«Ответы на вопросы материаловедению»

 

1. Внутреннее строение металлов

 

Характерные свойства металлов, например, высокие прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и другие, обусловлены их строением на межатомном и внутриатомном уровнях.

Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно, находясь в определенных местах на вполне определенных расстояниях друг от друга. При этом атомы не перемещаются друг относительно друга, т. е. они имеют постоянных соседей. Находясь на своих местах, атомы вследствие термокинетического эффекта совершают колебания, частотой 10¹³ Гц с изменяющейся в зависимости от температуры амплитудой.

В ряде случаев под влиянием локальных тепловых процессов атомы кристаллических тел все же могут перемещаться между соседями в другие положения. Такие перемещения составляют суть явления, называемого диффузией. Диффузия однородных атомов между соседями называется самодиффузией.

Таким образом, сущность кристаллического строения металлов заключается в упорядоченном расположении в них атомов друг относительно друга.

Основные типы кристаллических решеток

Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет какое-нибудь составленное из атомов геометрическое тело, например куб или шестигранную призму. Ячейки, примыкая друг к другу и многократно повторяясь, образуют более крупные образования – зерна или кристаллиты.

Ориентировка ячеек в соседних зернах металла различна, а в пределах каждого зерна одинакова. Поэтому в кристаллической решетке зерен существует ближний и дальний порядок. Ближний означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний – удаленных.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК). У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба (один атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней (шесть атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден, бета-титан и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель, свинец и некоторые другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ имеют альфа-титан, магний, цинк, кадмий, бериллий и другие металлы.

В ячейках кристаллической решетки всех типов атомы касаются друг друга внешними слоями электронных оболочек. Межатомные силы сцепления, обеспечивающие морфологическую целостность кристаллической решетки, создаются электромагнитным взаимодействием, обусловленным наличием у атомов валентных электронов.

У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами. Принадлежащие всему зерну и образующие электронный «газ» свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке получила название металлической. Она может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными – в сплавах.

Прочность металла зависит от плотности упаковки его кристаллической решетки и особенностей строения его атомов (особенно валентного и подвалентного слоев электронной оболочки).

Плотность упаковки решетки, главным образом, определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки, и расстоянием между ними (например, у ОЦК два атома на ячейку, а у ГЦК – четыре).

Наиболее характерным расстоянием является параметр решетки, который равен расстоянию между ближайшими атомами, составляющими грань кристаллической ячейки. У ОЦК и ГЦК решеток этот параметр одинаков по всем трем направлениям в пространстве, а у ГПУ – с > а. Параметры кристаллических решеток металлов составляют от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10^{-9 м).}

Следует помнить, что сила взаимодействия между атомами уменьшается из-за их тепловых колебаний. Результирующая сила взаимодействия тем меньше, чем выше температура.

Кристаллографические направления и плоскости

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить отдельные кристаллографические направления и плоскости.

Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы. Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями, например, являются его ребра и диагонали граней. Могут быть и другие интересующие исследователей направления.

Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональные плоскости.

Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса какого-либо направления следует найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки.

Например, координаты ближайшего атома вдоль оси ох выразятся через 100. Этими цифрами принято обозначать индекс направления вдоль оси ох и параллельных ему направлений: [100].

Индексы направлений вдоль осей оу и оz и параллельных им направлений выразятся соответственно через [010] и [001], а направления вдоль диагоналей граней xoz, xoy, yoz и диагонали куба получат индексы соответственно [101], [110], [011] и [111].

Для определения индекса кристаллографической плоскости следует вначале найти координаты ближайших точек ее пересечения с осями координат, проведенными из точки отсчета 0. Затем обратные величины найденных координат следует записать в обычной последовательности в круглых скобках. Например, координаты точек пересечения с осями координат интересующей нас ближайшей плоскости, параллельной плоскости хоу (т. е. плоскости верхней грани куба) являются числа ∞,∞, 1. Поэтому индекс этой плоскости можно записать так: (001).

Индексы плоскостей, параллельных плоскостям xoz и yoz, запишутся в виде (010) и (100). Индекс вертикальной диагональной плоскости куба выразится через (110), а индекс наклонной плоскости, пересекающейся со всеми тремя осями координат на удалении одного параметра, примет вид (111).

Использование понятий о кристаллографических направлениях и плоскостях и их индексов позволяет описывать различные явления, происходящие в кристаллических телах, а также особенности свойств кристаллических тел вдоль различных направлений и плоскостей.

Анизотропия в кристаллах

Все физические, включая и прочностные, свойства металлов вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на упомянутых направлениях.

В действительности в кристаллической решетке на различных направлениях находится разное число атомов. Например, в кубических решетках вдоль диагоналей куба ОЦК решетки [111] или диагоналей граней решетки ГЦК [111], [101], [011] размещается больше атомов по направлениям вдоль ребер кубов [100], [010], [001].

Из сказанного следует, что в кристаллических веществах должна наблюдаться анизотропия, т.е. неодинаковость свойств вдоль различных кристаллографических направлений.

Таким образом, анизотропия является закономерным результатом упорядоченного расположения атомов в кристаллических телах. Анизотропия механических и других свойств наблюдается при испытании образцов, вырезанных вдоль различных кристаллографических направлений.

Наглядным и убедительным подтверждением наличия анизотропии является опыт с медным шаром, изготовленным из монокристалла. Если такой шар нагревать, то вследствие неодинаковости коэффициентов линейного расширения по различным направлениям он зримо утратит геометрически правильную форму шара и превратится в эллипсоид. Не всем свойствам кристаллических тел присуще явление анизотропии. Например, такое свойство, как теплоемкость, от направления не зависит.

Следует особо подчеркнуть, что анизотропия проявляется только в пределах одного кристаллического зерна, или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями и плоскостями.

В связи с этим недостаток какого-либо свойства по одному из направлений приложения силы в одних зернах компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям. Поскольку их изотропность является не истинной, а усредненной, то их принято называть квазиизотропными или псевдоизотропными телами.

Аллотропия металлов

Некоторые металлы, например железо, титан, олово и другие, способны по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так, ОЦК железо, будучи нагрето до 911˚C, перестраивает кристаллическую решетку при этой температуре и становится ГЦК железом. Это строение сохраняется до 1392°С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539°С.

Данное явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными.

Основной причиной аллотропии является стремление любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии F, которая изменяется в зависимости от абсолютной температуры Т по формуле F=U–TS, где U – внутренняя энергия вещества, S – энтропия (термодинамическая функция). Если у металла по достижении какой-то определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обеспечивает уменьшение запаса свободной энергии, то такой металл претерпевает аллотропическое превращение.

Разные аллотропические формы металлов обозначают буквами греческого алфавита, при этом низкотемпературные модификации обозначают буквой α, а последующие в порядке роста температуры – буквами β, γ, δ и т.д.

Наличие у металлов аллотропических (полиморфных) превращений имеет важное практическое значение, поскольку благодаря им у металлов изменяются такие свойства, как плотность, способность растворять в своей решетке другие элементы и т.д.

В связи с этим, именно благодаря полиморфизму, сплавы на основе железа, титана и других металлов (обладающих данным свойством) можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств.

 

2. Механические свойства металлов: общие сведения, классификация

 

Внешние нагрузки, действующие на элементы конструкций машин, распределены в той или иной мере по некоторой площади или объему. Вследствие этого распределенные нагрузки могут быть поверхностными (например, давление воды или пара на стенку трубы) и объемными (например, силы тяжести, инерции, магнитного притяжения). Однако для упрощения расчетов распределенную нагрузку можно заменить равнодействующей сосредоточенной нагрузкой.

В зависимости от изменения во времени нагрузки подразделяются на статические и динамические. Статические нагрузки, a следовательно, и статическое нагружение, характеризуются малой скоростью изменения своей величины. А динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например при ударном нагружении.

В зависимости от характера действия, нагрузки подразделяют растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие, срезывающие. Изменение нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего их называют повторно-переменными или циклическими. В разнообразных условиях эксплуатации конструкций машин воздействие перечисленных нагрузок может проявляться различных их сочетаниях.

Под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых превращений в материале конструкции возникают внутренние силы, которые могут быть выражены через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями. Введение понятия напряжений позволяет проводить расчеты на прочность конструкций и их элементов.

В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня (рис.1, а) напряжение σ в поперечном сечении легко определить как отношение растягивающей силы Р к площади поперечного сечения F_o, т.е. σ = P/F_o.

В общем случае, когда сила Р не перпендикулярна плоскости рассматриваемого сечения F₁ полное напряжение σ₁ можно разложить на две составляющие: нормальное напряжение σ_n, направленное перпендикулярно данной плоскости, и касательное τ, направленное вдоль этой плоскости. На рис.1, б наклонная плоскость F₁ расположена под углом α к плоскости поперечного сечения стержня. Площадь наклонного сечения равна F₁= F_o/cos α. В плоскости этого сечения действует общее напряжение σ = P/F₁ = σ cos α. Разлагая это напряжение по правилу параллелограмма на составляющие, получаем, что нормальное напряжение σ_n = σ cos² α, a касательное напряжение τ= σ cos α sin α = 0,5 σ sin 2α. Отсюда следует, что максимальное нормальное напряжение возникает при α = 0° и равно σ (рис. 1, а), а максимальное касательное напряжение возникает при α = 45° и равно σ/2.

Рис. 1

После снятия внешней нагрузки в теле могут оставаться остаточные напряжения. Причиной возникновения остаточных напряжений могут быть также резкие перепады температур и структурно-фазовые превращения, происходящие в процессе технологической обработки материалов. Существует следующая классификация остаточных напряжений:

- остаточные напряжения первого рода – напряжения, возникающие между крупными частями тела (макроскопические напряжения);

- остаточные напряжения второго рода – напряжения, возникающие между смежными зернами или внутри зерен (микроскопические напряжения);

- остаточные напряжения третьего рода – напряжения, возникающие внутри объема, охватывающего несколько ячеек кристаллической решетки (субмикроскопические напряжения).

Действие внешних сил приводит к деформации тела, т. е. к изменению его размеров и формы. Если на поверхности тела вблизи рассматриваемой точки А нанести прямоугольник со сторонами l и h, то после деформации этот прямоугольник может изменить свои размеры и форму. Стороны прямоугольника могут увеличиться на Δl, уменьшиться на Δh или повернуться на угол γ=α+β по отношению к первоначальному прямому углу между сторонами. Деформация, характеризующая изменение линейных размеров, называется линейной, а деформация, характеризующая изменение углов, – угловой или деформацией сдвига. Линейная или угловая деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле – пластической (остаточной).

В процессе упругой деформации атомы в кристаллической решетке незначительно смещаются друг относительно друга. Чем больше изменяются расстояния между атомами, тем больше становятся силы межатомного взаимодействия. При снятии внешней нагрузки под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение, искажения решетки исчезают, а тело принимает первоначальные форму и размеры.

В процессе пластической деформации атомы в кристаллической решетке смещаются на большие расстояния, чем при упругой деформации, причем это смещение становится необратимым. После снятия нагрузки в результате пластической деформации размеры и форма тела изменяются. Смещение атомов при пластической деформации может происходить скольжением (сдвигом) и двойникованием. Скольжение происходит по плоскостям и в направлении с наиболее плотной упаковкой атомов, где расстояния между соседними атомными плоскостями наибольшие, а силы взаимодействия между ними наименьшие, в результате чего сопротивление сдвигу также будет наименьшим. При двойниковании происходит такое смещение части зерен, при котором эта часть занимает зеркально-симметричное положение по отношению к несмещенной части зерна.

Упруго пластическая деформация при достижении достаточно высоких напряжений может завершиться разрушением тела. Процесс разрушения состоит из нескольких стадий: зарождение микротрещин, образование макротрещин, распространение макротрещины по всему сечению тела.

В общем случае различают вязкое и хрупкое разрушения. Вязкое, разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом.

Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях происходит путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими препятствиями (неметаллические включения, карбидные частицы, межфазовые границы и др.), что приводит к концентрации напряжений. При анализе микроструктуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристаллитное (по границам зерен) разрушения. Разрушение металла в условиях эксплуатации конструкций и машин может быть не только вязким или хрупким, но и смешанным – вязкохрупким.

Механические свойства и классификация методов механических испытаний материалов

Механическими свойствами материалов называют свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате таких испытаний определяют количественные характеристики механических свойств. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.

Контроль механических свойств начинается еще при производстве металла на металлургических заводах. Когда металл или прокат поступает к потребителю, например на машиностроительные заводы, его отбирают в зависимости от уровня характеристик механических свойств для изготовления тех или иных изделий с учетом условий их эксплуатации. При изготовлении изделий металл подвергается различной технологической обработке (механической, термической и др.), под воздействием которой происходят изменения в структуре и механических свойствах. Поэтому необходим контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления изделий.

В процессе эксплуатации изделий под влиянием различных факторов (повышенные или пониженные температуры, давление, агрессивная среда и др.) изменяются структура и механические свойства, что с течением времени приводит к ухудшению свойств и даже разрушению металла. Это вызывает необходимость периодического контроля механических свойств металла с целью выявления опасных зон в деталях и конструкциях и предотвращения аварий. Более того, во многих отраслях промышленности (например, в теплоэнергетике, нефтегазохимии и др.) насчитывается большое число агрегатов, пробывших длительное время в эксплуатации и выработавших свой расчетный срок службы. Поэтому требуется уточненная оценка их остаточного ресурса, которая невозможна без определения и учета фактических механических свойств материалов, из которых изготовлены эти агрегаты.

При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести такие условия воздействия на материал, которые имеют место при эксплуатации изделия, изготовленного из этого материала. Многообразие условий службы материалов обусловливает проведение большого числа механических испытаний. Но вместе с тем основными признаками, позволяющими классифицировать виды механических испытаний, являются:

- способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение и др.);

- скорость нагружения (статическая, динамическая);

- протяженность процесса испытания во времени (кратковременная, длительная).

Существуют и другие признаки классификации, которые характеризуются сложностью напряженно-деформированного состояния, режимами нагружения, типами образцов, агрессивностью среды.

В результате механических испытаний материалов определяют следующие характеристики: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

 

3. Основы производства чугуна

 

Исходные материалы

Основные рудообразующие минералы железа – гематит (Fe₂O₃), лимонит (в форме водных оксидов типа nFe₂O₃ • mH₂О) и магнетит (Fe₃O₄). В железных рудах к вредным примесям относят серу, мышьяк и фосфор.

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Для его производства кроме железных руд требуются и другие материалы: в первую очередь флюсы и кокс.

Флюсы вводят в доменную печь для удаления из нее тугоплавкой пустой породы руды и золы топлива. Так как пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют известняк СаСО₃. Каменноугольный кокс в доменном производстве, с одной стороны, является топливом (обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры), а с другой – восстанавливает оксиды железа. Кокс содержит 82–88% твердого углерода, 5–10% золы и 0,5–2% серы.

При выплавке чугуна применяют также обожженные в восстановительной атмосфере окатыши, которые содержат частично восстановленные оксиды железа, что позволяет повысить производительность доменных печей.

Доменная печь и технологические основы выплавки чугуна

Современная доменная печь это гигантская шахтная печь. Большинство из них имеет полезный (занятый загруженными в печь материалами и продуктами плавки) объем 1300–3200 м³. Эти печи высотой до 80 м и более выплавляют в сутки до 2000 т чугуна. В основу работы доменной печи заложен принцип противотока: вниз постепенно опускаются шихтовые материалы, а навстречу им снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива. При доменной плавке производится раздельная загрузка через верхнюю часть печи (колошник), агломерата, кокса и флюсов, располагающихся в шахте печи слоями (рис. 2). При нагревании шихты (за счет горения кокса, стимулируемого вдуваемым в горн горячим воздухом) в печи протекают сложные физико-химические процессы, в результате чего шихта постепенно опускается вниз навстречу поднимающимся горячим газам. Взаимодействие компонентов шихты с газами приводит к образованию в нижней части печи (горн), двух несмешивающихся жидких слоев – чугуна и шлака. На рис. 2 показана схема доменной печи объемом 2700–3000 м³. Двумя наклонными подъемниками агломерат, кокс и другие добавки доставляются к засыпному устройству доменной печи, представляющему собой два поочередно опускающихся конуса. Через медные пустотелые фурмы (16–20 шт), являющиеся основной частью комплекса устройств (фурменных приборов 5), расположенных в верхней части горна, в печь подается из кольцевого воздухопровода под давлением ~300 кПа обогащенный кислородом воздух.

Поочередно через две или три летки 4, предварительно вскрываемые электробуром каждые 1–3 ч (в зависимости от объема печи), выпускается жидкий чугун. Этот чугун выносит с собой находящийся над ним в печи шлак. Перемещаясь по желобам, чугун со шлаком отделяются друг о друга с помощью перекрывающих затворов и переливаются соответственно в чугуновозные ковши 3 и шлаковозы 9, расположенные на железнодорожных платформах. Иногда, еще до выпуска чугуна, часть шлака выпускается через шлаковую летку 8.

Рис. 2

После окончания процесса летки вновь забивают пробками из огнеупорной глины с применением электромагнитной пушки.

Прочный сварной стальной кожух, в котором монтируется доменная печь, интенсивно охлаждается водой. Сама печь внутри выкладывается шамотным кирпичом, причем отдельные ее части изготавливаются из углеродистых блоков. Толщина стенок печи в ряде мест превышает 1,5 м, а лещади (дно печи) – 4 м. При полезном объеме 2700–3000 м³ высота печи – 80 м, а вес с механизмами – примерно 200 тыс. т. Непрерывная работа печи рассчитана на 4–8 лет.

Эффективность работы доменной печи часто оценивается коэффициентом использования ее полезного объема – k (КИПО), т.е. отношением полезного объема печи W (м³) к суточному выпуску чугуна Q (т): k=W/Q. Видно, что с уменьшением КИПО эффективность работы печи возрастает. На ряде заводов КИПО равен 0,35.

Физико-химические основы процесса выплавки чугуна

Большой вклад в теорию и практику физико-химических процессов, протекающих в доменной печи, внесли отечественные ученые академики А.А. Банков и М.А. Павлов.

Процесс выплавки чугуна можно представить в виде следующих этапов: горение топлива, разложение компонентов шихты, восстановление железа и легирующих элементов из оксидов, науглероживание железа с образованием чугуна, шлакообразование. Эти процессы могут проходить как последовательно, так и одновременно, с разной интенсивностью и на разных уровнях печи.

Горение топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса встречается с нагретым до 900–1200°С кислородом воздуха, поступающим через фурмы. При этом образуется углекислый газ (С+О₂=СО₂). Иногда в фурмы вводят еще и природный газ, который также взаимодействует с кислородом воздуха с образованием углекислого газа и паров воды СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О_(пар). Эти реакции являются экзотермическими, при этом в эпицентре горения температура достигает 1800–2000°С. Затем эти продукты сгорания вступают в реакцию с раскаленным коксом: СО₂+С_(кокс)=2СО; Н₂О_(пар)+С_(кокс)=Н₂+СО. Последние две реакции – эндотермические и протекают с большим потреблением тепла. Среди образовавшихся восстановительных газов именно СО является основным восстановителем железа из его оксидов.

Процесс разложения компонентов шихты протекает по-разному – в зависимости от ее состава. Если шихта содержит флюсы и сырую руду, то в верхней части печи происходит разложение гидроксидов железа, а также флюса: СаСО₃=СаО+СО₂. Эти реакции не протекают, если используется офлюсованный агломерат.

Восстановление железа из оксидов является основной целью доменного процесса и осуществляется, главным образом, оксидом углерода, а также углеродом и водородом. Восстановление железа идет ступенчато (по А.А. Байкову) от высших оксидов к низшим:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe_(мет)

Восстановление металла газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Восстановление всех высших оксидов железа до низшего, а также 40–60% металлического железа происходит при взаимодействии их с газами СО и Н₂ (косвенным способом, например: 3Fe₂O₃+СО=2Fe₃O₄+СО₂).

Восстановление остальной части железа осуществляется твердым углеродом (прямым способом). Прямое восстановление твердым углеродом происходит за счет непосредственных контактов кусков кокса с оксидами руды и жидкими шлаками, содержащими закись железа, при температурах выше 950–1000˚С:

FeO + С_ТВ  = Fe + СО

Восстановление полезных примесей из оксидов. Оксиды марганца восстанавливаются также ступенчато, как и железа, в основном, за счет СО: МnО₂→Мn₂О₃→Мn₃О₄→МnО. Однако закись марганца МnО восстанавливается только за счет твердого углерода: МnО+С_тв=Мn+СО. Кремний восстанавливается главным образом твердым углеродом при достаточно высокой температуре в среде тугоплавких шлаков, образуя при этом силицид железа (SiO₂+2С+Fe=FeSi+2CO), который растворяется в чугуне.

Вредные примеси. Фосфор. Источником фосфора (вредной примеси) в чугуне являются минералы 3СаО • Р₂О₅ и 3FeO • Р₂О₅ • 8Н₂О, попадающие в доменную печь вместе с рудой. При высокой температуре они восстанавливаются СО, водородом, а также твердым углеродом. Фосфор, взаимодействуя с железом, образует фосфид (Р+3Fe=Fe₃P), который переходит в чугун.

Сера в чугуне и стали является весьма вредной примесью. Она попадает в шихту вместе с коксом. 10–20% находящейся в шихте серы удаляется при доменной плавке в виде газов SO₂ и H₂S. Оставшаяся же в чугуне и шлаке сера присутствует, в основном, в виде сульфидов FeS, CaS. Причем первый хорошо растворим в чугуне, а второй, наоборот, в шлаке. Поэтому серу удаляют в шлак посредством введения в него CaO: FeS+СаО=CaS+FeO. Интенсивное (95% S) удаление серы из чугуна в виде CaS происходит в процессе просачивания капель металла сквозь слой шлака.

Науглероживание железа и образование чугуна. Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значительное количество оксида углерода СО:

3Fe+2СО=Fe₃C+СО₂

Фактически процесс начинается при 400–500°С и протекает почти одновременно с образованием металлического железа, при этом концентрация в нем углерода равна в среднем 0,9%. При температурах, превышающих 900˚С, науглероживание может реализоваться также растворением углерода сажи в γ-железе с образованием аустенита. По мере насыщения сплава углеродом происходит снижение его температуры плавления (при ~2% С она становится равной ~1150°С). Поэтому сплав начинает плавиться уже в зоне распара. Куски раскаленного кокса, расположенные в горне, смачиваются стекающим на них расплавом, при этом происходит активное насыщение сплава углеродом (до 3,7–4% С). Одновременно в металлическом расплаве растворяются присутствующие в шихте постоянные полезные (Mn, Si), а также вредные (Р, S) примеси. При этом происходит образование железоуглеродистого сплава – чугуна.

Шлакообразование. Шлак в основном содержит оксиды пустой породы (SiO₂, A1₂O₃), флюс (СаО), обеспечивающий достаточную жидкотекучесть шлака при температурах порядка 1450°С, и составляющие золы кокса (FeS и MnS). Образование первичного шлака происходит в области распара при плавлении достаточно легкоплавких составляющих агломерата и окатышей (t_nл=1200˚С), а также соединений, образующихся при сплавлении флюсов с оксидами пустой породы руды. На свойства чугуна безусловно оказывают влияние как состав шлака, так и его количество, вязкость и другие характеристики. Так, например, при использовании очень легкоплавкого шлака может не успеть восстановиться часть оксидов железа, а применение достаточно тугоплавкого шлака приведет к осаждению на стенках печи больших настылей (наплывов из тугоплавкой массы), что затруднит протекание доменного процесса. Доменный шлак состоит в основном из 30–45% SiO₂, 40–50% СаО и 10-25% А1₂О₃. Одной из важных характеристик шлака является его основность, т.е. отношение содержания основных оксидов к содержанию кислотных оксидов (О_шл=%СаО / %SiO₂). При больших значениях основности шлака легче удаляется сера и лучше происходит восстановление марганца, но труднее – кремния. У разных чугунов и ферросплавов значение основности изменяется в пределах 0,9–1,4. При выплавке различного типа чугунов (передельных, литейных и др.) для каждого всегда подбирают специальный шлаковый режим.

Основные продукты доменного производства и их применение

Чугун. Среди конечных продуктов доменной плавки основным считается чугун, а шлак и доменный (колошниковый) газ – побочными.

Чугун – это железоуглеродистый сплав с добавками кремния, марганца, фосфора и серы. Различают три основные разновидности доменного чугуна: передельный, литейный и доменные ферросплавы.

Передельный чугун используется для последующей плавки стали в конвертерах или мартеновских печах. На него приходится 90% общего производства чугуна. Примерный состав легирующих добавок и примесей в передельном чугуне: 3,5–4,4% С, 0,3–1,2% Si; 0,2–1,0% Мn, 0,15–0,2% Р и 0,02–0,07% S.

Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния (до 3,6%) и в некоторых марках – фосфора (до 1,2%). Чугуны с высоким содержанием фосфора применяются в художественном литье, а с низким – для производства изделий с достаточной прочностью.

Природнолегированные чугуны, выплавляемые из руд отдельных месторождений, содержат хром, ванадий, никель и др.

Доменные ферросплавы применяются в качестве легирующих добавок и раскислителей при выплавке сталей. К ним относятся ферромарганец (70–75% Мn и более, до 2% Si, до 0,45% Р и до 0,03% S), а также получаемые ранее в доменном производстве бедный ферросилиций (9–15% Si, до 3% Мn, 0,2% Р и до 0,04% S) и зеркальный чугун (15–25% Мn, 2% Si, 0,2% Р и до 0,03% S).

В связи с неэкономичностью передела последние два ферросплава получают сейчас внедоменными методами.

Доменный шлак, образующийся в доменной печи, является продуктом взаимодействия флюсов, золы кокса и железосодержащих материалов. В последнее время его широко используют в промышленности при изготовлении цемента, шлаковой ваты для теплоизоляции, шлаковых блоков и др.

Доменный (колошниковый) газ, образующийся в печи в большом количестве, постоянно выводится из нее через газоотводы 6 (см. рис. 2) в колошнике. Он содержит СО (25–32%), СО₂ (10–22%), Н₂ (8–12%), N₂ (43–45%) и обладает теплотой сгорания 4200–5500 кДж/м³. Этот газ, очищенный от колошниковой пыли, применяется для подогрева воздуха, направляемого в доменные печи, а также водяных и паровых котлов. Смесь колошникового газа с коксовым или природным газом применяется для отопления мартеновских и нагревательных печей.

 

4. Классификация и маркировка сталей по степени раскисления

 

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (<0,3% С), среднеуглеродистые (0,3–0,6% С) и высокоуглеродистые (>0,6% С).

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380–90 выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс», кипящих – «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. В их составе разное содержание кремния: спокойные – 0,12–0,30, полуспокойные – 0,05–0,17; кипящие <0,07, например СтЗсп, БСтЗпс или ВСтЗсп5 (в конце 5-я категория). Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1– Ст6, кипящими – Ст1–Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами (табл. 1), без указания химического состава.

Таблица 1

Механические свойства углеродистых сталей обыкновенного качества группы А (образцы толщиной до 20 мм)

 

Сталь	σв, МПа	σт, МПа	δ, %	Сталь	σв, МПа	σт, МПа	δ, %
		не менее				не менее
Ст0	>310	-	23	Ст4	420-540	240-270	24
Ст1	320-420	-	34	Ст5	500-640	260-290	20
Ст2	340-440	200-230	32	Ст6	600	320	13
СтЗ	380-490	210-250	27

 

 

 

 

 

Примечание. Механические свойства приведены для спокойных и полуспокойных сталей. В сталях Ст1кп значение σ_в на 10–20 МПа и σ_τ на 10 МПа меньше, а значение δ на 1% больше, чем в спокойных и полуспокойных сталях того же номера.

Из табл. 10.1 следует, что с увеличением номера марки прочность увеличивается, а пластичность стали соответственно уменьшается.

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Химический состав этой группы сталей сильно колеблется. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе. Механические свойства на растяжение для каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А (см. табл. 1), а химический состав – нормам для тех же номеров марок группы Б (табл. 2). Например, сталь ВСт4сп имеет механические свойства на растяжение, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав одинаковый со сталью БСт4сп.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1–4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации.

Таблица 2

Химический состав (%) углеродистой стали обыкновенного качества группы Б

 

Сталь	С	Мп	Si в стали			S	Р
			кп	пс	сп	не более
БСт0	<0,23	-	-	-	-	0,06	0,07
БСт1	0,06-0,12	0,25-0,5	0,05	0,05-0,17	0,12-0,3	0,05	0,04
БСт2	0,09-0,15	0,25-0,5	0,05	0,05-0,17	0,12-0,3	0,05	0,04
БСтЗ	0,14-0,22	0,30-0,65	0,07	0,05-0,17	0,12-0,3	0,05	0,04
БСт4	0,18-0,27	0,40-0,70	0,07	0,05-0,17	0,12-0,3	0,05	0,04
БСт5	0,28-0,37	0,50-0,80	-	0,05-0,17	0,15-0,35	0 05	0,04
БСт6	0,38-0,49	0,50-0,80	-	0,05-0,17	0,15-0,35	0,05	0,04

 

 

 

 

Примечания. 1. В сталях БСт1–БСт6 допускается не более 0,3% Сг; 0,3% Ni; 0,3% Сu; 0,08% As; 0,08% N. 2. В сталях, выплавленных из керченских руд, допускается до 0,15% As и 0,05% Р.

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой прочностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической обработке – закалке с последующим высоким отпуском.

Классификация легированных сталей

В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей.

По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат соответственно избыточный феррит или вторичные карбиды типа М₃С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами вкупе с аустенитом; поэтому по структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержания углерода (<2%) и возможности подвергать пластической деформации. Влияние легирующих элементов на положение точек S и Е диаграммы Fe–Fe₃C проявляется чаще всего в их смещении в направлении меньшего содержания углерода. В сталях с высоким содержанием элементов, сужающих γ-область, при определенной концентрации исчезает γ↔α-превращение. Такие стали относят к ферритному классу. При высокой концентрации в стали элементов, расширяющих γ-область, происходит стабилизация аустенита с сохранением его при охлаждении до комнатной температуры. Эти стали причисляют к аустенитному классу. Таким образом, с учетом фазового равновесия легированные стали относят к перлитному, карбидному, ферритному или аустенитному классу.

Классификация по структуре после нормализации предполагаем разделение сталей на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Такое подразделение обусловлено тем, что с увеличением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита в перлитной области (это проявляется в смещении вправо С-образных кривых); одновременно снижается температурная область мартенситного превращения. Все это приводит к изменению получаемых при нормализации структур от перлита (сорбита, тростита и бейнита) в относительно малолегированных сталях до мартенсита (в легированных) и аустенита (в высоколегированных).

Классификация по химическому составу предполагает разделением легированных сталей (в зависимости от вводимых элементов) на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. п. Согласно той же классификации, стали подразделяют in» общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%). Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качеств стали – это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей – серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяют на качественные (до 0,04% S и до 0,035% Р), высококачественные (до 0,025% S и до 0,025% Р) и особовысококачественные (до 0,015% S и до 0,025% Р).

По назначению стали подразделяют на конструкционные (например, цементуемые, улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами. К последним относят «автоматные», пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и другие стали.

Маркировка легированных сталей

Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двухзначные цифры (например, 12ХНЗА), указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий.

          Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (при содержании 1 – 1,5% и менее цифра отсутствует, например 30ХГС). Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные – буквой Ш, помещенными в конце марки (ЗОХГСА, 30ХГС-Ш). Если буква А расположена в середине марки (14Т2АФ), то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом. При обозначении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резанием буква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2 – где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Маркировка шарикоподшипниковой стали начинается с буквы Ш (ШХ15, где 15 – среднее содержание хрома в десятых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, РбМ5). Опытные стали, выплавленные на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭПЗЗ (10X11Н23ТЗМР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях.

Таблица 3.

Химический состав легированных сталей

 

Марка стали (сплава)	Содержание элементов, мае. % (в пределах или не более)
	С		Si	Мn	Сг	Ni		Мо		Ti		S	Р	Прочие
18Х2Н4МА	0,14-0,20		0,17-0,37	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,40		0,30-0,40		-		0,025	0,025	Сu - 0,30
ЗОХГСА	0,28-0,34		0,90-1,20	0,80-1,10	0,80-1,10	030		-		-		0,025	0,025	Сu = 0,30
30ХГСН2А	0,27-0,34		0,90-1,20	1,00-1,30	0,90-1,20	1,40-1,80		-		-		0,025	0,025	Сu = 0,30
03Н18К9М5Т	0,03		0,10	0,10	-	17,7-19,0		4,6-5,5		0,50-0,80		0,010	0,010	Со = 8,5-9,5; А1 = 0,15
АС19ХГН	0,16-0,21		0,17-0,37	0,7-1,1	0,8-1,1	0,8-1,1		0,10		-		0,035	0,035	Рb =0,15-030
АС40ХГНМ	0,37-0,43		0,17-0,37	0,5 - 0,8	0,6-0,9	0,7-1,1		0,15-0,25		-		0,035	0,035	Рb = 0,15–0,30
АЦЗОХМ	0,26-0,34		-	0,4-0,7	0,8-1,1	-		0,15-0,25		-		0,035-0,060	0,035	Са = 0,03-0,09; Сu = 0,30
60С2ХФА	0,56-0,64		1,4-1,8	0,4-0,7	0,9-1,2	0,25		-		-		0,025	0,025	V=0,1-0,2
95X18	0,9-1,0		0,8	0,8	17-19	0,6		-		0,2		0,025	0,03	Сu - 0,30
08X13	0,08		0,8	0,8	12,0-14,0	0,6		-		0,2		0,025	0,030	Сu - 0,30
12X17	0,12		0,8	0,8	16,0-18,0	0,6		-		0,2		0,025	0,035	Сu • 0,30
40X13	0,36-0,45		0,8	0,8	12,0-14,0	0,6		-		0,2		0,025	0,030	Сu = 0,30
40X10С2М	0,35-0,45		1,9-2,6	0,8	9,0-10,5	0,6		0,7-0,9		0,2		0,025	0,030	Сu - 0,30
10X1ЗСЮ	0,07-0,12		1,2-2,0	0,8	12,0-14,0	-		-		-		0,025	0,030	А1 =1,0–1,8
12Х18Н9		0,12	0,8	2,0	17,0-19,0		8,0-10,0		-		0,5	0,025	0,035	Сu = 0,30
12Х18Н9Т		0,12	0,8	2,0	17,0-19,0		8,0-9,5		-		0,6 - 0,8	0,020	0,035	Сu = 0,30
О9Х15Н8Ю		0,09	0,8	0,8	14,0-16,0		7,0-9,4		-		- "	0,025	0,035	А1 -0,7-1,3
36Х18Н25С2		0,32-0,40	2,0-3,0	- 1,5	17,0-19,0		23,0-26,0		-		-	0,025	0,035	-
12Х1МФ		0,08–0,15	0,17-0,37	0,40-0,70	0,90-1,20		0,30		0,25-0,35		-	0,025	0,030	V= 0,15-0,30; Сu = 0,20
15Х12ВНМФ		0,12-0,18	0,4	0,5-0,9	11,0-13,0		0,4-0,8		0,5-0,7		0,2	0,025	0,030	W -0,7–1,1; V= 0,15-0,30; Сu- 0,30
09Х14Н19В2БР		0,07-0,12	0,6	2,0	13,0-15,0		18,0-20,0		-		-	0,020	0,035	W = 2,0-2,8; В = 0,005; Nb = 0,9-1,3; Се = 0,02
45Х14Н14В2М		0,40-0,50	0,8	0,7	13,0-15,0		13,0-15,0		0,25-0,40		-	0,020	0,035	W = 2,0-2,8; Сu - 0,30
40Х15Н7Г7Ф2МС		0,38-0,47	0,9-1,4	6,0-8,0	14,0-16,0		6,0-8,0		0,65-0,95		-	0,020	0,035	V = 1,5-1,9
10Х11Н23ТЗМР		0,10	0,6	0,6	10,0-12,5		21,0-25,0		1,0-1,6		2,6-3,2	0,020	0,030	А1 - 0,8; В - 0,02
ХН35ВТ		0,12	0,6	1,0-2,0	14,0-16,0		34,0-38,0		-		1,1-1,5	0,020	0,030	W = 2,8-3,5

 

 

При маркировке сплавов на железоникелевой основе указывается количественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишь буквенных обозначений остальных легирующих элементов, например, ХН38ВТ, ХН45МВТЮБР. В таблице 3 представлены маркировка и химический состав ряда легированных сталей.