой прокатки горячих стальных слитков называется обжимным. Слиток вводится между валками, установленными на небольшое уменьшение толщины. После первого пропуска направление вращения валков изменяется на обратное, расстояние между ними уменьшается и слиток пропускается через них в обратном направлении. Такой процесс многократно повторяется, в результате чего слиток становится тоньше и длиннее. В то же время устраняются литьевые неоднородности металла. Горячая прокатка гомогенизирует сталь и повышает ее ударную вязкость.

При непрерывной прокатке между валками с гладкой бочкой слиток превращается в лист. Профилированные валки дают сортовой прокат разных профилей: простых (круг, квадрат, треугольник, полоса), фасонных (рельсы, двутавровые балки, швеллеры, уголковое железо) и специальных (колеса, бандажи и т.д.). Если для окончательной продукции заданы очень малые допуски на размеры, то она на заключительном этапе проходит холодную прокатку. При этом сначала размеры заготовки редуцируются приблизительно до нужных размеров горячей прокаткой, а затем сталь охлаждают до комнатной температуры и осуществляют чистовой пропуск через валки. В результате она выходит из валков с чистой и блестящей поверхностью хорошего качества.

Некоторые формы не могут быть получены прокаткой; в этом случае применяются ковка и штампование. Способы изменения формы металлов ковкой были известны еще в древности. Для ее современных методов характерны широкие масштабы – применение молотов и прессов с паровым или гидравлическим приводом, а также штампов и матриц с пуансонами. Металлическая заготовка помещается в полость, образуемую двумя штампами из закаленной стали. При сжатии штампов нагретый металл заготовки течет, заполняет полость и принимает нужную форму.

Контроль качества стали.

Контроль качества имеет первостепенное значение в производстве готового проката. Дефекты катаной стали могут быть вызваны неметаллическими включениями и пористостью. Поэтому сталь любого ответственного назначения на выходе из прокатного цеха проходит неразрушающий контроль. Важнейшие методы такого контроля – ультразвуковая и магнитная дефектоскопия.

Компьютерное управление.

Большого сокращения трудоемкости можно добиться путем применения компьютеров в автоматизированных системах управления (АСУ) прокаткой стали, доменным производством, планированием работы в цеху и т.д. Супервизорное управление с быстродействующим компьютером в роли центрального управляющего устройства необходимо для непрерывных процессов, тем более что такие процессы проще дискретных и их легче автоматизировать. Быстропротекающий кислородно-конвертерный процесс – один из наиболее перспективных методов непрерывного производства стали – также требует компьютерной супервизорной АСУ.

СВОЙСТВА СТАЛИ

Варьируя состав, можно получать стали с весьма различающимися свойствами – легированные, нержавеющие, инструментальные. Больше, чем всех других сортов, выплавляется углеродистой стали. Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом и марганцем. Как уже упоминалось, марганец добавляется для подавления вредного действия кислорода и серы, присутствующих в стали. Углеродом определяются механические свойства стали. Содержание углерода в стали может составлять от 0,1 до 1,2%. Сталь, содержащая 0,1–0,3% углерода, довольно прочна и достаточно пластична. Прокат такой стали в виде двутаврового профиля применяется в качестве строительных балок. Из тонкой листовой малоуглеродистой стали делают кузова автомобилей и консервные банки.

Одна из самых важных особенностей стали состоит в том, что ее свойства можно изменять в очень широком диапазоне простым изменением содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем больше ее предел прочности при растяжении, но тем меньше пластичность, т.е. деформация до разрушения. Нелегированная сталь со средним содержанием углерода пригодна для таких изделий, от которых требуются прочность и сопротивление износу, например для рельсов. Сталь, содержащая около 0,8% углерода, может быть закалена настолько, что это делает ее пригодной для изготовления режущих инструментов, таких, как сверла и ножи. Сталь с еще более высоким содержанием углерода служит материалом для бритвенных лезвий; она должна быть очень твердой и износостойкой, но от нее не требуется особой ударной вязкости.

Термообработка стали.

Термообработкой можно существенно изменять механические свойства стали. Для некоторых применений ее нагревают, а затем закаливают быстрым охлаждением. В отожженном состоянии (т.е. после медленного охлаждения) сталь даже с высоким содержанием углерода достаточно пластична для того, чтобы можно было придать ей форму нужного инструмента или другого изделия. Затем ее обычно закаливают. При этом предел прочности стали может увеличиться в 10 раз, а пластичность – во столько же раз уменьшиться. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость после закалки. Закаленная специальная сталь пригодна для резания всех других металлов, кроме самых твердых.

В термообработке есть три важных момента. Сначала сталь нагревают до высокой температуры (обычно до красного каления, хотя марки с наивысшим содержанием углерода требуют нагрева до белого каления). За этим нагреванием следует быстрое охлаждение – закалка, – после чего сталь повторно нагревают, но теперь до сравнительно низкой температуры – «отпускают». При первом нагревании образуется твердый раствор углерода в железе. Если после такого нагрева сталь медленно охладить (отжиг), то растворенный углерод выпадет из раствора в виде частиц карбида углерода, в результате чего сталь останется довольно мягкой. При закалке же сталь охлаждается столь быстро, что карбид железа не успевает выделиться из раствора. Поскольку атомы углерода слишком велики для промежутков между атомами железа, кристаллическая структура закаленной стали оказывается сильно деформированной. Такая структура называется мартенситной; ей соответствуют крайне высокие твердость и хрупкость. Для уменьшения хрупкости закаленную сталь отпускают, т.е. нагревают до температуры 200–600° C, не достигающей температуры красного каления, и после некоторой выдержки снова охлаждают. При таком нагревании происходит частичное разложение мартенсита с выпадением из раствора избытка углерода. Чем выше температура отпуска, тем больше таких выделений и тем мягче (и пластичнее) сталь. Соответствующим отпуском можно получить любую степень твердости. Требуемая степень отпуска зависит от назначения стали. Например, если слишком сильно отпустить лезвие ножа, то оно будет быстро тупиться. Если же его недостаточно отпустить, то оно станет слишком хрупким и будет крошиться.

Самая ответственная часть термообработки – закалка. Она должна проводиться достаточно быстро, чтобы не произошло разложение твердого раствора углерода в железе, образовавшегося при повышенной температуре. Для этого сталь, нагретую до красного каления, можно опустить в холодную воду. Но быстро охладить можно лишь сравнительно небольшой объем стали. Удовлетворительная закалка нелегированной стали возможна только при толщине, не превышающей примерно 1,5 см, что существенно ограничивает возможности применения нелегированной стали в разного рода крупных станках и механизмах. Эта трудность отпадает при использовании легированных сталей.

Легированные стали.

Если в сталь добавить несколько процентов никеля, хрома или молибдена, то ее можно закалить до мартенситного состояния при гораздо меньшей скорости охлаждения, чем требуется для нелегированной стали. Дело в том, что твердый раствор, например, никеля и углерода в железе при охлаждении разлагается значительно медленнее раствора одного углерода в железе. Благодаря этому возможна полная закалка массивных изделий из легированной стали. Дополнительные легирующие элементы привносят и другие преимущества. Они повышают прочность и ударную вязкость стали, улучшают высокотемпературные прочностные характеристики. Состав, свойства и применения ряда типичных легированных сталей представлены в таблице. Легированные стали широко применяются в машиностроении.

Стальные конструкции.

Благодаря низкой стоимости и свойствам, нередко превосходящим свойства других материалов, сталь – это металл самого широкого применения. Поэтому даже форма и внешний вид очень многих вещей, с которыми мы встречаемся повседневно, в значительной мере определяются прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью стали и чугуна. Чугунные и стальные элементы зданий, оград и мостов могут служить прекрасным примером тесной связи между свойствами материала и дизайном. Пожалуй, больше всего сталь изменила внешность городов высотными зданиями – строениями, которые лишь благодаря стали или бетону, армированному сталью, способны нести тяжесть заполняющих каркас навесных стен из каменной кладки, листового металла и стекла.

Сталь сохраняет свое доминирующее положение в строительстве и машиностроении не только благодаря сочетанию низкой стоимости и высоких механических характеристик, но и потому, что в сталеплавильной промышленности были разработаны легированные стали с существенно улучшенными свойствами. Это уже отмечалось, когда речь шла о нержавеющих и быстрорежущих сталях. Создание же мартенситностареющей стали, полностью упрочняемой без закалки, и стойкой к атмосферной коррозии конструкционной стали, которая крайне медленно ржавеет с образованием защитного наружного слоя, делающего ненужной покраску, – это гарантия того, что сталь и впредь будет сохранять свое значение в жизни людей.

Литература:

Основы металлургии , тт. 1–6. М., 1961–1973
Сталеплавильные производства , тт. 1–2. М., 1964

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них-сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо--углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.

КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД

Железо - металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8-99,9 % Fe. Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации а и у. Модификация a-железа существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 82). В интервале температур 1392-1539 °С a-железо нередко обозначают как б-железо.

Кристаллическая решетка а-железа - объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С a-железо магнитно (ферромагнитно). Температуру 768 °С, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А. г.

Плотность а-железа 7,68 г/см 3 .

Рис. 82. Кривая охлаждения чистого железа (а) и схема микроструктуры феррита a-Fe (б) и аустенита y-Fe (в), X 150

у-железо существует при температуре 910-

1392 °С; оно парамагнитно.

Кристаллическая решетка у-железа гранецентрированная кубическая (а =

0,3645 нм при 910 °С).

Критическую точку превращения a^=ty(pnc. 821 при 910 С С обозначают со ответственно Ас 3 (при нагреве) и Аг ъ (при охлаждении). Критическую точку перехода у ^ а при 1392 °С обозначают Ас х (при нагреве) и Аг 4 (при охлаждении) .

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см 8 , температура плавления 3500 с С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метаста- бильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-С различают следующие фазы: жидкий сплав , твердые растворы-феррит и аустенит , а также цементит и графит.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в a-железе. Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 6-феррит о предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (см. рио. 82, б).

Феррит (при 0,06 % С) имеет примерно следующие механические свойства: а„ = 250 МПа, а оа = 120 МПа, б 50 %, ф ^ 80 %, 80-90 НВ.

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в у-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе - 2,14 %. Атом углерода в решетке у-железа располагается в центре элементарной ячейки (см. рис. 29, б), в которой может поместиться сфера радиусом 0,41# (# - атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.

Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в у-железе по сравнению с растворимостью в a-железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис. 82, в).

Цементит (Ц) - это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe 3 G. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада. До температуры 210 Ь С, обозначаемой А 0 , цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость 1000 HV и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит имеет гексагональную слоистую (см. рис. 88, а) кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.

В сплавах Fe-G существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная - цементит и стабильная - графит. Поэтому различают две диаграммы состояния - метастабильную Fe- Fe 3 G и стабильную Fe-G (графит).

• Обозначения Ас и Аг происходят от начальных букв французских слов:А - arreter - остановка (площадка на кривой охлаждения), с - choffage-нагрев иг - refroidissnwnt - охлаждение.

ВведениеОсобое внимание к диаграмме состояния железо – углерод
объясняется
несколькими
причинами.
Во-первых,
это
диаграмма служит теоретической основой для изучения
процессов, которые происходят в наиболее универсальных и
широко
используемых
в
промышленности
сплавах:
углеродистых сталях и чугунах. Во-вторых, она играет роль
модели при анализе изменений структуры в других сплавах на
основе железа. В-третьих, изучив эту хорошо изученную
систему, можно лучше понять фазовые превращения в
большинстве бинарных и тройных систем, состоящих из других
элементов.

Железо

Углерод

Диаграмма состояния железо-углерод

Характерные точки на диаграмме

Фазы в сплавах железа с углеродом

Механические свойства углеродистых сталей

Схемы микроструктуры сталей а – аустенит, б - Феррит, в - феррит и перлит, г - перлит, д,е - перлит и цементит

Аустенит Феррит

Перлит Ледебурит

Ледебурит и первичный цементит

Перлит и вторичный цементит

Феррит и третичный цементит

Неметаллические включения в сталях

Влияние размеров оксидов на ударную вязкость стали

Неметаллические включения в стали 10кп

Максимально допустимое содержание кислорода и размеров неметаллических включений в сталях

Схемы микроструктуры чугуна с различной формой графита

Микроструктура серого чугуна

Микроструктура ковкого чугуна

Микроструктура высокопрочного чугуна

Микроструктура чугуна с вермикулярным графитом

Заключение