Железо и его сплавы Применение чугуна и стали

Железо и его сплавы

Применение  чугуна и стали

 

 

Железо - один из наиболее распространенных в природе металлических  элементов (после Al). Ежегодное потребление железа составляет 500 000 000 тонн. Технически чистое железо - серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл с довольно высокими прочностью и твердостью. Однако из-за высокой стоимости очистки металла от примесей применение железа ограничено. Используют, главным образом, железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны. Стали содержат не более 2,14 % углерода, а чугуны свыше 2,14 %.  

Стали

 

Сталь – сплав железа, содержащий менее 2,14%-С, 0,35%-Si, 0,6%-Mn, 0,06%-S, 0,07%-Р, легирующие металлы (Со, Cr, Ni, W, Al, Si и др.)

 
Стали по химическому составу подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме углерода, содержат в небольших количествах только неизбежные примеси: кремний, марганец, серу и фосфор. В легированные стали входят, кроме того, добавки цветных металлов хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама и др. Химический состав существенно влияет на свойства стали и ее применение в производстве товаров народного потребления. По мере увеличения концентрации углерода возрастают твердость и хрупкость стали. Поэтому практическое использование находят только стали, содержащие не более 1,3%. Стали примененяют как конструкционные материалы, в строительстве, производстве труб для газо- и нефтепроводов, деталей машин и механизмов,  аппаратов и деталей в химическом машиностроении.

 
Легированные  стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.

 
Кремний - повышает твердость и улучшает упругие свойства металла. Из стали, содержащей до 2 % кремния, изготовляют  пружины и рессоры.  
 
Марганец - увеличивает твердость и прочность стали, ее износостойкость. Поэтому из марганцевой стали изготовляют пилы особо высокого качества, хорошо сопротивляющиеся истиранию.  
 
Сера и фосфор - вредные примеси. Сера вызывает красноломкость (растрескивание металла при механической обработке в горячем состоянии), ухудшает пластичность, снижает коррозионную стойкость стали. Фосфор обусловливает хладноломкость стали, т. е. растрескивание при механическом воздействии в условиях пониженной температуры.  
 
Хром - увеличивает твердость и износостойкость стали. При содержании хрома более 13 % сталь приобретает стойкость к коррозии. Из такой, сравнительно недорогой, нержавеющей стали изготовляют ножи и столовые приборы.  
 
Никель - упрочняет сталь, повышает ее ударную вязкость и снижает хладноломкость. При совместном введении значительного количества хрома и никеля сталь приобретает жаропрочность и высокую коррозионную стойкость в кислой среде. Поэтому хромоникелевые стали применяют для изготовления посуды и столовых приборов.  
 
Молибден, ванадий и вольфрам - придают стали высокую твердость и красностойкость, т. е. способность сохранять твердость при нагреве докрасна. Эти так называемые быстрорежущие стали используют для изготовления металлорежущих инструментов и резцов.

 

Легированные стали подразделяют по назначению на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления ответственных деталей машин, когда требуется сочетание высокой прочности, твердости и износостойкости с пластичностью и вязкостью. Из легированных инструментальных сталей изготовляют такие металлообрабатывающие инструменты, как сверла, ножовки, напильники. К сталям с особыми свойствами относят коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаропрочные, износостойкие и т.п. Для товаров народного потребления (посуды, ножей, столовых приборов, лезвий для безопасных бритв и т. д.) используют, главным образом, нержавеющие стали.

 

Углеродистые  стали, в зависимости от содержания углерода, подразделяют на конструкционные (углерода не более 0,75 %) и инструментальные (углерода 0,7-1,3 %). Конструкционные стали используют для изготовления посуды, приборов для окон и дверей, крепежных изделий, нагревательных и осветительных приборов и т. д. Инструментальные стали находят применение в производстве инструментов, ножей, ножниц и др. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора), различают углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

 

 
Очень вредное влияние на свойства стали оказывает кислород, он вызывает красноломкость, снижает пластичность и вязкость металла. Поэтому в процессе получения сталь раскисляют добавками марганца, кремния, алюминия.

 

По  степени раскисления различают  сталь спокойную, полуспокойную  и кипящую. Спокойная сталь раскислена полностью, полуспокойная несколько  меньше, а кипящая не полностью, и при разливке из нее выделяется окись углерода (сталь «кипит»).  
 
Спокойная сталь - плотная, однородная по составу, отличается высокими механическими свойствами. Полуспокойная сталь по строению и свойствам занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью.  
 
В кипящей стали много мелких раковин, что снижает её прочность зато понижает цену; Кроме того, кипящая сталь отличается высокой пластичностью, так как содержит минимальное количество кремния и марганца (кипящую сталь раскисляют только алюминием). Поэтому, для изготовления изделий из листовой стали методом холодной штамповки (стальная посуда, корпуса бытовой газовой аппаратуры, керосинок, керогазов, холодильников и др.), предпочтительнее кипящая сталь, а для изготовления деталей, подвергающихся при эксплуатации значительным нагрузкам (инструменты, ножи, детали бытовых машин и т. д.), применяют спокойную или полуспокойную сталь.

 

t⁰_плав(стали)= от 1400⁰С до 2000⁰С 

Чугун

 

Чугун – сплав железа, содержащий более 2,14%С; 0,3-5%Si; до 1%Mn; 0,1%S и 0,2%Р.

Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С. 
Вырабатывают чугун выплавкой из железных руд в доменных печах. Чугун самый дешевый металлический материал, обладает хорошими литейными и антифрикционными свойствами, износостойкостью, способностью гасить вибрации. Только 20% всего чугуна выплавляют в готовую продукцию. Остальной чугун используют для последующей переработки в сталь. Чугуны по назначению подразделяют на передельные— для производства стали; литейные— для изготовления поршней, цилиндров, тормозных барабанов, шестерен, деталей автомобилей; и легированные. Легированный чугун отличается жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Для изготовления товаров народного потребления используют главным образом серый литейный чугун. Изделия из чугуна дешевле аналогичных изделий из стали или цветных металлов. Однако чугун хрупкий, что необходимо иметь в виду при хранении, транспортировании и эксплуатации чугунных изделий. Из серого чугуна изготовляют посуду, замки, мясорубки, печные приборы, радиаторы центрального отопления и т. д.

 

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения — цементита Fe₃C), но также в свободном состоянии — в виде графита.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

• по состоянию углерода — свободный или связанный;
• по форме включений графита — пластинчатый, вермикулярный, шаровидный, хлопьевидный (рис. 30);
• по типу структуры металлической основы — ферритный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой: например феррито-перлитные;
• по химическому составу — нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

• белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C;
• половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;
• серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;
• отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого;
• высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;
• ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

 

 

 

 

Чистое  железо

Последние годы разработано несколько способов эффективной очистки железа от примесей. Эта довольно сложная технология включает многократный переплав электролитического железа в высоком вакууме с последующей очисткой водородом, зонную плавку, сложную химическую переработку хлорного железа, прокатку спеченного порошка карбонильного железа, предварительно рафинированного в водородной среде, восстановление чистой окиси железа водородом и т.д. Такое очищенное железо содержит всего 0,009% примесей.

Это железо имеет очень хорошие магнитные свойства. Так, магнитная проницаемость его в 50 раз выше, чем у обычного технически чистого железа, содержащего около 0,665 % примесей. Коэрцитивная же сила (способность к быстрому размагничиванию) ниже, чем у технически чистого железа. Это объясняется тем, что указанные свойства в высшей степени чувствительны к малейшим искажениям кристаллической решетки, вызываемым примесями. Полученное железо обладает очень высокой антикоррозионной стойкостью. Другие свойства изменяются значительно слабее с увеличением чистоты железа.

Какая же все-таки степень чистоты железа достигнута в наши дни? В наиболее чистом, карбонильном железе содержится всего 0,00016 % примесей. Много ли это? Для сравнения: в известной железной колонне в Дели, славящейся чистотой железа, примесей содержится 0,72 %, т.е. в 4500 раз больше.

 

 

 

 

 

Терентьев Арсений 11-с