2.3. Иллюстрации технологического процесса получения материала заготовки

Рисунок 2.1.1. Связь металлургического и машиностроительного производства: 1 – добыча руды 2 – получение кокса 3 – обогащение руды 4 – производство чугуна в доменной печи 5 – производство стали 6 – разливка стали 7 – прокатка 8 – механообработка 9 – производство литых заготовок

Рисунок 2.1.2. Конструкция доминой печи: а – доминая печь б – воздухонагреватель

Рисунок 2.1.3. Реакции доменного процесса

Рисунок 2.1.4. Схема внедоменного получения железа

Рисунок 2.2.5. Печь конвертор для получения стали

Рисунок 2.2.6. Мартеновская печь для получения стали

Рисунок 2.2.7. Электродуговая печь для получения стали

Рисунок 2.2.8. Индукционная печь для получения стали

Рисунок 2.2.9. Физико-химические процессы производства стали

Рисунок 2.2.10. Разливка стали в изложницу сверху

Рисунок 2.2.11. Разливка стали в изложницу сифоном

Рисунок 2.2.12. Разливка стали, на установке непрерывной разливки стали

Рисунок 2.2.13. Строение слитка

Рисунок 2.2.14. Способы рафинирования стали

2.4. Легированные стали 2.4.1. Влияние примесей на свойства сталей

Сплавы на основе железа являются основными материалами для изготовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механических, физических, химических и других свойств. Свойства сталей зависят не только от ее состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

Сталью называют сплав железа с углеродом (от 0,02 до 2,14%), постоянными примесями которого являются МП ДО 0,8%, 8i до 0,5%, Р до 0,05%. S до 0,05%. Такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки добавлять легирующие элементы (Сг, Ni, Мп, У, W, Мо и др.) сверх их обычного содержания, то получают легированную сталь. Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и легирующих элементов на механические свойства сталей.

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С его увеличением повышаются твердость, и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость (рисунок 2.4.1.). Временное сопротивление σ_в достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9%. Структура углеродистых сталей может быть ферритоперлитной (до 0,8 % С), перлитной (0,8% С) и перлитоцементитной (свыше 0,8% С). Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и структурно не обнаруживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако, учитывая, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe–FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 ^оС. При нагревании свыше 800 ^оС сульфиды делают сталь хрупкой, и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как, соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Mn → MnS + Fe), у которого температура плавления 1620 ^оС.

При температуре горячей обработки (800 – 1200 ^ОС) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств. Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость, стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Его растворимость в железе при высокой температуре достигает 1,2%, однако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02 – 0,03% при 200 ^оС и ниже, Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру переход, а стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначения ограничивается в пределах 0,025-0,06%.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, вызывают охрупчиванне стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии не только ее охрупчивает. но и способствует возникновению очень опасного дефекта – внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на аллотропические превращения железа и фазовые превращения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.

Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказывают Сг, W, Nb, Мп, Ni, Си и другие металлы. Они расширяют или сужают область существования γ-железа. Например, введение в сталь Ni, Мп и Си понижает температуру точки А₃ и повышает температуру точки А₄, что (при определенном их содержании) расширяет область γ-железа от температуры плавления до комнатной (рисунок 2.4.2. а). Такие сплавы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в γ -железе и относятся к сталям аустенитного класса.

Вторая группа элементов, таких, как Сг, Мо, W, У, Al, Si, понижает температуру точки А₄ и повышает температуру точки А₃, сужая область γ -железа на диаграмме (рисунок 2.4.2. 6). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до температуры плавления представляют твердый раствор легирующего элемента в а-железе и называются сталями ферритнoгo класса.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся Мп, Cr, W, Мо, Ti и др. При небольшом содержании некоторые карбидоо5ра¬зующие элементы растворяются в цементите; состав легированного цементита отвечает общей формуле (Fe, М)₃С, где М – легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сr₇С_З, Сr_2ЗС₆. Мо₂С, TiC и др. Ряд элементов, например W и Мо, совместно с Fe образуют карбиды Fе₃W₃С и Fе₃Мо₃С. Все эти карбиды отличаются высокой твердостью и высокой температурой плавления. Элементы, не образующие карбидов (Ni, Си, Si, Со), находятся в стали главным образом виде твердого раствора.

Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аустенита (Со ускоряет превращение, Ni, Мп, Si, Cr, Мо и другие – замедляют), влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения (Со и Al повышают точки М_Н и M_к, остальные – понижают) и замедляют процесс распада мартенсита при отпуске.

Легирующие элементы, оказывая влияние на полиморфизм железа и превращения в стали при термической обработке, а также вызывая изменения фазового состава и структуры, оказывают существенное влияние на механические и эксплуатационные свойства сталей.