Производство чугуна

Железо относятся к числу наиболее известных и распространенных  химических элементов -металлов. Около 95%всего получаемого в мире металла приходятся на долю железа в виде чугуна, стали и ферросплавов. В чистом виде железо практически не используется. В быту железными часто называют изделия из чугуна и сталей. В Периодической системе элементов Д.И. Менделеева железо расположено в VIII группе  4-го  периода и образует с кобальтом и никелем триаду элементов с близкими физико - химическими свойствами. Атомный номер железа 26, атомная масса 55,847. В чистом виде железо - блестящий серебристо - белый металл имеет плотность 7,874 и температуру  плавления 1539С, небольшую твердость, относительно низкую прочность, но высокую пластичность. Примеси и легирующие элементы повышают прочность и твердость железа и понижают пластичность.

В твердом состоянии известны две полиморфные (аллотропические) модификации железа, обозначаемые ά-Fe и γ-Fe. Кристаллы ά-Fe с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба существуют от низких температур до 910 С и от 1392 Сдо температуры плавления железа. При дальнейшем нагреве γ-Fe вновь перекристаллизовывается  в ά-Fe. Изменения кристаллической решетки сопровождаются изменениями некоторых физических свойств железа. Например,  γ-Fe имеет несколько большую плотность по сравнению с ά-Fe равную 8 г/см3

До температуры 769 С  (точка Кюри) железо очень ферро- магнитно. При дальнейшем нагревании ферромагнетизм  исчезает. По этой причине железо в интервале 769-910 С иногда обозначают через β- модификацию. Однако основанием считать β-Fe за самостоятельную аллотропическую форму или фазу нет. 

В своих устойчивых химических соединениях железо двух - трехвалентно , что согласуется со строением внешних электронных оболочек  его атома. При взаимодействии с кислородом железо легко образует оксиды  FeO; Fe2O3  и Fe2O4 . Последний оксид - магнит- представляет собой феррит шпинельного типа, состав которого выражается формулой FeO*  Fe2O3 . Во влажном воздухе железо покрывается рыхлой ржавчиной состава Fe2O3* nH2O. Атмосферная коррозия уносит ежегодно 10% общего количества выплавляемых черных металлов, наносят огромный материальный ущерб  народному хозяйству.

При нагревании железо активно соединяется галогенами, серой, фосфором, углеродом, кремнием, мышьяком и многими другими химическими, а также с аммиаком. Оно легко растворяется в соляной и серной кислотах любой концентрации, а также в разбавленной азотной кислоте . Со многими металлами железо образует многочисленные сплавы с высокими значениями плотности, пластичности, износостойкости, коррозийной стойкости и многих других полезных свойств. Основным типом железных сплавов является железоуглеродистые сплавы. В зависимости от содержания в них углерода различают техническое железо, содержащие следы углерода,  стали (до 2%)и чугуны (> 2% С). Железоуглеродистых и других железных сплавов можно в широких пределах изменять легированием , термической и другими видами обработки. Углерод является неметаллическим  химическим элементом с плотностью 2,25 г/см3 и температурой плавления 3500 С. Для углерода установлено существования трех полиморфных разновидностей: аморфный углерод, графит и алмаз, устойчивых при различных величинах температуры и давления . Наиболее устойчивой модификации углерода является графит. Он кристаллизуется  в гексагональной слоистой структуре и имеет очень небольшую прочность.     

При взаимодействии друг другом железо и углерод в сплавах образует химическое соединение Fe3C - карбит  железа называемый обычно цементитом. Цементит содержет:,67 % углерода  и плавится при 1650 С . Он является самой твердой и прочной составляющей железоуглеродистых сплавов ;твердость его (НВ) 700-800. 

Сплавы системы Fe- C в зависимости от концентрации углерода и температуры состоят из нескольких структурных составляющих: феррита, аустенита, перлита, ледебурита, цементита, (первичного и вторичного) и графита. 

Феррит - твердый раствор углерода в  ά-Fe. Эта структура существует только в определенном интервале температур. Содержание углерода в феррите изменяется от 0,006% при нормальной температуре до 0,025% при 727 С. Феррит - самая мягкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Его твердость HB 80-100. 

Аустенит - твердый раствор углерода в γ-Fe с максимальным содержанием углерода 2,14% при температуре 1147 С и  08% при 727 С. При 727 С и низким содержании углерода аустенит превращается феррит, а при высоком - в цементит. Твердость аустенита  не превышает 170-220, но он обладает достаточно высокой прочностью, пластичностью и стойкостью против коррозии.

Перлит - эвтектическая смесь кристаллов феррита и цементита с  содержанием углерода 0,8%. Перлит образуется при температуре 727 С в результате разложения аустенита .  Различают два вида перлита: пластичный ( цементит в виде пластинок ) и зернистый (цементит в зернах ). Зернистый перлит тверже и прочнее пластичного и занимает по твердости промежуточное место между ферритом  и цементитом (200 - 220 по Бринеллю).  

Ледебурит - эвтектическая смесь, состоящая из аустенита и цементита и существующая в интервале 727-1147 С. Ниже 727 С аустенит превращается в перлит, и ледебурит состоит из смеси кристаллов перлита и цементита . Содержание углерода в ледебурите 4,3 % .

Графит- свободный углерод, выделяющийся из расплава в процессе кристаллизации в виде стабильной фазы или образующийся в результате распада неустойчивого при высокой температуре цементита по реакции  Fe3C↔3Fe + C. Процесс выделения углерода в свободном состоянии из железоуглеродистых сплавов называется их графитизацией.

На основные свойства железоуглеродистых сплавов -  физико  - химические, механические, технологические и эксплуатационные - кроме углерода существенное влияние оказывают технологические примеси  и легирующие компоненты, специально вводимые  в сплавы.

Технологические примеси попадают в чугуны и стали в процессе их получения из сырьевых  материалов. Наиболее часто в железоуглеродистых сплавах присутствует кремней, марганец, хром, фосфор, сера и газы (кислород, азот, водород ). Наиболее вредное влияние на свойства сталей оказывают  три последних вида примесей. Фосфор вызывает хладноломкость  - охрупчивание металла при понижение температуры. Присутствие серы , наоборот , к красноломкости - охрупчеванию  металла  при высоких температурах или его горячей деформации, что связано с расплавлением легкоплавких сульфидов, концентрирующихся на границах кристаллических зерен.   

Присутствие газовых компонентов ведет к образованию оксидов, гидридов или нитридов, негативно влияющих на механические свойства сплавов. Кроме того, уменьшение растворимости газов при охлаждении расплавов способствует образованию пористости и раковин в отливках и слитках, что снижает их эксплуатационные и технологические свойства.   

Легирование, как способ целенаправленного изменения свойства металлических материалов путем введения добавок с целью изменения  структуры  и свойств, позволило на базе железоуглеродистых сплавов создать большой сортамент сталей и чугунов.

Чугун - общие название большой группы сплавов на основе железа, содержащих > 2,2 % С, а также 0,3 - 5 % Si; до 1 % Mn; до 0,12 % S; до 0,2 % P, иногда легирующие  элементы (Al, Cr, Ni и др.). чугун является самым дешевым металлическим материалом. Различают передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный, применяющейся для изготовление отливок. Свойство литейных чугунов в значительной степени зависит от состояния углерода металлической матрицы .  В белом чугуне ( матово - белый цвет излома ) большая часть углерода находится форме цементита; такой чугун  очень хрупок и почти не применяется . В сером чугуне углерод в основном присутствует в форме пластичного графита. Обладая наибольшей прочностью и пластичностью, серый чугун легко обрабатывается резанием. Он успешно применяется для изготовления деталей и изделий. Работающих в условиях трения : поршни, тормозные барабаны шестерни и т т.д. 

Ковкий чугун содержит графитовые включения хлопьевидной формы. Он значительно прочнее и пластичнее серого чугуна. Ковкий чугун широко используется для изготовления ответственных деталей автомобилей ( задний мост, картер, ступицы, муфты, и т.д.), в сельскохозяйственном машиностроении. По свойствам занимает средние положение между серым чугуном и сталью, поэтому из него можно изготовить детали высокой прочности, хорошо воспринимающие ударные и переменные нагрузки  (тормозные колодки, цепи, храповики, звездочки приводных цепей и др.).  

Из легированных чугунов наиболее известны жаростойкие сплавы силал (5-6 % Si) выдерживают нагревание до 900 С и применяемые для изготовления дверок мартеновских печей колосников, деталей паровых котлов и т.д. , и  чугаль (19-25 % Al ). Чугаль устойчив при нагревание в атмосфере воздуха 1150 С, а серосодержащей среде до 1000 С; работоспособен также в HNO3 и в морской воде. Чугаль в применяют главным образом для изготовления печной арматуры, футеровочных  плит, камер сгорания газотурбинных установок и т.д.

Сталь - общее название группы сплавов на основе железа с содержанием 0,025- 2,4 % С. В нашей стране выпускается стали > 2000 марок. Они являются основным металлическим материалом в машино- , станко- , и приборостроении, строительстве, инструментальном производстве и практически во  всех других отраслях хозяйства. Стали классифицируются по химическому составу, назначению, качеству, способу получения и структуре слитка.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. К углеродистым сталям относят сплавы, содержащие обычно до 1,3 % С до 0,35 % Si, до 0,6 % Mn и ряд примесей. Легированные называют стали, в которых получения заданных свойств  вводятся специальные добавки.

В зависимости от количества введенных легирующих элементов стали подразделяются на низколегированные ( суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5 % ), среднелегированные (2,5-10 %) и высоколегированные (>10 %) . По основному легирующему компоненту стали называются хромистыми, никелевыми, хромоникелевыми, марганцовистыми, и др.

По назначению стали подразделяются на конструкционные (углеродистые и легированные), предназначены для изготовления металлических конструкций зданий, мостов и других сооружений, труб, деталей машин и механизмов,  железнодорожные (рельсовая, бандажная, осевая ит.д.), Инструментальные ( для изготовления режущего, штамповочного, кузнечного, измерительного и другого инструмента) и специальные. К последний группе относятся стали специального назначения: подшипниковые, высокопрочные, коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие, кислотостойкие, электротехнические, магнитные и др. По способу получения (выплавке) различают мартеновскую и конвертерную стали и электросталь.     

По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества ( σв =300 - 470 МПа), качественные и высококачественные (σв = до 1200 МПа) и особо высококачественные (σв = до 2000 МПа).

Структурную классификацию сталей проводят по двум признакам: кристаллической структуре, определяющейся содержанием углерода в сплаве и условиями его кристаллизации, и структуре слитка. По первому признаку стали подразделяются на доэвтектоидовые , эвтектоидовые (08 % С ), заэвтектоидовые, ледебуритные  (карбидные ), ферритные , аустенитные,  перлитные и мартенситные, а по второму на спокойную, полуспокойную и кипящую.

В производстве стали для раскисления  ( удаления кислорода и жидкого металла ) и легирования находят применение ферросплавы - сплавы из железа с другими элементами. Наиболее распространенные ферросилиций (9 -95 %  Si ), феррохром ( 27-40 % Ti), ферровольфрам ( 65-80 % W ), ферромолибден ( до 55 % Mo), феррониобий ( 30-75 % Nb), ферробор (5-20 % В) и д.р.   

Значительный интерес для современной техники представляют также целый ряд сплавов цветных металлов, в которых железо выступает в качестве легирующего компонента. В числе таких сплавов могут быть названы специальные литейные латуни, алюминиевая бронза, сплавы на алюминиевой ( включая дуралюмин) и никелевой основе (инвар, элинавр, пермаллой, ферронихром, мельхиор и т.д.)и многие другие.

© 2007 ООО Металл
Создание, веб дизайн, поддержка сайтов megagroup.ru