РАЗДЕЛ № 10. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
Лекция №14
Тема № 15. Металлические материалы и изделия. Основы получения чугуна и стали: сортамент проката; цветные металлы и сплавы.
Учебные вопросы:
Технология получения чугуна и стали, особенности термической обработки стали.
Сортамент стального проката.
Коррозия железа и других металлов.
Цветные металлы и сплавы.
Литература: [1] с. 655…682.
1. Технология получения чугуна и стали, особенности термической обработки стали.
Металлы занимают одно из главных мест среди основных строительных материалов. Область их применения в строительстве весьма широка. Это – арматура для железобетона, разнообразные металлические конструкции, трубы и пр.
Металлами - простые вещества, которые при обычных условиях твёрдые (кроме ртути) и отличаются характерным металлическим блеском.
Основные свойства металлов: непрозрачность, ковкость (способность сплющиваться), тягучесть, электропроводность, теплопроводность, высокая прочность и плотность, технологичность (обрабатываемость), свариваемостью и др. В то же время металлам присущи недостатки, в том числе подверженность коррозии, деформируемость при высоких температурах, значительная плотность, высокая стоимость.
Различают черные и цветные металлы. Черные металлы представляют собой в основном сплавы железа с углеродом, в которых в небольшом количестве содержатся кремний, марганец, фосфор, сера и другие химические элементы. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на стали и чугуны. Цветные металлы, к которым относятся медь, алюминий, магний, цинк и др., применяются как в чистом виде, так и в виде сплавов.
Получение чугуна
Для выплавки железа из руды разработан доменный процесс с получением в нём чугуна, поступающего потом на выработку стали. Домна – высокая шахтная печь высотой до 30 м, шириной более 6м (рис. 1).
В нижней части домны сгорает кокс: С + О2 = СО2. Углекислый газ, поднимаясь, соприкасается с раскалённым коксом и переходит в оксид углерода: СО2 + С = 2СО. Еще выше в шахте оксид углерода взаимодействует с раскалённой рудой: СО + Fe2O3 = 2FeO + CO2 и далее: FeO + CO = Fe + CO2. Чугун стекает в нижнюю часть домны. Из домны чугун выпускают через специальное отверстие – летку. Первые капли чугуна образуются при температуре 1250 оС и стекают между кусками кокса в горне. Температура чугуна в домне равна 1480…1520 оС. Содержание углерода в чугуне составляет 4…4,5 %. Образованный доменный шлак выпускается наружу из другого отверстия домны. При этом 99…99,8 % железа переходит в чугун, остальное в шлак. Кроме углерода в состав чугуна входят: кремний, марганец, сера, фосфор и пр.
По назначению чугун делят на: литейный и предельный.
Литейный чугун переплавляют для производства чугунных изделий.
Из передельного чугуна получают сталь.
По полученным свойствам чугун делят на: белый и серый.
Белый чугун (передельный) содержит весь углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа, именуемого цементитом Fe3С. При нормальной температуре его структура слагается из двух фаз: феррита и цементита. Белый чугун имеет высокую твёрдость и большую хрупкость, в основном его применяют для производства стали ковкого чугуна. Белым этот чугун называется потому, что в изломе он имеет матово-белый цвет.
Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита (100%); они называются серыми потому, что в изломе имеют серый цвет. Содержание С – до 3,8%. По структуре металлической основы их разделяют на ферритовый, феритно-перлитный и перлитный. Обычный серый чугун получают медленным охлаждением жидкого расплава или аустенита высокоуглеродистых сплавов.
По форме графитовых включений серые чугуны разделяют на: обычный серый с пластинчатым графитом; вермикулярный серый; высокопрочный; ковкий.
Получение стали
Сталь получают путём переработки передельного чугуна, в результате чего происходит освобождение некоторой части углерода методом его окисления.
По способу производства существует три метода: конверторный, мартеновский и в электрических печах.
Конверторный – продувка расплавленного чугуна сжатым воздухом или кислородом в больших грушевидных сосудах – конверторах с различной внутренней огнеупорной футеровкой (рис. 2). В конверторах выплавляется более 50% в мире стали и имеет тенденцию к увеличению, тогда как доля мартеновской выплавки постепенно уменьшается.
Мартеновский – в печах Сименса-Мартена с регенерацией тепла отходящих газов (рис. 3). При плавке в мартеновских печах или при электроплавке добавляется в расплавленный чугун железная руда или скрап (железный лом).
Электроплавкий способ – в электродуговых, индукционных или высокочастотных печах (рис. 4).
При производстве стали добавляют в печь легирующие вещества (металлы), получая специальные сорта стали с необходимыми свойствами, например хромоникеливую (нержавеющую) сталь.
Количество углерода в стали не превышает – 2,14%, а в чугуне от 2,14% до 6,67%. Вместе с тем огромное значение на свойства стали и чугуна имеют их структурообразующие компоненты:
аустенит – твердый раствор углерода и других элементов в модификации y-Fe (азот, водород). Имеет высокую пластичность, низкий предел прочности при растяжении, твёрдость НВ 1700…2200 МПа.
феррит - твердый раствор углерода и других элементов в модификации α-Fe. Отличается мягкостью и пластичностью, низкой прочностью (250 МПа при растяжении), относительным удлинением (50%), твердостью (НВ 800 МПа).
цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа (Fe3С), содержит 6,67% углерода, имеет сложное кристаллическое строение. Обладает низкой пластичностью и высокой твёрдостью НВ, равной 10000 МПа, хрупкий.
перлит – эвтектоидная мельчайшая смесь состоящая из феррита и цементита. Состоит из пластинок феррита и цементита, а микрошлифе имеет вид перламутра (название перлит). С увеличением содержания углерода в стали снижается количество феррита и возрастает содержание перлита.
ледебурит – жидкий сплав состоящий из аустенита и цементита.
Стали по содержанию углерода делятся: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные – содержащие 0,02…0,8% углерода. Кристаллизация доэвтектоидных сталей происходит при образовании феррита и аустенита в жидкой фазе. После окончательной кристаллизации доэвтектоидные стали состоят из аустенита. При дальнейшем охлаждении образуются зёрна феррита, а количество аустенита уменьшается.
Эвтектоидные – получаемые при температуре 727оС путём эвтектоидного (перлитного) превращения аустенита. Последний распадается, выделяя феррит и цементит, которые образуют эвтектоидную мельчайшую смесь – перлит, содержащий 0,8% углерода. Структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита. После полного охлаждения стали содержат перлит и феррит.
Заэвтектоидные – содержащие 0,8…2,14% углерода. От температуры 727оС и ниже заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита.
Чугуны по содержанию углерода делятся: доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.
Доэвтектические – содержащие 2,14…4,3% углерода. При температуре эвтектике 1147 оС, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727 оС аустенит превращается в перлит, а доэвтектические чугуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением количества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увеличивается – ледебурита.
Эвтектические – содержащие 4,3%. Он кристаллизуется при постоянной температуре 1147 оС с образованием эвтектике – ледебурита.
Заэвтектические – с содержанием углерода 4,3…6,67%. Он кристаллизуется с образованием в жидком сплаве первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшаяся жидкость затвердевает, образуя эвтектику – ледебурит. Заэвтектические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727 оС входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита и ледебурита. С увеличением содержания углерода возрастает содержание цементита.
Особенности термической обработки стали
Характерной особенностью многих металлов является аллотропия (вторичная кристаллизация) или полиморфизм – способность изменять свою кристаллическую структуру в твердом состоянии при различной температуре. Изменение типа кристаллической решетки вызывает соответствующие изменения физико-механических свойств.
Целью термической обработки стали является изменение ее структуры и свойств. При термической обработке значительно изменяются свойства стали, причём значительное значение имеет изменение механических свойств.
Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг – термическая обработка стали, получившая неустойчивое состояние в предыдущей обработке, путем нагревания и медленного охлаждения вместе с печью, что приводит ее в более устойчивое состояние. При это образуется аустенит, который при охлаждении распадается образовывая перлитовые структуры. Отжиг проводят для устранения дефектов ее предыдущей горячей обработки или для подготовки ее к следующим операциям (закалке, обработке резанием и т.д.). Различают отжиг 1-го и 2-го рода (изучить самостоятельно).
Нормализация – термическая обработка стали, путём нагревания её при более высокой температуре (на 50оС) и дальнейшем охлаждении на воздухе. При быстром охлаждении на воздухе аустенит распадается при более низких температурах, чем при медленном охлаждении при отжиге, что приводит к образованию более дисперсной ферритно-цементитной структуры и на 10…15% повышает прочность и твёрдость среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали по сравнению с отжигом.
Закалка стали. При закалке стали термическая обработка выполняется путем нагревания ее при более высоких температуре (30…50оС) и с большей скоростью охлаждения, точнее переохлаждения до низких температур, когда невозможны диффузивные процессы. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные в минеральном масле или других средах. В результате закалки повышается твёрдость стали.
Существуют три способа закалки: непрерывная, прерывистая и ступенчатая.
Непрерывная – с полным охлаждением в одном охладителе. Ее применяют для простых изделий из углеродистых и легированных сталей.
Прерывистая – закалка в двух средах: изделие быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше температуры начала мартенситного превращения, быстро переносят в среду с меньшей скорости охлаждения (минеральное масло, воздух и т. д.), в которой они охлаждаются до температуры 20 оС. Этим способом закаляют инструменты из высокоуглеродистых сталей.
Ступенчатая – сталь охлаждают в среде расплавленных солей, а так же расплавленных щелочей. недолго выдерживают в них и затем окончательно охлаждают на воздухе до комнатной температуры. Охлаждение в две ступени уменьшает внутреннее напряжение и поэтому уменьшает закалочную деформацию.
Отпуск – температурная обработка, состоящая из нагревания закаленной стали ниже температуры равновесного фазового превращения, выдержки при этой температуре и их охлаждения на воздухе или в воде с целью получения более устойчивого состояния структуры стали.
Различают: низко-, средне- и высокотемпературные отпуски.
Низкотемпературные отпуски – при температуре 250 оС.
Среднетемпературные отпуски – при температуре 350…500оС.
Высокотемпературные отпуски – при температуре 500…680 оС.