Петрова Непрод товары

-цементит (карбид железа) – химическое соединение железа с уг- леродом Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода; он имеет очень высокую твердость (800 НВ) и очень хрупкий.

-графит – кристаллическая разновидность углерода.

Двухфазными системами железоуглеродистых сплавов являются:

- перлит – механическая (эвтектоидная) смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из аустенита при темпера-

туре 727 °С и содержит углерода 0,8 %, характеризуется своеобразной зер-

нистой структурой и высокой прочностью, твердость 200 – 220 НВ.

- ледебурит – механическая (эвтектическая) смесь, состоящая после образования из аустенита и цементита, а после охлаждения – из перлита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации жидкого раствора постоянного состава (4,3 % С) при температуре 1147 °С, имеет очень вы-

сокую твердость – 800 НВ и хрупкость.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (в упрощенном виде) приведена на рис. 7.3. Диаграмма сплавов железа с углеродом включает сплавы, содер- жащие от 0 до 6,67 % углерода (100 % Fe3C), так как сплавы с более высо- ким содержание углерода не имеют практического применения. Такую диаграмму часто называют железо-цементит.

На оси абсцисс откладывают содержание углерода и соответствую- щее ему содержание цементита, по оси ординат – температуру в градусах Цельсия. Левая ордината соответствует 100 %-ному содержанию железа, правая – 6,67 %- ному содержанию углерода, то есть 100 %-ной концентра- ции цементита. Буквенные обозначения характерных точек диаграммы общеприняты в международной практике.

На этой диаграмме точка А (1539 °С) соответствует температуре плав-

ления (затвердевания) железа, а точка D (1600 ° С) — температуре плавления (затвердевания) цементита. Выше линии ACD все сплавы представляют собой однофазный жидкий сплав. Эта линия называется линией ликвидуса (с греч. — жидкий), показывающая температуры начала затвердевания сталей и чугу-

350

нов. Линия АЕСF называется линией солидуса (с греч, — твердый). Ниже ли- нии АЕСF все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствую- щий точке С, называется эвтектическим (эвтектикой; с греч. -— легко плавя- щийся). В точке С при 1147 ° С и содержании 4,3 % С из жидкого сплава од- новременно кристаллизуются аустенит и цементит первичный, образуя эвтек- тику, называемую ледебуритом.

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса СD

— цементит, называемый первичным цементитом. По линии солидуса АЕ сплавы с содержанием до 2,14 % С окончательно затвердевают с образовани- ем аустенита.

Стали — это железоуглеродистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Чугуны — это железоуглеродистые сплавы с содержанием более

2,14 % С.

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Fe-Fe3C

351

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии ха- рактеризуют линии GSЕ, РSК, РQ. Процесс выделения кристаллов из твердого раствора называется вторичной кристаллизацией в отличие от образования кристаллов в жидком сплаве (первичная кристаллизация).

Линия РSК (727 ° С) — линия эвтектоидного превращения, то есть превращения сплавов в твердом состоянии. На этой линии во всех железоуг- леродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляю- щую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перли- том, или эвтектоидной сталью.

Ниже 727 ° С железоуглеродистые сплавы имеют следующие струк- туры. Стали с содержащие менее 0,8 % С — феррит+перлит, называют доэв- тектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8 % С — перлит, называют эвтектоидными сталями. Стали с содержанием 0,8-2,14 % С — перлит и цементит (вторичный), называют заэвтектоидными сталиями.

Диаграмма состояния имеет большое практическое значение. По диаграмме можно определить температурный интервал ковки или объем- ной штамповки сплава, температуру нагрева для проведения термической обработки, температуру начала и конца заливки металла в литейные фор- мы и другие технологические параметры.

3. Основы производства черных металлов

Черные и цветные металлы перерабатываются в металлургическом комплексе, который делится на черную и цветную металлургию. Метал- лургический комплекс – это взаимообусловленное сочетание следующих технологических процессов: добыча и подготовка сырья к переработке (обогащение, агломерирование, получение концентратов и др.); металлур- гический передел (получение чугуна, стали, проката черных и цветных ме- таллов, труб, заготовок); утилизация отходов основного производства и получение из них вторичных видов продукции.

352

Металлургический комплекс – это основа индустрии. На долю чер- ных и цветных металлов приходится более 90 % всего объема конструкци- онных материалов, применяемых в машиностроении России.

Производство чугуна

В природе железо встречается в форме соединений, смешанных с большим количеством веществ, называемых пустой породой.

Основной схемой производства черных металлов в настоящее время является получение чугуна в доменной печи и передел чугуна на сталь.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплавки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов называется шихтой.

Для получения чугуна употребляют следующие руды: магнитный железняк Fe304 (содержит до 72 % железа); бурый железняк 2Fe203*3H20 (от

35% до 50 % железа); красный железняк Fe203 (до 60 % железа).

Вкачестве топлива используют каменноугольный кокс или природ-

ный газ.

Флюсы – это известняки (CaCO3. MgCO3), вводятся в доменную печь для отделения пустой породы и золы. Эти вещества при сплавлении с пус- той породой и золой кокса образуют легкоплавкие химические соединения - шлаки, отделяемые от металла.

Перед использованием в доменной печи шихтовые материалы для ускорения плавки и снижения расхода подвергают дроблению, обогаще- нию и окусковыванию (брикетирование, агломерация и окатывание).

Доменная печь с полезным объемом 5500 м3 имеет высоту более

100метров и выдает 4-4,5 млн. тонн чугуна в год. Температура в доменной

печи 1300 – 1450 °С. Внутреннее пространство печи обкладывают (футе-

руют) специальными огнеупорными материалами, которые противостоят действию высоких температур и физико-химических процессов. Снаружи печь имеет стальной кожух. Для осуществления доменного процесса в

353

печь подают сжатый воздух, нагретый до 1200 °С и обогащенный кислоро-

дом.

В результате взаимодействия составляющих компонентов шихты и кислорода воздуха в доменной печи протекают следующие химические процессы:

− кислород воздуха (дутья) вступает во взаимодействие с углеродом кокса: С + О2 = СО2 и далее СО2 + С = 2СО;

оксид углерода является восстановительной средой доменной печи:

FeO +CO = Fe + CO2.

Вслед за восстановлением железа происходит его науглероживание с образованием карбида железа по реакции: 3Fe + 2CO = Fe3C+ CO2.

Помимо углерода в железе одновременно растворяются марганец, кремний, фосфор и сера, которые содержались в руде. Таким образом, в результате доменного процесса получается чугун, содержащий до 10 % уг- лерода и других примесей. Чугун сливают в ковши и отправляют в стале- плавильные печи или заливают в металлические формы и выпускают в ви- де чушек.

В доменном производстве выплавляют три вида чугуна: передель- ный (85 % от общего объема), литейный (12 %) и специальный (3 %). Пе- редельный чугун используется для дальнейшего передела в сталь, литей- ный – направляется в чугунолитейные цеха для получения литейных чугу- нов. Специальные чугуны – ферросплавы применяются в качестве приса- док и раскислителей при выплавке сталей.

Производство стали

Сталь по сравнению с чугуном имеет более высокие физико- механические свойства, она прочнее и пластичнее, хорошо обрабатывается методами пластической деформации.

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна уда- лить избыток углерода и примесей. Особенно важно при этом удалить

354

вредные примеси серы (придает стали красноломкость) и фосфора (прида- ет хладноломкость).

Процессы получения стали включают окисление углерода и других примесей чугуна, последующее раскисление окиси железа и доведение концентрации углерода до требуемого уровня.

Полученный передельный чугун продувают кислородом, при этом углерод, соединяясь с кислородом, образует оксид углерода, который сго- рает и улетучивается (С + О2 = СО2 ↑). Марганец, кремний и фосфор обра- зуют газовые оксиды MnO, SiO2, P2O5, а сера - соединение CaS, которые выделяются из расплава в виде шлаков. Кроме того, железо тоже поглоща- ет кислород, образуя окись железа. Конечной операцией выплавки стали является ее раскисление для восстановления железа и удаления газов. В за- висимости от степени раскисления различают сталь кипящую (кп), спо- койную (сп) и полуспокойную (пс).

Степень раскисления влияет на структуру слитка и качество готового продукта и указывается в маркировке стали.

Кипящая сталь раскисляется не полностью только ферромарган- цем. После разливки она продолжает кипеть, то есть выделять газовые пу- зыри СО (FeO + C = Fe +CO ↑), которые создают химическую неоднород- ность в слитке. Неоднородность устраняется при последующей горячей прокатке. Такая сталь имеет небольшую плотность и прочность, высокую пластичность, применяется для изготовления хозяйственных товаров. Пре- имуществом кипящей стали является высокий выход годного продукта – до 95 %.

Спокойная сталь раскислена полностью в печи и в изложнице за- стывает спокойно (раскисляется марганцем, кремнием и алюминием), но при этом в верхней части слитка формируется усадочная раковина. Уса- дочные раковины удаляют обрезкой как отходы, поэтому выход готового продукта меньше – 85 %. Качество стали выше, чем у кипящей, она приме- няется для производства ответственных деталей и конструкций.

355

Полуспокойная сталь по свойствам и качеству является промежу- точной между спокойной и кипящей сталью.

Вметаллургии применяют три основных способа производства стали

взависимости от вида печей: кислородно-конверторный, мартеновский и элетросталеплавильный. С целью получения особо высококачественных сталей применяется специальная металлургия - электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно- дуговой (ПДП) переплавы и их сочетания.

Производство металлопродукции

Технологический цикл производства металлоизделий включает в се- бя следующие этапы: получение черновых изделий, то есть заготовок; об- работка заготовок резанием или другими способами механической обра- ботки; термическая или химико-термическая обработка; сборка изделия; отделка.

Черновые заготовки получают двумя способами: из жидкого металла в литейном производстве и твердого металла путем обработки давлением (деформации).

Литейное производство – процесс получения фасонных отливок пу- тем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм, в кото- рых металл затвердевает.

Литые детали широко применяют при изготовлении станков, машин, механизмов. Они могут иметь массу от 5 г до 260 т, быть весьма сложными по форме; толщина стенок отливок колеблется от 0,8 до 500 мм.

Основной объем заготовок из стали и цветных металлов получают в процессах обработки металлов давлением.

Обработка металлов давлением основана на пластичности метал-

лов.

При производстве металлических изделий применяют обработку ме- таллов давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Исходными материалами для обработки металлов давлением являются слитки и заго-

356

товки различных размеров и массы. Основными способами обработки ме- таллов давлением являются: прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка.

Прокатка. Среди различных методов пластической обработки про- катка занимает особое положение, поскольку данным способом производят как готовые изделия, пригодные для непосредственного использования в строительстве и машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяй- ственного машиностроения и др.), так и заготовки для последующей обра- ботки ковкой, штамповкой, прессованием, волочением или резанием.

Сущность процесса прокатки заключается в деформировании (обжа- тии) заготовки металла между вращающимися валками прокатных станов в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы.

Прокатные станы различают по назначению (обжимные (блюминги и слябинги), заготовочные, сортовые, листовые и специальные); количест- ву валков (двух-, трех-, четырех- и многовалковые) и схеме их расположе- ния.

Различают горячую, холодную и теплую прокатку. Основная часть проката (заготовки, сортовой и листовой прокат, трубы, шары и др.) про- изводится горячей прокаткой при начальных температурах стали 1000 – 1300 °С. Холодная прокатка применяется главным образом для производ-

ства листов и ленты толщиной менее 1,5 – 6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб. Кроме того, холодной прокатке подвергают горячеката- ный металл для получения более гладкой поверхности и лучших механи- ческих свойств. Теплая прокатка в отличие от холодной происходит при несколько повышенной температуре с целью снижения упрочнения (на- клепа) металла при его деформации.

357

Продукция прокатного производства

При классификации сплавов черных металлов в таможенных целях продукция прокатного производства подразделяется на полуфабрикаты и

готовые изделия.

К полуфабрикатам относятся изделия, прошедшие первичную горя- чую прокатку на обжимных станах, и предназначенные для дальнейшей прокатки.

Полуфабрикаты прокатного производства:

-блюмы имеют квадратное сечение с длиной сторон > 120 мм;

-биллеты могут быть квадратными (длина сторон >50 < 120 мм) или прямоугольными;

-круглые заготовки имеют круглое и многоугольное (более четырех углов) сечение и используются для последующей прокатки на бесшовные трубы;

-слябы и сутунки имеют прямоугольное сечение, но их ширина больше их толщины. Слябы используют для прокатки плит, а сутунки – для получения листов или полос.

К готовым изделиям прокатного производства относятся изделия,

имеющие самые разнообразные профили. Совокупность профилей и их размеров, а также сталей, из которых их изготовляют, называют сорта-

ментом.

Профильный сортамент проката включает: сортовой, листовой,

трубный и специальный (бандажи, колеса, периодические профили и др.).

Наиболее разнообразной является группа сортового проката.

Прессование (выдавливание). При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, в результате чего получают изделие с сечением в форме отверстия. Прессованием получают изделия различно- го профиля с размером поперечного сечения до 400 мм.

Волочение. Волочение применяют для изготовления проволоки диа- метром от 0,002 до 4 мм, а также калиброванных прутков и тонких труб из

358

катаной или прессованной заготовки. Волочение заключается в протягива- нии заготовки (обычно в холодном состоянии) через отверстие, сечение которого меньше исходного сечения заготовки.

Ковкой называется процесс обработки металла, находящегося в пла- стическом состоянии под действием бойков молотка (динамическое воз- действие) или пресса (статическое воздействие) с использованием при на- добности подкладного инструмента. При ковке металл заготовки пласти- чески деформируется, постепенно приобретая заданную форму, размеры и свойства. Фасонные заготовки, полученные ковкой, называются поковка- ми. С помощью ковки можно получать поковки с высокими механически- ми свойствами, самой различной формы и массой от 0,5 кг до 350 тонн и более.

Штамповка. Штамповка — процесс деформации металла в штам- пах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размер получаемой поковки.

Производительность штамповки в десятки раз больше, чем ковки; при штамповке достигается большая, чем при ковке, точность размеров и малая шероховатость поверхности. Штамповкой можно изготовлять весь- ма сложные поковки массой преимущественно до 100 кг (в отдельных случаях до 2 т). Различают объемную и листовую штамповку в нагретом и холодном состоянии.

При обработке металлов по любому способу одновременно с измене- нием формы и размеров исходного материала изменяются также его струк- тура и механические свойства.

Термическая обработка металлов

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагреванием и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава и обу- словленные этим изменения физических, механических и других свойств. Термической обработке подвергают как полуфабрикаты (заготовки), так и го- товые изделия (детали, инструмент).

359