Железоуглеродистые сплавы

Железоуглеродистые сплавы

31

РЕФЕРАТ

ТЕМА: ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

План

1 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

2 Производство чугуна

3 Серые чугуны

4 Производство стали

5 Углеродистые стали

6 Легированные стали

Список литературы

1 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом

К железоуглеродистым сплавам отноеятся сплавы железа с углеродом.

Для того чтобы изготовить детали, машины и механизмы качественными и обеспечить надежность и долговечность их в работе, необходимо заранее знать свойства используемых материалов. Например, для получения качественных отливок необходимо знать, при какой температуре плавится сплав и при какой он затвердевает, каковы его литейные свойства. Для проведения термообработки деталей надо знать, как изменяются свойства сплава при нагревании и охлаждении в твердом состоянии, каковы при этом будут структура и свойства сплава. При обработке давлением необходимо знать, при каких температурах тот или иной сплав лучше подвергается обработке давлением, имеет наиболее высокую пластичность.

Для определения температурных интервалов, видов термической обработки и обработки давлением, температуры плавления и заливки сплава в литейные формы пользуются специальными графическими изображениями состояния и строения сплавов в зависимости от их состава и температуры нагревания. Такие графические изображения называют диаграммами состояния сплава.

Построение диаграммы состояния. Диаграммы состояний обычно строят термическим методом (рис. 1). Сначала получают множество кривых охлаждения сплавов с различным содержанием составляющих элементов в зависимости от температуры и времени охлаждения. Кривые охлаждения строят аналогично построению кривых охлаждения для определения полиморфных превращений. По перегибам и остановкам на кривых охлаждения определяют критические температуры и критические точки сплава.

Рис. 1. Схема построения диаграммы состояния сплавов железа с углеродом:

а -- кривые охлаждения сплавов с различным содержанием углерода,

б --диаграмма

Критической называется температура, при которой происходит изменение в строении, а значит, и в свойствах металлов и сплавов. При критических температурах кривые охлаждения резко изменяют свой характер.

Критическими точками называются точки перегиба 1, 2, 3, 4 на кривых охлаждения (см. рис. 1). Однотипные критические точки (например, точки /) кривых охлаждения соединяют линией (линия АС). Комплекс линий, объединяющих критические точки сплавов, в зависимости от химического состава сплава и его температуры представляет собой диаграмму состояния. В табл. 1 приведены критические температуры критических точек 1, 2, 3, 4.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. При кристаллизации железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие: аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит.

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом: I...V1 -- характерные сплавы

Аустенит -- твердый раствор углерода в у-железе. У сплавов с содержанием углерода до 2 % (стали) при температурах выше 723 °С структура представляет собой аустенит -- на диаграмме (рис. 3) область AESG. Кристаллическая решетка аустенита - гранецентрированный куб. При нормальной температуре (18...24°С) аустенит в простых железоуглеродистых сплавах отсутствует и его увидеть нельзя. Аустенит обладает высокой пластичностью (б = 40...50 %) и низкой твердостью (НВ170...200), хорошо поддается горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке). На диаграмме аустенит обозначается буквой А.

Феррит--твердый раствор углерода в а-железе. В феррите растворяется очень мало углерода (до 0,02 %). Техническое железо имеет структуру феррита (на диаграмме область GPQ). Кристаллическая решетка феррита-- объемно-центрированный куб. Феррит обладает высокой пластичностью и низкой твердостью (6 = = 40...50 %; НВ80...120), хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии (волочению, штамповке). Чем больше феррита в сплавах, тем они мягче и пластичнее. На диаграмме феррит обозначается буквой Ф.

Цементит -- самая твердая (НВ800) и хрупкая (6 = 0 °/о) составляющая железоуглеродистых сплавов -- представляет собой химическое соединение железа и углерода (карбид железа Fe3C), содержащее 6,67 % углерода. Кристаллическая решетка цементита сложная. Особенность цементита состоит в том, что в присутствии значительного количества некоторых элементов, например кремния Si, цементит может вообще не образоваться или может распадаться с образованием углерода -- графита и железа. Сплавы из чистого цементита на практике не применяют. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и хрупче. На диаграмме цементит обозначается буквой Ц.

Перлит -- механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % углерода. Перлит образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 723°С (на диаграмме линия Р/С). Распад аустенита на перлит называется эвтектоидным превращением, а перлит -- звтектоидом. Перлит присутствует во всех железоуглеродистых сплавах при температуре ниже 723°С, обладает высокой прочностью (ав до 800 МПа) и твердостью (НВ200). Чем мельче включения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механических свойств. Поэтому чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели механических свойств сплава. На диаграмме перлит обозначается буквой П.

Ледебурит -- механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4,3 % при постоянной температуре 1147°С (точка С на диаграмме). Ледебурит -- единственный из всех железоуглеродистых сплавов, который кристаллизуется при постоянной температуре с образованием механической смеси. Такая кристаллизация называется эвтектической, а ледебурит -- эвтектикой. Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокой твердостью (НВ700), хорошими литейными свойствами. Ледебурит содержится во всех высокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами. На диаграмме ледебурит обозначается буквой Л.

Практическое использование диаграммы состояний. Применяемые в промышленности железоуглеродистые сплавы содержат не более 4,5 % углерода. Сплавы железа с углеродом до 2 % называются сталями, сплавы железа с углеродом более 2 % -- чугунами.

Линия ACD-- линия ликвидус -- изображает температуру начала затвердевания сталей и чугунов. Выше этой температуры сплав полностью расплавляется, т. е. переходит в жидкое состояние (на диаграмме обозначается буквой Ж).

Линия AECF-- линия солидус -- изображает температуру окончания затвердевания и начала плавления сталей и белых чугунов. Между линиями ликвидус и солидус сплавы находятся в жидко-твердом состоянии.

Для практического использования диаграммы проследим за структурными превращениями характерных железоуглеродистых сплавов при их охлаждении.

Сплав / (сталь содержит углерода менее 0,83 %), Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристал-jk лизовавшегося аустенита увеличивается и при температуре, соответствующей линии АЕ, сталь полностью затвердевает. Ниже линии АЕ сталь охлаждается без превращений до температуры, соответствующей линии GS. При этой температуре из твердого аустенита начинают выделяться зерна феррита с очень малым содержанием углерода, поэтому в оставшемся аустените количество углерода увеличивается. Процесс протекает до линии PS.

На линии PS при температуре 723 °С из оставшегося аустенита образуется перлит. При нормальных температурах структура стали будет состоять из феррита и перлита. Сталь с содержанием углерода менее 0,83 % называют доэвтектоидной. Микроструктура феррита и до-эвтектоидной стали показана на рис. 3, а, б.

Сплав // (сталь содержит углерода 0,83%)- Кристаллизация идет между линиями ликвидус АС и солидус АЕ, аналогично кристаллизации сплава / (см. рис. 2). Закристаллизовавшийся аустенит охлаждается до точки 5. При температуре 723 СС, соответствующей точке S, происходит перекристаллизация аустенита с образованием перлита (эвтектоидное превращение). Сталь, имеющую структуру перлита, называют эвтектоидной (рис. 3, в). Строение эвтектоидной стали при нормальных температурах пластинчатое, т. е. структура стали состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Рис. 3. Микроструктуры типичных железоуглеродистых сплавов:

а -- феррит, б -- доэвтектоидная сталь, в -- эвтектоидная сталь, з -- заэвтектоидная сталь,

д -- доэвтектический белый чугун, е -- эвтектический белый чугун, ж -- заэвтектический белый чугун; Ф -- феррит, Л -- перлит, Ц1-- первичный цементит, ЦІІ -- вторичный цементит,

Л--ледебурит

Сплав /// (сталь содержит углерода более 0,83 %). Кристаллизация сплава /// аналогична кристаллизации сплава /. При температуре ниже линии АЕ сталь имеет структуру аустенита. На линии ES из аустенита по границам его зерен начинают выделяться включения с содержанием углерода 6,67 % -- цементит. Поскольку цементит в этом случае образовался из твердого аустенита, т. е. при перекристаллизации стали, его называют вторичным цементитом -- ЦІІ.

Вторичный цементит выделяется из аустенита при понижении температуры до 723 °С. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение. Оставшийся аустенит, содержащий углерода 0,83 %, перекристаллизуется в перлит. При нормальных температурах структура стали с содержанием углерода более 0,83 % состоит из перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3,г).

Сплав IV (чугун содержит углерода более 2%). Выше линии АС сплав находится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинают кристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижении температуры количество закристаллизовавшегося аустенита все время увеличивается. При достижении температуры 1147°С (на линии EF) оставшаяся часть жидкого расплава моментально кристаллизуется с образованием механической смеси аустенита и цементита, т. е. происходит эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики -- ледебурита. Начиная с температуры 1147 до 723 °С, из аустенита выделяется вторичный цементит ЦІІ. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение -- из аустенита образуется перлит.

При нормальных температурах структура чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Ледебурит после эвтектоидного превращения представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Чугуны с содержанием углерода до 4,3 % называются доэвтектическими чугунами. Если углерод находится в чугунах в химически связанном состоянии с железом, т.е. в цементите, то такие чугуны называются белыми чугунами. Микроструктура сплава IV, представляющего собой доэвтектический белый чугун, показана на рис. 3.

Сплав V (чугун содержит 4,3 % углерода). До температуры 1147°С сплав находится в жидком состоянии. При температуре 1147°С (точка С на диаграмме) происходит эвтектическая кристаллизация с одновременным образованием включений аустенита и цементита. При температуре от 1147 до 723 °С из аустенита выделяется вторичный цементит Цц. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение -- из аустенита образуется перлит. Чугун с содержанием углерода 4,3 % называют эвтектическим белым чугуном. При нормальных температурах структура белого эвтектического чугуна состоит из включений перлита и цементита (рис. 3, е).

Сплав VI (чугун содержит углерода более 4,3 %). При температуре выше линии CD сплав находится в жидком состоянии. На линии CD начинают кристаллизоваться включения цементита, который называют первичным цементитом Ц. При понижении температуры до 1147°С количество первичного цементита все время увеличивается. На линии EF при температуре 1147°С происходит эвтектическая кристаллизация (оставшаяся часть жидкого расплава кристаллизуется с одновременным образованием включений аустенита и цементита).

Ниже линии EF из аустенита эвтектики при охлаждении выделяется вторичный цементит ЦІІ. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение -- аустенит перекристаллизуется в перлит. Чугуны с содержанием углерода более 4,3 % называют заэвтектическими. При нормальных температурах структура белого заэвтектического чугуна (рис. 3., ж) состоит из включений первичного цементита и эвтектики, представляющей собой при нормальных температурах смесь перлита и цементита.

2 Производство чугуна

Производство чугуна. Материалы для плавки чугуна в доменной печи называют шихтой. Шихта состоит из железной руды, которая предварительно подготовляется к плавке, известняка, необходимого для образования шлака, топлива, которым служит металлургический кокс.

Железная руда -- основной материал для производства чугуна -- представляет собой горные породы сложного состава. Обычно железные руды содержат окислы железа Fe2O3, Fe3O4, а также окислы кремния, марганца, фосфора, серы, кальция, магния и других элементов, которые называют пустой породой, потому что в них нет железа. Чтобы понизить температуру плавления пустой породы и золы, получающейся от сгорания кокса, в доменную печь добавляют известняк СаСО3 -- флюс. Пустая порода и зола кокса сплавляются с известняком и образуют шлак.

Рис. 4. Схема доменной печи:

1 -- летка для выпуска жидкого чугуна, 2 -- шлак, 3 -- загрузочное устройство, 4 -- железная руда, 5-- известняк, 6 -- кокс, 7 -- капли расплавленного чугуна, 8 -- капли расплавленного шлака, 9 -- фурмы, 10 -- летка для выпуска жидкого шлака, 11 -- жидкий чугун

В доменную печь (рис. 4) сверху с помощью устройства 3 загружается определенными порциями шихта. Сначала загружают кокс, затем флюсы и железную руду. В такой последовательности загружается весь объем печи. Для розжига кокса и создания в печи высоких температур, обеспечивающих процесс плавления шихты, по специальным каналам, называемым фурмами 9, вдувают горячий воздух.

Плавление начинается выше фурм, в результате появляются капли расплавленного чугуна 7 и шлака 8. Стекая на днище печи по кускам раскаленного кокса, жидкий чугун 11 и шлак 2 нагреваются до температур 1400... 1450 °С и собираются на подине, которая называется лещадью. Периодически чугун и шлак выпускают из печи через специальные отверстия -- летки 1 и 10.

При плавке в доменной печи железо восстанавливается из руды углеродом кокса и науглероживается. Вместе с железом восстанавливается часть окислов пустой породы (окислы кремния, марганца, серы, фосфора). Поэтому доменный чугун представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Влияние химических элементов на свойства чугуна. Свойства чугунов зависят от химического состава, т. е. от содержания в них углерода, кремния, марганца, фосфора, серы.

Углерод, химически связанный с железом, образует цементит Fc3C. Цементит придает чугуну хрупкость, но значительно повышает твердость. Такой чугун, имеющий в изломе блестящий металлический оттенок, называют белым. Белые чугуны не обрабатываются режущим инструментом.

Углерод в чугуне может находиться в свободном состоянии в виде графита. Цементит в таких чугунах не образуется, поэтому их твердость значительно ниже твердости белых чугунов; такие чугуны хорошо обрабатываются резанием. Присутствие графита придает чугуну в изломе серый, матовый оттенок; чугун в данном случае называют серым.

Кремний способствует выделению углерода в чугуне в виде графита, улучшает литейные свойства чугуна, понижает его твердость.

Марганец препятствует выделению углерода в чугуне в виде графита и способствует образованию цементита, поэтому повышает твердость чугуна и при определенном содержании его увеличивает прочность.

Фосфор, соединяясь с железом, образует легкоплавкую хрупкую и твердую составляющую, которая располагается по границам зерен чугуна, вследствие чего у чугуна значительно повышаются хрупкость и твердость, увеличивается износостойкость. Образующаяся легкоплавкая составляющая улучшает заполняемость литейных форм жидким чугуном. Фосфор -- вредная примесь.

Сера тормозит выделение углерода в чугуне в виде графита. Образуя по границам зерен чугуна хрупкую составляющую, сера снижает механические свойства, способствует образованию трещин в отливках. Вредное влияние серы может быть нейтрализовано повышенным содержанием марганца, с которым сера легко образует тугоплавкое соединение.

Продукты доменного производства. Продуктами доменного производства служат чугун, доменные ферросплавы, доменный газ и доменный шлак. В зависимости от назначения чугун подразделяется на передельный и литейный.

Передельный чугун (ГОСТ 805--80), используемый преимущественно для выплавки стали, имеет следующий химический состав (%): углерод 4...4,5; кремний не более 1,2; марганец не более 1,5; фосфор не более 0,3; сера не более 0,5. Все передельные чугуны, как правило, белые.

Литейный чугун (ГОСТ 4832--80), предназначенный для производства чугунных отливок различного назначения, имеет следующий химический состав (%): углерод 3,5...4,5; кремний 1...3,6; марганец 0,5.. .1,5; фосфор 0,08...1,2; сера 0,02...0,06. Все литейные чугуны содержат большее количество кремния, чем белые, и не содержат структурно свободного цементита, поэтому они относятся к серым чугунам.

Доменные ферросплавы содержат большое количество кремния или марганца. Доменный ферросилиций, который включает в себя 9... 13 % кремния, используют при плавке в литейных цехах для повышения содержания кремния в серых чугунах. Доменный ферромарганец, в который входит до 75 % марганца, применяют для повышения содержания марганца при производстве стали.

Доменный газ, содержащий до 30 % СО, хорошо горит, поэтому его используют для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь, и как промышленное топливо. Из доменной печи газ отводят сверху по трубопроводам.

Доменный шлак как отход металлургической промышленности используют в промышленности строительных материалов для изготовления цемента, шлакобетоа, шлаковой ваты и других материалов. Металлургический шлак находит широкое применение в дорожном строительстве.

3 Серые чугуны

Серые чугуны получают из литейных доменных чугунов с добавкой в состав шихты чугунного лома. Химический состав серых чугунов (%): углерод 2,8...3,5, кремний 1,5...2,8, марганец 0,4...0,8, фосфор 0,2... 1, сера 0,08...0,12. Применяют серые чугуны для производства отливок деталей различных машин и механизмов, труб, санитарно-технического оборудования. Серые чугуны маркируют в зависимости от их механических свойств (табл.2).

Таблица 2. Механические свойства серого чугуна (ГОСТ 1412--79)

В марке чугуна буквы СЧ обозначают, что чугун серый; цифры показывают предел прочности чугуна при растяжении.

Для изготовления отливок, обладающих прочностью на растяжение до 200..250 Н/мм2, используют обычные серые чугуны; для изготовления отливок более высокой прочности -- чугуны со специальными добавками хрома, никеля и других элементов. Такие чугуны называют л егированными.

В зависимости от технологии производства серые чугуны подразделяются на высокопрочные и ковкие.

Высокопрочные серые чугуны получают путем введения в расплавленный чугун небольшого количества магния и редкоземельных элементов -- церия, лантана, ниодима или их смеси. Процесс введения этих добавок в жидкий чугун с целью изменения структуры называют модифицированием. В результате модифицирования графит кристаллизуется в виде шара, а не в виде пластинок. Поэтому показатели механических свойств чугуна значительно повышаются (табл. 3).

Таблица 3. Механические свойства высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293--79)

В марке чугуна буквы ВЧ обозначают, что чугун высокопрочный; первые цифры показывают предел прочности при растяжении, вторые -- относительное удлинение.

Высокопрочный чугун широко применяют для изготовления коленчатых валов двигателей, тяжелонагру-женных отливок деталей строительных и дорожных машин и т. д. В настоящее время многие детали, изготовляемые ранее из стальных литых и кованых заготовок, отливают из высокопрочного чугуна.

Ковкие чугуны получают путем термической обработки отливок из доэвтектического белого чугуна, в структуре которого содержится большое количество цементита. Отливки из доэвтектического белого чугуна обладают очень высокой твердостью и хрупкостью и не обрабатываются режущим инструментом. Чтобы снизить твердость и повысить пластические свойства, отливки подвергают длительному нагреванию при высокой температуре в специальных термических печах. Такой процесс называют отжигом. При отжиге цементит разлагается на углерод (графит), который выделяется в виде хлопьев, и железо. В зависимости от химического состава белого доэвтектического чугуна и режима его отжига металлическая основа отливки может состоять из феррита или перлита.

Ферритная или перлитная металлическая основа и углерод хлопьевидной формы обеспечивают ковким чугунам высокие прочность и пластичность. Если после отжига чугуна металлическая основа состоит из феррита, то такой чугун называется ферритным ковким, если же из перлита, то перлитным ковким. На практике чаще получают отливки из ферритного ковкого чугуна.

Рис. 5. Режимы отжига белого чугуна при получении ковкого чугуна:

а -- ферритного, б -- перлитного;

1 ...5 -- этапы отжига

Отжиг для получения ферритного ковкого чугуна состоит из пяти этапов (рис. 5, а):

Нагревание до температуры 900...1000 °С.

Выдержка при температуре 900...1000 °С, во время которой цементит распадается на аустенит и углерод отжига.

Охлаждение до температуры ниже эвтектоидного превращения (690...700°С); при этих температурах из аустенита выделяется углерод отжига; аустенит же пре
вращается в перлит.

Выдержка при температуре 690...700°С, во время которой из перлита получаются феррит и углерод отжига; к концу выдержки образуется структура феррит +; углерод отжига.

5. Охлаждение до нормальной температуры. Общий пикл отжига составляет 50...60 ч.

Отжиг для получения перлитного ковкого чугуна состоит из четырех этапов (рис. 5, б):

Нагревание до температуры 1000...1050 °С.

Выдержка при температуре 1000...1050 °С, во время которой цементит распадается на аустенит и углерод отжига.

Охлаждение до температуры ниже эвтектоидного превращения (690...700 °С); при охлаждении из аустенита выделяется углерод отжига; аустенит превращается в перлит.

Минуя выдержку при температуре 690...700 °С, отливки охлаждают до нормальной температуры. Образуется структура перлит+углерод отжига. Цикл отжига составляет 100...110 ч.

Совершенствование технологии отжига и использование электрических печей позволяют сократить время отжига отливок на ковкие чугуны до 30...40 ч.

Механические свойства ковкого чугуна в зависимости от марок приведены в табл. 4.

Таблица 4. Механические свойства ковкого чугуна

В марке чугуна буквы КЧ обозначают, что чугун ковкий; первые цифры показывают предел прочности при растяжении, вторые -- относительное удлинение.

Из ковких чугунов изготовляют небольшие тонкостенные отливки, картеры автомобилей, детали тракторов, арматуру и другие детали массового производства.

Страницы: 1, 2