Классификация железоуглеродистых сплавов. Железоуглеродистые сплавы

Структуры железоуглеродистых сплавов

 

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащегоуглерода.

Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Диаграмма состояния железо - цементит

 

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

 

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539oС5oС.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911oСи 1392oС. При температуре ниже 911oСсуществуетс объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392oСустойчивым являетсяс гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392oСжелезо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называетсяили высокотемпературное. Высокотемпературная модификацияне представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращенияобозначаютточкой, а температуру 1392oСпревращения- точкойА4.

При температуре ниже 768oСжелезо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768oСобозначаетсяА2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести –) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение –, а относительное сужение –). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления –3500 0С, плотность –2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления –5000 0С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) –химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит6,67 %углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550oС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217oС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф)(C) – твердый раствор внедрения углерода в-железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 %при комнатной температуре (точкаQ), максимальную –0,02 %при температуре 727oС( точкаP). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392oСсуществует высокотемпературный феррит () ((C), с предельной растворимостью углерода0,1 %при температуре 1499oС(точкаJ)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –) и пластичен (относительное удлинение –), магнитен до 768oС.

3. Аустенит (А)(С)– твердый раствор внедрения углерода в-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 %при температуре 727oС(точкаS), максимальную –2,14 %при температуре 1147oС(точкаЕ).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение –), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный(ЦII),цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

 

studfiles.net

Железоуглеродистые сплавы

РЕФЕРАТ

ТЕМА: ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

План

1 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

2 Производство чугуна

3 Серые чугуны

4 Производство стали

5 Углеродистые стали

6 Легированные стали

Список литературы

1 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

К железоуглеродистым сплавам отноеятся сплавы железа с углеродом.

Для того чтобы изготовить детали, машины и механизмы качественными и обеспечить надежность и долговечность их в работе, необходимо заранее знать свойства используемых материалов. Например, для получения качественных отливок необходимо знать, при какой температуре плавится сплав и при какой он затвердевает, каковы его литейные свойства. Для проведения термообработки деталей надо знать, как изменяются свойства сплава при нагревании и охлаждении в твердом состоянии, каковы при этом будут структура и свойства сплава. При обработке давлением необходимо знать, при каких температурах тот или иной сплав лучше подвергается обработке давлением, имеет наиболее высокую пластичность.

Для определения температурных интервалов, видов термической обработки и обработки давлением, температуры плавления и заливки сплава в литейные формы пользуются специальными графическими изображениями состояния и строения сплавов в зависимости от их состава и температуры нагревания. Такие графические изображения называют диаграммами состояния сплава.

Построение диаграммы состояния. Диаграммы состояний обычно строяттермическим методом (рис. 1). Сначала получают множество кривых охлаждения сплавов с различным содержанием составляющих элементов в зависимости от температуры и времени охлаждения. Кривые охлаждения строят аналогично построению кривых охлаждения для определения полиморфных превращений. По перегибам и остановкам на кривых охлаждения определяют критические температуры и критические точки сплава.

Рис. 1. Схема построения диаграммы состояния сплавов железа с углеродом:

а — кривые охлаждения сплавов с различным содержанием углерода,

б —диаграмма

Критической называется температура, при которой происходит изменение в строении, а значит, и в свойствах металлов и сплавов. При критических температурах кривые охлаждения резко изменяют свой характер.

Критическими точками называются точки перегиба 1, 2, 3, 4 на кривых охлаждения (см. рис. 1). Однотипные критические точки (например, точки /) кривых охлаждения соединяют линией (линия АС). Комплекс линий, объединяющих критические точки сплавов, в зависимости от химического состава сплава и его температуры представляет собой диаграмму состояния. В табл.1 приведены критические температуры критических точек 1, 2, 3, 4.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит.

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов железа суглеродом: I...V1 — характерные сплавы

Аустенит — твердый раствор углерода в у-железе. У сплавов с содержанием углерода до 2 % (стали) при температурах выше 723 °С структура представляет собой аустенит — на диаграмме (рис. 3) область AESG. Кристаллическая решетка аустенита - гранецентрированный куб. При нормальной температуре (18...24°С)аустенит в простых железоуглеродистых сплавах отсутствует и его увидеть нельзя. Аустенит обладает высокой пластичностью (б = 40...50 %) и низкой твердостью (НВ170...200), хорошо поддается горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке). На диаграмме аустенит обозначается буквой А.

Феррит—твердый раствор углерода в а-железе. В феррите растворяется очень мало углерода (до 0,02 %). Техническое железо имеет структуру феррита (на диаграмме область GPQ). Кристаллическая решетка феррита— объемно-центрированный куб. Феррит обладает высокой пластичностью и низкой твердостью (6 = = 40...50 %; НВ80...120), хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии (волочению, штамповке). Чем больше феррита в сплавах, тем они мягче и пластичнее. На диаграмме феррит обозначается буквой Ф.

Цементит — самая твердая (НВ800) и хрупкая (6 = 0 °/о) составляющая железоуглеродистых сплавов — представляет собой химическое соединение железа и углерода (карбид железа Fe3 C), содержащее 6,67 % углерода. Кристаллическая решетка цементита сложная. Особенность цементита состоит в том, что в присутствии значительного количества некоторых элементов, например кремния Si, цементит может вообще не образоваться или может распадаться с образованием углерода — графита и железа. Сплавы из чистого цементита на практике не применяют. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и хрупче. На диаграмме цементит обозначается буквой Ц.

Перлит — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % углерода. Перлит образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 723°С (на диаграмме линия Р/С). Распад аустенита на перлит называется эвтектоидным превращением, а перлит — звтектоидом. Перлит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах при температуре ниже 723°С, обладает высокой прочностью (ав до 800 МПа) и твердостью (НВ200). Чем мельче включения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механических свойств. Поэтому чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели механических свойств сплава. На диаграмме перлит обозначается буквой П.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкогосплава с содержанием углерода 4,3 % при постоянной температуре 1147°С (точка С на диаграмме). Ледебурит — единственный из всех железоуглеродистых сплавов, который кристаллизуется при постоянной температуре с образованием механической смеси. Такая кристаллизация называется эвтектической, а ледебурит — эвтектикой. Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокой твердостью (НВ700), хорошими литейными свойствами. Ледебурит содержится во всех высокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами. На диаграмме ледебурит обозначается буквой Л.

Практическое использование диаграммы состояний. Применяемые в промышленности железоуглеродистые сплавы содержат не более 4,5 % углерода. Сплавы железа с углеродом до 2 % называются сталями, сплавы железа с углеродом более 2 % — чугунами.

Линия ACD— линия ликвидус — изображает температуру начала затвердевания сталей и чугунов. Выше этой температуры сплав полностью расплавляется, т. е. переходит в жидкое состояние (на диаграмме обозначается буквой Ж).

Линия AECF— линия солидус — изображает температуру окончания затвердевания и начала плавления сталей и белых чугунов. Между линиями ликвидус и солидус сплавы находятся в жидко-твердом состоянии.

Для практического использования диаграммы проследим за структурными превращениями характерных железоуглеродистых сплавов при их охлаждении.

Сплав / (сталь содержит углерода менее 0,83 %), Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристал-jk лизовавшегося аустенита увеличивается и при температуре, соответствующей линии АЕ, сталь полностью затвердевает. Ниже линии АЕ сталь охлаждается без превращений до температуры, соответствующей линии GS. При этой температуре из твердого аустенита начинают выделяться зерна феррита с очень малым содержанием углерода, поэтому в оставшемся аустените количество углерода увеличивается. Процесс протекает до линии PS.

На линии PSпри температуре 723 °С из оставшегося аустенита образуется перлит. При нормальных темпера

турах структура стали будет состоять из феррита и перлита. Сталь с содержанием углерода менее 0,83 % называют доэвтектоидной. Микроструктура феррита и до-эвтектоидной стали показана на рис. 3, а, б.

Сплав // (сталь содержит углерода 0,83%)- Кристаллизация идет между линиями ликвидус АС и солидус АЕ, аналогично кристаллизации сплава / (см. рис. 2). Закристаллизовавшийся аустенит охлаждается до точки 5. При температуре 723 С С, соответствующей точке S, происходит перекристаллизация аустенита с образованием перлита (эвтектоидное превращение). Сталь, имеющую структуру перлита, называют эвтектоидной (рис. 3, в). Строение эвтектоидной стали при нормальных температурах пластинчатое, т. е. структура стали состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Рис. 3.Микроструктуры типичных железоуглеродистых сплавов:

а — феррит, б — доэвтектоидная сталь, в — эвтектоидная сталь, з — заэвтектоидная сталь,

д — доэвтектический белый чугун, е — эвтектический белый чугун, ж — заэвтектический белый чугун; Ф — феррит, Л — перлит, Ц1 — первичный цементит, ЦІІ — вторичный цементит,

Л—ледебурит

Сплав /// (сталь содержит углерода более 0,83 %). Кристаллизация сплава /// аналогична кристаллизации сплава /. При температуре ниже линии АЕ сталь имеет структуру аустенита. На линии ESиз аустенита по границам его зерен начинают выделяться включения с содержанием углерода 6,67 % — цементит. Поскольку цементит в этом случае образовался из твердого аустенита, т. е. при перекристаллизации стали, его называют вторичным цементитом — ЦІІ .

Вторичный цементит выделяется из аустенита при понижении температуры до 723 °С. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение. Оставшийся аустенит, содержащий углерода 0,83 %, перекристаллизуется в перлит. При нормальных температурах структура стали с содержанием углерода более 0,83 % состоит из перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3,г).

mirznanii.com

Классификация железоуглеродистых сплавов

В зависимости от концентрации углерода железоуглеродистые сплавы подразделяют на технически чистое железо, стали и чугуна.

а б в г

Рис. 6.12. Схемы структур чистого железа (а), доэвтектоидной (б),

эвтектоидной (в) и заэвтектоидной (г) стали

1. К технически чистому железу относят сплавы, содержащие не более 0,02% С. Под микроскопом структура технически чистого железа (рис.6.12,а) состоит из однородных зерен феррита и возможно с отдельными частицами третичного цементита по их границам.

2. К сталям относят сплавы, содержащие углерод в пределах от 0,02 до 2,14%. По своему положению на диаграмме они подразделяются на доэвтектоидные, заэвтектоидные, а при содержании углерода 0,8% сталь называют эвтектоидной.

Поскольку сравнительно малые изменения содержания углерода весьма ощутимо изменяют структуру, прочностные характеристики и технологичность стали, то по содержанию углерода различают:

а) низкоуглеродистые, содержащие углерода 0,25% и менее;

б) среднеуглеродистые, содержащие углерода 0,30-0,65%;

в) высокоуглеродистые, содержащие углерода 0,7% и более.

3. К чугунам относят сплавы, содержащие более 2,14% С. Они могут быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом. Чугуны с такой структурой называют белыми. Они тверды, хрупки и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому производятся для последующей переделки.

В технике чугуны применяют широко, прежде всего, за их превосходные литейные свойства. Цементит легко диссоциирует с образованием графита. Присутствие в структуре графита делает чугун серым и, что крайне важно, технологичным при обработке резанием. Графит может быть пластичным, хлопьевидным и глобулярным. В определении прочностных свойств серого чугуна форма графитных включений и их размеры играют решающее значение. Так, пластинчатый графит, образуя надрезы в металлической основе, резко снижает прочность и пластичность. Только поэтому получаемый литьем обычный серый чугун с пластинчатым графитом очень хрупок.

Ковкий чугун, получаемый длительным отжигом отливок из белого чугуна, имеет хлопьевидный графит, обеспечивающий ему достаточно высокую пластичность (табл. 6.3).

В результате модифицирования удается получить отливки чугуна с глобулярным графитом. Такой чугун называют высокопрочным. Он соединяет в себе присущую чугунам технологичность в литье и обработке резанием с прочностными свойствами стали, заменяя успешно стальные отливки, поковки и цветные сплавы.

Таблица 6.3

Марки и механические свойства некоторых чугунов

Марка чугуна	σв, кгс/мм2	σ0,2, кгс/мм2	σ,%	σизг, кгс/мм2	Стрела прогиба, мм	аn, кгм/см2	НВ
СЧ 12-28	12	–	–	28	2	–	143–229
СЧ 44-64	44	–	–	64	3	–	229–289
КЧ 37-12	37	–	12	–	–	–	163
КЧ 63-2	63	–	2	–	–	–	269
ВЧ 33-17	38	24	17	–	–	6	140–170
ВЧ 120-4	120	90	4	–	–	3	302–369

Постоянные примеси в углеродистой стали

Примесные элементы содержатся в стали всегда. Одни из них (фосфор, сера, кислород, азот и водород) попадают в сталь из пихтовых материалов, топлива, огнеупоров, газов и присутствуют там в малом количестве, поскольку избавиться от них окончательно не удается. Другие (марганец, кремний) вводятся преднамеренно в процессе варки стали, как раскислители.

Фосфор попадает из руд. Он, растворяясь в железе в количестве до 0,1%, резко ухудшает пластичность стали, вызывая хладноломкость, поскольку образует с железом очень хрупкий фосфид – Fe3P. Даже при содержании всего 0,05% в виду склонности ликвировать, образует участки высокой концентрацииP, которые опасно охрупчивают сталь. При варке стали, фосфор стремятся возможно полнее отшлаковать известью, что осуществимо лишь при основной футеровке сталеплавильных печей.

Сера переходит в металл из минеральной составляющей топлива. Она почти не растворима в железе и образует с ним хрупкое химическое соединение – сульфид железа. Его частицы придают стали хладноломкость. Сульфид железа с железом способны образовать хрупкую и легкоплавкую сульфидную эвтектику (FeS+Fe) с точкой плавления 988 °C. В присутствии кислорода эвтектика становится еще более легкоплавкой. При температурах горячей обработки давлением эта эвтектика, располагающаяся по границам зерен, плавится, нарушая сплошность металла, вызывая появление трещин, что называют красноломкостью.

Серу отшлаковывают с помощью марганца. Его вводят в сталь перед разливкой в количестве, в пять раз большем предполагаемого содержания серы. По реакции замещения (FeS+Mn=Fe+MnS) марганец восстанавливает железо и образует сульфид марганца с точкой плавления 1610 °С. Его частички, обладая малым удельным весом, легко переходят в шлак. Избыток марганца при этом остается в стали в качестве постоянной примеси.

Кислород, азот и водород могут содержаться в стали в сравнительно малом количестве. Находясь в твердой стали,все они могут быть растворенными в феррите, присутствовать в виде частиц окислов, нитридов и гидридов или в свободном состоянии, заполняя микронесплошности. Все это сильно охрупчивает сталь.

От кислорода избавляются раскислением стали перед разливкой ее в изложницу кремнием, который образует при этом легко переходящую в шлак окись кремния –SiO2. А избыток кремния остается в стали, как постоянная примесь.

Содержание серы и фосфора, как вредных примесей, ухудшающих качество стали, ГОСТ оговаривает:

а) в стали обыкновенного качестваS0,05%,P0,05%;

б) в качественной сталиS0,04%,P0,04%;

в) в высококачественной сталиS0,03%,P0,025%.

Конструкционные стали обыкновенного качества

В производстве машин, станков и предметов широкого потребления в энергетике, на транспорте и в строительной индустрии широко используется горячий стальной прокат в виде прутков, полос, труб, уголков и других фасонных профилей.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – сп, в полуспокойных – пс, кипящих – кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. В их составе разное содержание кремния: спокойные – 0,12–0,30, полуспокойные – 0,05–0,17, кипящие меньше 0,07, например Ст3сп, БСт3пс или ВСт3сп5 (в конце 5-я категория). Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1–Ст6, кипящими – Ст1–Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами (табл. 6.4), без указания химического состава.

Таблица 6.4

Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного

качества группы А (образцы толщиной до 20 мм)

Сталь	σв, МПа	σ0,2,кгс/мм2	σ,%	Сталь	σв,МПа	σ0,2,кгс/мм2	σ,%
		Не менее				Не менее
Ст.0	>310	–	23	Ст.4	420–540	240–270	24
Ст.1	320–420	–	34	Ст.5	500–640	260–290	20
Ст.2	340–440	200–230	32	Ст.6	600	320	13
Ст.3	380–490	210–250	27

Примечание. Механические свойства приведены для спокойных и полуспокойных сталей. В сталях Ст.1кп значение σв, на 10-20 МПа и σ на 10 МПа меньше, а значение σ на 1% больше, чем в спокойных и полуспокойных сталях того же номера.

Из табл. 3.4 следует, что с увеличением номера марки прочность увеличивается, а пластичность стали соответственно уменьшается.

Стали группы А используются в состоянии поставки для изделий изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными на участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны ведения о химическом составе. Механические свойства на растяжение для каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А (табл. 6.4), а химический состав – нормам для тех же номеров марок группы Б (табл. 6.5). Например, сталь ВСт4сп имеет механические свойства на растяжение, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав одинаковый со сталью БСт4сп.

Таблица 6.5

Химический состав (%) углеродистой стали

обыкновенного качества группы Б

Сталь	С	Mn	Siв сталях			S	P
			кп	пс	сп	не более
БСт0	< 0,23	–	–	–	–	0,06	0,07
БСт1	0,06–0,12	0,25–0,5	0,05	0,05–0,17	0,12–0,3	0,05	0,04
БСт2	0,09–0,15	0,25–0,5	0,05	0,05–0,17	0,12–0,3	0,05	0,04
БСт3	0,14–0,22	0,30–0,65	0,07	0,05–0,17	0,12–0,3	0,05	0,04
БСт4	0,18–0,27	0,40–0,70	0,07	0,05–0,17	0,12–0,3	0,05	0,04
БСт5	0,28–0,37	0,50–0,80	–	0,05–0,17	0,15–0,35	0,05	0,04
БСт6	0,38–0,49	0,50–0,80	–	0,05–0,17	0,15–0,35	0,05	0,04

Примечание. 1. В сталях БСт1-БСт6 допускается не более 0,3% Cr; 0,3% Ni; 0,3% Cu; 0,08% As; 0,08% N. 2. В сталях, выплавленных из керченских руд, допускается до 0,15% As и 0,05% P.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью.

В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88. Содержание серы и фосфора в них допускается в пределах 0,03-0,04% каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05,08, 10, 15, 20, …, 75,80,85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 содержит в среднем 0,20% С, сталь 75 – 0,75% С и т.д.

К углеродистым сталям также относят стали с повышенным содержанием марганца (0,7–1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г, …, 70 Г, имеющих повышенную прокаливаемость (критический диаметр до 25–30 мм). В табл. 3.4 приведены гарантируемые механические свойства после нормализации углеродистых качественных сталей.

Данные в табл. 6.6 служат для контроля металлургического качества отдельных плавок, а механические свойства изделий будут определяться соответствующими режимами термической обработки, зависящими от размера и сечения деталей.

Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие – с индексом соответственно псикп. В табл. 6.4 приведены данные химического состава и свойств спокойных сталей. Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Таблица 6.6

Химический состав и механические свойства

углеродистых качественных сталей

Марка стали	Содержание углерода, %	Хром, не более	Механические свойства, не менее
			σв,Мпа	στ,Мпа	δ, %	Ψ,%	KCU+20 МДж/м2	НВ после отжига или высокого отпуска, не более
08	0,05–0,01	0,10	330	200	33	60	–	131
10	0,07–0,14	0,15	340	210	31	55	–	143
15	0,12–0,19	0,25	380	230	27	55	–	149
20	0,17–0,24	0,25	420	250	25	55	–	163
30	0,27–0,35	0,25	500	300	21	50	0,8	179
40	0,37–0,45	0,25	580	340	19	45	0,6	217
50	0,47–0,55	0,25	640	380	14	40	0,4	241
60	0,57–0,65	0,25	690	410	12	35	–	255
70	0,67–0,75	0,25	730	430	9	30	–	269

Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.

К чугунам относят сплавы, содержащие более 2,14% С. Они могут быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом. Чугуны с такой структурой называют белыми. Поэтому производятся для последующей переделки.

В технике чугуны применяют широко, прежде всего, за их превосходные литейные свойства. Цементит легко диссоциирует с образованием графита. Присутствие в структуре графита делает чугун серым и, что крайне важно, технологичным при обработке резанием. Графит может быть пластичным, хлопьевидным и глобулярным. В определении прочностных свойств серого чугуна форма графитных включений и их размеры играют решающее значение. Так, пластинчатый графит, образуя надрезы в металлической основе, резко снижает прочность и пластичность. Только поэтому получаемый литьем обычный серый чугун с пластинчатым графитом очень хрупок.

Ковкий чугун, получаемый длительным отжигом отливок из белого чугуна, имеет хлопьевидный графит, обеспечивающий ему достаточно высокую пластичность (табл. 6.7).

В результате модифицирования удается получить отливки чугуна с глобулярным графитом. Такой чугун называют высокопрочным. Он соединяет в себе присущую чугунам технологичность в литье и обработке резанием с прочностными свойствами стали, успешно заменяя стальные отливки, поковки и цветные сплавы.

Таблица 6.7

Химический состав и механические свойства некоторых марок чугунов

Марка чугуна	σв, кгс/мм2	σ0,2, кгс/мм2	σ,%	σизг, кгс/мм2	Стрела прогиба, мм	аn, кгм/см2	НВ
СЧ 12-28	12	–	–	28	2	–	143–229
СЧ 44-64	44	–	–	64	3	–	229–289
КЧ 37-12	37	–	12	–	–	–	163
КЧ 63-2	63	–	2	–	–	–	269
ВЧ 33-17	38	24	17	–	–	6	140–170
ВЧ 120-4	120	90	4	–	–	3	302–369

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).

Марка серого чугуна состоит из букв Сч (серый чугун) и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении (кгс/мм2). Показателями механических свойств серых чугунов в соответствии с ГОСТ 1412-85 является прочность при статическом растяжении (табл. 6.8).

Таблица 6.8

Механические свойства серых чугунов

Чугун		НВ	Структура металлической основы
Сч15	150	163-229	Феррит
Сч25	250	180-250	Феррит + перлит
Сч40	400	207-285	Перлит
Сч45	450	229-289	Перлит

Графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов до 100 т и более.

Ферритные серые чугуны марки Сч10, Сч15 используются для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и т.д.

Ферритно-перлитные серые чугуны марки Сч20, Сч25 применяются для деталей, работающих при повышенных статистических и динамических нагрузках: картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины станков и другие отливки разного назначения.

Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок – ферросилиция (0,3-0,6% от массы шихты). К таким чугунам относятся СЧ40 и СЧ45, которые обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти марки чугунов применяются для корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.

studfiles.net

Железоуглеродистые сплавы

Краткие сведения о производстве чугуна и стали

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: в конвертерах, 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.

Заготовки прокатывают в горячем состоя­нии непосредственно из слитков. Заготовки ква­дратного сечения с размерами от 150X150 до 450x450 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 с л я б а м и. 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, автолист 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 шлак и колошнико­вый газ. Доменным шлаком называют, легко­плавкое соединение флюса (СаСОз — 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, безотходных технологических про­цессов.

Понятие о способах получения отливок из литейных

Способы литья. Отливкой называют литую деталь или заготовку, полученную заливкой расплавленного металла (расплава) в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию детали или заготовки. Около 50% всех деталей в машинах и оборудовании изготовляют литьем. Литейную форму заливают жидким металлом че­рез систему каналов, называемую литниковой системой. Расплав может заполнять литейную форму свободно, т. е. под действием силы тяжести, или принудительно — под действием центробежных сил или внешнего давления. Внутренние отверстия, каналы и полости в отливках образуются с помощью стержней, которые перед заливкой вставляют в полость литейной формы, а после кристаллизации отливки извлекают из нее. Формы и стержни могут быть разовыми — изготовляемыми из песчаных смесей, и постоянными — из металла или огнеупорных материалов.

Способы литья отливок можно разделить на две группы. К первой относят способы получе­ния отливок в разовых формах, заполняемых расплавом однократно, после чего их разрушают для извлечения отливки (литье в песчаные сухие или сырые формы, литье в оболочковые формы и др.). Ко второй группе относят способы полу­чения отливок в многократных металлических формах, заполняемых расплавом от нескольких сотен до десятков тысяч раз (центробежное ли­тье, литье в кокиль, под давление и др.).

Каждый из перечисленных способов изготовле­ния отливок имеет свое назначение и область применения, которая определяется объемом про­изводства, требованиями к отливкам по точности и шероховатости поверхности, технологическими свойствами литейных сплавов, технико-экономи­ческими показателями.

При выплавке литейных сплавов в плавильные печи загружают металлическую шихту, ферросплавы, лигатуры и флюсы. Металлическая шихта — слитки технически чистых металлов, лом, отходы производства. Лигатура — вспомогательный сплав, вводимый в расплавленный металл с целью восполнения угарающих в процессе плавки химических элементов. Напри­мер, для выплавки чугуна и стали лигатурой служат ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций и др.), которые одновременно раскисляют металл. Флюсы служат для образования шлака с требуемыми физико-химическими свойства ми (для плавки чугуна и стали флюсом служит известняк). Шлак предохраняет в процессе плавки металл от окисления, служит для удаления неметаллических включений, попадающих в металл вместе с шихтой и образующихся в процессе плавки.

Для улучшения свойств литейных сплавов в процессе плавки, после плавки, в литейном раз­даточном ковше или непосредственно в литейной форме производят модифицирование, легирова­ние и рафинирование. Модифицирование — введение в жидкий сплав после его плавки в сотых или десятых долях процента добавок — модификаторов, которые служат дополнительны­ми центрами кристаллизации, обеспечивают более мелкозернистое строение сплава и более высо­кие его механические свойства. Для чугуна и стали модификаторами являются силикокальций, ферросилиций и др. Легирование — введение в жидкий сплав различных добавок хи­мических элементов (Сг, N1, Си, Mo, Va, W, T1, Со и др.) для придания сплаву особых свойств (жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т. п.) за счет изменения его внутреннего строения. Рафинирование — очистка сплавов от ненужных и вредных примесей. Уда­ление вредных примесей (серы и фосфора) из чугуна и стали выполняют рафинированием их марганцем и известняком.

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 со­держат легирующие 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. 23), содержащий ледебуритный цемен­тит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, со­держащий перлит П и графит Г; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и гра­фит Г. В ферритном чугуне весь углерод нахо­дится в свободном состоянии в виде графита. Су­ществуют чугуны с промежуточными микро­структурами: половинчатый Па, в котором име­ются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный Пб, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV — перлит и шаровидный графит.

Рис. 5.5. Микроструктуры чугуна

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 от 2,7 до 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.

Совместное влияние углерода и крем­ния на структуру чугуна представлено на диаграмме (рис. 24, а). На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния на оси ординат — содержание углерода. Диаграмма сплошными линиями делится на пять областей. Обозначение областей соответствует структурам чугуна, приведенным на рис. 23. Используя эту диаграмму, можно определить процентное содержание углерода и кремния для получения отливок с толщиной стенок 50 мм и обходимой микроструктурой.

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. На рис. 24, б показано совместное влияние углерода и кремния (ось ординат) и толщины стенки отливки (ось абсцисс) на структуру чугуна. Обозначение областей на этой диаграмме также соответствует структурам, приведенным на рис. 23, и областям рис. 24, а.

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 содержание фосфора около 0,5—0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fе + FезР + FезС) 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 до 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+iFeS), 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 (Сг, Ni, Mo, Ti, Mn, Cu 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 чугун. Серый и белый чугуны 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 называют 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. В соответствии с ГОСТ 1412—80 выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): QH 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 включенийграфита. 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 графита (рис. 25, а) в виде пластинок, наименьшее — включения то­чечной или шарообразной формы.

Рис. 5.6. Микроструктура чугуна с различной формой графита:

а — пластинчатый графит в сером чугуне, б - шаровид­ный графит в высокопрочном чугуне, в — хлопьевидный графит в ковком чугуне

По физико-механическим характеристикам се­рые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочно­сти, высокой прочности и со специальными свой­ствами.

А) серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или ферри­та и перлита с пластинчатым графитом (рис. 25, а). Такой чугун обладает прочностью на растяжение 300 МПа, и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обознача­ют наименование чугуна, а следующая за ними двухзначная цифра — предел прочности на рас­тяжение.

Б) серый чугун повышенной прочно­сти имеет перлитную основу и более мелкое, за­вихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифици­рованием чугуна.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а 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 немодифицироваиный 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 ксцаш 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. Он имеет ферритную или перлитную структуру (см. рис. 23), является разновидностью серого чугуна, модифицирован­ного магнием. Одновременно с ним или несколь­ко позже в жидкий чугун вводят ферросилиций. В результате получают мелкие включения гра­фита шаровидной формы (см. рис. 25,6). Этот чугун обладает повышенной прочностью по срав­нению с обычными серыми чугунами.

В зависимости от предела прочности (Qb) при растяжении и относительного удлинения () выскопрочные чугуны (ГОСТ 7293-79) разделяются следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): ВЧ 38—17 (140—170), ВЧ 42—12 (140—200), ВЧ 45—5 (160—220), ВЧ 50—2 (180—260), ВЧ 60—2 (200—280), ВЧ 70—3 (229—275), ВЧ 80—3 (220—300), ВЧ 100—4 (302—369), ВЧ 120—4 (302—369).

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, кузнечно-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% Мп; 0,16— 0,30% Сг; <0,01% S; <0,06% Р и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и не большие пределы содержания других химических элементов обеспечивается 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, 6 = 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 перлитно-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы (см. рис. 25, в) У отливок с толщиной стенок более 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун. Ферритные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных дуплекс-процессом и содержащих 2,4—2,8% С 0,8-1,4%! Si; 0,3-0,4% Мп; 0,08-0,1% S ≤0,2% Р. Для защиты от окисления при отжиг отливки из белого чугуна укладывают в специальные металлические ящики и засыпают пес ком, стальными стружками или шамотом. Отжиг белого чугуна состоит в медленном нагреве (20-25 ч) до температуры 950— 1000°С и длительно выдержке (10—15 ч) при этой температур. В процессе выдержки происходит первая стадия графитизации, заключающаяся в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита который в небольшом количестве имеется при этой температуре. К концу выдержки заканчнвается первая стадия графитизации и чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру снижают до 720—740°С, снова выдерживают чугун в течение 25—30 (рис. 5.7, режим 1). В это время происходит вторая стадия графитизации, в процессе которой распадается цементит перлита. Ферритный ковкий чугун называют также черносердечным по виду излома, который из-за большого количества графитных включений в ферритной основ имеет темный матовый цвет.

Рис. 5.7. Отжиг белого чугуна

Перлитные ковкие чугуны получают из белы чугунов, выплавленных преимущественно в вагранках. Белый чугун для этого должен иметь следующий химический состав: 2,8—8,4% С 0,5—0,8% Si; 0,4—0,5% Мп; 0,2% Р и 0,12% < Для уменьшения содержания углерода отжиг выполняют в окислительной среде. Для этого от­ливки засыпают окалиной или измельченной же­лезной рудой. Режим отжига состоит в.нагреве до температуры примерно 1000°С, длительной выдержке при этой температуре (первая стадия графитизаций) и непрерывном медленном ох­лаждении до комнатной температуры (рис. 26, режим 2). При таком отжиге значительная часть углерода выгорает, а в поверхностном слое глу­биной до 1,5—2,0 мм наблюдается полное обез­углероживание. Поэтому в изломе чугун полу­чается светлым и его называют светлосердечным. Перлитные ковкие чугуны имеют меньшее применение, чем ферритные ковкие чугуны.

В зависимости от предела прочности при рас­тяжении (<tb) и относительного удлинения (6) ковкий чугун (ГОСТ 1215—79) разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): КЧ 30—6 (163), КЧ 33—8 (163),,КЧ 35—10 (163), КЧ 37—12 (163) — ферритные черносердечные и КЧ 45—6 (241), КЧ 50—4 (241), КЧ 56—4 (269), КЧ 60—3 (269), КЧ 63—2 (269) — перлитные светло-сердечные.

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 исходного 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 никелемарганцовистый чугун, содержащий 7—10% Мп и 7—9% Ni, а также марганцево-медистый чугун, в котором содержится 9,8% Мп и 1,2 — 2,0% Си.

Аустенитный чугун имеет высокие пока­затели по кислотостойкости, щелочестойкости и жаропрочности. Примерами этих чугунов являются нирезит, содержащий 14% Ni, 2% Gr, 7% Си и никросилал с 5% Si, 18% Ni, 2% Сг и др.

Жаростойкий чугун — 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, а также 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 2,5 до 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 инструмента и штампов холодного и горячего деформирования.

Стали специального назначе­ния — это нержавеющие, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по качеству. Стали по каче­ству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. 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 обыкновено го к а ч е с т в а 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 особовысококачественные — 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. Нераскисленная сталь об­ладает недостаточной пластичностью и подвер­жена хрупкому разрушению при горячей обра­ботке давлением.

Спокойные стали хорошо раскислены марганцем, алюминием и кремнием в печи и ков­ше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков упадочной 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 реагирует с углеродом и выде­ляется в виде пузырей окиси углерода СО, соз­давая ложное 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. Классификация по структуре. Стали по структуре классифицируют в состояниях после отжига и нормализации (см. гл. IV). В отожженном (равновесном) состоянии на доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита; ледевуритные, в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды; аустенитные; ферритные.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие сновные классы: перлитный, мартенситный (см. гл. IV), аустенитный, ферритный. Мартенситпредставляет собой сильно перенасыщенное уг­леродом а-железо с искаженной кристаллической решеткой.

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 (рис. 5.8, б). 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, относительные удлинение и сужение (рис. 5.8, а).

Рис. 5.8. Влияние углерода на механические свойства стали (а) и на количество феррита и цементита (б)

Механические свойства приведены для горячей деформированной стали без термической обра­ботки. Цифры являются средними и могут коле­баться в пределах ±10% в зависимости от со­держания примесей, условий охлаждения после прокатки и т. д.

Для заэвтектоидных сталей на их механиче­ские свойства сильное влияние оказывает вто­ричный цементит, который образует хрупкий «каркас» вокруг зерен перлита. Этот «каркас» преждевременно разрушается подагрузкой, что вызывает снижение прочности, пластичности и вязкости. Поэтому заэвтектоидные стали приме­няют после специального отжига, в результате которого получают в структуре зернистый пер­лит.

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 заданны ми 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 сто,2, 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 (краснолом­ кость). 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 особенно­сти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

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 округ­лой формы.

Флокены резко ухудшают свойства и недопу­стимы встали, предназначенной для изготовле­ния ответственных деталей.

Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород — постоян­ные примеси в стали. 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 эле­менты, например медь, мышьяк, попадают в сталь из руды. Случайные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказыва­ют на свойства стали незначительное влияние.

ЛЕКЦИЯ 6

studfiles.net

Классификация железоуглеродистых сплавов

Все железоуглеродистые сплавы, в соответствии с диаграммой железо-углерод, подразделяются на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%), стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%)

Характеристика сталей

Стали — сплавы железа (Fe) с углеродом (С), с содержанием последнего не более 2,14%. Стали характеризуются достаточно высокой плотностью (7,7 - 7,9 г/см3) и другими физическими величинами:*

• Удельная теплоёмкость при 20°C: 462 Дж/(кг·°C)
• Температура плавления: 1450—1520°C
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг)
• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20°C: 11,5·10-6 1/°С
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100°С: 30 Вт/(м·К)

*Данные характеристики представляют среднее значение. Фактическая величина свойств зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для ее точного определения стоит пользоваться марочниками сталей и сплавов.

На практике используются стали с содержанием углерода не более 1,3%, т.к. при его более высоком содержании увеличивается хрупкость.

Классификация сталей

Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:

Классификация по химическому составу

• углеродистые стали - классифицируются в зависимости от содержания углерода в %:
  • низкоуглеродистые (< 0,25 %C)
  • среднеуглеродистые (0,25-0,65 %C)
  • высокоуглеродистые (> 0,65 %C)

• легированные стали - классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов в %:
  • низколегированные (< 2,5%)
  • среднелегированные (2,5-10 %)
  • высоколегированные (> 10 %)

Если содержание Fe меньше 45 %, то это сплав, на основе элемента самого высокого содержания. Если содержание Fe больше 45 %, то это сталь.

Классификация по назначению

• конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов, содержание углерода <0,8%. Конструкционные подразделяются на цементуемые, с содержанием углерода <0,3% и улучшаемые, с содержанием углерода >0,3%. Основную классификацию и группы конструкционных сталей можно посмотреть здесь
• инструментальные – применяются для изготовления мерительного, режущего инструмента, штампов горячего и холодного деформирования. Содержание углерода >0,8%;
• с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по структуре

Классификация по Обергофферу - по структуре в равновесном состоянии

Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:

• доэвтектоидные
• эвтектоидные
• заэвтектоидные
• ледебуритные (имеющие в литом состоянии эвтектику)

Позже были внесены дополнения:

• ферритные
• аустенитные

Равновесное состояние - состояние сплава или стали после медленного охлаждения, чаще всего после отжига

Классификация по Гийе - по структуре после нормализации (нагрева и охлаждения на воздухе)

• перлитные
• мартенситные
• ферритные
• аустенитные
• карбидные

Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т.д.

Классификация сталей по качеству

Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:

• обыкновенного качества (S≤0,05, P≤0,04)
• качественные стали (S, P ≤0,035)
• высококачественные (S, P ≤0,025)
• особовысококачественные (S≤0,015, P≤0,025)

Классификация по способу выплавки

• в мартеновских печах
• в кислородных конверторах
• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

Классификация по степени раскисления

• кипящие (кп)
• полуспокойные (пс)
• спокойные (сп)

Классификация и маркировка чугунов

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Классификация чугунов

В зависимости от состояния углерода в чугуне, его подразделяют на следующие виды:

• белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида

Такой чугун может быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом.

• графитизированный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава. Такие чугуны подразделяют на:
  • серые - пластинчатая или червеобразная форма графита (ЧПГ)
  • высокопрочные - с шаровидным графитом (ЧШГ)
  • ковкие - хлопьевидный графит (ЧХГ)
  • чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) — имеет промежуточные свойства между СЧ и ВЧ. По форме графита напоминает СЧ, но имеет более толстые и более короткие пластины с округленными концами

Еще чугуны классифицируются по основе, в которой расположен графит. Основа может быть перлитной, ферритной, феррито-перлитной.

Маркировка чугунов

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

Пример маркировки

СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

Чугуны специального назначения

К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 7769—82), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 11849—76) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.

Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС5) и хромом (4Х28, 4Х32). Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.

К жаропрочным относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.

В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) — ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — 4Х22, 4Х28, 4Х32. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (4С15М4, 4С17МЗ — антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7.

В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны.

К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И4НХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ (с шаровидным графитом).

heattreatment.ru

Железоуглеродистые сплавы. Медь и ее сплавы

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

Кировский филиал

Курсовая работа

по курсу: «Материаловедение»

Выполнил:

студент второго курса

очного отделения

по специальности 100101(У)

Быков Р.И.

Киров 2008г.

Содержание

1. Железоуглеродистые сплавы. Производство чугуна и доменный процесс

1.1 Железоуглеродистые сплавы

1.1.1 Фазовые состояния

1.1.2 Строение железоуглеродистых сплавов

1.1.3 Полиморфные превращения железоуглеродистых сплавов

1.2 Производство чугуна и доменный процесс

1.2.1 Доменный процесс

1.2.2 Продукты доменной плавки

2. Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

2.1Превращения в стали при нагревании

2.2 Превращения в стали при охлаждении

2.3 Основные виды термической обработки стали

2.3.1 Отжиг стали

2.3.2 Закалка стали

2.3.3 Отпуск стали

3. Медь и её сплавы. Область применения

3.1 Физические свойства

3.2 Химические свойства

3.2.1 Отношение к кислороду

3.2.2 Взаимодействие с водой

3.2.3 Взаимодействие с кислотами

3.2.4 Отношение к галогенам и некоторым другим неметаллам

3.2.5 Оксид меди

3.2.6 Гидроксиды меди

3.2.7 Сульфаты

3.2.8 Карбонаты

3.2.9 Качественные реакции на ионы меди

3.3 Сплавы

3.3.1 Латуни

3.3.2 Бронзы

3.3.3 Медноникелевые сплавы

3.4 Применение меди

Список использованных источников

1. Железоуглеродистые сплавы. Производство чугуна и Доменный процесс

1.1 Железоуглеродистые сплавы

Железоуглеродистые сплавы, сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами.

Различают: чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей и технические железоуглеродистые сплавы — стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнями млн. т.

Технические железоуглеродистые сплавы содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Mn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Cr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Cu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca и др.).

В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система Fe — С. Начало научному изучению этой системы положили русские металлурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868).

Аносов впервые применил микроскоп при исследовании железоуглеродистые сплавы, а Чернов установил их кристаллическую природу, обнаружил дендритную кристаллизацию и открыл в них превращения в твёрдом состоянии.

Из зарубежных учёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fe — С сплавов, следует отметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П. Геренса (Германия).

1.1.1 Фазовые состояния.

Железоуглеродистые сплавы при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (рис. 1, а) и метастабильного (рис. 1, б) равновесий. В стабильном состоянии в железоуглеродистые сплавы встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)

Рис. 1a. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние стабильных равновесий.

Рис. 1в. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояния с двойными линиями.

Рис. 1б. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние метастабильных равновесий.

Таблица 1.— Кристаллические фазы железоуглеродистых сплавов.

a-раствор (a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г).

В метастабильном состоянии в железоуглеродистые сплавы встречаются a-, g-, d-растворы и карбид железа Fe3C — цементит (Ц). Области устойчивости железоуглеродистых сплавов в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектическое равновесие d + g + Ж, E’C’F’ — эвтектическое стабильное равновесие g + Ж + Г; при ECF — эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж + Ц; при P'S'K' — эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г', при PSK — эвтектоидное метастабильное равновесие a + g + Ц.

Диаграммы а и б вычерчиваю и в одной координатной системе (рис. 1, в). Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ железоуглеродистых сплавов, содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Основной причиной появления в железоуглеродистых сплавах высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита.

Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистые сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния.

При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении.

Помимо основных фаз, указанных на диаграммах, в технических железоуглеродистые сплавы встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe3P), окислы железа и примесей (FeO, MnO, Al2O3, Cr2O3, TiO2 и др.), нитриды (FeN, AlN) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в железоуглеродистых сплавах в связи с магнитными превращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).

1.1.2 Строение железоуглеродистых сплавов

Строение железоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S, называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые — заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C1 и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые — заэвтектическими.

Затвердевание сталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения кристаллов 8-раствора обычно в виде дендритов. При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизация заканчивается образованием однофазной структуры d-раствора. Стали с 0,1—0,5% С после выделения некоторого количества 8-раствора испытывают перитектическое превращение Ж + d —> g. В интервале концентраций 0,10—0,16% С оно приводит к полному затвердеванию, а в интервале 0,16—0,50% С кристаллизация завершается при охлаждении до температуры линии IE. В железоуглеродистых сплавах с 0,5—4,26% С кристаллизация начинается с выделения g-раствора также в виде дендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание же чугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) gраствора, заканчивается эвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трёх возможных вариантов: Ж ®g+ Г, Ж ® g+ Ц или Ж ® (+ Г + Ц.

В первом случае получаются т. н. серые чугуны, во втором — белые, в третьем — половинчатые. В зависимости от условий кристаллизации графит выделяется в виде разветвленных или шаровидных включений, а цементит — в виде монолитных пластин или проросших разветвленным аустенитом.

В железоуглеродистых сплавах, содержащих более 4,26—4,3% С, кристаллизация переохлажденного ниже линии D1C1 расплава в условиях медленного охлаждения начинается с образования первичного графита разветвленной или шаровидной формы. В условиях ускоренного охлаждения (при переохлаждениях ниже линии DC) образуются пластины первичного цементита. При промежуточных скоростях охлаждения выделяются и графит, и цементит. Кристаллизация заэвтектических чугунов, так же как и доэвтектических, завершается распадом остатка жидкости на смесь gраствора с высокоуглеродистыми фазами.

Строение затвердевших железоуглеродистых сплавов существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других) высокоуглеродистых фаз.

mirznanii.com

Железоуглеродистые сплавы - часть 2

Сплав IV(чугун содержит углерода более 2%). Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристаллизовавшегося аустенита все время увеличивается. При достижении температуры 1147°С (на линии EF) оставшаяся часть жидкого расплава моментально кристаллизуется с образованием механической смеси аустенита и цементита, т. е. происходит эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики — ледебурита. Начиная с температуры 1147 до 723 °С, из аустенита выделяется вторичный цементит ЦІІ . При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение — из аустенита образуется перлит.

При нормальных температурах структура чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Ледебурит после эвтектоидного превращения представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Чугуны с содержанием углерода до 4,3 % называются доэвтектическими чугунами. Если углерод находится в чугунах в химически связанном состоянии с железом, т.е. в цементите, то такие чугуны называются белыми чугунами. Микроструктура сплава IV, представляющего собой доэвтектический белый чугун, показана на рис. 3.

Сплав V(чугун содержит 4,3 % углерода). До температуры 1147°С сплав находится в жидком состоянии. При температуре 1147°С (точка С на диаграмме) происходит эвтектическая кристаллизация с одновременным образованием включений аустенита и цементита. При температуре от 1147 до 723 °С из аустенита выделяется вторичный цементит Цц. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение — из аустенита образуется перлит. Чугун с содержанием углерода 4,3 %называют эвтектическим белым чугуном. При нормальных температурах структура белого эвтектического чугуна состоит из включений перлита и цементита (рис. 3, е).

Сплав VI(чугун содержит углерода более 4,3 %). При температуре выше линии CDсплав находится в жидком состоянии. На линии CDначинают кристаллизоваться включения цементита, который называют первичным цементитом Ц. При понижении температуры до 1147°С количество первичного цементита все время увеличивается. На линии EFпри температуре 1147°С происходит эвтектическая кристаллизация (оставшаяся часть жидкого расплава кристаллизуется с одновременным образованием включений аустенита и цементита).

Ниже линии EFиз аустенита эвтектики при охлаждении выделяется вторичный цементит ЦІІ .При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение — аустенит перекристаллизуется в перлит. Чугуны с содержанием углерода более 4,3 % называют заэвтектическими. При нормальных температурах структура белого заэвтектического чугуна (рис. 3., ж) состоит из включений первичного цементита и эвтектики, представляющей собой при нормальных температурах смесь перлита и цементита.

2 Производство чугуна

Производство чугуна. Материалы для плавки чугуна в доменной печи называют шихтой. Шихта состоит из железной руды, которая предварительно подготовляется к плавке, известняка, необходимого для образования шлака, топлива, которым служит металлургический кокс.

Железная руда — основной материал для производства чугуна — представляет собой горные породы сложного состава. Обычно железные руды содержат окислы железа Fe2O3 , Fe3 O4, а также окислы кремния, марганца, фосфора, серы, кальция, магния и других элементов, которые называют пустой породой, потому что в них нет железа. Чтобы понизить температуру плавления пустой породы и золы, получающейся от сгорания кокса, в доменную печь добавляют известняк СаСО3 — флюс. Пустая порода и зола кокса сплавляются с известняком и образуют шлак.

Рис. 4. Схема доменной печи:

1 — летка для выпуска жидкого чугуна, 2 — шлак, 3 — загрузочное устройство, 4 — железная руда, 5— известняк, 6 — кокс, 7 — капли расплавленного чугуна, 8 — капли расплавленного шлака, 9 — фурмы, 10 — летка для выпуска жидкого шлака, 11 — жидкий чугун

В доменную печь (рис. 4) сверху с помощью устройства 3 загружается определенными порциями шихта. Сначала загружают кокс, затем флюсы и железную руду. В такой последовательности загружается весь объем печи. Для розжига кокса и создания в печи высоких температур, обеспечивающих процесс плавления шихты, по специальным каналам, называемым фурмами 9, вдувают горячий воздух.

Плавление начинается выше фурм, в результате появляются капли расплавленного чугуна 7 и шлака 8. Стекая на днище печи по кускам раскаленного кокса, жидкий чугун 11 и шлак 2 нагреваются до температур 1400... 1450 °С и собираются на подине, которая называется лещадью. Периодически чугун и шлак выпускают из печи через специальные отверстия — летки 1 и 10.

При плавке в доменной печи железо восстанавливается из руды углеродом кокса и науглероживается. Вместе с железом восстанавливается часть окислов пустой породы (окислы кремния, марганца, серы, фосфора). Поэтому доменный чугун представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Влияние химических элементов на свойства чугуна. Свойства чугунов зависят от химического состава, т. е. от содержания в них углерода, кремния, марганца, фосфора, серы.

Углерод, химически связанный с железом, образует цементитFc3 C. Цементит придает чугуну хрупкость, но значительно повышает твердость. Такой чугун, имеющий в изломе блестящий металлический оттенок, называют белым. Белые чугуны не обрабатываются режущим инструментом.

Углерод в чугуне может находиться в свободном состоянии в виде графита. Цементит в таких чугунах не образуется, поэтому их твердость значительно ниже твердости белых чугунов; такие чугуны хорошо обрабатываются резанием. Присутствие графита придает чугуну в изломе серый, матовый оттенок; чугун в данном случае называют серым.

Кремний способствует выделению углерода в чугуне в виде графита, улучшает литейные свойства чугуна, понижает его твердость.

Марганец препятствует выделению углерода в чугуне в виде графита и способствует образованию цементита, поэтому повышает твердость чугуна и при определенном содержании его увеличивает прочность.

Фосфор, соединяясь с железом, образует легкоплавкую хрупкую и твердую составляющую, которая располагается по границам зерен чугуна, вследствие чего у чугуна значительно повышаются хрупкость и твердость, увеличивается износостойкость. Образующаяся легкоплавкая составляющая улучшает заполняемость литейных форм жидким чугуном. Фосфор — вредная примесь.

Сера тормозит выделение углерода в чугуне в виде графита. Образуя по границам зерен чугуна хрупкую составляющую, сера снижает механические свойства, способствует образованию трещин в отливках. Вредное влияние серы может быть нейтрализовано повышенным содержанием марганца, с которым сера легко образует тугоплавкое соединение.

Продукты доменного производства. Продуктами доменного производства служат чугун, доменные ферросплавы, доменный газ и доменный шлак. В зависимости от назначения чугун подразделяется на передельный и литейный.

Передельный чугун (ГОСТ 805—80), используемый преимущественно для выплавки стали, имеет следующий химический состав (%): углерод 4...4,5; кремний не более 1,2; марганец не более 1,5; фосфор не более 0,3; сера не более 0,5. Все передельные чугуны, как правило, белые.

Литейный чугун (ГОСТ 4832—80), предназначенный для производства чугунных отливок различного назначения, имеет следующий химический состав (%): углерод 3,5...4,5; кремний 1...3,6; марганец 0,5.. .1,5; фосфор 0,08...1,2; сера 0,02...0,06. Все литейные чугуны содержат большее количество кремния, чем белые, и не содержат структурно свободного цементита, поэтому они относятся к серым чугунам.

Доменные ферросплавы содержат большое количество кремния или марганца. Доменный ферросилиций, который включает в себя 9... 13 % кремния, используют при плавке в литейных цехах для повышения содержания кремния в серых чугунах. Доменный ферромарганец, в который входит до 75 % марганца, применяют для повышения содержания марганца при производстве стали.

Доменный газ, содержащий до 30 % СО, хорошо горит, поэтому его используют для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь, и как промышленное топливо. Из доменной печи газ отводят сверху по трубопроводам.

Доменный шлак как отход металлургической промышленности используют в промышленности строительных материалов для изготовления цемента, шлакобетоа, шлаковой ваты и других материалов. Металлургический шлак находит широкое применение в дорожном строительстве.

3 Серые чугуны

Серые чугуны получают из литейных доменных чугунов с добавкой в состав шихты чугунного лома. Химический состав серых чугунов (%): углерод 2,8...3,5, кремний 1,5...2,8, марганец 0,4...0,8, фосфор 0,2... 1, сера 0,08...0,12. Применяют серые чугуны для производства отливок деталей различных машин и механизмов, труб, санитарно-технического оборудования. Серые чугуны маркируют в зависимости от их механических свойств (табл.2).

Таблица 2. Механические свойства серого чугуна(ГОСТ 1412—79)

В марке чугуна буквы СЧ обозначают, что чугун серый; цифры показывают предел прочности чугуна при растяжении.

Для изготовления отливок, обладающих прочностью на растяжение до 200..250 Н/мм2 , используют обычные серые чугуны; для изготовления отливок более высокой прочности — чугуны со специальными добавками хрома, никеля и других элементов. Такие чугуны называют л егированными.

mirznanii.com

---

• 
  Электромуфтовая сварка
• 
  Стабилизатор на генератор
• 
  Очистка металла
• 
  Гелий горит или нет
• 
  Остаточная деформация
• 
  Система бесперебойного питания
• 
  Для нагревания и прокаливания металлических веществ используют фото
• 
  Аккумуляторы батарейки пальчиковые
• 
  Герметик для глушителя высокотемпературный 1000
• 
  Рейтинг бензогенераторов по надежности
• 
  Температура кипения углекислого газа