КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ. Краткие сведения о производстве чугуна
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит изсложного комплекса различных производств (рис. 17).
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~ 1000" С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4 . Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах кислорода для выплавки чугуна и стали, атакже очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6 Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стал и.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун—сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плаг-ки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4.4 % С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Mn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75-3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25%Мn и до2%Si.
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют наследующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150 х 150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65—300 мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной — фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.).
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, аптолист и т.д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 - 160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм -тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.
Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).
Специальные виды проката — колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т.п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.
Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлаки колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО, — известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.
Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процессов.
Схема современного металлургического производства
ЧУГУНЫ
Влияние компонентов на свойства чугунов. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержатлегирующие элементы — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.
Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 18), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графитГ; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г.
Микроструктуры чугуна
В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый IIа, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный II6, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV- перлит и шаровидный графит.
На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.
Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от2,7до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.
Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства.
Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.
Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1 -0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья - около 1% фосфора.
Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвердевает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620"С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Mn, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.
Белый и серый чугун. Серый и белый чугун ы резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.
Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).
Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.
Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графитав виде пластинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.
По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.
Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10—15 мин.
Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, например, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.
Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.
Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.
Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме прочности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приведем в качестве примеров следующие.
Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.
Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.
Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20-25% А1.
К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы - ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназначенные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.
СТАЛИ
Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и приборостроении, строительстве, атакже для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.
Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства которой в основном зависят от содержания углерода, называют углеродистой. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.По количеству введенных легирующих элементов легированную сталь делят на три группы: низколегированную (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (от 2,5до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). В зависимости от введенных элементов различают стали, например, хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т. п.
Классификация по назначению. Стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.
Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Из конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, автоматные, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.
Инструментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инсгрумента и штампов холодного и горячего деформирования.
Стали специального назначения—это нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.
Классификация по качеству. Стали по качеству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством понимается совокупность
свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов (кислорода, водорода, азота). Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора).
Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, а особо высококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
Классификация по степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.
Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Дендритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению полосчатой структуры. Это вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) значительно ниже, чем в продольном.
Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней — уменьшается. Это приводит к ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.
Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагируете углеродом и выделяется в виде пузырей окиси углерода, создавая впечатление "кипения" стали. Движение металла при кипении способствует развитию в слитках такой стали зональной ликвации. По сравнению со спокойной сталью такие слитки не имеют усадочной раковины. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Кипящие стали относительно дешевы. Их выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (Si<0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков такой стали газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листы из такой стали, предназначенные для изготовления деталей кузовов автомашин вытяжкой, имеют хорошую штампуемость при выполнении формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.
Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в печи и ковше, а частично — в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей. В составе углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных примесей: кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, азот, водород и другие элементы, которые оказывают большое влияние на свойства стали. Присутствие примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (сера, фосфор) или переходом их в сталь при ее раскислении (кремний, марганец) или из шихты (хром, никель).
Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита, т.е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита (HV 800) на порядок больше твердости феррита (HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаются ударная вязкость, относительное удлинение и сужение.
Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.
Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1 % углерода.
Содержание кремния в углеродистой стали в виде примеси составляет обычно до 0,4%,а марганца 0,5— 0,8%. Кремний и марганец являются полезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.
Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,06%.
Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение — сульфид железа (FeS). Соединение FeS образует с железом эвтектический сплав (эвтектику) с температурой плавления 988°С. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов эвтектика располагается обычно по границам зерен. При нагревании стали до 1000—1300°С эвтектика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. происходит охрупчивание, вызываемое оплавлением примесей по границам кристаллов. Явление красноломкости может проявляться при ковке или прокатке стали, когда вследствие красноломкости на деформируемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.
При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.
Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенное-. ти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стой кость.
Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации
Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.
Влияние растворенного в стали водорода проявляется в охрупчивании стали. Поглощенный при выплавке стали водород, кроме того, приводит к образованию в крупных поковках флокенов — очень тонких трещин овальной или окружной формы. Флокены резко ухудшают свойства и недопустимы в стали, предназначенной для изготовления ответственных деталей.
Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород— постоянные примеси встали. Кроме них, в стали могут находиться случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа (стального лома) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказывают незначительное влияние.
ГЛАВА IV.
УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
11. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).
Стали углеродистые обыкновенного качества. Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А,Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп—кипящая, пс— полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять букваГ, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.
По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.
Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).
Cmаль группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.
Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам Для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций.
Стали углеродистые качественные конструкционные. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мn ).
Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).
Табл. 3.
Механические свойства качественной конструкционной стали
| Марка | Предел прочно сти растяжения σв, | Относи тельное удлинение δв, | Твер дость, НВ | Назначение |
| МПа | % | |||
| Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации | ||||
| Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси | ||||
| 580 610 | 19 16 | 217 229 | Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы | |
| 14 . | Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины | |||
| 60Г 70Г | Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения |
Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка).
Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены а основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.
Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.
Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12,А20, АЗО, А40Г.Из сталиА12 из-ГОТОВ1ЯЮТ неответственные детали, из стали других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.
Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска (см. гл. V).
Похожие статьи:
poznayka.org
Общие сведения о производстве чугуна и стали
Общие сведения о производстве чугуна и стали
Производство чугуна. Сырьем для производства черных металлов является железная руда. Из нее вначале получают чугун, а затем в специальных печах, уменьшая содержание углерода, из чугуна выплавляют сталь.
Для производства чугуна служат доменные печи, которые по принципу действия не отличаются от шахтных печей.
Железные руды представляют собой природную смесь окислов железа, например Ре20з (красный железняк), с горной породой. Задача доменного процесса сводится к тому, чтобы из окислов железа получить чистое железо, т.е. восстановить его. Роль восстановителя выполняет углерод (кокс).
Восстановленное железо в нижних слоях печи вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбид железа — основной химический компонент чугуна.
Одновременно углерод восстанавливает и другие вещества: марганец, кремний, фосфор, серу, -содержащиеся в руде. Карбид железа вместе с этими веществами и представляет собой чугун.
Для понижения температуры плавления пустой породы в печь загружаются флюсы (обычно известняк).
В результате взаимодействия пустой породы с флюсами образуются легкоплавкие соединения (шлаки). Обладая меньшим удельным весом, шлаки располагаются выше жидкого чугуна и по мере накопления удаляются через шлаковую летку, после чего сливают чугун.
В результате доменного процесса получают чугун, шлак и доменный (колошниковый) газ, который используется в качестве топлива на металлургических заводах.
Чугуны в зависимости от свойств и назначения подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом, а в серых — часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита.
Рис. 1. Доменная печь: 1 — верхняя часть печи (колошник), 2 — загрузочный аппарат, 3 — газоотводные трубы, 4 — шахта печи, 5 — цилиндрическая часть печи (распор), 6 — нижняя конусная часть печи (заплечики), 7 — горн, 8 — отверстие для выпуска шлака, 9 — отверстие для выпуска чугуна, 10 — кольцевая труба для подачи воздуха
Белые чугуны в основном переплавляются на сталь, поэтому их называют еще передельными — Серые чугуны (или литейные) обладают высокими литейными свойствами и их используют для отливки строительных изделий.
Производство стали. Процесс выплавки стали заключается в уменьшении содержания вредных примесей (серы, фосфора), углерода, кремния и марганца в чугуне.
Рис. 2. Конвертер: 1 — вращающийся грушевидный сосуд, 2 — футеровка, 3 — воздухопровод, 4 — трубки для подачи воздуха в конвертер, 5 — днище конвертера, 6 и 7 — рейка и зубчатое колесо для поворота конвертера
Основным сырьем при производстве сталей служат передельный чугун и стальной лом.
В настоящее время различают три способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.
При конвертерном способе производства стали расплавленный чугун продувается сжатым воздухом. При этом кислород взаимодействует, с примесями, окисляет их и переводит в шлак.
Конвертер представляет собой грушевидный сосуд, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси для заливки чугуна и выпуска стали. Емкость конвертера достигает 35 г. и более. Качество конвертерной стали уступает мартеновской, так как она содержит пузырьки воздуха, образующиеся при продувке, а также фосфор и серу, повышающие хрупкость стали. Это ограничивает ее применение для конструкций, подвергающихся ударным нагрузкам (подкрановые балки, мосты). Из конвертерной стали готовят прокатные профили, листовую сталь, трубы и др.
Рис. 3. Мартеновская печь: 1 — свод. 2 — под, 3 — отверстия для загрузки печи, 4 — воздушные каналы
В настоящее время благодаря достоинствам конвертерного способа — высокой производительности и низкой стоимости стали — изыскиваются пути повышения качества конвертерной стали с тем, чтобы этот способ стал основным в сталелитейной промышленности. Одним из средств повышения качества конвертерной стали является применение кислородного дутья.
Мартеновский способ отличается от конвертерного выплавкой стали на поду пламенной мартеновской печи. Печь имеет свод, отражающий тепловой поток на материал, расплавляя его. Для получения требуемой температуры в печи сжигают газ. Устройство современной мартеновской печи показано на рис. 3.
Сырьем при мартеновском способе служат чугун и стальной лом. Возможность использовать стальной лом является большим преимуществом мартеновского способа.
В мартеновскую печь последовательно загружают стальной лом, флюсы и чугун. Флюсы и образующаяся при окислении железа FeO вступают в химическую реакцию с вредными примесями и переводят их в шлак, который всплывает, скапливаясь на поверхности стали. В результате взаимодействия с вредными примесями переходит в железо.
В настоящее время достиг, нуты огромные успехи в области сталеварения. Применение кислородного дутья позволило значительно увеличить производительность мартеновских печей.
При мартеновском способе не только используют стальной лом, но и получают высококачественные стали требуемого химического состава и свойств. Эти стали применяются для изготовления наиболее ответственных строительных конструкций ферм, мостов, подкрановых балок, рельсов для железных дорог и т. д.
Электроплавка. Специальные легированные стали высокого качества получают в электрических печах. Наиболее распространены дуговые печи, в которых материалы плавятся за счет тепла электрической дуги, образующейся между электродами и металлом.
Процесс получения стали в электропечах аналогичен мартеновскому способу, но в этом случае нет надобности в топливе и воздухе для его сжигания.
Стоимость электростали значительно выше конвертерной и мартеновской. Это объясняется значительным расходом электроэнергии (на выплавку 1 т стали расходуется до 1000 квт-ч электроэнергии). Однако высокое качество электростали определяет большое будущее этого способа сталеварения.
Читать далее:Битуминозные кровельные и гидроизоляционные материалыАсфальтовые и дегтевые растворы и бетоныДегти и пекиПриродные битумыБитуминозные материалыНеорганические теплоизоляционные материалыОрганические теплоизоляционные материалыАсбестоцементные изделияМатериалы и изделия на основе магнезиальных вяжущих веществИзделия на основе гипса
stroy-server.ru
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ — КиберПедия
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит изсложного комплекса различных производств (рис. 17).
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~ 1000" С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4 . Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах кислорода для выплавки чугуна и стали, атакже очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6 Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стал и.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун—сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плаг-ки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4.4 % С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Mn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75-3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25%Мn и до2%Si.
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют наследующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150 х 150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65—300 мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной — фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.).
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, аптолист и т.д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 - 160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм -тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.
Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).
Специальные виды проката — колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т.п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.
Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлаки колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО, — известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.
Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процессов.
Схема современного металлургического производства
ЧУГУНЫ
Влияние компонентов на свойства чугунов. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержатлегирующие элементы — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.
Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 18), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графитГ; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г.
Микроструктуры чугуна
В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый IIа, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный II6, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV- перлит и шаровидный графит.
На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.
Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от2,7до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.
Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства.
Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.
Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1 -0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья - около 1% фосфора.
Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвердевает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620"С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Mn, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.
Белый и серый чугун. Серый и белый чугун ы резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.
Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).
Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.
Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графитав виде пластинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.
По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.
Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10—15 мин.
Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, например, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.
Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.
Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.
Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме прочности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приведем в качестве примеров следующие.
Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.
Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.
Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20-25% А1.
К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы - ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназначенные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.
СТАЛИ
Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и приборостроении, строительстве, атакже для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.
Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства которой в основном зависят от содержания углерода, называют углеродистой. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.По количеству введенных легирующих элементов легированную сталь делят на три группы: низколегированную (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (от 2,5до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). В зависимости от введенных элементов различают стали, например, хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т. п.
Классификация по назначению. Стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.
Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Из конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, автоматные, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.
Инструментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инсгрумента и штампов холодного и горячего деформирования.
Стали специального назначения—это нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.
Классификация по качеству. Стали по качеству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством понимается совокупность
свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов (кислорода, водорода, азота). Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора).
Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, а особо высококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
Классификация по степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.
Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Дендритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению полосчатой структуры. Это вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) значительно ниже, чем в продольном.
Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней — уменьшается. Это приводит к ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.
Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагируете углеродом и выделяется в виде пузырей окиси углерода, создавая впечатление "кипения" стали. Движение металла при кипении способствует развитию в слитках такой стали зональной ликвации. По сравнению со спокойной сталью такие слитки не имеют усадочной раковины. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Кипящие стали относительно дешевы. Их выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (Si<0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков такой стали газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листы из такой стали, предназначенные для изготовления деталей кузовов автомашин вытяжкой, имеют хорошую штампуемость при выполнении формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.
Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в печи и ковше, а частично — в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей. В составе углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных примесей: кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, азот, водород и другие элементы, которые оказывают большое влияние на свойства стали. Присутствие примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (сера, фосфор) или переходом их в сталь при ее раскислении (кремний, марганец) или из шихты (хром, никель).
Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита, т.е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита (HV 800) на порядок больше твердости феррита (HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаются ударная вязкость, относительное удлинение и сужение.
Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.
Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1 % углерода.
Содержание кремния в углеродистой стали в виде примеси составляет обычно до 0,4%,а марганца 0,5— 0,8%. Кремний и марганец являются полезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.
Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,06%.
Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение — сульфид железа (FeS). Соединение FeS образует с железом эвтектический сплав (эвтектику) с температурой плавления 988°С. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов эвтектика располагается обычно по границам зерен. При нагревании стали до 1000—1300°С эвтектика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. происходит охрупчивание, вызываемое оплавлением примесей по границам кристаллов. Явление красноломкости может проявляться при ковке или прокатке стали, когда вследствие красноломкости на деформируемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.
При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.
Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенное-. ти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стой кость.
Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации
Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.
Влияние растворенного в стали водорода проявляется в охрупчивании стали. Поглощенный при выплавке стали водород, кроме того, приводит к образованию в крупных поковках флокенов — очень тонких трещин овальной или окружной формы. Флокены резко ухудшают свойства и недопустимы в стали, предназначенной для изготовления ответственных деталей.
Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород— постоянные примеси встали. Кроме них, в стали могут находиться случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа (стального лома) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказывают незначительное влияние.
ГЛАВА IV.
УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
11. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).
Стали углеродистые обыкновенного качества. Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А,Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп—кипящая, пс— полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять букваГ, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.
По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.
Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).
Cmаль группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.
Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам Для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций.
Стали углеродистые качественные конструкционные. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мn ).
Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).
Табл. 3.
Механические свойства качественной конструкционной стали
| Марка | Предел прочно сти растяжения σв, | Относи тельное удлинение δв, | Твер дость, НВ | Назначение |
| МПа | % | |||
| Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации | ||||
| Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси | ||||
| 580 610 | 19 16 | 217 229 | Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы | |
| 14 . | Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины | |||
| 60Г 70Г | Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения |
Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка).
Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены а основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.
Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.
Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12,А20, АЗО, А40Г.Из сталиА12 из-ГОТОВ1ЯЮТ неответственные детали, из стали других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.
Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска (см. гл. V).
cyberpedia.su
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит изсложного комплекса различных производств (рис. 17).
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~ 1000" С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4 . Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах кислорода для выплавки чугуна и стали, атакже очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6 Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стал и.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун—сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плаг-ки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4.4 % С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Mn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75-3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25%Мn и до2%Si.
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют наследующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150 х 150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65—300 мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной — фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.).
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, аптолист и т.д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 - 160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм -тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.
Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).
Специальные виды проката — колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т.п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.
Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлаки колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО, — известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.
Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процессов.
Схема современного металлургического производства
ЧУГУНЫ
Влияние компонентов на свойства чугунов. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержатлегирующие элементы — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.
Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 18), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графитГ; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г.
Микроструктуры чугуна
В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый IIа, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный II6, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV- перлит и шаровидный графит.
На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.
Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от2,7до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.
Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства.
Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.
Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1 -0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья - около 1% фосфора.
Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвердевает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620"С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Mn, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.
Белый и серый чугун. Серый и белый чугун ы резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.
Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).
Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.
Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графитав виде пластинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.
По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.
Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10—15 мин.
Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, например, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.
Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.
Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.
Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме прочности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приведем в качестве примеров следующие.
Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.
Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.
Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20-25% А1.
К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы - ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназначенные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.
СТАЛИ
Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и приборостроении, строительстве, атакже для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.
Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства которой в основном зависят от содержания углерода, называют углеродистой. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.По количеству введенных легирующих элементов легированную сталь делят на три группы: низколегированную (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (от 2,5до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). В зависимости от введенных элементов различают стали, например, хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т. п.
Классификация по назначению. Стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.
Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Из конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, автоматные, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.
Инструментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инсгрумента и штампов холодного и горячего деформирования.
Стали специального назначения—это нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.
Классификация по качеству. Стали по качеству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством понимается совокупность
свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов (кислорода, водорода, азота). Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора).
Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, а особо высококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
Классификация по степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.
Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Дендритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению полосчатой структуры. Это вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) значительно ниже, чем в продольном.
Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней — уменьшается. Это приводит к ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.
Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагируете углеродом и выделяется в виде пузырей окиси углерода, создавая впечатление "кипения" стали. Движение металла при кипении способствует развитию в слитках такой стали зональной ликвации. По сравнению со спокойной сталью такие слитки не имеют усадочной раковины. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Кипящие стали относительно дешевы. Их выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (Si<0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков такой стали газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листы из такой стали, предназначенные для изготовления деталей кузовов автомашин вытяжкой, имеют хорошую штампуемость при выполнении формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.
Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в печи и ковше, а частично — в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей. В составе углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных примесей: кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, азот, водород и другие элементы, которые оказывают большое влияние на свойства стали. Присутствие примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (сера, фосфор) или переходом их в сталь при ее раскислении (кремний, марганец) или из шихты (хром, никель).
Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита, т.е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита (HV 800) на порядок больше твердости феррита (HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаются ударная вязкость, относительное удлинение и сужение.
Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.
Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1 % углерода.
Содержание кремния в углеродистой стали в виде примеси составляет обычно до 0,4%,а марганца 0,5— 0,8%. Кремний и марганец являются полезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.
Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,06%.
Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение — сульфид железа (FeS). Соединение FeS образует с железом эвтектический сплав (эвтектику) с температурой плавления 988°С. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов эвтектика располагается обычно по границам зерен. При нагревании стали до 1000—1300°С эвтектика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. происходит охрупчивание, вызываемое оплавлением примесей по границам кристаллов. Явление красноломкости может проявляться при ковке или прокатке стали, когда вследствие красноломкости на деформируемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.
При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.
Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенное-. ти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стой кость.
Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации
Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.
Влияние растворенного в стали водорода проявляется в охрупчивании стали. Поглощенный при выплавке стали водород, кроме того, приводит к образованию в крупных поковках флокенов — очень тонких трещин овальной или окружной формы. Флокены резко ухудшают свойства и недопустимы в стали, предназначенной для изготовления ответственных деталей.
Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород— постоянные примеси встали. Кроме них, в стали могут находиться случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа (стального лома) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказывают незначительное влияние.
ГЛАВА IV.
УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
11. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).
Стали углеродистые обыкновенного качества. Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А,Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп—кипящая, пс— полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять букваГ, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.
По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.
Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).
Cmаль группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.
Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам Для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций.
Стали углеродистые качественные конструкционные. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мn ).
Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).
Табл. 3.
Механические свойства качественной конструкционной стали
| Марка | Предел прочно сти растяжения σв, | Относи тельное удлинение δв, | Твер дость, НВ | Назначение |
| МПа | % | |||
| Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации | ||||
| Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси | ||||
| 580 610 | 19 16 | 217 229 | Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы | |
| 14 . | Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины | |||
| 60Г 70Г | Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения |
Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка).
Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены а основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.
Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.
Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12,А20, АЗО, А40Г.Из сталиА12 из-ГОТОВ1ЯЮТ неответственные детали, из стали других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.
Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска (см. гл. V).
infopedia.su
Краткие сведения о производстве чугуна и стали
Производство Краткие сведения о производстве чугуна и стали
просмотров - 51
Железоуглеродистые сплавы
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. 22):
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат — продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4. Энергетических цехов, для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, крайне важного для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6. Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун — сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: вконвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция чёрной металлургии. Основной продукцией чёрной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0—4,4% С; до 0,6—0,8%i Si; до 0,25—1,0% Mn; 0,15-rO,3% P и 0,03—0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75—3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13%i Si и до 3% Мп; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мп и до 2%Si; зеркальный чугун с 10—25% Мп и до 2% Si.
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Читайте также
Железоуглеродистые сплавы Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. 22): 1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов. 2.... [читать подробенее]
oplib.ru
Краткие сведения о производстве чугуна и стали
Железоуглеродистые сплавы
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. 22):
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат — продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4. Энергетических цехов, для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6. Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун — сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: вконвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция чёрной металлургии. Основной продукцией чёрной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун , используемый для передела на сталь, содержит 4,0—4,4% С; до 0,6—0,8%i Si; до 0,25—1,0% Mn; 0,15-rO,3% P и 0,03—0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун , предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75—3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13%i Si и до 3% Мп; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мп и до 2%Si; зеркальный чугун с 10—25% Мп и до 2% Si.
Стальные слитки , полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
studlib.info
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ
Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит изсложного комплекса различных производств (рис. 17).
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~ 1000" С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4 . Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах кислорода для выплавки чугуна и стали, атакже очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6 Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стал и.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун—сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плаг-ки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4.4 % С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Mn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75-3,25%).
Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25%Мn и до2%Si.
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют наследующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150 х 150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65—300 мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной — фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.).
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, аптолист и т.д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 - 160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм -тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.
Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).
Специальные виды проката — колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т.п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.
Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлаки колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО, — известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.
Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процессов.
Схема современного металлургического производства
ЧУГУНЫ
Влияние компонентов на свойства чугунов. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержатлегирующие элементы — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.
Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 18), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графитГ; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г.
Микроструктуры чугуна
В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый IIа, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный II6, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV- перлит и шаровидный графит.
На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.
Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от2,7до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.
Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства.
Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.
Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1 -0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья - около 1% фосфора.
Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвердевает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620"С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Mn, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.
Белый и серый чугун. Серый и белый чугун ы резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.
Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).
Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.
Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графитав виде пластинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.
По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.
Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10—15 мин.
Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, например, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.
Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.
Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.
Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме прочности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приведем в качестве примеров следующие.
Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.
Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.
Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20-25% А1.
К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы - ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназначенные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.
СТАЛИ
Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и приборостроении, строительстве, атакже для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.
Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства которой в основном зависят от содержания углерода, называют углеродистой. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.По количеству введенных легирующих элементов легированную сталь делят на три группы: низколегированную (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (от 2,5до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). В зависимости от введенных элементов различают стали, например, хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т. п.
Классификация по назначению. Стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.
Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Из конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, автоматные, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.
Инструментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инсгрумента и штампов холодного и горячего деформирования.
Стали специального назначения—это нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.
Классификация по качеству. Стали по качеству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством понимается совокупность
свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов (кислорода, водорода, азота). Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора).
Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, а особо высококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
Классификация по степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.
Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Дендритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению полосчатой структуры. Это вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) значительно ниже, чем в продольном.
Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней — уменьшается. Это приводит к ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.
Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагируете углеродом и выделяется в виде пузырей окиси углерода, создавая впечатление "кипения" стали. Движение металла при кипении способствует развитию в слитках такой стали зональной ликвации. По сравнению со спокойной сталью такие слитки не имеют усадочной раковины. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Кипящие стали относительно дешевы. Их выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (Si<0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков такой стали газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листы из такой стали, предназначенные для изготовления деталей кузовов автомашин вытяжкой, имеют хорошую штампуемость при выполнении формоизменяющих операций холодной листовой штамповки.
Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в печи и ковше, а частично — в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей. В составе углеродистой стали кроме железа и углерода содержится ряд постоянных примесей: кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, азот, водород и другие элементы, которые оказывают большое влияние на свойства стали. Присутствие примесей объясняется трудностью их удаления при выплавке (сера, фосфор) или переходом их в сталь при ее раскислении (кремний, марганец) или из шихты (хром, никель).
Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита, т.е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита (HV 800) на порядок больше твердости феррита (HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаются ударная вязкость, относительное удлинение и сужение.
Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.
Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1 % углерода.
Содержание кремния в углеродистой стали в виде примеси составляет обычно до 0,4%,а марганца 0,5— 0,8%. Кремний и марганец являются полезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.
Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,06%.
Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение — сульфид железа (FeS). Соединение FeS образует с железом эвтектический сплав (эвтектику) с температурой плавления 988°С. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов эвтектика располагается обычно по границам зерен. При нагревании стали до 1000—1300°С эвтектика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т.е. происходит охрупчивание, вызываемое оплавлением примесей по границам кристаллов. Явление красноломкости может проявляться при ковке или прокатке стали, когда вследствие красноломкости на деформируемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.
При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.
Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенное-. ти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стой кость.
Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации
Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.
Влияние растворенного в стали водорода проявляется в охрупчивании стали. Поглощенный при выплавке стали водород, кроме того, приводит к образованию в крупных поковках флокенов — очень тонких трещин овальной или окружной формы. Флокены резко ухудшают свойства и недопустимы в стали, предназначенной для изготовления ответственных деталей.
Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород— постоянные примеси встали. Кроме них, в стали могут находиться случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа (стального лома) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказывают незначительное влияние.
ГЛАВА IV.
УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
11. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).
Стали углеродистые обыкновенного качества. Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А,Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп—кипящая, пс— полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять букваГ, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.
По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст5ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст5, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс.
Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства. Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.).
Cmаль группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют.
Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам Для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций.
Стали углеродистые качественные конструкционные. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мn ).
Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).
Табл. 3.
Механические свойства качественной конструкционной стали
| Марка | Предел прочно сти растяжения σв, | Относи тельное удлинение δв, | Твер дость, НВ | Назначение |
| МПа | % | |||
| Малонагруженные детали: шестерни, звездочки, ролики, оси, подвергающиеся цементации | ||||
| Средненагруженные детали: шестерни, валы, оси | ||||
| 580 610 | 19 16 | 217 229 | Средненагруженные детали: шатуны, валы, шестерни, пальцы | |
| 14 . | Высоконагруженные детали: шестерни, муфты, пружинные кольца, пружины | |||
| 60Г 70Г | Пружины, рессоры, эксцентрики и другие детали, работающие в условиях трения |
Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка).
Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены а основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.
Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.
Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12,А20, АЗО, А40Г.Из сталиА12 из-ГОТОВ1ЯЮТ неответственные детали, из стали других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.
Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска (см. гл. V).
Дата добавления: 2015-09-06; просмотров: 151 | Нарушение авторских прав
Читайте в этой же книге: КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ | КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ | МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА | ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЛАВАХ | АЛЮМИНИЙ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ | МЕДЬ И МЕДНЫЕ СПЛАВЫ | ТИТАН, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ | ОЛОВО, СВИНЕЦ, ЦИНК И ИХ СПЛАВЫ | АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ | СПЛАВЫ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ |mybiblioteka.su - 2015-2018 год. (0.021 сек.)mybiblioteka.su
