Тема 4. Технологические основы производства в металлургической промышленности Основы металлургии черных и цветных металлов.

Большое значение в народном хозяйстве имеет металлургическая промышленность. Благодаря развитию металлургической промышленности движется НТП.

Как известно, металлы делятся на две группы:

     черные

     цветные.

К черным относятся железо и его сплавы (чугун, сталь); остальные металлы – цветные (в том числе и редкие).

Металлы получают двумя способами: пирометаллургическим (огневым) и гидрометаллургическим (мокрым). При металлургическом способе металлы не выплавляют, а выщелачивают в растворы, откуда затем выделяют электролизом или другими способами.

Особое место среди металлов занимают железо и его сплавы, составляющие по весу 85-90% всего применяемого металла в России. Отраслью, занятой производством и первичной обработкой железа и его сплавов, является черная металлургия – основа развития современной промышленности и технического вооружения всего народного хозяйства.

     Черная металлургия – 40%

     Цветная металлургия –2%

     Машиностроение и металлообработка – 5%

В структуре промышленного производства Кемеровской области.

Сплавы железо – углерод в зависимости от содержания углерода делятся на стали (содержание углерода до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%). Предельное содержание углерода в сплаве 6,67%.

Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом; область чистого феррита незначительна.

Охлаждение сплава (с высоким содержанием углерода) ниже линии CD связано с образованием цементита (первичного), т.е. устойчивого химического соединения железа с углеродом Fe₃C (карбида железа).

У низкоуглеродистых сплавов (до 0,8% С) непрерывно возрастающее количество феррита, вызванное понижением температуры, ведет к выделению углерода и насыщению им оставшегося аустенита. При 727⁰С насыщенный аустенит превращается в перлит – эвтектоидную смесь цемента и феррита. Структура таких сплавов после охлаждения будет состоять из феррита и перлита.

Чугуны по содержанию углерода делятся на доэвтектические (2,14-4,3% С), эвтектические (4,3% С), заэвтектические (4,3-6,67% С).

 

Методы определения качества металла (сплава)

Металлы и сплавы применяются в качестве конструкционных материалов, подвергаются различным механическим испытаниям. Наиболее распространены испытания на прочность и твердость.

Прочность – сопротивление разрушению под действием внешних сил определяют при статистических испытаниях на растяжение.

Прочность характеризуется временным сопротивлением на разрыв (пределом прочности σ_в)

σ_в = Р_max /А,

где Р_max – наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец до разрушения; А – начальная площадь поперечного сечения образца.

Как указывалось, длина образца при испытаниях на растяжение благодаря пластичности металла увеличивается до величины l_k.

Отношение l_k/ l₀ = δ называют относительным удлинением (%) по которому оценивается пластичность при растяжении материала, где l₀ – начальная (расчетная) длина образца.

Показателем пластичности является также относительной укорочение (при сжатии) материала

,

где h₀ и h_к – начальная и конечная высота образца. Величины δ и Δ характеризуют статистическую вязкость металлических материалов. Одним из свойств металлов является их способность сопротивляться ударным (циклическим) нагрузкам, что характеризует их ударную вязкость, которую определяют на маятниковых копрах.

Сопротивление металлов знакопеременным нагрузкам (усталостному разрушению) выявляется на специальных стендах, имитирующих знакопеременную нагрузку. Многие детали паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и других изделий работают при таких высоких температурах, которые вызывают в ряде металлов и сплавов ползучесть. В этих случаях нужно выбирать материал, стойкий против ползучести.

Твердостью вещества называют его способность сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.

Твердость измеряют по трем шкалам: Бринелля НВ (вдавливанием в образец стального, закаленного шарика); Роквелла HRC, HRA (алмазным конусом при различных нагрузках) и HRB (стальным закаленным шариком); Виккерса HV (алмазной пирамидой).

Кроме механических свойств металлы и сплавы обладают рядом технологических свойств, к которым относятся жидкотекучесть, обрабатываемость методами пластической деформации (ковкой, штамповкой и др.), что зависит от пластичности, вязкости материала, способность принимать термическую обработку, обрабатываемость посредством резания, свариваемость и т.д.

Повышение механических и технологических свойств сплавов металлов можно осуществлять введением в них особых легирующих компонентов, а также термической и химико-термической обработкой.

 

Чугуны

Различают серый чугун, в структуре которого имеется углерод в виде графита, и белый, в котором углерод находится в виде цементита.

Наибольшее применение получили серные доэвтектические чугуны, содержащие 2,4-3,8% углерода. С повышением количества углерода в чугуне увеличивается содержание графита, снижаются механические свойства. Хорошие литейные качества чугуна (жидкотекучесть) обеспечиваются необходимым количеством углерода (не менее 2,4%).

I. Серые чугуны маркируются двумя буквами СЧ, а также двумя двузначными цифрами, первая из которых указывает пределы прочности при растяжении, вторая – при изгибе, например СЧ12-28.

1.     Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при небольших нагрузках (строительных колонн, фундаментных плит, литых деталей сельскохозяйственных машин, арматуры и др.)

2.     Перлитные чугуны используют для отливки станин больших станков, поршней, цилиндров, других деталей, работающих на износ при больших давлениях. К перлитным чугунам относятся также сталистые чугуны.

3.     Для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих в условиях трения, применяют антифрикционные чугуны.

4.     Подвергая отливки белового чугуна длительному нагреву при высоких температурах (отжигу), получают ковкий чугун, применяемый для различных деталей, работающих при больших нагрузках (ступиц, крюков, скоб и т.д.). ковкий чугун маркируют двумя буквами КЧ, а также цифрами, например КЧ50-4. первые цифры характеризуют средний предел прочности при растяжении, вторые – относительной удлинение.

II. Белый чугун, имеющий большую твердость и хрупкость, для изготовления заготовок практически не применяется, а используется лишь в качестве предельного материала при получении ковкого чугуна.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при литье, стабилизации размеров, снижения твердости и улучшения обрабатываемости, повышения механических свойств чугуны подвергаются термической и химико-термической обработке: отжигу, нормализации, закалке и отпуску, азотированию.

В частности, азотируют детали, отлитые из высокопрочного чугуна (коленчатые валы, втулки цилиндров дизелей тепловозов и др.).

Высокопрочные (или модифицированные) чугуны получают при плавке с присадкой модификаторов, например магния, в присутствии которых графит приобретает шаровидную форму, благодаря чему прочность чугуна повышается. Эти чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, например ВЧ50-2,5.

III. Кроме указанных применяют также легированные чугуны, имеющие по сравнению с обычными повышенной содержание кремния и марганца.

В промышленности применяют и специальные чугуны или доменные ферросплавы с большим содержанием марганца или кремния, например чугун «зеркальный». Ферросплавы применяют в производстве стали для ее раскисления, т.е. удаления вредной примеси – кислорода, и легирования, а это повышает качество стали.