Металлургия чугуна и стали Лекция 3 1

Металлургия чугуна и стали Лекция 3 1

Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью (железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе). В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Плотность (при н. у. ): 7, 87 г/см³ Температура плавления: 1812 K 2

Получение В промышленности железо получают из железной руды, наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe 2 O 3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, Fe. O∙Fe 2 O 4, Fe 3 O 4; содержит 72, 4 % Fe), бурый железняк или лимонит. Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс. 3

Железные руды ильменит — Fe. Ti. O 3 феялит — Fe 2 Si. O 4 магномагнетит — (Fe, Mg)[Fe 2 O 4] альмандит — Fe 3 Al 2[Si. O 4]3 фиброферрит — Fe. SO 4(OH)∙ 4, 5 H 2 O андрадит — Ca 3 Fe 2 [Si. O 4]3 ярозит — KFe 3(SO 4)2(OH)6 гиперстен — (Fe, Mg)2[Si 2 O 6] кокимбит — Fe 2(SO 4)3∙ 9 H 2 O геденбергит — (Ca, Fe)[Si 2 O 6] рёмерит — Fe 2+Fe 3+2(SO 4)4∙ 14 H 2 O эгирин — (Na, Fe)[Si 2 O 6] графтонит — (Fe, Mn)3(PO 4)2 нонтронит — (Fe 3+, Al)2[Si 4 O 10](OH)2∙n. H 2 O скородит — Fe 3+As. O 4∙ 2 H 2 оштренгит — Fe. PO 4∙ 2 H 2 O 4 В организме взрослого человека содержится около 3, 5 грамма железа (около 0, 02 %)

5

Сплавы Сплавом называется однородная система, получаемая сплавлением двух или более металлов, либо металла и неметалла. Цель сплавления состоит в обеспечении новых физических свойств материалы, таких как коррозионная стойкость, огнеупорность и т. д. 6

Железоуглеродистые сплавы делятся на две большие группы в зависимости от содержания углерода. 7

Диаграмма фазового равновесия Fe-C Сплавы, содержащие менее 2, 03 % С, входе затвердевания которых нет эвтектического превращения, называются сталями. Сплавы, содержащие более 2, 03 % C, называются чугунами. При затвердевании в них идет эвтектическое превращение. 8

Чугун В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2, 03 -4, 3 % углерода), эвтектическим (4, 3 %) или заэвтектическим (4, 3 -6, 67 %). Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др. ). Как правило, чугун хрупок. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Сталеплавильное производство — это получение стали из сырья, чугуна или стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. 9

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами. 10

Примеси Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. 11 Примесь — химический элемент, перешедший в состав сплава в процессе его производства как технологическая добавка или как составляющее шихтовых материалов.

Очень вредные примеси! Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Хладноломкость — свойство металла растрескиваться и ломаться при холодной механической обработке. Красноломкость — свойство металлов давать трещины при горячей обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850— 1150 °C). 12

Содержание вредных примесей в стали: Обыкновенного качества — P и S — до 0, 05 % (маркировка Ст). Качественная — P и S — до 0, 035 % (маркировка Сталь) Высококачественная — P и S — до 0, 025 % (маркировка А в конце марки) Особовысококачественная — Р и S — до 0, 015 % (маркировка Ш в конце марки). 13

Не очень вредные примеси Марганец (Mn): Марганец увеличивает твердость и устойчивость стали к износу. Однако его содержание в больших количествах повышает хрупкость. Кремний (Si): В небольших количествах кремний не оказывает серьезного влияния на свойства стали. Однако, при повышении содержания кремния, повышаются упругость и коррозионная стойкость. 14

Легированные стали Легирование — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легированная сталь — сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими. 15

Легированные стали Низколегированные стали: 1 элемент ≤ 2%; более 1 элемента ≤ 3, 5% Среднелегированные стали: 1 элемент ≤ 8%; более 1 элемента ≤ 12% Высоколегированные стали: 1 элемент ≥ 8%; более 1 элемента ≥ 12% 16

Влияние легирующих элементов Никель (Ni): Никель, так же как и азот повышает коррозионную стойкость стали. Кроме того, он незначительно повышает прочность. Ниобий (Nb): Ниобий является достаточно редкой легирующей добавкой. Он повышает износостойкость и коррозионную стойкость стали. Титан (Ti): Обычно титан добавляют в сталь для повышения прочности, стойкости к коррозии и температурам. Также он способствует измельчению зерна и улучшает обрабатываемость. Хром (Cr): Хром увеличивает стойкость стали к коррозии и износу. Сталь считается нержавеющей, если содержание хрома в ней больше или равно 14%. Также высокое содержание хрома приводит к повышению хрупкости и ударной вязкости стали. Углерод (C): Углерод является одним из основных элементов, которые определяют свойства стали. От количества углерода в стали зависят её твёрдость и прочность. Также он положительно влияет на стойкость (сохранность) режущей кромки, устойчивость к износу и истиранию. Из отрицательных сторон высокого содержания углерода стоит отметить повышение склонности стали к коррозии. 17

Влияние легирующих элементов Азот (N): Азот применяется в сталях в качестве заменителя углерода и никеля. Он значительно повышает коррозионную стойкость стали. Ванадий (V): Ванадий улучшает такие свойства стали, как твёрдость и прочность, а также значительно повышает её износостойкость. Ванадий присутствует в инструментальных и быстрорежущих сталях. Вольфрам (W): Вольфрам является металлом с самой высокой температурой плавления. Вольфрам, наравне с молибденом, является обязательным элементом для быстрорежущих сталей. Помимо устойчивости к высокой температуре, наличие вольфрама в стали, улучшает такие свойства, как износостойкость и твёрдость. Кобальт (Co): В небольшом количестве кобальт присутствует твёрдых сплавах и быстрорежущих сталях. Он увеличивает твердость и прочность стали. Молибден (Mo): Молибден представляет собой легирующую добавку, которая повышает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах. Также он делает состав стали более равномерным. Молибден является обязательным элементом в быстрорежущих сталях. 18

По областям применения стали делятся: 19 Конструкционная сталь (до 0, 8 % C) Инструментальная сталь (до ~2 % C) Нержавеющая сталь (легированная хромом) Жаростойкая сталь Жаропрочная сталь Высокопрочная сталь

Конструкционная сталь — это сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). 20

Маркировка легированных конструкционных сталей: 14 ХН 4 А, 38 Х 2 Н 5 М, 20 ХН 3 А Две цифры вначале маркировки это содержание в стали углерода в сотых долях процента. Буква без цифры — определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %. (А-азот, Р-бор, Ф-ванадий, Гмарганец, Д-медь, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, С-кремний, Ххром, П-фосфор, Ч-редкоземельные металлы, В-вольфрам, Т-титан, Ю -алюминий, Б-ниобий) Буква и цифра после неё — определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра). Буква А в конце маркировки — указывает на высококачественную сталь. 1. 2. 3. 4. Подшипниковая сталь: ШХ 9, ШХ 15. 1. Содержание углерода — около 1 %; 2. Содержание хрома в десятых долях процента 21

Пример расшифровки марки стали 38 Х 2 Н 5 МА среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь Химический состав: углерод — около 0. 38 %; хром — около 2 %; никель — около 5 %; молибден — около 1 %. 22

Инструментальная углеродистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0, 7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. 23

Нержавеющая сталь — сталь, содержащая свыше 12% хрома. Обладает высокой коррозионной стойкостью. Для придания повышенных механических свойств, кроме хрома, в сталь вводятся Ni, Mn, Mo, W, Nb и другие элементы. Нержавеющую сталь применяют в химической, нефтяной, металлургической, машиностроительной, авиационной промышленности, а также в быту. Примеры: 07 Х 16 Н 6, 04 ХН 40 МТДЮ, Н 70 МФ, ХН 58 В. 24

Жаростойкая и жаропрочная и сталь Жаростойкая сталь - это сталь, обладающая стойкостью против коррозионного разрушения поверхности в газовых средах при температурах свыше 550 °C, работающая в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Примеры: 20 Х 25 Н 20 С 2. Жаропрочная сталь — это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0, 3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния. Примеры: 20 Х 13, 30 Х 13, 15 Х 12 ВН 14 Ф, 37 Х 12 Н 8 Г 8 МФБ. 25

Высокопрочная сталь Высокопрочная сталь — сталь с пределом прочности не ниже 1800÷ 2000 МПа. Для достижения столь высокой конструктивной прочности сталь должна сочетать в себе высокую прочность и высокое сопротивление хрупкому разрушению. Примеры: 30 ХГСНА, 40 ХГСН 3 ВА, 30 Х 5 МСФА, Н 18 К 9 М 5 ТЮ. 26