6. Углеродистые стали и чугуны

6.1 Общая характеристика и способы получения сталей и чугунов.

Стали и чугуны являются железоуглеродистыми сплавами сложного состава. Помимо железа и углерода в них всегда присутствуют такие примеси, как Mn, Si, S, P и газы (O, N, H). Эти примеси называют постоянными. Кроме постоянных примесей в сталях и чугунах могут также в небольшом количестве содержатся случайные примеси, такие как Cr, Cu, Ni и др.

Стали отличаются от чугунов более низким содержанием углерода и всех постоянных примесей. В сталях углерода содержится менее 2,14%, а в чугунах – больше 2,14%. Примерный химический состав низкоуглеродистых сталей и передельных чугунов приведён в следующей таблице:

Таблица 1

	С, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %
Сталь	0,14 – 0,22	0,2 - 0,3	0,4 – 0,65	0,05	0,055
Чугун	4 – 4,4	0,76 – 1,26	до 1,75	0,15 – 0,3	0,03 – 0,07

Кристаллизация сталей, согласно диаграмме «железо-цементит», завершается образованием аустенита, а чугунов – механической смеси аустенита и цементита, т.е. ледебурита. По этой причине стали, в отличие от чугунов, являются более пластичными материалами и лучше обрабатываются давлением при нагреве. Однако чугуны имеют более высокие литейные характеристики.

Чугуны получают в доменных печах из железных руд, содержащих железо в виде некоторых химических соединений, обычно в виде окислов. Доменный процесс состоит в восстановлении этих окислов твёрдым углеродом топлива (кокса) и печными газами (в основном СО). Продуктом доменного производства является восстановленное из окислов железо, обогащённое углеродом и постоянными примесями, то есть чугун.

Стали получают в сталеплавильных печах из чугунов. Сущностью процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания в сплаве углерода и всех постоянных примесей путём их избирательного окисления и перевода в шлак или газы. В процессе выплавки стали окисляются не только примеси, но и основной компонент сплава – железо. При этом расплав оказывается насыщенным окислами железа FeO, которые могут существенно ухудшить свойства готовой стали. Для уменьшения содержания кислорода в сталях на заключительном этапе их выплавки проводят операцию раскисления. В жидкий расплав вводят Mn, Si и Al, которые более активны к кислороду, чем Fe. В результате окислы железа восстанавливаются, а кислород поступает в шлак. Схема реакций раскисления следующая:

Mn  MnO шлак

FeO + Si  Fe + SiO₂

Al  Al₂O₃

По степени раскисления стали подразделяются на кипящие, спокойные и полуспокойные. Спокойные стали полностью раскислены Mn, Si и Al. Кипящие стали раскислены не полностью (только Mn), и процесс их раскисления продолжается в ковше. При этом кислород, содержащийся в сталях, взаимодействует с углеродом и образуются пузырьки газа СО, которые при бурном выделении создают эффект кипения. Схема этой реакции следующая:

FeO + С  Fe + СО

Полуспокойные стали занимают промежуточное положение.