МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Тема 3. Производство стали и

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Тема 3. Производство стали и чугуна Учебное пособие для подготовки по профессии «помощник машиниста тепловоза, электровоза» А. А. Семенов, А. В. Ломакин 1

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 ОСНОВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ. Часть 4. Производства стали и чугуна 2

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 3

4

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Железные руды состоят из окислов железа и пустой породы. В зависимости от природы окислов железа различают следующие железные руды: • магнитный железняк содержит железа до 72%; • красный железняк - до 65% железа; • бурый железняк - содержание железа от 30 до 50%. Перед плавкой руду обогащают, т. е. отделяют от пустой породы. Наиболее распространенный способ – магнитный. 5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Топливо, применяемое для выплавки чугуна, должно обладать высокой теплотой сгорания, малой зольностью и низким содержанием серы. Лучше всего этим требованиям удовлетворяет каменноугольный кокс. 6

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Флюсы способствуют расплавлению и отделению пустой породы и золы. Обычно в качестве флюсов применяют известняк Са. С 03. 7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Железнодорожный транспорт и транспортное машиностроение в значительных количествах применяют чугун в качестве конструкционного материала. Однако главное назначение чугуна — получение из него стали. Исходными материалами для получения чугуна являются : • Железная руда • Топливо • Флюсы Выплавляются чугуны в доменных печах. 8

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 • Плавку чугуна производят в доменных печах, при этом получают чугуны двух видов: • Серый (литейный) чугун – применяется для изготовления деталей машин (отливок) - содержание углерода от 2, 2% до 3. 7%. • Белый (передельный) чугун – используется для производства стали. 11

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Способы производства стали Основной способ производства стали – это получение ее из чугуна путем выжигания лишнего углерода. Это можно сделать несколькими методами: I. Конвертерный • Бессемеровский • Кислородно-конвертерный II. Мартеновский III. Плавка в электропечах 13

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Бессемеровский способ • Расплавленный чугун заливают в конвертор и продувают воздухом через жаростойкие трубы. • Кислород воздуха выжигает из чугуна последовательно кремний, марганец и углерод. • Способ простой, дешевый, но сталь низкого качества, т. к. имеет пористую структуру из-за пузырьков азота, попавшего с воздухом. • Используется для горячей штамповки Схема бессемеровского конвертора: и горячего проката. 1 – корпус; 2 – опорный пояс; 3 – днище; 4 – воздушная коробка; 5 – кожух; 6 – сопла; 7 – «спина» ; 8 – горловина; 9 – пустотелая цапфа; 10 – воздушный патрубок. 16

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 В 1936 советский инженер Н. И. Мозговой впервые использовал для продувки чугуна в конвертере кислород, что коренным образом изменило технологию конвертерного производства. Металл, получаемый кислородно-конвертерным процессом, по качеству стал равноценным мартеновской стали, себестоимость снизилась на 25 %, производительность увеличилась на 30 %. • Сталь выплавляется в конвертерах с продувкой жидкого чугуна сверху чистым кислородом. • Получают сталь хорошего качества, но нет возможности удалить вредные примеси или ввести дополнительные компоненты, т. к. процесс протекает очень быстро. 17

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Мартеновский • Плавку производят в специальных отражательных печах как из жидкого чугуна, так и из стального и чугунного лома. • Процесс длительный и есть возможность удалить все вредные примеси и ввести легирующие (дополнительные) компоненты для улучшения свойств стали. Схема мартеновской печи: 1 – регенератор; 2 - ванна печи; • Получают сталь высокого 3 – вентилятор, подающий воздух; качества. 4, 6 - перекидные клапаны; 5 - дымовая труба; 7 – газогенератор. 18

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Плавка в электропечах • Плавка производится в индукционных и дуговых печах. • Можно плавить в вакууме. • В электропечах можно получить высокую температуру и восстановительную или нейтральную атмосферу, что очень важно при выплавке высоколегированных сталей. • Сталь самого высокого Схема дуговой электрической печи: качества, но и самая дорогая. 1 - поворотный механизм; 2 - желоб; 3 - • Важнейшее достоинство – возможность выпускное отверстие; 4 - загрузочное окно; строго регулировать химический 5 - ствол печи; 6 - угольные или графитовые состав стали. электроды. 20

Сплав железа и углерода • При содержании углерода до 2, 14% сплав называется сталь. • При содержании углерода более 2, 14% до 7, 6% сплав называется чугун. • Кроме железа и углерода в сталях и чугунах всегда присутствуют постоянные примеси, которые разделить на 2 группы: полезные и вредные. 21

Полезные примеси • Кремний (Si) – является раскислителем стали, а также улучшает ее жидкотекучесть и уменьшает усадку. • Марганец (Mn) – является раскислителем и нейтрализует вредное влияние серы. 23

Вредные примеси • Сера ( S) – вызывает красноломкость стали, т. е. разрушение при высокой температуре. • При наличии в стали серы образуются сульфиды железа, которые располагаются в виде нитей по границам зерен, резко снижая прочность. Кроме того, при 985 0 они плавятся. • При введении марганца в сталь, он забирает серу у железа, образуя сульфиды марганца, которые располагаются отдельными вкраплениями, не влияющими на прочность, их температура плавления 18000. 24

Вредные примеси • Кислород (O 2) – делает структуру стали пористой. Раскисление производится кремнием, марганцем и алюминием. Центробежное электрошлаковое литьё. Залив расплава металла во вращающуюся форму. 27

Физико-химические свойства железа Фазовое и структурное состояние сталей и чугунов описывает диаграмма железо - углерод. Один из компонентов системы – чистое железо, а второй – углерод в виде химического соединения Fe 3 C (цементит) в метастабильной диаграмме Fe – Fe 3 C или углерод в виде графита – в стабильной диаграмме Fe–C. 29

Классификация черных сплавов 30

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Чугуны: Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома; • структура в не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т. е. весь углерод находится в форме цементита; • свойства: высокая твердость и износостойкость, хрупкость, практически не поддается обработке режущим инструментом; • марки: ИЧХ 3, ИЧХ 5, ИЧХ 15… (износостойкий хромистый чугун с содержанием хрома 3%, 5%, 15% соответственно…); • применение: детали, работающие в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок(например, линейки направляющих, детали шаровых мельниц). 31

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Серые чугуны: • Излом такого чугуна имеет серый цвет. Обладает хорошими литейными свойствами. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. По строению металлической основы серые чугуны разделяют на: серый перлитный чугун (1 ) ; серый феррито-перлитный чугун (2); серый ферритный чугун (3). В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (1 – 3). Пп П Ф Г Г 1 2 3 32

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Серые чугуны: • В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита, который принимает такую форму благодаря присадке магния или церия (модификаторов) (1). • В ковком сером чугуне углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерода отжига)(2), который образуется в процессе отжига белого чугуна. Ф Г 1 2 33

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Марки серых чугунов Вид Примеры Свойства Применение чугуна маркировки Обычный σв =12 кгс/мм 2 =120 МПа Станины; корпуса серый СЧ 12 -28 редукторов; трактор σи = 28 кгс/мм 2= 280 МПа ные отливки, СЧ 18 -36 σв = 18 кгс/мм 2; σи = 36 кгс/мм 2 поршневые кольца и др. Высоко- σв= 50 кгс/мм 2 = 500 МПа Коленчатые валы; ВЧ 50 -1, 5 δ% = 1, 5% арматура тоннелей прочный метро; чугун ВЧ 45 -5 σв = 45 кгс/мм 2; δ% = 5% канализационные трубы; и др. Ковкий σВ = 35 кгс/мм 2 = 350 МПа Литые детали машин, чугун КЧ 35 -10 δ% = 10% не испытывающие значительных КЧ 45 -6 σВ = 45 кгс/мм 2 ; δ% = 6% растягивающих и ударных нагрузок. σв- предел прочности при растяжении; δ% - относительное удлинение после разрыва; σи – предел прочности при изгибе. 34

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • По химическому составу: ü Углеродистые; ü Легированные. • По содержанию углерода: ü Низкоуглеродистые (C ≤ 0, 25%; ü Среднеуглеродистые (от 0, 3% ≤ C ≤ 0, 6%); ü Высокоуглеродистые выше (С≥ 0, 7% ) • По качеству ü Обыкновенного качества (0, 04 ≤ S ≤ 0, 06%; 0, 04 ≤ P ≤ 0, 08%); ü Качественные (P, S ~ 0, 03%- 0, 04%); ü Высококачественные стали (P, S ≤ 0, 03%) 35

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • По способу выплавки: ü Мартеновских печах; ü Кислородных конверторах; ü В электрических печах. • По назначению: ü Конструкционные стали; ü Инструментальные стали (различных инструментов); ü специальные (стали с особыми свойствами). 36

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Обыкновенные стали маркируются буквенно-цифровым кодом: ü условным номером марки (от 1 до 6) в зависимости от содержания углерода (0. 01 -0. 06%). Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. ü Буква Г после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. ü Например: Ст2 – сталь с содержание 0, 02% углерода; 37

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Качественные стали маркируют следующим образом в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации в десятых долях процента углерода; Например: У 7 – углеродистая сталь инструментальная с содержанием 0, 7% углерода; У 12 – углеродистая сталь инструментальная с содержанием 1, 2% углерода; 38

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Легированные стали маркируют содержанием в десятых долях присадок легированных металлов: Обозначения компонентов А азот N К кобальт Co Т титан Ti Б ниобий Nb М молибден Mo Ф ванадий V Вольфрам W Никель Ni Х хром Cr 39

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Легированные стали маркируют содержанием в десятых долях присадок легированных металлов: Обозначения компонентов Г марганец Mn П фосфор P Ц цирконий Zr Д медь Cu Р бор B Ю алюминий Al E селен Se С кремний Si редкоземельные Ч - металлы 40

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Легированные стали: Например: 14 Г 2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 1. 4 % углерода и до 2, 0% 03 Х 16 Н 15 М 3 Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0, 03% C, 16, 0% Cr, 15, 0% Ni, до. З, 0% Мо, до 1, 0% Nb. 41

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами ШХ , после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента: ШХ 6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0, 6% хром ШХ 15 ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1, 5% хрома и от 0, 8 до 1, 5% ма Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой Р , следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама: Р 18 - быстрорежущая сталь, содержащая 18, 0% вольфрама; Р 6 М 5 К 5 - быстрорежущая сталь, содержа- щая 6, 0% вольфрама 5, 0% молибдена 5, 0% кобальта. 42

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 Маркировка сталей: • Автоматные стали обозначают буквой А и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента: А 12 - автоматная сталь, содержащая 0, 12% углерода (все автоматные стали имеют повышенное содержание серы и фосфора); А 40 Г - автоматная сталь с 0, 40% углерода и повышенным до 1, 5% содержанием марганца. 43

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 3 44