Основные сведения о металлах и сплавах

 

ЧУГУН. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ  ЧУГУНА; ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ. СТРУКТУРА  И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЧУГУНОВ (СЕРОГО, КОВКОГО, БЕЛОГО И ДР.). ГОСТы НА ЧУГУН

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом (свыше 2,11–2,14%), в котором обычно содержатся также кремний (до 3%), марганец (до 1%), сера, фосфор и могут присутствовать легирующие добавки – хром, никель, ванадий, алюминий, магний и др. Чугун без легирующих добавок или термообработки – достаточно хрупкий материал с низкими прочностью, твердостью и пластичностью.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо  и флюсы. Агрегатом для выплавки чугуна служит доменная печь.

В настоящее время для получения  чугуна употребляют следующие руды:

- магнитный железняк (Fе3О4) — минерал  черного цвета, обладает магнитными  свойствами; содержание в нем  железа доходит до 72%,

- бурый железняк (2Fе2О3ЗН2О) —  минерал желто-бурого цвета; содержание железа колеблется от 35% до.50%.

- красный железняк (Fе2О3) — минерал  красного цвета, содержит до 60% железа.

- шпатовый железняк (FеСО3) — минерал  серого цвета, содержит 30-42% железа.

Область применения чугунных труб:

- водоснабжение;

- канализация;

- теплоснабжение;

- противопожарные системы водоснабжения;

  - трубопроводы, используемые для  транспортировки нефтепродуктов;

  - трубопроводы химической, нефтеперерабатывающей,  и горнодобывающей промышленности.

Устройство доменной печи (рис. 2):

 

Рис. 2 – Устройство доменной печи

 

1 - Дымовая труба;

2 - Пламя;

3 - Горючий колошниковый газ;

4 - Воздух;

5 - Выпуск чугуна;

6 - Выпуск шлака;

7 - Горячий воздух;

8 - Газовый канал;

9 - Дымовой канал;

10 - Воздушная труба. 

Между тем, различные химические добавки позволяют значительно улучшить физико-механические свойства чугуна, и одним из таких компонентов на сегодняшний день является кремний. Благодаря его присутствию в сплавах такие марки чугуна, как СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30 и СЧ35 сегодня с успехом применяются не только в быту, но и для изготовления корпусов для оборудования, различных противовесов и контргрузов, станин и опор. В таких марках чугуна, как ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 содержатся добавки хрома и марганца, благодаря чему изделия из этих сплавов выдерживают не только повышенные механические нагрузки, но и обладают стойкостью к температурным перепадам.

В свою очередь, марки чугуна ЧХ1, ЧХ2 и ЧХ3 имеют в составе сплавов  не только хром и марганец, но и серу с фосфором, что делает их нечувствительными к высокой температуре и надежно защищает от коррозии.

Виды чугунов, их структура и  прочностные свойства:

1. Серый чугун - такое название серые чугуны получили по серому цвету излома в отличие от серебристого цвета излома белых чугунов. Серый цвет излому придает углерод, входящий в состав серого чугуна в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%) в передельных коксовых чугунах, применяемых для производства отливок из серых чугунов. Серый чугун - наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции). Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагрузках и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна - более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна.

Серые чугуны с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-79) выпускают марок от СЧ10 до СЧ45. В марках, буквы означают наименование чугуна, цифры - предел прочности чугуна, Н/мм², при растяжении. Графитизация в серых чугунах достигается введением в их состав от 1 до 2,9% кремния. При этом образуются пластинчатые графитовые включения.

2. Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-79) - разновидность серых чугунов, которые получают при модификации их магнием или церием. Графитовые включения в этих чугунах имеют шаровидную форму. Такие чугуны при высоком пределе прочности до 12 МПа обладают и относительно высоким удлинением до 17%. Высокопрочные чугуны выпускают марок от ВЧ38-17 до ВЧ120-2. Буквы означают наименование чугуна, первые две цифры - предел прочности при растяжении чугуна, кгс/мм2, вторые - относительное удлинение при растяжении, %.

3. Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79) - разновидность серых чугунов, получаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания белых чугунов при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. В зависимости от температуры и длительности выдерживания ковкие чугуны получают на ферритной и ферритно-перлитной основах. Такие чугуны - наиболее пластичные из всех видов чугуна. Относительное удлинение ферритного ковкого чугуна до 12% при прочности на растяжение 3,7 МПа, а ферритно-перлитного 5% при прочности до 5 МПа. Ковкие чугуны выпускают марок от КЧЗО-6 до КЧ50-5. Расшифровка марки такая же, как и у высокопрочного чугуна.

4. Белый чугун. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и характерный металлический блеск. Структура состоит из перлита, ледебурита и избыточного цементита, поэтому чугун отличается высокой твердостью, хрупкостью, низкой прочностью и трудоемкостью механической обработки. Из белого чугуна делают отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун. Белые чугуны применяют для производства стали, поэтому их называют передельными чугунами (ГОСТ 805-95).

Ограниченное применение имеют  отбеленные чугуны — отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные  валки, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

 

СТАЛЬ. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ: МАРТЕНОВСКИЙ, КОНВЕРТОРНЫЙ, ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЙ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ

Сталью называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода до 2,1%.

Как и чугун, сталь имеет примеси  кремния, марганца, серы и фосфора. Основное отличие стали от чугуна — это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей.

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).

Сталь получают переплавкой металлолома  или из передельного чугуна. Процесс  получения стали из чугуна сводится к удалению излишнего углерода и  понижению количества входящих в  чугун примесей. Существует несколько способов получения стали: конверторный, мартеновский и электроплавка.

Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа  являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д. К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава.

Марки конверторной стали обозначают начальными буквами Б и Т, что  значит бессемеровская и томасовская сталь.

Мартеновский способ вызван к жизни необходимостью перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых материалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.

Электросталеплавильный  способ: плавка стали в электропечах дает возможность получать высококачественные стали. Сущность процесса заключается в очищении стали от шлаков и примесей в виде серы и фосфора.

По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную.

Углеродистые стали разделяют  по содержанию углерода на:

- малоуглеродистые: менее 0,3 % углерода;

- среднеуглеродистые: 0,3-0,7 % углерода;

- высокоуглеродистые: более 0,7 % углерода.

Легированные стали разделяют по общему содержанию легирующих элементов на:

- низколегированные: менее 2,5 %;

- среднелегированные: 2,5-10,0 %;

- высокоуглеродистые: более 10,0%.

По способу получения сталь классифицируется на: мартеновскую, конверторную (бессемеровскую и томассовскую) и электропечную.

По качеству углеродистые стали разделяются на обыкновенного качества и качественную, легированные — на качественную и высококачественную (при маркировке обозначается в конце буквой А).

Стали по структуре классифицируют в состояниях после отжига и нормализации.

В отожженном состоянии стали подразделяют на:

– доэвтектоидные - имеющие в структуре  избыточный феррит;

– эвтектоидные - структура которых  состоит из перлита;

– заэвтектоидные - в структуре  которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита;

– ледебуритные - в структуре которых  содержатся первичные (эвтектические) карбиды;

– аустенитные; 

– ферритные. 

После нормализации стали подразделяют на следующие структурные классы:

– перлитный;

– аустенитный; 

– ферритный.

Стали перлитного класса имеют невысокую  устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они  приобретают структуру перлита, сорбита или тростита, в которой  могут присутствовать также избыточные феррит и карбиды. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные. Эта большая группа дешевых, широко применяемых сталей для деталей машин и аппаратов, для работы при нормальной или повышенной температуре (не выше 45 °С) и в неагрессивных средах.

Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита; при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса из-за повышенного  количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0 °С и сохраняют аустенит при температуре 20—25 °С.

Влияние легирующих элементов  на структуру и свойства сталей:

Легирующие элементы специально вводят в сталь с целью изменения ее структуры и свойств в отличие от примесей, попадающих в сталь при выплавке из руд, шихты. Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. В зависимости от содержания легирующих элементов (указанного в скобках) различают низколегированные (до 2…3 %), среднелегированные (3… 10%) и высоколегированные стали (более 10%). Изменение структуры и свойств сталей возможно лишь в том случае, если элементы, вводимые в сталь, взаимодействуют с железом и (или) углеродом, тогда эти элементы и являются легирующими.

 

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Цветные металлы - это медь, алюминий, цинк, олово, свинец, никель, хром, серебро  и другие металлы, кроме железа и  его сплавов. Они имеют общее  свойство образовывать на поверхности  окислительную пленку, которая предотвращает дальнейшую коррозию металла.

Цветные металлы по ряду признаков  разделяют на следующие группы:

1) тяжёлые металлы - медь, никель, цинк, свинец, олово;

2) лёгкие металлы - алюминий, магний, титан, бериллий, кальций, стронций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цезий;

3) благородные металлы - золото, серебро, платина, осмий, рутений, родий, палладий;

4) малые металлы  - кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

5) тугоплавкие металлы - вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий, хром, марганец, цирконий;

6) редкоземельные металлы - лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, иттербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, лютеций, прометий, скандий, иттрий;

7) рассеянные металлы - индий, германий, таллий, таллий, рений, гафний, селен, теллур;

8) радиоактивные металлы - уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий.

Медь (Сu) - обозначается от М00 (99,99 % чистой меди) до М4 (содержит 99,0 % чистой меди). Медь марок МФ1, МФ2 и МФЗ имеет примесь фосфора, который добавляет ей свойство упругости и хорошей текучести в расплавленном виде.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы- это сплавы меди с оловом (4 - 33% Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой и фосфором (ГОСТ 493-79 , ГОСТ 613-79, ГОСТ 5017-74, ГОСТ 18175-78). Латуни - сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы предназначены для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием - сплавами, обрабатываемыми давлением. Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие кол-во элемента в процентах. (пример: ЛЦ40Мц3Ж - латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu; Л96 - латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак)).