Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Производство ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
просмотров - 354

Стали

Чугуны

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

К черным металлам и сплавам относят ферросплавы, т. е. спла­вы на основе желœеза;

Желœезо (технически чистое) - металл серебристо-белого цве­та͵ содержит 99,8-99,9% чистого желœеза и 0,1-0,2% примесей. Плотность желœеза - 7860 кг/м3, температура плавления - 1539 °С, при комнатной температуре предел прочности при растяжении -25 кгс/мм2, твердость НВ 80. В твердом состоянии желœезо может находиться в а- и у-модификациях. Со многими элементами желœезо способно образовывать твердые растворы: с металлами - твердые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - твердые растворы внедрения.

Основное промышленное значение имеют стали и чугуны, которые являются сплавами желœеза с углеродом с различным со­держанием последнего.

Чугуны - сплав желœеза с углеродом с содержанием углерода от 2,14% до 6%.

Чугуны выплавляют в доменных печах. Οʜᴎ подразделяются на передельные и литейные. Первые предназначены для передела в сталь. Вторые (литейные) применяют для изготовления различ­ных изделий.

В производстве черных металлов и сплавов есть такое понятие, как передел:

- первый передел: из руды выплавляют чугун;

- второй передел: из чугуна выплавляют сталь;

- третий передел: из стали получают прокат (листы, проволоку, сортовые профили: уголок, тавр, двутавр, швеллер, трубы);

- четвертый передел: из проката получают готовое изделие. В этой схеме отдельные этапы бывают исключены. Литейные чугуны подразделяются на белые и серые. Дело

в том, что при охлаждении чугуна после выплавки большое зна­чение имеет скорость охлаждения. При медленном охлаждении получается серый чугун, при быстром охлаждении - белый. Пе­редельные чугуны - белые.

В белом чугуне практически весь углерод находится в форме химического соединœения с желœезом - цементита (карбида же­леза). Свежий излом имеет светло-серый цвет и характерный металлический блеск. Белый чугун обладает повышенной твер­достью (в 10 раз тверже желœеза), но он очень хрупок, не подда­ется обработке режущим инструментом, что является большим недостатком.

В сером чугуне практически весь углерод находится в форме графитовых включений. Серые чугуны с содержанием углерода до 3,8% можно обрабатывать режущими инструментами. Серый чугун обладает хорошей жидкотекучестью (способностью прони­кать в малые пространства, не остывая). Он обладает малой усад­кой при затвердевании; относительно дешев.

Кроме желœеза и углерода в чугуне есть и другие элементы (или примеси). Основные: фосфор, сера, марганец, кремний. Примеси бывают как полезными (т. е. улучшать потребительские и тех­нологические свойства), так и вредными.

Фосфор в чугунах является полезной примесью. Его содержа­ние колеблется от 0,3 до 0,8%. Он увеличивает жидкотекучесть серого чугуна, повышает твердость и износостойкость.

Сера. В чугунах допускается не более 0,1% серы. Сера явля­ется очень вредной примесью, т. к. она ухудшает жидкотекучесть материала, повышает его хрупкость и отбеливает чугуны.

Марганец. Содержание марганца в чугунах обычно 0,4-1,3%. Он повышает твердость материала, но в больших количествах так­же отбеливает чугуны.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

Кремний. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%., Он способствует графитизации чугуна, соответственно при получении белого чугуна кремния должно быть не более 0,5%.

Чугуны обрабатываются только в горячем состоянии, в связи с этим товары широкого потребления из чугуна изготавливают, как пра­вило, методом литья.

Серые чугуны в зависимости от их механических свойств вы­пускают И марок: СЧОО, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Буквы обозначают "серый чугун", две первые цифры - разрушающее напряжение при растяжении, две вторые - предел прочности при изгибе (в кгс/мм2). Для чугуна СЧОО механические свойства не определяются. Серые чугуны применяются для изготовления ме­тодом литья деталей и изделий, испытывающих небольшие меха­нические нагрузки. Это - чугунная посуда, корпуса мясорубок, корпуса замков, художественное литье (к примеру, каслинское).

С целью снижения хрупкости и соответственно повышения прочности и пластичности чугуны модифицируют, т. е. при выплавке вводят в расплав специальные добавки (магний, алюминий). Такие чугуны называют высокопрочными или модифицированными.

Высокопрочные (модифицированные) чугуны выпускают де­вяти марок: ВЧ38-17, ВЧ45-5 и т. д. Буквы обозначают "высокоп­рочный чугун", две первые цифры - разрушающее напряжение, в кгс/мм2, две вторые - относительное удлинœение, в процентах. Высокопрочные чугуны применяют в основном в машиностро­ении для изготовления деталей, подвергающихся механическим нагрузкам: коленчатых валов, зубчатых колес, станин, молотов, прессов, прокатных валиков, корпусов насосов паровых турбин, отдельных деталей станков и автомобилей.

Ковкий чугун получается при специальной обработке белого чугуна. В случае если белый чугун подвергнуть длительному отжигу при температурах порядка 1000 °С, то цементит распадается на феррит (твердый раствор углерода в а-желœезе), перлит (механическая смесь феррита и цементита) и графит. При этом графитовые включения имеют небольшие размеры (меньше, чем у обычного серого чугуна) и хлопьевидную форму. Ковкие чугуны также изготавливаются де­вяти марок; КЧ12, КЧ35-10, КЧ38-8 и т. д. Буквы означают "ковкий

чугун", а цифры то же, что и у высокопрочного чугуна. Применяют для изготовления деталей, эксплуатируемых при значительных ста­тических и динамических нагрузках: крюки подъемников, вентили и крестовины для водопровода, гаечные ключи, гайки и др.

Сегодня чугун всœе чаще заменяется другими мате­риалами, тем не менее некоторые виды посуды (утятницы, казаны, сковороды для тушения) пользуются спросом. Чугунная посуда толстостенная (литье), она равномерно прогревается и пища не пригорает. При этом для предотвращения коррозии, чугунная посуда должна "работать" постоянно.

Сталь - сплав желœеза с углеродом, с содержанием последнего менее 2,14%, По содержанию углерода различают стали низкоуг­леродистые (менее 0,25%), среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,6%) и высокоуглеродистые (0,6-2,14%). От процентного содержания углерода в стали зависит такое важнейшее свойство, как прочность и пластичность. При содержании углерода более 1,4% прочность стали начинает резко уменьшаться, в связи с этим в практике редко ис­пользуют стали с содержанием углерода более 1,4%.

По сравнению с чугуном сталь имеет более высокие физико-механические свойства, она характеризуется большей прочностью и пластичностью, ее можно ковать, прокатывать, обрабатывать ре-заньем, она обладает достаточной жидкотекучестью для получения изделий и деталей методом литья. Стали имеют достаточную упру­гость, гибкость, твердость, легкость, хорошие магнитные свойства, относительно высокую коррозионную устойчивость.

Так же как в чугуне, в стали, кроме желœеза и углерода, при­сутствуют примеси. Основные: фосфор, сера, марганец, кремний, кислород. Примеси бывают как полезными, так и вредными.

Фосфор в сталях (в отличие от чугунов) является вредной при­месью. Фосфор резко снижает пластичность стали. Содержание фосфора не должно превышать 0,05%.

Сера признается очень вредной примесью, ее содержание в ста­лях не должно превышать 0,05%. Пз-за высокого содержания серы

Глава 8

Металлохозяйственные товары

стали приобретают "красноломкость", т. е. снижается их способ­ность обрабатываться металлорежущим инструментом.

Марганец в сталях является полезной примесью. Содержание марганца обычно 0,4-0,8%. Марганец повышает твердость и проч­ность стали, устраняет вредное воздействие серы, т. е. снижает хрупкость и красноломкость. "Марганцевая сталь" (т. е. сталь с вы­соким содержанием марганца), не теряет своих свойств даже при эксплуатации в условиях повышенных температур. Такая сталь используется, к примеру, для деталей двигателœей внутреннего сгорания, для лопастей турбин, для лабораторного оборудования, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ должно работать при повышенных температурах и т. п.

Кремний. Содержание кремния в сталях колеблется от 0,1 до 0,5%. Кремний улучшает механические свойства стали: прочность и твердость.

Кислород. Содержание кислорода в стали не должно превышать 0,05%. Он является вредной примесью - чем меньше в стали кисло­рода, тем она прочнее. При этом кислород очень тяжело удаляется.

С целью удаления кислорода проводят специальную техноло­гическую операцию, которая принято называть раскислением. В зависи­мости от условий раскисления сталь разделяют на "кипящую" КС, "полуспокойную" ПС и "спокойную" СС. Больше всœего кислорода содержит КС. СС - наиболее качественная и дорогая сталь.

Кипящая сталь (КС), как правило, прокатывается. Пузырьки кислорода удаляются при прокатке (как из теста для пельменей). КС дает наибольший выход металла.

Сталь выплавляется при втором переделœе из чугуна тремя спо­собами: в конвертерах, в мартеновских и электрических печах. Методы получения: бессемеровский, томасовский, кислородно-конвертерный.

Стали подразделяют на углеродистые (обычные) и легирован­ные (имеющие специальные добавки, которые придают сплаву заданные свойства).

Углеродистые стали по содержанию углерода делят:

- на низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,25%);

- среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,65%);

- высокоуглеродистые (от 0,65 до 1,4%).

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные (обычного качества и качественные) и инструментальные (качест­венные и высококачественные).

Конструкционные стали (к примеру, для изготовления труб, деталей мебели) относят к низко- и среднеуглеродистым (содержа­ние углерода до 0,65%). Конструкционные стали обыкновенного качества по назначению делят на три группы: А, Б, В, каждая из которых содержит определœенные марки.

1. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­ чества группы А имеют гарантированные механические свойства (прочностные и упругопластичные) и предназначены для изго­ товления различных товаров строительного назначения. Марки стали в группе А обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 1 до 7, которые являются условными порядковыми номерами. С увеличением номера марки стали увеличивается ее прочность, но снижается пластичность. Марки Ст1 и Ст2 характеризуются высокой пластичностью и применяются для изготовления закле­ пок в металлоконструкциях; марки СтЗ и Ст5 - для изготовления несущих металлоконструкций и арматуры желœезобетона. Марка Ст4 - основная для изготовления шурупов и болтов.

2. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­ чества группы Б имеют гарантированный химический состав и ми­ нимальное содержание фосфора и серы. Марки сталей группы Б обозначаются МСт!, где первая буква обозначает способ выплавки (М - мартеновский, Б — бессемеровский, К - кислородно-конвер­ терный). Стали группы Б используют для изделий и деталей, в про­ цессе изготовления или эксплуатации которых необходим нагрев (к примеру, для изделий, получаемых методом литья).

3. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­ чества группы В имеют гарантированные химический состав и фи­ зико-механические свойства. Стали группы В маркируются аналогично тому, как и стали группы Б, но с добавлением впереди буквы В (ВМСт2). Стали группы В применяют при изготовлении сварных изделий или при использовании горячей пластической деформации.

Углеродистые конструкционные качественные стали выпус­кают двух групп - I и П. Марки обозначают цифрами 08, 10, 15

Глава 8

Металлохозяйственные товары

и до 85. Цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Ко второй группе относят марки с повышенным содержанием марганца (от 0,8% до 1%).

В конце марок второй группы ставится буква Г (к примеру, 15Г, 25Г). Качественные конструкционные стали применяют для изго­товления деталей, испытывающих ударные нагрузки: шестерни, валы и т. п.

Углеродистые инструментальные стали делятся на качествен­ные и высококачественные, Их маркируют буквой У и цифрами от 7 до 13, которые обозначают содержание в стали углерода в десятых долях процента. Марки высококачественной стали дополняются буквой А в конце маркировки. Углеродистые инструментальные стали могут содержать повышенное количество марганца, тогда к их маркировке прибавляется буква Г. Инструментальные стали применяются для изготовления инструментов. При этом из сталей марок У7, У8, У7А, У8А, У7ГА, которые обладают умеренной твердостью и прочностью, изготовляют инструменты для обра­ботки древесины, слесарные молотки, монтажные инструменты, ножи, ножницы. Стали марок У12, У12А и У13 применяют для производства инструментов, которые должны обладать высокой твердостью, но в процессе эксплуатации не подвергаются удар­ным нагрузкам: напильники, метчики, плашки, инструменты для гравировки.

Основным недостатком углеродистых инструментальных ста­лей является их красноломкость и подверженность коррозии. При нагреве выше 200 °С их твердость резко снижается, что не позво­ляет использовать эти стали, к примеру, для сверл. В таких случаях применяют легированные стали. .

Легированными называют стали, в которые специально вводят легирующие элементы, позволяющие наделять стали необходи­мыми специфическими свойствами. К легирующим элементам относят кремний, хром, никель, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др. Легированием можно повысить прочность и пластичность стали, увеличить красностойкость, повысить изно­состойкость и сопротивление коррозии, придать стали какие-либо особые физические или химические свойства.

Свойства легированных сталей зависят от природы легиру­ющих элементов, их концентрации и характера взаимодействия с желœезом и углеродом.

Кремний повышает прочность и твердость стали, но уменьшает пластичность.

Марганец повышает прочность стали.

Хром повышает механические свойства стали, увеличивает коррозионную стойкость.

Никель увеличивает упругость стали, снижает ее коробление при термической обработке.

Ванадий, молибден, титан увеличивают твердость и износо­стойкость стали.

В маркировке легированных сталей первые две буквы обозна­чают содержание углерода в сотых долях процента. Далее буквой обозначают легирующие элементы: Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, К - кобальт, Б - бор. После буквы, обозначающей легирующий элемент, ставится цифра, ука­зывающая на его содержание в процентах. В случае если легирующего ком­понента содержится менее 1%, то после буквы цифру не ставят.

К примеру, маркировка 12Х18Н9Т читается следующим об­разом: легированная качественная сталь с содержанием углерода 0,12%, хрома 18%, никеля 9%, титана менее 1%.

В случае если инструментальная сталь является высококачественной, то добавляется буква А. К примеру, 50ХГА - легированная сталь высоко­качественная с содержанием углерода 0,5%, марганца менее 1%.

В маркировке легированных сталей есть еще один нюанс: иногда, чтобы не писать очень большие формулы, некоторые пос­тоянно используемые марки стали договорились обозначать опре­делœенными символами:

Ш - шарикоподшипниковые стали (обладают высокой про­чностью и выносливостью, а также повышенной износоустойчи­востью);

Э - электротехнические стали.

К сталям с особыми свойствами относят в первую очередь нержавеющие стали.

Глава 8

Металлохозяйственные товары

Основным легирующим элементом нержавеющих сталей явля­ется хром. При введении в сталь более 13% хрома сталь становит­ся некоррозионной, однако при введении хрома более 20% резко возрастает ее хрупкость.

Уменьшение концентрации углерода в хромистых сталях также способствует увеличению коррозионной стойкости. Нержавеющие хромистые стали марок 08X13, 12X13 и 20X13 применяют для из­готовления ложек и вилок. Стали ЗОХ13 и 40Х13 имеют чуть мень­шую коррозионную устойчивость, но гораздо большую твердость и прочность (особенно после термической обработки),, их приме­няют для производства ножей и хирургических инструментов.

Введение в хромистую сталь никеля повышает упругость, не ухудшая коррозионную стойкость. Хромоникеливые стали лучше свариваются, штампуются, не теряют пластичности при низких температурах. Основными марками являются 12Х18Н9Т, 04Х18Н10,17Х18Н9. Данные сплавы используют для изготовления кухонной посуды, баков стиральных машин, деталей холодильни­ков, галантерейных изделий.

Известная фирма "Цептер" для своей посуды использует хро-моникелœевые сплавы.

Кроме нержавеющих, к сталям и сплавам с особыми свойствами относят сплавы с высоким электросопротивлением или нихромы (ХН80ТБЮ, ХН70ВМТЮ), магнитные сплавы (ЕХЗ - для магнитов, 79МНА - для элементов ЭВМ), инвар (Н36) - сохраняет постоянным коэффициент линœейного расширения, платинит (Н48) - имеет коэф­фициент линœейного расширения, как у стекла, эленвар (Н42ХТЮ) -сохраняет коэффициент расширения постоянным и имеет одинако­вые упругие свойства в интервале температур от -50 до 100 °С.

Из цветных металлов при изготовлении бытовых металло-товаров чаще всœего используют алюминий, медь, никель, хром, цинк, свинœец, олово, титан, а также благородные (драгоценные)

металлы.


Читайте также


  • - Цветные металлы и сплавы

    Бронзы (сплав меди с оловом). Обозначение: буква Л – латуни ; Бр – бронзы Латуни хорошо обрабатываются давлением, пластичны. Для увеличения прочности латуни легируют алюминием, железом, никелем. Для повышения коррозионной стойкости латуни легируют оловом. ... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы.

    Лекция №9. 1.Алюминий и его сплавы. 2.Медь и ее сплавы. 3.Титан и его сплавы. 4.Магний и его сплавы. Алюминий и его сплавы. Алюминий-металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью 2,7 г/см³, высокой электропроводностью, температура плавления 660ºС.... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы

    ЛЕКЦИЯ 15 Алюминий и его сплавы Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы

    Стали Чугуны Черные металлы К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали – до 2,14% углерода и чугуны – свыше 2,14% углерода.Это сплавы железа с углеродом, содержащие... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение

    СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ЛЕКЦИЯ № 13Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, титан и другие металлы и их сплавы являются незаменимыми материалами для... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы

    Производство металлов Металл в виде чугуна получают выплавкой в доменных печах различного вида чугуна, для чего в домну послойно засыпают слоями железную руду и кокс. В расплавленном состоянии происходит естественное расслоение расплавленных шлаков (в верхней... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение

    СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ЛЕКЦИЯ № 13Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства. Медь, алюминий, цинк, магний, титан и другие металлы и их сплавы являются незаменимыми материалами для... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы

    Производство металлов Металл в виде чугуна получают выплавкой в доменных печах различного вида чугуна, для чего в домну послойно засыпают слоями железную руду и кокс. В расплавленном состоянии происходит естественное расслоение расплавленных шлаков (в верхней... [читать подробенее]


  • - ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

    Стали Чугуны ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ К черным металлам и сплавам относят ферросплавы, т. е. спла­вы на основе железа; Железо (технически чистое) - металл серебристо-белого цве­та, содержит 99,8-99,9% чистого железа и 0,1-0,2% примесей. Плотность железа - 7860 кг/м3,... [читать подробенее]


  • - Цветные металлы и сплавы

    Чугуны Обработки Марка стали от, МПа ов, МПа 85, % V,% kcv, Дж/см2 20Г – 40Г, 40ГР 58,8 20Х 58,8 18ХГ – В строительстве сталь применяют для изготовления конструкций, устройства кровель, подмостей,... [читать подробенее]