Материаловедение. Лекция Материаловедение и технология конструкторских материалов.. И технология конструкционных материалов металлы и сплавы железоуглеродистые сплавы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Основными структурами железоуглеродистых сплавов являются: - феррит, - цементит, - аустенит, - перлит, - ледебурит, - графит. Феррит – твердый раствор углерода в α –Fe. Предельное содержание углерода при 723 °С ≈ 0,02 %, при 20 °С ≈ 0,006 %. Феррит по свойствам близок к чистому железу, он мягок, его твердость HВ = 60…80, отличается высокой пластичностью. Цементит карбид железа (Fe 3 С) – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Цементит является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Он способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, является неустойчивым и распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ = 800) и хрупок. Аустенит – твердый раствор углерода в γ - Fe . Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Аустенит устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Cr устойчив при обычных и даже низких температурах. Твердость аустенита НВ = 170…200. Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется в процессе распада аустенита при 723 °С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Mn способствуют образованию перлита и при меньшем содержании углерода. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой). Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита. Прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого. Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130 °С и содержании углерода 4,3 %. Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ = 700), хрупок. Графит – мягкий и хрупкий компонент чугуна, состоящий из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Диаграмма состояния «железо-углерод» Рис. 6 . Диаграмма состояния железо-углерод ( а ): I – жидкий сплав; II – жидкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; VIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит, ледебурит; XII – цементит, ледебурит; ( б ) ориентировочные отношения структурных составляющих в различных областях диаграммы МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Диаграмма состояния «железо-углерод» На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов на оси ординат отложена температура , на оси абсцисс – содержание углерода в процентах . Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния системы «железо–графит» , так как возможен распад цементита. Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода. Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, то есть тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Линия ACD – линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), Лини я AECF – линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS – начало выделения феррита, Линия SE – начало выделения вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит. Линию GSC называют линией верхних критических точек, Линию PSK – линией нижних критических точек. Знание их необходимо при проведении термической обработке сталей. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Диаграмма состояния «железо-углерод» В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы получают следующие названия: – при содержании углерода до 0,83 % – доэвтектоидные стали; – при содержании углерода, 0,83 % – эвтектоидные стали; – при содержании углерода 0,83…2,14 % – заэвтектоидные стали; – при содержании углерода 2,14…4,30 % – доэвтектические чугуны; – при содержании углерода 4,30…6,67 % – заэвтектические чугуны. С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах меняется и структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается количество феррита. Чем больше углерода в сплавах , тем выше их твердость и прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Производство чугуна Чугун выплавляют в доменных печах из руд, содержащих 20…70 % железа. В руде, кроме железа, имеется пустая порода, состоящая из различных природных химических соединений (SiO 2 , А1 2 О 3 и др.) и вредных примесей (серы, фосфора). Наиболее часто применяемые железные руды: красный, магнитный, бурый и шпатовый железняк и легированные руды. Железные руды перед загрузкой в доменную печь подвергаются предварительной подготовке: - дроблению, - промывке, - обогащению, которое производится путем магнитной сепарации, - спеканию (агломерации) мелочи в более крупные куски. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Производство чугуна Чугун выплавляют в доменных печах , представляющих собой вертикальные шахтные печи. Полезный объем современных действующих печей достигает 5000 м 3 . Руда, агломерат, кокс и флюсы загружают в домну перемешивающимися слоями, которые постепенно передвигаются вниз под действием собственной массы. Горение кокса поддерживается воздухом (предварительно подогретым до 600…900 °С в воздухонагревателях), вдуваемым через фурмы под давлением 0,10…0,15 МПа. Чугун при доменном процессе получается в результате восстановления железа из руд по схеме Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → FeO → Fe. После восстановления железо находится в твердом (губчатом) состоянии в смеси с пустой породой, которая делается пористой и ноздреватой. В поры восстановленного железа проникает углерод, и железо постепено науглероживается (до 3,5…4,0 %) 3Fe + 2СО → Fe 3 С + СО 2 . Затем наступает расплавление науглероженного металла, который стекает в горн доменной печи. Так как чугун соприкасается с раскаленным коксом, то насыщение железа углеродом продолжается. При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям: SiO 2 + 2С = Si + 2CO, МnО + С = Мn + СО, Р 2 О 6 + 5С = 2Р + 5СО. Эти элементы, а также часть серы в виде FeS переходят в чугун. В ходе плавки получается шлак, который всплывает на поверхность чугуна и защищает его от окисления. Шлак выпускается через (шлаковую) верхнюю летку, расположенную выше уровня отверстия для выпуска чугуна. Затем через нижнее отверстие выпускается чугун. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Производство чугуна Рис. 7. Схема доменной печи: 1 – жидкий чугун; 2 – чугунная летка; 3 – жидкий шлак; 4 – шлаковая летка; 5 – желоб для выпуска чугуна; 6 – фурмы; 7 – желоб для выпуска шлака; 8 – топливо; 9 – руда; 10 – флюс; 11 – капли чугуна; 12 – капли шлака МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Процесс выплавки стали заключается в уменьшении количества углерода и некоторых примесей (Мn, Si, S, Р) в чугуне путем окисления их кислородом воздуха или кислородом, содержащимся в железной руде, до таких соединений, которые могут быть переведены в шлак или удалены из чугуна в газообразном состоянии. Окисление примесей происходит при участии закиси железа по следующим схемам 2Fe + О 2 = 2FeO; С + FeO = СО + Fe; Мn + FeO = MnO + Fe; Si + 2FeO = SiO 2 + 2Fe; 2P + 5FeO = P 2 O 6 + 5Fe. Наличие извести в шлаке способствует удалению серы FeS + CaO → CaS + FeO. В конце процесса окисления в сталях остается большое количество закиси железа, которые повышают хрупкость. Чтобы избавиться от нее, а также, чтобы довести содержание углерода до заданного количества, вслед за окислительным процессом немедленно проводят процесс раскисления с помощью раскислителей, которые энергично соединяются с кислородом закиси железа. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В зависимости от полноты проведения процесса раскисления жидкого металла различают: - спокойную сталь , получающуюся при полном раскислении и застывании металла без выделения газа; такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение; - кипящую сталь , получающуюся при неполном раскислении. В этом случае в процессе застывания закись железа продолжает реагировать с углеродом металла, выделяя оксид углерода в виде пузырьков. Этот процесс продолжается до выделения большей части газа; часть его еще остается в металле и при охлаждении образует газовые пузыри. В кипящих сталях образуются зоны ликвации, они характерны неравномерным распределением вредных примесей, что приводит к снижению качества стали. Достоинства кипящей стали : лучшая свариваемость, улучшение процесса обработки и более низкая стоимость по сравнению со спокойной сталью. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Получение сталей чаще всего производят в мартеновских печах (рис.8), которые могут работать на газовом и жидком топливе, подаваемом в распыленном виде. Большим преимуществом мартеновских печей являются регенераторы (из выложенного в клетку огнеупорного кирпича), используемые для подогрева холодного воздуха, необходимого для окислительного процесса и горения топлива. Регенераторы включаются попеременно через 15…20 мин; в то время как одна пара насадки нагревает воздух и газ (до 1100 °С), в другой нагревается сама насадка за счет отходящих из печи горячих газов. Смесь газа и воздуха при сгорании выделяет большое количество теплоты, необходимой для расплавления стали. В зависимости от характера примесей в сырье, внутреннюю футеровку мартеновской печи делают кислой (из динаса), когда в шихте мало кислых примесей серы и фосфора, или основной (из доломита, магнезита) позволяющей вводить в шихту известняк, который обеспечивает более полное удаление серы и фосфора. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Рис.8. Схема мартеновской печи МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ При получении сталей в мартеновской печи различают: - чугунно-рудный процесс , при котором используют жидкий чугун непосредственно из доменной печи, а железная руда (до 25 %) вводится для окисления примесей (из руды также дополнительно восстанавливается железо); - скрап-процесс, при котором сырьем может быть жидкий или твердый чугун, скрап (металл) и известняк. В мартеновской печи шлак, всплывающий на поверхность металла, защищает его от окисления кислородом. Особенность получения сталей в мартеновских печах заключается в возможности использования жидкого чугуна, металлического лома и железной руды. В настоящее время вместимость мартеновских печей доходит до 900 т. Показатели работы мартеновских печей: - расход топлива (100…200 кг условного топлива на 1 т стали) и съем стали (9..22 т с 1 м 2 пода печи в сутки). Для интенсификации мартеновского процесса в настоящее время используют кислород, что позволяет получать более высокие температуры, уменьшить количество продуктов горения, а также ускорять плавление шихты с общим увеличением производительности печей на 25…30 %. Значительный эффект по выходу стали обеспечивает также автоматизация процессов регулирования плавки стали. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В основу конверторного способа получения сталей положена продувка воздухом жидкого чугуна с малым содержанием серы и фосфора. Конвертор (рис.9) имеет грушевидную форму. Его вместимость до 300 т, внутри он футерован кислым огнеупорным материалом. Жидкий чугун заливается через горловину на 20…25 % его высоты, когда конвертор находится в горизонтальном положении. Сжатый воздух под давлением 0,3…0,35 МПа поступает через специальные отверстия, равномерно распределенные по днищу конвертора. Раскислители вводят в конвертор через горловину после окончания продувки. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Особенности конверторного способа: быстрота процесса; применение чугунов с минимальным содержанием фосфора (0,085 %) и серы (0,065 %), так как при продувке воздухом количество этих примесей не уменьшается; возможность применения только жидкого расплавленного чугуна. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается в результате химических реакций окисления углерода и находящихся в чугуне примесей. Рис. 9. Схема положения конвертора: а ) при заливке чугуна; б ) при его продувке; в ) при разливке стали в ковш МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Особенности конверторного способа: быстрота процесса; применение чугунов с минимальным содержанием фосфора (0,085 %) и серы (0,065 %), так как при продувке воздухом количество этих примесей не уменьшается; возможность применения только жидкого расплавленного чугуна. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается в результате химических реакций окисления углерода и находящихся в чугуне примесей. Кислородно-конверторный способ производства стали – наиболее перспективный. Он основан на возможности широкого применения кислорода с продувкой в конверторе сверху через специальные фурмы и повышения доли скрапа, подаваемого в печь, а также снижения содержания азота в сталях. Использование кислорода совместно с водяным паром и углекислотой позволяет довести качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартеновских и электропечах. В тех случаях, когда в чугунах содержится значительное количество фосфора и в него приходится |