Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ТКМ -ММФ / 2013 Маркировка - уч. пос

..pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
26.11.2019
Размер:
323.76 Кб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

______

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Машиностроительные материалы.

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета

2007

УДК 669 (076.5)

Кириллов Н.Б., Степанов Е.З., Третьяков В.П. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Машиностроительные материалы. Учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 36 с.

Учебное пособие соответствует содержанию федеральных дисциплин ОПД.Ф.03 «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» и ОПД.Ф.03.02 «Технология конструкционных материалов» государственных образовательных стандартов по направлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов 140200 «Электроэнергетика», 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнология», 140400 «Техническая физика», 140100 «Теплоэнергетика», 140500 «Энергомашиностроение», 190100 «Наземные транспортные системы», 150400 «Технологические машины и оборудование», 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», 150300 «Прикладная механика», 080300 «Экономика», 080500 «Менеджмент».

Содержит краткие сведения по технологии плавки стали, определению качества и способов раскисления сталей. Рассмотрены классификация черных металлов, основные группы цветных сплавов, основы маркировки машиностроительных материалов для определения химического состава, назначения, механических и физико-химических свойств металлов и сплавов.

Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов первого курса очной и очно-заочной (вечерней) форм обучения электромеханического, энергомашиностроительного, механико-машиностроительного факультетов, факультета экономики и менеджмента, обучающихся в рамках бакалаврской подготовки.

Ил. 1. Табл. 6. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета СанктПетербургского государственного политехнического университета

©Кириллов Н.Б., Степанов Е.З., Третьяков В.П., 2007

©Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2007

Предисловие

Курс «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» относится к циклу общепрофессиональных дисциплин, определяющих подготовку специалистов технического профиля. Изучение этого курса должно дать студентам умение и навыки самостоятельной работы с учебной, технической и справочной литературой для выбора используемых в настоящее время и новых перспективных материалов для повышения качества и надежности изготовляемых из них изделий.

Внастоящем учебном пособии приведены краткие сведения по технологии плавки стали, определению качества и способов раскисления сталей. Рассмотрены классификация черных металлов, основные группы цветных сплавов и правила маркировки машиностроительных материалов.

Всистематизированном виде приведены наиболее характерные и распространенные в промышленности черные и цветные металлы и сплавы, а также рассмотрено их применение в технике. Представлено задание по «чтению» и определению химического состава, назначения, механических и физико-химических свойств металлических материалов, применяемых в промышленном производстве.

При решении этого задания студенты получают умение ориентироваться во всем многообразии промышленных материалов, по химическому составу определять технологические и эксплуатационные свойства конкретного материала. Анализ методов получения, свойств и области применения рассматриваемого материала позволяет определить пути улучшения его характеристик и снижения себестоимости изделий.

1.Производство черных металлов

Всовременном машиностроении широко используют черные металлы на основе железа (чугун, сталь) и цветные сплавы на основе меди (латунь, бронза), алюминия, титана, магния и других металлов. В основе производства черных металлов лежит двухступенчатая схема, которая состоит из выплавки чугуна в доменных печах и дальнейшего передела его в сталь в кислородных конвертерах, в мартеновских и электрических печах.

Чугун получают из железорудных материалов (агломерата, окатышей), содержащих оксиды железа Fe2O3, кремния SiO2, алюминия Al2O3 и

другие химические соединения, с использованием кокса для разогрева шихты и восстановления железа; воздуха для горения кокса; извести для преобразования пустой породы в шлак. При доменной плавке восстановительные процессы идут по схеме Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe в результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода СО и твердым углеродом кокса. Восстановителем является также сажистый углерод и водород при введении в доменную печь природного газа. При температуре 1100– 1200 оС восстановленное из руды железо интенсивно науглероживается с образованием карбида железа Fe3C и переходит в жидкое состояние. Во время плавления железоуглеродистый сплав дополнительно насыщается марганцем, кремнием и фосфором, которые частично восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе. Так образуется чугун. В условиях доменного процесса оксиды Al2O3, CaO, SiO2 и другие, содержащиеся в пустой породе руды, переходят в шлак, который скапливается на поверхности жидкого чугуна. По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи. Периодичность выпуска шлака 1,0–1,5 часа, чугуна 3–4 часа.

Полученный в доменной печи чугун в жидком состоянии транспортируют в кислородно-конвертерный или мартеновский цех металлургического комбината для передела его в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливается в изложницы и затвердевает в них в виде чушек (слитков). В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения. Передельный чугун, содержащий

4,4–4,6 % углерода, 0,2–0,8 % кремния, 0,2–0,6 % марганца, до 0,3 % фос-

фора и 0,05 % серы, выплавляют для передела его в сталь. Литейный чугун, содержащий кремния (до 2,75–3,25 %), используют на машиностроительных заводах при производстве отливок.

В машиностроении для выплавки стали и производства литейных сплавов широко применяют дуговые сталеплавильные печи, емкость которых составляет от 500 кг до 300 т. В этих печах в качестве источника теплоты используют электрическую дугу, возникающую между электродами и металлической шихтой. Дуговая сталеплавильная печь (рис. 1) имеет стальной корпус, который футерован изнутри теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом 3.

Огнеупорные материалы, содержащие основные оксиды CaO, MgO называют основны- ми (магнезитовые, хромомагнезитовые материалы), а содержащие большое количество кремнезема SiO2 кис- лыми (динасовые). В металлургических цехах обычно применяют дуговые печи с основной футеровкой, а в литейных

цехах –

с кислой.

Корпус печи нахо-

Рис. 1. Схема дуговой плавильной печи дится

на

опорном сег-

менте

2,

установленным

на фундаментной балке 11. В стенке печи имеется рабочее окно 4 для управления ходом плавки и удаления шлака. Для выпуска шлака 9 печь наклоняют при помощи гидроцилиндра 1 в сторону рабочего окна, и он стекает в шлаковую ванну. Выпуск жидкой стали 10 в ковш производится по желобу 8. Для уменьшения тепловых потерь во время плавки в конструкции печи предусмотрен песчаный затвор 5. Загрузка шихты производится при снятом своде 6, который также изготовлен из огнеупорного кирпича.

В своде имеются отверстия для прохода графитовых электродов 7. Во время плавки длина дуги регулируется автоматически за счет вертикального перемещения электродов. Конструкция печи предусматривает также систему удаления и очистки газов, электромагнитное перемешивание стали, вспомогательные механизмы и устройства.

Дуговые печи обеспечивают быстрый нагрев и плавку шихты, точную регулировку температуры металла; создание окислительной, восстановительной или нейтральной атмосферы, что позволяет выплавлять сталь и сплавы любого состава с образованием минимального количества неметаллических включений. Типовая технология выплавки стали в основных

дуговых печах предусматривает возможность ведения плавки углеродистой шихты с полным окислением примесей и шихты из легированных отходов методом переплава [1, 2]. По первому варианту шихту составляют с таким расчетом, чтобы в процессе окисления выгорало около 0,3 % углерода при выплавке высокоуглеродистых сталей и не менее 0,4 % при выплавке средне- и низкоуглеродистых сталей. При ведении плавки методом переплава особое внимание уделяется чистоте шихты, сводя окислительный период к минимуму и проводя лишь короткую продувку кислородом для небольшого обезуглероживания, дегазации и нагрева металла.

При ведении плавки по первому варианту после полного расплавления шихты скачивают 60–75 % шлака, затем в печь подают известь (CaO), плавиковый шпат (CaF2) и начинают окислительный период с целью дегазации металла, удаления фосфора, очищения от неметаллических включений. Окисление ведется посредством введения железной руды, окалины (Fe2O3) или продувки ванны кислородом, подаваемым через фурмы. В результате образуется оксид железа FeO, который способен диффундировать по всему объему ванны. Окисление примесей чугуна происходит по следующим реакциям:

(FeO) + [C] Fe + CO;

[Si] + 2(FeO) (SiO2) + 2Fe;

[Mn] + (FeO) (MnO) + Fe

При этом происходит также растворение кислорода в металле: (FeO) Fe + [O]

Растворенный кислород в результате перемешивания переносится на некоторое расстояние от поверхности растворения, где происходят реакции:

[Si] + 2[O] (SiO2);

[Mn] + [O] (MnO);

[C] + [O] CO;

[S] + 2[O] SO2

Вместе с окисью кальция, содержащейся в извести, оксиды кремния и марганца SiO2 MnO образуют шлак. Окись углерода CO выходит из расплава в виде пузырьков и вызывает “ кипение“ ванны жидкого металла. Шлак вспенивается, уровень его повышается. “ Кипение“ металла ускоряет нагрев ванны, а удаление из металла газов и неметаллических включений способствует также удалению фосфора:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) (CaO)4 P2 O5 + 5Fe

Когда содержание углерода в металле доводится до требуемого уровня (с учетом содержания углерода в ферросплавах, вводимых на последующих этапах), продувку ванны кислородом прекращают и полностью удаляют шлак. Окислительный период плавки заканчивается и начинается восстановительный период с целью раскисления стали и прекращения процесса “ кипения“.

Восстановительный период плавки начинают с подачи в печь ферромарганца в количестве, обеспечивающем начальное раскисление и требуемое содержание марганца в стали:

(FeO) + (Mn) Fe + MnO

При выплавке высокоуглеродистых сталей содержание углерода можно повысить за счет добавки кокса или чугуна. Затем в печь загружают флюс, состоящий из извести, плавикового шпата и шамотного боя (в соотношении 5:1:1). После расплавления флюсов и образования шлака (MnO SiO2 CaO), в печь вводят дополнительную раскислительную смесь, состоящую из ферросилиция, извести и плавикового шпата. Ферросилиций, находящийся в порошкообразном виде, медленно проникает через слой шлака, в котором происходит восстановление железа:

2(FeO) + (Si) 2Fe + (SiO2)

Этот процесс называют диффузионным раскислением стали. Раскислительную смесь вводят в печь несколько раз. По мере раскисления и понижения содержания монооксида железа в шлаке его цвет меняется, и он становится почти белым. Раскисление под “ белым шлаком” длится 30–60 минут. Во время восстановительного периода на границе со шлаком из металла удаляется также сера за счет высокого содержания в белом шлаке CaO (до 60 %) и низкого содержания FeO (менее 0,5 %):

[FeS] + (CaO) (CaS) + (FeO)

С момента расплавления шихты до выпуска металла из печи регулярно отбирают пробы металла и шлака для анализа химического состава. В ходе восстановительного периода при необходимости в печь вводят ферросплавы для достижения заданного химического состава сплава. Когда достигнуты нужный состав металла и температура, выполняют конеч- ное раскисление стали алюминием и силикокальцием. После этого следует выпуск металла из печи в разливочный ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах порядок ввода ферросплавов определяется сродством легирующих элементов к кислороду. В период плавления или в окислительный период вводят никель и молибден, так как они обладают меньшим, чем железо, сродством к кислороду. Хром вводят в восстановительный период; кремний, ванадий, титан – перед выпуском металла из печи в ковш.

Достигнутый при раскислениии уровень активности (концентрации) кислорода называют степенью раскисленности. По степени раскисленно-

сти стали разделяют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Если рас-

кисленная сталь при затвердевании в изложницах ведет себя спокойно, т.е. из нее почти не выделяются газы, то такую сталь называют спокойной. Спокойные стали раскисляют в процессе плавки не только марганцем, но и более активными раскислителями – кремнием (ферросилицием) и алюминием. При раскислении стали только марганцем уровень окисленности металла остается выше равновесного с углеродом. Поэтому частичное удаление растворенного кислорода из стали при ее постепенном охлаждении происходит за счет его взаимодействия с углеродом. При разливке стали образующиеся пузырьки CO частично всплывают в верхнюю часть слитка, увеличивая при этом объем металла и вызывая “ кипение”. Такую сталь называют кипящей. При кратковременном кипении металла сталь называют полуспокойной. Полуспокойные стали обычно раскисляют марганцем и кремнием.

С целью повышения качества стали, т.е. уменьшения вредных примесей и включений, может применяться внепечная обработка, и переплавка стали. Современные сталеплавильные технологии с использованием методов внепечной обработки стали основываются на использовании следующих технологических приемов: обработка вакуумом, продувка инертными газами, обработка твердыми шлаковыми смесями; комплексная обработка металла вакуумом, кислородом, инертными газами и шлаковыми смесями; введение в глубь металла порошкообразных реагентов или реагентов в виде композитных блоков, проволоки.

К переплавным процессам относят плавку стали в вакуумной индукционной печи (вакуумный индукционный переплав или сокращенно ВИП) и такие способы переплава, как вакуумно-дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой (ПДП). При

переплавке обеспечивается получение металла строго заданного состава, очень чистого по содержанию газов, неметаллических включений и примесей цветных металлов. На стадии переплава создают особые условия кристаллизации металла (более быстрая и направленная кристаллизация) для уменьшения последствий ликвационных процессов и дефектности слитков усадочного происхождения.

2. Классификация стали

Стали представлены в современном машиностроении наибольшим числом марок (составов) [3–8]. Они классифицируются по химическому составу, назначению и способу производства.

По химическому составу стали разделяют на углеродистые и легированные. По назначению различают следующие классы сталей: конструкционные (машиностроительные); машиностроительные специализированного назначения, инструментальные, строительные, с особыми физическими и химическими свойствами.

Стали конструкционные применяют во всех областях машиностроения для изготовления различных деталей из проката и поковок (валы, оси, шестерни и т.п.), а также отливок и сварных конструкций. Содержание углерода в конструкционных сталях находится в пределах от 0,05 до 0,60 %. Легирующие элементы определяют механические и эксплуатационные свойства сталей.

Стали и сплавы машиностроительные специализированного назна-

чения оцениваются по механическим характеристикам при низких (криогенных) и высоких температурах, по технологическим, физическим и химическим параметрам. К этому классу сталей относят: жаростойкие и жаропрочные, для работы при низких температурах (хладостойкие стали), износостойкие, рессорно-пружинные, автоматные и другие.

Стали инструментальные имеют высокую твердость, износостойкость и прочность, используют для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов и пресс-форм.

К строительным сталям относятся углеродистые и низколегированные стали, обладающие повышенной прокаливаемостью и более высокими механическими характеристиками. Поскольку строительные стали должны обладать высокой ударной вязкостью, пластичностью и свариваемостью, в

сталях для металлических конструкций (углеродистые обыкновенного качества и низколегированные стали) содержание углерода не превышает 0,2 %, а в сталях с добавками марганца и кремния для армирования железобетонных конструкций – 0,37 %.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами используют в приборостроении, электротехнической, радиотехнической и электронной отраслях промышленности. Имеются следующие группы сплавов: с заданным коэффициентом теплового расширения, с заданными упругими свойствами, немагнитные, с высокой магнитной проницаемостью (магнитномягкие сплавы), с высокой коэрцитивной силой (магнитно-твердые сплавы) и с высоким электросопротивлением.

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (коррозионно-

стойкие или нержавеющие во влажной среде), имеющие содержание хрома более 12 %, применяют для изготовления химического и пищевого оборудования, хирургического инструмента и деталей, эксплуатируемых в атмосферных условиях и при повышенной температуре, в растворах кислот и солей.

Классификация стали по качеству и способу производства (табл. 1)

определяет условия металлургического производства и содержание в них вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора).

При получении качественной стали в конвертерах и мартеновских печах особое внимание уделяется контролю состава исходных материалов (шихты) и химического состава стали в процессе плавки на наличие серы и фосфора. Фосфор изменяет характер разрушения металла при низкой температуре (хладноломкость) за счет образования хрупких прослоек в межзеренном пространстве. Вредное влияние фосфора особенно сказывается при повышенном содержании углерода. Сера способствует появлению хрупкости при нагреве (красноломкость) за счет размягчения низкоплавких межзеренных прослоек, насыщенных сульфидами.

В стали содержатся постоянные или обыкновенные примеси (C, Mn, Si, S, P), скрытые примеси (O, H, N) и случайные примеси. Содержание постоянных примесей регламентируется стандартами, содержание скрытых примесей в обычных технических условиях не указывается. Для придания стали специфических свойств путем изменения ее строения (структуры и фазового состава) в сталь в определенных количествах вводят легирующие

Соседние файлы в папке ТКМ -ММФ