Praktisk kemi. Järn och dess legeringar Ett meddelande om ämnet järnlegeringar

Järnär en gråaktig metall med en atommassa på 55,85 och en atomradie på 0,127 nm. Smältpunkten är 1539 0 C. I fast tillstånd har järn ett kristallgitter, som kännetecknas av två möjliga tillstånd, som kallas polymorf modifiering och betecknas som α-Fe och γ-Fe. Förekomsten av dessa modifieringar beror på uppvärmningstemperaturen.

α-Fe kännetecknas av ett kroppscentrerat kubiskt gitter, som existerar vid temperaturer lägre än T≤910 0 C och i intervallet T=1392÷1539 0 C. I temperaturområdet T=910÷1392 0 C finns järn i form av y-Fe.

Kol är ett icke-metalliskt grundämne som löses i järn i både flytande och fast tillstånd. Oftast finns Fe-C-systemet i form av en flytande legering eller fast lösning. Fasta lösningar är de faser där en av komponenterna behåller sin kristallina struktur och atomer av andra komponenter finns i gittret i den första, vilket ändrar dess storlek. Man skiljer mellan substitutionella och interstitiella fasta lösningar.

En fast lösning av kol och andra föroreningar i α-Fe kallas ferrit. Kolet är beläget i mitten av kubens yta, som kan rymma en sfär med en radie på 0,29 R, Var R– atomradie av järn.

En lösning av kol och andra föroreningar i γ-Fe kallas austenit . Kolatomen är placerad i mitten av en kub med en inskriven sfär med radien 0,41 R. Austenit kännetecknas av hög duktilitet och låg hållfasthet.

De vanligaste järnbaserade legeringarna är stål och gjutjärn, som är fasta lösningar (legeringar) av järn Fe med kol C. Om kolhalten i lösningen är mindre än 2,14 %, så kallas en sådan legering stål, och om kolhalten i lösningen är mindre än 2,14 %. det är mer än 2,14%, sedan gjutjärn. Gränsen mellan gjutjärn och stål motsvarar den begränsande lösligheten av kol i austenit. Efter stelning innehåller stål inte en spröd strukturkomponent och har vid upphettning vid höga temperaturer endast en austenitisk struktur med hög duktilitet. Av denna anledning deformeras stål lätt vid normala och förhöjda temperaturer, d.v.s. är formbara material. Till skillnad från stål är gjutjärn spröda, men har goda gjutegenskaper, inklusive lägre smältpunkter.

Bli

Bli– dessa är deformerbara legeringar av järn med kol (upp till 2,14 % kol) och andra grundämnen. Konstruktionsstål måste också ha goda tekniska egenskaper: vara välbearbetat genom tryck och skärning, inte benäget att slipspricka, ha hög härdbarhet och låg benägenhet till avkolning, deformation och sprickbildning under härdning.

Genom kemisk sammansättning Stål delas in i kol och legering. Kolstål innehåller förutom järn och kol även mangan (upp till 1 %) och kisel upp till (0,8 %), samt föroreningar som är svåra att få bort under smältningsprocessen - svavel och fosfor. Svavel och fosfor minskar stålens mekaniska egenskaper: svavel ökar sprödheten i varmt tillstånd (röd sprödhet), och fosfor - vid låga temperaturer (kall sprödhet). Beroende på kolhalten finns det låg- (C ≤ 0,25%), medel- (0,25)< С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C >0,6 %) stål. Med ökande kolhalt ökar hårdheten och styrkan, men duktiliteten minskar och stålets svetsbarhet försämras.

Förutom de angivna komponenterna, införs legeringselement (krom, nickel, molybden, volfram, vanadin, titan, niob, etc.) i sammansättningen av legerade stål för att förbättra tekniska och operativa egenskaper och ge speciella egenskaper. Legeringsämnen kan också vara mangan med en halt över 1 % och kisel med en halt över 0,8 %.

I den totala volymen av maskintekniska produkter står produkter tillverkade av vanligt kvalitetsstål (GOST 380-94) och högkvalitativt stål (GOST 1050-74), såväl som legerat stål (GOST 4543-71) för nästan 80%. De är billiga och har tillfredsställande mekaniska egenskaper i kombination med god bearbetbarhet och tryck.

Kolstål är det vanligaste. Deras produktion når 80% av den totala produktionen av alla stål.

Av syfte Stål är indelade i strukturella, instrumentella och med speciella egenskaper. Konstruktionsstål är de mest använda. De kan vara antingen kol (C ≤ 0,7%) eller legerade. Verktygsstål används för tillverkning av skär-, slagpressnings- och mätverktyg. De är kol (C ≥ 0,8 ... 1,3%) och legerade med krom, mangan, kisel och andra grundämnen. Stål med speciella egenskaper inkluderar rostfria, icke-magnetiska, elektriska stål, permanentmagnetstål, etc.

Efter kvalitet Stål delas in i vanliga, högkvalitativa, högkvalitativa och särskilt högkvalitativa. Skillnaden mellan dem ligger i mängden skadliga (svavel och fosfor) föroreningar. I stål av vanlig kvalitet tillåts således svavelhalt upp till 0,06 % och fosfor upp till 0,07 %; i kvalitet - varje element inte mer än 0,035%; och i högkvalitativa sådana - inte mer än 0,025%.

Enligt stelningens natur från flytande tillstånd, grad av deoxidation man skiljer på lugnt, halvtyst och kokande stål. Ju mer fullständigt syre som avlägsnas från smältan, desto lugnare fortskrider stelningsprocessen och desto mindre frigörs kolmonoxidbubblor ("kokande"). Valet av deoxidationsteknik bestäms av syftet och produktionskapaciteten, men varje metod har sina egna fördelar och nackdelar.

Frimärken vanligt kvalitetskolstål betecknas med bokstäverna St (stål) och siffror från 0 till 6, till exempel St0 – St6. Siffrorna motsvarar det konventionella märkesnumret beroende på kemisk sammansättning och mekaniska egenskaper. Ju högre siffra, desto högre kolhalt i stålet, desto högre hållfasthet och desto lägre formbarhet. Dessa stål är indelade i tre grupper - A, B och C. Grupp A-stål har garanterade mekaniska egenskaper och är inte föremål för värmebehandling, grupp A är inte indikerad i stålsorten. För grupp B-stål är den kemiska sammansättningen garanterad, för grupp B-stål garanteras den kemiska sammansättningen och mekaniska egenskaper. Kolstål av vanlig kvalitet (GOST 380-94) används för att producera icke-kritiska kroppsdelar, fästelement, formade valsade produkter (I-balkar, kanaler, vinklar) etc.

Grad av deoxidation indikeras med index till höger om märkesnumret: kp - kokande, ps - halvlugn, sp - lugn. Till exempel är stål St2kp stål i grupp A, kokande; BSt3ps – grupp B stål, halvtyst; VSt5sp – stål i grupp B, lugnt.

Stål av kolkvalitetär markerade med tvåsiffriga siffror (08, 10, 15, ..., 70), som visar den genomsnittliga kolhalten i stål i hundradelar av en procent. Dessa stål kan delas in i flera grupper. Stål 08 och 10 har hög duktilitet, kan stansas och svetsas väl. Lågkolstål 15, 20, 25 är välsvetsade och bearbetade genom skärning, och efter uppkolning och värmebehandling har de ökat slitstyrkan. De mest använda är medelkolstål 30, 35, 40, 45 och 50 på grund av deras goda kombination av hållfasthet och plastegenskaper och goda bearbetbarhet. Högkolhaltiga stål 60, 65, 70 har hög hållfasthet, slitstyrka och elasticitet och används för tillverkning av delar som fjädrar. Styrkan och hårdheten hos stål med medel och hög kolhalt kan ökas genom värmebehandling.

Legerade kallas stål i vilka legeringselement införs för att ge dem speciella egenskaper. Som regel används följande legeringsämnen: krom (Cr), kisel (Si), nickel (Ni), vanadin (W), aluminium (Al), mangan (Mg) etc. De har olika effekter på egenskaperna av stål: mangan ökar styrkan och slitstyrkan; kisel ökar stålets elastiska egenskaper; krom ökar korrosionsbeständigheten, hårdheten, styrkan, värmebeständigheten; nickel minskar den linjära expansionskoefficienten, ökar styrkan och slitstyrkan; volfram och molybden ökar styrkan och hårdheten, förbättrar skäregenskaperna vid förhöjda temperaturer.

Stål i vilka den totala halten av legeringsämnen inte överstiger 2,5 % kallas låg legering; i händelse av att innehållet av legeringsämnen är 2,5...10% - detta är legerat stål, och om legeringstillsatser är mer än 10%, kallas sådana stål höglegerat.

Legerade stål är märkta med bokstäver och siffror som anger dess kemiska sammansättning. De första siffrorna i betygen före bokstäverna anger kolhalten för konstruktionsstål i hundradelar av en procent (två siffror), och för verktygs- och specialstål – i tiondelar. Vidare består beteckningen av bokstäver som anger vilka legeringselement som ingår i stålet, och siffror omedelbart efter varje bokstav som karakteriserar den genomsnittliga halten av legeringselementet i procent. Siffror bakom bokstaven placeras inte om innehållet av legeringsämnen är mindre än 1,5 %. Legeringselement betecknas med följande bokstäver: T - titan, C - kisel, G - mangan, X - krom, H - nickel, M - molybden, B - volfram, etc. Till exempel innehåller rostfritt stål X18N10T 18 % krom, 10 % nickel och upp till 1,5 % titan; konstruktionslegerat stål 30ХГС innehåller 0,30% kol och krom, mangan och kisel upp till 1,5% vardera; Verktygslegerat stål 9ХС innehåller 0,9 % kol och krom och kisel upp till 1,5 % vardera. I stål är 30KhGS och 9KhS kisel mer än 0,8%, mangan i stål 30KhGS är mer än 1%.

Beteckningarna på vissa specialstålsorter inkluderar en bokstav framför som anger syftet med stålet. Till exempel bokstaven Ш - kullagerstål (ШХ15 - med kromhalt ≈ 1,5%), E - elektrisk, etc.

Kolstål av vanlig kvalitet i enlighet med GOST 380-94 med beteckningen St är avsedda för tillverkning av varmvalsade produkter: långa, formade, tjocka och tunna plåtar, bredband (kall tunnplåt), såväl som göt, blommor, plattor, sutunka, valsade och gjutna ämnen, rör, smide och stansningar, remsor, trådar, hårdvara, lätt belastade delar, metallkonstruktioner, alla typer av kroppsdelar, etc.

Klasserna av utländska kolstål av vanlig kvalitet och internationell standard, motsvarande ryska ST-stål när det gäller mekaniska egenskaper, anges i tabell. 2. I detta fall ligger innehållet i huvudelementen (C, Si, Mn, P, S) inom de föreskrivna intervallen.

Vid jämförelse av hållfasthets- och flytgränser ligger spridningen inom ±50 MPa.

Märken av utländska analoger av kol och låglegerat högkvalitativt konstruktionsstål ges för att jämföra resultaten av forskning av forskare från olika länder i världen (tabellerna 3 och 4).

Tabell 2

Tabell 3

Tabell 4

Stålens mekaniska egenskaper kan karakteriseras av draghållfastheten σ in och sträckgränsen σ T, vars värden starkt beror på stålets kemiska sammansättning och dess värmebehandling. Dessutom kännetecknas stål av konstanta elasticitetsmodulvärden E och Poissons förhållande μ, som oavsett märke kan antas vara lika med E=2,1∙10 5 MPa respektive μ=0,3. När andelen kol ökar ökar hållfasthetsegenskaperna och duktiliteten minskar.

Korrosionsbeständiga stålär resistenta mot korrosion. Detta är en stor grupp höglegerade stål. Krom (13...25%), ibland nickel, används som legeringselement.

Material med höga elastiska egenskaper ( vår stål) är kol- eller legeringsstål med hög kolhalt (0,5...1,1%).

Kvaliteten på stål bestäms av innehållet av skadliga föroreningar, enhetlighet i kemisk sammansättning och struktur. Skadliga föroreningar inkluderar svavel, fosfor, arsenik, syre, kväve och väte. Icke-metalliska inneslutningar i form av oxider och sulfider minskar avsevärt duktiliteten och främjar spröd brott. Deras stora partiklar med storlekar på 20 mikron och däröver minskar styrka och kontaktuthållighet, är farliga spänningskoncentratorer och minskar, under växlande belastning, utmattningsmotståndet hos delar. Här minskar evakuering av stål gashalten, utjämnar den kemiska sammansättningen och elektroslaggomsmältning av stål säkerställer identiska mekaniska egenskaper längs och tvärs valsriktningen.

Med en ökning av mängden kol ökar andelen cementit i strukturen, vilket komplicerar rörelsen av dislokationer och följaktligen utvecklingen av skjuvningsprocesser. Som ett resultat ökar styrkan men duktiliteten minskar.

I låglegerat stål med en kolhalt på upp till 0,2 % sker efter härdning och härdning härdning, och känsligheten för spänningskoncentratorer minskar.

Låglegerade stål med karbonitridhärdning har hög hållfasthet, seghet och köldbeständighet.

En reserv för att förbättra stålkvaliteten är produktionen av metalliserade pellets, som kännetecknas av sin renhet och fria från skadliga föroreningar. För att förbättra bearbetbarheten införs dessutom selen, bly, kalcium och tellur i stål.

Progressiva metoder för spiralformad och tvärgående, längsgående spiralformad kallvalsning producerar delar i form av rotationskroppar: kompressorrotorer, skruvar i köttskärningsmaskiner, lagerringar och kulor, kugghjul med räfflade tänder, borrar, skruvar, kedjehjul, stegade axlar, bussningar och ämnen för övriga delar. I det här fallet får de yttre skikten en fibrös struktur orienterad längs tandprofilen, hårdheten ökar med 1,4 - 1,5 gånger, styrkan ökar upp till 25% och utmattningsuthålligheten ökar upp till 2,2 gånger. Detta är mycket effektivare än att svarva och fräsa ett runt arbetsstycke.

Processer och utrustning har utvecklats för halvvarm och kall formsmidning och extrudering, vilket gör det möjligt att erhålla ett exakt arbetsstycke. I detta fall sammanfaller fibrernas riktningar med riktningarna för normala spänningar.

Tabell 5. Användningsområde för kolstål av ordinär kvalitet

Lågkolstål Stål 05kp, 08kp, 08ps, 08, 10kp, 10ps, 10, 15kp, 15ps, 15, 20kp, 20ps, 20, 25, 15G, 20G, 25G (GOST 7 1 används för tillverkning av) brickor, nitar, kåpor, bultar, flänsar, gafflar, kopplingar, bussningar, kilar, beslag till värmeväxlare. Efter uppkolning och cyanidering används den för tillverkning av bussningar, kedjelänkaxlar, bultar, muttrar, skruvar, kugghjul, snäckor, spindlar, kedjehjul och andra delar med hög hårdhet och slitstarka ytor.

Slitstarkt cementerat stål 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХФ, 18ХГ, 20ХН, 12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 42ХН4А, 42ХН1, 42ХН1, 42ХН Н3МА, 20ХН2М, 15Н2М, 20Н2М (GOST 4543-71) används för tillverkning av mask, splines och kamaxlar, kugghjul, bussningar, dubbar, axlar, kuggaxlar, kuggaxlar.

Kolstål 5ps och 5sp (GOST 380-88) används för tillverkning av bultar och muttrar.

Stål med titantillsatser 18KhGT, 25KhGM, 25KhGT, 30KhGT, 15KhGN2TA, 15Kh2GN2TA, 15Kh2GN2TRA, 20KhGNTR, 25Kh2GNTA (GOST 4543-71) används för tillverkning av växellådor, axlar, växlar, axlar, flitigt laddade växlar, transmissioner av transportfordon. Efter nitrering – löpande rullar och skruvar av verktygsmaskiner och andra delar från vilka minimal deformation krävs.

Stål med mikrotillsatser av bor 20KhGR, 27KhGR, 20KhNR, 20KhGNR (GOST 4543-71) används för tillverkning av kugghjul, klokopplingar, kuggaxlar, maskar, stift, rullar och bussningar.

Kol- och legeringsstål 30, 35, 30G, 35G, 40, 45, 40G, 45G, 50G, 50, 55, 40G2, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 30Х, СХ, 330, С, 33,0 ХГСА, 25 KSSA , 30KhGS, 30KhGSA,35KhGSA (GOST 1050-74) och 30KhN2MA, 38Kh2N2MA (GOST 4543-71) med olika termiska och kemisk-termiska behandlingar används för tillverkning av axlar, axlar, stoppskruvar, stift, axlar, bussningar, stänger, traverser, vevstakar, axlar, spindlar, växelgafflar, svänghjul, muttrar, bultar, ringväxlar, kugghjul, nycklar, spärrar, friktionsskivor, kolvar, kopplingar, kuggstänger, splines och växelaxlar, ankarbultar, växellåda kopplingar, axelaxlar, delar av svetsade leder, kritiska delar som utsätts för vibrationer och dynamiska belastningar. Efter härdning och härdning - stavar, traverser, spakar, presscylindrar, fästelement, axlar, höghållfasta spindlar

Höghållfasta stål 38KhN3MFA, 30KhN2MFA, 38KhN3MA, 34KHN1M, 34KHN1MA, 34KHN3M, 34KHN3MA, 35KHN1M2FA (GOST 4543-71) används för tillverkning av kugghjulsdelar, bultar, axlar, bultar, axlar lingar, särskilt kritiska delar av kompressormaskiner, rotorer, halvkopplingar och andra särskilt kritiska, tungt belastade delar.

Strukturellt kolgjuteristål 25l, 30l, 40l, 45l, 50l, 55l, 35gl, 30GSL, 40HL, 35XML, 35HGSL (GOST 977-75) används för att tillverka ett valsverk, remskivor, växellådor, växellådor, ., konsoler, balkar, svänghjul, bromsskivor, kugghjul, höljen, gafflar, kedjehjul, kompressorgafflar, vinschdelar, kopplingsringar till flytande huvuden på värmare och värmeväxlare, kopplingar till lyft- och transportmaskiner, löphjul, rullar av stor- , kvarnar med medelstora och små sektioner för valsning av mjuk metall, skivor, kugghjul, korsningar, nav, axlar, klokopplingar, axlar, käftar på krossar, spakar, löphjul, påskjutare, axlar och andra delar av allmän maskinteknik.

Höglegerade korrosionsbeständiga gjutna stål 20Х13Л, 15Х13Л, 09Х16Н4БЛ, 09Х17Н3СЛ, 40Х24Н12СЛ, 10Х18Н11БХ1, 8Х12Н8Н1212М1, 8Х12Н1, 8Х12Н, 8Х12Н Л, 35Х18Н24С2Л (GOST 2176-77) används för tillverkning av kompressorblad, skruvar, fästelement, delar som utsätts för milt aggressiva miljöer ( fuktig ånga, vattenlösningar av salter av organiska syror), höghållfasta delar för livsmedelsindustrin.

Korrosionsbeständiga stål 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2, 12Х17, 15Х17AG14, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т, 08Х18Т1, 18Х120, 8Х120, 8Х1205, 8Х120 18Г8Н2Т, 10Х17Н13 М2Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т, 03Х17Н14М3, 03Х16Н15М3, 03Х15 16, 03Х15 163, 03Х15 16 Х11Н2В2МФ, 16Х11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ, 31Х9Н 9MVB ( GOST 5632-72) används för tillverkning av skärverktyg, skivor, axlar, bussningar, utrustning för livsmedelsbearbetningsanläggningar, konservfabriker, kött- och mejeriindustrier, rör för värmeväxlingsutrustning och delar av kompressormaskiner.

Värmebeständigt stål 08Х18Н10, 12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 40Х9С2, 12Х17, 08Х17Т1, 08Х17Т1, 08Х17Т1, 08Х17Т1, 01 , 15Х28 (GOST 5632-72) används för tillverkning av värmeväxlare, adsorptionstorn.

Nitrerat stål 38Х2МУА (GOST 4543-71) används för tillverkning av bussningar och växlar.

Förbättrade stål 40, 50 (GOST 8479-70) används för tillverkning av stavar, schackel, krokar, traverser, axlar, kopplingar, kedjehjul, cylindrar, spakar.

Låglegerat stål 14G2AF (GOST 19282-73) används för tillverkning av kranfackverk för traverser.

Tabell 6. Fysiska och mekaniska egenskaper

Termen "järn-kol-legeringar" används för att beteckna en stor grupp metallegeringar, vars grund är järn - stål. Trots utvecklingen av nya och enastående material under det senaste decenniet är järnlegeringar fortfarande de viktigaste och mest använda metallmaterialen som används i industriell praxis. Deras antal över hela världen är tio gånger större än mängden av alla andra metalliska material tillsammans.

Järn-kollegeringar – stål

Populariteten av stål kan förklaras av flera faktorer:
1) Malmerna som järn produceras ur är bland de mest tillgängliga mineralerna som finns i jordskorpan. Cirka 4,2 % av jordskorpan består av olika järnmalmer. Järn kan utvinnas ur dessa malmer med relativt enkla och billiga metoder jämfört med andra metaller.
2) Smältpunkten för rent järn är 1536 °C. Under denna temperatur finns järn i form av olika modifieringar - alfajärn, gammajärn och deltajärn - i olika temperaturområden. Därför finns det många olika termiska processer - och vid inte för höga temperaturer - som gör det möjligt att med fördel modifiera egenskaperna hos järnlegeringar över ett mycket brett område.
3) Under en temperatur på 769 ° C - Curie-punkten - blir järn ferromagnetiskt, vilket gör det möjligt att använda stål i många elektriska tillämpningar.

Legeringselement som föroreningar

Järnlegeringar, förutom järn självt - huvud- eller basmetallen - innehåller alltid kol, som är det huvudsakliga legeringselementet för dem. Stål innehåller vanligtvis även andra grundämnen i små mängder. Under järn- och stålproduktionsprocessen innehåller alla stål oundvikligen en del mangan, kisel, svavel och fosfor. Dessa element kommer in i metallen som föroreningar från råvaran eller förbränningsprodukterna. I vissa fall tillsätts dessa element till råmaterialet avsiktligt för att erhålla legeringens speciella egenskaper.

Därför kan vi dra slutsatsen att järnlegeringar är flerkomponentmetallegeringar. Men så länge som mängderna av dessa grundämnen inte överstiger de oundvikliga nivåerna som är förknippade med produktionen av järn och stål (0,05-0,4% kisel - 0,15-0,7% magnesium - 0,035% svavel och fosfor), har de inte en signifikant påverkan på jämviktsfasdiagrammet för en tvåkomponentslegering i järn-kolsystemet. För vanliga, olegerade järnlegeringar anses därför ett tvåkomponents-, det vill säga binärt jämviktsdiagram av järn-kol, vara giltigt.

Järnmodifieringar - Värmebehandlingsspak

Smältpunkten för rent järn är 1536 °C. I fast tillstånd har rent järn tre allotropa modifikationer, nämligen:
— Deltajärn – kroppscentrerad kubisk kristallstruktur i intervallet från 1392 till 1536 °C.
- gammajärn - ansiktscentrerad kubisk kristallstruktur i intervallet från 911 till 1392 ° C;
- alfajärn - kroppscentrerad kubisk kristallstruktur vid temperaturer upp till 911 ° C.

Bland alla allotropa transformationer spelar transformationerna alfa → gamma och gamma → alfa den viktigaste rollen. Det är dessa omvandlingar som ger den teoretiska grunden för de flesta värmebehandlingsprocesser.

Järn bildar fasta lösningar med många icke-metalliska element. Det bildar substitutionslösningar med krom, nickel, kobolt och vanadin, medan det med kol bildar en mycket viktig interstitiell lösning.

Kol och järn

Lösligheten av kol i alfajärn - ferrit - är mycket låg - vid rumstemperatur endast 0,006%. I gammajärn - austenit - är järnets löslighet flera storleksordningar högre - 2,06% vid en temperatur på 1147 °C.

Järn bildar inte bara fasta lösningar med kol, utan metallföreningar. En ersättningsförening av järn och kol är järnkarbid - cementit - Fe 3 C. Den huvudsakliga egenskapen hos järnkarbid är dess höga hårdhet (Vickers hårdhet ca 900) och höga bräcklighet. Järnkarbid lämpar sig praktiskt taget inte för någon deformation. Smältpunkten för järnkarbid är 1250 °C. Järnkarbid kan inte betraktas som en jämviktsfas. Under vissa förhållanden bryts det ner i sina komponenter - järn och kol. Detta kol – grafit – är redan en jämviktsfas.

Innehållet i artikeln

SVART METALL, järn och dess legeringar, de viktigaste konstruktionsmaterialen inom teknik och industriell produktion. Legeringar av järn och kol, så kallade stål, används för att tillverka nästan alla strukturer inom maskinteknik och tung industri. Bilar, lastbilar, verktygsmaskiner, järnvägar, fartygsskrov och framdrivningssystem är alla tillverkade i huvudsak av stål. Omfattningen av stålproduktion är en av de viktigaste egenskaperna hos statens allmänna tekniska och ekonomiska utvecklingsnivå. Stål står för cirka 95 % av alla metallprodukter.

när temperaturen på den fallande blandningen av malm och koks når 600–700 ° C. Som ett resultat bildas fast men poröst järnsvamp som sedan smälts i den nedre, varmare delen av masugnen (smedjan).

Om en masugn kunde laddas med ren järnoxid och kol och renas med rent syre, så skulle masugnens termokemi reduceras till de enkla ekvationerna skrivna ovan. Faktum är att luften som blåses in innehåller mer kväve än syre, och malmen kan innehålla över 50 % karga mineraler (gäng), främst silikater. Kväve passerar genom ugnen utan att reagera, men med silikater är situationen mer komplicerad. För att kunna separera silikaterna från järnet och ta bort dem från ugnen måste de vara flytande. Silikater som finns i järnmalm bildar smält slagg när de reagerar med kalk CaO. För att göra detta laddas kalksten CaCO 3 i ugnen tillsammans med malmen i erforderlig proportion. Kalksten, eller "flux", sönderdelas i toppen av ugnen enligt reaktionen

bildning av kalk som är nödvändig för att omvandla silikatföroreningar från järnmalm till flytande slagg. En masugn producerar nästan lika mycket slagg som tackjärn. När slaggen hårdnar förvandlas den till ett mörkt, glasartat material som tidigare ansamlats i stora slaggdeponier nära stålbearbetningsanläggningar. Numera används slagg för att tillverka ballast till betong, järnvägsballast, slaggull och halkbeläggning för motorvägar.

Av ovanstående följer grundkraven för utformningen av en masugn. Den måste ge kontinuerlig laddning av bränsle, malm och flussmedel ovanifrån, kontinuerlig tillförsel av luft och periodiskt avlägsnande av flytande produkter underifrån. Ugnen måste vara tillräckligt hög för att tillåta nödvändiga kemiska reaktioner. Luft blåses in i ugnen genom munstycken placerade i dess nedre del och stiger uppåt genom laddningen. Det reducerade järnsvampen och slaggen smälts på skuldernivå, i den bredaste delen av ugnen, och vätskan ansamlas i smedjan, nedanför formorna. I smedjan stansas med jämna mellanrum ett tapphål tätat med lera för att frigöra metall och (något högre) ett slagghål.

Reduktionen av järnoxid till järnsvamp och nedbrytningen av kalkstensflöde sker i schaktet - huvuddelen av masugnen - under processen med långsam sedimentering av laddningen. Laddningen börjar värmas upp i toppen - den övre änden av skaftet. Koldioxid och kväve släpps kontinuerligt ut genom en bred rökkanal från toppen. Eftersom under normal drift av en masugn gastrycket i ugnen är högre än atmosfärstrycket, kan den övre änden av ugnen inte bara öppnas för laddning, annars kommer gastrycket att sjunka och finmalda komponenter i laddningen kommer att blåsas ut av ugnen. För att förhindra detta tillhandahålls en dubbelkon slussfyllningsanordning. Den nedre konen höjs så att den tätt täcker lasthålet och sedan sänks den övre för lastning. Efter detta höjs den övre könen igen, tätar ingången till ugnen, och efter att ha sänkt den nedre leds en del av laddningen (colosh) in i rökkanalen.

En modern masugn är en stor struktur. Höjden på en ugn som producerar 1000 ton tackjärn per dag är cirka 30 m, och diametern på axelnivån är ca. 8 m. Ugnen är installerad på ett betongfundament, på vilket det eldfasta tegelverket läggs i ett stålhölje. Den nedre delen av denna struktur kyls med vatten.

Oavsett hur imponerande storleken på masugnen är, är den i sig bara en liten del av järnsmältverket. För dess normala drift behöver vi också en separering av laddningsmaterial, lyftanordningar för att ladda ugnen, pumpar för tillförsel av luft (blåsning) och luftvärmare (kupare), slaggbärare och ett gjuteri eller mottagningssystem för smält metall. Bandtransportörer används ibland för att lasta masugnar, men oftare tillförs malm, bränsle och flussmedel med skiphissar - små fartyg (skip) som rör sig på hjul längs lutande skenor från de nedre påfyllningstrattarna till den övre lastplattformen, där de automatiskt förflyttas. tippade, lossning i en mottagande trattfyllningsapparat.

Effektiviteten hos en masugn ökar avsevärt när man använder varmblästring. Luften som tillförs formorna förvärms till en temperatur som kan nå 1000°C. Uppvärmning sker i cowpers, som var och en inte är mycket mindre i storlek än själva masugnen. Cowpern är ett vertikalt cylindriskt stålhölje med ett invändigt "schackbräde"-munstycke tillverkat av eldfast tegel.

Gasen som släpps ut från den övre änden av en masugn innehåller kolmonoxid och andra gaser som kan brinna. Denna gas tillförs genom breda lutande gaskanaler till den nedre delen av cowpern, där den, efter att ha passerat genom ett dammfilter, förbränns i förbränningskammaren. Förbränningsprodukter stiger uppåt och värmer tegelmunstycket. När munstycket är tillräckligt uppvärmt stängs tillförseln av bränsle och gas till förbränningskammaren av och fläktarna sätts på, som driver luft genom cowpern in i masugnsformarna. För varje masugn tillhandahålls vanligtvis fyra cowpers: två är uppvärmda och de andra två levererar varmbläster. Gas- och luftflödena växlas periodiskt så att den inställda blästringstemperaturen kontinuerligt upprätthålls.

Det finns ett antal sätt att ytterligare förbättra effektiviteten hos en masugn. En av dem är drift vid ett tryck av inre gaser dubbelt så högt som atmosfärstrycket. Detta förbättrar produktiviteten med cirka 15 % och minskar koksförbrukningen med cirka 10 %. De ekonomiska fördelarna med ökad produktivitet uppvägs något av kostnaden för större fläktutrustning och den eventuella minskningen av livslängden för det eldfasta murverket.

När smältning frigörs från en masugn flyter slagg ut ur tapphålet och metall strömmar ut ur tapphålet nedanför. Tidigare hälldes slagg i slaggbilar – stora hinkar på järnvägsvagnar – som fraktade den ostelnade slaggen till soptippar. Numera förs slaggen vanligtvis till en processanläggning som ligger intill masugnen, där den kyls med vatten och granuleras, därefter används den som ballast till betong m.m.

Den flytande metallen som strömmade från tapphålet leddes genom rännor förberedda i en "sandbädd" framför ugnen. Från rännorna spred sig den längs långsträckta sidofördjupningar i sanden, där den stelnade i form av tackor som kallas tackor (på grund av deras likhet med många smågrisar som diar en sugga). Även om sandgjutning inte längre används kallas metallen som smälts i masugnar fortfarande tackjärn (begreppet "bajonett"-gjutjärn används också). Numera, när tackjärn krävs, hälls den smälta metallen i stålformar som rör sig kontinuerligt framför masugnen på ett transportband. När metallen härdar vänds formarna och, befriade från grisarna, återlämnas för nästa gjutning. För att förhindra att gjutjärn fastnar i formarna är de belagda med stenkolstjära eller kalk.

Gjutjärn.

Legeringen av järn, kol och kisel smält i en masugn har en smältpunkt på ca. 1150°C. I smält tillstånd fyller gjutjärn enkelt gjutformar av vilken konfiguration som helst. Därför är den mycket lämplig för att göra många typer av produkter.

De huvudsakliga produktionsmedlen i ett järngjuteri är smältugnen, produktmodeller och formmaterial. Den enklaste av smältugnar är kupolugnen, d.v.s. en liten ugn av schakttyp fodrad med eldfast tegel. I dess nedre del finns munstycken, och i den övre delen finns en skorsten för avgaser. Bränsle och gjutjärn laddas genom sidohålet, ugnen tänds och blästringen sätts på. Det smälta gjutjärnet samlas upp på en härdplatta och släpps ut genom ett kranhål vid behov. I större järngjuterier smälts tackjärn i efterklangsugnar.

För att erhålla gjutgods av god kvalitet behövs ingen mycket komplex utrustning. Det första steget är att göra en modell av produkten. Modellen är gjord av trä av en erfaren modelltillverkare, vilket ger hänsyn till gjutjärnets krympning under härdning. Gjuteriformar för järngjutgods är gjorda av en formblandning (lera och sand), som är klibbig men porös. Modellen placeras inuti en delad ram bestående av "flaskor", och kolvarna är fyllda med formsand. Sedan separeras kolvarna och modellen tas bort. När de sätts ihop igen skapar formsanden en formhålighet som exakt matchar modellen. Allt som återstår är att göra inloppshål och kanaler genom vilka flytande gjutjärn kan rinna in i formhålan.

När den har torkat är formen redo att hällas. Om hällningen går bra, fyller det flytande gjutjärnet alla tomrum i formen och lämnar inga luftbubblor. När gjutjärnet härdar, "skalas gjutgodset", vilket bryter formen. I många fall, för att "avsluta" produkten, räcker det att jämna ut de ojämna kanterna på gjutgodset genom slipning.

Tackjärn, som oftast används för gjutning, kallas för grått gjutjärn, eftersom dess yta ser grå ut, till och med sotig, när den går sönder. Detta utseende förklaras av den höga kolhalten (cirka 4%) som finns i järn i form av grafitflingor. Grått gjutjärn är flytande, har låg smältpunkt och absorberar även vibrationsenergin bra – en gjutjärnsklocka ringer inte. Tack vare detta är gjutjärn lämpligt för tillverkning av pianoramar, valsverksbäddar, svarvar, fräsning och andra maskiner. En mycket vanlig produkt gjord av grått gjutjärn är cylinderblocket i en bilmotor; Gjutjärn för denna applikation är bra eftersom det är billigt och lätt kan hällas i formar med komplexa konfigurationer.

Även om grått gjutjärn är starkt är det skört och går lätt sönder när det utsätts för en kraftig stöt. Därför används ofta formbart gjutjärn istället. Gjutgods av formbart järn tillverkas i två steg. Först görs en gjutning av vitt gjutjärn med en relativt låg kol- och kiselhalt. Sådant gjutjärn är mycket ömtåligt, men efter högtemperaturglödgning i 24 timmar ökar dess duktilitet avsevärt. Ökningen i duktilitet beror på omfördelningen av kol i metallen som sker under glödgningen. I vitt gjutjärn finns kol i form av järnkarbid Fe 3 C. Under glödgningsprocessen sönderdelas karbiden till järn och grafit. Denna grafit har formen av små sfäriska inneslutningar, som, separerade från varandra, nästan inte minskar duktiliteten hos den omgivande järnmatrisen. Segjärn används för att tillverka rördelar och järnvägsutrustning.

STÅL

Till en början byggdes masugnar främst för att smälta gjutjärn. Senare fann man sätt att bearbeta gjutjärn till smide och masugnsmetall blev utgångsmaterialet för sådant järn. Med utvecklingen av storskalig, lågkostnadsstålproduktion baserad på Bessemer- och Siemens-processerna blev det ekonomiskt genomförbart att omvandla masugnsstackjärn till stål. För närvarande används nästan allt gjutjärn från masugnar för denna process. Stål är ett särskilt värdefullt konstruktionsmaterial som kan formas till praktiskt taget vilken form som helst genom valsning, stansning, pressning, gjutning eller bearbetning. Genom legering och värmebehandling är det möjligt att erhålla stål med en mängd olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Till exempel är vissa stål så mjuka att de kan bearbetas med enkla handverktyg, medan andra är så hårda att de tillåter skärning av glas.

PROCESSER FÖR STÅLPRODUKTION

Vid omvandling av gjutjärn som smälts i en masugn till stål avlägsnas nästan allt kol och allt kisel från det genom oxidation. Mangan, nickel eller krom kan tillsättas som legeringsämnen. För närvarande har den huvudsakliga metoden för att bearbeta tackjärn smält i en masugn blivit syreomvandlarprocessen, även om processen med öppen härd fortfarande används på vissa ställen.

En viktig egenskap hos stålproduktionen är den relativa lättheten att återanvända. Både syrgasomvandlaren och ugnen med öppen spis kan arbeta med en stor andel stålskrot (skrot), och den elektriska ugnen kan arbeta med bara skrot. Detta är särskilt viktigt nuförtiden, när problemet med avfallshantering har blivit mer akut.

Kostnaden för återanvändning beror till stor del på kvaliteten på metallskrotet. Metallskrot som innehåller tenn eller koppar är oönskat vid ståltillverkning eftersom dessa svåravlägsnade metaller försämrar stålets mekaniska egenskaper. Det största värdet är stort metallskrot, vars ursprung är känt. Vissa kvantiteter av sådant skrot kommer från metallbearbetningsanläggningar, och ännu mer - efter demontering av föråldrad fabriks- och järnvägsutrustning och skärning av sjö- och flodfartyg till metallskrot. Skrot i form av begagnade bilar och matbehållare är mindre värt, eftersom det med största sannolikhet innehåller koppar och tenn.

Legeringselement tillsätts vanligtvis stål i form av ferrolegeringar. Ferrolegeringar innehåller betydande mängder järn, som fungerar som en bärare av legeringselement. De viktigaste ferrolegeringarna inkluderar ferromangan (som spegel eller spegelgjutjärn), nödvändiga för alla stål; ferrokisel, som används för att producera stål med speciella magnetiska egenskaper och för deoxidation av stål som smälts i elektriska ugnar; ferrokrom och ferrovanadium. Nickel tillsätts som ren metall.

Omvandlarprocess.

Under första hälften av 1900-talet. Den ursprungliga Bessemer-processen förlorade gradvis sin tidigare betydelse. Faktum är att värmen som frigörs i Bessemer-omvandlaren inte räcker för att smälta metallskrot - en billigare råvara än varm metall från en masugn. Det snabba smältflödet i Bessemer-omvandlaren gjorde det omöjligt att analysera stålet och justera dess sammansättning i enlighet med specifikationerna. Processen med öppen härd tillåter en betydande andel metallskrot i ugnsladden, och reaktionerna i den fortskrider tillräckligt långsamt så att det är möjligt att utföra analys under smältningsprocessen och korrigera sammansättningen innan metallen frigörs.

Men på 1950-talet kom omvandlarens ståltillverkningsprocessen till liv igen och under de kommande 35 åren ersatte den öppna härdprocessen helt och hållet eftersom teknik utvecklades för att producera billigt, rent syre, vilket möjliggjorde omvandlingen från luft till syrgasblåsning i omvandlaren. Enligt denna teknik produceras syre i kvantiteter mätt i ton genom fraktionerad destillation av flytande luft; stålproduktion kräver syre med en renhet på 99,5 %.

Luft är 80 % kväve, och kväve är en inert gas som inte deltar i reaktionerna vid tillverkning av konverterstål. I Bessemer-omvandlaren blåses således en stor mängd värdelös gas genom den smälta metallen. Men det räcker inte – en del av kvävet löser sig i stålet. Den efterföljande frisättningen av löst kväve i form av nitrider kan leda till åldrande efter deformation - en gradvis minskning av duktiliteten, vilket leder till svårigheter under tryckbehandling. Denna typ av svårighet försvinner om metallen i omvandlaren inte blåses med luft, utan med rent syre. Men en enkel övergång från luft till syre i en Bessemer-omvandlare är oacceptabel, eftersom omvandlaren snabbt kommer att misslyckas på grund av den starka uppvärmningen av munstyckena. Detta problem löstes enligt följande: syrgasblåsning tillförs ytan av smält gjutjärn genom ett vattenkylt rör. 1952 lanserades en 35-tons omvandlare av denna typ framgångsrikt i den österrikiska staden Linz vid VOEST-fabriken. Denna teknik, som kallas LD-processen (en akronym för Linz och R. Durrer, ingenjör på företaget), utvecklades senare till syreomvandlarprocessen. Den snabba oxidationsreaktionen i omvandlarladdningen, kännetecknad av ett lågt förhållande mellan ytarea och volym, minimerar värmeförlusten och tillåter upp till 40 % metallskrot att införas i laddningen. Syrgasomvandlaren kan producera 200 ton stål var 45:e minut, vilket är 4 gånger produktiviteten hos en öppen ugn.

Top-purge oxygen-omvandlaren är ett päronformat kärl (med en öppen, smal topphals) med en diameter på ca. 6 m och höjd ca. 10 m, fodrad från insidan med magnesia (huvud)tegel. Detta foder tål cirka 1500 värme. Omvandlaren är utrustad med sidostift fästa i stödringar, vilket gör att den kan lutas. I omvandlarens vertikala läge är dess hals placerad under avgashuven på rökavgasspisen. Ett sidoutlopp på ena sidan gör att metallen kan separeras från slaggen när den dräneras. I en konverterverkstad finns vanligtvis en lastplats bredvid konvertern. Flytande tackjärn från masugnen transporteras hit i en stor slev och metallskrot samlas i stålkärl för lastning. Allt detta råmaterial överförs till omvandlaren med en travers. På andra sidan om konvertern finns en gjutfack, där det finns en mottagningsskänk för smält stål och järnvägsvagnar för att transportera den till gjutplatsen.

Innan syrgasomvandlarprocessen börjar lutas omvandlaren mot lastplatsen och metallskrot hälls genom halsen. Flytande metall från masugnen innehållande ca 4,5 % kol och 1,5 % kisel hälls sedan i omvandlaren. Metallen avsvavlas först i en slev. Omvandlaren återförs till vertikalt läge, en vattenkyld lans införs ovanifrån och syretillförseln slås på. Kol i gjutjärn oxideras till CO eller CO 2 och kisel oxideras till dioxid SiO 2. Kalk tillsätts längs "choken" (laddningsbrickan) för att bilda slagg med kiseldioxid. Upp till 90 % av kiseln i gjutjärn avlägsnas med slaggen. Kvävehalten i det färdiga stålet reduceras kraftigt på grund av spolverkan av CO. Efter cirka 25 minuter upphör blåsningen, omvandlaren lutar något, ett prov tas och analyseras. Om justeringar är nödvändiga kan du återställa omvandlaren till vertikalt läge igen och föra in en syrgaslans i halsen. Om smältans sammansättning och temperatur uppfyller specifikationerna lutas omvandlaren mot gjutfacket och stålet dräneras genom utloppet.

Utöver syrgasomvandlarprocessen med topprening finns en syrgasomvandlarprocess med tillförsel av syre i en bränsleström genom omvandlarens botten. Tuyersna i botten av omvandlaren skyddas av samtidig spolning av naturgas. Denna process är snabbare och mer produktiv än toppblåsningsprocessen, men mindre effektiv vid smältning av metallskrot. Bottenblåsning kan dock kombineras med toppblåsning.

Öppen härdugn.

Som redan nämnts används fortfarande ståltillverkning med öppen härd i ett antal länder, även om den gradvis ersätts av syrekonverteringsprocessen. En öppen härdugn rymmer vanligtvis 500 ton stål. Den har ett brett, grunt undergolv och ett lågt välvt valv som reflekterar värme mot undergolvet. Gas och luft förs in från ena änden och bränns ovanför härden. Ju lägre kolhalt, desto högre smältpunkt. För att uppnå den temperatur vid vilken stål med minsta kolhalt smälter används principen om värmeåtervinning. I båda ändar av ugnen finns regenereringskammare med samma tegelpackning som i masugnskovarna. Förbränningsprodukter leds genom en av dessa kammare. När fodret är tillräckligt uppvärmt, vänds flödesriktningen genom ugnen om. Den inkommande luften och gasen absorberar värme från munstyckets tegelstenar, och avgaserna värmer den andra kammaren. Detta uppnår bränslebesparingar och ökar driftstemperaturen.

En öppen härdugn är en stor struktur, och processen att smälta stål tar ganska lång tid. Det tar ca att ladda ugnen med malm, metallskrot och gjutjärn. 5 timmar, 4 timmar för smältning och ytterligare 3-4 timmar för förädling och justering av stålets slutliga sammansättning Gjutjärn och metallskrot kan belastas i olika proportioner beroende på behov och ekonomiska överväganden.

Den termokemiska processen att smälta stål i en ugn med öppen spis är komplex. Som redan nämnts är de viktigaste föroreningarna av tackjärn kisel Si, kol C, svavel S och fosfor P.

Kisel reagerar med järnmalm [järn(III)oxid Fe 2 O 3 ], vilket resulterar i kiseldioxid SiO 2 och järn:

Kolet brinner, bildar kolmonoxid CO och reducerar järn från malmen:

Också fosfor, som bildar fosforpentoxid P 2 O 5, frigör järn från malmen:

Svavel, som reagerar med kalk CaO och kol, bildar kalciumsulfid CaS och kolmonoxid CO:

Kalciumsulfid och fosforpentoxid förvandlas till slagg som flyter på ytan av det renade järnet. Slaggen är huvudsakligen kalciumsilikat CaSiO 3, bildad vid reaktionen av kiseldioxid med kalk:

Under smältningsprocessen ägnas inte mindre uppmärksamhet åt slaggen än till själva stålet, eftersom bra stål erhålls som ett resultat av reaktioner mellan slaggen och metallen.

Elektrisk ugn.

Elektriska ugnar användes från början endast för smältning av högkvalitativa verktyg och rostfria stål, som tidigare smältes i deglar. Men så småningom började elektriska ugnar spela en viktig roll i produktionen av lågkolhaltigt stål från skrot i de fall där upparbetning av tackjärn från en masugn inte krävs. För närvarande ca. 30 % av det oraffinerade stålet smälts i elektriska ugnar. Elektriska ljusbågsugnar är de vanligaste. Under ljusbågsugnen är ståltillverkningsugnen fodrad med eldfast tegel, taket kyls av vatten och kan flyttas åt sidan för att ladda ugnen. Kolelektroder förs in genom tre hål i taket. En ljusbågsurladdning antänds mellan elektroderna och metallskrotet på ugnsgolvet. I en stor ugn kan ljusbågsströmmen nå 100 000 A.

Stålsmältning sker vanligtvis enligt följande. Ugnens tak flyttas åt sidan och metallskrot laddas försiktigt under ugnen. Efter detta återförs bågen till sin plats och elektroderna sänks så att de inte når toppen av det laddade metallskrotet med 2–3 cm. Tänd ljusbågen och öka gradvis kraften när fyllmedlet smälter. Syre införs i ugnen för att oxidera kol och kisel i laddningen, och kalk införs för att bilda slagg. I detta skede är smältkemin densamma som i den grundläggande syreprocessen. I slutet av oxidationsperioden tas ett prov, analyseras och vid behov justeras sammansättningen. Sedan stängs ljusbågen av, elektroderna höjs, ugnen lutas och stålet släpps ner i skänken.

Den elektriska ståltillverkningsprocessen finner också viktiga tillämpningar vid vakuumsmältning av stål. För detta används vanligtvis induktionselektriska ugnar. Stålet placeras i en grafitdegel omgiven av en kopparinduktorspole. Induktorn matas med högfrekvent växelspänning. Virvelströmmar som induceras av en induktor i en grafitdegel värmer upp den, eftersom resistiviteten hos grafit är ganska hög. Om degeln med induktorn placeras i en vakuumkammare, befrias stålet, som smälter i ett vakuum, från syre och andra lösta gaser. Resultatet är mycket rent stål, fritt från oxider. Vakuumsmältning är dyrt och används endast i de fall där särskilt starkt och pålitligt stål krävs, till exempel för flygplans landningsställ. Förbättringen av stålets mekaniska egenskaper till följd av vakuumsmältning är förknippad med frånvaron av oxidpartiklar, som ofta initierar sprickor i konventionellt stål.

Stålgjutning.

Det sista steget i den ovan beskrivna tillverkningsprocessen är gjutning av stålet till individuella göt eller till ett kontinuerligt göt. För att få individuella tackor hälls stål i massiva gjutjärnsformar. När stålet har stelnat separeras tackorna från formarna och överförs medan de fortfarande är heta till uppvärmningsbrunnen. Här hålls stora mängder göt vid höga temperaturer tills de är klara för rullning.

Att hälla stål i formar, "strippa" göten (separering från formarna), flytta dem till en uppvärmningsbrunn och efterföljande borttagning för valsning kräver många transport- och hanteringsoperationer, vilket kan undvikas genom metoden att stränggjuta till ett göt av nästan slutlig form. Stålet hälls i en vattenkyld kopparform, i vilken stelningen börjar från den yttre ytan. Stålet som dras från formen kyls ytterligare tills det stelnar helt med vatten som sprutas av munstycken.

Tryckbehandling.

Stålgötet måste ges en form som lämpar sig för användning av stål som konstruktionsmaterial. Oftast bearbetas göt genom varmvalsning (efter lämplig förberedelse). Med denna metod förlängs och förtunnas en platt ämne (platta), som passerar mellan horisontella rullar som drivs av kraftfulla elmotorer. Kvarnen för den första valsningen av heta ståltackor kallas en krimpverk. Götet införs mellan valsar som är inställda för att minska tjockleken något. Efter den första passagen omkastas rullarnas rotationsriktning, avståndet mellan dem minskar och götet passerar genom dem i motsatt riktning. Denna process upprepas många gånger, vilket resulterar i ett tunnare och längre göt. Samtidigt elimineras gjutningsinhomogeniteter hos metallen. Varmvalsning homogeniserar stålet och ökar dess seghet.

Genom kontinuerlig valsning mellan släta cylindervalsar omvandlas götet till plåt. Profilerade rullar producerar långa produkter av olika profiler: enkla (cirkel, kvadrat, triangel, remsa), formade (skenor, I-balkar, kanaler, vinkeljärn) och speciella (hjul, däck, etc.). Om slutprodukten har mycket snäva dimensionstoleranser kallvalsas den som ett sista steg. I detta fall reduceras arbetsstyckets dimensioner först till ungefär de erforderliga dimensionerna genom varmvalsning, och sedan kyls stålet till rumstemperatur och passerar färdigt genom valsarna. Som ett resultat kommer det ut ur rullarna med en ren och blank yta av god kvalitet.

Vissa former kan inte framställas genom rullning; i detta fall används smide och stämpling. Metoder för att ändra formen på metaller genom smide var kända i antiken. Dess moderna metoder kännetecknas av en stor skala - användningen av hammare och pressar med ång- eller hydraulisk drivning, såväl som stansar och stansar. Metallämnet placeras i ett hålrum bildat av två härdade stålformar. När formarna komprimeras flyter den uppvärmda metallen i arbetsstycket, fyller hålrummet och tar den önskade formen.

Kvalitetskontroll av stål.

Kvalitetskontroll är av största vikt vid tillverkning av färdiga produkter. Defekter i valsat stål kan orsakas av icke-metalliska inneslutningar och porositet. Därför genomgår stål för alla kritiska ändamål vid utgången från rullningsverkstaden oförstörande testning. De viktigaste metoderna för sådan kontroll är ultraljud och magnetisk detektering.

Datorstyrning.

En stor minskning av arbetsintensiteten kan uppnås genom att använda datorer i automatiserade styrsystem (ACS) för stålvalsning, masugnsproduktion, arbetsplanering i verkstaden m.m. Övervakningskontroll med en höghastighetsdator som central styrenhet är nödvändig för kontinuerliga processer, särskilt eftersom sådana processer är enklare än diskreta och är lättare att automatisera. Den snabbflytande syrgasomvandlarprocessen, en av de mest lovande metoderna för kontinuerlig stålproduktion, kräver också ett datorövervakat automatiserat styrsystem.

STÅL EGENSKAPER

Genom att variera sammansättningen är det möjligt att få stål med mycket olika egenskaper - legerat, rostfritt, verktyg. Det produceras mer kolstål än alla andra typer. Kolstål är en legering av järn med kol och mangan. Som nämnts tillsätts mangan för att dämpa de skadliga effekterna av syre och svavel som finns i stålet. Kol bestämmer stålets mekaniska egenskaper. Kolhalten i stål kan variera från 0,1 till 1,2 %. Stål som innehåller 0,1–0,3 % kol är ganska starkt och ganska formbart. Valsat stål av denna typ i form av en I-sektion används som konstruktionsbalkar. Tunna plåtar av lågkolhaltigt stål används för att tillverka bilkarosser och plåtburkar.

En av de viktigaste egenskaperna hos stål är att dess egenskaper kan ändras över ett mycket brett område genom att bara ändra kolhalten. Ju mer kol i stål, desto större är dess draghållfasthet, men desto mindre duktilitet, d.v.s. deformation till misslyckande. Olegerat stål med medelhög kolhalt lämpar sig för produkter som kräver hållfasthet och slitstyrka, såsom skenor. Stålet, som innehåller cirka 0,8 % kol, kan härdas tillräckligt för att göra det lämpligt för tillverkning av skärande verktyg som borrar och knivar. Stål med ännu högre kolhalt fungerar som material för rakblad; det måste vara mycket hårt och slitstarkt, men det kräver inte mycket seghet.

Värmebehandling av stål.

Värmebehandling kan avsevärt förändra stålets mekaniska egenskaper. För vissa applikationer värms den upp och härdas sedan genom snabb kylning. I glödgat tillstånd (det vill säga efter långsam kylning) är stål, även med högt kolinnehåll, tillräckligt formbart så att det kan formas till önskat verktyg eller annan produkt. Det härdas då oftast. I detta fall kan stålets draghållfasthet öka med 10 gånger, och duktiliteten kan minska med samma mängd. Ju mer kol i stålet, desto högre hårdhet efter härdning. Härdat specialstål är lämpligt för skärning av alla utom de hårdaste metallerna.

Det finns tre viktiga punkter i värmebehandling. Först värms stålet till en hög temperatur (vanligtvis glödhett, även om kvaliteter med den högsta kolhalten kräver vit värme). Denna uppvärmning följs av snabb kylning - härdning - varefter stålet återupphettas, men nu till en relativt låg temperatur - "härdat". Vid första uppvärmningen bildas en fast lösning av kol i järn. Om stålet efter sådan uppvärmning långsamt kyls (glödgas) kommer det lösta kolet att falla ur lösningen i form av kolkarbidpartiklar, vilket lämnar stålet ganska mjukt. Under härdningen svalnar stålet så snabbt att järnkarbiden inte hinner separera från lösningen. Eftersom kolatomerna är för stora för utrymmena mellan järnatomerna, är kristallstrukturen i det härdade stålet kraftigt deformerat. Denna struktur kallas martensitisk; det motsvarar extremt hög hårdhet och sprödhet. För att minska sprödheten härdas härdat stål, d.v.s. värms upp till en temperatur på 200–600 ° C, når inte röd värme, och efter viss exponering kyls den igen. Med sådan uppvärmning sker partiell sönderdelning av martensit med utfällning av överskott av kol från lösningen. Ju högre anlöpningstemperatur, desto fler sådana utfällningar och desto mjukare (och mer formbart) stål. Vilken hårdhetsgrad som helst kan erhållas genom lämplig härdning. Den erforderliga graden av härdning beror på stålets syfte. Om du till exempel släpper ett knivblad för mycket blir det snabbt matt. Om du inte släpper den tillräckligt mycket kommer den att bli för ömtålig och smula sönder.

Den viktigaste delen av värmebehandlingen är härdning. Det måste utföras tillräckligt snabbt för att förhindra nedbrytning av den fasta lösningen av kol i järn som bildas vid förhöjda temperaturer. För att göra detta kan stål uppvärmt till röd värme doppas i kallt vatten. Men endast en relativt liten volym stål kan kylas snabbt. Tillfredsställande härdning av olegerat stål är möjlig endast med en tjocklek som inte överstiger cirka 1,5 cm, vilket avsevärt begränsar möjligheterna att använda olegerat stål i olika stora maskiner och mekanismer. Denna svårighet försvinner vid användning av legerat stål.

Legerade stål.

Om några procent nickel, krom eller molybden tillsätts stål kan det härdas till martensitiskt tillstånd med en mycket lägre kylhastighet än vad som krävs för olegerat stål. Faktum är att en fast lösning av till exempel nickel och kol i järn, när den kyls, sönderdelas mycket långsammare än en lösning av enbart kol i järn. Tack vare detta är fullständig härdning av massiva legerade stålprodukter möjlig. Ytterligare legeringselement ger andra fördelar. De ökar hållfastheten och segheten hos stål och förbättrar hållfasthetsegenskaperna vid hög temperatur. Sammansättningen, egenskaperna och tillämpningarna för ett antal typiska legerade stål presenteras i tabellen. Legerade stål används i stor utsträckning inom maskinteknik.

Stålkonstruktioner.

På grund av dess låga kostnad och egenskaper som ofta är överlägsna andra material, är stål den metall som används mest. Därför bestäms även formen och utseendet på så många saker som vi möter varje dag till stor del av hållfastheten, duktiliteten och korrosionsbeständigheten hos stål och gjutjärn. Gjutjärn och stålelement i byggnader, staket och broar ger utmärkta exempel på det nära sambandet mellan materialegenskaper och design. Kanske mest av allt har stål förändrat utseendet på städer med höghus – strukturer som enbart tack vare stål eller stålarmerad betong kan bära tyngden av murverk, plåt och glasgardinväggar som fyller ramen.

Stål behåller sin dominerande ställning inom konstruktion och teknik inte bara på grund av sin kombination av låg kostnad och höga mekaniska egenskaper, utan också för att stålindustrin har utvecklat legerade stål med avsevärt förbättrade egenskaper. Detta har redan noterats när det gäller rostfria och snabba stål. Skapandet av maråldrat stål, som är fullt härdbart utan härdning, och konstruktionsstål som är resistent mot atmosfärisk korrosion, som rostar extremt långsamt med bildandet av ett skyddande yttre skikt som gör målning onödig, är en garanti för att stål kommer att fortsätta att behålla sin betydelse i människors liv.

Litteratur:

Grunderna i metallurgi vol. 1–6. M., 1961–1973
Stålproduktion vol. 1–2. M., 1964

Järnlegeringar är de mest använda inom industrin. De främsta, stål och gjutjärn, är legeringar av järn och kol. För att erhålla de specificerade egenskaperna införs legeringselement i stål och gjutjärn. Nedan behandlar vi strukturen och fasomvandlingarna i järn-kol-legeringar, samt faser i järnlegeringar med legeringselement.

KOMPONENTER OCH FASER I JÄRN - KOLSYSTEMET

Järn är en gråaktig metall. Atomnummer 26, atommassa 55,85, atomradie 0,127 nm. Rent järn som för närvarande kan erhållas innehåller 99,999% Fe, tekniska kvaliteter 99,8-99,9 % Fe. Smältpunkten för järn är 1539 °C. Järn har två polymorfer a och y. A-järnmodifieringen existerar vid temperaturer under 910 °C och över 1392 °C (Fig. 82). I temperaturområdet 1392-1539 °C kallas a-järn ofta för b-järn.

Kristallgittret av a-järn är en kroppscentrerad kub med en gitterperiod på 0,28606 nm. Upp till en temperatur på 768 °C är a-järn magnetiskt (ferromagnetiskt). Temperaturen på 768 °C, motsvarande den magnetiska transformationen, det vill säga övergången från ett ferromagnetiskt tillstånd till ett paramagnetiskt tillstånd, kallas Curie-punkten och betecknas A. g.

Densiteten för a-järn är 7,68 g/cm3.

Ris. 82. Kylkurva av rent järn (A) och diagram över mikrostrukturen för a-Fe ferrit (b) och austenit y-Fe (c), X 150

y-järn finns vid en temperatur på 910-

1392°C; den är paramagnetisk.

Kristallgitter av y-järn ansiktscentrerad kubik (a =

0,3645 nm vid 910°C).

Den kritiska punkten för transformation a^=ty(pnc. 821 vid 910 C C betecknas i enlighet därmed Ac 3(vid uppvärmning) och Ag(vid kylning). Den kritiska övergångspunkten y^ A vid 1392°C betecknar Ac x(vid uppvärmning) och Ag 4(vid kylning).

Kolär ett icke-metalliskt grundämne från period II i grupp IV i det periodiska systemet, atomnummer 6, densitet 2,5 g/cm 8, smältpunkt 3500 C, atomradie 0,077 nm. Kol är polymorft. Under vanliga förhållanden finns den i form av en modifiering av grafit, men den kan också existera i form av en metastabil modifiering av diamant.

Kol är lösligt i järn i flytande och fast tillstånd, och kan också vara i form av en kemisk förening - cementit, och i högkolhaltiga legeringar i form av grafit.

Följande faser urskiljs i Fe-C-systemet: flytande legering, fasta lösningar - ferrit och austenit, och cementit och grafit.

Ferrit(F) - fast lösning av kol och andra föroreningar i a-järn. Det finns lågtemperatur a-ferrit med kollöslighet upp till 0,02 % och högtemperatur 6-ferrit med en begränsande löslighet av kol på 0,1 %. Kolatomen är placerad i ferritgittret i mitten av kubytan, där en sfär med en radie av 0,29 atomradier av järn placeras, samt i vakanser, på dislokationer etc. Under ett mikroskop avslöjas ferrit. i form av homogena polyedriska korn (se Rio. 82, b).

Ferrit (vid 0,06 % C) har ungefär följande mekaniska egenskaper: a„ = 250 MPa, a oa = 120 MPa, b 50 %, f ^ 80 %, 80-90 HB.

Austenit(A) - fast lösning av kol och andra föroreningar i y-järn. Den begränsande lösligheten av kol i y-järn är 2,14 %. Kolatomen i y-järngittret är belägen i centrum av enhetscellen (se fig. 29, b), som kan ta emot en sfär med en radie på 0,41# (# är järnets atomradie) och är defekt områden av kristallen.

De olika volymerna av elementära sfärer i bcc- och fcc-gitter förutbestämde den betydligt större lösligheten av kol i y-järn jämfört med lösligheten i a-järn. Austenit har hög duktilitet, låg sträckgräns och hållfasthet. Austenitmikrostruktur - polyedriska korn (Fig. 82, V).

Cementit(C) är en kemisk förening av järn och kol - järnkarbid Fe 3 G. Cementit innehåller 6,67 % C. Cementit har ett komplext rombiskt gitter med en tät packning av atomer. Smältpunkten för cementit bestäms inte exakt på grund av möjligheten för dess nedbrytning. Upp till en temperatur på 210 b C, betecknad A 0, Cementit är ferromagnetiskt. De karakteristiska egenskaperna hos cementit inkluderar hög hårdhet på 1000 HV och mycket låg duktilitet. Cementit är en metastabil fas. Under jämviktsförhållanden bildas grafit i legeringar med hög kolhalt.

Grafit har en hexagonal skiktad struktur (se fig. 88, A) kristallgitter. De interatomära avstånden i gittret är små och uppgår till 0,142 nm, avståndet mellan planen är 0,340 nm. Grafit är mjukt, har låg styrka och elektrisk ledningsförmåga.

I Fe-G-legeringar finns det två kolhaltiga faser: metastabil - cementit och stabil - grafit. Därför särskiljs två fasdiagram - metastabil Fe-Fe 3 G och stabil Fe-G (grafit).

• Beteckningarna Ac och Ar kommer från initialbokstäverna i franska ord: A - arreter - stopp (plattform på kylkurvan), c - choffage - värme ig - refroidissnwnt - kyla.

Inledning Särskild uppmärksamhet på järn-kol-fasdiagrammet
förklarade
flera
skäl.
För det första,
Detta
diagrammet fungerar som en teoretisk grund för studier
processer som sker i de mest universella och
bred
Begagnade
V
industri
legeringar:
kolstål och gjutjärn. För det andra spelar hon en roll
modeller när man analyserar strukturförändringar i andra legeringar på
järnbaserad. För det tredje, efter att ha studerat detta väl undersökt
system kan man bättre förstå fastransformationerna i
de flesta binära och ternära system som består av andra
element.

Järn

Kol

Järn-kol fasdiagram

Karakteristiska punkter på diagrammet

Faser i järn-kol-legeringar

Mekaniska egenskaper hos kolstål

Schema för mikrostrukturen hos stål: a - austenit, b - ferrit, c - ferrit och perlit, d - perlit, e, f - perlit och cementit

Austenit ferrit

Perlit Ledeburite

Ledeburit och primär cementit

Perlit och sekundär cementit

Ferrit och tertiär cementit

Icke-metalliska inneslutningar i stål

Oxidstorlekarnas inverkan på stålets slaghållfasthet

Icke-metalliska inneslutningar i 10kp stål

Högsta tillåtna syrehalt och storlekar av icke-metalliska inneslutningar i stål

Diagram över mikrostrukturen av gjutjärn med olika former av grafit

Mikrostruktur av grått gjutjärn

Mikrostruktur av segjärn

Mikrostruktur av segjärn

Mikrostruktur av gjutjärn med vermikulär grafit

Slutsats