Технология материалов. Лекции

Чугун по назначению делится на три группы: передельный, литейный и доменные ферросплавы. Из всей выплавки более 81% составляют передельные  чугуны, которые переплавляются в сталь, и около 19% прихо­дится на долю литейных чугунов и ферросплавов. Из литейного чугуна отливают фасонные детали, а ферросплавы используют в качестве добавок (раскислителей) при выплавке стали.

Чугун представляет собой сложный железоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится от 2 до 4,3%, кремния – 0,5-4,25%, марганца – 0,2-2%,   серы – 0,02-0,2%, фосфора – 0,1-1,2%. Влияние элементов, входящих в состав чугуна, на его свойства велико. Они определяют структуру и свойства чугуна.

Углерод—важнейшая составляющая чугуна. Углерод находится  в чугуне в различных состояниях: в виде химически связанного соединения с железом Fе3С, называемого карбидом железа (или цементитом), и в свободном  состоянии – в виде графита.

Если углерод находится в чугуне в виде цементита, то чугун имеет в изломе белый цвет. Цементит кристаллизуется непосредственно из жидкого сплава. Чем быстрее идет процесс охлаждения (как при переходе чугуна из жидкого состояния в твердое, так и в твердом состоянии), тем больше в нем будет находиться химически связанного углерода.

Чугун, в котором  углерод находится в виде цементита, называется белым чугуном.

Если углерод находится  в чугуне главным образом в  свободном состоянии – в виде графита, то чугун имеет в изломе серый цвет и называется серым чугуном.

Марганец способствует получению белого чугуна, так как  образует с углеродом карбиды  Мn3С и этим препятствует графитизации. Поэтому в белых чугунах бывает 2–2,5%, а иногда и 3,5% Мn, а в сером  чугуне – не более 1,3%.

Кремний является важнейшей после углерода примесью в чугуне. Кремний увеличивает жидкотекучесть и способствует получению серого чугуна. В сером чугуне кремния содержится от 1,25 до 4,25%, а в белом – от 0,2 до 2%.

Сера – вредная  примесь в чугуне. Она ухудшает механические свойства чугуна, понижая его прочность увеличивая хрупкость, и придает чугуну густотекучесть, пузырчатость, т. е. ухудшает его литейные свойства. Поэтому содержание серы в чугуне не должно превышать 0,08%.

Фосфор также понижает прочность и увеличивает хрупкость чугуна, но, несмотря на это, он бывает и полезной примесью, так как увеличивает жидкотекучесть серого чугуна. Это качество имеет большое значение при изготовлении художественного и тонкостенного литья. Содержание фосфора в ответственных отливках допускается до 0,1%, а в менее ответственных – до 1,2%.

В доменных печах  выплавляют чугун следующих сортов: передельный, литейный, доменные ферросплавы  и специальные чугуны.

Передельный чугун  делится на 3 класса:

1) мартеновский чугун  марок М-1 и М-2, содержащий 1,5–2,5% Мn, 0,3–1,5% Si 0,15–0,2 % P и 0,03-И 0,07% S.

2) бессемеровский  чугун марок Б-1 и Б-2, получаемый  из малофосфористых руд и содержащий 0,6–1,5% Мn, 0,9-2,0% Si до 0,07% Р и до 0,04% S.

3) томасовский чугун  марки Т-1, выплавляемый из фосфористых руд и содержащий 1,6–2% Р, 0,08–1,3% Мn, 0,2–0,6% Si; и 0,08% S.

Передельный чугун  идет на переделку в сталь.

Литейный чугун  марок ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1 и других получают из шихты с достаточным содержанием  кремнезема. В зависимости от марки  он содержит 1,25–4,25% Si и до 1,3% Мn. Литейный чугун идет на отливку различных деталей. Его классификация приведена в разделе «Литейное производство».

Доменные ферросплавы, т. е. сплавы железа с различными элементами (марганцем, кремнием, фосфором и др.), используют в качестве раскислителей и легирующих добавок в сталеплавильных агрегатах и вагран­ках. В доменных печах выплавляют преимущественно следующие ферросплавы и специальные чугуны: зеркальный чугун, ферромарганец, ферросилиций, силикошпигель, феррофосфор, ферроманганфосфор.

Специальные чугуны — хромоникелевые, ванадиевые, титанистые.

Хромоникелевые чугуны выплавляют из руд, содержащих хром и  никель. Эти чугуны бывают литейные, содержащие до 2,2–3,8% хрома и около 1% никеля, и передельные, содержащие до 1,75% никеля.

Ванадиевые чугуны получают при плавке в доменных печах  титаномагнетитовых руд, в которых  имеется небольшое количество пятиокиси  ванадия (V2O5). Применяют также чугуны для передела на сталь для вы­плавки  феррованадия.

Титанистые чугуны получают при производстве в доменных печах высокоглиноземистых шлаков, которые являются в данном случае основным продуктом плавки, а чугун с содержанием титана 0,6–0,7% – побочным продуктом.

Отгружаемые с завода чушковый чугун и ферросплавы  маркируют несмываемой краской определенного цвета, присвоенного каждой марке чугуна и ферросплавов, и снабжают сертификатом. В сертификате указы­вают полный анализ каждого выпуска и подтверждают отделом технического контроля завода, что чугун или ферросплавы отвечают требованиям ГОСТа. Сертификат отправляют заказчику одновременно с отгрузкой чугуна. 

13 -14 .Класификация сталей. Маркировка  углеродистых, легированных и конструкционных сталей. Область применения.

Единой мировой  классификации сталей не существует. Обычно сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре, методу формообразования изделий из стали.

По способу производства сталь разделяют на мартеновскую, конверторную (кислородно-конверторную, бессемеровскую, томасовскую), электросталь и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащённой руды (окатышей). Мартеновский способ производства, бывший в свое время наиболее распространённым, сейчас утратил первостепенное значение и вытесняется более простым и экономичным, с точки зрения технологии производства, кислородно-конверторным способом. Предпочтение отдаётся также электроплавильным способам, которые позволяют получать сталь самого высокого качества.

По химическому  составу сталь делят на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь  — железоуглеродистый сплав (0,02—2,14% С) с неизбежными примесями марганца (до 0,8%), кремния (до 0,5%), серы (до 0,06%), фосфора (до 0,07%) и газов (кислорода, водорода, азота), присутствующих в очень малых  количествах — тысячных долях процента. Железо и углерод являются основными компонентами, определяющими структуру и свойства стали.

Марганец, кремний, сера и фосфор относятся к постоянным, или обычным, примесям. Марганец и  кремний необходимы по условиям технологии выплавки стали — их вводят в расплав для её раскисления. Вредные примеси — сера и фосфор — попадают в сталь из руд и печных газов и не поддаются полному удалению на стадии металлургического передела.

Кислород, водород, азот также постоянно присутствуют в  стали и относятся к скрытым вредным примесям.

Углеродистые стали  в зависимости от содержания углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25— 0,60% С) и  высокоуглеродистые (свыше 0,60% С).

Легированными называют стали, в состав которых кроме железа, углерода, обычных и скрытых примесей входят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам и другие элементы, которые специально вводятся в сталь для придания ей требуемых свойств. Сталь также считается легированной, если содержание в ней кремния превысит 0,5%, а марганца — 1%. Легированные стали в зависимости от системы легирования делят на марганцевистые, хромистые, хромоникелевые и т.д.

В зависимости от содержания легирующих элементов различают  стали низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10%). Если суммарное содержание легирующих элементов превышает 50%, т.е. преобладает над железной основой, то такой материал называется сплавом. Например, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, жаропрочные сплавы и многие другие.

По назначению стали  классифицируют на конструкционные, инструментальные и специального назначения (с особыми свойствами).

Конструкционные стали  применяют в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, элементов конструкций и сооружений. В зависимости от назначения и требуемых свойств содержание углерода в различных марках конструкционной стали изменяется в пределах от 0,05 (листовая) до 1% (подшипниковая). Важнейшими характеристиками сталей, по которым осуществляется их выбор, являются механические свойства и прокаливаемость.

Среди конструкционных  сталей различают цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, автоматные, рессорно-пружинные, подшипниковые и некоторые другие. 

Инструментальные  стали служат для изготовления режущих, измерительных инструментов, штампов  холодного и горячего деформирования. Основным требованием, предъявляемым  к инструментальным сталям, является высокая твёрдость, в связи с чем они отличаются повышенным содержанием углерода (исключение — стали для горячештампового инструмента, подвергаемого в процессе эксплуатации значительным динамическим нагрузкам). При выборе марки инструментальной стали в первую очередь учитывается её теплостойкость (красностойкость), т.е. способность стали длительно сохранять структуру и свойства при повышенных температурах в результате нагрева инструмента в процессе работы. Теплостойкость создают специальной системой легирования инструментальных сталей и применением особых режимов термической обработки.

Стали и сплавы специального назначения делят на две группы: с особыми химическими и с  особыми физическими свойствами.

Стали и сплавы с  особыми химическими свойствами (коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные) предназначены для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

Стали и сплавы с  особыми физическими свойствами (магнитные, с зданным температурным  коэффициентом линейного расширения и др.) применяются в основном в приборостроении, электротехнической, радиотехнической и электронной промышленности.

Необходимые свойства у сталей обеих групп достигаются  в результате специального легирования, что также учитывается при  назначении режимов термической обработки.

Конструкционные и  инструментальные стали могут быть как углеродистыми, так и в различной степени легированными, а стали специального назначения — только легированными.

По качеству стали  подразделяют на стали обыкновенного  качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Под качеством стали  понимают совокупность свойств, гарантируемых  металлургическим процессом ее производства. Качество стали определяется степенью однородности химического состава  и строения, природой и содержанием  неметаллических включений, газонасыщенностью и некоторыми другими факторами.

Основным показателем, лежащим в основе классификации  сталей по качеству, является содержание вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше указанных примесей, тем  выше качество стали. Например, в углеродистой качественной конструкционной стали (ГОСТ 1050—88) допускается массовая доля серы не более 0,04%, фосфора — не более 0,035%. В углеродистой стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—94) эти показатели выше: массовая доля серы не более 0,05%, фосфора - не более 0,04%.

Стали обыкновенного  качества выплавляют только углеродистыми, качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными, а особо высококачественные — только легированными.

Для повышения степени  чистоты стали (по газам и сере) пользуются следующими металлургическими приёмами: вакуумным, электрошлаковым, электронно-лучевым, плазменным и другими переплавами; обработкой жидкой стали синтетическими шлаками; методом внепечного вакуумирования расплава и др.

По методу формообразования изделий различают литую, кованую и катаную стали. При одинаковом химическом составе литая сталь отличается более низкими механическими свойствами по сравнению с деформированной — кованой и катаной. Однако с помощью литейной технологии можно получать детали сложной формы с меньшими затратами.

Маркировка  стали производится несмываемой краской независимо от группы стали и степени раскислення. По соглашению сторон маркировка краской не производится.

Буквенные и цифровые обозначения стали

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером

(СтО, Ст1, СтЗ и  т.д.). Качественные углеродистые  стали маркируются двухзначными  числами, показывающими среднее  содержание углерода в сотых  долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д.  Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Mn (14Г, 18Г и т.д.).

Автоматные стали  маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.). Углеродистые иструментальные стали  маркируются буквой У (У8 , У10 , У12 и  т.д., здесь цифры означают содержание стали в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в ее состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание:А - азот