лекція 8.doc
лекція №8
Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталі.
Сталь - діформіруемий сплав заліза з вуглецем (до 2,1%) і іншими елементами.
Сталь - найважливіший продукт чорній металургії, що є матеріальною основою практично всіх галузей промисловості. До стали як найважливішого матеріалу сучасної техніки пред'являються різноманітні вимоги, що обумовлює велику кількість марок сталі, що відрізняються за складом, структурою. властивостями. Властивий залозу поліморфізм притаманний і стали.
Вплив вуглецю на властивості сталей.
При кімнатній температурі структура сталі складається з частинок фериту і цементиту, присутніх або у вигляді окремих включень (т.з. структурно-вільного фериту і цементиту), або у вигляді тонкої механічної суміші, званої перлитом. Загальні відомості про температурні і концентраційні межі існування фаз (фериту, цементіта, перліту і аустеніту) дає діаграма стану сплаву залізо - вуглець. При цьому вуглець і інші компоненти і домішки стали змінюють положення критичних точок на температурній шкалі.
Для фериту характерні відносно низькі міцність і твердість, але високі пластичність і ударна в'язкість. Цементіт крихкий, але вельми твердий і міцний. Перліт володіє цінним поєднанням міцності, твердості, пластичності, в'язкості.
Мал. 8.1. Вплив вуглецю на механічного-ські властивості стали
Вплив постійних домішок на властивості сталей.
Марга-нець є необхідною домішкою в кількості 0,5. 0,8% при виробництві різних сталей. Його використовують в якості раскислителя і десульфурата стали.
Марганець усуває шкідливий вплив включень закису ж-леза (FеО Мn → Fe МnО) і сприяє отриманню щільних злитків без газових бульбашок. На відміну від інших розкислювачів (кремнію і алюмінію) марганець, взаємодіючи з се-рій, запобігає утворенню сульфідів заліза, підвищена шенное кількість якої є причиною
крихкості стали при механічній обробці; марганець зменшує красноломкость стали (хруп-кістка при високих темпера-турах).
Кремній при раскислении стали також усуває шкоду-ве вплив закису заліза (2FеО Si → Fе SiO2), спо-собствуя отримання щільних злитків. Кремній підвищує межу плинності стали. З-тримання кремнію в углер-дист сталях в якості по-постійної домішки трохи переви-щує 0,35. 0,40%.
Сірка також є шкідливою домішкою, утворюючи сірчисте залізо FeS; Останнім, взаємодіючи з чистим залізом, про-разует легкоплавкую евтектики з температурою плавлення 988 ° С. Ця евтектика при затвердінні стали розташовується, як правило, по межі зерен і при нагріванні до 1000. 1200 ° С оплавляется, викликаючи при деформації стали тріщини і над-риви. Це явище називаюткрасноломкостью.
Присутність в стали марганцю послаблює шкідливий вплив сірки, так як марганець в рідкій сталі реагує з FеS і про-разует сульфід марганцю МnS (FеS Мn -> МnS Fе). Послід-ний має температуру плавлення 1620 ° С, що значно вище температури гарячої обробки стали. Сульфіди марганцю є пластичними і деформуються при гарячій обробці, розташовуючись в напрямку деформації. Утримуючи-ня сірки в сталі допускається 0,035. 0,06%. Єдиним позитивним фактором сірки є те, що вона обліг-чає обробку стали різанням (в автоматної сталі по ГОСТ 1414-87 допускається 0,06. 0,30% S).
Марганець перешкоджає процесу графітизації і підвищує здатність чавуну до збереження вуглецю в формі цементиту, утворюючи карбіди. У чавунах міститься 1. 1,5% Мn.
Фосфор збільшує жидкотекучесть чавуну завдяки об-разованию легкоплавку потрійний евтектики Fез Р-FезС-Fе7. має температуру плавлення 950 ° С. Після затвердіння фосфітная евтектика підвищує твердість і зносостійкість чавуну. Фосфор в чавунах міститься до 0,5%.
Крім постійних домішок, в чавун вводять спеціальні добавки для додання чавунів певних властивостей. Іноді чавуни виплавляють в доменних печах з руд, що містять хром, нікель і інші легуючі компоненти. Такі чавуни називають пріроднолегірованнимі. Вплив легуючих еле-ментів на властивості чавунів визначається головним чином їх ставленням до вуглецю. Графітообразующіе елементи спосіб-обхідних отримання добре оброблюваних чавунів, а карбидообразующие-отриманню вибілених чавунів, погано під-даються обробці ріжучим інструментом.
^ Класифікація та маркування сталей.
В сучасній металургії стали виплавляють головним чином з чавуну і сталевого брухту.
^ За хімічним складом сталі поділяються на вуглецеві і леговані.
Вуглецева сталь поряд з Fе і С містить Мn (0,1-1,0%) і Si (до 0,4%), а також шкідливі домішки - S і Р; ці елементи потрапляють в cталь в зв'язку з технологією її виготовлення (головним чином з шихтових матеріалів). Залежно від змісту стали розрізняють:
- низкоуглеродистую (до 0,25% С),
- середньовуглецеву (0,25-0,6% С) і
- високовуглецеву (більше 0,6% С) С.
До складу легованих сталей, крім зазначених компонентів, входять т. Н. легуючі елементи (Сг, Ni, Мо, W, V, Т1, Nb, Zr, З і ін.), які навмисно вводять в С. для поліпшення її технологічних і експлуатаційних характеристик або для додання їй особливих властивостей; легирующими елементами можуть служити також Мn (при вмісті більше 1%) і Si (більше 0,8%).
^ За ступенем легування (т. E. За сумарним вмістом легуючих елементів) розрізняють:
- низьколеговані (менше 2,5%),
- середньолеговані (2,5-10%) і
- високолеговані (більше 10%) стали.
Леговані С. часто називаються по переважаючих в ній компонентам (наприклад, вольфрамова, високохромиста, хромомолібденовая, хромомарганцевонікелевая, хромонікелемолібденованадіевая).
^ За призначенням сталі ділять на наступні основні групи:
- стали з особливими властивостями.
Конструкційні сталі застосовують для виготовлення будівельних конструкцій, деталей машин і механізмів, суднових і вагонних корпусів, парових котлів та ін. Виробів. Конструкційні С. можуть бути як вуглецевими (до 0,7% С), так і легованими (основні легуючі елементи - Сг і Ni). Назва конструкційної С. може відображати її безпосереднє призначення (котельна, клапанна рессорно-пружинна, суднобудівна, гарматна, снарядна, броньовий і т.д.
^ Інструментальні стали служать для приготувань різців, фрез, штампів, калібрів і ін. Ріжучого, ударно-штампового і вимірювального інструмента. Стали цієї групи також можуть бути вуглецевими (зазвичай 0,8-1,3% С) або легованими (головним чином Сг, Мn, Si, W, Мо, V). Серед інструментальних сталей широкого поширення набула швидкоріжуча сталь.
^ За якістю стали зазвичай поділяють на:
0,16% Р), в якісних - не більше 0,035% кожного з цих елементів, у високоякісних - не більше 0,025%, в особливо висококачественних- менше 0,015% S.
Сірка знижує механічні властивості стали, є причиною красноломкості, т. Е. Крихкості в гарячому стані, фосфор підсилює хладноломкость - крихкість при знижених температурах.
^ За характером застигання металу у виливниці розрізняють:
Поведінка металу при кристалізації обумовлено ступенем його розкисленням. чим повніше видалений з стали кисень, тим спокійніше протікає процес затвердіння; при розливанні малораскісленной стали у виливниці відбувається бурхливе виділення бульбашок окислу вуглецю - сталь як би «кипить». Полуспокойная сталь займає проміжне положення між спокійною і киплячій сталями. Кожен з цих видів металу має достоїнства і недоліки; вибір технології розкислення і розливання сталі визначається її призначенням і техніко-економічними показниками виробництва.
^ Маркування сталей.
Єдиної світової системи маркування стали не існує. Проведена велика робота по уніфікації позначень різних марок сталі, що знайшло відображення в державних стандартах і технічних умовах.
^ Марки вуглецевої сталі звичайної якості позначаються буквами Ст і номером (сто, Ст1, Ст2 і т.д.).
^ Спокійне сталь іноді додатково позначають буквами - сп, полуспокойную сталь - пс, киплячу -КП, (наприклад, СтЗсп, Ст5пс, 08кп).
^ Автоматні стали маркуються буквою А (А12, АЗ0 і т.д.),
Позначення марки деяких легованих сталей включає букву, що вказує на призначення стали (наприклад, ШХ9 - шарикоподшипниковая сталь з 0,9-1,2% Сr; ЕЗ - електротехнічна сталь з 3% Si). Стали, що проходять промислові випробування, часто маркують буквами ЕІ або ЕП (завод «Електросталь», ДІ (завод «Дніпроспецсталь") або ЗІ (Златоустівський завод) з відповідним черговим номером (ЕІ268).
Класифікація та властивості чавуну.
Чавун, одержуваний в доменних печах, підрозділяється на.
- переробний чавун. використовуваний для переділу в сталь, і
- ливарний чавун. службовець одним з основних компонентів шихти в чавуноливарному виробництві.
До 70-х рр. 20 в. в доменних печах іноді виплавляли т. н. дзеркальний чавун (10-25% М n), що застосовувався в якості раскислителя при виплавці сталі і для отримання спеціальних видів чавуну. При використанні для виплавки чавуну залізних руд, що містять Сг, N i. Т i і ін. Легуючі елементи, отримують т. Н. пріорднолегірованние чавуни. При виробництві виливків в чавуноливарних цехах чавуни підрозділяють: - в залежності від ступеня графітизації, що обумовлює вид зламу. - на сірий, - білий і половинчастий (або вибілений);
в залежності від форми включень графіту - на чавуни:
^ Сірий чавун - найбільш широко застосовуваний вид Ч. (машинобудування, сантехніка, будівельні конструкції) - має включення графіту пластинчастої форми. Для деталей з сірого Ч. характерні мала чутливість до впливу зовнішніх концентраторів напружень при циклічних навантаженнях і більш високий коефіцієнт поглинання коливань при вібраціях деталей (в 2-4 рази вище, ніж у сталі). Важлива конструкційна особливість сірого Ч. - вищий, ніж у сталі, ставлення межі текучості до межі міцності на розтяг. Наявність графіту покращує умови змащення при терті, що підвищує антифрикційні властивості чавуну.
Властивості сірого чавуну залежать від структури металевої основи, форми, величини, кількості і характеру розподілу включень графіту. Перлітний сірий Ч. має високі властивості і застосовується для циліндрів, втулок і ін. Навантажених деталей двигунів, станин і т.д. Для менш відповідальних деталей використовують сірий Ч. з феритної-перлітною металевою основою.
Білий чавун являє собою сплав, в якому надлишковий вуглець, що не знаходиться в твердому розчині заліза, присутній у зв'язаному стані у вигляді карбідів заліза Fе3 С (цементит) або т. Н. спеціальних карбідів (в легованому чавуні). Кристалізація білих чавунів відбувається за
метастабільною системі з утворенням цементиту і перліту. Білий Ч. внаслідок низьких механічних властивостей і крихкості має обмежене застосування для деталей простої конфігурації, які працюють в умовах підвищеного абразивного зносу. Легування білого Ч. карбидообразующих елементами (Сг, W, Мо і ін.) Підвищує його зносостійкість.
^ Половина чавун містить частину вуглецю у вільному стані у вигляді графіту, частина - у зв'язаному у вигляді карбідів. Застосовується в якості фрикційного матеріалу, що працює в умовах сухого тертя (гальмівні колодки), а також для виготовлення деталей підвищеної зносостійкості (прокатні, бумагоделательние, борошномельні валки).
Ковким називається чавун в виливках, виготовлених з білого Ч. і підданих подальшого Графітізуючі відпалу, в результаті чого цементит розпадається, а утворюється графіт набуває форми пластівців. Ковкий Ч. володіє кращою демпфирующей здатністю, ніж сталь, і меншою чутливістю до надрізів, задовільно працює при низьких температурах. Механічні властивості ковкого Ч. визначаються структурою металевої основи, кількістю і ступенем компактності включень графіту. Металева основа ковкого Ч залежно від типу термообробки може бути феритної, феритної-перлітноі і перлитной. Найбільш високими властивостями володіє ковкий Ч. має матрицю зі структурою зернистого перліту; їм можна замінювати литу або ковану сталь. У тих випадках, коли потрібна підвищена пластичність застосовують феритний ковкий Ч.
Для інтенсифікації процесу графітизації при термообробці ковкий чавун модифікують Ті, В, Мg і ін. Елементами.
Ковкий чавун використовують в основному автомобіле-, тракторо-, сільгоспмашинобудуванні. Спостерігається тенденція (особливо в автомобілебудуванні) до заміни ковкого Ч. високоміцним з кулястим графітом з метою підвищення міцності виливків, зменшення тривалості технологічного циклу і спрощення технології виготовлення.
^ Високоміцний чавун. характеризується кулястої або близькою до неї формою включень графіту, отримують модифікування рідкого
чавуну присадками Мg, Се, Y, Са і деяких ін. елементів (в чистому вигляді або у складі сплавів). Щаровідний графіт в найменшій мірі
послаблює металеву матрицю. що призводить до різкого підвищення механічних властивостей чавуну з чисто перлітною або бейнітною структурою, наближаючи їх властивості до властивостей вуглецевих сталей. При чисто феритної матриці (в литому або термообробленому стані) забезпечується підвищений рівень пластичності. Високоміцний Ч. володіє хорошими ливарними і технологічними властивостями (жидкотекучесть, лінійна усадка, оброблюваність різанням), але за значенням зосередженої об'ємної усадки наближається до сталі. Такий Ч. застосовується для заміни сталевих литих і кованих деталей (колінчаті вали двигунів, компресорів і т.д.), а також деталей з ковкого або звичайного сірого Ч.
^ Високоміцні чавуни, які мають включення т. Н. вермікулярного_графіт.
>>