Колпаков C. Металловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Бессемеровский и томасовский процессы заключаются в том, что сталь

получают, окисляя примеси в расплавленном чугуне, налитом в конвертор,

продувкой обычным воздухом снизу, через фурмы, расположенные в днище.

Производство стали в мартеновских печах. В 1865 г. французские

металлурги отец и сын Мартены разработали и осуществили на практике

новый процесс получения стали, который

получил название мартеновского.

В этом случае сталь выплавляют в пламенных регенеративных печах-

мартенах.

В плавильном пространстве мартеновской печи сжигается газообразное

топливо (природный газ либо смесь доменного, коксового и природного

газов) или мазут. Высокая температура для получения, расплава

обеспечивается регенерацией теплоты печных газов с помощью специальных

газовых и воздушных регераторов. Рабочее

пространство печи (оно

ограничено снизу ванной, сверху – сводом, с боков – передней и задней

стенками, с торцов – головками) выполнено из огнеупорных кирпичей

(футеровка). Прочность кладки обеспечивается стальной арматурой. Емкость

мартеновских печей колеблется в широких пределах.

Основными материалами для выплавки стали мартеновским способом

являются передельныи чугун и стальной скрап, используют также известняк

СаСО

(флюс), железную руду и другие добавки. Для раскисления и

легирования стали применяют ферросплавы.

Мартеновские печи и соответственно процессы выплавки могут быть

основными и кислыми. В основной печи подину и стенки выкладывают из

основного магнезитового кирпича, свод – из хромомагнезитового кирпича,

на подину наваривают слой магнезитового или доломитового порошка. При

основной' плавке

в печь загружают в качестве флюса известняк для обра-

зования основного шлака с большим содержанием извести, что дает

возможность удалить из стали вредные примеси – серу и фосфор.

В кислой печи подину и стенки выкладывают динасовым кирпичом,

дополнительно на подину наваривают слои кварцевого песка. При плавке

образуется кислый шлак с большим содержанием

SiO

, поэтому удалить серу

и фосфор не удается. В связи с этим кислый мартеновский процесс

применяют крайне редко и мартеновскую сталь выплавляют главным

образом основным процессом.

Кислородно – конверторным и мартеновским способами сейчас

выплавляют около 80% всей стали в мире (примерно по 40% каждым спосо-

бом).

В нашей стране мартеновским способом выплавляют около 60% всей

стали. Однако доля мартеновской стали сокращается за счет развития

кислородно-конверторного и электросталеплавильного производства.

Производство стали в электрических дуговых и индукционных

печах. Появившийся в конце XIX - начале XX в. электросталеплавильный

процесс является более совершенным способом выплавки по сравнению с

кислородно-конверторным и мартеновским процессами. В электропечи легко

регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока: можно создавать

окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум,

легче легировать сталь легко – окисляющимися элементами. Электросталь

содержит минимальное количество вредных примесей - неметаллических

включений.

В дуговых электропечах выплавляют наиболее качественные

конструкционные, высоколегированные, нержавеющие, жаропрочные и

другие стали. Принципиальная схема устройства дуговой сталеплавильной

печи показана на рис. 40. Корпус

печи имеет форму цилиндра со сфериче-

ским или плоским днищем. Снаружи он заключен в прочный стальной

кожух, внутри футерован огнеупорными материалами: основными (на-

пример, хромомагнезит) или кислыми (динас и др.). Съемный свод имеет

отверстия для электродов. В стенке корпуса расположено рабочее окно для

слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб, закрытое

при плавке

заслонкой. Готовую сталь выпускают через выпускное отверстие со сливным

желобом.

Рис. 40. Принципиальная схема дуговой электропечи:

1 – корпус печи, 2 – желоб для выпуска плавки, 3 – съемный свод, 4 – электроды, 5 –

электродержатели, 6 – рабочее окно, 7 – заслонка окна, 8 – слой шлака, 9 – металл, 10 –

сектор для наклона печи.

Печь опирается на секторы и имеет привод для наклона в сторону

рабочего окна или желоба. Нагрев и расплавление металла осуществляется

тремя электрическими дугами, образующимися между каждым электродом и

проплавляемой шихтой (ванной). В СССР емкость дуговых печей составляет

от 0,5 до 200 т. В настоящее время строят печи емкостью 300 – 400 т, эко-

номически более '

выгодные. Электросталь выплавляют главным образом в

основных печах. Большая часть стали выплавляется методом полного

окисления (из «свежей» шихты); вторая разновидность процесса - плавка без

окисления - сводится, по существу, к переплаву стальных отходов.

В индукционных сталеплавильных печах выплавляют наиболее

качественные нержавеющие, жаропрочные и другие стали и сплавы. Емкость

печей колеблется от десятков килограммов

до 30 т металла. Схема

индукционной бессердечниковой печи приведена на рис. 41. Плавку прово-

дят в тигле, изготовленном из основных или кислых огнеупорных

материалов. Вокруг тигля размещается спиральный многовитковой индуктор,

изготовленный из медной трубки, в которой циркулирует охлаждающая вода.

Рис. 41. Схема индукционной электропечи для выплавки стали:

1 – металл, 2 – водоохлаждаемый индуктор, 3 – тигель из огнеупорных металлов, 4 –

желоб для выпуска стали, 5 – вихревые токи, 6 – сталеразливочный ковш.

При пропускании тока через индуктор в металле, находящемся в тигле,

индуктируются мощные вихревые токи, обеспечивающие нагрев и плавление

металла. Шихтовые материалы загружают сверху. Для выпуска готовой стали

печь наклоняют в сторону сливного желоба. Плавку проводят методом

переплава, используя отходы легированных сталей или чистый по сере и

фосфору углеродистый скрап и ферросплавы

. В конце плавления на металл

загружают флюс, необходимый для образования шлакового покрова.

В конце основной плавки проводят раскисление смесью из

порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, алюминия и других

компонентов.

В кислых печах происходит «самораскисление» металла

восстановленным кремнием; для окончательного раскисления применяют

ферросплавы и алюминий.

Преимуществами индукционных печей по сравнению с дуговыми

является возможность выплавки сталей с очень низким содержанием угле-

рода (отсутствует науглероживание от электродов), малый угар

легкоокисляющихся элементов, высокая чистота по неметаллическим

включениям. Недостатками индукционных печей являются их малая емкость

по сравнению с дуговыми электропечами, высокая стоимость

электрооборудования, низкая стойкость основных тиглей (10- 100 плавок).

Доля электростали составляет свыше 10% всей выплавки сплавов железо

– углерод в нашей стране и ее производство быстро увеличивается.

Разливка стали. Из плавильных печей готовую сталь выпускают в

ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки металла.

Существует два способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и

разливка сифоном (снизу).

При разливке сверху каждую изложницу заполняют отдельно, для чего

устанавливают отверстие стакана ковша по центру изложницы (прибыльной

надставки).

При разливке сифоном сталь из ковша поступает в центровой литник

(стояк), футерованный шамотными трубками, протекает по каналам,

составленным из шамотных кирпичей, и снизу поступает в изложницы,

установленные на чугунном поддоне. При этом одновременно отливается

несколько десятков слитков.

Непрерывный способ разливки стали –

один из наиболее прогрессивных

способов. Наиболее распространены установки непрерывной разливки стали

вертикального типа. Сталь из ковша поступает в промежуточное устройство

и далее в водоохлаждаемый кристаллизатор из медных пластин (рис. 42).

Рис. 42. Схема установки

непрерывной разливки стали:

1 – сталеразливочный ковш, 2 –

промежуточный ковш, 3 –

водоохлаждаемый кристаллизатор, 4 –

зона вторичного охлаждения, 5 – слиток, 6

– тянущие валки, 7 –

ацителенокислородный резак.

В начале разливки «дном» кристаллизатора служит затравка - стальная

штанга со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкина хвоста.

Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок

кристаллизатора движется вниз, постепенно вытягивая затвердевающий

слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов затравку

отделяют.

Окончательное затвердевание жидкой стали в сердцевине слитка

осуществляется в

результате вторичного охлаждения водой из специальных

спрейерных устройств (брызгал). По мере вытягивания слитка в

кристаллизатор заливается жидкая сталь в таком количестве, чтобы проис-

ходило образование непрерывного слитка. В нижней части установки

непрерывный слиток разрезается на заготовки мерной длины.

Разработаны и используются в промышленности эффективные

технологические процессы, позволяющие повысить качество стали на

стадии

ее разливки. В нашей стране применяют вакуумную обработку стали в

специальных герметизированных ковшах; разливку стали в инертной ат-

мосфере, например в среде аргона; обработку стали в ковше синтетическим

шлаком.

Получение стали особо высокого качества. Для получения сталей

наиболее ответственного назначения в нашей стране создан способ элек-

трошлакового переплава. Переплавляемый (рафинируемый)

металл подается

в установку электрошлакового процесса в виде расходуемого электрода и

плавится в слое шлака, нагретого до 2000°С. Проходя через слой шлака, мел-

кие капельки металла эффективно рафинируются. Под слоем шлака

накапливается жидкий металл, который постепенно заполняет весь кри-

сталлизатор – изложницу. Затвердевший слиток опускают вместе с поддоном

и устанавливают новый поддон

для следующей плавки.

Электрошлаковый переплав является существенно более простым

способом по сравнению с другими способами получения высококачествен-

ных сталей.

Плавка в вакуумных дуговых или индукционных печах – это, по

существу, переплав стали требуемого состава, выплавленной в открытых

печах. При переплаве сталь хорошо очищается от газов и неметаллических

включений, а в результате

направленной кристаллизации в водоохлаждаемом

кристаллизаторе слиток не имеет усадочной раковины и других дефектов.

При этом способе плавки разливку металла также производят в вакууме либо

в атмосфере нейтрального (защитного) газа.

При электронно-лучевом переплаве расплавление металла происходит

под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной катодной

пушкой (число таких пушек в одной установке может

достигать

шестидесяти). На облучаемой поверхности кинетическая энергия электронов

переходит в тепловую. Излучаемые электроны направляются на

проплавляемый металл (расходуемый электрод) с помощью специальных

электромагнитов; при этом в плавильном пространстве создается глубокий

вакуум. Образующийся считок вытягивается из водоохлаждаемого

кристаллизатора. Глубокий вакуум и выгодные условия кристаллизации

слитка обеспечивают получение особо чистого металла.

Электронно-

лучевую плавку применяют для получения стали строго

заданного состава и особо высокой чистоты, а также для производства

тугоплавких металлов и сплавов (например, на базе вольфрама, молибдена,

тантала и др.).

Наконец, одним из самых новейших способов получения сталей и

сплавов очень высокой чистоты является плазменно-дуговой переплав.

Источником теплоты при этом является

плазменная дуга, образующаяся

между расплавляемым металлом и катодом специального устройства –

плазмотрона: температура плазменной дуги может достигать 7000 –

12000°С. В качестве рабочего газа для образования плазмы применяют аргон

или гелий. Металл плавится и верхней части медного водоохлаждаемого кри-

сталлизатора, а образующийся слиток вытягивается вниз.

Достоинствами плазменно-дугового переплава являются высокая

температура плавки, большой коэффициент теплопередачи к расплавляемому

металлу, возможность изменения скорости плавления, простота

обслуживания установки.

§ 24. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В углеродистых сталях (нелегированных) концентрация углерода не

бывает выше 1,4%, но, несмотря на столь несущественный интервал кон-

центраций, количество марок углеродистых сталей с самым

разнообразным

комплексом механических свойств очень велико.

Как известно, стали в так называемом литом состоянии получают

постепенным охлаждением жидкого раствора Fе – С, который в процессе

кристаллизации и после ее полного завершения претерпевает серию

структурных превращений, что и определяет конечную структуру стали.

Рассмотрим свойства и строение самих компонентов и тех фаз, которые они

образуют в ходе кристаллизации и дальнейшего охлаждения слитка до

комнатной температуры.

Чистое железо - это серебристо-светлый металл, атомный номер 26,

атомный вес 55,85. Технически чистое железо обычно содержит как ми-

нимум 0,10 – 0,15% примесей различных элементов как металлических, так и

неметаллических. Температура плавления железа составляет 1539°С,

плотность – 7,85 г/см

В интервале температур от комнатной и вплоть до 911°С железо имеет

объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую решетку и

его обозначают как железо – альфа Fе

. В нормальных условиях такое

железо обладает невысокой твердостью и прочностью и хорошей

пластичностью.

Железо – это металл, обладающий полиморфизмом, т. е. при нагреве

либо охлаждении оно может подвергаться аллотропическим превращениям.

Под последними понимается способность металла перестраивать свою

кристаллическую решетку в твердом состоянии. У железа такое первое

превращение происходит вблизи 911°С; его

ОЦК решетка перестраивается в

гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку и в таком

кристаллическом состоянии железо сохраняется до температуры 1392°С (это

уже будет железо – гамма, Fе

), после чего ГЦК решетка снова

перестраивается в ОЦК – модификацию (железо – дельта, Fе

), которая

сохраняется вплоть до расплавления. Железо при нагреве (и охлаждении) при

температуре (768°С) претерпевает превращение, не связанное с перестройкой

кристаллической решетки: изменяются магнитные свойства этого элемента

(точка Кюри для железа). До температуры 768°С железо – альфа

ферромагнитно, выше этой температуры – парамагнитно.

Второй компонент рассматриваемой системы - углерод - в природе

встречается в двух

, модификациях: алмаз, имеющий кубическую

кристаллическую решетку, или графит (простая гексагональная решетка). В

сталях углерод в чистом виде не присутствует. Он легко вступает в

химическую связь с железом, образуя карбид железа Fе

С, названный

цементитом Ц.

Рассмотрим основные структурные составляющие (фазы), образующиеся

при охлаждении из расплава системы железо- углерод.

Первым при охлаждении жидкого раствора Fе – С кристаллизуется так

называемый аустенит. Сталями и называют сплавы железо – углерод,

кристаллизация которых заканчивается образованием аустенита. Аустенит –

это твердый раствор внедрения углерода в железе – гамма; обычно его

обозначают

буквой А, а формулу записывают как Fе

(С). Именно в таком

твердом растворе наблюдается при 1147°С максимальная растворимость

углерода в железе 2,14%.

Аустенит полностью парамагнитен, пластичен, имеет невысокие

значения предела прочности и твердости.

При охлаждении до 727°С растворимость углерода в аустените падает до

0,8%; аустенит как самостоятельная фаза теряет устойчивость и при

дальнейшем снижении температуры распадается на двухфазную смесь

феррит и цементит (Ф+Ц).

Процесс одновременного выпадения из твердой фазы – аустенита–

кристаллов двух различных фаз (феррита и цементита) называется

эвтектоидным превращением, а механическая смесь кристаллов этих двух

фаз, стабильная при температурах ниже 727°С, была названа перлитом (П) за

его жемчужный перелив при рассмотрении под микроскопом («перл» по-

латыни

означает «жемчуг»).

Смесь феррита и цементита (при обязательном условии их

одновременного появления) представляет окончательное структурное состоя-

ние эвтектоидной стали - перлитное. Рассмотрим структурные составляющие

перлита.

Феррит

- это твердый раствор внедрения углерода в железе – альфа (Fе

(С)). Максимальная растворимость углерода в этой фазе достигает всего

0,02% при 727°С. При комнатной температуре концентрация углерода в

феррите менее 0,006%. Твердость и другие механические свойства феррита

близки к свойствам технически чистого железа.

Цементит, как уже отмечалось ранее, - это карбид железа Fе

С,

образующийся при содержании углерода 6,67%, Цементит имеет сложную

кристаллическую (орторомбическую решетку), в элементарной ячейке

которой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода. Это очень твердая,

но хрупкая фаза. До 217°С цементит обладает слабыми ферромагнитными

свойствами. Температура плавления цементита около 1600°С. Цементит

неустойчив: при определенных условиях происходит его распад с

образованием свободного

графита, что имеет большое значение в

производстве чугунов.

Кристаллы цементита могут появляться непосредственно из

охлаждаемой жидкой фазы Fе - С, если концентрация углерода составляет не

менее 4,3%. Такой цементит называется первичным (Ц

). Точно такие по

своим физико-химическим свойствам, но отличающиеся формой 'л

размерами кристаллы цементита выделяются и из твердых фаз в системе

железо – углерод (из твердых растворов), а именно: из аустенита за счет

уменьшения растворимости в нем углерода при охлаждении от 1147 до 727°С

(вторичный цементит Ц

) и из феррита при снижении его температуры от

727°С до комнатной (третичный цементит Ц

III

В результате перечисленных выше структурных превращений

образуются смеси трех типов (в порядке возрастания концентрации углеро-

да): Ф+Ц

III

+П, собственно перлит и П+Ц

- они и составляют окончательную

структуру закристаллизовавшейся (литой) стали: доэвтектоидной, эвтектоид

ной и заэвтектоидной соответственно.

После осуществления фазового перехода в условиях очень медленного

охлаждения структурное состояние стали остается стабильным

(равновесным). В реальных же условиях скорости охлаждения могут быть

самыми различными, а это существенно влияет на протекание диффузионных

процессов, ответственных за достижение

равновесного структурного

состояния.

Процессы диффузии - это переход атомов либо вакансий из одного места

кристаллической решетки в другое, благодаря чему становится возможным

либо перестройка типа кристаллической решетки и рост кристаллов новой

фазы, либо образование новых твердых растворов и химических соединений,

либо их распад. Диффузия атомов протекает тем быстрее, чем выше темпе-

ратура, и тем полнее, чем медленнее скорость изменения температуры. Если

эти процессы искусственно затормозить, например, достаточно быстрым

охлаждением такой фазы, как аустенит, то последний может «перескочить»

через допустимую температурную границу своего равновесного состояния

(Т= 727°С, ее обозначают как А

- температура эвтектоидного превращения).

В этом случае аустенит попадает в температурную область неустойчивости; в

этой области от температуры Ампературы М

(рис. 43) он так и называется -

неустойчивой, или переохлажденный, аустенит А

. Процесс распада в таких

условиях переохлаждения будет протекать своеобразно и зависеть во

времени т как от скорости охлаждение так и от конкретной температуры

превращения переохлажденного аустенита в ферритоцементитную смесь.

Ведущей по времени фазой при образовании ферритоцементитной смеси

является цементит. Чем ниже температура распада аустенита, тем мельче

образующиеся кристаллики цементита (они

просто не успевают вырасти).

Вблизи линии Ми эти кристаллики имеют форму очень мелких иголок, в

области 400-500°С размер кристаллов цементита увеличивается, но форма

его остается игольчатой. Такие структуры получили название бейнита (Б)

(самый мелко-игольчатый цементит) и троостита (Т).

В верхней части диаграммы (при температурах выше 550°С) форма

кристаллов цементита

изменяется: они успевают вырасти до пластинок.

Мелкопластинчатая структура ферритоцементитной смеси получила

название сорбита (С).

Наконец, если охлаждение стали вести со скоростями, превышающими

некоторую критическую скорость v

кр,

диффузия вообще не успевает пройти,

и аустенит превращается в низкотемпературную фазу бездиффузионно.

Такой процесс перехода назван мартенситным превращением, а получаемая

структура является мартенситом. Процесс превращения аустенита в

мартенсит при быстром охлаждении называется закалкой (v

зак

кр

Рис. 43. Диаграмма изотермическое превращения аустенита для эвтектоидной стали

(0,8% С): А – устойчивый аустенит; А

– переохлажденный (неустойчивый) аустенит; Ф –

феррит; Ц – цементит; М – мартенсит; А

ост

– остаточный (не превратившийся) аустенит; П

– перлит; С – сорбит; Т – троостит; Б – бейнит; А – температура эвтектоидного

превращения; М

и М

– температура начала и конца мартенситного превращения; v

, v

кр

, v

зак

– векторы скоростей охлаждения; τ – продолжительность процесса.

Структурные изменения в стали при закалке весьма своеобразны. ГЦК-

решетка аустенита превращается в искаженную кубическую, ячей ка которой

имеет форму прямоугольного параллелепипеда с размерами а×а×с, причем

отношение сторон с/а>1. Такая кристаллическая решетка называется

тетрагональной, а отношение с/а определяет степень тетрагональности.

Кристаллы мартенсита, имеющие форму иголок, растут

внутри

аустенитных зерен очень быстро практически мгновенно. Их рост прекра-

щается, когда кристалл либо вырастет от границы аустенитного зерна до

противоположной границы. либо в момент потери упругой связи между

тетрагональной решеткой мартенсита и кубической решеткой аустенита. На

это уходит не более 10

-7

с.

Другой особенностью мартенситного превращения является то, что оно

требует непрерывного охлаждения стали: начавшись при температуре М

(М

- это температура начала мартенситного превращения, рис. 43), оно

завершается при условии, что сталь будет подвергнута далее непрерывному

охлаждению до температуры М

или ниже (М

- температура конца

мартенсит-ного превращения). Как правило, некоторая часть аустенитного

зерна не успевает превратиться в мартенсит и остается в промежутках между

мартенситными кристаллами, испытывая довольно значительные

напряжения сжатия. Такой аустенит называется остаточным (А

ост

Растворенный в аустените углерод при мгновенной перестройке

кубической решетки в тетрагональную не успевает выйти из нее и, следова-

тельно, не образовывает кристалликов цементита. Атомы углерода остаются

в искаженной тетрагональной решетке железа-альфа, а их концентрация

существенно превышает равновесную для комнатной температуры. Такой

твердый раствор называется пересыщенным.

Итак, мартенсит, полученный в

результате закалки сталей из

аустенитного состояния, представляет собой пересыщенный твердый раствор

внедрения углерода в железо, имеющее тетрагональную кристаллическую

решетку.

В мартенситном состоянии сталь очень твердая, но хрупкая. Это связано

с тем, что удельный объем мартенсита больше, чем у аустенита, а это

вызывает большие внутренние напряжения в ходе превращения. Этому же

способствует

наличие «лишних» атомов углерода.

Мартенситное состояние стали непосредственно после закалки

(мартенсит закалка-состояние неустойчивое, обладающее излишней

внутренней энергией. Такое состояние называется метастабильным: при

нагреве сталь будет стремиться перейти в более устойчивое (равновесное)

состояние в результате структурных превращений, приводящих к снижению

внутренней энергии системы.

Операции нагрева закаленной стали, проводимые для снижения

внутренних напряжений и восстановления пластичности (ударной вязкости),

получили название отпуска.

Удельные объемы стали в различном структурном состоянии

неодинаковы. Наибольший удельный объем у мартенсита, наименьший - у

аустенита. Любые структурные превращения, происходящие в мартенсите

закалки при нагреве, будут снижать удельный объем стали.

Нагрев до 80°С не приводит к каким-либо структурным превращениям.

Нагрев в интервале от 80 до 150–200°С восстанавливает искаженную

кристаллическую решетку и превращает ее в правильную кубическую (с/а =

1). Мартенсит с такой решеткой называется мартенситом отпуска; искажения

в решетке при этом уменьшаются, что приводит к снижению внутренних

напряжений. Этому же способствует то, что «лишние» атомы углерода

собираются вместе, образуя так называемые

эпсилонкарбиды очень мелких

размеров. Кристаллическая решетка таких карбидов упруго связана с решет-

кой мартенсита, а из-за сравнительно низких температур нагрева они

неспособны расти.

Итак, мартенсит отпуска представляет собой твердый раствор углерода в

α – железе с ОЦК– решеткой, причем этот твердый раствор имеет не-

однородную концентрацию, поскольку часть атомов углерода ушла

на

образование ε–карбидов.

Именно эти напряжения (сжимающие) препятствовали ранее (при