Сплавы железа. Железа сплавы Сплавы железа

Сплавы - это материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Самый распространенный способ получения сплавов - затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов. Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов.

Сплавы на основе железа

Сталь. Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы - хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали - основной конструкционный материал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.

Чугун. Чугуном называется сплав железа с содержанием углерода 2-4%. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала.

Возрастающие требования техники к металлическим материалам, прежде всего в отношении их механических свойств, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах привели к созданию новых сплавов железа, содержащих Cr, Ni, Si, Mo, W и др.

Кроме того, для введения в сталь легирующих элементов применяются особые сплавы железа, получившие название ферросплавов.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.

Элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной. К важнейшим легирующим элементам относятся Cr, Ni, Mn, W, Мо. Широко применяются жаростойкие сплавы на основе никеля (нихром, содержащий никель, хром и другие).

В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно.

Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, т.е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.

Легированной считают сталь, в которой содержание определенных химических элементов не менее: 0,0001% бора; 0,1% титана, циркония, ниобия, ванадия и молибдена и 1,0% других легирующих элементов.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов - до 5%, в среднелегированных - 5-10% и высоколегированных - более 10%.

Чем выше легированность стали, тем больше ее стоимость. Наиболее дорогими являются стали с такими легирующими элементами, как Ni, Mo, W, Со.

Низколегированные стали наиболее широко применяются в строительстве. В машиностроении используют средне- и высоколегированные стали. В этих сталях обычно содержится 0,8-1,8% Мп; 0,4-1,2% Si; 0,8-1,0% Cr; 1,0-4,5% Ni; 0,15-0,4% Mo; 0,5-1,2% W; 0,06-0,3% V; 0,03-0,09% Ti; 0,002-0,005% B.

Рассмотрим особенности и область применения различных легированных сталей.

• 1. Жароустойчивые стали - легируют хромом, кремнием, алюминием и никелем, которые при высоких температурах образуют плотные оксидные пленки. Сталь, содержащую 1% кремния и 15% хрома, можно эксплуатировать при температуре 800°С. Такие стали применяют при производстве газовых турбин, клапанов моторов, реактивных двигателей.
• 2. Нержавеющие стали - должны содержать до 12% хрома и не более 0,23% углерода, что позволяет им быть устойчивыми против коррозии в щелочных, кислотных условиях и при высокой минерализации. Используют при изготовлении конструкций, эксплуатируемых в морской воде, например, арматура для опор Крымского моста.
• 3. Износоустойчивые стали - содержат до 1,3% углерода и 14% марганца, обладают большой способностью к упрочнению. Из такой стали изготавливают технику для строительства, ковши экскаваторов, стрелки на железнодорожных путях.
• 4. Конструкционные стали - это прежде всего хромированные и никелированные. Содержание хрома до 1,5% позволяет повысить прочность и твердость стали, а значит, расширить ее эксплуатационные характеристики при возведении высотных и большепролетных зданий. Введение до 5% никеля позволяет повысить коррозионную устойчивость в агрессивных средах, в том числе и газовых, что позволяет эксплуатировать изделия из них в нефтегазовой промышленности.
• 5. Инструментальные стали - при строительстве требуется большое число инструментов, которые по прочности должны быть выше, чем строительные материалы. Наиболее высокая износоустойчивость достигается при введении в качестве легирующей добавки вольфрама до 1,5%, но поскольку он дорог, то его заменяют композициями Сг 1,2-1,6%, Мп 0,4-1,1%, Si 0,4%.

4.1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод.

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0, 127 нм. Температура плавления железа 1539˚С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α-железа существует при температурах ниже 910˚С и выше 1392˚С (рис. 17). В интервале температур 1392-1539˚С α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см 3 , температура плавления 3500˚С, атомный радиус 0,077нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, имеющий объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК). Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Феррит имеет следующие механические свойства: σ в = 250 МПа, σ т = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80%, НВ 800.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеющий гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%. Он имеет твердость НВ 1600-2000; δ = 40…50%.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 3 C), содержит 6,67% С, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной 1550 0 С. Цементит магнитен и характеризуется высокой твердостью НВ 8000.

Графит представляет собой свободный углерод. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он мягок, электропроводен, химически стоек, малопрочен.

4.2. Диаграммы состояния железо-углеродистых сплавов.

Существует две диаграммы железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором и твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fe 3 C), так и графит.

Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах. В сталях цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появляться лишь в результате длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500 0 -700 0 С. В чугунах графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.

Рис. 22. Фазовый анализ диаграммы состояния железо-цементит (а); верхний левый угол диаграммы (б)

Однако диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными, отражающими состояние равновесия в присутствии в сплавах цементита, и пунктирными – графита.

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний Fe-Fe 3 C, т. к. появление графита в чугунах объясняется протеканием вторичной реакции графитизации: цементит → железо + графит, а в сталях графит встречается чрезвычайно редко

Диаграмма состояний Fe-Fe 3 C представлена на рис. 22.

На диаграмме Fe-Fe 3 C точка А (1539 0 С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (~1550 0 С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392 0 С) и G (910 0 С) соответствуют полиморфному превращению α ↔ γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe 3 C следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499 0 С; Н – 0,1% С предельное содержание в δ-феррите при 1499 0 С; J – 0,16% С – в аустените при перитектической температуре 1499 0 С; Е – 2,14% С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147 0 С; S – 0,8% С – в аустените при эвтектоидной температуре 727 0 С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727 0 С.

Кристаллизация сплавов Fe-Fe 3 C. Линии диаграмм состояния Fe-Fe 3 C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл: АВ – линия ликвидус, показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Ц I) из жидкого сплава (Ж); АН – линия солидус, является температурной границей области жидкого сплава (Ж) и кристаллов δ-феррита (Ф); ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB – линия перитектического превращения (1499 0 С), на ней происходит перитектическая реакция:

(жидкость состава т. В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава т. Н с образованием аустенита состава т. J). Линия ECF – линия солидус, соответствует кристаллизации эвтектики – ледебурита.

Ледебурит – эвтектика, представляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита, полученную в процессе их одновременной кристаллизации из жидкого сплава, состоящая на момент образования из аустенита состава т. Е и цементита:

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. В сплавах, содержащих 0,1-0,16% С, по достижении температур, отвечающих линии АВ из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным Ж + δФ. Состав δФ при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав Ф – по линии ликвидус. При температуре 1499 0 С в равновесии находятся δФ состава точки Н (0,1% С) и Ж состава точки В (0,51% С). При этой температуре протекает перитектическое превращение:

в результате которого образуется двухфазная структура δФ и А состава точки J (0,16% С).

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,51% С, при перитектической температуре в результате взаимодействия между δФ и Ж образуется А, но часть жидкой фазы остается неизрасходованной:

Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру – аустенит.

При температуре 1147 0 С аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей т. Е (2,14% С), а оставшаяся жидкость – эвтектического состава т. С (4,3% С).

При температуре эвтектики (линия ECF) существует нонвариантное (С = 0) равновесие аустенита состава т. Е (А Е), цементита (Fe 3 C) и жидкой фазы состава т. С (4,3% С). В результате кристаллизации жидкого сплава состава т. С (4,3% С) образуется эвтектика – ледебурит, состоящая в момент образования из аустенита состава т. Е и цементита:

Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe 3 C). Эвтектический сплав (4,3% С) затвердеет при постоянной температуре с образованием только эвтектики – ледебурита.

Заэвтектические сплавы (4,3-6,67% С) начинают затвердевать с понижением температуры до линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147 0 С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3% С (т. С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические сплавы состоят из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14% С – чугуном. Стали после затвердевания не содержат хрупкой составляющей – ледебурита – и при высоком нагреве имеют только аустеничную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами, что объясняется присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики.

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe-Fe 3 C после затвердевания связаны с полиморфизмом железа и изменением углерода в аустените и феррите с понижением температуры. Превращения, протекающие в твердом состоянии, описываются следующими линиями: NH – начало полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; NJ – окончание полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; GS – начало полиморфного превращения аустенита в феррит; GP – при охлаждении соответствует окончанию превращения аустенита в феррит; SE – линия предельной растворимости углерода в аустените, при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита. Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида – феррито-цементитной структуры, получившей название перлит

Изменение растворимости углерода в феррите в зависимости от температуры соответствует линии PQ. При охлаждении эта линии соответствует температурам начала выделения третичного цементита, а при нагреве – полному его растворению.

Ниже GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижении температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит третичный, который резко снижает пластичность феррита.

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита – по линии GP.

Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По достижению температуры 727 0 С (А 1) содержание углерода в аустените достигает 0,8% (т. S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию углерода, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит.

Эвтектоидное превращение аустенита происходит при постоянной температуре 727 0 С, при наличии трех фаз: феррит (0,02% С), цементит (6,67% С) и аустенит (0,8% С). При этом система нонвариантна: С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + + 1 = 0.

Вариантность системы будет рассмотрена ниже.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + перлит.

Чем больше в стали углерода, тем меньше в структуре феррита и больше перлита. При содержании в стали 0,6-0,7% С феррит выделяется в виде оторочки вокруг зерен перлита (ферритная сетка).

Стали, содержащие от 0,8% до 2,14% С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит, т. е. сплавы становятся двухфазными (А + Ц II). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается по линии ES. При снижении температуры до 727 0 С (линия PSK) аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита и делает сталь хрупкой.

В доэвтектических чугунах, содержащих 2,14-4,3% С, при понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE), происходит частичный распад аустенита – как первых его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в ледебурит. Это приводит к выделению кристаллов вторичного Fe 3 C и уменьшению содержания углерода в аустените. При температуре 727 0 С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру: перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит; чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита. Эвтектический чугун содержит 4,3% С, при температурах ниже 727 0 С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше, чем 4,3%, и после затвердевания состоит из цементита и ледебурита (аустенит + Fe 3 C).

При понижении температуры эвтектический аустенит обедняется углеродом вследствие выделения избыточного цементита и при температуре 727 0 С распадается с образованием перлита. После охлаждения заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (перлит + цементит). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектическом и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные составляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Следует отметить, что все описанные изменения структуры, происходящие при охлаждении сплавов, обратимы, т. е. они совершаются и при нагреве сплавов (в обратном порядке).

О фазовых превращениях, происходящих в сплавах, можно судить по кривым охлаждения или нагревания. К числу фазовых превращений относятся плавление или кристаллизация, перестройка кристаллической решетки, полиморфизм, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращение и перекристаллизация.

Система характеризуется параметрами своего фазового состояния: температурой, давлением и объемом. В двух- и многокомпонентных системах вместо объема указывается относительное содержание (массовая доля) компонентов.

Фазовое состояние системы, характеризующееся числом сосуществующих фаз (Ф), зависит от числа компонентов (К) и числа степеней свободы С. Эти три фактора связаны уравнением С = К – Ф + 1, которое называется правилом фаз, где за 1 принят параметр температура.

Правило фаз используется для фазового анализа кривых охлаждения.

Весовое соотношение структурных составляющих (или фаз), присутствующих в сплавах, а также соотношение кристаллических фаз в структурных составляющих – эвтектиках и эвтектоидах, можно определить по правилу отрезков.

Количества твердой и жидкой фаз данного сплава при рассматриваемой температуре обратно пропорциональны отрезкам горизонтали, проведенной через данную точку до пересечения с линией ликвидуса и с линией солидуса (или с линией ликвидуса и осью ординат).

Например, определим количество аустенита и жидкого расплава в сплаве с содержанием углерода 2% при температуре 1300 0 С (рис. 23). Отрезок «ас» характеризует весь сплав, тогда количество аустенита Q A и количество жидкой фазы Q Ж определяются по формулам:

Значит в точке «b» аустенита по отношению ко всему сплаву находится 63,1%, а жидкого сплава 36,9%.

Определим весовое соотношение структурных составляющих в белом доэвтектическом чугуне с 3% С при 900 0 С (рис. 23).

При 900 0 С в белов доэвтектическом чугуне имеются три структурные составляющие: эвтектика, аустенит и вторичный цементит.

Поскольку весовая доля эвтектики не изменяется с температуры ее образования до комнатной (20 0 С) температуры, подсчитаем, сколько в нашем сплаве было эвтектики (т. е. ледебурита) при эвтектической температуре 1147 0 С, т. е. тогда, когда присутствовали только две структурные составляющие: ледебурит и аустенит. Содержание углерода в эвтектике равно 4,3%, содержание углерода в аустените при 1147 0 С равно 2,14%. Таким образом, отношение веса эвтектики к весу всего сплава равно отношению отрезка ЕО к отрезку ЕС:

Остальная доля веса приходится на аустенит, которую при эвтектической температуре будет около 60%.

При охлаждении чугуна от эвтектической температуры до 900 0 С из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита, согласно линии предельной растворимости ES, т. е. содержание углерода в аустените соответствует точке «е», что составляет 1,3%.

Подсчитаем теперь, сколько по весу вторичного цементита должно выделяться из аустенита при охлаждении с 1147 0 С до 900 0 С. Содержание углерода в аустените при 900 0 С равно 1,3%, содержание углерода в цементите 6,67%. Следовательно, отношение веса кристаллов вторичного цементита к весу всего сплава соответствует отношению отрезков «ek» к «el»:

В качестве примера рассмотрим процесс структурообразования в охлажденной стали с 0,4% С (рис. 23). Выше точки t 1 сталь находится в жидком состоянии и охлаждается. В интервале температур t 1 – t 2 из жидкой фазы, концентрация углерода (состав) в которой изменяется по ликвидусу АВ, образуются кристаллы δФ. Их состав определяется по солидусу АН. При кристаллизации выделяется теплота и на участке кривой t 1 – t 2 охлаждение сплава замедляется.

При температуре t 2 (1499 0 С) происходит перитектическое превращение:

Избыточный жидкий расплав кристаллизуется при охлаждении в интервале температур t` 2 – t 3 с образованием аустенита. В интервале температур t 3 – t 4 происходит охлаждение аустенита. При температурах t 4 – t 5 происходит полиморфное превращение, т. е. аустенит, имеющий решетку ГЦК, превращается в феррит, имеющий решетку ОЦК. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии 4S, а массовая доля аустенита уменьшается. Содержание же углерода в феррите изменяется по линии 4 / P, а массовая доля феррита увеличивается.

При температуре t 5 (727 0 С) концентрация углерода в аустените будет соответствовать точке S (0,8% С), а в феррите – точке Р (0,02% С), т. е. происходит эвтектоидное превращение:

когда из аустенита, не превратившегося в феррит, образуется перлит.

В процессе последующего охлаждения сплава из феррита, согласно линии предельной растворимости PQ, выделяется Ц III , который наслаивается на цементит входящий в состав перлита и структурно не обнаруживается.

Массовые доли феррита и перлита, как структурных составляющих стали определим для температуры 700 0 С по правилу отрезков:

Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, определяется как:

Остальные 4,3% приходятся на долю цементита.

Итак, структурный состав медленно охлажденной стали, содержащей 0,4% С, состоит из 51,3% феррита и 48,7% перлита, а фазовый состав будет соответствовать 95,7% феррита и 4,3% цементита.

Типовые примеры кривых охлаждения с указанными структурами представлены на рис. 24.

Вопросы для повторения раздела.

1. Какие фазы образуются в системе Fe – Fe 3 C?

2. Укажите изотермические реакции, происходящие при охлаждении на линиях HIB, ECF, PSK.

3. Постройте кривую охлаждения и опишите превращения, происходящие в доэвтектоидной стали и заэвтектическом чугуне.

4. Как структурный и фазовый состав стали у чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

5. Определите содержание углерода в структурных составляющих сплава, содержащего 1,3% С, при температуре 800ºС.

Сплавами называют материалы, состоящие из нескольких химических элементов, из которых хотя бы один является металлом.

В металлургии железо и все его сплавы называют чёрными металлами.

Все сплавы железа разделяют на стали и чугуны.

В чистом виде железо слишком мягкое, поэтому для повышения прочности в него вводят углерод. И в зависимости от его содержания сплавы железа делятся на стали и чугуны. Если углерода в сплаве содержится более 2,14%, то такой сплав называется чугуном. А если менее 2,14%, то это сталь.

Чугун

Обычно чугун содержит 2,5-4% углерода, 0,2-1,5% марганца, 1-4,5% кремния, примеси фосфора и серы.

По своей структуре чугуны делятся на белые и серые.

В белых чугунах большая часть углерода находится в виде цементита (карбида железа Fe 3 C). Такие чугуны очень твёрдые и хрупкие. Применяют их для изготовления деталей и конструкций, не требующих дальнейшей обработки.

В серых чугунах углерод содержится в виде структурного свободного графита. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Он хорошо сваривается и обрабатывается режущими инструментами.

Очень давно, когда чугун только научились получать, его считали отходом производства, так как из-за его хрупкости из него нельзя было ковать изделия. Но позже расплавленный чугун научились заливать в формы и стали получать готовые чугунные изделия: пушечные ядра, посуду, решётки и др.

Получают чугун в доменных печах из железной руды. В состав железной руды входят оксиды железа. При плавке происходит их восстановление углеродом. В результате получается расплавленный металл с высоким содержанием углерода (чугун) и шлаки. Так как плотность чугуна в 2,5 раза выше плотности шлака, то он легко отделяется от шлаков.

Чугун выпускают для дальнейшей переделки в сталь и для литейного производства в чугунолитейных цехах.

Из чугуна изготавливают детали двигателей, цилиндры, втулки, станины, решётки, люки, тормозные колодки и др.

Сталь

Сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2,14%, называют сталью.

По своему химическому составу различают сталь углеродистую и сталь легированную.

Углеродистая сталь, кроме углерода, содержит примеси кремния, серы и фосфора. Эта сталь имеет низкие электротехнические свойства, невысокую прочность. Она теряет твёрдость и режущую способность уже при 200 о С. Кроме того, она подвергается коррозии в агрессивных средах.

Для улучшения физических и химических свойств стали в неё добавляют элементы, которые называют легирующими. А сама сталь называется легированной. В процессе легирования в сталь добавляют вольфрам, хром, никель, молибден, ванадий, а также большое количество марганца и кремния. Так, марганец увеличивает твёрдость и прочность стали. Медь делает сталь устойчивой к коррозии. А никель и хром увеличивает вязкость. Легированная сталь не имеет недостатков, присущих углеродистой стали.

По количественному содержанию добавок легированную сталь делят на три группы: низколегированную, среднелегированную и высоколегированную. Низколегированная сталь содержит не более 2,5% добавок. Среднелегированная – от 2,5 до 10%. А в состав высоколегированной стали входит более 10% добавок. Высоколегированные стали различаются на нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

На заре металлургии сталь получали из железной руды в плавильных горнах. Но оказалось, что гораздо проще и дешевле получать сталь из чугуна. Поэтому в современной металлургии чугун переплавляют в сталеплавильных печах, чтобы выжечь из него излишки водорода. И получают высококачественную сталь.

Сталь – прочный и пластичный материал. Её используют в металлических конструкциях зданий, мостов, в опорах линий электропередач, трубопроводах, резервуарах, в производстве арматуры, посуды, различного электрооборудования. Без стали невозможно представить кораблестроение, автомобилестроение, авиастроение и многие другие отрасли современной промышленности.

Как уже говорилось, сплавы железа с углеродом делятся на стали и чугуны. Стали, в свою очередь, подразделяются на группы по своему химическому составу и по назначению, а чугуны - по тому, в каком состоянии находятся в них углерод.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, причем содержание последнего не превышает . Однако в углеродистой стали промышленного производства всегда имеются примеси многих элементов. Присутствие одних примесей обусловлено особенностями производства стали: например, при раскислении (см. стр. 661) в сталь вводят небольшие количества марганца или кремния, которые частично переходят в шлак в виде оксидов, а частично остаются в стали. Присутствие других примесей обусловлено тем, что они содержатся в исходной руде и в малых количествах переходят в чугун, а затем и в сталь. Полностью избавиться от них трудно. Вследствие этого, например, углеродистые стали обычно содержат фосфора и серы.

Механические свойства медленно охлажденной углеродистой стали сильно зависят от содержания в ней углерода. Медленно охлажденная сталь состоит из феррита и цементита, причем количество цементита пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита намного выше твердости феррита. Поэтому при увеличении содержания углерода в стали ее твердость повышается. Кроме того, частицы цементита затрудняют движение дислокаций в основной фазе - в феррите. По этой причине увеличение количества углерода снижает пластичность стали.

Углеродистая сталь имеет очень широкое применение. В зависимости от назначения применяется сталь с малым или с более высоким содержанием углерода, без термической обработки (в «сыром» виде - после проката) или с закалкой и отпуском.

Легированные стали. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной сталью. К важнейшим легирующим элементам относятся хром, никель, марганец, кремний, ванадий, молибден.

Различные легирующие элементы по-разному изменяют структуру и свойства стали. Так, некоторые элементы образуют твердые растворы в -железе, устойчивые в широкой области температур. Например, твердые растворы марганца или никеля в -железе при значительном содержании этих элементов стабильны от комнатной температуры до температуры плавления. Сплавы железа с подобными металлами называются поэтому аустенитными сталями или аустенитными сплавами.

Влияние легирующих элементов на свойства стали обусловлено также тем, что некоторые из них образуют с углеродом карбиды, которые могут быть простыми, например , а также сложными (двойными), например . Присутствие карбидов, особенно в виде дисперсных включений в структуре стали, в ряде случаев оказывает сильное влияние на ее механические и физико-химические свойства.

По своему назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машии, конструкций и сооружений. В качестве конструкционных могут использоваться как углеродистые, так и легированные стали. Конструкционные стали обладают высокой прочностью и пластичностью. В то же время должны хорошо поддаваться обработке давлением, резаиием, хорошо свариваться. Основные легирующие элементы конструкционных сталей - это хром (около ), никель и марганец .

Инструментальные стали - это углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов. Необходимую твердость обеспечивает содержащийся в этих сталях углерод (в количестве от 0,8 до ). Основной легирующий элемент инструментальных сталей - хром; иногда в вводят также вольфрам и ванадий. Особую группу инструментальных сталей составляет быстрорежущая сталь, сохраняющая режущие свойства больших скоростях резания, когда температура рабочей части резца повышается до .

Основные легирующие элементы этой стали - хром и вольфрам.

Стали с особыми свойствами. К этой группе относятся нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, магнитные и некоторые другие стали. Нержавеющие стали устойчивы против коррозии в атмосфере, влаге и в растворах кислот, жаростойкие - в коррозионно-активных средах при высоких температурах. Жаропрочные стали сохраняют высокие механические свойства при нагревании до значительных температур, что важно при изготовлении лопаток газовых турбин, детален реактивных двигателей на ракетных установок. Важнейшие легирующие элементы жаропрочных сталей - это хром , никель , вольфрам. Жаропрочные стали принадлежат к аустеннтным сплавам.

Магнитные стали используют для изготовления постоянных магнитов и сердечников магнитных устройств, работающих в переменных полях. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом или вольфрамом. Они хорошо намагничиваются и длительное время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники магнитных устройств изготовляют из низкоуглеродистых (менее С) сплавов железа с кремнием. Эти стали легко перемагничиваются и характеризуются малым значением электрических потерь.

Для обозначения марок легированных сталей используется буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н - никель, X - хром, Г - марганец и др. Первые цифры в обозначении показывают содержание углерода в стали (в сотых долях процента). Цифра, идущая после буквы, указывает содержание данного элемента (при его содержании около или менее цифра не ставится). Например, сталь состава углерода и марганца обозначается . Марка обозначает сталь, содержащую хрома и никеля. Кроме этой системы иногда применяют и нестандартные обозначения.

Чугун отличается от стали своими свойствами. Он в очень малой степени способен к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке), но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали.

Как уже говорилось (см. 657), при кристаллизации жидкого чугуна, а также при распаде аустенита содержащийся в этих фазах углерод обычно выделяется в виде цементита. Одиако в рассматриваемых условиях цементит термодинамически неустойчив. Его образование обусловлено только тем, что зародыши его кристаллизации образуются гораздо легче и требуют меньших диффузионных изменений, чем зародыши графита. Поэтому в условиях очей, медленного охлаждения жидкого чугуна углерод может кристаллизоваться не в виде цементита, а в виде графита. Образование графита сильно облегчается также в присутствии мелких частиц примесей (особенно примесей графита) в расплавленном чугуне.

Таким образом, в зависимости от условий кристаллизации, чугун может содержать углерод в виде цементита, графита или в виде их смеси. Форма образующегося графита также может быть различной.

Белый чугун содержит весь углерод в виде цементита. Он обладает высокой твердостью, хрупок и поэтому имеет ограниченное применение. В основном он выплавляется для передела в сталь.

В сером чугуне углерод содержится главным образом в виде пластинок графита. Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Кроме углерода, серый чугун всегда содержит другие элементы.

Важнейшие из них - это кремний и марганец. В большинстве марок серого чугуна содержание углерода лежит в пределах , кремния и марганца до .

Высокопрочный чугун получают присадкой к жидкому чугуну некоторых элементов, в частности магния, под влиянием которого графит при кристаллизации принимает форму. Сферический графит улучшает механические свойства чугуна. Из высокопрочного чугуна нзотовляют коленчатые валы, крышки цилиндров, детали прокатных станов, прокатные валки, насосы, вентили.

Ковкий чугун получают длительным нагреванием отливок из белого чугуна. Его применяют для изготовления детален, работающих ударных и вибрационных нагрузках (например, картеры, задний мост автомобиля). Пластичность и прочность ковкого чугуна обусловлены тем, что углерод находится в нем в форме хлопьевидного графита.

Железо и его сплавы. Железо - один из наиболее распространенных в природе металлических элементов.

Технически чистое железо - серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл с довольно высокими прочностью и твердостью. Однако из-за высокой стоимости очистки металла от примесей применение железа в производстве товаров народного потребления ограничено. Используют, главным образом, железоуглеродистые сплавы стали и чугуны. Стали содержат углерода не более 2,14 %, а чугуны свыше 2,14 %. Стали по химическому составу подразделяют на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали, кроме углерода, содержат в небольших количествах только неизбежные примеси кремний, марганец, серу и фосфор. В легированные стали входят, кроме того, добавки цветных металлов хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама и др. Химический состав существенно влияет на свойства стали и ее применение в производстве товаров народного потребления. Так, по мере увеличения концентрации углерода возрастают твердость и хрупкость стали.

Поэтому практическое использование находят только стали, содержащие не более 1,3% углерода, так как при большем количестве его хрупкость металла возрастает настолько, что снижается надежность изделий в эксплуатации. Кремний - повышает твердость и улучшает упругие свойства металла. Из стали, содержащей до 2 % кремния, изготовляют пружины и рессоры. Марганец - увеличивает твердость и прочность стали, ее износостойкость. Поэтому из марганцевой стали изготовляют пилы особо высокого качества, хорошо сопротивляющиеся истиранию.

Сера и фосфор - вредные примеси. Сера вызывает красноломкость (растрескивание металла при механической обработке в горячем состоянии), ухудшает пластичность, снижает коррозионную стойкость стали. Фосфор обусловливает хладноломкость стали, т. е. растрескивание при механическом воздействии в условиях пониженной температуры. Хром - увеличивает твердость и износостойкость стали. При содержании хрома более 13 % сталь приобретает стойкость к коррозии. Из такой, сравнительно недорогой, нержавеющей стали изготовляют ножи и столовые приборы.

Никель - упрочняет сталь, повышает ее ударную вязкость и снижает хладноломкость. При совместном введении значительного количества хрома и никеля сталь приобретает жаропрочность и высокую коррозионную стойкость в кислой среде. Поэтому хромоникелевые стали применяют для изготовления посуды и столовых приборов. Молибден, ванадий и вольфрам - придают стали высокую твердость и красностойкость, т. е. способность сохранять твердость при нагреве докрасна.

Эти так называемые быстрорежущие стали используют для изготовления металлорежущих инструментов и резцов. Углеродистые стали, в зависимости от содержания углерода, подразделяют на конструкционные (углерода не более 0,75 %) и инструментальные (углерода 0,7-1,3 %). Конструкционные стали используют для изготовления посуды, приборов для окон и дверей, крепежных изделий, нагревательных и осветительных приборов и т. д. Инструментальные стали находят применение в производстве инструментов, ножей, ножниц и др. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора), различают углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Для стали обыкновенного качества содержание вредных компонентов либо совсем не ограничивается (группа А), либо концентрация каждого из них должна быть не более 0,07 % (группы Б и В). В качественных сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 %. Особенно сильно ограничено содержание серы (не более 0,02 %) и фосфора (не более 0,03 %) в сталях высококачественных, из которых изготовляют детали, подвергаемые термической обработке.

Очень вредное влияние на свойства стали оказывает кислород, он вызывает красноломкость, снижает пластичность и вязкость металла. Поэтому в процессе получения сталь раскисляют добавками марганца, кремния, алюминия. По степени раскисления различают сталь спокойную (сп), полуспокойную (пс) и кипящую (кп). Спокойная сталь раскислена полностью, полуспокойная несколько меньше, а кипящая не полностью, и при разливке из нее выделяется окись углерода (сталь «кипит»). Спокойная сталь - плотная, однородная по составу, отличается высокими механическими свойствами.

Полуспокойная сталь по строению и свойствам занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. В кипящей стали много мелких раковин, что снижает её прочностные показатели, зато выше выход металла, который дешевле; мелкие раковины при прокатке завариваются. Кроме того, кипящая сталь отличается высокой пластичностью, так как содержит минимальное количество кремния и марганца (кипящую сталь раскисляют только алюминием). Поэтому, для изготовления изделий из листовой стали методом холодной штамповки (стальная посуда, корпуса бытовой газовой аппаратуры, керосинок, керогазов, холодильников и др.), предпочтительнее кипящая сталь, а для изготовления деталей, подвергающихся при эксплуатации значительным нагрузкам (инструменты, ножи, детали бытовых машин и т. д.), применяют спокойную или полуспокойную сталь.

Свойства материала существенно влияют на качество и цену изделий, поэтому в стандартах на металлохозяйственные товары указываются рекомендуемые для их производства марки металла.

В маркировке стали отражаются основные признаки ее классификации, определяющие свойства металла. В маркировке конструкционных сталей обыкновенного качества буквами Б или В (группа А в обозначении марки не указывается) указывают группы. Буквы Ст. в марке означают «сталь», цифры от 0 до 6 - условный номер марки, которому соответствуют либо определенные механические свойства (группа А), либо химический состав (группа Б), либо то и другое (группа В). Для обозначения степени раскисления в марке стали, после номера добавляют индексы сп, пс, кп. Если индекса нет, то сталь данной марки выпускается только спокойной. Качественные конструкционные стали маркируют двузначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

К марке кипящей стали добавляют индекс кп (08 кп). При повышенном содержании марганца (0,71 %) в конце марки ставят букву Г (65Г). Инструментальные углеродистые стали маркируют буквой У и числом (от 7 до 13), показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. В марке высококачественных сталей должна быть буква А (У7А, УЯА и т. Л.) Легированные стали подразделяют по назначению на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления ответственных деталей машин, когда требуется сочетание высокой прочности, твердости и износостойкости с пластичностью и вязкостью.

Из легированных инструментальных сталей изготовляют такие металлообрабатывающие инструменты, как сверла, ножовочные полотна, напильники, метчики, плашки. К сталям с особыми свойствами относят коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаропрочные, износостойкие и т.п. Для товаров народного потребления (посуды, ножей, столовых приборов, лезвий для безопасных бритв и т. д.) используют, главным образом, нержавеющие стали.

Для маркировки легированных сталей применяют буквенно-цифровой шифр. В начале марки помещают число, обозначающее среднее содержание углерода в десятых долях процента (однозначное число) или сотых долях процента (двузначное число). Если перед маркой число не стоит, то это означает, что сталь содержит углерода 1 % или более. Вид легирующих компонентов обозначают буквой: Х-хром, Н-никель, Т-титан, Ф- ванадий, М-молибден, В-вольфрам, Г-марганец, С-кремний и т. д. После каждой буквы указывают содержание в процентах соответствующего элемента.

Если содержание какого-либо легирующего элемента менее 11,5%, число не проставляют. В конце марки высококачественной стали ставят букву А. Это означает, что в составе стали вредных примесей (серы и фосфора) не более чем по 0,03 %. В марке стали качественной, содержащей несколько больше серы и фосфора, нет буквы А. Расшифруем марки легированных сталей, наиболее часто используемых в производстве товаров. 12Х13, 20Х13, ЗОХ13, 40Х13 - качественные хромистые коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали, содержащие соответственно 0,12; 0,2; 0,3; 0,4 % углерода и 12-14 % хрома. 12Х18Н9, 17Х18Н9 - качественные хромоникелевые стали, содержащие 0,12; 0,17 % углерода, 17-18% хрома и 8-10 % никеля. 9ХС - качественная инструментальная хромо-кремниевая сталь с содержанием в среднем 0,9 % углерода, около 1 % хрома и 1 % кремния.

Некоторым многокомпонентным сталям присвоены марки, которые представляют собой условное обозначение.

Например, марки быстрорежущих инструментальных сталей состоят из буквы Р и числа, указывающего примерное содержание основного легирующего компонента вольфрама (Р9, Р18). Чугун – сплав железа с углеродом (содержание больше 2,14%) и другими элементами. Вырабатывают чугун выплавкой из железных руд в доменных печах. Чугуны по назначению подразделяют на передельные, литейные, высокопрочные, ковкие, легированные. Для изготовления товаров народного потребления используют главным образом серый литейный чугун.

Изделия из чугуна дешевле аналогичных изделий из стали или цветных металлов. Однако чугун хрупкий, что необходимо иметь в виду при хранении, транспортировании и эксплуатации чугунных изделий. Маркировка серого литейного чугуна состоит из букв и чисел: СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 38-60. Буквы обозначают «серый чугун», первое число - предел прочности при растяжении, а второе - при изгибе в кгс/мм. Механические свойства чугуна марки СЧ 00 стандартом не нормируются.

Из серого чугуна изготовляют посуду, замки, мясорубки, печные приборы, радиаторы центрального отопления и т. д. 1.4.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Металлохозяйственные товары

По назначению выделяют следующие группы металлотоваров: металлическая посуда; ножевые изделия; столовые приборы и принадлежности; приборы.. Доля металлохозяйственных товаров в розничном товарообороте составляет.. В развитии ассортимента металлохозяйственных товаров можно выделить следующие основные направления: увеличение доли..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: