Железоуглеродистые сплавы. Медь и ее сплавы

Чугун выпускается из печи через лётку, расположенную на дне лещади, по желобам в ковши, а шлак в специальные ковши через две шлаковые лётки.

В верхней части печи имеется малый конус засыпного аппарата, на который попадает шихта, при опускании его шихта попадает в чашу. Из чаши шихта попадает на большой конус, при опускании которого шихтовые материалы попадают в доменную печь, предотвращая при этом выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приёмная воронка после очередной загрузки поворачивается на угол кратный 60?.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь попадаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объём печи был заполнен. Полезный объём печи - это объём, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объём 2000…50000 м, полезная высота доменной печи достигает 35 м, это более, чем в тир раза превосходит диаметр её поперечного сечения.

Это позволяет доменной печи, работающей по принципу встречного движения материалов и газов, иметь более высокий коэффициент полезного использования тепла (до 85%).

Кладка лещади и горна выполняется из углеродистых блоков и высокоглинозёмистых кирпичей, а заплечики, распар и шахта - из шамотных кирпичей высшего качества.

Лещадь и горн заключены в мощный стальной кожух и интенсивно охлаждаются водой при помощи специальных холодильников, к которым подведены две водопроводные магистрали, из них одна находится в работе, а другая - в резерве.

Колошник футерован стальными неохлаждаемыми плитами, полости которых заполнены шамотным кирпичом. Купол печи футерован чугунными плитами.

1.2.1 Доменный процесс

Для успешного ведения доменного процесса необходимо соблюдать два основных условия:

1. количество тепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определённом месте и в определённое время;

2. образование шлака должно происходить только после окончания восстановления из руды железа и необходимых примесей.

Первое условие обеспечивается непрерывным движением в печи 2-х встречных потоков, поднимающих снизу вверх горячих газов от сгорания в горне топлива и опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся под действием тепла газов.

Второе условие обеспечивается подбором по тугоплавкости шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и др. примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вызвал расстройство в ходе процесса.

Доменный процесс начинается с горения топлива.

Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:

C+O=CO+Q (1)

Двуокись углерода (CO) встречает углерод раскаленного кокса и почти полностью разлагается:

CO+C=2CO-Q (2)

Одновременно с этим идёт реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:

HO+C = H+CO-Q (3)

В результате этих реакций вверх из горна идут газы, состоящие из CO, H.

Подготовительные процессы в загруженных шихтовых материалах начинают происходить в верхних горизонтах печи немедленно под влиянием температуры поднимающихся газов. Сначала при температуре 100…200?С испаряется гигроскопическая вода, а при 300…500?С кристаллизационная, при соприкосновении которой с окисью углерода газов и углеродом кокса колошниковые газы получают дополнительно CO, CO и H.

Восстановление железа из руды начинает происходить при помощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних горизонтах печи, где температура не высока, и постепенно усиливается при опускании вниз по мере повышения температуры примерно до 900C. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода, поэтому основное восстановление идёт за счёт окиси углерода и углерода кокса.

Восстановление окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато от высшего окисла железа к низшему в следующем порядке:

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe.

Протекают следующие реакции восстановления:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 (4)

Fe3O4 + CO = 3FeO CO2 (5)

FeO + CO = Fe + CO2 (6)

Основной реакцией считается реакция (6), т.к. конечным продуктом является металлическое железо и она называется реакцией косвенного восстановления железа, протекает при умеренных температурах (500…900C) с выделением тепла.

При более высоких температурах (выше 1000…1100C) в присутствии раскалённого кокса в доменной печи идёт восстановление железа при помощи углерода по реакции:

FeO + C = Fe + CO (7)

Эта реакция называется прямым восстановлением железа. Считается, что в доменной печи около 60…50% железа образуется по реакции (6), т.е. с помощью окиси углерода и 50…40% с помощью твёрдого углерода. Прямое восстановление железа происходит в районе распара доменной печи. Образующееся в доменной печи металлическое железо находится в твёрдом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет температуру плавления 1535C. В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 (8)

Температура его плавления понижается вплоть до 1150…1200C. Вследствие этого науглероженное железо (от 1,8 до 2 % C) переходит в жидкое состояние (расплавляется) и стекает по каплям между кусками раскалённого кокса на лещадь горна доменной печи.

Во время перемещения капелек металла происходит дополнительное насыщение железа углеродом примерно до 3,5…4 %, т.е. до обычного содержания углерода в жидком чугуне. Параллельно с процессом восстановления железа в доменной печи наблюдается восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые переходят в чугун.

Восстановление высших и средних окислов марганца до низшего окисла происходит ступенчато за счёт окиси углерода по схеме:

MnO2 Mn2O3 Mn3O4 MnO Mn

Закись марганца MnO трудно восстановимый низший окисел марганца, восстанавливается твёрдым углеродом по реакции:

MnO + C = Mn + CO (9)

Реакция сопровождается поглощением тепла и происходит при температурах выше 1100…1200C. Восстановление кремния из пустой породы происходит при температуре 1450C при помощи твёрдого углерода по реакции:

 SiO2+ 2C = Si + 2CO - Q (10)

В присутствии железа эта реакция начинается при температуре 1050C и требует поглощения меньшего количества тепла.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)3P2O5 и (CaO)3P2O5 и восстановление его в присутствии пустой породы железной руды совершается за счёт твёрдого углерода:

P2O5(CaO)4 + 5C + 2SiO2 = 2P + 2(CaO)2*SiO2 + 5CO (11)

и фосфат железа восстанавливается окисью углерода:

2Fe3(PO4)2 +16CO = 2Fe3P + 2P + 16CO2 (12)

Сера поступает в плавку с рудой, флюсом и коксом в виде сульфида железа. Часть серы улетучивается (от 10 до 60%), оставшаяся часть серы руды и кокса переходит в шлак и в металл. Для удаления серы в шлак необходимо иметь избыточное количество извести:

FeS + CaO = FeO +CAS + Q (13)

Образующееся сернистое железо вступает в реакцию с известью. Другой путь удаления серы из чугуна - это после выпуска из печи выдержке и при перевозках в ковшах наличие реакции взаимодействия сернистого железа с марганцем:

FeS + Mn = MnS + Fe +Q (14)

Никель подобно железу восстанавливается окисью углерода, твёрдым углеродом и водородом. Процесс восстановления начинается и заканчивается раньше восстановления железа.

Хром, никель, титан и ванадий принадлежат к числу трудно восстанавливаемых элементов и восстанавливаются только твёрдым углеродом при температуре выше 1250…1300C.

Шлакообразование, т.е. сплавление пустой породы руды с флюсом, начинается с образования наиболее лёгкоплавкого соединения из кремнезёма, глинозёма и извести. Это происходит в распаре при температуре около 1200C. При более высоких температурах он изменяет свой химический состав в связи с растворением в нём золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. Окончательный состав шлака находится в заплечиках и горне.

1.2.2 Продукты доменной плавки

Основным продуктом доменной плавки является чугун.

Расплавленный чугун через одну - две лётки по 10 - 18 раз в сутки выпускают из доменной печи. В ковшах - чугуновозах ёмкостью, 80…100 т, везут его по железнодорожным путам, попадают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. В первом случае чугун сливают в миксеры (копильники), ёмкостью до 2000 т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав и температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.

Разливочная машина представляет собой конвейер с укреплёнными на нём формами (мульдами); в них получают небольшие слитки - чугунные чушки (до 55 кг), которые направляют на другие заводы.

В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.

Передельные чугуны по ГОСТ 805-69 3-х видов:

1. коксовый М1, М2, М3, Б1, Б2;

2. фосфористый МФ1, МФ2, МФ3;

3. высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВК3.

По содержанию вредных примесей (P и S) чугуны делятся на классы (А,Б и т.д.) по фосфору и на категории (I, II и т.д.) по сере.

Наиболее распространены чугуны М1, М2, М3 содержат 3,8 - 4,4 % C, 0,5…1,5 % Si, 0,5…1,5 % Mn, 0,15…0,3 % P, 0,02…0,06 % S. Чугуны этих марок применяют для выплавки стали мартеновским и кислородно - конвер-

торным способом.

Чугуны марок Б1, Б2, содержащие фосфора 0,06 % (класс А) и серы 0,04%(категория III), используют для передела в сталь кислым процессом.

Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФ3 содержат 1…2 % P, их переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах.

Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей (например, класс А 0,02 % P, категория I - 0,015% S) и используют для выплавки качественных сталей в электродуговых печах и др.

Литейные чугуны ЛКО…ЛК5 применяют для получения литых деталей. В этих чугунах содержится до 3,75 % Si (ЛКО), 0,5…1,3 % Mn, 0,02..0,07 % S (категории I, II, III). Обычные литейные чугуны содержат 0,1…0,3 % P, для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% P.

Доменные ферросплавы: зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 содержат 10…25 % Mn, ферромарганец Мн6, Мн7 (70…75 % Mn), доменный ферро - силиций Си10, Си15 (9…13 % Si иногда и больше) и до 3 % Mn. Эти сплавы применяют при выплавке сталей для раскисления и легирования.

В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также природно-легированные чугуны, содержащие Cr, V, Ni и т.п.

Доменный процесс имеет также и побочные продукты: доменный шлак, доменный (колошниковый) газ, колошниковая пыль.

Доменный шлак - побочный продукт плавки и применяется для получения строительных материалов. Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: шлак выливают в воду и он превращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков, и т.д.

Доменный или колошниковый газ. При сгорании 1 т кокса выделяется примерно 5000 м3 газа. Таким образом, в крупных печах V = 3000…3200 м3 в сутки выделяется примерно 15…17 млн. м3 газа. Он содержит значительное количество горючих составляющих (26…32 % CO и до 4 % H2), его теплотво- рная способность примерно 850…950 кал / м3. после очистки от пыли (части- цы руды, флюса, кокса) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, в смеси с природным газом используют для отопления мартеновских и нагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45…50 % Fe и её используют при агломерации.

2. Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

Термической обработкой называют процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму, для направленного изменения структуры металла с целью получения необходимых эксплуатационных свойств.

2.1 Превращения в стали при нагревании

Нагрев стали при термической обработки используют для получения мелкозернистого аустенита.

Эвтектоидная сталь при нормальной температуре имеет структуру перлита. В процессе ее нагревания при температуре 727° С перлит превращается в аустенит.

В доэвтектоидных сталях (Ф+П) при дальнейшем нагревании происходит превращение феррита в аустенит, которое заканчивается при температуре 830°С.

У заэвтектоидных сталей (Ц+П) идет процесс растворения цементита в аустените, заканчивающийся при 940°С.

Образование аустенита обеспечивает перестройку -железа в -железо с растворением в нем углерода.

Для завершения диффузионных процессов и получения однородного аустенита сталь нагревают до температур на 30-50° выше критических (830°С, 940°С или 727°С) и выдерживают при этих температурах определенное время.

2.2 Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температуре 727°С. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, аустенит становится неустойчивым - начинается его превращение.

При медленном понижении температуры получается грубая смесь феррита и цементита, которая называется перлитом. Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом.

Если сталь нагретую до состояния аустенита охлаждать с большой скоростью, то будет переохлаждение аустенита с его распадом и образованием мелкозернистой ферритно-цементитной смеси. Чем больше скорость охлаждения, тем мельче ферритно-цементитная смесь. Образующиеся более мелкие, по сравнению с перлитом, структуры, имеют повышенную твердость и свое особое название.

При охлаждении стали на воздухе аустенит распадается с образованием сорбита. Его образование начинается при 600°С и заканчивается при 500°С. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.

При еще более низких температурах - 500-200°С - образуется троостит, обладающий еще большей дисперсностью. Сталь со структурой троостита имеет повышенную твердость, достаточную прочность, вязкость и пластичность.

По своему строению перлит, сорбит и троостит очень сходны. Все они являются механическими смесями феррита и цементита и отличаются лишь размерами пластинок феррита и цементита.

В случае очень высокой скорости охлаждения (в воде) удается полностью подавить диффузионные процессы, происходит только бездиффузионное превращение, которое называется мартенситом. Мартенсит отличается от сорбита и троостита и по структуре и по свойствам. Он представляет собой твердый раствор углерода в -железе, имеет игольчатое строение, обладает высокой твердостью, низкой пластичностью. Особенность его структуры объясняется тем, что при резком охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора аустенита в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Происходит только перестройка решетки -железа в решетку -железа. Атомы углерода остаются в решетке -железа (мартенсита) и поэтому сильно ее искажают.

При температурах, когда диффузия атомов железа сильно замедляется, а атомов углерода протекает сравнительно легко (скорость охлаждения выше, чем при образовании троостита, но недостаточна для получения мартенсита), происходит промежуточное - бейнитное - превращение, для которого характерны особенности как перлитного, так и мартенситного превращений. В результате промежуточного превращения образуется структура, состоящая из смеси -фазы, часто пресыщенной углеродом и карбида (цементита), которая называется бейнит, или игольчатый троостит.

2.3 Основные виды термической обработки стали

2.3.1 Отжиг стали

Отжиг стали - термическая обработка, включающая при полном отжиге нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30...50°С, выдержку при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев стали производится до температур выше нижних критических точек на 30...50°С, а при низкотемпературном отжиге - до температур, лежащих ниже нижних критических точек. При неполном и низкотемпературном отжигах происходит только частичная перекристаллизация. Структура стали после отжига образуется в полном соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов.

Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.

Разновидностями отжига сталей являются нормализационный и изотермический отжиги.

Нормализационный отжиг (нормализация) - вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до температуры на 30...50°С выше верхних, критических точек, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе. В результате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3% приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0,3...0,7% - сорбитную.

Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации в заэвтектоидных сталях устраняется цементитная сетка, поэтому ею часто заменяют полный или неполный отжиг при подготовке углеродистых сталей к механической обработке. Нормализация более производительный и экономичный процесс, чем отжиг.

Изотермический отжиг - вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве стали до температуры, на 30...50°С превышающей верхнюю критическую точку, выдержке при этой температуре, а затем переносят детали в другую печь с заданной температурой (ниже верхней критической точки) и изотермическую выдержку ее до полного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.

2.3.2 Закалка стали

Закалка стали - термическая обработка, включающая нагрев до температур выше верхних критических точек на 30...50°С, выдержку при этих температурах до полного прогрева металла и последующее очень быстрое его охлаждение. В результате закалки в стали из аустенита образуется мартенсит.

Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец процесса образования мартенсита происходит в области высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Прокаливаемость обыкновенной углеродистой стали распространяется на 5...7 мм.

Микроструктура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения). Закалка стали с содержанием углерода до 0,025...0,03% задерживает выделение третичного цементита по границам зерен и не меняет структуру феррита. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик.

Микроструктура стали с 0,08...0,15% С (с нагревом выше верхних критических точек и охлаждением в воде) представляет собой низкоуглеродистый мартенсит с выделениями феррита. Дальнейшее увеличение содержания углерода (0,15...0,25%) при тех же условиях закалки приводит к повышению твердости с 110...130 НВ до 140...180 НВ, а предел текучести возрастает на 30...50%. Наиболее значительное изменение свойств происходит при содержании углерода более 0,30...0,35%.

Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой мартенсит, кристаллы которого имеют характерную форму пластин (игл). При содержании углерода более 0,5...0,6% в микроструктуре сталей наблюдается незначительное (2...3%) количество аустенита.

Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита очень небольших размеров. Повышение температуры закалки вызывает растворение вторичного цементита и способствует росту зерна.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износостойкость поверхности при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины изделия, применяется поверхностная закалка, то есть закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергаются стали при содержании углерода более 0,3%. Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали и составляет от 1,5 до 15 мм (и выше). Площадь сечения закаленного слоя не должна превышать 20% площади всего сечения. В практике наиболее часто используют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).

Мартенситная структура стали после закалки метастабильна и для ее превращения в более устойчивую производят отпуск.

2.3.3 Отпуск стали

Отпуск стали - термическая обработка, включающая нагрев закаленной стали до температуры ниже критических точек, выдержка при этой температуре и охлаждение. В результате отпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки в результате диффузионного перераспределения углерода превращается в более устойчивые структуры - мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит отпуска имеет измененную кристаллическую решетку и его образование сопровождается объемными изменениями, выделением теплоты и частичным снятием внутренних напряжении. При более высокой температуре нагрева образуются троостит, сорбит и перлит отпуска, которые в отличие от получаемых из аустенита при непрерывном охлаждении имеют зернистую, а не пластинчатую микроструктуру. Стали с зернистой микроструктурой отпуска характеризуются более высокой пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием.

В зависимости от температуры отпуска различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) виды отпуска. Закалка на мартенсит с последующим высоким отпуском называется улучшением стали. Улучшение обеспечивает хороший комплекс свойств (прочность, ударная вязкость, твердость) и применяется для ответственных изделий из среднеуглеродистых сталей (коленчатые валы, шатуны и др. детали).

К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали относят трещины и деформацию. Трещины - неисправимый дефект, предупредить который можно конструктивном решением (избегать в изделии конструктивных элементов, которые могут стать концентраторами напряжений) и тщательным соблюдением режимов термообработки. Деформация, то есть изменение размеров и формы изделий, всегда сопровождает процессы термической обработки, особенно закалки. Несимметричную деформацию изделий в практике часто называют короблением (поводкой). Деформацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термической обработки, а избежать коробления - обеспечив равномерность нагрева под закалку и правильное положение детали при погружении в закалочную среду.

3. Медь и её сплавы. Область применения

3.1 Физические свойства

Металлы подгруппы меди, как и щелочные металлы, имеют по одному свободному электрону на один ион-атом металла. Казалось бы, эти металлы не должны особенно сильно отличатся от щелочных. Но они, в отличие от щелочных металлов, обладают довольно высокими температурами плавления. Большое различие в температурах плавления между металлами этих подгрупп объясняется тем, что между ион-атомами металлов подгруппы меди почти нет “зазоров” и они расположены более близко. Вследствие этого количество свободных электронов в единице объема, электронная плотность, у них больше. Следовательно, и прочность химической связи у них больше. Поэтому металлы подгруппы меди плавятся и кипят при более высоких температурах.

Металлы подгруппы меди обладают, по сравнению с щелочными металлами, обладают большей твердостью. Объясняется это увеличением электронной плотностью и отсутствием “зазоров” между ион-атомами.

Необходимо отметить, что твердость и прочность металлов зависят от правильности расположения ион-атомов в кристаллической решетке. В металлах, с которыми мы практически сталкиваемся, имеются различного рода нарушения правильного расположения ион-атомов, например пустоты в узлах кристаллической решетки. К тому же металл состоит из мелких кристалликов (кристаллитов), между которыми связь ослаблена. В Академии Наук СССР была получена медь без нарушения в кристаллической решетке. Для этого очень чистую медь возгоняли при высокой температуре в глубоком вакууме на глубокую подложку. Медь получалась в виде небольших ниточек - “усов”. Как оказалось такая медь в сто раз прочнее, чем обычная.

Чистая медь обладает и другой интересной особенностью. Красный цвет обусловлен следами растворенного в ней кислорода. Оказалось, что медь, многократно возогнанная в вакууме (при отсутствии кислорода), имеет желтоватый цвет. Медь в полированном состоянии обладает сильным блеском.

При повышении валентности понижается окраска меди, например CuCl - белый, Cu2O - красный, CuCl + H2O - голубой, CuO - черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем обусловлен интересный практический признак для поисков.

Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводимостью, чем и обусловлено её применение в электронике.

Медь кристаллизируется по типу централизованного куба (рис 3).

45

Страницы: 1, 2, 3