МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

И.Т. КАЗАРМЩИКОВ

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано Учебным Советом Оренбургского Государственного Университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программе высшего профессионального образования по специальности «Технология конструкционных материалов».

Оренбург 2004

ББК 34.2я.7 К 14

УДК 669.017(07)

Рецензент доктор технических наук, профессор В.М. Кушнаренко

кандидат технических наук, доцент А.Д. Проскурин

Казармщиков И.Т.

КПроизводство металлических конструкционных материалов: Учебное пособие. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 247 с.

ISBN

Впособии рассмотрены исходные материалы производства черных и цветных металлов, оборудование и способы подготовки сырья, конструкции плавильных агрегатов и технология выплавки чугуна, стали, ферросплавов и некоторых цветных металлов.

Освещены способы прямого получения железа из руд, изложены методы получения металлических порошков и технологии изготовления из них некоторых видов спеченных конструкционных материалов.

Ввозможной степени освещены перспективы развития процессов получения основных конструкционных материалов – металлов и сплавов.

Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов машиностроительных специальностей вузов. Может быть полезна инженерно-технологическим работникам машиностроительных предприятий.

К2608000000

ББК 34.2я.7 © Казармщиков И.Т., 2004

© ГОУ ОГУ, 2004

Предисловие

Всовременных условиях развития общества одним из значимых факторов технического прогресса в машиностроении является совершенствование технологии производства материалов. Важным направлением этого прогресса является создание и широкое использование новых конструкционных материалов, позволяющих резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Создавая конструкции машин, обеспечивающих надежность работы, инженер должен хорошо знать способы получения основных машиностроительных материалов – чугунов сталей и цветных металлов.

Всвязи с уплотнением учебных планов по дисциплине «Технология конструкционных материалов» объём разделов «Производство металлов» и «Порошковая металлургия» постоянно сокращается. Поэтому возникла потребность изложить основы производства черных и цветных металлов, а также производство металлических порошков и изделий из них в виде отдельного учебного пособия.

Пособие написано в соответствии с учебной программой дисциплины «Технология конструкционных материалов», являющейся комплексной дисциплиной, содержащей основные сведения о способах получения машиностроительных материалов и технологических методах изготовления из них изделий.

Вучебном пособии по возможности отражено все новое и передовое в практике производства чугуна, стали, цветных металлов, металлических порошков и изделий из них. Особое внимание уделено вопросам прямого получения железа и повышения качества металла и деталей.

Стремление изложить обширный материал в краткой и доступной форме не позволило уделить много места теории процессов получения металлов, металлических порошков и изделий из них. Однако все технологические вопросы рассмотрены с позиции современной науки.

Введение

Человек научился добывать и использовать металлы несколько тысячелетий назад. В отдаленные времена было известно лишь несколько металлов. Это золото, медь, серебро, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма. В настоящее время из известных элементов Периодической системы Менделеева свыше 75% составляют металлы.

Исторически сложилась промышленная классификация металлов, по которым все металлы делятся на две основные группы:

-черные;

-цветные.

Кчерным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы), хром, марганец.

Группа цветных металлов объединяет все остальные металлы, которая в свою очередь подразделяется на несколько подгрупп:

-лёгкие металлы (алюминий, магний и др.);

-тяжелые (медь, никель, свинец, цинк и др.);

-малые цветные металлы (кобальт, молибден, вольфрам, кадмий и др.);

-благородные (золото, серебро, платина и др.);

-редкие (лантан, церий, неодим и др.);

-радиоактивные (уран, плутоний и др.).

Среди металлов железо по своему значению занимает особое место. Производство черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития, являясь основой современной техники и культуры.

Широкому применению в самых разнообразных областях техники черные металлы обязаны своими высокими механическими и физическими свойствами. Преимущественному применению черных металлов способствовало также большое распространение в природе железных руд и сравнительная простота производства чугуна и стали.

Железо было известно человеку еще до нашей эры. Вначале железо получали в обычных кострах, а затем в специально устроенных плавильных ямах

– сыродутных горнах. В горн, выложенный из камня, загружали руду и древесный уголь. Воздух (кислород) необходимый для горения угля, подавался в виде дутья снизу горна при помощи мехов. Образующиеся газы (CO) восстанавливали оксиды железа. Из-за невысокой температуры в таких горнах можно было получать только малоуглеродистое железо, притом в тестообразном состоянии.

Постепенно горн совершенствовался и превратился в небольшую шахтную печь, которая получила название домницы. Увеличение высоты домницы и интенсивная подача дутья привели к повышению температуры и более интенсивному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. В домницах получали жидкое углеродистое железо с примесями марганца и кремния, то есть чугун.

Сначала чугун был нежелательным продуктом, так как его не умели использовать для изготовления изделий и орудий труда. Позднее был найден способ передела чугуна в ковкое железо. Способ получил название кричного процесса, при котором чугун переплавляли в кричном горне. В разогретый горн на

раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки. Плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и железистого шлака. Происходило окисление его примесей (кремния, марганца, углерода), и чугун превращался в малоуглеродистое ковкое железо.

Кричный передел чугуна давал возможность получать железо более высокого качества, чем сыродутное. При этом оказалось целесообразным сначала выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его в ковкое железо.

Со временем конструкция домниц изменялась, увеличивались высота и поперечное сечение, улучшался профиль, и домница превратилась в доменную печь.

Вдальнейшем прогресс доменного процесса шел в направлении увеличения объёма печей, перехода к более рациональному профилю, совершенствования конструкции доменных печей, механизации и автоматизации процесса.

В1856 г. Г. Бессемером был предложен способ передела жидкого чугуна путем продувки его воздухом в конвертере, положившего начало высокопроизводительному современному кислородно-конвертерному процессу. В 1864 г. отец и сын Мартены разработали способ производства стали в регенеративной отражательной печи, получившей название мартеновского процесса, и позволившего решить проблему переработки стального лома.

Вконце XIX в. возникла новая отрасль металлургии – производство качественных сталей в электрических печах.

Наряду с черными металлами очень важное значение в современном промышленном производстве имеют цветные металлы, которые нашли применение практически во всех отраслях промышленности и особенно в таких как радио-техника и электроника, самолетостроение и ракетостроение.

Внастоящее время металлургия черных и цветных металлов достигла очень высокого технического уровня. В результате упорного труда металлургов многих поколений созданы эффективные технологические схемы переработки руд в черные и цветные металлы.

Особое место среди разнообразных способов производства металлических конструкционных материалов занимает порошковая металлургия, позволяющая производить не только изделия из металлических порошков различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным путем крайне трудно или вообще невозможно.

Порошковая металлургия позволяет решать следующие важнейшие задачи, определяющие направление её развития в настоящее время:

- изготовление материалов и изделий с особыми составами и свойствами, которые недостижимы другими способами производства; - изготовление материалов и изделий с обычными составами и свойствами,

но при значительно более выгодных экономических показателях производства.

Вближайшие годы ожидается интенсивное развитие теории и практики процессов порошковой металлургии.