ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. Железоуглеродистые сплавы

• Название: Железоуглеродистые сплавы
• Дата: 12.07.2019
• Размер: 1 Mb.
• Имя файла: ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ.docx
• Тип: Документы; #83997
• страница: 4 из 4

4 Производство стали

Общие сведения. На металлургических заводах сталь получают из жидкого передельного чугуна с добавкой стального лома в кислородных конвертерах и мартеновских печах. На машиностроительных заводах сталь плавят из стального лома с добавкой твердого передельного чугуна в мартеновских, электрических дуговых и индукционных печах. В процессе плавки во все плавильные агрегаты добавляют флюсы для осуществления окислительно-восстановительных реакций и защиты расплавленного металла от воздействия окислительной воздушной среды.

По сравнению с чугуном в стали содержится меньше углерода и примесей кремния, марганца, серы и фосфора. Следовательно, чтобы из чугуна получить сталь, надо удалить значительную часть углерода и примесей, что делают путем окисления этих элементов. В процессе плавки окислы элементов удаляют из стали вместе со шлаком. В конце плавки из расплавленной стали отбирают растворившийся в ней кислород — сталь раскисляют. Раскислителями служат ферросплавы.

Сталь, выплавленную в конвертерах и мартеновских печах, по степени раскисления подразделяют на кипящую, спокойную и полуспокойную.

Кипящей называют сталь, раскисленную только марганцем, т. е. неполностью раскисленную. При разливке и охлаждении такой стали из нее выделяются пузырьки газов, которые создают впечатление кипения стали. Не успевшие выделиться газы образуют внутри металла пузырьки, которые распределяются по всему объему слитка. При горячей прокатке слитков кипящей стали эти пузырьки, имеющие чистые неокисленные стенки, хорошо завариваются. Стоимость кипящей стали меньше, чем спокойной и полуспокойной сталей, что объясняется меньшим расходом раскислителей при плавке и меньшим количеством отходов металла при прокатке. Кроме того, кипящая сталь предпочтительно прокатывается и штампуется. Листовой металл для глубокой вытяжки, сварные трубы делают из слитков кипящей стали. Кипящими выпускают только малоуглеродистые стали.

Спокойную сталь разливают полностью раскисленной. Спокойная сталь содержит меньше растворенных газов. Она более однородна по составу, чем кипящая сталь, поэтому обладает более высокой прочностью. Спокойную сталь используют преимущественно для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, от которых требуется высокая стабильность и равномерность характеристик по всему их сечению. Стали с содержанием углерода выше 0,2 % разливаются полностью раскисленными.

Полуспокойная сталь по степени раскисления занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной. Раскисляется не полностью марганцем и частично кремнием. Применяют такую сталь ограниченно при производстве листового металла и профилей проката, обладающих требуемой прочностью. Полуспокойными выпускают только малоуглеродистые стали (с содержанием углерода не выше 0,2 %).

Выплавка стали в кислородном конвертере. Этот способ производства стали получил широкое распространение, так как в конвертерах можно перерабатывать чугун, а также железный лом.



Кислородный конвертер 1 ( рисунок, 6) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный изнутри огнеупорными сырьеами. В конвертер сначала загружают стальной лом в количестве до 20 % от массы плавки и разогревают его. Затем заливают жидкий чугун и добавляют флюсы (известь и железную руду) для образования шлака, после чего через водо охлаждаемую медную трубу (фурму 5) в конвертер вдувают кислород под давлением около 1 МПа. Фурма может перемещаться в вертикальном направлении с помощью, направляющей 4. Газообразные продукты горения (СО, СО₂ и др.) удаляются через вытяжной зонт 3.

При продувке кислородом происходит интенсивное окисление кремния, марганца, углерода и частично железа. Окисляются также вредные примеси — сера и фосфор. Окислы переходят в шлак и удаляются из конвертера. Реакции окисления идут с выделением тепла, поэтому ликвидуса металла в конвертере повышается до 1650 °С. Продувку продолжают до тех пор, пока содержание углерода в стали не достигнет заданного предела. После раскисления стали добавляют легирующие элементы и производят выпуск стали. Общая продолжительность одной плавки около 45 мин.

В кислородных конвертерах можно получить углеродистые стали практически любого химического состава, не уступающие по качеству стали, получаемой в мартеновских печах. В настоящее время мощность кислородных конвертеров составляет 360 т; проектируются конвертеры мощностью 500 т. Выплавка стали в кислородных конвертерах—высокопроизводительный и перспективный процесс.

Выплавка стали в мартеновских печах. Мартеновская печь ( рисунок, 7)—это сложный металлургический агрегат, состоящий как бы из двух этажей: верхнего и нижнего, На верхнем этаже находится специальная ванна, выложенная из огнеупорного кирпича, в которой ведется плавка. На нижнем этаже расположены четыре камеры-регенератора 8, 8', 10, 10', стены которых выложены огнеупорной кладкой в виде решеток.

В плавильное пространство печи через окна 3 сначала загружают холодные твердые сырьеы (стальной лом и передельный чугун) и разогревают их. Затем заливают жидкий чугун, подают флюсы и железную руду для окисления примесей. По каналам б и 7 в верхнюю часть печи подводятся предварительно подогретые в регенераторах 8, 10 газ и воздух, которые смешиваются и сгорают, выделяя тепло для расплавления шлака 4 и металла I. Продукты горения отсасываются из плавильного пространства с противоположного торца печи, проходят через вторую пару регенераторов 8', 10', нагревая их, проходят через фильтры и выбрасываются в дымовую трубу 12.


При повороте перекидных клапанов II направление продуктов горения изменяется на обратное и они нагревают регенераторы 8, 10. В это же время регенераторы

8', 10' отдают накопленное тепло воздуху и газу, поступающим в печь.

В процессе плавки клапаны несколько раз переключаются. В результате продукты горения нагревают то одну, то другую пару регенераторов, а топливо (газ и воздух), также меняя направление, подаются в печь только через раскаленную пару регенераторов.

На последнем этапе плавки происходит раскисление металла. Готовую сталь выпускают, окончательно раскисляя при выпуске алюминием. Процесс плавки длится 5...7 ч; вместимость печей достигает 900 т стали.

В мартеновских печах плавят качественные углеродистые и легированные стали, из которых изготовляют прокат различных профилей, трубы, балки и другие изделия.

Выплавка стали в электрических печах. Электрические сталеплавильные печи подрразделяются на дуговые и индукционные. Дуговая электросталеплавильная печь ( рисунок,8) имеет цилиндрическую форму и состоит из стального кожуха 8, выложенного изнутри огнеупорным кирпичом 1. Сверху печь накрывается крышкой, называемой сводом 3. Через специальные отверстия в своде в печь опускают три графитовых электрода 4 (по числу фаз трехфазного электротока) и включают ток. Между электродами и металлом 7 в печи возникает электрическая дуга, которая создает высокую ликвидусу, и шихта плавится. Далее процесс ведется подобно плавке в мартеновских печах.

Качество стали, выплавленной в дуговых электрических печах, выше, чем качество конвертерной и мартеновской сталей, что достигается следующим: меньшей насыщенностью газами, так как в электрической печи значительно слабее газовая окислительная атмосфера и меньше продуктов горения; созданием благоприятных условий для применения более химически активных шлаков, с которыми предпочтительно удаляются вредные примеси.


В дуговых электрических печах выплавляют высококачественные легированные стали, содержащие тугоплавкие элементы,—вольфрам, молибден, ванадий. В настоящее время большинство сортов специальных высококачественных сталей выплавляется в электрических печах, вместимость которых колеблется от 1 до 200 т.

Индукционная печь ( рисунок, 9) представляет собой мно-говитковый спиральный индуктор 2, изготовленный из медной водоохлаждаемой трубки. Внутри индуктора помещается огнеупорная набивная футеровка в виде тигля 3, куда закладывается строго дозированный по расчету металл. На индуктор подается переменный ток, который создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток пронизывает металл и возбуждает в нем мощные вихревые индукционные токи, которые нагревают металл до высоких ликвидус. Шлак, не обладающий магнитной проницаемостью (т. е. ток в нем не индуцируется), нагревается от металла; в результате ликвидуса шлака ниже ликвидусы металла, вследствие чего шлак малоактивен и окислительно-восстановительные реакции протекают медленно. Шлак служит защитным слоем от окисления и поглощения газов из воздуха. Поэтому плавку в индукционной печи ведут преимущественно методом переплава высоколегированных сталей и сплавов. При переплаве легирующие элементы слабо окисляются и химический состав металла почти не изменяется. Качество стали получается очень высокое. Расход электроэнергии 700...900 кВт-ч/т стали. Применяют печи вместимостью до 10 т.

Разливка стали. Когда плавка в конвертерах, мартеновских печах и электропечах закончится, сталь выпускают в специальный ковш, из которого ее разливают одним из приведенных ниже способов.

Разливку сверху ( рисунок, 10, а) производят в изложницы 2 — высокие металлические формы. После того как металл застынет, получаются слитки, с которых снимают изложницы. Этим способом изготовляют крупные слитки.


При разливке снизу ( рисунок, 10, б) — сифонный способ — изложницы 2 устанавливают на металлические плиты 4. Изложницы соединяются между собой и с центральным литником 3, в который заливают из ковша 1 сталь. Изложницы заполняются по методу сообщающихся сосудов. Через один литник отливают до 30 некрупных слитков.

Непрерывная разливка стали ( рисунок, 10, в) — наиболее прогрессивный способ, разработанный советскими металлургами. Установка для непрерывной разливки стали была пущена впервые в нашей стране в 1956 г. Жидкая сталь из ковша 1 через промежуточную воронку 5 поступает в медную водоохлаждаемую форму — кристаллизатор 6. Дно кристаллизатора перед заливкой закрыто крышкой — затравкой с ласточкиным хвостом. Жидкая сталь 7, попав в кристаллизатор, быстро затвердевает, приваривается к затравке и вместе с ней вытягивается из кристаллизатора валками 10 со скоростью 1...5 м/мин. При выходе из кристаллизатора слиток 8, поверхность которого затвердела, подвергается дополнительному охлаждению дождевальным устройством 9. Окончательно затвердевший непрерывный слиток 11 валками 10 подается к газорезке 12, разрезается на отрезки 14 заданной длины, которые тележками 13 транспортируются в цехи для прокатки на сортовых станах. По сравнению с разливкой в изложницы непрерывная разливка стали обеспечивает уменьшение потерь металла, не требует прокатки слитков на блюмингах и слябингах и изготовления изложниц.

5 Углеродистые стали

Углеродистые стали — сплавы, содержащие железо, углерод и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора и серы. По содержанию углерода такие стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,2 % углерода), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,65 углерода), высокоуглеродистые (от 0,65 до 2 % углерода). По назначению углеродистые стали бывают конструкционные и инструментальные.

Углеродистые конструкционные стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими характеристиками: легко обрабатываются давлением хорошо свариваются и термо-обрабатываются.

Такие стали бывают обыкновенного качества и качественные.

Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) выплавляется в мартеновских печах и кислородных конвертерах. По назначению такая сталь подразделяется на группы А, Б и В.

Сталь группы А поставляют с гарантированными механическими характеристиками без уточнения химического состава, поэтому ее не подвергают термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: СтО, Ст1 и т. д. до Стб. Буквы «Ст» означают сталь, цифра — номер стали. Чем больше цифра, тем больше содержится углерода в стали. Для обозначения раскисления к обозначению марки стали после номера добавляют индексы: кп — кипящая, пс—полуспокойная, сп — спокойная. Например, Ст3кп, Ст4сп.

Сталь группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, поэтому ее можно подвергать термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: БСтО, БСт1, БСт1кп и т.д. до БСтб, БСтбсп. В марке сталей указывается группа Б.

Сталь группы В поставляют с гарантированными механическими характеристиками и химическим составом. Подвергается термической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок (группа стали указывается в марке)з ВСт2сп, ВСт3пс и т. д.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы, некоторые поковки, болты, заклепки, арматуру, которые широко используют для сварных строительных конструкций и неответственных деталей машин.

Углеродистая качественная конструкционная сталь (ГОСТ 1050—74) выплавляется в мартеновских и электрических печах и кислородных конвертерах. Поставляется сталь с гарантированными механическими характеристиками и химическим составом. Подвергается термической обработке.

По сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества качественные стали содержат меньше вредных примесей серы и фосфора. В зависимости от содержания марганца стали выпускают с нормальным (0,25...0,7 %) и повышенным (0,7...1 %) содержанием марганца.

Качественные конструкционные стали маркируются: 0,5кп; 0,8кп; 0,8пс; 0,8; 10кп; 10пс; 10; 15кп; 15; 20кп; 20; 25; 30; 35 и т. д. до 85, 15Г, 20Г, 25Г, 30Г и т. д. до 70Г. В марках двузначные числа показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г обозначает повышенное содержание марганца.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали широко применяют для штампованных изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Для глубокой вытяжки применяют кипящие стали 0,8кп, Юкп, 15кп. Малоуглеродистые стали применяют для изделий, подвергающихся цементации. Эти стали хорошо свариваются, обрабатываются резанием на металлорежущих станках.

Из качественных конструкционных сталей изготовляют зубчатые колеса, шатуны, валы, оси, кулачки, муфты, толкатели клапанов, пальцы рессор, вилки и валики переключения передач и т. д.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435 — 74) выплавляются в мартеновских и электрических печах; они содержат от 0,7 до 1,35 % углерода. Такие стали подразделяются на качественные и высококачественные.

Инструментальные качественные стали изготовляют марок: У7, У8, У9, ..., У13. Число в обозначении марки указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента.

К марке инструментальных высококачественных сталей добавляют букву А: У7А, У8А, ..., У13А. Такие стали содержат меньше серы и фосфора, чем качественные.

Из углеродистых инструментальных сталей изготовляют разнообразные слесарные инструменты, подвергаемые термической обработке. Из сталей марок У7А, У8, У8А делают зубила, молотки, штампы, измерительный инструмент; из стали марок У8, У8А — ножи и ножницы по металлу, кернеры, ролики труборезов. Из сталей марок У10А, У11, У11А, У12, У12А изготовляют инструменты, обладающие высокой твердостью: напильники, шаберы, ножовочные полотна для механических ножовок.

6 Легированные стали

Легированные стали в отличие от углеродистых кроме углерода, железа и обычных примесей содержат определенное количество добавок, придающих сталям особые характеристики и называемых легирующими элементами. К легирующим элементам относятся хром — X, вольфрам — В, молибден — М, медь — Д, кремний — С, алюминий— Ю, бор — Р, цирконий — Ц, никель — Н, ванадий— Ф, марганец—Г, кобальт — К, титан — Т, фосфор— П, ниобий — Б. Каждый легирующий элемент имеет свое назначение.

По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали со специальными характеристиками.

Влияние легирующих добавок на характеристики сталей. Характеристики легированных сталей зависят от содержания в них легирующих элементов.

Никель и хром улучшают механические характеристики, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость сталей.

Вольфрам повышает твердость, прочность, улучшает режущие характеристики стали при высоких ликвидусах (красностойкость).

Марганец повышает твердость, износостойкость, сопротивление ударным нагрузкам сталей.

Кремний повышает упругие характеристики стали, увеличивает кислотостойкость сталей.

Титан увеличивает жаропрочность и кислотостойкость сталей.

Молибден улучшает механические характеристики при нормальной и повышенной ликвидусах, несколько повышает свариваемость сталей.

Ванадий улучшает пластические характеристики стали, измельчает ее микроструктуру.

Кобальт увеличивает ударную вязкость и жаропрочность сталей.

Конструкционные стали (низколегированные) содержат углерод не более 0,6%. Основные легирующие элементы таких сталей — хром, никель, кремний, марганец. Другие легирующие элементы вводят в сталь в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшить ее характеристики. Общее количество легирующих элементов у большинства сталей не превышает 5%.

Конструкционные низколегированные стали (ГОСТ 19281—73, ГОСТ 19282—73) обладают наилучшими механическими характеристиками после термической обработки.

При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, следующая за ними буква — условное обозначение легирующего элемента, входящего в сталь. Если количество легирующего элемента составляет 2 % и более, то после буквы ставится еще цифра, указывающая это количество. Например, 15Х — сталь содержит 0,15% углерода и до 1 % хрома, 20Х2Н4А — сталь содержит 0,20 % углерода, около 2 % хрома, 4 % никеля, высококачественная (А), т.е. содержит меньше вредных примесей серы и фосфора.

Легированные конструкционные стали 19Г, 14Г, 17ГС, 14ХГС широко применяют при строительстве нефтегазопроводов высокого давления диаметром до 820 мм. Сталь 14ГС используют для крупных листовых сварных конструкций доменных печей, пылеуловителей, воздухонагревателей. Сталь 17ГС предназначается для корпусов аппаратов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов, работающих при ликвидусах до 450 °С.

Хромокремненикелевые стали 10ХСНД, 15ХСНД используют для сварных ферм, конструкций мостов, вагонов, рам, аппаратов и сосудов химической промышленности. Стали 35ХС и 25Г2С служат для изготовления арматуры гладкого и периодического профилей, для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Легированные конструкционные стали хорошо свариваются, не образуют при сварке горячих и холодных трещин. Механические характеристики сварных соединений аналогичны характеристикам основного металла.

В машиностроении применяют большое количество марок легированных конструкционных сталей, главным образом для изготовления ответственных деталей машин и металлических конструкций: валов двигателей, тяжело нагруженных зубчатых колес экскаваторов, автокранов и других строительных машин, деталей и арматуры, работающих при повышенных ликвидусах. Из кремнистых сталей изготовляют рессоры и пружины.

Инструментальные стали подразделяются на низколегированные с содержанием легирующих элементов до 5 % и высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10 %.

Низколегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950—73) 11Х, 13Х, ХСВГ, 9ХС, ХВГ после термической обработки обладают более высокими показателями механических характеристик по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями: имеют более высокую твердость после термообработки (62...65 HRC), повышенные износостойкость и теплостойкость (до 200...250°С), меньшую чувствительность и склонность к перегреву и короблению при термообработке.

Низколегированные инструментальные стали применяют для изготовления режущих инструментов большого сечения, работающих при небольших скоростях резания: ручных сверл, протяжек, разверток, гребенок.

Высоколегированные инструментальные стали (ГОСТ 19265—73) содержат большое количество легирующих элементов, образующих в структуре стали химические соединения с углеродом (преимущественно карбиды). Основной легирующий элемент таких сталей — вольфрам. Изделия, изготовленные из высоколегированных инструментальных сталей с большим количеством карбидов, сохраняют высокие твердость, прочность и износостойкость режущей кромки инструмента при ликвидусах 600...620°С в процессе резания металлов с большой скоростью. Такие стали называют быстрорежущими.

В состав быстрорежущих сталей входят, % углерод 0,7...0,95; хром 3,1...4,4; вольфрам 8,5...19; ванадий 1... ...2,5. Маркируются быстрорежущие стали следующим образом: Р9, Р18, Р12, где буква Р обозначает, что сталь быстрорежущая; цифры 9, 18, 12 показывают среднее содержание вольфрама, предусмотренное стандартом.

Быстрорежущие стали обладают высокими показателями механических характеристик после сложной термической обработки. Из таких сталей изготовляют сверла, фрезы, долбяки, протяжки, развертки, пилы, напильники для твердых металлов и другой инструмент.

К быстрорежущим относятся также стали: высокованадиевые Р9Ф5, Р14Ф4, кобальтовые Р9К5, Р9К10, кобальто-ванадиевые Р10К.5Ф5, Р18К5Ф2 и вольфрамо-молибденовая Р6МЗ. Эти стали обладают повышенной теплостойкостью, меньшей хрупкостью. Применяют их для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей с высокой вязкостью, титановых сплавов и пластмасс.

Стали со специальными характеристиками (ГОСТ 5632—72) в зависимости от основных характеристик бывают коррозион-ностойкие, жаростойкие, жаропрочные и износостойкие. Такие стали содержат большое количество легирующих элементов (10...35 %).

Коррозионностойкие нержавеющие стали обладают высокой стойкостью против электрохимической коррозии. По содержанию основных легирующих элементов — хрома и никеля — коррозионностойкие стали бывают хромистые и хромоникелевые: 1Х18Н9Т, 5Х18Н9, 15Х25Н19С, 45Х17ПЗНЗЮ, 55Х18П4СТ и др. Из коррозионностой-ких сталей изготовляют арматуру, коллекторы выхлопных систем, детали паровых и газовых турбин, детали химического машиностроения и т. п.

Жаростойкие стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей при небольших нагрузках, можно использовать при ликвидусах выше 550 °С. Такие стали устойчивы против химического разрушения в газовых средах. К жаростойким сталям относятся стали марок 25Х23Н7С, 30Х24Н12С, 15Х6С10, 12X13, 09Х14Н16Б, 15X28. Из них изготовляют клапаны двигателей внутреннего сгорания, лопатки компрессоров, детали котельных установок, газовые турбины, трубы пароперегревателей и других деталей, работающих при высоких ликвидусах и небольшом давлении.

Жаропрочные стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей в работе, можно применять при высоких ликвидусах и больших нагрузках; при данном они сохраняют жаростойкость и высокие показатели механических характеристик (прочность, пластичность).

К жаропрочным сталям относятся стали марок 12Х8ВФ, 10Х11Н20ТЗР, 09Х16Н4Б; их применяют для изготовления деталей турбин, трубопроводов установок сверхвысокого давления и других деталей.

Износостойкая сталь (ГОСТ 2176—77) марки 110Г13Л, получившая наибольшее распространение, содержит в среднем 1,1 % углерода и 13 % марганца. Такая сталь очень трудно обрабатывается режущим инструментом, поэтому ее используют для получения деталей, требующих незначительной механической обработки. Детали изготовляют методом литья, поэтому в маркировке стали на конце стоит буква Л. Из этой стали отливают стрелки железнодорожных путей, гусеницы бульдозеров, щеки каменных дробилок, зубья ковшей экскаваторов, черпаки и козырьки землечерпательных машин, драг и другие детали.

Список использованной литературы

1. 
   Сырьеоведение и технология металлов. - М.: Высшая школа, 2001. - 637 с
   
2. 
   Курдюмов Г.В. Явление закалки и отпуска стали. - М.: Металлургиздат, 1960. - 64с.
   
3. 
   Лахтин Ю.М. Сырьеоведение. - М.: Машиностроение, 1993. - 448с.
   
4. 
   Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544с.
   
5. 
   Зарембо Е.Г. Превращения в структуре и характеристики стали. - М.: ВИИИТ, 1990
   
6. 
   Стеклов О. И. Основы сварочного производства - М.: Высш. школа, 1986.- 224с., ил.
   
7. 
   Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов - М.: Машиностроение, 1973.- 408с.