Розділ III. Залізовуглецеві сплави

3.1. Характеристика компонентів. Домішки

Залізовуглецеві сплави — це сплави, отриманні методом розплаву заліза з вуглецем. До них відносяться сталь і чавун. Оскільки основними компонентами їх є залізо та вуг­лець, то спочатку розглянемо їх більш детально.

Залізо — це хімічний елемент з явно вираженими мета­лічними властивостями. Воно добувається з надр землі, де знаходиться в рудах частіше всього в окислах Fe₂0₃. Воно має сріблясто-білий колір. Густина заліза 7,8 г/см³. Темпера­тура плавлення 1539 °С . Кристалічна решітка ОЦК. При зміні температури залізо має поліморфні перетворення, які позна­чаються Fe_α, Fe_γ, Fe_δ . Атомний номер заліза 26, атомна вага 55,85. Залізо — феромагнітний матеріал, але при темпера­турі 768 °С (точка Кюрі) воно стає немагнітним. Найбільш чисте залізо, отримане в лабораторних умовах, має 99,9917% Fe. Залізо має невисоку твердість (80 НВ) і міцність (280 мн/м²).

Вуглець у природі зустрічається у двох модифікаціях: у формі алмазу із складною кубічною решіткою, та у формі графіту з простою гексагональною решіткою. Густина гра­фіту 2,25 г/см³. При нагріванні до 3650 °С графіт починає сублімувати. Діаметр атома вуглецю — 0,154 нм.

Виходячи з типів комірок, розмірів атомів заліза та вуг­лецю, можна зробити висновок, що вуглець в α-залізі не роз­чиняється, а в γ-залізі розчиняється. Однак, експерименталь­на перевірка показує, що все-таки незначна кількість вугле­цю розчиняється і в α-залізі. Пояснюється це наявністю в реальних решітках дефектів, особливо по границях зерен.

Основним конструкційним металічним матеріалом у про­мисловості є вуглецева сталь. Крім заліза і вуглецю в сталях є багато домішок. Вони можуть бути корисні та шкідливі, постійні та випадкові. Як вуглець, так і кожна з домішок впли­вають на властивості сталі. Особливо на властивості сталі впливає вуглець. Навіть при незначній зміні кількості вугле­цю помітно змінюються властивості сталі. На рисунку 12 показана залежність між кількістю вуглецю і механічними та фізичними властивостями сталі.

Рис. 12.

Постійними домішками в сталі є марганець, кремній, фос­фор, сірка, а також гази: водень, азот та кисень.

Марганець суттєво впливає на властивості сталі, підви­щує міцність, нейтралізує шкідливі з'єднання сірки тощо.

Кремній позитивно впливає на сталь. Його дія аналогіч­на до марганцю.

Фосфор є шкідливою домішкою в сталі. Розчиняючись у фериті, він різко підвищує температуру переходу в крихкий стан, викликаючи холодноломкість (синьоломкість) сталі.

Сірка, як і фосфор, потрапляє в метал із руд та разом з паливом. Вона теж шкідлива. Але не розчиняється в сталі. Сірка в будь-який кількості утворює із залізом сірчасті з'єднання — сульфіди заліза, які є евтектичними з темпера­турою плавлення 988 °С і вище, тобто в районі температур червоного кольору. Тому це явище називають червоноломкі-стю. Це явище особливо небезпечне при обробці сталі тис­ком, тому що при гарячій обробці тиском у металі з'являєть­ся надриви та тріщини.

Уведення в сталь марганцю зменшує шкідливий вплив сірки. Марганець з'єднується з сіркою, утворюючи сульфід марганцю, який плавиться при температурі 1620 °С .

Кількість фосфору і сірки обмежують. Фосфору у сталі допускається не більше 0,05 %, а сірки — 0,03 %.

Водень, азот, кисень знаходяться в сталі в незначній кількості. їх кількість залежить від способу виробництва. У сталях вони знаходяться в раковинах, розчиняються у фериті, утворюють різні з'єднання (нітриди, оксиди). Наявність цих газів у металі приводить до шкідливих наслідків. Водень сприяє утворенню надривів (флокенів). Азот і кисень дуже впливають на зменшення в'язкості металу, зменшують удар­ну в'язкість.