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.

Страницы: 1, 2