1.1. Компоненты железоуглеродистых сплавов

Сплавы железа принято в промышленности называть черными металлами, остальные металлы - цветными.

Железо. Впервые о железе стало известно во 2 в. до н.э. как о метеоритном железе. В Европе и Древней Руси железо получали сыродутным путем (восстановление железа из железной руды в горне, устроенном в яме, в которую мехами вдували воздух). Продукт восстановления – крицу – ударами молота отделяли от шлака и из нее выковывали различные изделия. По мере усовершенствования процессов дутья, высоты горна повышалась температура в нем и железо науглероживалось. Т.о. получался чугун, который считали отходом производства. До сих пор его называют "чушками". Позже заметили, что при загрузке в горн не руды, а крицы получали более качественный металл – сталь. В 14 в. чугун стали выплавлять не как кричный передел, а металл для литья каких-либо изделий. Тогда же произошла реконструкция горна в шахтную печь – "домницу", а далее в домну. Промышленный переворот 18-19 вв., изобретение паровой машины, железной дороги, мостов, парового флота вызвали громадную потребность в сталях. Массовое производство стали началось в 19 в., были разработаны бессемеровский, мартеновский сталеплавильные процессы. В 20 в. был изобретен электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.

Железо - металл серебристо-белого цвета, является переходным металлом, находится в VIII-ой группе Периодической системы. Его атомный номер 26, атомная масса 55,8 а.е.м., атомный радиус 0,127 нм. Температура плавления - 1539°С.

Атом железа имеет внешнюю электронную конфигурацию 3d⁶4s². Валентность железа +2 и +3.

Железо устойчиво по отношению к сухому воздуху, но во влажном - быстро корродирует и покрывается бурым гидроксидом Fе₂О₃*nН₂О, рыхлым и не предохраняющим металл от дальнейшего окисления (ржавчиной). Реакция образования ржавчины многостадийна:

4Fе + 3О₂ + 2nH₂О = 2(Fе₂О₃*nН₂О)

При температуре каления железо сгорает, превращаясь в "железную окалину" Fе₃О₄.

При нагревании железо взаимодействует с неметаллами (С, Si, N,P, Н) с образованием металлоподобных соединений (Fe₃С, Fe₃Si, Fe₃P, Fe₃N и др.). Железо легко растворяется в кислотах, вытесняя водород.

Способ получения железа из руд основан на восстановлении оксидов железа углем.

Железо - полиморфный металл, может существовать в четырех модификациях:

 - ОЦК от 0°Кдо769°С;  - ОЦК от769°до910°С

 - ГЦК от 910° до 1329°С;  - ОЦК от 1329 °С

до температуры плавления Т_п = 1539 °С.

Плотность "низкотемпературной" модификации  -Fe равна 7,68* 10^3кг/м³. Параметр решетки  = 0,286 нм.

При Т( - )=769°С  - фаза переходит в  - фазу - модификацию с незначительным изменением параметра решетки, но существенным изменением магнитных свойств.

 - фаза склонна к сильному намагничиванию и является ферромагнитной фазой. При 769°С ферромагнит превращается в парамагнит  -Fe, а данная температура Т( - ) называется температурой Кюри. При Т( - )= 910 °С  -Fe превращается в  - ГЦК - модификацию с плотностью  = 8*10³ кг/м ³ и параметром а=0,365 нм.  - Fe при Т( -)=1392 превращается в  - Fe (ОЦК), которое плавится при 1539°С.

Углерод - неметалл, находится в IV-й группе Периодической таблицы, атомный номер 6, атомная масса 12 а.е.м., атомный ради­ус 0,077 нм, температура плавления 3500 °С. Углерод полиморфен, имеет аллотропные формы: графит и алмаз.

При взаимодействии с железом в сплавах углерод может растворяться в решетках железа по механизму внедрения в межузельные пространства решетки железа, поскольку атомный радиус углерода почти в два раза меньше, чем у железа. Кроме того, углерод с железом образует химические соединения Fe₃С, Fe₂C и др. Соединение Fe₃С является устойчивым, содержит наименьшую концентрацию углерода (6,67 % С) по сравне­нию с другими соединениям. Соединение Fe₂C является неустойчивым, т.е. распадается с понижением температуры. Сплавы, содержащие более 6,67% С очень хрупкие и не применяются в производстве, поэтому можно рассматривать часть диаграммы от железа до соединения Fe₃С как самостоятельную диа­грамму Fe-Fе₃C.

В природе имеются месторождения кристаллического, связанного с магматическими горными породами – Бурятское месторождение, и скрытокристаллического графита, связанного с метаморфизмом углей –крупное Уральское месторождение, содержание графита в сланцах 60-85%. Высокая жаропрочность графита позволяет применять его как огнеупорный материал в литейных формах, тиглях, керамики, для изготовления антипригарной краски и т.д.; как эрозионностойкий материал для покрытия сопел ракетных двигателей, камер сгорания; высокая электропроводность позволяет применять как гальванические элементы, щелочные аккумуляторы, скользящие контакты, проводящие покрытия; малый коэффициент трения позволяет применять как смазочный и антитфрикционный материал.