3. Металлургия чугуна и стали. Вводная лекция.

Железо и его сплавы

Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

• Плотность (при н. у.): 7,874 г/см³

• Температура плавления: 1812 K

• Температура кипения: 3134 K

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al. Считается также, что железо составляет большую часть земного ядра. В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe₂O₃; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO∙Fe₂O₄, Fe₃O₄; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В России железо добывается на Курской магнитной аномалии (КМА), Кольском полуострове, в Карелии и в Сибири.

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃). Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Фазовая диаграмма железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

% С (по массе) в точках: q - 0,006, p – 0,025, s – 0,8, e – 2,06

Фазы железоуглеродистых сплавов

• Феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)

• Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)

• Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)

• Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Железоуглеродистые сплавы делятся на две большие группы в зависимости от содержания углерода. Сплавы, содержащие более 2,03 % C, называются чугунами. При затвердевании в них идет эвтектическое превращение. Сплавы, содержащие менее 2,03 % С, входе затвердевания которых нет эвтектического превращения, называются сталями.

Сталь

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

По областям применения стали делятся:

• Конструкционная сталь (до 0,8 % C)

• Инструментальная сталь (до ~2 % C)

• Нержавеющая сталь (легированная хромом)

• Жаростойкая сталь

• Жаропрочная сталь

• Высокопрочная сталь

Конструкционная сталь — это сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. В свою очередь конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость.

Красноломкость — свойство стали давать трещины при горячей обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850—1150 °C).

Содержание вредных примесей в стали:

• Обыкновенного качества — P и S — до 0,05 % (маркировка Ст).

• Качественная — P и S — до 0,035 % (маркировка Сталь).

• Высококачественная — P и S — до 0,025 % (маркировка А в конце марки).

• Особовысококачественная — Р и S — до 0,015 % (маркировка Ш в конце марки).