Железуглеродистые сплавы

При плавке в доменной печи железо восстанавливается из руды углеродом кокса и обогащается углеродом. Вместе с железом восстанавливается часть окислов пустой породы (окислы кремния, марганца, серы, фосфора). Поэтому доменный чугун представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем,   серой и фосфором.

Влияние химических элементов на свойства чугуна. Свойства чугунов зависят от химического состава, т. е. от содержания в них углерода, кремния, марганца, фосфора, серы.

Углерод, химически связанный с железом, образует цементит Fc3C. Цементит придает чугуну хрупкость, но значительно повышает твердость. Такой чугун, имеющий в изломе блестящий металлический оттенок, называют белым. Белые чугуны не обрабатываются режущим инструментом.

Углерод в чугуне может находиться в свободном состоянии в виде графита. Цементит в таких чугунах не образуется, поэтому их твердость значительно ниже твердости белых чугунов; такие чугуны хорошо обрабатываются резанием. Присутствие графита придает чугуну в изломе серый, матовый оттенок; чугун в данном случае называют серым.

Кремний способствует выделению углерода в чугуне в виде графита, улучшает литейные свойства чугуна, понижает его твердость.

Марганец препятствует выделению углерода в чугуне в виде графита и способствует образованию цементита, поэтому повышает твердость чугуна и при определенном содержании его увеличивает прочность.

Фосфор, соединяясь с железом, образует легкоплавкую хрупкую и твердую составляющую, которая располагается по границам зерен чугуна, вследствие чего у чугуна повышаются хрупкость и твердость, увеличивается износостойкость. Образующаяся легкоплавкая составляющая улучшает заполняемость литейных форм жидким чугуном. Фосфор — вредная примесь.

Сера тормозит выделение углерода в чугуне в виде графита. Образуя по границам зерен чугуна хрупкую составляющую, сера снижает механические свойства, способствует образованию трещин в отливках. Вредное влияние серы может быть нейтрализовано повышенным содержанием марганца, с которым сера легко образует тугоплавкое соединение.

Продукты доменного производства. Продуктами доменного производства служат чугун, доменные ферросплавы, доменный газ и доменный шлак. В зависимости от назначения чугун подразделяется на передельный и литейный.

Передельный чугун (ГОСТ 805—80), используемый преимущественно для выплавки стали, имеет следующий химический состав (%): углерод 4...4,5; кремний не более 1,2; марганец не более 1,5; фосфор не более 0,3; сера не более 0,5. Все передельные чугуны, как правило, белые.

Литейный чугун (ГОСТ 4832—80), предназначенный для производства чугунных отливок различного назначения, имеет следующий химический состав (%): углерод 3,5...4,5; кремний 1...3,6; марганец 0,5.. .1,5; фосфор 0,08...1,2; сера 0,02...0,06. Все литейные чугуны содержат большее количество кремния, чем белые, и не содержат структурно свободного цементита, поэтому они относятся к серым чугунам.

 Доменные ферросплавы содержат большое количество кремния или марганца. Доменный ферросилиций, который включает в себя 9... 13 % кремния, используют при плавке в литейных цехах для повышения содержания кремния в серых чугунах.

Доменный ферромарганец, в который входит до 75 % марганца, применяют для повышения содержания марганца при производстве стали.

Доменный газ, содержащий до 30 % СО, хорошо горит, поэтому его используют для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь, и как промышленное топливо. Из доменной печи газ отводят сверху по трубопроводам.

Доменный шлак как отход металлургической промышленности используют в промышленности строительных материалов для изготовления цемента, шлакобетона, шлаковой ваты и других материалов. Металлургический шлак находит широкое применение в дорожном строительстве.

 

Серые чугуны

Серые чугуны получают из литейных доменных чугунов с добавкой в состав шихты чугунного лома. Химический состав серых чугунов (%): углерод 2,8...3,5, кремний 1,5...2,8, марганец 0,4...0,8, фосфор 0,2... 1, сера 0,08...0,12. Применяют серые чугуны для производства отливок деталей различных машин и механизмов, труб, санитарно-технического оборудования. Серые чугуны маркируют в зависимости от их механических свойств (табл.2).

 

Таблица 2. Механические свойства серого чугуна (ГОСТ 1412—79)

 

В марке чугуна буквы СЧ обозначают, что чугун серый; цифры показывают предел прочности чугуна при растяжении.

Для изготовления отливок, обладающих прочностью на растяжение до 200..250 Н/мм2, используют обычные серые чугуны; для изготовления отливок более высокой прочности — чугуны со специальными добавками хрома, никеля и других элементов. Такие чугуны называют л егированными.

В зависимости от технологии производства серые чугуны подразделяются на высокопрочные и ковкие.

Высокопрочные серые чугуны получают путем введения в расплавленный чугун небольшого количества магния и редкоземельных элементов — церия, лантана, ниодима или их смеси. Процесс введения этих добавок в жидкий чугун с целью изменения структуры называют модифицированием. В результате модифицирования графит кристаллизуется в виде шара, а не в виде пластинок. Поэтому показатели механических свойств чугуна значительно повышаются (табл. 3).

 

Таблица  3.  Механические свойства высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293—79)

 

В марке чугуна буквы ВЧ обозначают, что чугун высокопрочный; первые цифры показывают предел прочности при растяжении, вторые — относительное удлинение.

Высокопрочный чугун широко применяют для изготовления коленчатых валов двигателей, тяжелонагруженных отливок деталей строительных и дорожных машин и т. д. В настоящее время многие детали, изготовляемые ранее из стальных литых и кованых заготовок, отливают из высокопрочного чугуна.

Ковкие чугуны получают путем термической обработки отливок из доэвтектического белого чугуна, в структуре которого содержится большое количество цементита. Отливки из доэвтектического белого чугуна обладают очень высокой твердостью и хрупкостью и не обрабатываются режущим инструментом. Чтобы снизить твердость и повысить пластические свойства, отливки подвергают длительному нагреванию при высокой температуре в специальных термических печах. Такой процесс называют отжигом. При отжиге цементит разлагается на углерод (графит), который выделяется в виде хлопьев, и железо. В зависимости от химического состава белого доэвтектического чугуна и режима его отжига металлическая основа отливки может состоять из феррита или перлита.

Ферритная или перлитная металлическая основа и углерод хлопьевидной формы обеспечивают ковким чугунам высокие прочность и пластичность. Если после отжига чугуна металлическая основа состоит из феррита, то такой чугун называется ферритным ковким, если же из перлита, то перлитным ковким. На практике чаще получают отливки из ферритного ковкого чугуна.

Рис. 5. Режимы отжига   белого чугуна при получении ковкого чугуна:

а — ферритного, б — перлитного;

1 ...5 — этапы отжига

 

Отжиг для получения ферритного ковкого чугуна состоит из пяти этапов (рис. 5, а):

1. Нагревание до температуры 900...1000 °С.
2. Выдержка при температуре 900...1000 °С, во время которой цементит распадается на аустенит и углерод отжига.
3. Охлаждение до температуры ниже эвтектоидного превращения (690...700°С); при этих температурах из аустенита выделяется углерод отжига; аустенит же пре 
   вращается в перлит.
4. Выдержка при температуре 690...700°С, во время которой из перлита получаются феррит и углерод отжига; к концу выдержки образуется структура феррит +; углерод отжига.

5. Охлаждение до нормальной температуры. Общий пикл отжига составляет 50...60 ч.

Отжиг для получения перлитного ковкого чугуна состоит из четырех этапов (рис. 5, б):

1. Нагревание до температуры 1000...1050 °С.
2. Выдержка при температуре 1000...1050 °С, во время которой цементит распадается на аустенит и углерод отжига.
3. Охлаждение до температуры ниже эвтектоидного превращения (690...700 °С); при охлаждении из аустенита выделяется углерод отжига; аустенит превращается в перлит.
4. Минуя выдержку при температуре 690...700 °С, отливки охлаждают до нормальной температуры. Образуется структура перлит+углерод отжига. Цикл отжига составляет 100...110 ч.

Совершенствование технологии отжига и использование электрических печей позволяют сократить время отжига отливок на ковкие чугуны до 30...40 ч.

Механические свойства ковкого чугуна в зависимости от марок приведены в табл. 4.

 

Таблица 4. Механические свойства ковкого чугуна

 

В марке чугуна буквы КЧ обозначают, что чугун ковкий; первые цифры показывают предел прочности при растяжении, вторые — относительное удлинение.

Из ковких чугунов изготовляют небольшие тонкостенные отливки, картеры автомобилей, детали тракторов, арматуру и другие детали массового производства.

 

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. не полностью 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 лучше 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 тяжелонагруженных деталей машин, от которых требуется высокая стабильность и равномерность свойств 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 неполностью 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.

 

Рис. 6. Схема кислородного  конвертера

1 — конвертер. 2—перерабатываемый металл, 3 — зонт,

4 — направляющая для опускания и подъема фурмы, 5—фурма

Кислородный конвертер 1 (рис. 6) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный изнутри огнеупорными материалами. 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 водоохлаждаемую 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 температура 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; Выплавка стали в кислородных конвертерах—высокопроизводительный и перспективный процесс.

Выплавка стали в мартеновских печах. Мартеновская печь (рис. 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.

Рис. 7. Схема мартеновской печи: