Общие сведения о металлах и сплавах.
Металлы обладают комплексом ценных свойств, большой прочностью, пластичностью, свариваемостью, выносливостью, способностью упрочняться и улучшать другие свойства при термомеханических и химических воздействиях. В чистом виде металлы вследствие недостаточной прочности, твердости и высокой пластичности применяются редко, главным образом, они используются в виде сплавов с другими металлами и неметаллами, например, углеродом. Железо и его сплавы называют черными металлами, остальные их сплавы – цветными. Наибольшее применение имеют черные металлы, стоимость их значительно ниже цветных, однако, последние обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью и декоративностью. Наибольшее применение имеют конструкции из алюминия.
Основы производства чугуна и стали.
Сплавы железа(Fe) с углеродом (С), содержащие до 2.14 % С, называют сталью, содержащие больше 2.14 % С – чугуном.
Сырьем для получения черных металлов служат руды железа, марганца, хрома. Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ, реже - из доломита или известняка. Виды:
Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа (45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановимость железа из руды - хорошая.
Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов (25- 50%).
Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли (30-37 %). Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.
Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей, достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре - около 12 м. Чугун получают в ходе процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом, при высокой температуре. Кокс каменноугольный — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый коксованием каменного угля. Коксование - это переработка угля без доступа кислорода с целью его отчистки от летучих примесей; осуществляется при Т= 900-10500 С в течение 10-12 ч. Кокс, сгорая, образует углекислый газ, при прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по схеме Fe2O3 →Fe3O4 → FeO → Fe. Опускаясь в нижнюю часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится 93 % железа и 5 % углерода.
Рис. 11 Доменный процесс
Углерод содержится в чугуне в виде химического соединения, называемого цементит Fe3С или в виде механической примеси – свободного графита. Чугун, содержащий углерод в виде цементита, имеет белый излом, характеризуясь высокой прочностью и твердостью, пониженным содержанием Si. Он мало пригоден для литейных целей и в основном перерабатывается в сталь. Данный чугун называют белым или предельным чугуном.
Чугун, содержащий углерод в виде свободного графита имеет серый излом, крупнозернистое строение и повышенное содержание Si. Благодаря наличию свободного углерода, он обладает высокими литейными свойствами и легко обрабатывается инструментом. Он применяется в литейных целях и называется литейным.
В строительстве серые чугуны используют в конструкциях, работающих на статическую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, балки, канализационные трубы и др.). Высокопрочный чугун, обладающий повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промышленных зданий, фундаменты тяжелого оборудования, опоры железнодорожных и автомобильных мостов.