Углеродистые стали и чугун. Легирующие элементы и области применения специальных сталей и чугунов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Гродненский Государственный Университет имени Янки Купалы

Факультет инновационных технологий машиностроения

Кафедра материаловедения и ресурсосберегающих технологий

Реферат

По дисциплине: «Материаловедение»

На тему: «Углеродистые стали и чугун. Легирующие элементы и области применения специальных сталей и чугунов»

Гродно 2017

1. Углеродистые стали и чугун

Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14% углерода при малом содержании других элементов, называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.

Углеродистые (нелегированные) стали являются наиболее дешевыми сталями и составляют около 80% объема продукции черной металлургии. Эти стали выплавляются различными способами в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах, что определяет содержание примесей и качество.

Наилучшими свойствами обладает электросталь, более чистая по содержанию вредных примесей -- серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Она идет на изготовление более ответственных деталей.

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита. При содержании до 0,8%, сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8%, в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит.

Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность стали.

Рост прочности происходит до 0,8-1,0% углерода. При увеличении содержания углерода более 0,8% уменьшается не только пластичность, но и прочность. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине за эвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии.

Лучше всего обрабатываются резанием среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3-0,4% С. Низкоуглеродистые стали при механической обработке дают плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что снижает стойкость инструмента.

Чугуны -- это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают предельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому.

Чугуны, в зависимости от того, в каком состоянии находится в них углерод, подразделяются на белые и графитные. В белых чугунах углерод находится преимущественно в связанном состоянии, т.е. в виде цементита - химического соединения Fe3C. Из-за цементита эти чугуны выглядят на изломе белыми, блестящими. Они отличаются повышенной хрупкостью и твёрдостью. Их структуру отражает метастабильная диаграмма состояния «железо-цементит». По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектические чугуны содержат от 2,14 до 4,3% углерода и состоят из зёрен перлита, вторичного цементита и ледебурита. Эвтектические чугуны содержат 4,3% углерода и состоят из зёрен ледебурита, т.е. механической смеси перлита с цементитом. Заэвтектические белые чугуны содержат более 4,3% углерода и в структуре, помимо ледебурита, обнаруживают кристаллы первичного цементита.

В графитных чугунах углерод находится преимущественно в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Графитные чугуны отличаются от белых чугунов меньшей твердостью и прочностью. Структуру этих чугунов отражает стабильная диаграмма состояния «железо-графит».

Графитные включения в чугунах могут иметь либо пластинчатую, либо шаровидную, либо хлопьевидную форму. Чугуны с пластинчатой формой графитных включений называют серыми, с шаровидной - высокопрочными, с хлопьевидной - ковкими.

Графитные включения располагаются в некоторой металлической матрице, которая может быть либо ферритной, либо перлитной, либо феррито-перлитной. Таким образом, структура графитных чугунов напоминает структуру доэвтектоидных либо эвтектоидных сталей, но с графитными включениями различной формы.

Графитные включения имеют малую прочность, твердость и снижают прочностные характеристики материала. Преимущественно по этим включениям происходит разрушение чугунов. При нагружении чугунов графитные включения играют роль концентратов напряжений. Наилучшими концентратами напряжений являются относительно «острые» включения пластинчатой формы, а наихудшими - включения шаровидной формы. По этой причине серые чугуны имеют меньшую прочность, чем высокопрочные чугуны. Ковкие чугуны занимают в этом ряду промежуточное положение.

Графитные включения играют не только отрицательную роль. Благодаря смазывающему эффекту графита у графитных чугунов отмечаются хорошие антифрикционные свойства и они хорошо работают в паре трения. Графитные чугуны хорошо гасят удары и вибрации и поэтому используются для изготовления станин различных молотов, прессов и станков. Кроме того, графитные чугуны имеют высокие литейные характеристики.

Серые чугуны получают при медленном охлаждении жидкого расплава, содержащего достаточное количество кремния. Серый чугун обычно используют как литейный сплав.

Высокопрочный чугун получают путём модифицирования жидкого расплава, т.е. введения в него магния, алюминия и кальция. Такой чугун применяют для изготовления зубчатых колес и валов.

Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна посредством его длительного графитизирующего отжига (томления). При температурах выдержки белого чугуна свыше 950 °С происходит распад цементита, содержащегося в чугуне, на феррит и графит. При этом образующиеся включения графита приобретают хлопьевидную форму.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами. Первая группа цифр означает предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм2, а вторая - предел прочности на изгиб.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, означающими предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм2.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ и цифрами. Первая группа цифр означает предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм2, а вторая - относительное удлинение в%.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают:

1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8% С, структура которой состоит из феррита и перлита;

2) эвтектоидную, содержащую около 0,8% С, структура которой состоит только из перлита;

3) заэвтектоидную, содержащую 0,8-2,14% С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящая сталь наиболее дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Пониженное содержание кремния и марганца обусловливает меньшую прочность и большую пластичность, чем у спокойной стали. Недостатками кипящей стали являются развитая ликвация, в головной части слитка неоднородность содержания углерода достигает 400%, серы -- 900% от их среднего содержания. В спокойной стали неоднородность содержания углерода лишь на 60%, а по сере на 110% превышает их среднее содержание в стали. Прокат из кипящей стали более неоднороден по химическому составу, чем прокат из спокойной стали. Листы и профили, изготовленные из разных частей слитка, различаются по содержанию углерода, серы и фосфора. Поэтому прокат из кипящей стали характеризуется неоднородностью структуры и механических свойств даже для металла одной плавки. В среднем кипящая сталь содержит около 0,02% кислорода, что в несколько раз больше, чем у спокойной стали. Хладостойкость кипящей стали понижена, в среднем Т₅₀ у нее на 10-20 °С выше по сравнению с Т₅₀ для спокойной стали. Пониженное сопротивление хрупкому разрушению особенно характерно для проката значительной толщины (14-20 мм и более) из кипящей стали.

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали.

Но при затвердевании спокойной стали в изложницах образуется большая усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию слитка (12-16% по массе). Вследствие этих потерь, а также дополнительных расходов, в том числе на ферросплавы и алюминий для раскисления, спокойная сталь дороже кипящей.

Существует сталь с промежуточной степенью раскисления -- полуспокойная. В отличие от кипящей она обрабатывается перед разливкой небольшим количеством раскислителей.

По однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, по сопротивлению хрупкому разрушению и прочностным показателям прокат из полуспокойной стали уступает прокату из спокойной стали и занимает между ним и прокатом из кипящей стали промежуточное положение. Основным преимуществом кипящей стали является высокий (более 95%) выход годного. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше кремнием, выход годного составляет около 90%. Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат С ? 0,49% и выпускаются трех разновидностей в зависимости от технологии раскисления: кипящие с С ? 0,27% (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп и Ст4кп); полуспокойные (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс и Ст6пс); спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп и Ст6сп). К этим сталям относятся также стали Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс с Mn = 0,8-1,10% (в стали Ст5Гпс допускается Mn = 0,8-1,20%). Эти стали имеют повышенную прочность по сравнению с прочностью сталей Ст3пс, Ст3сп и Ст5пс.

2. Легирующие элементы и области применения специальных сталей и чугунов

Легирующие элементы - химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают механические, физические и химические свойства основного материала.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Влияние отдельных легирующих элементов на свойства стали сводится в основном к следующему:

- Марганец повышает прочность, и твердость стали, увеличивает прокаливаемость, уменьшает коробление при закалке, повышает режущие свойства стали, но вместе, с тем способствует росту зерна при нагреве, чем снижает стойкость стали к ударным нагрузкам.

- Хром затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание. При значительных количествах хрома сталь становится нержавеющей и жаростойкой.

- Кремний значительно повышает упругие свойства стали, но несколько снижает ударную вязкость.

- Никель повышает упругие свойства стали, не снижая вязкости, противодействует росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства стали. При значительных количествах никеля сталь становится немагнитной, коррозионностойкой и жаропрочной.

- Молибден противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали вследствие образования карбидов, уменьшает склонность стали к хрупкости при отпуске, повышает жаростойкость стали.

- Кобальт повышает прочность стали при ударных нагрузках, улучшает жаропрочность и магнитные свойства стали.

- Вольфрам, так же как и молибден, повышает твердость и режущие свойства стали, уменьшает рост зерен при нагреве, повышает жаростойкость.

- Ванадий способствует раскислению стали, противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали.

- Титан является раскислителем стали, способствуя также удалению из нее азота, благодаря чему сталь получается более плотной, однородной и жаропрочной.

Области применения специальных сталей.

Стали специального назначения благодаря своим уникальным свойствам находят широкое применение в электроэнергетике, станкостроении, машиностроении, медицине и здравоохранение, а также в создании различных агрегатов и устройств для нужд автомобильной, химической и авиационно-космической промышленности.

Конструкционные легированные стали (12ХН3А, 20ХН3А, 38Х2МЮА, 30ХГСА, 18ХГТ и др.) - применяются для производства ответственных и улучшаемых деталей (втулки, пальцы, валки, шестерни и т.д.), как правило, работающих в условиях износа, при трении, при повышенных температурах.

Конструкционные подшипниковые стали (ШХ15, ШХ15СГ) - применяются для производства элементов подшипников, плунжеров, клапанов и других деталей от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Конструкционные рессорно-пружинные стали (65, 70, 65Г, 60С2А и др.) - применяются для производства рессор, пружин, фрикционных дисков, упорных шайб и других деталей, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость; работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок.

Инструментальные углеродистые стали (У7А, У8А, У10А, У12А и др.) - применяются для изготовления инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, пил, долот и т.д.

Инструментальные легированные стали (9ХС, ХВГ) - применяются для изготовления сверл, метчиков, фрез, а также ответственных деталей, материал которых должен обладать повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении, а также упругими свойствами.

Инструментальные штамповые стали (4Х5МФС, Х12МФ, Х12Ф1, 6ХВГ, 5ХНМ и др.) - применяются для изготовления профилировочных роликов, матриц, вырубных и просечных штампов, пуансонов, инструмента, работающего с повышенными ударными нагрузками.

Инструментальные быстрорежущие стали (Р6М5, Р6М5К5, Р18, Р9, Р9М4К8 и др.) - применяются для изготовления режущих инструментов, применяемых для обработки углеродистых, легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов.

Инструментальные валковые стали (9Х2, 75ХМ, 45ХНМ,75ХМФ и др.) - применяются для производства рабочих и опорных валков прокатных станов, для холодной и горячей прокатки металлов.

Легированный чугун -- чугун, в состав которого наряду с обычными компонентами специально введены легирующие элементы, придающие ему прочность, износостойкость, жароупорность, коррозионную стойкость, немагнитность. углерод сталь химический чугун

В зависимости от уровня легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов меньше 2,5%), среднелегированные (2,5-10%), высоколегированные (больше 10%) чугуны. Низколегированные чугуны имеют перлитную или бейнитную структуру, среднелегированные -- мартенситную структуру, высоколегированные - аустенитную или ферритную структуры. Процесс легирования чугунов в целом аналогичен процессу легирования сталей. Однако легирование чугунов усложняется тем, что каждый легирующий элемент необходимо рассматривать применительно к его графитизирующему или отбеливающему действию. В практике производства чугунного литья в качестве легирующих элементов используют Cr, Ni, Ti, V, W, Mg, Cu, Mn, Si, Al и ряд других. Помимо этого, в силу сравнительно низкой температуры разливки чугуна, существуют значительные трудности с растворением легирующих сплавов, имеющих температуру плавления выше, чем температура чугуна в ковше.

Легированные чугуны классифицируют обычно по химическому признаку (алюминиевый, никелевый, хромистый чугун). Алюминиевый чугун содержит от 0,6 до 31% алюминия; обладает повышенной прочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью. В зависимости от содержания алюминия и углерода он может кристаллизоваться без выделения графита в структуре и с выделением пластинчатого графита, а при модифицировании -- с выделением шаровидного графита. Алюминиевый чугун используется как жаростойкий материал для работы в агрессивных средах при повышенных температурах. Из него изготавливают детали термических печей, аппаратов химического оборудования, газовых двигателей. Белый чугун, легированный ванадием с целью повышения механических свойств, называют ванадиевым чугуном. Он содержит 3,5-12% ванадия. Эффективно совместное легирование белого чугуна ванадием с добавками никеля, хрома, меди, марганца.

Кремнистый чугун легирован кремнием (до 18-20%); при концентрации кремния больше 20% становится очень хрупким. В окислительных средах на поверхности изделий из кремнистых чугунов образуется прочная защитная пленка SiO2. Она способна восстанавливаться даже при механических повреждениях. Кремнистые чугуны относятся к легированным чугунам специального назначения, способным работать в агрессивных средах, в том числе при высоких температурах. Для повышения кислотостойкости в кремнистые чугуны добавляют 3,5-4,5% молибдена. Изделия из кремнистых чугунов изготовляются из-за их высокой твердости только литьем, без последующей механической обработки. Из них делают центробежные насосы для перекачки агрессивных сред, детали распылителей кислот, краны, котлы, чаны для транспортировки и хранения сильноокисляющих сред.

Марганцовый чугун или ферроманган (ферромарганец), содержит до 7,5% углерода и 30-80% марганца, используется как присадка при получении литого железа (стали), для удаления кислорода, поглощенного во время процесса. Никелевый чугун содержит от 0,3-0,7 до 19-21% никеля. Форма графитовых выделений в структуре никелевого чугуна (пластинчатая или шаровидная) зависит от содержания никеля. Hикелевые чугуны коррозионностойки, жаропрочны, хладостойки; применяются для изготовления деталей, работающих в морской воде. Хромистый чугун содержит до 32% хрома; жаростоек, коррозионностоек, износостоек, в том числе в условиях ударного абразивного изнашивания материала. Легированные чугуны дешевле нержавеющих сталей, обладают хорошими литейными свойствами, поэтому изделия из них получаются экономичными.

Области применения чугуна.

Чугун широко используется при производстве изделий различного назначения. Главные качества чугуна - дешевизна, хорошие литейные качества, прочность и твёрдость.

Чугун используется там, где необходимо получить детали сложной формы и достаточной прочности. Например - станины станков, корпусные детали или художественные чугунные ограды.

В автомобильной промышленности из чугуна получают блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания (на современном производстве используют чугун с вермикулярным графитом), а также коленчатые валы дизельных двигателей.

Чугун широко используется в сантехническом оборудовании - из чугуна делают ванные, раковины и кухонные мойки, а также отопительные радиаторы, трубы и фитинги.

Например, ванные из чугуна очень ценятся знатоками за их надёжность, прочность и неприхотливость в эксплуатации. Такие ванные могут служить десятилетиями, сохраняя первоначальный вид без изменений.

Размещено на Allbest.ru