Колпаков C. Металловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Легированные стали, содержащие 0,3- 0,5% С, относятся к

улучшаемым сталям. Напомним, что «улучшение» – это специальная терми-

ческая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого (600–

650°С) отпуска. Такая обработка обеспечивает высокий уровень ударной

вязкости, поэтому детали из улучшаемых сталей могут выдерживать

внезапные перегрузки. превышающие расчетные, работать в условиях

ударного нагружения, знакопеременных нагрузок и

т.п.

Для конкретного назначения таких сталей очень важной

характеристикой является прокаливаемость (глубина проникновения внутрь

детали закаленного мартенситного слоя). Величина прокаливаемости должна

быть такой, чтобы обеспечить сквозную закалку детали по всему сечению.

Для деталей толщиной до 30-40 мм используют стали, легированные

одним элементом (40Х, 40Г). Легирование двумя и более элементами

увеличивает прокаливаемость

до 60 мм (сталь 40ХН) и даже свыше 100 мм

(сталь 40ХНМ). Чтобы сэкономить дефицитный никель, применяют

комплексное легирование улучшаемых сталей более дешевыми элементами

марганцем, кремнием, хромом.

§ 27. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Железоуглеродистые сплавы, называемые чугунами, содержат более 2%

углерода. Кроме углерода в чугунах всегда присутствуют кремний (до 4%),

марганец (до 2%), также фосфор и сера (

в повышенном по сравнению со

сталью количестве). Чугун является основным исходным материалом для

получения стали, на это расход дуется примерно 80-85% производимого в

стране чугуна. Вместе с тем чугун – наиболее распространенный в

промышленности литейный сплав.

Исходным материалом для выплавки чугуна служат железные руды.

Рудный материал представляет собой различные окислы железа. Железные

руды

содержат и пустую породу, состоящую из кварца и песчаников с

примесью глин. Железные руды относительно богаты. Наиболее богатые

руды содержат 60% железа и больше, наиболее бедные (но используемые в

металлургической промышленности) – 30-40%.

Для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы и золы

(продукт сгорания топлива) использую доменные флюсы, которые выбирают

в зависимости

от вида пустой породы. В качественных рудах пустая порода,

как правило, содержит избыток SiO

, т. е. является кислой. Поэтому в

качестве флюса используют сильноосновные материалы, главным образом

известняк СаСО

, содержащий после обжига 50-55% СаО.

Вводимый в доменную печь флюс сплавляется с пустой породой руды и

золой, образуя легкоплавкий сплав–доменный шлак, который удаляется

затем из печи через специальную шлаковую летку. Избыток извести в

доменном шлаке способствует также удалению из чугуна серы.

Основные требования к доменному топливу – высокая теплотворность,

малое содержание

золы, отсутствие вредных примесей, прежде всего, серы.

Топливо в доменных печах служит не только источником теплоты, но и

реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образование

чугуна (за счет науглерожирания железа). Главным видом топлива в

доменных печах является кокс; он содержит 10–13% золы и не более 2%

серы.

Однако кокс – дорогое и дефицитное топливо. На заводах СССР

впервые в мировой

практике применена технология доменной плавки с

применением природного газа. Вдувание 60 – 100 м

природного газа на 1 т

выплавляемого чугуна снижает расход кокса на 10–15%, повышает

восстановительную способность доменных газов, обеспечивает более

высокую производительность доменной печи. Наиболее эффективным

является использование природного газа в сочетании с

высокотемпературным дутьем, обогащенным кислородом.

Подготовка руды к плавке заключается в ее дроблении до нужного

размера (10–80 мм), сортировка по классам крупности

на специальных

механических грохотах и обогащении руды. Для плавки обогащают около

80% всей руды, доводя содержание железа в концентраторах до 60 – 65%.

Основным способом обогащения железной руды является магнитный.

Тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные

частицы руды отделяются от пустой породы (сухая магнитная сепарация).

При мокрой сепарации руда при воздействии на

нее магнитного поля

одновременно промывается водой.

Получаемые в результате обогащения тонкоизмельченные концентраты

могут уноситься из доменной печи восходящим потоком горячих газов. Это

нарушает ход выплавления чугуна и снижает производительность домны.

Поэтому необходимо железнорудное сырье подвергать окускованию –

агломерации или скатыванию.

Агломерация – это процесс окускования мелкой руды спеканием. Руду

предварительно подвергают увлажнению и

окомкованию до размера

комочков не менее 5 мм. В газовой печи при температуре 1300–1500°С

происходит спекание шихты (смеси рудной пыли, концентрата, ме-

таллической стружки и т.п.) в пористый продукт - агломерат.

При агломерации происходит восстановление окислов железа и, что

особенно важно, на 85– 95% из руды удаляется наиболее вредная примесь –

сера. Куски агломерата

размером более 10 мм направляются в доменный цех.

Более мелкий агломерат возвращается на переработку.

Другим эффективным способом окусковывания тонкоизмельченных

концентратов является окатывание (производство окатышей). Для лучшего

скатывания-гранулирования – шихту увлажняют и в ее состав добавляют

некоторое количество связующего, например бентонитовой глины. Сырые

окатыши диаметром 20–30 мм получают во вращающихся барабанах,

конусных или

тарельчатых грануляторах. Затем окатыши сушат при 200–

400°С, после чего обжигают при 1300–1400°С, в результате чего они

приобретают высокую прочность и не разрушаются при загрузке в доменную

печь. Применение окатышей – прогрессивное направление в подготовке

доменной шихты.

Устройство доменной печи. Доменная печь вертикальная печь

шахтного типа. Высота ее (до 35 м) в 2,5–3 раза превышает диаметр наиболее

утолщенной части (рис. 46). Стенки печи выкладывают из огнеупорных

материалов (шамота). Нижнюю часть горна и его основание (лещадь)

выполняют из особо огнеупорных материалов – углеродистых

(графитизированных) блоков. Кроме того, предусмотрены циркуляционные

устройства

для охлаждения стенок печи (на 3/4 высоты) водой. Кладка печи

снаружи заключена в стальной кожух, стенки которого имеют толщину до 40

мм.

С увеличением полезного объема доменных печей повышается их

экономичность. Современные крупные доменные печи имеют объем до 5000

Воздух для горения топлива вдувается через 14–36 фурм в верхнюю

часть горна печи (для выплавки 1 т чугуна требуется до 3000 м

воздуха).

Значительный эффект дало применение высокотемпературного (1200–

1300°С) дутья, обогащенного кислородом.

Доменная печь работает непрерывно в течение 5–10 лет. По мере

необходимое т в нее загружают отдельными порциями шихтовые материалы,

периодически выпускают готовый чугун и шлак, непрерывно удаляют

доменные газы. Доменная печь работает по принципу противотока.

Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др

. загружают сверху с помощью

засыпного аппарата. Для выплавки 1 т чугуна расходуется в среднем 1,8 т

офлюсованного агломерата, 550 кг кокса. Навстречу опускающимся материа-

лам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании

топлива.

Процесс восстановления железа происходит последовательно от высших

окислов к низшим и далее к чистому металлу (принцип А. А.

Байкова):

Fе

→Fе

О→ FеО→Fе.

Главными восстановителями железа в доменной печи являются

образующиеся в результате взаимодействия углекислого газа с углеродом

кокса окись углерода СО и твердый углерод кокса.

Косвенное восстановление Fe

начинается при температурах 400-

500°С в верхней части печи. По мере опускания рудных материалов повы-

шаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются

условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы

заканчиваются в нижней части печи при температурах 900–950°С.

Рис. 46. Профиль рабочего пространства доменной печи.

1- чугунная летка, 2 – горн, 3 – заплечики, 4 – распер, 5 – шахта, 6 – колошник, 7 –

засыпной аппарат, 8 – горизонт образования чугуна, 9 – горизонт образования шлака, 10 –

зона горения кокса, 11 – слой шлака, 12 - шлаковая летка, 13 – расплавленный чугун.

Одновременно в шахте печи проходит также косвенное восстановление

окислов железа водородом. Прямое восстановление твердым углеродом

кокса происходит .при температурах 950– 1000°С и выше (зона распара печи,

см. на рис. 46). Процесс восстановления железа заканчивается при 1300–

1400°С; получаемое железо находится в твердом состоянии в виде пористой

(губчатой) массы. Такое железо подвергается затем

науглероживанию и в

нижней части шахты начинается плавление сплава (чугуна). Жидкий чугун,

стекая вниз, омывает 'куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно

науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец,

кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавлдвается в

горне.

Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Химический

состав шлака определяет состав чугуна

, поэтому важнейшая характеристика

шлака – его основность (отношение содержания основных окислов к

содержанию кислотных окислов) – строго контролируется. С увеличением

основности шлака улучшаются удаление серы и восстановление марганца;

для восстановления же кремния основность шлака должна быть уменьшена.

Доменный шлак по мере его накопления выпускают в расплавленном

состоянии через шлаковые летки в ковши –

шлаковозы емкостью около 30 т,

транспортируемые по железнодорожным путям.

Расплавленный чугун выпускают через одну – две чугунные летки по 10

– 18 раз в сутки. В ковшах – чугуновозах емкостью 80 – 100 т его по же-

лезнодорожным путям подают либо в сталеплавильный цех для передела в

сталь, либо на специальную разливочную машину для получения чугунных

отливок.

Таким образом, в доменных печах выплавляют передельные (ГОСТ 805–

69) и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.

§ 28. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ

Как уже указывалось ранее, чугуны – это сплавы системы Fе – С

содержащие более 2,14% углерода и кристаллизация которых заканчивается

образованием так называемого ледебурита.

Ледебурит - это продукт «распада» (эвтектического превращения)

жидкого раствора ; Fе (С) с концентрацией углерода 4,3%. Такое ;

превращение, связанное с одновременным выпадением кристаллов аустенита

и цементита, происходит при сравнительно невысокой постоянной

температуре (1147°С), это -наинизшая из всех возможных температура

кристаллизации; поэтому сплав

Fе+4,3% С называется эвтектическим, а

закристаллизовавшаяся структура - ледебурит - является эвтектикой

(наиболее легкоплавкая структура). Формулу ледебурита можно записать как

Л (А+Ц).

При охлаждении чугунов ниже 727°С (температура эвтектоидного

распада аустенита на смесь Ф+Ц, т. е. температура образования перлита П)

ледебурит приобретает формулу Л

пр

(П+Ц); такую структуру называют

ледебурит превращенный.

По структуре чугуны подразделяются на до-эвтектические (С<4,3%,

структура П +Л

пр

+Ц

), эвтектические (С= 4,3%, структура Л

пр

) и

заэвтектические (С>4,3%, структура Л

пр

+Ц

). Можно видеть, что во всех

случаях в чугунах присутствует сравнительно легкоплавкая эвтектика.

Поэтому чугуны относятся к литейным сплавам. Они обладают хорошими

литейными свойствами: большой жидкотекучестью (способностью расплава

свободно течь в литейной форме, полностью заполняя ее и точно

воспроизводя все контуры) и малой усадкой - уменьшение объема металла

при охлаждении и кристаллизации

невелико, что позволяет получать

качественные отливки сложной формы.

Рассмотренные выше структурные превращения при кристаллизации

чугуна относятся к сплавам Fе - С, у которых углерод находится в связанном

состоянии - в виде цементита Fе

С. Обязательное присутствие в структуре

сплава цементита придает поверхности излома таких чугунов характерный

серебристо-белый цвет, поэтому эти чугуны называются белыми. Из-за нали-

чия в структуре цементита они очень хрупки и не могут быть использованы в

качестве конструкционного материала. Их применяют либо для

последующего производства стали, либо для получения так

называемого

ковкого чугуна.

Углерод в процессе кристаллизации чугуна может выделяться в

связанном (в виде карбида железа) состоянии и в свободном состоянии - в

виде графита (Г). Графит - это аллотропическая модификация чистого

углерода (другой модификацией является алмаз). Кристаллическая решетка

графита - гексагональная, слоистая, что делает его малопрочным и мягким

(твердость его НВ не превышает 3 единиц). В отличие от метастабильного

цементита графит химически и термически стоек; плотность его составляет

2,5 г/см

. Темный цвет включения графита придает изломам таких чугунов

характерный серый оттенок (серые чугуны). Процесс образования в чугуне

включения графита называется графитизацией. Какой вид чугуна будет по-

лучен при кристаллизации расплава - белый (с цементитом) или

графитизированный (с графитом) - определяется скоростью охлаждения.

На условия графитизации кроме скорости охлаждения существенно

влияет также химический

состав чугуна. В промышленном чугуне кроме

углерода (2,5-4% не более) обязательно содержатся кремний, марганец, сера

и фосфор.

Кремний, как и углерод, способствует графитизации, Содержание

кремния в чугунах колеблется в широких пределах - от 0,3-0,5% до 3-5%.

Изменяя содержание кремния и углерода, можно получить разнообразные по

свойствам и структуре чугуны.

Марганец в отличие от кремния препятствует

графитизации,

способствуя отбеливанию чугуна (образованию цементита). Сера также

способствует отбеливанию и ухудшает литейные свойства. Фосфор не влияет

на графитизацию, но существенно повышает жидкотекучесть расплавленного

чугуна, т. е. его литейные свойства.

При весьма малой скорости охлаждения расплава образуется графитная

эвтектика: из жидкости при температуре 1153°С одновременно выпадают

кристаллы аустенита и графита (1

стадия графитизации). На этой стадии

графитизации образуется определенная форма включения графита

(пластинчатая либо шаровидная).

В районе эвтектоидного превращения (738°С) протекает II стадия

графитизации: аустенит становится неустойчивым и распадается на смесь

кристаллов феррита и графита. Однако если скорость охлаждения при этом

достаточно высока, то кристаллизация графита не успевает пройти, и

аустенит распадается

на обычную ферритоцементитную смесь (перлит).

Таким образом, изменяя химический состав чугуна и регулируя скорость

охлаждения на II стадии графитизации, можно получить различную

металлическую основу чугуна - ферритную, ферритоперлитную и перлитную

(рис. 47). В последнем случае в графитизированном чугуне часть углерода

(0,8%) будет в связанном (в виде цементита) виде, входящем в состав

перлита. Классификация графитизированных

чугунов весьма проста: вид

чугуна определяется формой включений графита.

Если графит имеет пластинчатую форму, то чугун называется серым. В

высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную форму, а в ковком -

хлопьевидную.

Рис. 47. Влияние металлической основы (матрицы) и формы включений графита на свойства чугуна.

Серый чугун. Серый чугун получается непосредственно в процессе

кристаллизации с замедленным охлаждением; графит при этом имеет

пластинчатую форму.

В зависимости от степени графитизации может быть получена различная

структура металлической основы (матрицы) серого чугуна: серый перлитный

чугун со структурой П+Г (см. рис. 47); серый ферритоперлитный чугун со

структурой Ф+П+Г

; серый ферритный чугун со структурой Ф+Г.

Механические свойства серого чугуна как конструкционного материала

зависят как от свойств металлической основы (матрицы), так и от количества,

геометрических параметров и характера распределения включений графита.

Чем меньше этих включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна.

Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает

наибольшую прочность

и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Наименьшей

прочностью обладает серый чугун с ферритной основой. Относительное

удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств

металлической основы практически равно нулю (δ≤0,5%).

Наиболее высокими механическими свойствами обладают

модифицированные ферросилицием и силикокальцием серые чугуны.

Модифицирование - добавка в расплав нерасплавляющихся измельченных

частиц - обеспечивает

измельчение графитовых включений.

Маркируется серый чугун буквами СЧ (серый чугун). После букв СЧ

следует число, показывающее предел прочности чугуна при растяжении.

Например, СЧ10, СЧ20,…, СЧ45.

Применяются ферритные и ферритоперлитные серые чугуны для

малонагруженных деталей сельскохозяйственных машин, автомобилей,

тракторов. Чугуны с перлитной основой, обладающие очень высокой

способностью гасить механические колебания (высокая

демпфирующая

способность), применяют для отливок станин станков и механизмов, а также

для изготовления дизельных цилиндров, деталей блока двигателей

внутреннего сгорания (поршневые кольца, штоки и т. п.).

Высокопрочный чугун. Высокопрочными называют чугуны, в которых

включения графита имеют шаровидную (сферическую) форму. Кри-

сталлизация графита, как и в случае -серого чугуна, начинается из жидкой

фазы. Чтобы получить не пластинчатую, а шаровидную форму графита,

жидкий чугун подвергают специальному модифицированию либо магнием

(0,3-0,7%), либо церием (до 0,5%). Под действием модификаторов графит в

процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму.

Механическая основа (матрица) высокопрочных чугунов также может

быть перлитной (П+Г), ферритоперлитной (Ф+П+Г) либоферритпий (Ф+Г);

шаровидные включения графита значительно меньше ослабляют

металлическую основу, чем пластинчатые (вокруг сферических включений

концентрация внутренних напряжений несравненно ниже), поэтому чугуны с

шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и

пластичностью но сравнению с серым чугуном.

Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ, затем следуют два

числа: первое - предел прочности при растяжении σ

, второе - относительное

удлинение при разрыве δ, %. Например, ВЧ 60-2.

Высокопрочные чугуны широко применяются в качестве деталей

ответственного назначения в машиностроении, авто- и тракторостроении

(зубчатые и червячные колеса, коленчатые валы, муфты и т. п.).

Ковкий чугун. Графитизация происходит не при кристаллизации из

расплава, а длительным нагревом и высокотемпературной выдержкой белого

доэвтектического

чугуна (без его расплавления).

Включения графита должны иметь хлопьевидную форму.

Продолжительная термическая обработка называется графитизирующим

отжигом или томлением. Температура графитизирующего отжига составляет

95 - 1000°С при выдержке до 40 ч.

Регулируя скорость охлаждения и длительность выдержки в

температурной области эвтектоидного превращения, можно получить ковкий

чугун с различной металлической основой: перлитной (П+Г),

ферритоперлитной

(Ф+П+.Г), ферритной (Ф+Г) (рис. 48). Наибольшей проч-

ностью (σ

до 630 Н/м

) обладает перлитный ковкий чугун, наибольшей

пластичностью (δ до 10%) - ферритный.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ, затем следует два числа: первое

- предел прочности при растяжении, σ

, второе - относительное удлинение δ

(%). Например, КЧ 35-10 (ферритный чугун), КЧ63-3 (перлитный).

Ковкие чугуны нашли широкое применение в 46 сельскохозяйственном

машиностроении, автомобильном и текстильном машиностроении.

Рис. 48. Технологическая схема отжига ковкого чугуна.

I – стадия графитизация по реакции Л (А+Ц) А+Г; II – стадия графитизация по

реакции П (Ф+Ц) = Ф+Г; 1 – убыстренное охлаждение; в результате структура матрицы

чцгуна представляет либо перлит (перлитный ковкий чугун), либо перлит + феррит

(перлитно – ферритный ковкий чугун), 2 – замедленное охлаждение (ковкий чугун с

ферритной сатрицей).

Легированные чугуны. Чугуны специального назначения (для работы

в агрессивных средах, в том числе при высоких температурах) подвергают

специальному легированию хромом, кремнием, никелем. Такие чугуны

называют коррозионно-стойкими (ГОСТ 2176-67 и 2233-70). Легированные

чугуны дешевле нержавеющих. сталей, обладают хорошими литейными

свойствами, поэтому изделия из них получают экономичными способами

литья.

Хромистые чугуны содержат 26-36% хрома

,. имеют высокую твердость,

хорошо сопротивляются износу, но плохо обрабатываются резанием.;

Хромистые чугуны стойки в окислительных средах - в азотной кислоте

любой концентрации при 20°С и в 40%-ной кипящей: в концентрированной

серной кислоте и других средах. Окалинестойкость (жаростойкость) таких

чугунов сохраняется до 1000-1100°С. Из хромистых чугунов изготовляют

детали и аппаратуру для азотной

промышленности, производства

искусственных удобрений и т. и. Высокая жаростойкость таких чугунов поз-

воляет изготовлять из них детали печного оборудования (колосники, гребни

и лопасти в печах для обжига и т. и.).

Кремнистые чугуны относятся к кислотостойким и жаростойким

сплавам. Содержание кремния ограничивается 18%, та как при более

высокой концентрации кремнистые чугуны становятся очень

хрупкими.

При резкой смене температур возможно их растрескивание.

В окислительных средах на, поверхности изделий из кремнистых

чугунов образуется очень прочная защитная пленка двуоксида кремния SiO

Такая пленка способна восстанавливаться даже при механических

повреждениях.

Чтобы повысить кислотостойкость кремнистых чугунов, в них

добавляют 3,5-4,5% молибдена. Получаемый сплав («антихлор») способен!

длительно работать даже в 10-30%-ных растворах соляной кислоты при

температурах до 90°С,

Изделия из кремнистых чугунов изготовляются из-за их высокой

твердости только литьем, безпоследующей механической обработки. В

некоторых случаях допускается только шлифование высокотвердыми

абразивами (алмазными кругами частицами

эльбора и т. и.). Из кремнистых

чугунов изготовляют центробежные насосы для перекачки агрессивных сред,

детали распылителей кислот, краны, котлы, чаны для транспортировки и

хранения сильноокисляющих сред.

Никелевые чугуны содержат до 1% никеля. Чем больше никеля, тем

выше коррозионная стойкость чугунов. Никелевые чугуны стойки в

расплавах солей и в концентрированных растворах щелочей.

Состав

никелевых чугунов специального назначения может быть достаточно слож-

ным. Так, никель кремнистый аустенитный чугун содержит кроме 16-20% Нi

до 3% Сr и 5-7% Si; никельмедистый чугун включает в себя 5-12% Ni, 3-4%

Сr, 5-8% Сu, 1-1,5% Si.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие руды служат исходным материалом для выплавки чугуна?

2. Как производят подготовку железной руды к плавке?

3. Каким образом выплавляют

чугун в доменной печи?

4. Какие чугуны выплавляют в доменной печи?

5. Какие основные способы выплавки стали применяются в настоящее

время?

6. Для чего применяют кислородное дутье при выплавке стали?

7. Какие печи применяют для выплавки стали?

8. Какие способы разливки стали применяют в настоящее время?

9. Как получают стали особо высокого качества?

10. Как классифицируют углеродистые стали по способу производства,

по степени раскисления?

II. Как классифицируют углеродистые стали по назначению и

гарантируемым характеристикам?

12. Где применяются различные марки углеродистых сталей?

13. Как классифицируют легированные стали по назначению и в

зависимости от легирующих элементов?

14. Как классифицируют легированные стали в зависимости от общего

содержания легирующих элементов

и по качеству?

15. Как классифицируют легированные стали по структуре в

отожженном состоянии по структуре после их охлаждения на воздухе?