Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1 Состав и свойства стали 45ХН

1.1 Химический состав 45ХН

1.2 Механические свойства стали 45 ХН

1.3 Физические свойства стали 45ХН

2 Применение стали 45ХН

3 Химико-термическая обработка стали

3.1 Термическая обработка стали

3.2 Оборудование для термической обработки

3.3 Химико-термическая обработка стали

4 Анализ классификации свойств стали

5 Оборудование, применяемое для изготовления стали

6 Характеристика строения и механические свойства поверхностного слоя

Заключение

Список использованных источников



Введение

Сталь - сплав железа с углеродом и/или с другими элементами. Сталь содержит не более 2,14% углерода, при большем количестве углерода в железе образуется чугун. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45% железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Стали делятся на конструкционные и инструментальные.

Конструкционная сталь -- легированная или углеродистая сталь, предназначенная для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Инструментальная углеродистая сталь - сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали - 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной - 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

Быстрорежущие стали - легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.

Легированная сталь - сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и другие.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25 - 0,6% С) и высокоуглеродистые (0,6-2% С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные - до 4% легирующих элементов, среднелегированные - до 11% легирующих элементов и высоколегированные - свыше 11% легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

По степени раскисления и характеру затвердевания - стали спокойные, полуспокойные и кипящие [2].



1. Состав и свойства стали 45ХН

1.1 Химический состав 45ХН

Свойства стали определяются ее химическим составом.

Химический состав в % стали 45ХН
C	0,41 - 0,49
Si	0,17 - 0,37
Mn	0,5 - 0,8
Ni	1 - 1,4
S	до 0,035
P	до 0,035
Cr	0,45 - 0,75
Cu	до 0,3
Fe	~96

Рисунок 1 Химический состав в % стали 45ХН

Содержащиеся в стали компоненты можно разделить на четыре группы: постоянные (обыкновенные), скрытые, случайные и специальные (легирующие).

К постоянным примесям относятся углерод, марганец, кремний, сера и фосфор.

Углерод -- неотъемлемая составляющая часть стали, оказывающая на ее свойства основное влияние. Его содержание в выпускаемых марках стали колеблется от 0,1 до 1,4 %. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, уменьшаются пластичность и вязкость.

Марганец относится к постоянным примесям, если его содержание составляет менее 1 %. При содержании более 1 % он является легирующим элементом.

Марганец является раскислителем стали. Он повышает ее прочность, износостойкость и прокаливаемость, снижает коробление при закалке, улучшает режущие свойства стали. Однако ударная вязкость при этом снижается. Сталь, содержащая 11 - 14 % марганца (сталь Гатфильда), отличается высокой износостойкостью, так как способна упрочняться при пластической деформации. Сталь, содержащая 10 - 12 % марганца, становится немагнитной.

Кремний также является раскислителем стали и легирующим элементом, если его содержание превышает 0,8 %. Он увеличивает прочностные свойства стали, предел упругости, коррозионную и жаростойкость, однако снижает ее ударную вязкость.

Сера и фосфор являются вредными примесями. Так, сера делает сталь «красноломкой», а фосфор, повышая твердость стали, снижает ее ударную вязкость и вызывает «хладноломкость», т. е. хрупкость при температурах ниже -50°C.

Скрытые примеси представляют собой кислород, азот и водород, частично растворенные в стали и присутствующие в виде неметаллических включений - окислов, нитридов. Они являются вредными примесями, так как разрыхляют металл при горячей обработке, вызывают в нем надрывы - флокены.

Случайные примеси - это медь, цинк, свинец, хром, никель и другие металлы, попадающие в сталь с шихтовыми материалами. В основном они ухудшают качество стали.

Специальные добавки, легирующие элементы, вводятся в сталь с целью придания ей тех или иных свойств. К ним относятся марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, бор, ниобий, цирконий, селен, теллур, медь и другие.

Наиболее распространенным легирующим элементом является хром. Он препятствует росту зерна при нагреве стали, улучшает механические и режущие свойства, повышает коррозионную стойкость, прокаливаемость, способствует лучшей работе на истирание. При содержании хрома свыше 10% сталь становится нержавеющей, но одновременно теряет способность воспринимать закалку.

Никель повышает прочность стали при сохранении высокой вязкости, препятствует росту зерна при нагреве, снижает коробление при закалке, увеличивает коррозионную стойкость и прокаливаемость. При содержании никеля 18-20 %-я сталь становится немагнитной, жаростойкой, жаропрочной и коррозионностойкой.

Молибден измельчает зерно стали, значительно повышает ее прокаливаемость, стойкость против отпуска, вязкость при низких температурах, ковкость и абразивную стойкость, снижает склонность к отпускной хрупкости.

Вольфрам повышает твердость и режущие свойства стали, прокаливаемость, прочность и вязкость. Стали с содержанием 9 и 18 % вольфрама известны как быстрорежущие.

Ванадий создает мелкозернистую структуру стали, задерживает рост зерна при нагреве, повышает ударную вязкость, устойчивость против вибрационных нагрузок, прокаливаемость и стойкость против отпуска.

Бор увеличивает прокаливаемость стали, повышает ее циклическую вязкость, способность гасить колебания высокой частоты, снижает склонность к необратимой отпускной хрупкости.

Ниобий предотвращает межкристаллическую коррозию, улучшает сварочные свойства, повышает пластичность, прочность и ползучесть стали при высоких температурах.

Цирконий повышает предел выносливости стали на воздухе и в коррозионных средах, улучшает ее прочностные характеристики при повышенных температурах и ударную вязкость при температуре ниже нуля, замедляет рост зерна, повышает прокаливаемость и свариваемость.

Медь повышает коррозионную стойкость стали, а селен и теллур -- механические свойства стали и особенно ее пластичность [3].

1.2 Механические свойства стали 45 ХН

Удельный вес: 7820 кг/м³

Термообработка: Закалка и отпуск

Твердость материала: HB 10 ^-1 = 207 Мпа

Температура критических точек: Ac₁ = 750, Ac₃(Ac_m) = 790, Mn = 310

Температура ковки, °С: начала 1200, конца 800. Сечения до 250 мм охлаждаются на воздухе, 251-350 в яме.

Свариваемость материала: трудносвариваемая. Способ сварки: РДС, необходимы подогрев и последующая термообработка.

Флокеночувствительность: повышенно чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна [5].

Механические свойства стали определяют такие показатели, как прочность, упругость и пластичность, а также склонность к хрупкому разрушению, которое косвенно оценивается ударной вязкостью. Прочность стали определяется сопротивляемостью материала внешним силовым воздействиям. Упругость характеризуется свойством материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность - свойство материала не возвращаться в свое первоначальное состояние после снятия внешних нагрузок, т. е. получать остаточные деформации. Хрупкость характеризуется разрушением материала при малых деформациях.

Прочность стали, ее упругие и пластические свойства определяют при статических испытаниях стандартных образцов на растяжение. Полученная при этом диаграмма показывает зависимость между напряжениями и деформациями [7].

Таблица

Механические свойства стали 45ХН

Механические свойства стали 45ХН
ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	Сечение, мм	КП	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (кДж / м2)	НВ, не более
ГОСТ 4543-71	Пруток. Закалка 820 °С, вода или масло. Отпуск 530 °С, вода или масло	25	-	835	1030	10	45	69	-
ГОСТ 8479-70	Поковки. Закалка. Отпуск	До 100	590 640	590 640	735 785	14 13	45 42	59 59	235-277 248-293

Твёрдость стали 45ХН после термообработки и закалки ТВЧ
Режимы термообработки	HB (HRC3), не более
Цианирование 810-830 °С, масло. Отпуск 200 °С, воздух Закалка ТВЧ 850-870 °С. Отпуск 180-220 °С	Сердцевины 450 Поверхности (59) Сердцевины 300 Поверхности (53-57)

Механические свойства стали 45ХН в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	HB
Закалка 815 °С, масло
200 300 400 500 600	1530 1420 1250 980 750	1690 1620 1380 1140 900	8 7 10 15 20	24 32 40 52 60	460 450 380 310 250

у²⁹⁰_1,5/100000=207 МПа, у⁶⁵⁰_1,5/100000=2,0 МПа, у⁴²⁵_4/100000=69 МПа.

Механические свойства стали 45ХН при повышенных температурах
Температура испытаний, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)
Закалка 840 °С, масло. Отпуск 480 °С
20 150 290 425 535	720 680 670 520 210	910 880 - 670 440	21 19 27 25 33

Предел выносливости стали 45ХН
у-1, МПА	?????????	Термообработка
594 506	892 773	Закалка 845 °C, вода. Отпуск 480 °C, вода, у0,2=900 МПа, ув=1150 МПа Закалка 845 °C, вода. Отпуск 590 °C, вода, у0,2=810 МПа, ув=1010 МПа

Прокаливаемость стали 20Х (ГОСТ 4543-71)
Расстояние от торца, мм	Примечание
3	6	12	18	24	30	36	42	Закалка 845 °С
57,5	57,5	57	56	53,5	50,5	48	44,5	Твердость для полос прокаливаемости, HRC

Закалка 830 °С	Критическая твердость, HRCэ	Критический диаметр в масле
Отпуск 480 °C Отпуск 370 °C	32-40 38-47	50 50

Важнейшими показателями механических свойств стали являются предел текучести (у_y), временное сопротивление (предел прочности - у_u) и относительное удлинение (е). Предел текучести и временное сопротивление характеризуют прочность стали, относительное удлинение - пластические свойства стали.



1.3 Физические свойства стали 45ХН

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:

а) плотность - количество вещества, содержащегося в единице объема, г/см³;

б) температура плавления, ^oС - температура, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое;

в) теплопроводность - это способность тел передавать с той или иной скоростью тепло при нагревании и охлаждении.;

г) тепловое расширение - металлы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Изменение линейного размера при нагреве называют линейным расширением; изменение объема тела - объемным расширением;

д) удельная теплоемкость - это количество тепла, которое необходимо для повышения температуры 1 г вещества на°С;

е) электропроводность - способность металлов проводить электрический ток [8].

Таблица

Физические свойства стали 45ХН

T	E 10-5	a106	l	r	C	R 109
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20				7820
100		11.8	45
200		12.3	43
300			41
400		13.4	40
L	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость стали), [Вт/(м·град)]
R	- Плотность стали, [кг/м3]
C	- Удельная теплоемкость стали (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
R	- Удельное электросопротивление, [Ом·м]



2. Применение стали 45ХН

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке - закалке с последующим высоким отпуском в районе 550-680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность. Легирующие элементы - химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях -- в пределах 0.25-0.50 %.

Применение стали 45ХН: Оси, валы, шатуны, зубчатые колеса, валы экскаваторов, муфты, валы-шестерни, шпиндели, болты, рычаги, штоки, цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости. Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла [7].

Рисунок 2Шатун Рисунок 3 Вал



3. Химико-термическая обработка стали

3.1 Термическая обработка стали

сталь обработка механический конструкционный

Термическая обработка придает стальным изделиям определенные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость для улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства.

Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг и нормализацию, а также обработку холодом и химико-термическую обработку [1].

Закалка - термическая обработка стали путем ее нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки при этой температуре до завершения фазовых превращений с быстрым последующим охлаждением в воде, масле и других жидкостях. При закалке увеличиваются твердость и прочность, но снижается ударная вязкость. Закаленная сталь обладает большой хрупкостью, что делает ее малопригодной для практического использования.

Отпуску подвергают сталь после закалки для уме ньшения хрупкости и ослабления внутренних напряжений. Отпуск стали заключается в нагреве ее ниже температуры закалки с последующим постепенным охлаждением на воздухе. В зависимости от вида отпуска изделие нагревают от 150 до 550°С. С повышением температуры отпуска сильно изменяются механические свойства закаленной стали: предел прочности и твердость понижаются, а относительное удлинение и вязкость возрастают.

Отжиг уменьшает структурную неоднородность стали, придает мелкозернистую структуру, снижает напряжение, возникшее при обработке давлением (ковке, волочении) или литьем, а также улучшает обрабатываемость стали резанием.

Нормализация - это, по существу, процесс отжига. Стальное изделие нагревают до температуры несколько ниже температуры закалки, выдерживают сталь при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате сталь получается более мелкозернистой, чем при отжиге, повышаются ее твердость, прочность, ударная вязкость по сравнению с отожженной сталью.

Обработка холодом способствует более равномерной структуре и повышает твердость стали. Закаленная сталь с содержанием углерода более 0,6% состоит из мартенсита с распределенным в нем остаточным аустенитом, не успевшим перейти мартенсит при закалке. В результате структура стали оказывается недостаточно равномерной и несколько пониженной твердости, чем если бы она состояла только из мартенсита. Если же такую сталь подвергнуть после закалки обработке холодом, процесс превращения аустенита в мартенсит продолжается [6].

3.2 Оборудование для термической обработки

Применение высокопроизводительного, надежного в эксплуатации оборудования позволяет снизить в проектируемом термическом участке себестоимость ТО, повысить производительность и обеспечить высокое качество продукции.

Все оборудование можно разделить на три группы:

- основное оборудование, связанное с нагревом и охлаждением изделия;

- дополнительное оборудование для выполнения дополнительных операций;

- вспомогательное оборудование (установки для приготовления контролируемых атмосфер и карбюризатора, теплоэнергетическое оборудование).

Тип оборудования для проектируемого цеха выбирается на основании разработанного технологического процесса термической обработки и режимов термической обработки. Выбор оборудования зависит также от способа выполнения операций, устанавливается в зависимости от следующих факторов:

1) Характер загрузки:

а) поштучный или партиями, садками - применяется в цехах индивидуального и мелкосерийного производства, осуществляется на оборудовании периодического действия (камерные и шахтные печи), способном к быстрой переналадке технологического режима;

б) непрерывный - применяется в цехах массового и крупносерийного производства и осуществляется на поточном оборудовании непрерывного действия (агрегаты, конвейерные и толкательные печи).

2) Положение изделий в процессе обработки:

а) стационарное;

б) перемещение по повторяющейся траектории;

в) поступательное перемещение.

3) Сочетание операций:

а) последовательное;

б) параллельное;

в) параллельно-последовательное.

4) Режим работы оборудования:

а) периодический;

б) полунепрерывный;

в) непрерывный.

К основному оборудованию относится оборудование, применяемое для выполнения технологических операций, связанных с нагревом и охлаждением деталей: печи, нагревательные устройства и установки, охлаждающие устройства.

Улучшаемые стали имеют высокий предел текучести и малую чувствительность к концентраторам напряжений, высокий запас вязкости. Хромоникелевые - сталь 45ХН, применяются для сильно нагруженных и крупных деталей, после отпуска должны быстро охлаждаться (отпуск 550-560С). Все легирующие элементы увеличивают прокаливаемость.

Выбор оборудования зависит также от способа выполнения операций, устанавливаемого в зависимости от следующих факторов:

1) характера загрузки;

2) положения изделий в процессе обработки;

3) сочетания операций;

4) режим работы оборудования.

Для осуществления выбранных режимов термической обработки может быть применено следующее оборудование:

- соляные ванны;

- шахтные печи [9].

3.3 Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава поверхностного слоя стального изделия путем насыщения его каким-либо другим веществом (углеродом, азотом, цианом, хромом) с целью повышения твердости, износостойкости или коррозионной стойкости поверхности и сохранения при этом высоких механических качеств самого изделия. Видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование и хромирование.

В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка -- только структур. Вместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.

Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:

Диссоциация-- выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО -СО2 + С; 2NH3 - ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.

Абсорбция -- захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.

Диффузия -- проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.

Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.

Цементацию стали осуществляют насыщением углеродом поверхностного слоя стального изделия при температуре среды 880...950°С, содержащей углерод.

Азотирование (N) - насыщение азотом поверхностного слоя стального изделия при нагревании до 500...700°С в атмосфере аммиака, при этом повышаются коррозионная стойкость, твердость, износоустойчивость и предел усталости стали. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие в качестве легирующего вещества алюминий и прошедшие предварительную термическую и механическую обработку, кроме окончательного шлифования. Глубина азотированного слоя 0,01... 1,0 мм.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.

Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.

Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.

Цианированияе и нитроцементация (N + C) - это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации -- смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН₄ и ??др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.

Хромирование (Cr) - насыщение поверхностного слоя хромом. Повышение коррозионной стойкости стали при действии пресной и морской воды, азотной кислоты, окислительной среды при высокой температуре (окалиностойкость) достигается хромированием [6].



4. Анализ классификации свойств стали

В зависимости от назначения стали делят на:

- Конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны);

- Инструментальные стали (режущий инструмент, измерительный инструмент, штампы)

- С особыми физико-химическими свойствами

По структуре:

- доэвтектоидные;

- эвтектоидные;

- заэвтектоидные.

По содержанию углерода:

- малоуглеродистые(0,025-0,25% С);

- среднеуглеродистые(0,25-0,6% С);

- высокоуглеродистые(> 0,6% С).

По степени качества:

- обыкновенного качества ( S < 0,05% ; P < 0,04%);

- качественные ( S < 0,04%; P < 0,025%);

- высококачественные ( S < 0,25%; P < 0,025%);

- особовысококачественные (S < 0,015%S; P < 0,025%).

По виду термообработки:

- цементируемые;

- улучшаемые.

По химическому составу:

- углеродистые;

- легированные.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.



5. Оборудование, применяемое для изготовления стали

Основные способы производства стали

1 Конвертерный способ

Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров. Конвертеры изготовляют емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали, составляет 50...60 м³.

2 Мартеновский способ

Мартеновская печь - представляет собой регенеративную пламенную печь, высокая температура в которой (1750... 1800 °С) достигается за счет сгорания газа в плавильном пространстве. Газ и воздух подогреваются в регенераторах. Мартеновские печи, работающие на мазуте, имеют с каждой стороны по одному регенератору для нагрева только воздуха. В нашей стране эксплуатируются мартеновские печи емкостью от 20 до 900 т жидкой стали. Важной характеристикой этих печей является также площадь пода 6. Для печи емкостью 900 т она составляет около 120 м².

3 Электросталеплавильный способ

Электросталеплавильное производство - это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами. Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.

4 Разливка стали

Из сталеплавильного агрегата сталь выпускается в сталеразливочный ковш, предназначенный для кратковременного хранения и разливки стали. Сталеразливочный ковш имеет форму усеченного конуса с большим основанием вверху. Ковш имеет сварной кожух, изнутри футеруется огнеупорным шамотным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостового крана или на специальной железнодорожной тележке. Сталь из ковша разливают через один или два стакана, расположенных в днище ковша. Отверстие закрывают или открывают изнутри огнеупорной пробкой при помощи стопора. Емкость сталеразливочных ковшей достигает 480 т [4].



6. Характеристика строения и механические свойства поверхностного слоя

Сталь состоит из очень мелких частичек, называемых зернами. Зерна металла можно наблюдать на его изломе. Еще лучше зерна будут видны, если из металла вырезать небольшой кусочек, изготовить из него специальный образец-пластинку (так называемый шлиф) и рассмотреть этот образец под микроскопом. Микроскоп поможет нам ясно увидеть, что металл действительно состоит из зерен. Зернистое строение данного металла называется его структурой. Зерна могут различаться между собой по величине и форме. В одном куске металла зерна будут крупные, в другом мелкие, в третьем неоднородные (смешанные), в четвертом они будут вытянуты в каком-либо направлении и т.п. Величина и форма зерен любого металла не являются постоянными. Они изменяются в зависимости от его тепловой и механической обработки. В литом металле зерна чаще всего бывают крупные, в кованом они значительно мельче.

В процессе прокатки или ковки зерна могут вытягиваться в направлении вдоль прокатки или ковки и одновременно суживаться в направлении поперек прокатки или ковки. Но помимо простых зерен железа феррита и зерен цементита в структуре стали имеются еще комбинированные (сложные) зерна, представляющие собой зерна феррита, внутри которых в виде длинных узких пластинок находятся маленькие зернышки цементита. Такие сложные комбинированные зерна называются зернами перлита. Из описания перлита следует, что его зерна не однородны, а представляют собой механическую смесь феррита и цементита. Особенность этой механической смеси в том, что соотношение между количеством феррита и количеством цементита в перлите совершенно определенное. В перлите содержится 86,5%; феррита и 13,5% цементита. Если это соотношение пересчитать на содержание углерода, то, зная содержание в цементите углерода, можно вычислить, что в перлите содержится 0,9% углерода (по последним данным 0,83%).Таким образом, при температуре не выше 720° в углеродистых сталях, находящихся в отожженном состоянии, могут быть зерна только трех типов: зерна феррита, зерна цементита и зерна перлита. Одновременно в одной какой-либо определенной стали могут быть следующие комбинации (сочетания) зерен: 1) зерна феррита и перлита; 2) только зерна перлита; 3) зерна перлита и цементита. Наличие того или иного сочетания зерен в стали зависит от процентного содержания в ней углерода. Структура всех углеродистых сталей, содержащих меньше 0,9% углерода, находящихся в отожженном состоянии, при нормальной температуре состоит из зерен феррита и зерен перлита. При этом чем больше в стали углерода, тем больше в ней зерен перлита и, наоборот, тем меньше зерен феррита. Стали этой группы называются доэвтектоидными сталями. Структура стали содержащей 0,9% углерода, состоит в отожженном состоянии при нормальной температуре из одних только зерен перлита. Эта сталь называется эвтектоидной сталью. Структура сталей, содержащих больше 0,9% углерода, состоит из зерен перлита и зерен цементита. Зерен феррита в этих сталях нет. Такие стали называются заэвтектоидными. При нагреве углеродистой стали любой марки никаких изменений в ее структуре не происходит до температуры 720°. При температуре 720° в стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зерна перлита превращаются в зерна аустенита. Это превращение заключается в том, что пластинчатые зерна цементита, которые образовали как бы каркас внутри зерна перлита, растворяются в окружающем их железе и равномерно по нему распределяются. Получившееся из зерна перлита зерно аустенита представляет собой уже не сложное зерно чистого железа, внутри которого были заключены пластинчатые зерна цементита, а однородное зерно твердого раствора углерода в железе. Превращение зерен перлита в зерна аустенита происходит в углеродистой стали всех марок, когда температура металла достигает 720°. Эта очень важная для теории и практики термической обработки температура называется нижней критической температурой. При нагреве углеродистых сталей выше 720° зерна аустенита будут увеличиваться, а зерна феррита уменьшаться, потому что зерна аустенита будут постепенно поглощать зерна феррита и растворять их в себе. Наконец, при какой-то температуре зерен феррита не останется вовсе - структура металла будет состоять из одних зерен аустенита. Та температура, при которой заканчивается полностью процесс растворения зерен феррита в зернах аустенита, называется верхней критической температурой. В отличие от нижней критической температуры, одинаковой для всех углеродистых сталей, верхняя критическая температура для сталей различных марок различна. Описанные изменения структуры углеродистых сталей при нагреве можно представить графически в виде диаграммы состояния«железо-углерод».В 1868 г. русский ученый Д.К. Чернов первый указал на превращения в стали, которые происходят при ее нагревании и охлаждении, на связь этих превращений со структурой и механическими свойствами металла. На основании работ Д.К. Чернова и была построена диаграмма железоуглеродистых сплавов [5].



Заключение

Использование стали в жизни человека разнообразно и многогранно, порой мы даже не замечаем, что без металла не обходится большинство конструкций, механизмов, деталей и так далее. Сталь - это сплав железа и углерода, отсюда ее прочность и твердость, с которой может справиться только плазменная резка. Наличие хрома, никеля, вольфрама, молибдена позволяют изменять свойства металла, причем от массовой доли углерода или дополнительных металлов зависит и качество производимого продукта.

По своему предназначению бывают такие стали: углеродистые, строительные, цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, подшипниковые и износостойкие. По структуре молекулярной решетки стиль делят на доэвтектоидную сталь, которая содержит до 0,8 % углерода и состоит из феррита и перлита, эвтектоидную сталь, содержащую около 0,8 % углерода, которая состоит только из перлита и заэвтектоидную, содержащую 0,8-2,14 % углерода, со структурой зерен перлита, окаймленных сеткой цементита. По способу раскисления сталь делят на кипящую, спокойную и полуспокойную.

Изобретение инструментов позволило человечеству развиваться еще быстрее. Наряду с токарными инструментами, какими как протяжка круглая и квадратная, метчик, лерка и сверло появлялись медицинские инструменты, какие, как скальпель, зажим и резак. В пищевой промышленности стали использовать пищевые нержавеющие стали. В машиностроении сталь высокого качества и низкой степени износа. В ракетостроении - космическую сталь. Прочный металл служит человечеству во всех отраслях хозяйства и без него была бы немыслима современная жизнь.



Список использованных источников

1 Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1981. 255 с.

2 Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1975.

3 Гуляев А.П. // Металловедение. Учебник для ВУЗов. 6-е изд.,перераб. и дополн. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

4 Гуляев А.П. Металловедение. 6-е изд. М: Металлургия, 1986.

5 Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы. изд. машиностроение, 1981.

6 Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 424 с.

7 Материаловедение / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. М.: Издательский центр «Академия» 2004. 240 с.

8 Материаловедение / Р.К. Мазберг. М.: Высшая школа, 1991. 448 с.

9 Новый справочник химика и технолога. Спб.: MMVI, НПО «Профессионал», 2006. Т. 12.

10 Стали и сплавы. Марочник. Справ. изд. / В.Г. Сорокин и др. Науч. С77. В.Г. Сорокин, М.А. Гервасьев. М.: "Интермет Инжиниринг", 2001. 608 с.

Размещено на Allbest.ru