Черные металлы. Чугун и сталь: Состав, примеси, свойства

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

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

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.

Определение сорта стали по искре

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.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.