Доклад чугуна и стали

Обновлено: 17.05.2024

(польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: "Оцел", "Харолуг" и "Уклад". В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется "Оцел", например в чешском.

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием[источник не указан 122 дня] форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые(до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые(0,6—0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Плотность — 7700-7900 кг/м³.

Удельный вес — 75537-77499 н/м³ (7700-7900 кгс/м³ в системе МКГСС).

Удельная теплоемкость при 20 °C — 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).

Температура плавления — 1450—1520 °C.

Удельная теплота плавления — 84 кДж/кг (20 ккал/кг).

Коэффициент теплопроводности — 39 ккал/(м·час·°C) (45,5 Вт/(м·К)).[источник не указан 136 дней]

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C :

сталь Ст3 (марка 20) — (1/град);

сталь нержавеющая — (1/град).

Предел прочности стали при растяжении :

сталь кремнехромомарганцовистая — 155 (кГ/мм²);

сталь машиностроительная (углеродистая) — 32-80 (кГ/мм²);

сталь рельсовая — 70-80 (кГ/мм²);

— сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектичесим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае — 477 млн тонн).

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

Серый чугун - это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

передельный чугун — П1, П2;

передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,

передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,

передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;

чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв "СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

антифрикционный серый — АЧС,

антифрикционный высокопрочный — АЧВ,

антифрикционный ковкий — АЧК;

чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

до́мна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна, ферросплавов из железорудного сырья. Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России — около 1630 г.

Доменная печь представляет собой сооружение высотой до 35 м, высота ограничивается прочностью кокса, на котором держится весь столб шихтовых материалов. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

Процессы, протекающие в печи

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

4.Влияние химических элементов на свойства стали и чугуна

С увеличением содержания углерода (рис.1.30) повышаются твердость и прочность, снижается пластичность, улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость, но ухудшается свариваемость стали. Твердость и прочность тем выше, чем выше дисперсность ( более мелкие кристаллы) феррита и цементита.

Вредными примесями для стали являются S, P, O, H, N. Сера S ухудшает пластичность и вязкость; сталь становится хрупкой при высоких температурах (красноломкость), поэтому серы должно быть в сталях мене 0,03%. При наличии серы в сплаве по краям зерен создается эвтектика FeS, которая при температурах выше 985 'С плавится, поэтому по границам зерен образуются трещины и металл разрушается .

Наличие фосфора Р в стали приводит к хладноломкости ( возникают трещины уже при комнатной температуре и, особенно, интенсивно при отрицательных температурах), ухудшается пластичность и вязкость сплава. В высококачественных сталях должно быть фосфора менее 0,03% .

Марганец Mn раскисляет сталь и нейтрализует вредное влияние серы S,. повышает прочность и износостойкость стали. Кремний Si повышает упругость и прочность стали, увеличивает предел текучести, что снижает возможности холодной штамповки и высадки металла.

Микроструктура чугунов (табл. 14) зависит от скорости охлаждения металла : при быстром охлаждении будет белый чугун ( углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита ), а при медленном охлаждении будет серый чугун ( углерод находится в виде графита ).

Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si.

Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.

Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна , поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.

Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 1.4.).

В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных- шаровидную, а в ковких- хлопьевидную .Примеры обозначения чугунов: СЧ25 ГОСТ 1412-85, ВЧ 50 ГОСТ 7293-85.

Раздел: Промышленность, производство
Количество знаков с пробелами: 12080
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 0

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.

Технология металлов — наука, представляющая собой совокупность современных знаний о способах производства металлических материалов и средствах их физико-химической переработки в целях изготовления деталей и изделий различного назначения. Достоинством металлов и сплавов является то, что путем целенаправленного изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать различные конструкционные материалы с новыми свойствами, дающими возможность применения их во всех отраслях народного хозяйства. Несмотря на то, что с каждым годом появляется все больше полимеров и других химических материалов, металлы по-прежнему остаются основой технического прогресса.

При выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его состав, строение, механические, физико-химические свойства, а также учитывать условия эксплуатации, воздействие силовых и других факторов, влияющих на работоспособность и надежность машин.

Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Они не всегда экономичны, не всегда отвечают требуемым свойствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно несколько свойств, например твердость с пластичностью. Их электрические свойства зависят от изменения температуры, они имеют высокий коэффициент теплового расширения и т. д. Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами. Сплавы — кристаллические вещества, полученные соединением металлов с металлами или неметаллами. Например, чугун и сталь — это сплавы железа с углеродом. Составляющие части сплавов называются компонентами. Сплавы могут быть двух-, трех- и четырехкомпонентными.

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производства чугуна и стали намного, более чем в 10 раз превосходит производство, всех других металлов, вместе взятых.

Сырьем для плавки чугуна является железная руда. Это горная порода, содержащая железо в количестве, необходимом для переработки. Важнейшими железными рудами являются: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк и железистые кварциты. Наиболее богатые руды — это магнитный железняк, содержание железа в нем составляет 70 %, в красном железняке — до 65 %. Бурый железняк беднее железом, содержание его в руде составляет 25—50 %, в шпатовом железняке железа 35—37 %, и самая бедная железом руда — железистые кварциты.

Наша страна располагает богатейшими запасами железных руд — на Урале, Украине, в Сибири. Богатейшим месторождением руды является Курская магнитная аномалия (КМА), ее запасы превышают миллионы тонн богатых железом руд и триллионы тонн бедных железом кварцитов. Недавно введены в эксплуатацию руды Карельского месторождения.

В рудах кроме оксидов железа находится пустая порода — кремнезем, глина, сера, фосфор и другие примеси. Их частично нужно удалить еще до плавки. Поэтому руду подвергают предварительному обогащению с целью увеличить содержание в ней железа. Обогащение производят различными способами: промывкой, магнитным способом, обжигом. Эффективным способом подготовки и обогащения руд является агломерация, т. е. спекание мелких порошкообразных руд, рудной пыли и окалины с коксовой мелочью, а также окатышей, которые получают смешиванием рудной мелочи и пыли с небольшим количеством связующего вещества — флюса, главным образом глины. Окатыши нашли широкое применение при плавке стали бездоменным способом.

Продуктом, необходимым при плавке чугуна, являются флюсы, главным образом известняк СаСОз, они служат для окончательного удаления пустой породы из руды в процессе плавки в доменной печи.

Важный материал для получения чугуна — топливо. Топливом является кокс. Его получают из специальных коксующихся углей путем нагрева до температуры 1000° С без доступа воздуха. При этом удаляются смола и газы и остается пористый материал, почти целиком состоящий из углерода. В России и бывшем Советском Союзе угольные бассейны коксующихся углей — Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский. Кокс — дорогостоящее топливо, поэтому в целях уменьшения его расхода, который составляет 400 – 450 кг на 1 т чугуна, и для повышения производительности доменных печей используют природный газ. В нашей стране разработан способ вдувания в доменную печь угольной пыли. Это дает большой экономический эффект. Кроме указанных материалов при плавке чугуна вводят немного марганцевой руды. Чугун выплавляется в доменных печах [Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987].

1.2. Структура и свойства чугуна

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.

Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т. е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

На какие же свойства особенно сильно влияют графитные включения пластинчатой формы, играющие роль трещин, острых надрезов внутри металла?

При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины (тем не менее, разрушается чугун вязко, излом ямочный, но 1 очень мала), и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).

Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например, при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.

Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.

Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере скругления графитных включений указанное отрицательное влияние графитных включений уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются “трещинами” и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом — высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном с вермикулярным графитом между серым и ковким.

Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений [Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1979].

1.3. Маркировка и область применения чугуна

Согласно ГОСТ 4832-86, установлены следующие марки отливок из серого чугуна (СЧ): СЧ00, СЧ120, СЧ150, СЧ180, СЧ210, СЧ240, СЧ280, СЧ320, СЧ360, СЧ400, СЧ440 и др. Буквы СЧ обозначают серый чугун цифры, стоящие за буквами, показывают предел прочности изготовления чугуна (МПа). Чугун марки СЧОО не испытывают, так как его применяют для изготовления неответственных деталей. Группу чугунов марок СЧ120 – СЧ210 относят к чугунам невысокой прочности, используют для производства труб, фитингов, колец; твердость чугунов 143 – 231 НВ.

Чугуны марок СЧ240 – СЧ440 являются чугунами повышенной прочности, их твердость 170 – 260 НВ, предназначены для изготовления станин, штампов, маховиков. Наибольшей твердости и прочности чугуны марок СЧ550 – СЧ650; используют их для производства более ответственных изделий: шестерен, рам и др. [Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М., Высшая школа, 1980].

Легированные чугуны (ГОСТ 7769–82) содержат наряду с обычными примесями легирующие элементы (хром, никель, титан и др.), которые резко улучшают механические свойства, увеличивают сопротивление коррозии и заменяют стальное литье. Например, чугуны марок: ЧЮ6С5 применяют для изготовления жаростойких изделий в воздушной среде; ЧХ9Н5 — дробометов, ковшей пескометов; ЧХ18ДЗ — немагнитных деталей; ЧХ28 — коррозионно-стойких деталей и др.

Специальные чугуны или ферросплавы обладают повышенным содержанием кремния или марганца. К ним относят ферросилиций, ферромарганец и др. Эти чугуны применяют для раскисления стали, т. е. для изъятия из стали вредной примеси — кислорода.

Ковкие чугуны (КЧ) значительно пластичнее серых. Согласно ГОСТ 1215-79, установлены следующие марки ковких чугунов: КЧ 330-8, КЧ 370-12, КЧ 620-2 и др. Первое число показывает предел прочности на растяжение (МПа), второе — пластичность в процентах относительного удлинения.

Высокопрочные чугуны (ВЧ) отличаются высокими прочностью и пластичностью. Применяются для изготовления ответственных изделий, заменяют сталь. По ГОСТ 7293-85 их марки: ВЧ 450-5, ВЧ 600-2, ВЧ 1200-4 и др. Число при ВЧ обозначает то же, что и при КЧ. Высоко-прочный чугун получают введением в жидкий серый чугун магния или силикокальцня, способствующего превращению пластинчатого графита в сфероидальный. Высокопрочный чугун применяют для производства коленчатых валов, губчатых колес и подобных деталей, он часто заменяет сталь.

Синтетический чугун получают плавлением металлического лома в электрических печах путем науглероживания. Их него изготовляют отливки повышенного качества [Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1980].

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90 % изготавливается углеродистой стали и 10 % легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь.

Сталь — важнейший материал, используемый в машиностроении. В отличие от чугуна она содержит меньше углерода и вредных примесей. Поэтому процесс получения стали состоит в удалении этих элементов. Основные способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.

Углеродистая сталь промышленного производства — сложный по химическому составу сплав. Кроме основы — железа (содержание которого может колебаться в пределах 97,0 – 99,5 %), в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.).

В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно — углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод.

Естественно, что эти сплавы (при С инструменты по дереву, центры токарных станков и т. д.).

У8, У8А, У8Г, У8ГА — для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (зубила, кернеры, матрицы, пуансоны, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент), буры средней твердости.

У9, У9А — для инструментов, требующих высокой твердости при наличии некоторой вязкости (кернеры, штемпели, зубила по каменным породам и столярный инструмент).

У10, У10А — для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы-фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по каменным юродам, ножовочные полотна, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники, гребенки).

У11, УНА, У12, У12А — для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, хирургический инструмент, пилы по металлу, метчики).

У13, У13А — для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников) [Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987].

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Простые конструкционные стали состоят из железа относительно высокой чистоты с небольшими (0,07 – 0,5 %) добавками углерода. Так, чугун, получаемый в доменной печи, содержит около 10 % других металлов, из них примерно 3 % составляет углерод, а остальные — кремний, марганец, сера и фосфор. А легированные стали получают, добавляя к железу кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий и молибден.

Бунин К. П. Железоуглеродистые сплавы. — М.: Машгиз, 1949.

Кучер А. М. Технология металлов. — Л.: Машиностроение, 1987.

Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1980.

Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1979.

Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. — М.: Высшая школа, 1980.

Чугун - это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий более 2,14% C.

В металлургическом производстве чугун выплавляют в доменных печах. Получаемый чугун подразделяется на: конверсионный, специальный (ферросплавы) и литейный. Конвертирующий и специальный чугуны используются для последующей обработки в сталь. Чугун (около 20% всего чугуна) отправляется на машиностроительные заводы для использования при изготовлении литых деталей (отливки).

Чугун конструкционный нелегированный для производства отливок в машиностроении имеет следующий химический состав, %: 2,0 - 4,5 С; 1,0 - 3,5 Si; 0,5-1,0 Мп; содержание примесей: не более 0,3% S; не более 0,15% S.

Широкое применение чугуна в промышленности обусловлено оптимальным сочетанием различных свойств: технологических (литейные, обрабатываемость), эксплуатационных (механические и специальные) и технико-экономических показателей.

Классификация чугунов

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения - цементита Fe 3 C), но и в свободном состоянии - в виде графита. В этом случае форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свойства.

Классификация чугуна с различными формами графита производится по ГОСТ 3443-77. Специально разработанные шкалы используются для оценки формы включений графита, их размера, характера распределения и количества, а также типа металлической основы.

Классификация чугуна проводится по следующим критериям:

по состоянию углерода - свободный или связанный;
в виде включений графита - пластинчатых, червеобразных, шаровидных, чешуйчатых (рис. 30);
по типу структуры металлической основы (матрицы) - ферритная, перлитная; также есть чугуны со смешанной структурой: например, ферритно-перлитные;
по химическому составу - чугуны нелегированные (общего назначения) и легированные (специальные).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод связан в виде цементита Fe 3 C;
полужирный чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита;
серый чугун, в котором весь или большая часть углерода свободна в виде пластинчатого графита;
беленый чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой белый;
ковкий чугун, в котором графит имеет сферическую форму;
ковкий чугун, полученный из белого путем отжига, в котором углерод переходит в свободное состояние в виде чешуйчатого графита.

Структура и свойства чугуна

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и включений графита. Свойства чугуна определяются свойствами металлической основы и природой включений графита.

Чугуны содержат следующие конструктивные элементы:

графит (G);
перлит (П);
феррит (F);
ледебурит (L);
фосфидная эвтектика.

По микроструктуре различают:

белый чугун I (C + G);
серый перлитный чугун II (P + G);
серый ферритный чугун III (F + G);
полукруглый чугун II a (P + C + G);
высокопрочный чугун IV (П + шаровидный графит).

Формирование микроструктуры чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения (толщины) отливки. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Углерод в чугуне может присутствовать в виде химического соединения - цементита Fe 3 C, графита или их смеси. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Места его возникновения можно рассматривать как нарушения сплошности металла. Чугун как бы пронизан включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По мере того как графитовые включения имеют округлую форму (из-за модификации чугуна добавками SiCa, FeSi, Al, Mg), их отрицательная роль как срезов в металлической основе уменьшается, а механические свойства чугуна повышаются.

Например, серый чугун (пластинчатая форма графита) имеет низкие механические свойства, поскольку пластины с включениями графита играют роль концентратов напряжений в отливке. Однако серый чугун имеет ряд преимуществ: он имеет высокую текучесть и низкую усадку отливки; включения графита делают стружку хрупкой, что облегчает резку чугуна; за счет смазывающего действия графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами; хорошо гасит колебания и резонансные колебания. Из высокопрочного чугуна (шаровидный графит) изготовлены ответственные детали: шестерни, коленчатые валы.

Кремний способствует графитизации чугуна. Изменяя его состав и скорость охлаждения отливки, можно получать чугун различной структуры.

Марганец предотвращает графитизацию и нейтрализует вредное действие серы, образуя с ней тугоплавкие соединения MnS.

Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики, что повышает его литейные свойства.

Сера - вредная примесь. Это вызывает ухудшение литейных свойств чугуна, увеличение усадки, увеличение склонности к растрескиванию и снижение температуры красной хрупкости чугуна.

Серый чугун

Серый чугун - это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор и серу. Углерод в серых чугунах преимущественно представлен в виде пластинчатого графита.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термической обработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размера включений графита. Металлическая матрица чугунов по своим свойствам близка к свойствам стали. Графит, имеющий низкую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше включений графита и чем выше их дисперсность, тем выше прочность чугуна. Включения графита вызывают снижение предела прочности чугуна. На прочность на сжатие и твердость чугуна практически не влияют частицы графита. Свойство графита образовывать смазочные пленки приводит к снижению коэффициента трения и увеличению износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость.

По своим свойствам серый чугун условно можно разделить на следующие группы:

ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) используются для изготовления неотзывчивых ненагруженных деталей машин;
чугуны перлитные (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используются для изготовления износостойких деталей, работающих в условиях высоких нагрузок: поршней, цилиндров, блоков цилиндров;
модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45) получают добавлением ферросилициевых добавок перед заливкой в жидкий серый чугун; такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных графитовых пластин.

Чугун с уплотненным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплообмена (блоки цилиндров, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают обработкой расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

Модификация серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получить магниевый чугун (SMC), который имеет прочность стального литья и высокие литейные свойства серого чугуна. Применяется для изготовления деталей, подверженных ударам, переменным нагрузкам и интенсивному износу, например, коленчатых валов легковых автомобилей.

Ковкий чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства за счет присутствия в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочий участок металлической основы и, что более важно, не оказывает на него сильного режущего действия, из-за чего концентраторы напряжений создаются вокруг включений графита в меньшей степени. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается за счет модификации расплава добавками, содержащими Mg, Ca, Ce и другие редкоземельные металлы (РЗМ).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом - наиболее перспективный литейный сплав, способный успешно решать задачу снижения веса конструкций при сохранении их высокой надежности и долговечности.

Высокопрочный чугун используется для изготовления ответственных деталей в автомобильной промышленности (коленчатые валы, шестерни, цилиндры и т. д.).

Белый и высокопрочный чугун

Белые чугуны характеризуются тем, что весь их углерод находится в химически связанном состоянии - в виде цементита. Излом такого чугуна тускло-белый. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокую твердость, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун в основном используется для литья деталей с последующим отжигом до ковкого чугуна.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, характеризующегося пониженным содержанием графитирующих элементов (2,4-2,9% С и 1,0-1,6% Si), так как необходимо получить полностью отбеленный чугун в состояние литья. по всему сечению отливки, что обеспечивает образование чешуйчатого графита при отжиге (см. рисунок)

Различают ковкий чугун с черным сердцем, полученный в результате графитизирующего отжига, и ковкий чугун, полученный обезуглероживающим отжигом в окислительной среде. В России используется только ковкое железо. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной или перлитно-ферритной в зависимости от режима отжига.

Для ускорения процесса отжига CN используют различные методы: температуру выдержки увеличивают в течение периода P 2 , модифицируют и микролегируют добавками литого алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы способствуют увеличению количества центров кристаллизации, снижению устойчивости цементита.

Ковкий чугун применяется для изготовления ответственных тонкостенных отливок малых и средних размеров, работающих в условиях динамических переменных нагрузок (детали приводных механизмов, редукторов,

тормозные колодки, шестерни, ступицы и т. д.). Однако ковкий чугун - бесперспективный материал в силу сложной технологии производства и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

Заключение

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаропрочные и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированного чугуна буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, такие же, как и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5%) и хромом (0,8%), используются для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6% Cr и 2,5% Ni) с добавками титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазки. Их используют для изготовления автомобильных тормозных барабанов, дисков сцепления, гильз цилиндров и т. д.

Чугуны из жаропрочных сплавов ЧХ 2, ЧХ 3 используются для изготовления деталей контактных устройств химического оборудования, турбокомпрессоров, работающих при температурах 600 ° С (СН 2) и 700 ° С (СН 3).

Чугуны жаропрочные легированные ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500-600 ° С и используются для изготовления деталей дизельных двигателей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовых, воздушных и щелочных средах. Их используют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков цилиндров и головок двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и др.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, поскольку они представляют собой группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкое основание), способных работать в условиях трения в качестве подшипников скольжения.

Хром, медь, никель, титан используются для легирования антифрикционных чугунов.

В ГОСТ 1585-85 включены шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 - АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугуны . Настоящий стандарт регламентирует химический состав, структуру, режимы работы, а также содержит рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны. Применяются антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно-ферритные чугуны (АЧС-3) при давлении в зоне контакта пар трения до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлит) и АЧВ-2 (перлитно-ферритный) используются при повышенных нагрузках (до 120 МПа).

Список литературы

Гуляев А.П. Металловедение, М., 1985.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение, М., 1985.
Технология конструкционных материалов. Эд. А. М. Дальский. Москва: Машиностроение, 1991.

Посмотрите похожие темы рефератов возможно они вам могут быть полезны:

Читайте также: