ТКМ.1. ТКМ. 12. металлургическая промышленность. Производство чугуна 12 Металлургия

• Название: 12. металлургическая промышленность. Производство чугуна 12 Металлургия
• Анкор: ТКМ.1.doc
• Дата: 16.08.2018
• Размер: 11.69 Mb.
• Имя файла: ТКМ.1.doc
• Тип: Документы; #23090
• страница: 2 из 4

12.10. Диаграмма состояния железо – графит

(стабильная диаграмма, штриховые линии)

Диаграмма железо-графит (стабильная, рис. 12.2) характеризует фазовое состояние железоуглеродистых сплавов, в которых превращения со­вершаются с образованием полностью равновесных фаз. В стабильной системе железо - графит фазами являются жидкий сплав железа с углеродом, аустенит, феррит и графит. Особенностью стабильной системы является образование графита.

Графит - свободный углерод. Атом углерода имеет четыре ва­лентных электрона, посредством которых он связан с четырьмя со­седними атомами. Атомы располагаются слоями. В каждом слое расстояние между центрами атомов мало (0,142 нм) и они связаны между собой сильными ковалентными связями. Однако связь между слоями слабая (вандерваальсова), расстояние больше (0,34 нм), поэтому графит легко скалывается по слоям.



Рис. 12.2. Диаграмма состояния железо-графит


Плотность графита 2,2*10³ кг/м³, он мягок, прочность небольшая. Пунктирная линия C'D' на диаграмме состояния соответствует температуре начала кристаллизации жидких сплавов с выделением первичного графита Г₁. Выделение из жидкого сплава первичного графита происходит в интервале температур между линиями C'D' и E'C'F' (эвтектической горизонталью, 1153 °С). При 1153 °С в точке С' образуется эвтектика, состоящая из аустенита А состава точки Е' (2,11 %С) и графита Гэ (А+Fэ) - графитная эвтектика. E'S' - линия предельной растворимости углерода с  -Fe (предельного содержания углерода в аустените). При понижении температуры концентрация углерода в аустените уменьшается, и из аустенита выделяется углерод, образующий включения вторичного графита. Линия P'S'K' - эвтектоидная горизонталь (738 °С). При 738 °С аустенит состава точки S' (0,69 % С) распадается с образованием эвтектоида, состоящего из феррита Ф (состава Р') и графита Гэ (Гэ - эвтектоидный графит). Эвтектоид, содержащий графит, называют графитным эвтектоидом.

После охлаждения (полного) все сплавы системы железо-графит состоят из двух фаз - феррита и графита.

Особенность кристаллизации графита из жидкого раствора железо - графит заключается в следующем. В жидком сплаве кристалли­зация графита происходит путем образования центров кристаллизации и их роста. После образования зародыша, дальнейшая кристаллизация происходит путем присоединения атомов углерода (либо отдельных звеньев Сn) к зародышу. Зародыш графита растет и приобретает форму сферолитов. Т.о. структура твердого чугуна представляет со­бой зерна феррита и сферолитов графита различной морфологии.

Практика производства чугунных отливок показывает, что в реальных условиях кристаллизации часто получается чугун, в струк­туре которого имеется и графит и цементит, т.е. наблюдается смешанная кристаллизация. При медленной кристаллизации графита образуется много, а при быстрой скорости охлаждения мало, т.е., в основном, кристаллизуется цементит.
12.11. Процесс графитизации

Кристаллизация графита или цементита происходит из жидкости либо из аустенита. Кристаллические решетки аустенита (ГЦК) и цементита (ОЦК встроенная в ГЦК) похожи, а аустенита и графита (гексагональная) – различны. Поэтому в равновесных условиях легче будет проходить кристаллизация аустенита в цементит. А для образования графита нужны или специальные условия (графитизация) или модификация.

Графитизация – термовременная выдержка при температурах выше и ниже линии PSK. Известно, что цементит при нагреве разлагается на железо и графит. Т.о. можно представить два пути образования графита в чугунах:

• 
  Непосредственное образование графита может происходить при наличии в жидкости готовых центров кристаллизации графитовой фазы;
  
• 
  Образование графита разложением ранее образовавшегося цементита (рис. 12.3).
  

В литейном цеху при плавке чугуна применяются шихтовые материалы, топливо и флюсы (для получения невязкого текучего шлака данного состава). Кроме этого для получения чугуна заданного химического состава применяются различные ферросплавы. При производстве модифицированного чугуна с пластинчатым графитом вводится ферросилиций и силикокальций, для шаровидного–например, сплав магния с кремнием и железом. При производстве того или иного чугуна ведется расчет шихты с учетом угара марганца и кремния.


Рис. 12.3. Схема образования структур при графитизации
Графитовые включения рассматриваются как пустоты. Это, своего рода дефекты, вокруг которых возникают напряжения. В наибольшей мере разупрочняют металл графитовые включения пластинчатой формы. Т.о. чугун – сталь с большим количеством микротрещин. Графитовые включения – концентраторы напряжений и при растягивающих нагрузках от них развивается трещина. Поэтому предел прочности при растяжении у чугунов в 5 раз меньше, чем у сталей. При сжимающих нагрузках края графитовых включений спрессовываются и их отрицательная роль не проявляется и предел прочности на сжатие у чугунов такой как у стали. Наличие графита резко снижает сопротивление материала при жестких способах нагружения: сопротивление разрыву, удару. У серых чугунов обнаруживается заниженная пластичность до 0,5%, у ковких – 5-10%, высокопрочных – до 15%. Несмотря на все это, у графита есть положительные стороны:

• 
  графит улучшает обрабатываемость резанием, т.к. образуется ломкая стружка;
  
• 
  по сравнению со сталью чугун имеет лучшие антифрикционные свойства и низкий коэффициент трения, т.к. наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;
  
• 
  из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и резонансные колебания и имеет повышенную циклическую вязкость;
  
• 
  детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, переходы в сечениях, отверстия), к которым сталь очень чувствительна;
  
• 
  чугун дешевле стали.
  

12.12. Структура и свойства чугунов

Белый чугун - это чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии. Белый чугун для изготовления деталей машин не используют, поскольку он обладает высокой твердостью (НВ=450-550), хрупок и практически не поддается обработке режущим инст­рументом. Излом белого чугуна белый, т.к. он состоит в основном из ледебурита.

Половинчатый чугун - это чугун, в котором углерод частично находится в связанном состоянии, а другая его часть свободная (в ви­де графита). Этот чугун, как и белый, не используется для изго­товления деталей машин. Его чугун получают после доменного производства, т.к. кремний способствует образованию графита, а марганец – образованию цементита. При повышенном содержании кремния, который способствует образованию графита, получают серый чугун с длинными пластинами, которые способствуют образованию микротрещин.

Серый чугун - чугун, в котором почти весь углерод находится в свободном состоянии (графит). Название серый чугун получил по цвету излома. В микрострук­туре чугуна различают металлическую основу (феррит, феррит + пер­лит, перлит) и графитные включения в виде пластин, хлопьев, сферолитов (шаров) – рис. 12.4.



Рис. 12.4. Микроструктура чугуна с различной формой графита
Различают: обычный серый чугун (содержит пластинчатые формы графита), ковкий чугун (содержит графит в виде хлопьев), высокопрочный чугун (содержит графит в виде сферолитов – шаровидной формы).

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны являются широко рас­пространенными и дешевыми литейными конструкционными мате­риалами.

В определенных случаях наличие графита дает преимущество чугуну перед сталью: хорошие литейные свойства, обрабатываемость чугуна резанием, хорошие антифрикционные свойства, устойчивость поверхности к надрезам и т.д.

Обычные серые чугуны содержат кроме углерода (графита), кремний, мар­ганец, фосфор, сера и др. сопутствующие примеси, которые влияют на его структуру и свойства.

Серый обычный чугун маркируется буквами С (серый) и Ч (чугун) и 2 цифрами, показывающими предел прочности при растяжении и сопротивление изгибу в кГ/мм². Стандартные марки чугунов (ГОСТ 1412-85): СЧ10-28, СЧ24-44, СЧ32-52.

Химический состав чугунов стандартных марок:

Серые обычные: 2,9-3,7 % С, 1,2-2,6 % Si; 0,5-1,1 % Мn; не более 0,2-0,3 % Р и 0,12-0,15 % S.

Учитывая механические свойства, следует применять серые чугуны для деталей, подвергающимся сжимающим и, в худшем случае, изгибающим нагрузкам.

По виду металлической основы (рис. 12.5) обыкновенный серый чугун может быть перлитным (СЧ 44-64), феррито-перлитным, ферритным (СЧ 12-28).



Рис. 12.5. Микроструктура серого чугуна
Для наиболее ответственных деталей применяются перлитные чугуны. Наибольшие механические имеют модифицированные чугуны. В ковш с жидким чугуном вводят модификатор – ферросилиций, силикокальций и др., которые составляют 0,4-0,8% от массы жидкого чугуна, предварительно размельченных до 2-10 мм. При затвердевании такой чугун имеет благоприятную форму графита – мелких завихренных пластин и перлитную структуру металлической основы.

Из серых чугунов изготавливают детали, подвергаемые сжимающим нагрузкам или небольшим изгибающим: гильзы, поршневые кольца, станины, диски сцепления, седла клапанов, головки цилиндров, товары массового потребления и т.д.

Высокопрочные чугуны маркируют BЧ40-10, ВЧб0-2 (первая цифра –предел прочности при растяжении, последняя цифра – относительное удлинение в %) и т.д. Состав – металлическая основа (перлит, перлито-феррит или феррит) и шаровидный графит. При шаровидной форме отдельные графитовые включения разобщены, благодаря чему повышаются механические свойства. Эти чугуны обладают еще и повышенной пластичностью и они с успехом применяются для отливки ответственных деталей тяжелонагруженных деталей машин, заменяющих стальные отливки. Чугуны с перлитной основой имеют высокие показатели прочности при высокой ударной вязкости.

При модифицировании (0,4-0,6%) применяются такие поверхностно-активные вещества, как магний, церий, кальций и др., способствующие образованию шаровидного графита (происходит образование соединений с углеродом и дислокационным механизмом наслоение на него атомов графита по спирали). Присадка магния в открытые ковши сопровождается бурным кипением и выбросом металла (магний горюч), поэтому обработка чугуна ведется в закрытых ковшах. Недавно стали обрабатывать в открытых ковшах и применять тяжелые лигатуры магний-церий-железо.

Высокопрочные чугуны приобретают все большее применение за счет повышения механических свойств модифицированием. Такие чугуны имеют предел прочности до 1200 МПа и относительное удлинение до 17%. По сравнению со сталями с такими же свойствами чугуны имеют большое преимущество – детали можно изготавливать литьем, а стальные изделия – сваркой или обработкой давлением. Единственная обработка – это удаление припусков и напусков, что прекрасно переносит чугун при больших скоростях резания.

По сравнению с серыми чугунами детали из высокопрочного чугуна с такими же прочностными свойствами имеют меньшую массу, поэтому можно изготавливать тонкостенные детали.

Применение: канализационные и др. трубы, валки прокатных станов, изложницы, резцедержатели, другие детали станков и т.д.

Ковкие чугуны маркируют КЧ30-6 (первая цифра – предел прочности при растяжении, последняя цифра – относительное удлинение в %), КЧЗЗ-8, КЧ35-10 и т.д.

Состав КЧ: 2,5-3,0 % С; 0,7-1,5 % Si; 0,2-1,0 Мn; до 0,2 % S; до 0,18% P.

Такой чугун получается в процессе длительного отжига при температурах 950-1000 ⁰С из белого чугуна. Из белого при помощи коагуляции карбидов и разложение цементита на смесь феррита и хлопьевидного графита за счет выделения большой внутренней энергии внутри карбидов. В зависимости от способа плавки ковкий чугун может быть с ферритной основой (при полной графитизации 3-4 суток) и перлитной основой (при графитизации с одновременным обезуглероживанием). Наилучшие механические и технологические свойства приобретают перлитные чугуны за счет дисперсности.

Легированный чугун. В зависимости от состава легирующих элементов: низколегированные – до 2,5%; среднелегированные – 2,5-10%; высоколегированные – выше 10% легирующих элементов. В состав низколегированного чугуна входят хром, никель, медь и реже молибден. Применяется для тонкостенных деталей ответственных машин. Среднелегированный – износоустойчивый при повышенных температурах, высоколегированный – коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитен.

Антифрикационные чугуны маркируют ЛЧС-1, ЛЧС-2, ЛЧС-3 и т.д. (1,2,3 - порядковые номера по ГОСТу, С-серый чугун), АЧВ - высокопрочный, АЧК - ковкий чугун. Эти чугуны используются для изготовления литых изделий (подшипников скольжения и др.), рабо­тающих в узлах трения со смазкой (малые потери на трение и малая скорость изнашивания (стального вала).

Отбеленный чугун имеет на поверхности структуру белого чу­гуна, а в сердцевине - структуру серого чугуна. Отбел (до 12-30 мм глубины) является следствием быстрого охлаждения поверхности при отливке чугуна в кокили, земляные формы. Отбеленный чугун обла­дает высокой твердостью поверхности и т.о. высокой износостойко­стью (в условиях абразивного износа). Отбеленный чугун применяют для изготовления колес и т.д..

13. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
13.1. Кислородно-конвертерное, мартеновское производство стали и производство стали в електропечах

Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие до 1,5 % уг­лерода. Кроме углерода, сталь содержит марганец (до 0,8 %), кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %).

Для производства стали используют передельный чугун и стальной скрап (лом). По химическому составу сталь отличается от передельного чугуна содержанием углерода, марганца, кремния, серы, фосфора и др. элементов. Поэтому производство стали сводится к проведению окислительной плавки для удаления избытка углерода, марганца и др. примесей.

В технике использу­ют легированные стали с хромом, никелем и пр. Существует свыше 1500 марок сталей.

Наряду с выплавкой стали проводят такие процессы, как раскисление, легирование, рафинирование и т.д.
13.1.1. Кислородно-конвертерный процесс

Сущность его заключается в том, что налитый в плавильный агрегат (конвертер) расплавленный чугун продувают струёй кислорода сверху через фурмы под давлением 0,9-1,4 МПа. В больших конвертерах – до 4 фурм. Их ставят под углом к расплаву для лучшего перемешивания. Время продувки- 1,5-2,5 мин. Температуру жидкого чугуна поддерживают горячим пламенем воздуха и теплом, выделяющимся при окислительных реакциях. Для загрузки шихты конвертер наклоняют, засыпают скрап, заливают расплавленный чугун, переворачивают, вставляют фурмы и продувают. Потом засыпают часть флюса и железной руды. Остальное – в процессе сталеварения. Окончание продувки – бурое пламя, свидетельствующее о горении железа. Потом конвертер поворачивают в горизонтальное положение и берут пробы металла и шлака на химический анализ. При удовлетворительном анализе открывают лётку и через неё выпускают в ковш сталь, а через горловину – шлак в шлаковозы.

Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается в сталь, по схеме : 2Fе+О₂=2FeO ; С + FeO = CO + Fe ; Si + 2FeO = SiCО₂ + Fe ; Mn + FeO = MnO + Fe.

Раскисление стали - завершающая операция выплавки стали. Выплавка стали из чугуна и скрапа является окислительным процес­сом, поэтому сталь в конце плавки содержит растворенный кислород, ухудшающий прочность и пластичность стали. Раскисляют обычно ферросплавами, богатыми марганцем, кремнием, и алюминием: [Мn] + [О] = (MnO) + Q; [Si]+2[О]=(SiО₂)+Q; 2[А1]+3[О]=(А1₂О₃)+Q.

Существует еще бессемеровский кислородный процесс, в котором жидкий чугун продувают снизу. Недостаток – остается много азота в стали, вследствие чего появляется пористость) или горячим кислородом (недостаток – развивается большая температура, и днище печи прогорает.

Продуктивность кислородного конвертера значительно большая, чем у мартеновской печи: 400-500 тонн стали в сутки, тогда как в мартене – 80 тонн. Кроме того, не требуется топливо. Шихта расплавляется за счет тепла, которое выделяется за счет экзотермического окисления примесей. Производство стали в конвертере увеличивается, а в мартене – уменьшается.

В кислородных конвертерах получают практически все углеродистые стали и часть легированных. Из нее изготавливают кузова автомобилей, балки швеллеры и т.п.
13.1.2. Производство стали в мартеновских печах

Печь состоит из ванны 1т, где варится сталь, регенераторов 5 для нагревания воздуха и топлива. У ванны есть окна 4, в которые загружают шихту, берут пробы металла и шлака на анализ и следят за процессом. Рабочее пространство ограничено сверху сводом, снизу ванной. Оно выполнено из огнеупорного кирпича сверху со стальной арматурой. Готовую сталь выпускают через лётки, расположенные в дне ванны. Отверстия для выпуска шлака расположены выше.

Принцип регенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время нагревается до 1250-1300 ⁰С отходящими газами. Затем при помощи клапанов направление движения газов меняется автоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печи подается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку они нагреваются до 110-1200 ⁰С.


Рис. 13.1. Схема мартеновской печи
В отличие от конвертеров мартеновские печи – это агрегаты непрерывного действия. Их останавливают только для капитального ремонта через 200-1000 раз плавок стали. Объем современных мартеновских печей 200-900 тонн. Самые распространенные – 250-500 тонн с размерами ванны 20х6м и площадью пода до 115 м². Продолжительность плавки в малых печах – 3-6 ч, в больших – до 12 ч. Усовершенствование мартеновских печей приводит к использованию подвижных и двухванновых печей.

Основными составляющими шихты являются твердый и расплавленный чугун и скрап (стальные отходы). В зависимости от соотношения этих составляющих плавка делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс. В ходе скрап-процесса в ванну загружают 55-75% скрапа, 25-45% твердого чугуна; в ходе скрап-рудного процесса – 55-75% расплавленного чугуна, 12-20% руды и скрап. Чаще используют скрап-рудный процесс.

Скрап процесс применяют в печах емкостью до 100 тонн для выплавки качественной стали на машиностроительных и малых металлургических заводах, где нет доменных цехов. Флюсом служит известняк. Заправка печи проводится перед каждой плавкой.

В период плавления очень важное значение имеет процесс шлакообразования. Химический состав, свойства, количество и температура определяют ход плавки. При плавлении чугуна и скрапа входящие в их состав марганец и кремний почти полностью окисляются избыточным кислородом печных газов, а также окисью железа , образующейся в результате его окисления по реакции : 2Fе+О₂=2FeO. Из окислов SiO₂, MnO, FeO, CaO (флюс) и др. образуется железистый шлак. Содержащий до 45% CaO и до 15% FeO. Слой шлака покрывает поверхность металла и его непосредственное окисление кислородом прекращается. Дальнейшее взаимодействие происходит через шлак. Происходит восстановление железа и опять его окисление до окиси по реакциям: 2(FeO) + 1/2 O₂ = (Fe₂O₃); (Fe₂O₃) + Fe = 3(FeO).

Для дефосфорации стали по реакции 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄P₂O₅ + 5Fe в процессе плавления создается высокая основность шлака (CaO), большое количество окиси железа и невысокая температура. Чтобы фосфор опять не попал в сталь, часть шлака сливают. Для наведения нового шлака дополнительно загружают известь.

Для доводки (обезуглероживания) небольшими порциями загружают железную руду или через фурмы в своде продувают кислородом, создавая благоприятные условия для окисления углерода. Пузырьки окиси углерода СО вызывают энергичное перемешивание – кипение металла. Они всплывают вверх. Унося за собой вредные газы азот и водород. Кроме того, они способствуют коагуляции и всплыванию вверх неметаллических включений.

Удаление серы по реакции FeS + CaO = FeО+ CaS хорошо происходит в конце плавки (более высокая температура).

Раскисление проводят в желобе или ковше ферросплавами и алюминием.

Кроме углеродистых в мартене производят некоторые легированные стали. Неокисляющиеся элементы (никель и молибден) обычно вводят в виде скрапа. Недостающее их количество вводят в процессе кипения. Легко окисляющиеся (хром, ванадий и др.) вводят после раскисления.

После взятия контрольный проб (удовлетворительных) разделывают выпускное отверстие и выпускают металл по желобу в ковш, а шлак после в шлаковый ковш.

Скрап-рудный процесс применяется для выплавки основной массы мартеновской стали. Добавление железной руды ускоряет окислительные процессы. Для ускорения процесс в печь сначала загружают руду, известняк, скрап, хорошо их прогревают и заливают расплавленный чугун. По окончании заливки чугуна ванну продувают кислородом через фурмы в своде. Шлакообразование и кипение проходят так же, как и в скрап-процессе.

Этим процессом выплавляют только углеродистые стали, т.к. чугун и руда приносят в металл много вредных примесей. Вместе с тем этот процесс более экономичен.
13.1.3. Производство стали в электропечах

Электрические печи – это усовершенствованные печи по сравнению с конвертерами и мартенами. Нагревание шихты регулируется изменением силы дуги. Над расплавом можно создать любую атмосферу: окислительную, нейтральную или вакуум. Расплавленная шихта нагревается до большей температуры и поэтому можно легировать сталь тугоплавкими компонентами – вольфрам, молибден, ниобий и др. Электросталь содержит наименьшее количество серы и фосфора. В электродуговых печах выплавляют наиболее качественные конструкционные, высоколегированные, нержавеющие, жаропрочные и др. стали.

Электродуговая печь. Дуговая печь (рис. 13.2) изготовлена в форме цилиндра с плоским дном. Снаружи окутан в прочный стальной кожух, внутри футерован огнеупорными материалами: основными и кислыми. Съемный свод 2 имеет отверстия для угольных или графитовых электродов 3. В стенке корпуса 1 расположено окно 4, в которое сливают шлак, загружают ферросплавы для раскисления, берут пробы. Готовую сталь выливают в выпускное отверстие, которое имеет сливной желоб 7.

Нагрев и расплавление металла осуществляется между тремя электрическими дугами, образующимися между каждым электродом и проплавленной шихтой (ванной). Трехфазный ток подводится к электродам от понижающего трансформатора. Рабочее напряжение в малых печах – 100-200 В, в больших – 400-600 В. Сила тока составляет до десятков тысяч ампер.

Электроды в процессе плавки сгорают, их наращивают, свинчивая с новыми электродами. Быстрое опускание и подъем их осуществляется подъемными механизмами. В печах емкостью более 25 тонн имеются вибрационные механизмы для перемешивания металла.

При окислительном периоде дефосфорацию проводят в несколько этапов постоянно сливая шлак и наводя новый добавками руды и извести. Обеспечивают очень хорошее удалении фосфора – до 0,01%. Удаление углерода осуществляется продувкой кислородом.



Рис. 13.2. Электродуговая печь


Задачами восстановительного процесса являются раскисление стали, удаление серы и доведение состава металла до заданного. Интенсивное раскисление ферромарганцем, ферросилицием и алюминием позволяет получать высококачественную сталь. Удаление серы значительно лучше, чем в мартеновских печах – до 0,01%.

Легирование проводят также, как и в мартенах.

Индукционная печь. Тепло получается за счет индуцируемого в металле электрического тока. Плавку металла проводят в тигле, изготовленном из основных или кислых материалов. Вокруг располагается спиральный многовитковый индуктор, изготовленный из медной трубки, в которой циркулирует охлаждающая вода. Различают высокочастотные (10-1000 кГц), работающие на повышенной частоте (500-10000 Гц) и промышленные печи (50-60 Гц). При пропускании тока через индуктор в металле, находящемся в тигле, индуктируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция металла, что способствует ускорению химических реакций, выравниванию химического состава, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравнивание температуры.

Применение электроэнергии позволяет получать более высокие температуры и более точную их регулировку, поэтому в индукционных печах выплавляют нержавеющие, жаропрочные стали и др.

Повышение качества стали позволяет получать более высококачествен­ные стали и пр. К нему относится рафинирование – очищение стали от примесей:

• 
  очищение стали от примесей при помощи вакуумирования. Чтобы сталь не поглощала в себя кислород извне. Ее переносят в вакуумную камеру, создают над ней давление и выделившийся газ отсасывают;
  
• 
  продувка аргоном через пористые пробки в ковше. Аргон ускоряет химические реакции, коагулирует и выводит неметаллические включения, выводит газы на поверхность, измельчает зерна и т.д.;
  
• 
  очищение синтетическими флюсами. Сталь на большой скорости льется в ковш и перемешивается с флюсами, которые всплывают на поверхность.
  

13.2. Разливка стали

Изложницами называют чугунные формы, в которых кристаллизуется и приобретает соответствующие формы расплавленная сталь или другой сплав. Такой металл называется отливками. Изложницы футеруют шамотным кирпичом.

Разливка сверху – при этом способе сталь выливают из ковша сверху в каждую изложницу отдельно. Этот способ широко используется для изготовления больших отливок. Объемная усадка примерно 6%. Способ простой, отсутствуют затраты на заполнение литника, но дает малое качество поверхности.

Разливка снизу – разливкой снизу одновременно заполняют 4-60 изложниц сразу. Изложницы устанавливают на поддон, в центре которого размещен литник в виде трубы, соединенный с изложницами каналом, по которому течет расплавленный металл. Можно отливать малые и большие отливки, хорошее качество поверхности. Недостатки: затраты на заполнение литника, сложность соединения изложницы и литника.

Недавно внедрена в производство непрерывная разливка стали: горизонтальная и вертикальная. Но для нее нужна непрерывное производство стали.
13.3. Кристаллическое строение слитка

После разливки стали в изложницы формируется слиток. Возле стенок изложницы зарождается большое количество центров кристаллизации и появляется мелкокристаллическая зона. Вторую зону называют зоной столбчатых кристаллов. Кристаллиты в этой зоне направлены перпендикулярно к стенкам изложницы, т.е. в сторону отведения тепла. Третья зона равновесных кристаллитов формируется из оставшихся кристаллов и их размер влияет как на механические свойства, так и на коррозионные свойства.
13.5. Технико-экономическая оценка

При использовании того или иного способа выплавки следует учитывать расходы на каждой стадии процесса: от стоимости руды, кокса, исходного материала и т.д. до затрат на теплоту и пр. Если выплавка, например, в электропечах позволяет получать более каче­ственную сталь, то и расходы на нее значительно большие.
14. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
14.1. Алюминий.

Алюминий был впервые открыт в 1827 году, но в настоящее время его производят больше, чем какого-либо другого металла, кро­ме железа. Быстрый рост производства объясняется исключительно ценными для современной техники свойствами алюминия, наличием обширных источников сырья и техническим совершенством способа производства.

Алюминий - металл серебристо-белого цвета, находится в III-й группе Периодической системы Д.И.Менделеева.

Алюминий легкий (плотность 2,7*10³ кг/м³), легкоплавкий (Т_L = 660°С) металл. Он монотропен; имеет одну кристаллическую ГЦК-решетку с параметром а=0,404 нм и обладает высокой пла­стичностью, тепло- и электропроводностью.

Атомная масса 27 а.е.м. Ковкость алюминия очень высока. Его можно обрабатывать как в горячем, так и в холодном состоянии, вытягивать из него проволоку и прокатывать фольгу.

Электронная конфигурация атома алюминия Is² 2s² 2р^б 3s² Зр¹. На внешнем электронном слое атома есть неспа­ренный электрон. В возбужденном состоянии: 3S¹sP². Поэтому во всех устойчивых соединениях степень окисления алюминия равна +3. При соединении с кислородом образующаяся на его поверхности тонкая плотная пленка оксида А1₂O₃

4А1+3O₂ =2А1₂О₃.

обладает хорошим сцеплением с металлом. Она малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах. Алюми­ний стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых орга­нических кислотах (лимонной, уксусной). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.

Из соединений алюминия наибольшую известность имеет окись алюминия А1₂О₃. Окись алюминия - вещество белого цвета, туго­плавкое (Т_l  2045°С), отличается высокой твердостью. Природная окись алюминия - корунд - по твердости уступает только алмазу. Порошкообразный корунд - наждак применяется для шлифовки из­делий. Прозрачные окрашенные разновидности корунда - красные рубины и голубые сапфиры - являются драгоценными камнями.

Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Из-за высокой химической активности он не встречается в природе в свободном состоянии. К природным соединениям, содержащим алю­миний относят алюмосиликаты, бокситы, корунд, каолинит.
14.2. Производство алюминия

Природное сырье для производства алюминия – бокситы, нефелины, алуниты и др. Самые распространенные – бокситы. Они содержат 50-60% глинозема, 10-30% воды, остальное – кремнезем, оксид железа, оксид титана.

Алюминий производят в два этапа: сначала из бокситов получают глинозем, затем из глинозема – алюминий. Глинозем получают 3 способами: электротермическим, кислотным и щелочным:

• 
  Электротермический метод – получение в электропечи соединений алюминия, которые находятся в минерале. Такие некачественные соединения алюминия применяются для шлифовальных кругов и других абразивных изделий.
  
• 
  Кислотный метод – алюминиевые минералы обрабатывают соляной или серной кислотами. В процессе взаимодействия образуются соли (например, хлористый алюминий). Но для изготовления оборудования необходима кислотостойкая сталь, а это дополнительные затраты на производство алюминия.
  
• 
  Щелочной способ – самый дешевый способ получения глинозема и для оборудования необходимы дешевые углеродистые стали и чугуны. На сегодняшний день 95% глинозема производят из бокситов методом Байера: глинозем получают способом обработки бокситов щелочами (NaOH), а алюминий из глинозема – электролизом (2А1₂О₃=4А1+3О₂.). Технологическая схема получения алюминия состоит из 4 самостоятельных подсистем: производство глинозема, криолита, электродной (анодной) смеси и алюминия из глинозема.
  

Для производства 1 т алюминия необходимо использовать 2 т глинозема, 0,7 т анодной смеси, 0,1 т криолита и 16-18 МВт/год электроэнергии. Затраты на электроэнергию составляют 30% стоимости алюминия.

Получаемый алюминий называется первичным. В нем много примесей, которые ухудшают его качество. Для уменьшения содержания примесей первичный алюминий подвергают рафинированию тремя способами: продувкой расплава первичного алюминия хлором, электролизным способом (алюминий чище, чем получаемый продувкой), зонным переплавом (особо чистый алюминий).

14.3. Алюминиевые сплавы

В техническом алюминии всегда присутствуют одновременно железо и кремний, поэтому его можно рассматривать как тройной сплав Al-Fe-Si.

Из-за низкой прочности технический алюминий применять как конструкционный материал нецелесообразно. Его широко исполь­зуют для изготовления ненагруженных деталей и элементов конст­рукций, когда основную роль играют его малая плотность, высокая пластичность, коррозионная стойкость, хорошая свариваемость. Вы­сокая электропроводность и малая плотность позволили использовать его в электротехнике в качестве проводникового материала. Из-за от­ражательной способности из него делают рефлекторы, зеркала, экраны телевизоров. Коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий в строительстве, в быту.

Наибольшее количество алюминия расходуется для произ­водства сплавов на алюминиевой основе, которые благодаря их малой плотности позволяют значительно снижать массу конструкций.

Классификация алюминиевых сплавов:

- деформируемые; - литейные; - спеченные.

Принадлежность сплава к той или иной группе определяется типом диаграммы состояния.

Р
ис. 14.1. Диаграммы состояния системы Al –Cu
В схематическом виде диаграмма состояния сплавов на алюми­ниевой основе представлена на рис. 14.1.

Сплавы, в которых суммарное количество добавляемых эле­ментов меньше количества, соответствующего точке S, в твердом со­стоянии будут однофазными, т.е. являются твердыми растворами. Они пластичны. Поскольку в них не происходит фазовых превраще­ний, упрочнить такие сплавы термической обработкой невозможно.

В сплавах с содержанием легирующих элементов больше кон­центрации в точке S при охлаждении выделяются избыточные фазы - вторичные кристаллы. Характер их зависит от состава сплава в соот­ветствии с диаграммой состояния. Избыточные фазы упрочняют сплав, делают его твердым, прочным, но менее пластичным.

В структуре сплавов, лежащих правее точки Е, имеется рав­новесная эвтектика, не устраняемая никакой термической обработ­кой. Способность этой группы сплавов к пластической деформации (из-за эвтектики) снижается, а литейные свойства возрастают.

Таким образом, все алюминиевые сплавы, химический состав которых лежит левее точки Е, относятся к деформируемым (областьА), а сплавы состава правее точки Е - к литейным (область В).

Деформируемые алюминиевые сплавы классифицируют также по склонности к термическому упрочнению:

- не упрочняемые термической обработкой (левее точки S);

- упрочняемые термической обработкой (правее точки S).

Наконец, все алюминиевые сплавы классифицируют по свойст­вам - сплавы повышенной прочности;

-конструкционные;

-высокопрочные;

-жаропрочные.

Термическая обработка алюминиевых сплавов основана на изменении растворимости в  -твердом растворе интерметаллидных фаз (CuAl₂, А1₂CuMg, Mg₂S_і и др.). Необходимая скорость охлаждения при закалке определяется скоростью выпадения избыточных фаз (интерметаллидов) из пересыщенного  -твердого раствора, зафиксированного при закалке. После кристаллизации предел прочности сплава _В = 20 кгс/мм². В свежезакаленном состоянии _В = 25 кгс/мм². После естественного старения в течение 4-5 суток _В =43кгс/мм². В первые 2-3 часа (инкубационный период) скорость упрочнения очень мала, и в этот момент сплав обладает большой способностью к пластической деформации и закаленные детали можно подвергать технологическим операциям, связанным с деформацией (расклепке заклепок, гибке и т.д.). Зависимость _В от времени старения приведена на рис. 14.2.
Рис. 14.2. Кривые старения дюралюминия при различных температурах

Естественно состаренное состояние сплава является неустойчивым и при температуре 200-250 ⁰С сплав разупрочняется и свойства соответствуют свежезакаленному, микроструктура которого показана на рис. 14.3.



а б

Рис. 14.3. Структура сплава Al+4%Cu, х100: а – отожженного; б – закаленного
Из этого рисунка также видно, что отожженный сплав в своей структуре имеет мелкие вкрапления соединения CuAl₂, тогда как в закаленном сплаве этого не видно. Теоретические предположения состоят в том, что эти вкрапления выделяются очень маленьких размеров.
14.3. Типы сплавов

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обра­боткой. К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМ_ц – до 1,6% Мn), магнием (AM_г 1 – 1,5% Mg, AM_г 3 – 3,5%Mg, AM_г 5, AM_г 6), а также техниче­ский алюминий (АД, АД1, АД10).

Особыми преимуществами этих сплавов является их высо­кая пластичность, коррозионная стойкость и свариваемость. В то же время прочность их невысокая.

Из сплавов АМц и АМ₂ изготовляют листы, прутки, проволо­ку.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Эти сплавы делят на:

- сплавы повышенной пластичности (на базе Al-Mg-Si);

- конструкционные сплавы (Al-Cu-Mg);

- ковочные сплавы (Al-Mg-Si-Cu) – АК1 (близкий по свойствам к дюралюминию), АК6, АК8. Добавление кремния повышает предел текучести;

- высокопрочные (Al-Zn-Mg-Cu);

- жаропрочные (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn).

Сплавы повышенной пластичности - авиали (АВ) обладают хорошей свариваемостью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Из сплавов АВ, АДЗ1 и других получают листы, трубы, прессованные профили, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, ра­мы, двери.

Конструкционные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg называются дуралюминами (дюраль) - наиболее старые сплавы, ши­роко применяемые в различных областях техники.

Дуралюмины состоят из твердого раствора  и упрочняющих фаз  (CuAl₂) и S(A1₂CuMg). Примеси Fe, Si, Мn взаимодействуя с А1, Сu, Mg, образуют вредные интерметаллиды, отрицательно влияющие на пластичность и коррозионную стойкость дюралей.

Дюралюминий – самый распространенный деформируемый и упрочняемый термообработкой сплав. Распространенные марки Д1, Д16 (повышенное содержание магния до 1,8%). Заклепки из сплава Д1 ставят не позднее, чем через 2ч, из Д16 – через 20 минут. Сплав Д18 можно расклепывать в состаренном состоянии, но он обладает пониженной прочностью.

Структуру различных фаз алюминиевых сплавов можно всегда найти в справочной литературе с альбомами.

Дюрали широко применяют в авиации, в автомобилестрое­нии и для строительных конструкций. Из Д1 изготавливают лопасти воздушных винтов, из Д16 - обшивки, шпангоуты. Их используют для кузовов грузовых автомобилей, труб и т.д. Сплавы Д18 и В65 явля­ются основными заклепочными сплавами.

Ковочные сплавы АК (Al-Cu-Mg-Si). Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластиче­ской деформации. По составу АК5, АК6, АК8 близки к дюралям, но в них содержится кремний. Из Сплава АК6 изготавливают штампо­ванные и кованные детали сложной формы и средней прочности (подмоторные рамы, фитинги, крепеж), а из АК8 - высоконагруженные детали. Оба сплава имеют низкую коррозионную стойкость и нужда­ются в защите.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) состоят из матрицы и интерметаллидов  (MgZn₂), Т(А1₂Mg₃ Zn₃), S(A1₂CuMg). Эти сплавы прочные, но имеют малую пластичность, вязкость разрушения и коррозионную стойкость под напряжением. В основном их применяют в самолетостроении и автомобилестроении.

Литейные алюминиевые сплавы.

Наиболее распространенными сплавами в этой категории яв­ляются силумины - сплавы в системе Al-Si.

Двойные низкоплавкие алюминиево-кремнистые сплавы (эвтектика Al+12-13%Si) почти не упрочняются в результате закалки и старения. Поэтому повышение механических свойств происходит в жидком состоянии путем модификации небольшого количества натрия и др. веществ, которые чуть сдвигают вправо эвтектику и понижают эвтектическую температуру. Сплав становится доэвтектическим и состоит из светлых первичных выделений алюминия и еще более мелкой эвтектики из-за пониженной температуры. Этот сплав (АЛ2) применяется для отливок сложной формы, не требующих высоких механических свойств. При более высоких требованиях прочностных характеристик применяют специальные силумины – доэвтектические с 4-11% Si и добавкой меди, магния, марганца (АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9). Наиболее высокими механическими и антикоррозионными свойствами обладает сплав АЛ8 с добавлением 9,5-11,5%Mg (магналии). Для особо сложных отливок применяется сплав АЛ11 с добавкой 10-14%Zn.

Эти сплавы используют для изготовления изделий различными методами литья: в изложницы, по выплавляемым моделям, под давле­нием и пр.

Жаропрочные алюминиевые сплавы_АК2, АК4-1 (Al-Cu-Mg-Si с добавками Fe и Ni) и Д20 (А1-Сu-Мn с добавками Ti и Zr). Они сохраняют высокие механические свойства до 200-300°С и используются в деталях, рабо­тающих при температурах до 300°С (поршни, головки цилиндров и т.д.). Термическая обработка таких сплавов заключается в закалке от 510-520 ⁰С с последующим искусственным старением в течение 15-20 часов при 100-180 ⁰С.

Сплавы АК2, АК4 применяют для изготовления поршней в цилиндрах, т.к. они имеют максимальную теплопроводность, минимальные коэффициент теплового расширения и плотность. Такие сплавы выдерживают температуру до 1800 ⁰С.

Литейным жаропрочным алюминиевым сплавом является сплав АЛ1 следующего состава: 3,75-4,5%Cu; 1,25-1,75%Mg; 1,75-2,25%Ni; <0,8%Fe; <0,7%Si; <0,3%Zn. Жаропрочность обусловлена образованием при кристаллизации жесткого каркаса из интерметаллидных соединений.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов.

Буква Д в начале марки обозначает сплавы типа дюралюминов. Буква А в начале марки - это технический алюминий. АК - ковкий алюминий. В - высокопрочный алюминий, АЛ - литейные сплавы алюминия. После этих букв отмечается условный номер сплава. После номера встречаются буквы: М-мягкий (отожженный), Т - тер­мически обработанный (закалка+старение), Н - нагартованный, П - полунагартованный и т.д.

15. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
15.1. Медь

Медь - тяжелый металл ( = 8,94*10³ кг/м³) красно-розового цвета. Находится в 1 группе Периодической таблицы. Полиморфных превращений не имеет. Кристаллизуется в ГЦК-решетке с параметром а=0,36074 нм. Характеризуется исключительной пластичностью, элек­тропроводностью и теплопроводностью. Около 40 % добываемой ме­ди идет на изготовление электрических проводов и кабелей.

Электронная структура внешних оболочек меди Зs²3p⁶3d^l04s^l. Наличие одного неспаренного электрона во внешнем электронном слое атома объясняет одновалентное состояние. При возбуждении атома электрон из 3d¹⁰ может переходить во внешнюю 4р оболочку.

Поэтому для меди типичны валентности +2 и +3. Наиболее ус­тойчивы соединения меди СuО, CuSO₄ и др.

С кислородом медь образует оксид меди:

2Cu + О₂ = CuO,

а на воздухе (влажном) медь покрывается зеленовато-серой пленкой основных карбонатов (СuОН)₂ СО₃ *Н₂О.

На поверхности меди, как правило, образуется тонкая оксидная пленка, предохраняющая от дальнейшего окисления. Таким обра­зом, медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и мор­ской воде, щелочах, органических кислотах. Однако азотная, соляная, серная кислоты и аммиак "разъедают" медь. Механические свойства меди низки, поэтому в качестве конструкционного материала медь находит ограниченное применение. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе.
15.2. Латуни

Латунями называют сплавы меди с цинком. Из цветных сплавов латуни самые распространенные. Латуни обозначают буквой Л, справа от которой пишут легирующие элементы кроме цин­ка, затем цифру - процент меди. Так, Л90 содержит 90 % меди, ос­тальные 10 % Zn, ЛАЖМц 66-6-3-2 означает латунь, содержащую 66 % Сu, 6 % А1, 3 % Fe, 2 % Mn. Остальное – 23 % Zn.