Характеристика и сферы применения чугунов и сталей

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, марганец, сера и другие элементы.

Чугун -- железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения кроме руды служат топливо и флюсы.

Железная руда представляет собой горную породу, в которой содержатся соединения железа и примеси других элементов. Чугун получают из красного, бурого и магнитного железняков.

В качестве топлива используют главным образом каменно-угольный кокс. Флюсы применяют для отделения от железной руды пустой породы (оксиды кремнезема, кальция, марганца), которая, способствуя образованию шлаков, оказывает вредное влияние на процесс выплавки чугуна.

В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида железа или цементита.

Чугуны, в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100--1200°С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.

Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются режущим инструментом и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными.

Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950--1000°С. При этом чрезмерная хрупкость в твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.

Для повышения прочности чугуны легируют, т. е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).

Наибольшее применение получили чугуны следующих марок: отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412--79); отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 и др. (ГОСТ 1215--79).

Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ -- серый чугун, КЧ -- ковкий чугун. Цифры после букв у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении.

Сталь -- сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами. Она отличается высокой прочностью, хорошо обрабатывается резанием, ее можно ковать, прокатывать, закаливать. Кроме того, сталь в расплавленном состоянии жидкотекуча, из нее изготовляют различные отливки. Поэтому она широко применяется во всех областях народного хозяйства, особенно в машиностроении.

Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.

Наиболее распространенным способом получения обычных сортов стали является мартеновский, а для выплавки высококачественных сталей применяют электроплавку.

Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров.

Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам:

по химическому составу -- углеродистая, легированная;

по качеству -- сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;

по назначению -- конструкционная, инструментальная.

Углеродистая сталь широко используется в промышленности. Основной составляющей частью, определяющей ее механические и другие свойства, является углерод. Увеличение содержания углерода в стали повышает прочность и твердость, но уменьшает вязкость и делает ее более хрупкой.

В зависимости от назначения углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную.

Углеродистые конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380--78) и качественные (ГОСТ 1050--74). В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные стали (сп), полуспокойные(пс) и кипящие (кп).

Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (сталь) и цифрами 1, 2, 3.....6 (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Чем больше это число, тем больше в ней содержится углерода.

В зависимости от назначения эти стали делятся на три группы:

группа А -- стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2сп, Ст3кп и др.);

группа Б -- стали с гарантийным химическим составом (БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп и др.);

группа В -- стали повышенного качества с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5).

Цифры, обозначающие марку стали, показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 45 содержит в среднем 0,45% углерода).

Низкоуглеродистые стали марок 05, 08, 10, 20, 25 применяются для малонагруженных деталей, изготовление которых связано со сваркой и штамповкой.

Из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, 55 изготовляют оси, валы, зубчатые колеса и другие детали.

Высокоуглеродистые стали идут на изготовление спиральных пружин, тросов и других ответственных деталей.

Инструментальная качественная сталь обозначается буквой У, после которой ставится цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У8, У10 и т. д.

Инструментальная высококачественная сталь содержит меньше, чем качественная, вредных примесей (серы, фосфора). Маркируют ее так же, как и качественную, но с добавлением буквы А, например У7А, У8А и т. д.

Применяется инструментальная углеродистая сталь для изготовления различных инструментов (ударных, режущих, измерительных и др.).

В состав легированной стали кроме углерода вводят элементы, улучшающие ее свойства. К таким элементам относятся: хром, никель, кремний, вольфрам, марганец, ванадий, кобальт и др.

В зависимости от вводимых лигирующих элементов стали делятся на хромистые, никелевые, кремнистые, хромоникелевые, хромованадиевые и др.

Легирующие элементы придают стали в зависимости от ее назначения необходимые свойства. Рассмотрим, какое влияние оказывают они на свойства стали.

Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0,8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.

Легированная сталь по количеству введенных в нее легирующих элементов классифицируется на низколегированную (до 5% легирующих элементов), среднелегированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). стальной мартеновский легирующий

По назначению легированная сталь, как и углеродистая, подразделяется на конструкционную и инструментальную.

Легирующие элементы, введенные в состав стали согласно стандарту имеют следующие обозначения:

X -- хром,

В -- вольфрам,

М -- молибден,

Ф -- ванадий,

К -- кобальт,

Г -- марганец,

Т -- титан,

С -- кремний,

Н -- никель,

Д -- медь,

Ю -- алюминий,

Р -- бор,

А -- азот.

Высококачественную сталь обозначают с добавлением в конце маркировки буквы А.

Легированная сталь маркируется сочетанием цифр и букв.

Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы -- легирующие элементы, последующие за буквами цифры -- содержание в процентах этих элементов в стали.

Так, марка 40Х обозначает хромистую сталь с содержанием 0,4% углерода и 1% хрома;

12ХНЗА -- хромо-никелевую сталь, содержащую около 0,12%-углерода, 1% хрома и 3% никеля и т. д.

Из конструкционной легированной стали изготовляют ответственные детали машин и различные металлические конструкции. Для улучшения механических свойств детали из этой стали подвергаются термической обработке.

К конструкционным легированным сталям относятся:

хромистая (15Х, 20Х, 30Х и др.),

хромованадиевая (15ХФ, 20ХФ, 40ХФ),

хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС),

хромоникелевая (12ХН2, 12ХНЗА и др.).

Инструментальная легированная сталь по сравнению с углеродистой обладает износоустойчивостью, она глубже прокаливается, обеспечивает повышенную вязкость в закаленном состоянии и менее склонна к деформациям и трещинам при закалке.

Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых, потому что у них низкая теплостойкость, равная 200--250°С.

Назначение некоторых марок легированных инструментальных сталей следующее:

сталь 9ХС применяется для изготовления плашек, сверл, разверток, фрез, гребенок и метчиков;

стали 11Х и 13Х --для напильников, бритвенных ножей, хирургического и гравировального инструмента;

сталь ХВГ--для длинных метчиков, разверток и других инструментов.

Для изготовления режущего инструмента применяется быстрорежущая сталь, которую так назвали за высокие режущие свойства.

Благодаря наличию в ее составе вольфрама и ванадия эта сталь обладает высокой теплостойкостью, красностойкостью, т. е. способностью сохранять высокие твердость и износостойкость при повышенных температурах.

Инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали, нагреваясь в процессе резания до 550--600°С, не теряет своих режущих свойств.

Материалы, улучшающие свойства сталей. Характеристика влияния на свойства сталей легирующих элементов.

Качество стали зависит от количества в ней углерода, который является одним из основных элементов, входящих в состав. Еще одним обязательным элементом является железо.

Хром, никель, ванадий, медь и пр. элементы добавляются для улучшения свойств материала.

Рассмотрим подробнее влияние легирующих элементов на свойства стали:

Никель - позволяет сделать материал не только прочным, но и пластичным. Именно этот элемент, входящий в состав, отвечает за стойкость к коррозии;

Хром - также отвечает за устойчивость к коррозии, благодаря ему получается нержавеющая сталь, делает ее твердой и прочной;

Ванадий - благодаря этому элементу структура стали становится мелкозернистой, плотной;

Медь - помимо стойкости к коррозии противодействует кислотам;

Вольфрам - позволяет материалу оставаться твердым при увеличении температуры (нагреве);

Марганец, входящий в состав, отвечает за износостойкость;

Кремний - делает металл упругим, отвечает за магнетизм;

Если в состав входит алюминий, то он позволяет становиться материалу жаростойким.

Что происходит со структурой, когда добавляются различные примеси? При их введении кристаллическая решетка рушится за счет различия в формах электронов, а также атомных величин. Характеристики стали могут меняться в зависимости от состава.

В состав могут входить две, три и более примесей. Это зависит от того, какой конечный продукт нужно получить.

В состав могут также входить титан, кобальт, молибден, отвечающие за прочность, твердость и пластичность материала, который приобретает все перечисленные свойства в основном после того, как будет пройдена термообработка.

Размещено на Allbest.ru