Chimie practică. Fierul și aliajele sale Un mesaj pe tema aliajelor de fier

Fier este un metal cenușiu cu o masă atomică de 55,85 și o rază atomică de 0,127 nm. Punctul de topire este 1539 0 C. În stare solidă, fierul are o rețea cristalină, care se caracterizează prin două stări posibile, numite modificare polimorfă și desemnată ca α-Fe și γ-Fe. Existența acestor modificări depinde de temperatura de încălzire.

α-Fe se caracterizează printr-o rețea cubică centrată pe corp, care există la temperaturi mai mici de T≤910 0 C și în domeniul T=1392÷1539 0 C. În intervalul de temperatură T=910÷1392 0 C, fierul există sub formă de γ-Fe.

Carbonul este un element nemetalic care se dizolvă în fier atât în ​​stare lichidă, cât și în stare solidă. Cel mai adesea, sistemul Fe-C există sub formă de aliaj lichid sau soluție solidă. Soluțiile solide sunt acele faze în care unul dintre componente își păstrează structura cristalină, iar atomii altor componente sunt prezenți în rețeaua primei, modificându-i dimensiunea. Se face o distincție între soluțiile solide substituționale și interstițiale.

Se numește o soluție solidă de carbon și alte impurități în α-Fe ferită. Carbonul este situat în centrul feței cubului, care poate găzdui o sferă cu o rază de 0,29 R, Unde R– raza atomică a fierului.

O soluție de carbon și alte impurități în γ-Fe se numește austenita . Atomul de carbon este plasat în centrul unui cub cu o sferă înscrisă cu raza 0,41 R. Austenita se caracterizează prin ductilitate ridicată și rezistență scăzută.

Cele mai comune aliaje pe bază de fier sunt oțelul și fonta, care sunt soluții solide (aliaje) de fier Fe cu carbon C. Dacă conținutul de carbon din soluție este mai mic de 2,14%, atunci un astfel de aliaj se numește oțel și dacă este mai mult de 2,14%, apoi fontă. Limita dintre fontă și oțel corespunde solubilității limită a carbonului în austenită. După solidificare, oțelurile nu conțin o componentă structurală fragilă și, atunci când sunt încălzite la temperaturi ridicate, au doar o structură austenitică cu ductilitate ridicată. Din acest motiv, otelurile sunt usor deformate la temperaturi normale si ridicate, de ex. sunt materiale maleabile. Spre deosebire de oțeluri, fontele sunt casante, dar au proprietăți bune de turnare, inclusiv puncte de topire mai scăzute.

Deveni

Deveni– acestea sunt aliaje deformabile de fier cu carbon (până la 2,14% carbon) și alte elemente. Oțelul de structură trebuie să aibă și proprietăți tehnologice bune: să fie bine prelucrat prin presiune și tăiere, să nu fie predispus la fisuri de șlefuire, să aibă o întărire mare și o tendință scăzută de decarburare, deformare și fisurare în timpul călirii.

După compoziția chimică Oțelurile sunt împărțite în carbon și aliaj. Oțelurile carbon conțin, pe lângă fier și carbon, și mangan (până la 1%) și siliciu până la (0,8%), precum și impurități de care se scăpa greu în timpul procesului de topire - sulf și fosfor. Sulful și fosforul reduc proprietățile mecanice ale oțelurilor: sulful crește fragilitatea în stare fierbinte (friabilitate roșie), iar fosforul - la temperaturi scăzute (fragibilitate la rece). În funcție de conținutul de carbon, sunt scăzute (C ≤ 0,25%), medii (0,25).< С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C >0,6%) oțel. Odată cu creșterea conținutului de carbon, duritatea și rezistența cresc, dar ductilitatea scade și sudabilitatea oțelului se deteriorează.

Pe lângă componentele indicate, elemente de aliere (crom, nichel, molibden, wolfram, vanadiu, titan, niobiu etc.) sunt introduse în compoziția oțelurilor aliate pentru a îmbunătăți caracteristicile tehnologice și operaționale și a conferi proprietăți deosebite. Elementele de aliere pot fi și mangan cu un conținut de peste 1% și siliciu cu un conținut de peste 0,8%.

În volumul total al produselor de inginerie mecanică, produsele fabricate din oțel de calitate obișnuită (GOST 380-94) și oțel de înaltă calitate (GOST 1050-74), precum și oțel aliat (GOST 4543-71) reprezintă aproape 80%. Sunt ieftine și au proprietăți mecanice satisfăcătoare combinate cu prelucrabilitate și presiune bună.

Oțelurile carbon sunt cele mai comune. Producția lor ajunge la 80% din producția totală a tuturor oțelurilor.

După scop Oțelurile sunt împărțite în structurale, instrumentale și cu proprietăți speciale. Oțelurile de structură sunt cele mai utilizate. Ele pot fi fie carbon (C ≤ 0,7%), fie aliate. Oțelurile pentru scule sunt utilizate pentru fabricarea sculelor de tăiere, ștanțare la impact și de măsurare. Sunt carbon (C ≥ 0,8 ... 1,3%) și sunt aliate cu crom, mangan, siliciu și alte elemente. Oțelurile cu proprietăți speciale includ oțelurile inoxidabile, nemagnetice, electrice, oțelurile cu magnet permanenți etc.

Prin calitate Oțelurile sunt împărțite în obișnuite, de înaltă calitate, de înaltă calitate și în special de înaltă calitate. Diferența dintre ele constă în cantitatea de impurități nocive (sulf și fosfor). Astfel, în oțelurile de calitate obișnuită, este permis conținutul de sulf până la 0,06% și fosfor până la 0,07%; în calitate – fiecare element nu mai mult de 0,035%; iar în cele de înaltă calitate - nu mai mult de 0,025%.

După natura solidificării din stare lichidă, gradul de dezoxidare se face o distincție între oțel calm, semi-liniștit și fierbinte. Cu cât oxigenul este îndepărtat mai complet din topitură, cu atât procesul de solidificare decurge mai calm și cu atât se eliberează mai puțină bule de monoxid de carbon („fierbe”). Alegerea tehnologiei de dezoxidare este determinată de scopul și capacitățile de producție, dar fiecare metodă are propriile avantaje și dezavantaje.

Timbre oțel carbon de calitate obișnuită sunt desemnate prin literele St (oțel) și numere de la 0 la 6, de exemplu St0 – St6. Numerele corespund numărului convențional al mărcii în funcție de compoziția chimică și proprietățile mecanice. Cu cât numărul este mai mare, cu atât conținutul de carbon din oțel este mai mare, cu atât rezistența este mai mare și ductilitatea este mai mică. Aceste oțeluri sunt împărțite în trei grupe - A, B și C. Oțelul din grupa A are proprietăți mecanice garantate și nu este supus tratamentului termic, grupa A nu este indicată în clasa de oțel. Pentru oțelul din grupa B, compoziția chimică este garantată, pentru oțelul din grupa B, compoziția chimică și proprietățile mecanice sunt garantate. Oțelurile carbon de calitate obișnuită (GOST 380-94) sunt folosite pentru a produce părți necritice ale corpului, elemente de fixare, produse laminate în formă (grinzi în I, canale, unghiuri), etc.

Gradul de dezoxidare este indicat prin indici în dreapta numărului mărcii: kp - fierbere, ps - semicalm, sp - calm. De exemplu, oțelul St2kp este oțel din grupa A, în fierbere; BSt3ps – oțel grupa B, semi-liniștit; VSt5sp – oțel din grupa B, calm.

Oteluri de calitate carbon sunt marcate cu numere din două cifre (08, 10, 15, ..., 70), indicând conținutul mediu de carbon din oțel în sutimi de procent. Aceste oțeluri pot fi împărțite în mai multe grupuri. Oțelurile 08 și 10 au ductilitate mare, pot fi ștanțate și sudate bine. Oțelurile cu conținut scăzut de carbon 15, 20, 25 sunt bine sudate și prelucrate prin tăiere, iar după cementare și tratament termic au rezistență crescută la uzură. Cele mai utilizate sunt oțelurile cu carbon mediu 30, 35, 40, 45 și 50 datorită combinației bune de rezistență și proprietăți plastice și prelucrabilitate bună. Oțelurile cu conținut ridicat de carbon 60, 65, 70 au rezistență ridicată, rezistență la uzură și elasticitate și sunt utilizate pentru fabricarea de piese precum arcuri. Rezistența și duritatea oțelurilor cu carbon mediu și ridicat pot fi crescute prin tratament termic.

Aliat se numesc oteluri in care se introduc elemente de aliere pentru a le conferi proprietati deosebite. De regulă, se folosesc următoarele elemente de aliere: crom (Cr), siliciu (Si), nichel (Ni), vanadiu (W), aluminiu (Al), mangan (Mg) etc. Au efecte diferite asupra proprietăților din oțel: manganul crește rezistența și rezistența la uzură; siliciul crește caracteristicile elastice ale oțelului; cromul crește rezistența la coroziune, duritatea, rezistența, rezistența la căldură; nichelul reduce coeficientul de dilatare liniară, crește rezistența și rezistența la uzură; wolfram și molibdenul cresc rezistența și duritatea, îmbunătățesc proprietățile de tăiere la temperaturi ridicate.

Se numesc oteluri in care continutul total de elemente de aliere nu depaseste 2,5%. aliaj scăzut; în cazul în care conținutul de elemente de aliere este de 2,5...10% – aceasta este aliate oțel, iar dacă aditivii de aliere sunt mai mari de 10%, atunci se numesc astfel de oțeluri foarte aliat.

Oțelurile aliate sunt marcate cu litere și numere care indică compoziția sa chimică. Primele cifre ale claselor înaintea literelor indică conținutul de carbon pentru oțelurile de structură în sutimi de procent (două cifre), iar pentru oțelurile de scule și speciale – în zecimi. Mai mult, denumirea constă din litere care indică elementele de aliere incluse în oțel și numere imediat după fiecare literă care caracterizează conținutul mediu al elementului de aliere ca procent. Numerele din spatele literei nu sunt plasate dacă conținutul de element de aliere este mai mic de 1,5%. Elementele de aliere sunt desemnate prin următoarele litere: T - titan, C - siliciu, G - mangan, X - crom, H - nichel, M - molibden, B - wolfram etc. De exemplu, oțelul inoxidabil X18N10T conține 18% crom, 10% nichel și până la 1,5% titan; oțel aliat structural 30ХГС conține 0,30% carbon, iar crom, mangan și siliciu până la 1,5% fiecare; Oțelul aliat pentru scule 9ХС conține 0,9% carbon, iar crom și siliciu până la 1,5% fiecare. În oțelurile 30KhGS și 9KhS, siliciul este mai mare de 0,8%, manganul din oțel 30KhGS este mai mult de 1%.

Denumirile unor clase speciale de oțel includ o literă în față care indică scopul oțelului. De exemplu, litera Ш - oțel pentru rulmenți cu bile (ШХ15 - cu conținut de crom ≈ 1,5%), E - electrică etc.

Oțelurile carbon de calitate obișnuită în conformitate cu GOST 380-94 cu denumirea St sunt destinate producției de produse laminate la cald: foi lungi, formate, groase și subțiri, bandă largă (foie subțire la rece), precum și lingouri, flori, plăci, sutunka, țagle laminate și turnate, țevi, piese forjate și ștanțate, benzi, fire, feronerie, piese ușor încărcate, structuri metalice, tot felul de părți ale caroseriei etc.

Clasele oțelurilor carbon străine de calitate obișnuită și standard internațional, corespunzătoare oțelurilor rusești de calitate ST în ceea ce privește proprietățile mecanice, sunt date în tabel. 2. În acest caz, conținutul elementelor principale (C, Si, Mn, P, S) se află în intervalele prescrise.

Când se compară limitele de rezistență și de curgere, răspândirea este în ±50 MPa.

Sunt oferite mărci de analogi străini de carbon și oțel structural de înaltă calitate cu aliaj scăzut pentru a compara rezultatele cercetărilor efectuate de oameni de știință din diferite țări ale lumii (Tabelele 3 și 4).

masa 2

Tabelul 3

Tabelul 4

Proprietățile mecanice ale oțelurilor pot fi caracterizate prin rezistența la tracțiune σ in și limita de curgere σ T, ale căror valori depind puternic de compoziția chimică a oțelului și de tratamentul termic al acestuia. În plus, oțelurile se caracterizează prin valori constante ale modulului elastic Eși raportul lui Poisson μ, care, indiferent de marcă, poate fi presupus a fi egal cu E=2,1∙10 5 MPa, respectiv μ=0,3. Pe măsură ce procentul de carbon crește, caracteristicile de rezistență cresc și ductilitatea scade.

Oteluri rezistente la coroziune sunt rezistente la coroziune. Acesta este un grup mare de oțeluri înalt aliate. Cromul (13...25%), uneori nichelul, este folosit ca element de aliere.

Materiale cu proprietăți elastice ridicate ( arc oţeluri) sunt oţeluri carbon sau aliate cu un conţinut ridicat de carbon (0,5...1,1%).

Calitatea oțelului este determinată de conținutul de impurități nocive, uniformitatea compoziției chimice și a structurii. Impuritățile dăunătoare includ sulful, fosforul, arsenul, oxigenul, azotul și hidrogenul. Incluziunile nemetalice sub formă de oxizi și sulfuri reduc semnificativ ductilitatea și favorizează fracturarea fragilă. Particulele lor mari, cu dimensiuni de 20 de microni și mai mari, reduc rezistența și rezistența la contact, sunt concentratoare de stres periculoase și, sub sarcini alternative, reduc rezistența la oboseală a pieselor. Aici, evacuarea oțelului reduce conținutul de gaz, egalizează compoziția chimică, iar topirea cu zgură electrică a oțelurilor asigură caracteristici mecanice identice de-a lungul și pe direcția de laminare.

Odată cu creșterea cantității de carbon, proporția de cementită din structură crește, ceea ce complică mișcarea dislocațiilor și, în consecință, dezvoltarea proceselor de forfecare. Ca rezultat, rezistența crește, dar ductilitatea scade.

În oțelul slab aliat cu un conținut de carbon de până la 0,2%, după călire și revenire, are loc călirea, iar sensibilitatea la concentratorii de tensiuni scade.

Oțelurile slab aliate cu întărire cu carbonitrură au rezistență ridicată, tenacitate și rezistență la frig.

O rezervă pentru îmbunătățirea calității oțelului este producția de pelete metalizate, care se remarcă prin puritatea lor și lipsite de impurități nocive. Pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea, seleniul, plumbul, calciul și telurul sunt introduse suplimentar în oțel.

Metodele progresive de laminare elicoidală și transversală, longitudinal-helidic, la rece produc piese sub formă de corpuri de rotație: rotoare compresoare, șuruburi mașini de tăiat carne, inele și bile lagăre, roți dințate cu dinți moleți, burghie, șuruburi, pinioane cu lanț, arbori în trepte, bucșe și semifabricate pentru alte piese. În acest caz, straturile exterioare capătă o structură fibroasă orientată de-a lungul profilului dintelui, duritatea crește de 1,4 - 1,5 ori, rezistența crește până la 25%, iar rezistența la oboseală crește de până la 2,2 ori. Acest lucru este mult mai eficient decât strunjirea și frezarea unei piese de prelucrat rotunde.

Au fost dezvoltate procese și echipamente pentru forjare și extrudare cu matriță semi-caldă și rece, făcând posibilă obținerea unei piese de prelucrat precise. În acest caz, direcțiile fibrelor coincid cu direcțiile tensiunilor normale.

Tabelul 5. Domeniul de aplicare al oțelurilor carbon de calitate obișnuită

Oțeluri cu conținut scăzut de carbon Oțel 05kp, 08kp, 08ps, 08, 10kp, 10ps, 10, 15kp, 15ps, 15, 20kp, 20ps, 20, 25, 15G, 20G, 25G (pentru fabricarea GOST 7 din 10) șaibe, nituri, capace, șuruburi, flanșe, furci, cuplaje, bucșe, garnituri, fitinguri pentru schimbătoare de căldură. După carburare și cianurare, este utilizat pentru fabricarea bucșelor, axelor de lanț, șuruburilor, piulițelor, șuruburilor, angrenajelor, melcatelor, fuselor, pinioanelor și a altor piese cu duritate mare și suprafețe rezistente la uzură.

Oțeluri cimentate rezistente la uzură 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХФ, 18ХГ, 20ХН, 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2ХФ, 12Х2Н4А, Н44А, Н24Х4 14Х2Н3МА, 20ХН2М, 15Н2М, 20Н2М (GOST 4543-71) sunt utilizate pentru fabricarea viermilor, arbori canelați și cu came, angrenaje, bucșe, știfturi, osii, arbori angrenaj, arbori angrenaje.

Oțelurile carbon 5ps și 5sp (GOST 380-88) sunt utilizate pentru fabricarea șuruburilor și piulițelor.

Oțelurile cu aditivi de titan 18KhGT, 25KhGM, 25KhGT, 30KhGT, 15KhGN2TA, 15Kh2GN2TA, 15Kh2GN2TRA, 20KhGNTR, 25Kh2GNTA (GOST 4543-71) sunt utilizate pentru fabricarea angrenajelor, angrenajelor, angrenajelor, angrenajelor, angrenajelor și angrenajelor. viteze puternic încărcate, transmisii a vehiculelor de transport. După nitrurare – rulează role și șuruburi ale mașinilor-unelte și ale altor piese din care este necesară o deformare minimă.

Oțelurile cu microaditivi de bor 20KhGR, 27KhGR, 20KhNR, 20KhGNR (GOST 4543-71) sunt utilizate pentru fabricarea angrenajelor, cuplajelor cu gheare, arborilor angrenajului, melmelor, știfturilor, rolelor și bucșilor.

Oțeluri carbon și aliate 30, 35, 30G, 35G, 40, 45, 40G, 45G, 50G, 50, 55, 40G2, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 45Х, 50Х, 30Х,Х3С3Х,С3Х,С3Х , 20ХГСА, 25 KSSA , 30KhGS, 30KhGSA,35KhGSA (GOST 1050-74) și 30KhN2MA, 38Kh2N2MA (GOST 4543-71) cu diferite tratamente termice și chimico-termice sunt utilizate pentru fabricarea axelor, arborilor, șuruburilor de oprire, inelelor, șuruburilor, inelelor bucșe, tije, traverse, biele, arbori, arbori, furci schimbătoare de viteze, volante, piulițe, șuruburi, roți dințate, roți dințate, chei, clichete, discuri de frecare, piston, cuplaje, cremaliere, arbori canelați și angrenaj, șuruburi de ancorare, cutie de viteze ambreiaje, arbori de punți, părți ale îmbinărilor sudate, părți critice expuse vibrațiilor și sarcinilor dinamice. După călire și revenire - tije, traverse, pârghii, cilindri de presare, elemente de fixare, arbori, fusuri de înaltă rezistență

Oțelurile de înaltă rezistență 38KhN3MFA, 30KhN2MFA, 38KhN3MA, 34KHN1M, 34KHN1MA, 34KHN3M, 34KHN3MA, 35KHN1M2FA (GOST 4543-71) sunt folosite pentru fabricarea bolțurilor, a șuruburilor, a șuruburilor, a șuruburilor, a șuruburilor, a șuruburilor, a șuruburilor, lings, în special părți critice ale mașini cu compresoare, rotoare, semicuplaje și alte piese deosebit de critice, încărcate puternic.

Oțelul de turnătorie cu carbon structural 25l, 30l, 40l, 45l, 50l, 55l, 35gl, 30GSL, 40HL, 35XML, 35HGSL (GOST 977-75) sunt utilizate pentru fabricarea unei laminoare, scripete, capcane, rulmenți, rulmenți, . , console, grinzi, volante, discuri de frână, angrenaje, carcase, furci, pinioane, furci de compresor, piese de troliu, inele de cuplare ale capetelor plutitoare ale încălzitoarelor și schimbătoarelor de căldură, cuplaje ale mașinilor de ridicare și transport, roți de rulare, role de mari dimensiuni. , mori de secțiune medie și mică pentru rularea metalului moale, discuri, roți dințate, cruci, butuci, arbori, cuplaje cu gheare, osii, fălci de concasoare, pârghii, roți de rulare, împingătoare, osii și alte părți ale ingineriei mecanice generale.

Oțeluri turnate înalt aliate rezistente la coroziune 20Х13Л, 15Х13Л, 09Х16Н4БЛ, 09Х17Н3СЛ, 40Х24Н12СЛ, 10Х18Н11БХ, 10Х18Н11БХ18Н11БХ, 8Н21Х18, 12Н3СЛ Л, 35Х18Н24С2Л (GOST 2176-77) utilizat pentru fabricarea paletelor de compresor, șuruburi, elemente de fixare, piese expuse la medii ușor agresive ( abur umed, soluții apoase de săruri ale acizilor organici), piese de înaltă rezistență pentru industria alimentară.

Oțeluri rezistente la coroziune 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 12Х17, 15Х17AG14, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т, 08Х18Т1, 08Х18Т1, 15Х17AG14, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х17Х15 08Х18Г8Н2Т, 10Х17Н13 М2Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т, 03Х17Н14М3, 03Х16Н13М3Т, 03Х16Н15Н15Н3, 03Х16Н15Н15Н3, М2Т, 11Х11Н2В2МФ, 16Х11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ, 31Х9Н 9MVB ( GOST 5632-72) sunt utilizate pentru fabricarea de scule de tăiere, discuri, arbori, bucșe, echipamente pentru fabrici de prelucrare a alimentelor, fabrici de conserve, industria cărnii și a produselor lactate, țevi pentru echipamente de schimb de căldură și părți ale mașinilor compresoare.

Oțeluri rezistente la căldură 08Х18Н10, 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 40Х9С2, 12Х17, 08Х18Н10Т, 08Х18Х181, 08Х181, 08Х181 5Х25Т, 15Х28 (GOST 5632-72) sunt utilizate pentru fabricarea schimbătoarelor de căldură, turnurilor de adsorbție.

Oțelul nitrurat 38Х2МУА (GOST 4543-71) este utilizat pentru fabricarea bucșilor și angrenajelor.

Oțelurile îmbunătățite 40, 50 (GOST 8479-70) sunt utilizate pentru fabricarea de tije, cătușe, cârlige, traverse, osii, cuplaje, pinioane, cilindri, pârghii.

Oțelul slab aliat 14G2AF (GOST 19282-73) este utilizat pentru fabricarea de ferme de macara pentru macarale rulante.

Tabelul 6. Caracteristici fizice și mecanice

Termenul „aliaje fier-carbon” este folosit pentru a desemna un grup mare de aliaje metalice, a căror bază este fier - oțeluri. În ciuda dezvoltării de materiale noi și remarcabile în ultimul deceniu, aliajele de fier sunt încă cele mai importante și utilizate pe scară largă materiale metalice utilizate în practica industrială. Numărul lor în întreaga lume este de zece ori mai mare decât cantitatea tuturor celorlalte materiale metalice combinate.

Aliaje fier-carbon – oțeluri

Popularitatea oțelurilor poate fi explicată prin mai mulți factori:
1) Minereurile din care se produce fierul sunt printre cele mai accesibile minerale găsite în scoarța terestră. Aproximativ 4,2% din scoarța terestră este formată din diverse minereuri de fier. Fierul poate fi extras din aceste minereuri folosind metode relativ simple și ieftine în comparație cu alte metale.
2) Punctul de topire al fierului pur este de 1536 °C. Sub această temperatură, fierul există sub formă de diferite modificări - fier alfa, fier gamma și fier delta - în diferite intervale de temperatură. Prin urmare, există multe procese termice diferite - și la temperaturi nu prea ridicate - care fac posibilă modificarea avantajoasă a proprietăților aliajelor de fier într-un interval foarte larg.
3) Sub o temperatură de 769 ° C - punctul Curie - fierul devine feromagnetic, ceea ce face posibilă utilizarea oțelului în numeroase aplicații electrice.

Elemente de aliere ca impurități

Aliajele de fier, pe lângă fierul în sine - metalul principal sau de bază - conțin întotdeauna carbon, care este principalul element de aliere pentru ele. Oțelurile conțin de obicei și alte elemente în cantități mici. În timpul procesului de producție a fierului și a oțelului, toate oțelurile conțin inevitabil niște mangan, siliciu, sulf și fosfor. Aceste elemente pătrund în metal sub formă de impurități din materie primă sau produse de ardere. În unele cazuri, aceste elemente sunt adăugate la materia primă în mod intenționat pentru a obține proprietăți speciale ale aliajului.

Prin urmare, putem concluziona că aliajele de fier sunt aliaje metalice multicomponente. Totuși, atâta timp cât cantitățile acestor elemente nu depășesc nivelurile inevitabile asociate cu producția de fier și oțel (0,05-0,4% siliciu - 0,15-0,7% magneziu - 0,035% sulf și fosfor), acestea nu au o valoare semnificativă. influența impactului asupra diagramei de fază de echilibru a unui aliaj bicomponent al sistemului fier-carbon. Prin urmare, pentru aliajele de fier obișnuite, nealiate, este considerată valabilă o diagramă de fază cu două componente, adică binară, de echilibru fier-carbon.

Modificări ale fierului - Pârghie de tratament termic

Punctul de topire al fierului pur este de 1536 °C. În stare solidă, fierul pur are trei modificări alotropice și anume:
— fier delta – structură cristalină cubică centrată pe corp în intervalul de la 1392 la 1536 °C;
- fier gamma - structură cristalină cubică centrată pe față în intervalul de la 911 la 1392 ° C;
- fier alfa - structură cristalină cubică centrată pe corp la temperaturi de până la 911 ° C.

Dintre toate transformările alotrope, transformările alfa → gamma și gama → alfa joacă cel mai important rol. Aceste transformări sunt cele care oferă baza teoretică pentru majoritatea proceselor de tratament termic.

Fierul formează soluții solide cu multe elemente nemetalice. Formează soluții de substituție cu crom, nichel, cobalt și vanadiu, în timp ce cu carbon formează o soluție interstițială foarte importantă.

Carbon și fier

Solubilitatea carbonului în fier alfa - ferită - este foarte scăzută - la temperatura camerei doar 0,006%. În fierul gamma - austenită - solubilitatea fierului este cu câteva ordine de mărime mai mare - 2,06% la o temperatură de 1147 °C.

Fierul formează nu numai soluții solide cu carbon, ci și compuși metalici. Un compus înlocuitor de fier și carbon este carbura de fier - cementită - Fe 3 C. Principala proprietate a carburii de fier este duritatea sa mare (duritate Vickers aproximativ 900) și fragilitatea ridicată. Carbura de fier practic nu se pretează la nicio deformare. Punctul de topire al carburii de fier este de 1250 °C. Carbura de fier nu poate fi considerată o fază de echilibru. În anumite condiții, se descompune în componentele sale - fier și carbon. Acest carbon – grafitul – este deja o fază de echilibru.

Conținutul articolului

METALELE NEGRE, fierul și aliajele sale, cele mai importante materiale structurale în tehnologie și producție industrială. Aliajele de fier și carbon, numite oțeluri, sunt folosite pentru a face aproape toate structurile din inginerie mecanică și industria grea. Mașinile, camioanele, mașinile-unelte, căile ferate, corpurile de nave și sistemele de propulsie sunt toate fabricate în principal din oțel. Amploarea producției de oțel este una dintre principalele caracteristici ale nivelului general tehnic și economic de dezvoltare a statului. Oțelul reprezintă aproximativ 95% din toate produsele metalice.

când temperatura amestecului descendent de minereu și cocs ajunge la 600–700 ° C. Ca urmare, se formează fier spongios solid, dar poros, care este apoi topit în partea inferioară, mai fierbinte a furnalului (forja).

Dacă un furnal ar putea fi încărcat cu oxid de fier și carbon pur și purjat cu oxigen pur, atunci termochimia furnalului s-ar reduce la ecuațiile simple scrise mai sus. De fapt, aerul suflat conține mai mult azot decât oxigen, iar minereul poate conține peste 50% minerale sterile (bandă), în principal silicați. Azotul trece prin cuptor fără a reacționa, dar cu silicații situația este mai complicată. Pentru a putea separa silicații din fier și a-i scoate din cuptor, aceștia trebuie să fie lichizi. Silicații conținuti în minereul de fier formează zgură topită atunci când reacţionează cu var CaO. Pentru a face acest lucru, calcarul CaCO 3 este încărcat în cuptor împreună cu minereul în proporția necesară. Calcarul sau „fluxul” se descompune în partea superioară a cuptorului în funcție de reacție

formând varul necesar pentru transformarea impurităților silicatice ale minereului de fier în zgură lichidă. Un furnal produce aproape la fel de multă zgură ca fonta. Pe măsură ce zgura se întărește, se transformă într-un material întunecat, sticlos, care în trecut s-a acumulat în haldele mari de zgură din apropierea fabricilor de prelucrare a oțelului. În zilele noastre, zgura este folosită la fabricarea agregatelor pentru beton, balast feroviar, vată de zgură și strat antiderapant pentru autostrăzi.

Din cele de mai sus, urmează cerințele de bază pentru proiectarea unui furnal. Trebuie să asigure încărcarea continuă de combustibil, minereu și flux de sus, alimentare continuă cu aer și îndepărtarea periodică a produselor lichide de jos. Cuptorul trebuie să fie suficient de înalt pentru a permite reacțiile chimice necesare. Aerul este suflat în cuptor prin tuyerele situate în partea inferioară și se ridică în sus prin încărcătură. Fierul buretat redus și zgura se topesc la nivelul umărului, în partea cea mai largă a cuptorului, iar lichidul se acumulează în forjă, sub tuyere. În forjă, o gaură de robinet sigilată cu argilă este perforată periodic pentru a elibera metalul și (puțin mai sus) o gaură de robinet de zgură.

Reducerea oxidului de fier la fier burete și descompunerea fluxului de calcar au loc în puțul - partea principală a furnalului - în timpul procesului de decantare lentă a încărcăturii. Încărcarea începe să se încălzească în partea de sus - capătul superior al arborelui. Dioxidul de carbon și azotul sunt evacuate continuu printr-un coș larg de sus. Deoarece în timpul funcționării normale a unui furnal, presiunea gazului în cuptor este mai mare decât presiunea atmosferică, capătul superior al cuptorului nu poate fi pur și simplu deschis pentru încărcare, altfel presiunea gazului va scădea și componentele fin măcinate ale încărcăturii vor fi suflate. a cuptorului. Pentru a preveni acest lucru, este prevăzut un dispozitiv de umplere a ecluzei cu dublu con. Conul inferior este ridicat astfel încât să acopere strâns orificiul de încărcare, iar apoi cel superior este coborât pentru încărcare. După aceasta, conul superior este ridicat din nou, etanșând intrarea în cuptor și, după ce l-a coborât pe cel inferior, o parte a încărcăturii (colosh) este trecută în coș.

Un furnal modern este o structură mare. Înălțimea unui cuptor care produce 1000 de tone de fontă pe zi este de aproximativ 30 m, iar diametrul la nivelul umerilor este de cca. 8 m. Cuptorul este instalat pe o fundație de beton, pe care zidăria refractară este așezată într-o carcasă de oțel. Partea inferioară a acestei structuri este răcită cu apă.

Oricât de impresionantă ar fi dimensiunea furnalului, el însuși este doar o mică parte din topitoria de fier. Pentru funcționarea sa normală, avem nevoie și de o separare a materialelor de încărcare, dispozitive de ridicare pentru încărcarea cuptorului, pompe pentru alimentarea cu aer (suflare) și încălzitoare de aer (cuplari), purtători de zgură și un sistem de turnătorie sau de primire a metalului topit. Transportoarele cu bandă sunt uneori folosite pentru a încărca furnalele, dar de cele mai multe ori minereul, combustibilul și fluxul sunt furnizate de palanuri - vase mici (saci) care se deplasează pe roți de-a lungul șinelor înclinate de la buncărele de umplere inferioare la platforma de încărcare superioară, unde sunt automat. răsturnat, descărcarea într-un aparat de umplere a buncărului de primire.

Eficiența unui furnal crește semnificativ atunci când se utilizează suflare fierbinte. Aerul furnizat tuyerelor este preîncălzit la o temperatură care poate ajunge la 1000° C. Încălzirea se realizează în cowpers, fiecare dintre ele nu este cu mult mai mic ca dimensiune decât furnalul însuși. Cowper-ul este o carcasă verticală de oțel cilindric cu o duză interioară de tip „tabletă de șah” realizată din cărămizi refractare.

Gazul evacuat de la capătul superior al unui furnal conține monoxid de carbon și alte gaze care pot arde. Acest gaz este furnizat prin canale largi de gaz înclinate în partea inferioară a cowperului, unde, după trecerea printr-un filtru de praf, este ars în camera de ardere. Produsele de ardere se ridică în sus, încălzind duza de cărămidă. Când duza este suficient de încălzită, alimentarea cu combustibil și gaz către camera de ardere este oprită și sunt pornite suflantele, care conduc aerul prin cowper în tuburile furnalului. Pentru fiecare furnal, de obicei sunt furnizate patru cowpers: două sunt încălzite, iar celelalte două furnizează explozie fierbinte. Debitele de gaz și aer sunt comutate periodic, astfel încât temperatura de explozie setată să fie menținută în mod continuu.

Există mai multe moduri de a îmbunătăți în continuare eficiența unui furnal. Una dintre ele este funcționarea la o presiune a gazelor interne de două ori mai mare decât presiunea atmosferică. Aceasta îmbunătățește productivitatea cu aproximativ 15% și reduce consumul de cocs cu aproximativ 10%. Beneficiile economice ale creșterii productivității sunt oarecum compensate de costul echipamentelor de suflare mai mari și de posibila reducere a duratei de viață a zidăriei refractare.

Când topirea este eliberată dintr-un furnal, zgura curge din orificiul său de robinet, iar metalul curge din orificiul de robinet situat dedesubt. Anterior, zgura era turnată în camioane de zgură - găleți mari pe cărucioare cu roți de cale ferată - care transportau zgura nesolidificată la haldele. În zilele noastre, zgura este de obicei dusă la o fabrică de prelucrare situată lângă furnal, unde este răcită cu apă și granulată, după care este folosită ca agregat pentru beton etc.

Metalul lichid care curgea din orificiul robinetului era direcționat prin jgheaburi pregătite într-un „pat” de nisip în fața cuptorului. Din jgheaburi s-a răspândit de-a lungul unor adâncituri laterale alungite din nisip, unde s-a întărit sub formă de lingouri numite lingouri (datorită asemănării lor cu numeroși purcei care alăptau o scroafă). Deși nu se mai folosește turnarea cu nisip, metalul topit în furnalele se mai numește fontă brută (se folosește și termenul de fontă „baionetă”). În zilele noastre, când este necesară fonta, metalul topit este turnat în matrițe de oțel care se deplasează continuu în fața furnalului pe o bandă transportoare. Când metalul se întărește, matrițele sunt răsturnate și, eliberate de porci, sunt returnate pentru următoarea turnare. Pentru a preveni lipirea fontei de forme, acestea sunt acoperite cu gudron de cărbune sau var.

Fontă.

Aliajul de fier, carbon și siliciu topit într-un furnal are un punct de topire de cca. 1150° C. În stare topită, fonta umple cu ușurință matrițele de turnare de orice configurație. Prin urmare, este foarte potrivit pentru realizarea multor tipuri de produse.

Principalele mijloace de producție într-o turnătorie de fier sunt cuptorul de topire, modelele de produse și materialele de turnare. Cel mai simplu dintre cuptoarele de topire este cuptorul cu cupola, adică. un mic cuptor de tip arbore căptușit cu cărămizi refractare. În partea inferioară se află tuiere, iar în partea superioară există un coș de fum pentru gazele de evacuare. Combustibilul și fonta sunt încărcate prin orificiul lateral, cuptorul este aprins și explozia este pornită. Fonta topită este colectată pe o placă de vatră și eliberată printr-un orificiu de robinet, după cum este necesar. În turnătoriile de fier mai mari, fonta brută este topită în cuptoare cu reverberație.

Pentru a obține piese turnate de bună calitate nu este nevoie de echipamente foarte complexe. Primul pas este realizarea unui model al produsului. Modelul este realizat din lemn de un modelist cu experiență, ținând cont de contracția fontei în timpul călirii. Formele de turnătorie pentru turnarea fierului sunt realizate dintr-un amestec de turnare (argilă și nisip), care este lipicios, dar poros. Modelul este plasat într-un cadru divizat format din „baloane”, iar baloanele sunt umplute cu nisip de turnare. Apoi baloanele sunt separate și modelul este îndepărtat. Când sunt repuse împreună, nisipul de turnare creează o cavitate de matriță care se potrivește exact cu modelul. Rămâne doar să faceți găuri și canale prin care fonta lichidă ar putea curge în cavitatea matriței.

Odată uscată, matrița este gata de turnare. Dacă turnarea merge bine, atunci fonta lichidă umple toate golurile matriței, fără a lăsa bule de aer. Când fonta se întărește, turnarea este „decupată”, rupând matrița. În multe cazuri, pentru a „termina” produsul, este suficient să netezi marginile inegale ale turnării prin șlefuire.

Fonta brută, folosită cel mai adesea pentru turnare, se numește fontă cenușie, deoarece suprafața ei pare gri, chiar funingine, atunci când este spartă. Acest aspect se explică prin conținutul ridicat de carbon (aproximativ 4%) prezent în fier sub formă de fulgi de grafit. Fonta cenușie este fluidă, are un punct de topire scăzut și, de asemenea, absoarbe bine energia de vibrație - un clopoțel din fontă nu sună. Datorită acestui fapt, fonta este potrivită pentru fabricarea cadrelor de pian, paturi de laminoare, strunguri, freze și alte mașini. Un produs foarte comun din fontă gri este blocul cilindrilor unui motor de mașină; Fonta pentru această aplicație este bună pentru că este ieftină și poate fi turnată cu ușurință în matrițe de configurații complexe.

Deși fonta cenușie este puternică, este fragilă și se rupe ușor atunci când este supusă unui impact puternic. Prin urmare, fonta maleabilă este adesea folosită în schimb. Piesele turnate din fontă maleabilă sunt produse în două etape. În primul rând, o turnare este realizată din fontă albă cu un conținut relativ scăzut de carbon și siliciu. O astfel de fontă este foarte fragilă, dar după recoacere la temperatură ridicată timp de 24 de ore, ductilitatea sa crește semnificativ. Creșterea ductilității se datorează redistribuirii carbonului în metal care are loc în timpul recoacerii. În fonta albă, carbonul este conținut sub formă de carbură de fier Fe 3 C. În timpul procesului de recoacere, carbura se descompune în fier și grafit. Acest grafit are forma unor mici incluziuni sferice, care, fiind separate unele de altele, aproape că nu reduc ductilitatea matricei de fier din jur. Fonta ductilă este folosită pentru a face fitinguri și echipamente feroviare.

OŢEL

Inițial, furnalele au fost construite în principal pentru topirea fontei. Mai târziu, s-au găsit modalități de a procesa fonta în fier forjat, iar metalul de furnal a devenit materialul de pornire pentru un astfel de fier. Odată cu dezvoltarea producției de oțel la scară largă, cu costuri reduse, bazată pe procesele Bessemer și Siemens, a devenit fezabilă din punct de vedere economic transformarea fontei de furnal în oțel. În prezent, aproape toată fonta de la furnalele este folosită pentru acest proces. Oțelul este un material structural deosebit de valoros, care poate fi modelat în aproape orice formă prin laminare, ștanțare, presare, turnare sau prelucrare. Prin aliere și tratament termic se pot obține oțeluri cu o mare varietate de proprietăți fizice și chimice. De exemplu, unele oțeluri sunt atât de moi încât pot fi prelucrate cu unelte manuale simple, în timp ce altele sunt atât de dure încât permit tăierea sticlei.

PROCESE DE PRODUCȚIE DE OȚEL

Când se transformă fonta topită într-un furnal în oțel, aproape tot carbonul și tot siliciul sunt îndepărtați din acesta prin oxidare. Ca elemente de aliere pot fi adăugate mangan, nichel sau crom. În prezent, principala metodă de prelucrare a fontei topite într-un furnal a devenit procesul de transformare a oxigenului, deși procesul cu vatră deschisă este încă folosit în unele locuri.

O caracteristică importantă a producției de oțel este relativa ușurință a reutilizarii acestuia. Atât convertorul de oxigen, cât și cuptorul cu vatră deschisă pot funcționa cu un procent mare de resturi de oțel (deșeuri), iar cuptorul electric poate funcționa doar cu resturi. Acest lucru este deosebit de important în zilele noastre, când problema eliminării deșeurilor a devenit mai acută.

Costul reutilizarii depinde în mare măsură de calitatea fierului vechi. Deșeurile de metal care conțin staniu sau cupru sunt nedorite în producția de oțel, deoarece aceste metale greu de îndepărtat degradează proprietățile mecanice ale oțelului. Cea mai mare valoare este fierul vechi, a cărui origine este cunoscută. Unele cantități de astfel de resturi provin din fabrici de prelucrare a metalelor și chiar mai mult - după dezmembrarea echipamentelor de fabrică și feroviare învechite și tăierea navelor maritime și fluviale în fier vechi. Deșeurile sub formă de mașini uzate și recipiente pentru alimente sunt mai puțin valoroase, deoarece conțin cel mai probabil cupru și staniu.

Elementele de aliere sunt adăugate de obicei oțelului sub formă de feroaliaje. Feroaliajele conțin cantități semnificative de fier, care servește ca purtător al elementelor de aliere. Cele mai importante feroaliaje includ feromanganul (cum ar fi spiegel, sau fonta oglindă), necesar pentru toate oțelurile; ferosiliciu, utilizat pentru producerea oțelurilor cu proprietăți magnetice deosebite și pentru dezoxidarea oțelurilor topite în cuptoare electrice; ferocrom și ferovanadiu. Nichelul este adăugat ca metal pur.

Procesul convertizorului.

În prima jumătate a secolului XX. Procesul original Bessemer și-a pierdut treptat semnificația anterioară. Faptul este că căldura eliberată în convertorul Bessemer nu este suficientă pentru a topi fier vechi - o materie primă mai ieftină decât metalul fierbinte dintr-un furnal. Fluxul rapid de topire în convertorul Bessemer a făcut imposibilă analizarea oțelului și ajustarea compoziției acestuia în conformitate cu specificațiile. Procesul cu focar deschis permite un procent semnificativ de fier vechi în sarcina cuptorului, iar reacțiile din acesta se desfășoară suficient de lent, astfel încât să fie posibilă efectuarea analizei în timpul procesului de topire și corectarea compoziției înainte de eliberarea metalului.

Dar în anii 1950, procesul de fabricare a oțelului convertorului a revenit la viață și, în următorii 35 de ani, a înlocuit complet procesul pe vatră deschisă, deoarece tehnologia a fost dezvoltată pentru a produce oxigen ieftin, pur, permițând conversia din aer în explozie de oxigen în convertor. Conform acestei tehnologii, oxigenul în cantități măsurate în tone este produs prin distilarea fracționată a aerului lichid; producția de oțel necesită oxigen cu o puritate de 99,5%.

Aerul este 80% azot, iar azotul este un gaz inert care nu participă la reacțiile de fabricare a oțelului convertorului. Astfel, în convertorul Bessemer, o cantitate mare de gaz inutil este suflată prin metalul topit. Dar acest lucru nu este suficient - o parte din azot se dizolvă în oțel. Eliberarea ulterioară a azotului dizolvat sub formă de nitruri poate duce la îmbătrânirea post-deformare - o scădere treptată a ductilității, ceea ce duce la dificultăți în timpul tratamentului sub presiune. Acest tip de dificultate dispare dacă metalul din convertor este suflat nu cu aer, ci cu oxigen pur. Dar o simplă tranziție de la aer la oxigen într-un convertor Bessemer este inacceptabilă, deoarece din cauza încălzirii puternice a tuyerelor, convertorul va eșua rapid. Această problemă a fost rezolvată după cum urmează: suflarea de oxigen este furnizată la suprafața fontei topite printr-o țeavă răcită cu apă. În 1952, un convertor de 35 de tone de acest tip a fost lansat cu succes în orașul austriac Linz la uzina VOEST. Această tehnologie, numită procesul LD (un acronim pentru Linz și R. Durrer, un inginer la companie), a fost ulterior dezvoltată în procesul de conversie a oxigenului. Reacția rapidă de oxidare în sarcina convertorului, caracterizată printr-un raport scăzut suprafață la volum, minimizează pierderile de căldură și permite introducerea în încărcătură a deșeurilor de până la 40%. Convertorul de oxigen poate produce 200 de tone de oțel la fiecare 45 de minute, ceea ce reprezintă de 4 ori productivitatea unui cuptor cu focar deschis.

Convertorul de oxigen cu purjare superioară este un vas în formă de pară (cu gâtul superior deschis, îngust) cu un diametru de cca. 6 m si inaltime aprox. 10 m, căptușit din interior cu cărămidă (principală) de magnezie. Această căptușeală poate rezista la aproximativ 1500 de călduri. Convertorul este echipat cu știfturi laterale fixate în inele de sprijin, ceea ce îi permite să fie înclinat. În poziția verticală a convertorului, gâtul acestuia este situat sub hota de evacuare a șemineului de evacuare a fumului. O ieșire laterală pe o parte permite separarea metalului de zgură atunci când este drenată. Într-un magazin de convertoare, există de obicei un spațiu de încărcare lângă convertor. Fonta lichidă din furnal este transportată aici într-un oală mare, iar fier vechi se acumulează în containere de oțel pentru încărcare. Toată această materie primă este transferată la convertor printr-o macara rulantă. Pe cealaltă parte a convertorului se află o zonă de turnare, unde există o oală de primire pentru oțel topit și cărucioare de cale ferată pentru transportul acestuia la locul de turnare.

Înainte de începerea procesului de transformare a oxigenului, convertorul este înclinat spre zona de încărcare și fier vechi este turnat prin gât. Metalul lichid din furnal care conține aproximativ 4,5% carbon și 1,5% siliciu este apoi turnat în convertor. Metalul este mai întâi desulfurat într-o oală. Convertorul este readus în poziția verticală, de sus se introduce o lance răcită cu apă și se pornește alimentarea cu oxigen. Carbonul din fontă este oxidat la CO sau CO2, iar siliciul este oxidat la dioxid de SiO2. Varul se adaugă de-a lungul „choke” (tavă de încărcare) pentru a forma zgură cu dioxid de siliciu. Până la 90% din siliciul conținut în fontă este îndepărtat cu zgura. Conținutul de azot din oțelul finit este mult redus datorită acțiunii de spălare a CO. După aproximativ 25 de minute, suflarea se oprește, convertorul este ușor înclinat, se prelevează o probă și se analizează. Dacă sunt necesare ajustări, puteți readuce convertizorul în poziția verticală și puteți introduce o lance de oxigen în gât. Dacă compoziția și temperatura topiturii îndeplinesc specificațiile, atunci convertorul este înclinat spre zona de turnare și oțelul este drenat prin orificiu de evacuare.

Pe lângă procesul de conversie a oxigenului cu purjare superioară, există un proces de conversie a oxigenului cu alimentarea cu oxigen într-un flux de combustibil prin partea inferioară a convertorului. Tuyerele din partea inferioară a convertorului sunt protejate prin purjare simultană a gazelor naturale. Acest proces este mai rapid și mai productiv decât procesul de suflare superioară, dar mai puțin eficient la topirea deșeurilor de metal. Cu toate acestea, suflarea de jos poate fi combinată cu suflarea de sus.

Cuptor cu vatră deschisă.

După cum sa menționat deja, fabricarea oțelului cu vatră deschisă este încă folosită într-un număr de țări, deși este înlocuită treptat de procesul de transformare a oxigenului. Un cuptor cu vatră deschisă conține de obicei 500 de tone de oțel. Are o pardoseală largă și puțin adâncă și o boltă joasă cu arc care reflectă căldura către sub podea. Gazul și aerul sunt introduse de la un capăt și arse deasupra focarului. Cu cât conținutul de carbon este mai mic, cu atât este mai mare punctul de topire. Pentru a atinge temperatura la care se topește oțelul cu un conținut minim de carbon, se folosește principiul recuperării căldurii. La ambele capete ale cuptorului se află camere de regenerare cu aceeași garnitură de cărămidă ca la cowperurile furnalelor. Produsele de ardere sunt trecute prin una dintre aceste camere. Când căptușeala este suficient de încălzită, direcția curgerii prin cuptor este inversată. Aerul și gazul care intră absorb căldura din cărămizile duzei, iar gazele de evacuare încălzesc a doua cameră. Acest lucru realizează economii de combustibil și crește temperatura de funcționare.

Un cuptor cu vatră deschisă este o structură mare, iar procesul de topire a oțelului durează destul de mult. Este nevoie de aproximativ pentru a încărca cuptorul cu minereu, fier vechi și fontă. 5 ore, 4 ore pentru topire si inca 3-4 ore pentru rafinarea si ajustarea compozitiei finale a otelului Fonta si fier vechi pot fi incarcate in proportii diferite in functie de necesitate si considerente economice.

Procesul termochimic de topire a oțelului într-un cuptor cu vatră deschisă este complex. După cum sa menționat deja, principalele impurități ale fontei sunt siliciul Si, carbonul C, sulful S și fosforul P.

Siliciul reacționează cu minereul de fier [oxid de fier (III) Fe 2 O 3 ], rezultând dioxid de siliciu SiO 2 și fier:

Carbonul arde, formând monoxid de carbon CO și reducând fierul din minereu:

De asemenea, fosforul, formând pentoxid de fosfor P 2 O 5, eliberează fier din minereu:

Sulful, reacționând cu var CaO și carbon, formează sulfură de calciu CaS și monoxid de carbon CO:

Sulfura de calciu și pentoxidul de fosfor se transformă în zgură care plutește pe suprafața fierului purificat. Zgura este în principal silicat de calciu CaSiO 3, format în reacția dioxidului de siliciu cu var:

În timpul procesului de topire, nu se acordă mai puțină atenție zgurii decât oțelului în sine, deoarece oțelul bun este obținut ca urmare a reacțiilor dintre zgură și metal.

Cuptor electric.

Cuptoarele electrice au fost utilizate inițial numai pentru topirea instrumentelor de înaltă calitate și a oțelurilor inoxidabile, care anterior erau topite în creuzete. Dar, treptat, cuptoarele electrice au început să joace un rol important în producția de oțel cu emisii scăzute de carbon din fier vechi, în cazurile în care nu este necesară reprocesarea fontei dintr-un furnal. Momentan aprox. 30% din oțelul nerafinat este topit în cuptoare electrice. Cuptoarele cu arc electric sunt cele mai comune. Sub cuptorul de fabricare a oțelului cu arc este căptușit cu cărămidă refractară, acoperișul este răcit cu apă și poate fi mutat în lateral pentru a încărca cuptorul. Electrozii de carbon sunt introduși prin trei orificii din acoperiș. Se aprinde o descărcare de arc între electrozi și fier vechi de pe podeaua cuptorului. Într-un cuptor mare, curentul arcului poate ajunge la 100.000 A.

Topirea oțelului se face de obicei după cum urmează. Acoperișul cuptorului este mutat în lateral, iar fier vechi este încărcat cu grijă sub cuptor. După aceasta, arcul este readus la locul său, iar electrozii sunt coborâți, astfel încât să nu ajungă la vârful fierului vechi încărcat cu 2-3 cm. Aprindeți arcul și creșteți treptat puterea pe măsură ce umplutura se topește. Oxigenul este introdus în cuptor pentru a oxida carbonul și siliciul din încărcătură, iar varul este introdus pentru a forma zgură. În această etapă, chimia de topire este aceeași ca în procesul de bază a oxigenului. La sfârșitul perioadei de oxidare se prelevează o probă, se analizează și, dacă este necesar, se ajustează compoziția. Apoi arcul este oprit, electrozii sunt ridicați, cuptorul este înclinat și oțelul este eliberat în oală.

Procesul electric de fabricare a oțelului găsește și aplicații importante în topirea oțelului în vid. Pentru aceasta, se folosesc de obicei cuptoare electrice cu inducție. Oțelul este plasat într-un creuzet de grafit înconjurat de o bobină inductoră de cupru. Inductorul este alimentat cu tensiune alternativă de înaltă frecvență. Curenții turbionari induși de un inductor într-un creuzet de grafit îl încălzesc, deoarece rezistivitatea grafitului este destul de mare. Dacă creuzetul cu inductor este plasat într-o cameră cu vid, atunci oțelul, topindu-se în vid, este eliberat de oxigen și alte gaze dizolvate. Rezultatul este oțel foarte curat, fără oxizi. Topirea în vid este costisitoare și este utilizată numai în cazurile în care este necesar oțel deosebit de puternic și de încredere, de exemplu pentru trenul de aterizare a aeronavei. Îmbunătățirea proprietăților mecanice ale oțelului ca urmare a topirii în vid este asociată cu absența particulelor de oxid, care adesea inițiază fisuri în oțelul convențional.

Turnare din oțel.

Etapa finală în procesul de fabricație descris mai sus este turnarea oțelului în lingouri individuale sau într-un lingou continuu. Pentru a obține lingouri individuale, oțelul este turnat în forme masive din fontă. Odată ce oțelul s-a solidificat, lingourile sunt separate de matrițe și transferate încă fierbinți în puțul de încălzire. Aici, cantități mari de lingouri sunt păstrate la temperaturi ridicate până când sunt gata de rulare.

Turnarea oțelului în forme, „decaparea” lingourilor (separarea de forme), mutarea lor într-un puț de încălzire și îndepărtarea ulterioară pentru laminare necesită numeroase operațiuni de transport și manipulare, care pot fi evitate prin metoda turnării continue într-un lingou de aproape forma finală. Oțelul este turnat într-o matriță de cupru răcită cu apă, în care solidificarea începe de la suprafața exterioară. Oțelul scos din matriță este răcit în continuare până când se solidifică complet cu apă pulverizată de duze.

Tratament prin presiune.

Lingoul de oțel trebuie să primească o formă adecvată pentru utilizarea oțelului ca material structural. Cel mai adesea, lingourile sunt prelucrate prin laminare la cald (după pregătirea corespunzătoare). Cu această metodă, o țagla (placă) plată, trecută între role orizontale antrenate de motoare electrice puternice, este alungită și subțiată. Moara pentru prima laminare a lingourilor de oțel la cald se numește moara de sertizare. Lingoul este introdus între role reglate pentru a reduce puțin grosimea. După prima trecere, sensul de rotație al rolelor este inversat, distanța dintre ele scade și lingoul este trecut prin ele în sens opus. Acest proces se repetă de multe ori, rezultând un lingot mai subțire și mai lung. În același timp, neomogenitățile de turnare ale metalului sunt eliminate. Laminarea la cald omogenizeaza otelul si ii mareste tenacitatea.

Prin rulare continuă între cilindri netede, lingoul este transformat în foaie. Rolele profilate produc produse lungi de diferite profile: simple (cerc, pătrat, triunghi, bandă), modelate (șine, grinzi în I, canale, cornier) și speciale (roți, anvelope etc.). Dacă produsul final are toleranțe dimensionale foarte strânse, este laminat la rece ca pas final. În acest caz, dimensiunile piesei de prelucrat sunt mai întâi reduse la aproximativ dimensiunile necesare prin laminare la cald, iar apoi oțelul este răcit la temperatura camerei și se termină să treacă prin role. Ca urmare, din rulouri iese cu o suprafata curata si lucioasa de buna calitate.

Unele forme nu pot fi produse prin rulare; în acest caz, se utilizează forjare și ștanțare. Metodele de schimbare a formei metalelor prin forjare erau cunoscute din cele mai vechi timpuri. Metodele sale moderne se caracterizează printr-o scară largă - utilizarea ciocanelor și a preselor cu abur sau acționare hidraulică, precum și a matrițelor și a matrițelor cu pumni. Semifabricatul metalic este plasat într-o cavitate formată din două matrițe din oțel călit. Când matrițele sunt comprimate, metalul încălzit al piesei de prelucrat curge, umple cavitatea și ia forma dorită.

Controlul calității oțelului.

Controlul calității este de o importanță capitală în producția de produse finite. Defectele oțelului laminat pot fi cauzate de incluziuni nemetalice și porozitate. Prin urmare, oțelul pentru orice scop critic la ieșirea din atelierul de laminare este supus unor încercări nedistructive. Cele mai importante metode de astfel de control sunt detectarea defectelor cu ultrasunete și magnetice.

Control pe calculator.

O reducere mare a intensității muncii poate fi realizată prin utilizarea computerelor în sistemele automate de control (ACS) pentru laminarea oțelului, producția furnalelor, planificarea lucrărilor în atelier etc. Controlul de supraveghere cu un computer de mare viteză ca dispozitiv de control central este necesar pentru procesele continue, mai ales că astfel de procese sunt mai simple decât cele discrete și sunt mai ușor de automatizat. Procesul de transformare a oxigenului cu curgere rapidă, una dintre cele mai promițătoare metode pentru producția continuă de oțel, necesită, de asemenea, un sistem de control automat de supraveghere computerizată.

PROPRIETĂȚI OȚELULUI

Variind compoziția, se pot obține oțeluri cu proprietăți foarte diferite - aliat, inoxidabil, sculă. Se produce mai mult oțel carbon decât toate celelalte tipuri. Oțelul carbon este un aliaj de fier cu carbon și mangan. După cum sa menționat, manganul este adăugat pentru a suprima efectele nocive ale oxigenului și sulfului prezente în oțel. Carbonul determină proprietățile mecanice ale oțelului. Conținutul de carbon din oțel poate varia de la 0,1 la 1,2%. Oțelul care conține 0,1–0,3% carbon este destul de puternic și destul de ductil. Oțelul laminat de acest tip sub formă de secțiune în I este utilizat ca grinzi de construcție. Foile subțiri de oțel cu conținut scăzut de carbon sunt folosite pentru a face caroserii și cutiile de tablă.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale oțelului este că proprietățile sale pot fi modificate într-o gamă foarte largă, prin simpla modificare a conținutului de carbon. Cu cât este mai mult carbon în oțel, cu atât este mai mare rezistența sa la tracțiune, dar cu atât mai puțină ductilitate, de exemplu. deformare până la cedare. Oțelul nealiat cu un conținut mediu de carbon este potrivit pentru produse care necesită rezistență și rezistență la uzură, cum ar fi șinele. Oțelul, care conține aproximativ 0,8% carbon, poate fi întărit suficient pentru a-l face potrivit pentru fabricarea de scule de tăiere, cum ar fi burghie și cuțite. Oțelul cu un conținut și mai mare de carbon servește drept material pentru lamele de ras; trebuie să fie foarte dur și rezistent la uzură, dar nu necesită multă duritate.

Tratament termic al oțelului.

Tratamentul termic poate schimba semnificativ proprietățile mecanice ale oțelului. Pentru unele aplicații este încălzit și apoi întărit prin răcire rapidă. În stare de recoacere (adică după răcire lentă), oțelul, chiar și cu un conținut ridicat de carbon, este suficient de ductil, astfel încât să poată fi modelat în instrumentul dorit sau alt produs. Apoi este de obicei călit. În acest caz, rezistența la tracțiune a oțelului poate crește de 10 ori, iar ductilitatea poate scădea cu aceeași cantitate. Cu cât este mai mult carbon în oțel, cu atât duritatea acestuia este mai mare după întărire. Oțelul special călit este potrivit pentru tăierea tuturor metalelor, cu excepția celor mai dure.

Există trei puncte importante în tratamentul termic. În primul rând, oțelul este încălzit la o temperatură ridicată (de obicei roșu fierbinte, deși calitățile cu cel mai mare conținut de carbon necesită căldură albă). Această încălzire este urmată de răcire rapidă - stingere - după care oțelul este reîncălzit, dar acum la o temperatură relativ scăzută - „călit”. La prima încălzire, se formează o soluție solidă de carbon în fier. Dacă, după o astfel de încălzire, oțelul este răcit lent (recoace), carbonul dizolvat va cădea din soluție sub formă de particule de carbură de carbon, lăsând oțelul destul de moale. În timpul călirii, oțelul se răcește atât de repede încât carbura de fier nu are timp să se separe de soluție. Deoarece atomii de carbon sunt prea mari pentru spațiile dintre atomii de fier, structura cristalină a oțelului întărit este foarte deformată. Această structură se numește martensitică; corespunde durității și fragilității extrem de mari. Pentru a reduce fragilitatea, oțelul călit este călit, de ex. încălzit la o temperatură de 200–600 ° C, fără a ajunge la căldură roșie și, după o anumită expunere, s-a răcit din nou. Cu o astfel de încălzire, are loc descompunerea parțială a martensitei cu precipitarea excesului de carbon din soluție. Cu cât temperatura de revenire este mai mare, cu atât mai multe astfel de precipitate și oțelul este mai moale (și mai ductil). Orice grad de duritate poate fi obtinut prin revenire adecvata. Gradul necesar de revenire depinde de scopul oțelului. De exemplu, dacă dați drumul prea mult la lama unui cuțit, aceasta va deveni rapid plictisitoare. Dacă nu îl eliberați suficient, va deveni prea fragil și se va prăbuși.

Cea mai importantă parte a tratamentului termic este întărirea. Trebuie efectuată suficient de rapid pentru a preveni descompunerea soluției solide de carbon în fier formată la temperaturi ridicate. Pentru a face acest lucru, oțelul încălzit la căldură roșie poate fi scufundat în apă rece. Dar doar un volum relativ mic de oțel poate fi răcit rapid. Călirea satisfăcătoare a oțelului nealiat este posibilă numai cu o grosime care nu depășește aproximativ 1,5 cm, ceea ce limitează semnificativ posibilitățile de utilizare a oțelului nealiat în diferite mașini și mecanisme mari. Această dificultate dispare la utilizarea oțelurilor aliate.

Oteluri aliate.

Dacă în oțel se adaugă câteva procente de nichel, crom sau molibden, acesta poate fi întărit la starea martensitică la o viteză de răcire mult mai mică decât cea necesară pentru oțelul nealiat. Faptul este că o soluție solidă, de exemplu, de nichel și carbon în fier, atunci când este răcită, se descompune mult mai lent decât o soluție de carbon singur în fier. Datorită acestui fapt, este posibilă călirea completă a produselor din oțel aliat masiv. Elementele de aliere suplimentare aduc alte beneficii. Acestea măresc rezistența și duritatea oțelului și îmbunătățesc caracteristicile de rezistență la temperatură înaltă. Compoziția, proprietățile și aplicațiile unui număr de oțeluri aliate tipice sunt prezentate în tabel. Oțelurile aliate sunt utilizate pe scară largă în inginerie mecanică.

Structuri de otel.

Datorită costului său scăzut și proprietăților care sunt adesea superioare celor ale altor materiale, oțelul este metalul cu cea mai largă aplicație. Prin urmare, chiar și forma și aspectul atâtor lucruri pe care le întâlnim în fiecare zi sunt în mare măsură determinate de rezistența, ductilitatea și rezistența la coroziune a oțelului și a fontei. Elementele din fontă și oțel din clădiri, garduri și poduri oferă exemple excelente ale relației strânse dintre proprietățile materialelor și design. Poate mai presus de toate, oțelul a schimbat aspectul orașelor cu clădiri înalte - structuri care, datorită numai oțelului sau betonului armat cu oțel, sunt capabile să suporte greutatea zidăriei, tablei și pereții cortină din sticlă care umplu rama.

Oțelul își păstrează poziția dominantă în construcții și inginerie nu numai datorită combinației sale de costuri reduse și proprietăți mecanice ridicate, ci și pentru că industria siderurgică a dezvoltat oțeluri aliate cu proprietăți semnificativ îmbunătățite. Acest lucru a fost deja observat când vine vorba de oțeluri inoxidabile și de mare viteză. Crearea oțelului maraging, care este complet călit fără întărire, și a oțelului structural rezistent la coroziune atmosferică, care ruginește extrem de lent odată cu formarea unui strat exterior protector care face ca vopsirea să nu fie necesară, este o garanție că oțelul își va păstra în continuare importanța în vietile oamenilor.

Literatură:

Bazele metalurgiei, vol. 1–6. M., 1961–1973
Producția de oțel, vol. 1–2. M., 1964

Aliajele de fier sunt cele mai utilizate în industrie. Principalele, oțelul și fonta, sunt aliaje de fier și carbon. Pentru a obține proprietățile specificate, elementele de aliere sunt introduse în oțel și fontă. Mai jos avem în vedere structura și transformările de fază în aliajele fier-carbon, precum și fazele în aliajele de fier cu elemente de aliere.

COMPONENTE ŞI FAZE ÎN SISTEMUL FIER - CARBON

Fierul este un metal cenușiu. Număr atomic 26, masă atomică 55,85, rază atomică 0,127 nm. Fierul pur care poate fi obținut în prezent conține 99,999% Fe, clase tehnice 99,8-99,9 % Fe. Punctul de topire al fierului este de 1539 °C. Fierul are două polimorfe a și y. Modificarea a-fier există la temperaturi sub 910 °C și peste 1392 °C (Fig. 82). În intervalul de temperatură 1392-1539 °C, fierul a este adesea denumit fier b.

Rețeaua cristalină a fierului a este un cub centrat pe corp cu o perioadă rețelei de 0,28606 nm. Până la o temperatură de 768 °C, a-fierul este magnetic (feromagnetic). Temperatura de 768 °C, corespunzătoare transformării magnetice, adică trecerea de la o stare feromagnetică la o stare paramagnetică, se numește punctul Curie și este desemnată A. g.

Densitatea fierului a este de 7,68 g/cm3.

Orez. 82. Curba de răcire a fierului pur (A)și diagrama microstructurii feritei a-Fe (b)și austenită y-Fe (c), X 150

y-fierul există la o temperatură de 910-

1392 °C; este paramagnetic.

Rețea cristalină de fier cubic centrat pe față (a =

0,3645 nm la 910 °C).

Punctul critic de transformare a^=ty(pnc. 821 la 910 C C este notat corespunzător Ac 3(când este încălzit) și Ag(la răcire). Punctul critic de tranziție y^ A la 1392 °C denotă Ac x(când este încălzit) și Ag 4(la răcire) .

Carbon este un element nemetalic din perioada II din grupa IV a sistemului periodic, număr atomic 6, densitate 2,5 g/cm 8, punct de topire 3500 C, rază atomică 0,077 nm. Carbonul este polimorf. În condiții obișnuite, se găsește sub forma unei modificări a grafitului, dar poate exista și sub forma unei modificări metastabile a diamantului.

Carbonul este solubil în fier în stare lichidă și solidă și poate fi, de asemenea, sub formă de compus chimic - cementit și în aliaje cu conținut ridicat de carbon sub formă de grafit.

În sistemul Fe-C se disting următoarele faze: aliaj lichid, solutii solide - ferita si austenita, și cementita si grafitul.

Ferită(F) - soluție solidă de carbon și alte impurități în a-fier. Există a-ferită la temperatură joasă cu solubilitate în carbon până la 0,02 % și 6-ferită la temperatură înaltă cu o solubilitate limită a carbonului de 0,1%. Atomul de carbon este situat în rețeaua de ferită din centrul feței cubului, unde este plasată o sferă cu o rază de 0,29 raze atomice de fier, precum și în locuri libere, pe dislocații etc. La microscop se dezvăluie ferita. sub formă de granule poliedrice omogene (vezi Rio. 82, b).

Ferită (la 0,06 % C) are aproximativ următoarele proprietăți mecanice: a„ = 250 MPa, a oa = 120 MPa, b 50 %, f ^ 80%, 80-90 HB.

Austenita(A) - soluție solidă de carbon și alte impurități în fier-y. Solubilitatea limită a carbonului în fier-y este de 2,14%. Atomul de carbon din rețeaua y-fier este situat în centrul celulei unitare (vezi Fig. 29, b), care poate găzdui o sferă cu o rază de 0,41# (# este raza atomică a fierului) și în stare defectuoasă. zonele cristalului.

Diferitele volume de sfere elementare din rețelele bcc și fcc au predeterminat solubilitatea semnificativ mai mare a carbonului în fierul y în comparație cu solubilitatea în fierul a. Austenita are ductilitate ridicată, limită de curgere scăzută și rezistență. Microstructură austenită - granule poliedrice (Fig. 82, V).

Cementită(C) este un compus chimic de fier și carbon - carbură de fier Fe 3 G. Cementitul conține 6,67% C. Cementitul are o rețea rombică complexă cu o împachetare densă de atomi. Punctul de topire al cementitului nu este determinat cu precizie din cauza posibilității de descompunere a acestuia. Până la o temperatură de 210 b C, desemnată A 0, Cementitul este feromagnetic. Caracteristicile cementitei includ duritatea mare de 1000 HV și ductilitate foarte scăzută. Cementitul este o fază metastabilă. În condiții de echilibru, grafitul se formează în aliaje cu un conținut ridicat de carbon.

Grafit are o structură stratificată hexagonală (vezi Fig. 88, A) rețea cristalină. Distanțele interatomice din rețea sunt mici și se ridică la 0,142 nm, distanța dintre planuri este de 0,340 nm. Grafitul este moale, are rezistență scăzută și conductivitate electrică.

În aliajele Fe-G, există două faze cu conținut ridicat de carbon: metastabil - cementit și stabil - grafit. Prin urmare, se disting două diagrame de fază - Fe-Fe 3 G metastabil și Fe-G stabil (grafit).

• Denumirile Ac și Ar provin din literele inițiale ale cuvintelor franceze: A - arreter - stop (platformă pe curba de răcire), c - choffage - încălzire ig - refroidissnwnt - răcire.

Introducere O atenție deosebită acordată diagramei de fază fier-carbon
explicat
mai multe
motive.
In primul rand,
Acest
diagrama servește drept bază teoretică pentru studiu
procese care au loc în cel mai universal şi
larg
folosit
V
industrie
aliaje:
oteluri carbon si fonte. În al doilea rând, ea joacă un rol
modele atunci când se analizează modificările structurii în alte aliaje pe
pe bază de fier. În al treilea rând, după ce am studiat acest lucru bine cercetat
sistem, se pot înțelege mai bine transformările de fază în
majoritatea sistemelor binare și ternare constând din altele
elemente.

Fier

Carbon

Diagrama de fază fier-carbon

Puncte caracteristice pe diagramă

Fazele din aliajele fier-carbon

Proprietățile mecanice ale oțelurilor carbon

Scheme ale microstructurii otelurilor: a - austenita, b - ferita, c - ferita si perlita, d - perlita, e, f - perlita si cementita

Ferită austenită

Perlit Ledeburit

Ledeburitul și cementitul primar

Perlit și cementită secundară

Ferită și cementită terțiară

Incluziuni nemetalice în oțeluri

Influența dimensiunilor oxidului asupra rezistenței la impact a oțelului

Incluziuni nemetalice din oțel de 10 kp

Conținutul maxim admis de oxigen și dimensiunile incluziunilor nemetalice din oțeluri

Diagrame ale microstructurii fontei cu diferite forme de grafit

Microstructura din fontă gri

Microstructura fierului ductil

Microstructura fierului ductil

Microstructură din fontă cu grafit vermicular

Concluzie