Чугун и сталь - важнейшие сплавы железа.

Чугун и сталь - важнейшие сплавы железа.

 

 

Г

Содержание

 

Ведение

1.Чугун

1.1.Что такое чугун? Применения чугуна

1.2. Виды чугуна

1.3. Получение чугуна. Доменный процесс

2. Сталь

2.1. Что такое сталь. Виды стали

2.2. Получение стали

2.3. Мартеновский способ

2.4. Бессемеровский и томасовский процессы

Введение

 

Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота.

По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.

Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили природный газ для доменной плавки.

В современном машиностроении применяются различные конструкционные материалы. Однако и до настоящего времени чугун является одним из основных конструкционных материалов. Например, вес чугунных отливок составляет до 00% веса машин. Это обусловливается простотой и относительной дешевизной изготовления чугунных деталей, хорошими литейными свойствами чугуна, его высокой износостойкостью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений, способностью гасить вибрацию и т. д.

Виды чугуна

 

Классификацию чугунов проводят по виду и форме углеродосо-держащей структурной составляющей, то есть по наличию и форме графита.

По виду структурной составляющей выделяют чугуны без графита — белые чугуны, в которых практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Промежуточное положение занимает половинчатый чугун, большая («0,0 %) часть углерода которого находится в РезС. Структура половинчатого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Чугуны с графитом в зависимости от формы последнего разделяют на серые, ковкие и высокопрочные. Серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму, в высокопрочных чугунах -шаровидную. К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. — червячок) формы, которые по свойствам (ГОСТ 00000—00) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом.

Белые чугуны (передельные) редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов, так как из-за большого содержания цементита очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания. Для увеличения изно-состойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена.

Разновидностью белых чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (00...00 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы). Для снятия структурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин, отливки подвергают нагреву при 000...000 °С. Высокая иэносостойкость отбеленных чугунов обусловлена твердостью поверхности, достигающей 000... 000 HV. Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др.

Серые чугуны Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe—С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).

Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долен %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых чугунов формируется из аустенита при эвтектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугуна используют изотермическую выдержку при 000...000 °С, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

Марки серых чугунов согласно ГОСТ 0000—00 состоят из букв «СЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ств, МПа / 00. Чугун СЧ00 — ферритный; СЧ00, СЧ00, СЧ00 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ00 — перлитные чугуны.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 00 % общего производства чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,0 %), изготавливают архитектурно-художественные изделия.

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема отжига белого чугуна на ковкий

 

Первая стадия (000...0000 °С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

На второй стадии графитизирущего отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 000...000 °С или изотермическая выдержка при 000...000 °С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие чугуны с перлитной металлической основой обладают высокими твердостью (000...000 НВ) и прочностью (Ств = 000...000 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (0 = 0,0...0,0 %). Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью (0 = 00...00 %) и относительно низкой прочностью (Ств = 000...000 МПа).

Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов является длительность (00...00 ч) отжига отливок и ограничение толщины их стенок.

Ковкие чугуны согласно ГОСТ 0000—00 маркируются двумя буквами (КЧ — ковкий чугун) и двумя группами цифр. Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (0в, МПа / 00, цифры после тире — относительному удлинению при растяжении, °'о. Чугуны марок КЧЗО—0, КЧЗЗ—0, КЧ00—00, КЧ00—00, имеющие повышенное значение удлинения при растяжении, относятся к ферритным, а марок КЧ00—0, КЧ00—0, КЧ00—0, КЧ00—0, КЧ00—0, КЧ00—0, КЧ00—0.0 — к перлитным чугунам.

Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных (до 00 мм) деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, — фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей —от нескольких граммов до нескольких тонн.

Для повышения твердости, износостойкости и прочности изделий из ковкого чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими присадками (0,0...0,0 % магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,0...0,0 % церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,00...0,00 %. Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (0,0...0,0 % С; 0,0...0,0 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Чтобы избежать образования в высокопрочных чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря повышенному содержанию графити-зирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы (феррит, перлит) и включений графита шаровидной формы. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Ферритные чугуны имеют сто,0 = 000...000 МПа, 0 = 00...00 "/о, 000...000 НВ, перлитные —ао,0= 000...000 МПа, 0 = 0...0 % и 000...000 НВ. Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 0000—00 состоят из букв «ВЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ста, МПа / 00: ВЧ00, ВЧ00, ВЧ00 — ферритные чугуны; ВЧ00, ВЧ00, ВЧ00, ВЧ00, ВЧ 000—перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостоикость и др.) свойствами. Они используются для массивных отлив,ок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке. Образование мелкоигольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостоикость в три и более раз. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения.

Чугуны специального назначения К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 0000—00), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 00000—00) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.

. Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС0) и хромом (0Х00, 0Х00). Эти чугуны обладают жаростойкостью до 000...000°С на воздухе, в топочных и генераторных газах. Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН00Д0 и с шаровидным графитом ЧН00ДЗШ.

К жаропрочным чугунам относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН00ХЗШ и ЧН00Г0Ш. Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу с последующим отпуском. После отжига легированные карбиды приобретают форму мелких округлых включений.

В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) — ЧС00, ЧС00, ЧС00 и хромом — 0Х00, 0Х00, 0Х00. Они обладают высокой коррозионной стойкостью в серной, азотной и ряде органических кислот. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (0С00М0, 0С00МЗ — антихлоры). Введение в чугун 0,0...0,0 % Мо уменьшает склонность к росту зерна, повышает вязкость, сопротивление износу и улучшает свойства при повышенных температурах. Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 0Н00Д0.

В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны. Их используют в тех случаях, когда требуется минимальная потеря мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов и др.) или когда нужно избегать искажений магнитного поля (стойки для магнитов).

К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И0НХ0, легированный никелем и хромом, а также чугуны И0ХНТ, И0Н0МШ (с шаровидным графитом). Из этих чугунов отливают детали двигателей внутреннего сгорания (крышки и днища цилиндров, головки поршней и др.).

Антифрикционными чугунами являются серые и высокопрочные чугуны специальных марок. Некоторое применение нашли также ковкие антифрикционные ферритно-перлитные чугуны -А0К-0 и А0К-0.

Антифрикционные серые чугуны — перлитные чугуны АЧС-0 и АЧС-0 и перлитно-ферритный чугун АЧС-0. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Антифрикционные серые чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготавливают из чугунов АЧС-0 и АЧС-0, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун АЧС-0.

Антифрикционные высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны (ГОСТ 0000—00) изготовляют с перлитной структурой - АЧВ-0 и ферритно-перлитной («00 % перлита) — АЧВ-0. АЧВ-0 используется для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом. АЧВ-0 применяют для пары с валом в состоянии поставки («сырым»).

Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с баббитами и антифрикционными бронзами — низкая стоимость, а основной недостаток — плохая прирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей

 

Виды стали

 

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называются сталями. Кроме железа и углерода в сталях содержатся полезные и вредные примеси.

Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIX в. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов.

Стали сочетают высокую жесткость с достаточной стати-ческой и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали, классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали, подразделяются на низкоугле-родистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 % С) и высокоугле-родистые (> 0,7 % С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 0С) деформирования.

По качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными.

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.

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

По структуре в равновесном состоянии стали, делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

Рессорно-пружинные стали

Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Стали для пружин и рессор содержат 0,5-0,75 % С; их также дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) и никелем (до 1,7 %). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако они могут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающим характеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанных дефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреве достигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия, вольфрама и никеля.

Лучшими технологическими свойствами, чем кремнистые стали, обладает сталь 50ХФА, широко используемая для изготовления автомобильных рессор. Клапанные пружины делают из стали 50ХФА, не склонной к обезуглероживанию и перегреву, но имеющей малую прокаливаемость.

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850-880 0С, отпуск 380-550 0С) обеспечивают получение высоких пределов прочности и текучести. Применяется также изотермическая закалка.

Максимальный предел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42-48.

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитно-мартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.

Шарикоподшипниковые стали

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента – 1,5 %). ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости. Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка деталей подшипника (шариков, роликов и колец) осуществляется в масле с температур 840-860 0С. Перед отпуском детали охлаждают до 20-25 0С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150-170 0С в течение 1-2 ч.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.

Износостойкие стали

Износостойкость деталей обычно в первую очередь обеспечивается повышенной твердостью поверхности. Однако высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л (1,25 % С, 13 % Mn, 1 % Cr, 1 % Ni) при низкой начальной твердости (180-220 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.). Это объясняется повышенной способностью стали упрочняться в процессе холодной пластической деформации, равной 70 %, твердость стали возрастает с 210 НВ до 530 НВ. Высокая износостойкость стали достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной или ромбоэдрической решеткой. При содержании фосфора более 0,025 % сталь становится хладноломкой. Структура литой стали представляет собой аустенит с выделившимся по границам зерен избыточными карбидами марганца, снижающими прочность и вязкость материала. Для получения одно-фазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде с температуры 1050-1100 0С. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность, низкую твердость и невысокую прочность.

Изделия, работающие в условиях кавитационного износа, изготавливают из сталей 30Х10Г10, 0Х14Г12М.

Корозионностойкие стали

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называются коррозионно-стойкими (нержавеющими). Устойчивость стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности плотные, прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту стали с агрессивной средой, а также повышающие ее электрохимический потенциал в данной среде.

Нержавеющие стали, разделяют на две основные группы: хромистые и хромоникелевые.

Хромистые коррозионно-стойкие стали применяют трех типов: с 13, 17 и 27 % Cr, при этом в сталях с 13 % Cr содержание углерода может изменяться в зависимости от требований в пределах от 0,08 до 0,40 %. Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. В соответствии со структурой, получаемой при нормализации, хромистые стали подразделяют на следующие классы: ферритный (стали 08Х13, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28), мартенситно- ферритный (12Х13) и мартенситный (20Х13, 30Х13, 40Х13).

Стали с низким содержанием углерода (08Х13, 12Х13) пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их подвергают закалке в масле (1000-1050 0С) с высоким отпуском при 600-800 0С и применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (клапаны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессора). Эти стали можно использовать при температурах до 450 0С (длительная работа) и до 550 0С (кратковременно). Стали 30Х13 и 40Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Эти стали закаливают с 1000-1050 0С в масле и отпускают при 200-300 0С. Эти стали используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т.д. Высокохромистые стали ферритного класса (12Х17, 15Х25Т и 15Х28) обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сталями, содержащими 13 % Cr. Эти стали термической обработкой не упрочняются. Они склонны к сильному росту зерна при нагреве свыше 850 0С. Высокохромистые стали ферритного класса используются часто как окалиностойкие.

Хромоникелевые нержавеющие стали в зависимости от структуры подразделяют на аустенитные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные. Структура хромоникелевых сталей зависит от содержания углерода, хрома, никеля и других элементов.

Стали аустенитного класса с 18 % Cr и 9-10 % Ni (12Х18Н9, 17Х18Н9 и др.) в результате закалки приобретают аустенитную структуру и характеризуются высокой пластичностью, умеренной прочностью, хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах. Эти стали технологичны (хорошо свариваются, штампуются, подвергаются холодной прокатке и т.д.).

Стали 12Х18Н9, 17Х18Н9 после медленного охлаждения из аустенитной области имеют структуру состоящую из аустенита, феррита и карбидов. С целью растворения карбидов, а также предотвращения их выделения в процессе медленного охлаждения аустенитные стали нагревают до 1050-1120 0С и закаливают в воде, масле или на воздухе. Аустенитные стали не склонны к хрупкому разрушению при низких температурах, поэтому хромоникелевые коррозионно-стойкие стали широко используются в криогенной технике для хранения сжиженных газов, изготовления оболочек топливных баков и ракет и т.д.

Стали аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю) получили широкое применение в основном как высокопрочные. Они хорошо свариваются, устойчивы против атмосферной коррозии. С целью обеспечения достаточной прочности и одновременно повышенной коррозионной стойкости сталь 09Х15Н8Ю подвергается следующей термической обработке: закалке на аустенит (925-975 0С) с последующей обработкой холодом (-70 0С) и старением (350-3800С).

Эти стали применяют для изготовления обшивки, сопловых конструкций и силовых элементов узлов летательных аппаратов.

Стали аустенитно-ферритного класса (08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 10Х25Н5М2 и др.) содержат 18-30 % Cr, 5-8 % Ni, до 3 % Mo, 0,03-0,10 % С, а также добавки Ti, Nb, Cu, Si и Ni. Эти стали после закалки в воде с 1000-1100 0С имеют структуру, состоящую из равномерно распределенных между собой зерен аустенита и феррита с содержанием последнего порядка 40-60 %. Эти стали, применяют в химическом и пищевом машиностроении, судостроении, авиации, медицине.

Жаропрочные стали и сплавы

Эти стали, используются при работе под нагрузкой и обладают достаточной жаростойкостью при температурах выше 500 0С.

Жаропрочные стали перлитного класса – это низколегированные стали (12Х1МФ, 25Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1Бр и др.), содержащие 0,08-0,25 % С и легирующие элементы – Cr, V, Mo, Nb. Лучший комплекс механических свойств обеспечивается закалкой в масле (или нормализацией) с 880-1080 0С с последующим высоким отпуском при 640-750 0С. Стали перлитного класса используются для изготовления деталей, длительно работающих в режиме ползучести при температурах до 500-580 0С и малых нагрузках: это трубы пароперегревателей, арматура паровых котлов, детали крепежа.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов (15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.) используются при температурах до 580-600 0С. Стали с меньшим содержанием хрома (до 11 %) принадлежат к мартенситному классу, а с большим (11-13 %) – к мартенситно-ферритному. Стали, закаливают на мартенсит с температур 1000-1100 0С в масле или на воздухе. После отпуска при 600-750 0С стали приобретают структуру сорбита. Стали, используют для изготовления деталей газовых турбин и паросиловых установок.

Аустенитные стали, обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные, - их рабочие температуры достигают 700-750 0С. Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются. По способу упрочнения аустенитные стали, подразделяют на три группы:

1) твердые растворы, не упрочняемые старением;

2) твердые растворы с карбидным упрочнением;

3) твердые растворы с интерметаллидным упрочнением.

Стали первой группы (08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н19В2БР) применяют в закаленном состоянии (закалка 1100-1600 0С, вода или воздух). Эти стали используют для изготовления трубопроводов силовых установок высокого давления, работающих при 600-700 0С.

Аустенитные жаропрочные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением, как правило, подвергают закалке с 1050-1200 0С в воде, масле или на воздухе и последующему старению при 600-850 0С. Стали с интерметаллидным упрочнением используют для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700 0С. Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (например, ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором. Они упрочняются, как и аустенитные стали, закалкой и старением. Сплав ХН35ВТЮ применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750 0С.

 

Получение стали

 

Еще в XX столетии начали широко применять более современные получения стали, позволяющие выпускать наиболее сложные и высоко легированные стали. Рассмотрим три основных применяемых теперь способа получения стали: в мартеновских печах, бессемеровский и томасовский процессы в электрических печах.

Мартеновский способ

Мартеновский способ является основным способом, дающим около 70% высококачественной стали, выплавляемой в мире. В 1865 г. во Франции инженеру П. Мартену после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь, так как до этого этим путем получали сталь в тестообразном состоянии. Мартен применил для сталеплавильной печи принцип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воздуха, подаваемого в печь (разработанный инженером Ф. Сименсом и используемый до этого в печах некоторых других производств). По этому принципу строятся и работают мартеновские сталеплавильные печи до настоящего времени. Современные мартеновские печи (рис. 3) отапливают обычно газом (чаще всего смесью доменного газа с коксовальным или природным газом) и оборудуют четырьмя регенераторами (по два с каждой стороны печи), заполненными кирпичной решетчатой кладкой для раздельного подогрева газообразного топлива и воздуха, подаваемых в печь.

Рисунок 3 – Мартеновская печь (разрез и план):

1 – под печи; 2 – передняя стенка; 3 – задняя стенка; 4 – свод; 5 – загрузочные окна; 6 – бетонные опоры; 7 – откос; 8 – воздушный канал (головки); 9 – газовый канал; 10 – вертикальные каналы; 11 – шлаковики газового регенератора; 12 – шлаковики воздушного регенератора.

 

Продукты горения из рабочего пространства печи направляются в одну пару регенераторов (например, правую) и нагревают их насадку (решетчатую внутреннюю кладку), а затем выпускаются в дымовую трубу. В это время газовое топливо и воздух подают в печь через вторую пару регенераторов (например, левую), насадка которых была нагрета раньше. Через некоторое время с помощью автоматически переключающихся клапанов меняется направление выхода печных газов и подачи топлива.

Мартеновские печи строят разной вместимости и производительности – от 10 до 500–900 т. На некоторых заводах работают печи, отапливаемые мазутом или природным газом, в которых подогревается только воздух, подающийся в печь.

В первых печах, предложенных Мартеном, под, стены и свод выкладывали из динасового огнеупорного кирпича. В 1880 г. в России была построена первая мартеновская печь с подом и стенками из доломитового кирпича, которые затем получили широкое распространение. В современном сталеплавильном производстве для кладки стен и пода печей применяют и кислые, и основные огнеупоры; этим отличается устройство основных и кислых мартеновских печей.

Ванна печи, удерживающая расплавленные материалы, имеет форму чаши, и ее длину и ширину обычно определяют на уровне порогов садочных окон, через которые и производят загрузку в печь твердых материалов. Современная 500-тонная печь имеет ванну 16,4 м длины, 5,9 м ширины и более 1 м глубины. Произведение этой длины на ширину принято считать условной площадью пода мартеновской печи. Глубиной ванны считают размер в самой глубокой ее части, которая расположена около выпускного отверстия, от подины, до уровня порогов садочных окон. Боковую кладку и под укрепляют снаружи прочными стальными балками. До недавнего времени своды мартеновских печей делали арочными и выкладывали из динасового кирпича. Такие своды не допускали их нагрев выше 1700° С, что тормозило производительность печей; эти своды обычно выдерживали 200–250 плавок. Теперь своды делают из термостойкого хромомагнезитового кирпича. Изменилась и конструкция свода. Отдельные блоки свода подвешивают на тягах к поперечным балкам каркаса печи и свод получается подвесным. Применение хромомагнезита и новой конструкции свода позволяют нагревать его до 1800° С. Такие подвесные хромомагнезитовые своды выдерживают 500 плавок.

Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух – по двум боковым. Сходясь в рабочем пространстве печи, эти каналы образуют так называемую головку печи, формирующую газовое пламя. Внутрь стенок головки обычно вставляют кессоны, в которых циркулирует вода для сохранения огнеупоров головки от быстрого разгара. Перед регенераторами в мартеновской печи устанавливают шлаковики для сбора пыли и капель шлака, выносимых из печи с отходящими газами, и предохранения регенераторов от бы-строго загрязнения. Загрузку твердой шихты в печь производят через окна с помощью завалочных машин. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки проводят через летку, которую располагают в так называемой задней продольной стенке печи, не имеющей загрузочных окон. Некоторое количество шлака выпускают иногда через так называемые ложные пороги загрузочных <