Курс лекций Технология конструкционных материалов Презентация 4 Улучшение

Курс лекций «Технология конструкционных материалов» Презентация 4 «Улучшение качества стали. Основные сведения о черных и цветных металлах. »

В ЛЕКЦИИ РАССМОТРЕНО: • Методы улучшения качества (рафинирование) стали; • Классификация и маркировка чугунов; • Классификация и маркировка сталей; • Основные сведения о цветных металлах. 2

МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛИ (РАФИНИРОВАНИЯ СТАЛИ) 3

ВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА СИНТЕТИЧЕСКИМ ШЛАКОМ ДЕГАЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ ПЕРЕПЛАВ (ЭШП) ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА (РАФИНИРОВАНИЕ) СТАЛИ ВАКУУМНОДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ (ВДП) ПЕРЕПЛАВ В ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ, ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ И ДРУГИХ ПЕЧАХ. . . 4

Обработка стали синтетическим шлаком (55% Са. О, 40% Al 2 O 3, Si. O 2, Mg. O, Fe. O) ü синтетический шлак расплавляют в печи и заливают в ковш, после чего в этот же ковш заливают расплавленную сталь. ü при перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает и реакции между ними протекают быстрее, чем в плавильной печи ü поэтому обработанная таким способом сталь содержит меньше серы, кислорода, неметаллических включений, ü в результате увеличивается пластичность и прочность стали, ü полученная таким образом сталь применяется для деталей ответственного назначения. 5

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ ПЕРЕПЛАВ (ЭШП) 1 – ПЕРЕПЛАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОД; 2 – ШЛАКОВАЯ ВАННА; 3 – РАСПЛАВЛЕННЫЙ МЕТАЛЛ; 4 – ПОДШЛАКОВАЯ ВАННА РАСПЛАВА; 5 – ШЛАКОВАЯ КОРОЧКА; 6 – ВЫПЛАВЛЯЕМЫЙ СЛИТОК; 7 – КРИСТАЛЛИЗАТОР; 8 – ЗАТРАВКА; 9 – ПОДДОН. 6

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА (ЭШП) q Концентрация серы в металле снижается в 2 – 3 раза; q Концентрация кислорода снижается – в 1, 5– 2, 0 раза. q Стали получаемые ЭШП отличаются плотностью, однородностью, высокими механическими и эксплуатационными свойствами, применяются для изготовления ответственных деталей: ü шарикоподшипники, ü диски турбин, ü валы компрессоров, ü авиационные конструкции и т. п. 7

СХЕМЫ ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ (а – ковшовое, б – циркуляционное, в – поточное) 8

ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ – 1. Имеются условия для направленного затвердевания слитка: ü неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, ü усадочная раковина мала. 2. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава и повышенными механическими свойствами. 3. Изготавливают детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. 4. Масса слитков достигает 50 тонн. 9

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПЛАВКА (ЭЛП) – получение чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (Мо, W…), а также специальных сталей и сплавов. ЭЛП изменяет хим. Состав Ме. 10

ПЛАЗМЕННО - ДУГОВАЯ ПЛАВКА /ПДП/ СТАЛИ q Источником теплоты при ПДП является низкотемпературная плазма (30000 °С), создаваемая в нейтральной среде заданного состава (аргон, гелий). q В этих условиях происходит дегазация металла, а легкоплавкие элементы, входящие в состав сплава, испаряются в значительно меньшей степени, чем в вакууме при электронно-лучевом переплаве. q Применяют для получения высококачественных сталей. 11

ВИДЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ 12

ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ДИАГРАММЫ Техническое доэвтек. заэвтектоидная Железо Сталь 0, 02% доэвтектический Fe – Fe 3 C заэвтектический Чугун 2, 14% 6, 67% 13

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ ПО СОСТОЯНИЮ УГЛЕРОДА В НЕМ • БЕЛЫЙ ЧУГУН – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск; • СЕРЫЙ ЧУГУН – весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии не более 0, 8% углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет; • ПОЛОВИНЧАТЫЙ – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2% углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике. 14

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЧУГУНОВ ПО ФОРМЕ УГЛЕРОДА В НЕМ • СЕРЫЙ – с пластинчатым графитом (а); Обозначается индексом СЧ и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1, например СЧ 15. • ВЫСОКОПРОЧНЫЙ с шаровидным графитом (б); Обозначается индексом ВЧ и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1, например ВЧ 40. • ЧУГУН С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ ( г ); Обозначается индексом ЧВГ и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1, например ЧВГ 40. • КОВКИЙ – с хлопьевидным графитом (в). Обозначается индексом КЧ и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1, а второе относительное удлинение, например, КЧ 30 -6. 15

МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ С РАЗНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА 16

ВИДЫ КЛАССИФИКАЦИИ СТАЛЕЙ 17

По наличию легирующих элементов: • углеродистые и легированные. По содержанию углерода : • низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0, 25% • среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0, 25 -0, 6% • высокоуглеродистые, с содержанием углерода > 0, 6% 18

КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ПО КАЧЕСТВУ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА (0, 04 ≤ S ≤ 0, 06%, 0, 04 ≤ P ≤ 0, 08%) КАЧЕСТВЕННЫЕ (P, S = 0, 03 – 0, 04%) ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ (P, S < 0, 03%) 19

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ По степени легирования: • Низколегированные 0% ≤ Σ л. э. ≤ 2, 5% • Среднелегированные 2, 5% ≤ Σ л. э. ≤ 10% • Высоколегированные 10% ≤ Σ л. э. ≤ 55% По числу компонентов: • Трехкомпонентная сталь (40 Х 13 – Fe + Cr) • Четырех компонентная сталь (15 ХМ - Fe + Cr +М) • Пятикомпонентная сталь (25 Х 1 М 1 Ф) • Многокомпонентная сталь (37 Х 13 Г 8 Н 8 МБФ) 20

ВИДЫ КЛАССИФИКАЦИЙ СТАЛЕЙ По способы выплавки стали: • В мартеновских печах; • В кислородных конверторах; • В электрических печах. По назначению: • Конструкционные – для деталей машин и механизмов; • Инструментальные – для изготовления инструментов; • Специальные – стали с особыми свойствами: нержавеющие, электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др. 21

МАРКИРОВКА (ОБОЗНАЧЕНИЕ) СТАЛЕЙ q Для маркировки сталей принято буквенно-цифровое обозначение. q Для различных видов стали имеются соответствующие ГОСТы, в которых определяется их маркировка. q ГОСТы периодически корректируются. 22

МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА (ГОСТ 380) Б СТ. ИНДЕКС ДАННОЙ ГРУППЫ СТАЛЕЙ 2 КП УСЛОВНЫЙ НОМЕР МАРКИ СТАЛЕЙ (от 0 до 6. С увеличением номера растет прочность и снижается пластичность) ГРУППА ГАРАНТИЙ при поставке. А – гарантия мех. свойств (МС) (не ук) Б – гарантия хим. состава (ХС) В - гарантия МС и ХС СТЕПЕНЬ РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ «кп» - кипящая (доб. Mn) «пс» - полуспокойная (доб. Mn+Al) «сп» - спокойная (доб. Al+Si) 23

МАРКИРОВКА КОНСТРУКЦИОННЫХ КАЧЕСТВЕННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ q Маркируются индексом «СТАЛЬ» и двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых процента. q Поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). q Степень раскисленности указывается только в том случае, если она отличается от спокойной. Пример маркировки: Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45. Соответственно: содержание углерода - 0, 08%, 0, 10%, 0, 45% и степень раскисления – «кп» , «пс» , «сп» . 24

МАРКИРОВКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ q Маркируются буквой «У» и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь. У 8, сталь У 13. Содержание углерода, соответственно – 0, 8% и 1, 3%. q Инструментальные высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали. Например, сталь У 10 А. 25

МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. БУКВЕННОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ. Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот (указывается в середине марки), Г - марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Ю – алюминий. 26

ПРИНЦИП МАРКИРОВКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 1. В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. 2. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает, его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание данного элемента не превышает 1, 5%. 3. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ «А» . Например, сталь 15 Х 25 Н 19 ВС 2 содержит 0, 15% углерода, 25% хрома, 19% никеля, до 1, 5% вольфрама, 2% кремния. 27

ПРИМЕРЫ МАРКИРОВКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВИДОВ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ q Маркировка легированных инструментальных сталей отличается тем, что содержание углерода указывается в десятых долях процента, а при содержании углерода выше 1%, число не указывается. q Быстрорежущие инструментальные стали маркируются индексом «Р» (от rapid – скорость). Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама. Например, сталь Р 18 содержит вольфрама 18%. q Шарикоподшипниковые стали маркируются индексом «Ш» . Цифры после индекса легирующего элемента указывают его содержание в десятых долях процента. Например, ШХ 6 – содержит хрома 0, 6%. Углерода содержится более 1%. 28

ОБОЗНАЧЕНИЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ РАФИНИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 29

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ И МАРКИРОВКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛАХ 30

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ЧЕРНЫЕ : • ЖЕЛЕЗО И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ (ЧУГУН, СТАЛЬ, ФЕРРОСПЛАВЫ, СПЛАВЫ С СОДЕРЖАНИЕМ ЖЕЛЕЗА БОЛЕЕ 50%) ЦВЕТНЫЕ : • ЛЕГКИЕ ОСНОВНЫЕ (ρ < 5 г/см 3 – Al, Mg, Ti); • ТЯЖЕЛЫЕ: ü ОСНОВНЫЕ (Cu, Pb, Zn, Sn, Ni ); ü МАЛЫЕ (висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт); • БЛАГОРОДНЫЕ (Au, Ag, Pt); • РЕДКИЕ: ü ЛЕГКИЕ – литий, бериллий, рубидий и цезий; ü ТУГОПЛАВКИЕ – W, Mo, Nb, Ta, Zr, V (Тпл > 1536 С); ü РАССЕЯННЫЕ – галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен и теллур; ü РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ – скандий, иттрий, лантан и лантаноиды; ü РАДИОАКТИВНЫЕ – радий, уран, торий, актиний и актиноиды. 31

АЛЮМИНИЙ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ДЕФОРМИРУЕМЫЕ : АД (ЦИФРА, ОБОЗНАЧАЮЩАЯ № ЛИТЕЙНЫЕ : СПЛАВА), АЛ (ЦИФРА, ОБОЗНАЧАЮЩАЯ № НАПРИМЕР: АД 0, АД 1 – технически чистый алюминий. СПЛАВА), НАПРИМЕР: АЛ 1, АЛ 2 АМц – сплав с марганцем. МАРКА С УКАЗАНИЕМ КОЛИЧЕСТВА ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ. НАПРИМЕР: АМг 1, АМг 2 …АМг 6 – сплав с магнием. Д 1, Д 2 и т. д. - (дуралюмин) сплав с медью, магнием и марганцем. И ТАК ДАЛЕЕ. АК 7 М 2 – АЛЮМИНИЕВЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ С СОДЕРЖАНИЕМ 7% КРЕМНИЯ И 2% МЕДИ. 32

МАГНИЙ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛИТЕЙНЫЕ : ДЕФОРМИРУЕМЫЕ : МА (ЦИФРА, ОБОЗНАЧАЮЩАЯ № СПЛАВА). НАПРИМЕР: МА 1, МА 2 и так далее. МЛ (ЦИФРА, ОБОЗНАЧАЮЩАЯ № СПЛАВА). НАПРИМЕР: МЛ 1, МЛ 2 и так далее. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ. Хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом. Титан и его сплавы маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером: ВТ 1 -00, ВТЗ-1, ВТ 4, ВТ 8, ВТ 14. Пять титановых сплавов обозначены иначе: 0 Т 4 -0, 0 Т 4 -1, ПТ-7 М, ПТ-3 В 33

МЕДЬ И ЕЁ СПЛАВЫ ЛАТУНЬ – СПЛАВ МЕДИ С ЦИНКОМ (ДО 50 %). Пример маркировки латуни: Л 96 - латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак); Л 63 - латунь содержащая 63% Cu и -37% Zn. ЛЦ 40 Мц3 Ж - латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, ост-ное Cu Латуни бывают литейные и деформируемые. БРОНЗА – СПЛАВ МЕДИ С ОЛОВОМ (СВИНЦОМ / АЛЮМИНИЕМ / СУРЬМОЙ /ФОСФОРОМ). Пример маркировки бронзы: Бр. А 9 Мц2 Л - бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, ост-ное Cu ("Л" указывает, что сплав литейный). Бр0 Ф 8, 0 -0, 3 - бронза на ряду с медью содержащая 8% олова и 0, 3% фосфора. Бронзы бывают литейные и деформируемые. 34

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СТАЛИ ПАРАМЕТР ВИД СПЛАВА Удельный Средняя Модуль Удельная Прочность вес Прочность Упругости Прочность Жесткость (Мпа) (т/м 3) (Мпа) (км) Алюминиевый 2, 8 90 -500 300 71000 11 2536 Магниевый 1, 8 100 -200 150 45000 8 2500 Титановый 4, 5 300 -1500 700 110000 16 2444 Медь: бронза латунь 8, 2 8, 55 200 -1000 200 -650 600 425 100000 95000 7, 3 5, 0 1220 1111 Сталь 7, 85 300 -1200 750 200000 10 2548 35

ИТОГОВАЯ ТАБЛИЦА ПО МЕТАЛЛУРГИИ 36