Конструкциялық материалдар және термоөңдеу Конструкционные материалы и термообработка Constructional materials and heat treatment Учебное пособие для специальности: 5В071200– «Машиностроение»

93 
Железо и его свойства. 
Чистое железо- металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий. 
Температура плавления железа 1539ºС. Железо имеет две
полиморфные модификации, α и γ. 
При температурах ниже 910ºС железо имеет объемно-
центрированную кубическую решетку. Эту модификацию называют α-
железо., α-железо магнитно до температуры 768ºС (точка Кюри). 
При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка
при 910ºС превращается в гранецентрированную кубическую решетку, 
α-железо превращается в γ-железо., γ-железо существует при
температуре 910-1392ºС. 
В интервале температур 1392-1539º существует α-железо, которое
обозначают также δ-железо. 
Углерод и его свойства. 
Углерод является неметаллическим элементом. Температура
плавления углерода 3500ºС. Углерод в природе может существовать в
двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. Форма алмаза в
сплавах не встречается. 
В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится
в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. 
Прочность и пластичность его весьма низкие. 
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может
образовывать химическое соединение- цементит, может находиться в
свободном виде в форме графита. 
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. 
Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные
составляющие. 
Феррит (Ф)- твердый раствор внедрения углерода и других элементов
в α-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. 
Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной
температуре до 0,005%. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо
обрабатывается давлением в холодном состоянии. 
Аустенит (А)- твердый раствор углерода и других элементов в γ-
железе. Существует только при высоких температурах. Аустенит
высокопластичен, но более тверд, чем феррит. 
Цементит (Ц)-химическое соединение железа с углеродом. В
цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления
цементита около 1600ºС. Имеет сложную кристаллическую решетку. 
Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. 
Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его
твердость. 

94 
Графит- аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, 
прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали
содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых
включений влияет на механические и технологические свойства
сплава. 
Перлит (П)- механическая смесь феррита и цементита, содержащая
0,8% углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита
при температуре 727ºС. Этот распад называется эвтектоидным, а
перлит- эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью, 
твердостью и повышает механические свойства сплава. 
Ледебурит- механическая смесь аустенита и цементита, содержащая
4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения
при температуре 1147ºС. При температуре 727ºС аустенит
превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет
собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую
твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах. 
Зависимость свойств железоуглеродистых сплавов 
от содержания углерода и постоянных примесей. 
Промышленные стали и чугуны- это многокомпонентные сплавы, в
состав которых помимо железа и углерода входят так называемые
постоянные примеси. Постоянными примесями являются марганец, 
кремний, наличие которых обусловлено технологическими
особенностями производства, фосфор и сера, а также газы- кислород, 
азот, водород, которые невозможно полностью удалить из металла. 
Содержание углерода и примесей оказывает влияние на свойства
железоуглеродистых сплавов. 
Углерод оказывает большое влияние на механические свойства
сталей. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше в ее
структуре содержится цементита. Так как цементит обладает высокой
твердостью и хрупкостью, увеличение его количества приводит к
повышению прочности и твердости стали, к уменьшению ее
пластичности и вязкости. С увеличением содержания углерода в стали
снижаются плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная
проницаемость, растет электросопротивление. 
Кремний и марганец считают полезными примесями. При выплавке
стали их добавляют для раскисления. Соединяясь с кислородом закиси
железа, они в виде окислов переходят в шлак. В результате
раскисления свойства стали улучшается. 
Кремний, оставшийся в стали после раскисления, повышает предел
текучести, что снижает ее способность к холодной обработке
давлением. Поэтому в сталях для штамповки содержание кремния
должно быть снижено. 

95 
Марганец заметно повышает прочность стали, не снижая ее
пластичности, резко уменьшает хрупкость при высоких температурах, 
удаляя серу из расплава. 
Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор уменьшает
пластичность и вязкость стали, увеличивает ее склонность к
образованию трещин при низких температурах. Сера снижает ударную
вязкость, пластичность, предел выносливости, свариваемость и
коррозионную стойкость сталей. Сера вызывает охрупчивание стали
при высоких температурах. Содержание серы и фосфора в стали
строго ограничивается. 
Кислород, азот, водород отрицательно влияют на свойства сталей. 
В машиностроительных чугунах углерод присутствует в виде
графита. Графит обладает очень низкими механическими свойствами. 
Поэтому чем больше графита присутствует в структуре чугуна и чем
грубее его включения, тем хуже свойства чугуна. Но он способствует
повышению обрабатываемости чугунов резанием, придает им
антифрикционные свойства при трении и гасит влияние вибраций и
ударов. 
Кремний существенно влияет на структуру чугуна, усиливая его
графитизацию. Марганец повышает механические свойства чугуна и
препятствует их графитизации. Фосфор повышает износостойкость, но
охрупчивает чугуны. Сера свойства чугуна ухудшает. 
Производство стали в кислородных конверторах. 
Еще совсем недавно применялись два процесса плавки стали в
конверторах: бессемеровский и томасовский. Несмотря на некоторые
различия в конструкциях конверторов и процессах, сущность этих
способов получения стали была одна и та же и заключалась в том, 
что через жидкий чугун продувался воздух, в результате чего
происходило окисление примесей. В настоящее время эти два способа 
(бессемеровский и томасовский) не применяются, так как заменены
более прогрессивным способом- плавкой стали в кислородных
конверторах. 
Кислородно-конверторный процесс заключается в продувке жидкого
чугуна в конверторе с основной футеровкой кислородом сверху через
водоохлаждаемую фурму, опущенную через горловину . В настоящее
время в кислородных конверторах производят около 30% всей
выплавляемой стали. 
Применение для дутья чистого кислорода позволяет получать в
кислородных конверторах сталь с содержанием азота не более, чем в
мартеновской стали, и примерно такого же качества. 
Кислородно-конверторный процесс позволяет применять конверторы
большой емкости. В настоящее время уже работают конверторы
емкостью 300т. 

96 
Рис.3.1.Схема кислородного конвертора. 
1-жидкий чугун.,2-кислородная фурма.,3-летка., 
4-сопло.,5-горловина.,6-футеровка.,7-стальной кожух. 
В качестве исходных материалов при выплавке стали в кислородном
конверторе применяют жидкий чугун, скрап, железную руду, известь, 
плавиковый шпат, прокатную окалину. 
Производство стали в мартеновских печах. 
Передача тепла к металлу в этих печах происходит в основном
лучеиспусканием (около 90% от всего передаваемого тепла) и лишь 5-
10% конвекцией. Большинство печей большой емкости в настоящее
время отапливают природным газом с добавкой мазута. 
Эти печи имеют регенераторы, которые служат для подогрева
воздуха и газа, что позволяет повысить температуру факела до 1800ºС. 
Емкость мартеновских печей достигает 900т. Около 60% всей стали
выплавляется в мартеновских печах. 
Рис.3.2.Схема мартеновской печи. 

97 
Рабочее плавильное пространство печи сверху ограничено сводом , 
снизу- подиной , с боковых сторон- передней и задними стенками и с
торцов- «головками» . Подина имеет форму продолговатой
расширяющейся кверху чаши (ванны). Шихтовые материалы загружают
на под через завалочные окна в передней стенке печи. В нижней
части задней стенки имеются отверстия для выпуска шлака и готовой
стали, заделанные огнеупорной пробкой, которую при выпуске
пробивают. В головках, расположенных симметрично с обеих сторон
печи, имеются каналы, через которые поступают газ и воздух и
удаляются продукты горения. В нижней части головки соединяются с
регенераторами , предназначенными для подогрева газа и воздуха. В
момент, когда в левой головке происходит смешивание топлива с
воздухом и поступление продуктов горения в плавильное
пространство, через правую головку и примыкающие к ней каналы из
печи удаляются продукты горения, нагретые до 1500-1600ºС. 
Отходящие газы после очистки от твердых частиц в шлаковиках, 
расположенных на пути их следования, поступают в регенераторы. 
Регенератор представляет собой камеру, в которой имеется
огнеупорная насадка с вертикальными каналами. В нижней части
регенераторы соединены с каналами, по которым поступает газ и
воздух и отходят продукты горения. Для регулирования направления
движения газа и воздуха в печь, а продуктов горения к дымовой
трубе в каналах установлены перекидные клапаны. 
Плавка стали в электрических печах. 
Для плавки сталей применяют дуговые и индукционные
электропечи. Дуговые электропечи имеют большее распространение, 
чем индукционные, так как стоимость выплавляемых в них сталей
ниже. 
Доля электростали составляет около 10% от общего производства
стали. 
Электросталеплавильные печи работают на трехфазном переменном
токе. Постоянным током пользоваться нельзя, так как он вызывает
явления электролиза в жидкой ванне. 

98 
Рис.3.3.Схема дуговой электропечи для плавки стали. 
Печь (рис.3.3) состоит из стального кожуха со сферическим днищем, 
выложенного внутри огнеупорным кирпичом . Сверху рабочее
пространство печи перекрыто съемным сводом с тремя отверстиями, 
через которые пропущены графитовые электроды . Электроды
закреплены в специальных водоохлаждаемых электрододержателях и
при помощи специального механизма могут подниматься и
опускаться благодаря чему между электродами и ванной металла 8 в
процессе работы поддерживается определенное расстояние. Печь имеет
два опорных сегмента. Для наклона печи при сливе стали через желоб
предусмотрен механизм поворота . Электрический ток подается к
электродам по гибкому кабелю от понижающего трансформатора. 
В печах большой емкости (более 5т) загрузка шихты производится
сверху краном, для этого свод делается съемным. В печах емкостью
до 5т свод несъемный и загрузка шихты осуществляется через
рабочее окно . 
В настоящее время работают дуговые сталеплавильные печи с
массой садки от 0,5 до 200т и более. 
Электриндукционный печ (рис 3.4. ) корпус (5) внутренный тигель (4), 
крышка (1) и индикатором (2) охлаждаюшие с водой. Энергия 
выделяеться через индукции, и шихта (3) разогривается до плавление. 

99 
Рис.3.4. Схема электроиндукционный печи 

жүктеу/скачать 1,99 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: