Черные металлы получаются из железной руды, которая представляет собой окислы железа, смешанные с пустой породой (земля, песок, глина, известняк и др.). Содержание железа в руде, подвергающейся переработке, колеблется в пределах 48—72%.
Чугун
Чугун — сплав железа с углеродом. Содержание углерода в чугуне от 1,7 до 6,7%. Однако практическое применение имеют чугуны с содержанием углерода 3,5—4,5%.
Кроме углерода, в чугуне всегда содержатся примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Кремний способствует образованию в чугуне свободного углерода в виде графита, вследствие чего при плавке получается серый чугун.
Марганец препятствует выделению графита и удерживает углерод в химически связанном состоянии с железом; поэтому при определенном содержании марганца получается белый чугун.
Сера — вредная примесь, так как придает чугуну густоплавкость, а в отливках образует раковины; кроме того, сера придает металлу хрупкость в нагретом состоянии.
Фосфор в небольших количествах (0,2—0,3%) необходим, особенно в литейном чугуне, так как сообщает чугуну жидкоплавкость. Наряду с этим фосфор делает чугун хрупким и ломким в холодном состоянии. Фосфористые чугуны с большим содержанием фосфора хорошо заполняют формы и поэтому применяются для художественного литья.
Основные сорта чугунов:
- серый
- белый
- ковкий
- легированный
Серый чугун — жидкоплавкий, хорошо заполняет формы, при затвердевании дает малую усадку, легко обрабатывается резанием. При нагревании сохраняет свою твердость до температуры плавления, а затем быстро переходит в жидкое состояние. Применяется для отливки блоков цилиндров, поршневых колец, маховиков, ведущих дисков сцепления, картеров коробок передач и др.
Белый чугун (передельный) — густоплавкий, хрупкий и настолько твердый, что трудно поддается обработке резанием. Перерабатывается в сталь и применяется для изготовления ковкого чугуна.
Ковкий чугун по своим свойствам занимает среднее место между чугуном и сталью. Допускает при правке небольшие изгибы, но никогда не куется. Изделия из ковкого чугуна получаются путем отливки их из белого чугуна с последующим длительным отжигом в течение нескольких десятков часов при 950—1000°. Отливки из белого чугуна можно отжигать в нейтральной среде (песок, шлак) или в окисленной среде (окалина, красный железняк).
В первом случае углерод отделяется от железа в виде очень мелких включений, остающихся в сплаве, а во втором — значительное количество отделившегося углерода выгорает. После этого чугун становится менее хрупким и хорошо поддается механической обработке. Из ковкого чугуна изготовляют шкивы вентиляторов, педали сцепления и тормоза, ступицы колес, детали заднего моста и др.
Легированный чугун представляет собой обычный серый чугун, в котором содержатся специальные примеси других металлов: хром, никель, молибден, ванадий, медь и др. Эти примеси повышают механические свойства чугуна, стойкость против коррозии, обгорания и истирания. Из легированного чугуна изготовляют блоки цилиндров, гильзы блоков, головки блоков двигателей, седла выпускных клапанов и другие ответственные детали.
Сталь
Сталь получается из белого чугуна путем снижения в нем содержания углерода до 0,05—1,7%.
Кроме углерода, в состав стали входят:
- сера
- фосфор
- кремний
- марганец
- хром
- вольфрам
- ванадий
- никель
- кобальт
- и др.
Сера — вредная примесь, придает стали красноломкость, т. е. хрупкость при красном калении; содержание серы в стали не должно превышать 0,03—0,05%.
Фосфор — вредная примесь, придает стали хладноломкость, т. е. хрупкость в холодном состоянии; допустимое содержание фосфора в стали 0,02—0,06%.
Кремний увеличивает упругость и вязкость стали; нормальное содержание кремния 0,15—0,4%.
Марганец увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию, но препятствует науглероживанию ее при цементации; нормальное содержание марганца до 0,8%.
Хром увеличивает твердость, но уменьшает вязкость; содержание хрома выше 15% делает сталь нержавеющей.
Вольфрам придает стали твердость, упругость и вязкость, а также способность закаливаться на воздухе, если содержание вольфрама в ней более 4%.
Ванадий увеличивает крепость, вязкость и упругость стали.
Никель придает стали вязкость.
Кобальт повышает твердость стали.
Основные свойства стали — прочность, твердость, упругость, ковкость, свариваемость и способность закаливаться. Чем больше сталь содержит углерода, тем выше ее прочность, твердость, упругость и способность закаливаться и тем ниже ковкость и свариваемость.
По химическому составу стали делятся на две группы:
- углеродистые, в которых главной примесью к железу является углерод
- специальные, или легированные, в которых, кроме углерода, содержатся специальные примеси — хром, вольфрам, никель, ванадий и др.
По назначению стали делятся на:
- инструментальные
- конструкционные
Для того, чтобы правильно применять тот или иной сорт стали и подвергать ее правильной термической обработке, сталь маркируют.
Инструментальная обыкновенная углеродистая сталь обозначается буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента. Ндпример: У7, У8, У9, У10, У12 й У13, где цифры соответственно обозначают 0,7; 0,8, 0,9; 1,0; 1,2 и 1,3% углерода.
Инструментальная высококачественная углеродистая сталь, содержащая не более 0,02% серы и 0,03% фосфора, имеет маркировку с добавлением буквы А, например, У7А, У8А и т. д.
Инструментальные стали применяются для изготовления различных слесарных и других инструментов.
Конструкционная качественная углеродистая сталь с нормальным содержанием марганца (до 0;8%) применяется для изготовления автомобильных деталей и обозначается цифрами: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 и 50, которые указывают содержание углерода в сотых долях процента.
Стали с повышенным содержанием марганца (от 0,8 до 1,8%) имеют обозначения: 15Г, 45Г2, 50Г, 50Г2, 60Г и 65Г, где двузначное число показывает содержание углерода в сотых долях процента, а цифра после буквы Г — примерное содержание марганца в процентах, если оно более 1 %.
Конструкционная легированная сталь, применяемая для изготовления автомобильных ответственных деталей, содержит специальные примеси (хром, вольфрам, никель, ванадий и др.), повышающие механические и физические свойства стали.
Конструкционная легированная сталь обозначается буквой, определяющей название специальной примеси, например:
- X — хром
- ХН — хром и никель
- Ф — ванадий
- М — молибден
- В — вольфрам
- Г — марганец
- Д — медь
- С — кремний
- Т — титан
Цифры впереди буквы обозначают содержание углерода в сотых долях процента, а цифра после буквы — содержание специальной примеси в целых процентах, если это содержание превышает 1%.
Например, хромоникелевая сталь марки 12Х2Н4 содержит 0,12% углерода, 2% хрома и 4% никеля; хромистая сталь 40Х содержит 0,40% углерода и до 1% хрома.
Для изготовления режущих инструментов применяют специальные быстрорежущие стали.
Быстрорежущая сталь обладает красностойкостью, т. е. не теряет твердости при красном калении. Состав этой стали следующий: 0,6% углерода, 3—6%: хрома, 15—18% вольфрама и остальное железо.
При отсутствии маркировки стали сорт ее может быть с достаточной точностью определен по искре на наждачном точиле.
Рис. Определение сорта стали по искре.
На рисунке показано, как можно определить сорт стали по искре:
- а — мягкая углеродистая сталь, содержащая до 0,2% углерода; искры, длинные, светлые, по концам две небольшие капли;
- б — углеродистая сталь с содержанием 0,5% углерода; цвет искры желтый, от первой капли отделяются новые искры;
- в — сталь, содержащая до 0,8% углерода, от первой капли отделяются целые пучки искр светложелтого цвета;
- г — марганцовистая сталь (10—14% марганца); от первой капли отделяются пучки со звездочками блестящего бело-желтого цвета;
- д — хромистая сталь; искры со звездочками красноватого цвета;
- е — вольфрамовая сталь; искры темнокрасные, прерывистые, имеющие на концах светлые капли;
- ж — хромоникелевая сталь; искры желтого цвета.
Для более точного определения стали по искре ее следует испытывать одновременно с другой, уже известной сталью.