Железоуглеродистые сплавы

1. Выплавка стали и чугуна

Металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств:

1. шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов;
2. горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат — продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой;
3. коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую) перегонку при температуре около 1000°С (без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.;
4. энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна;
5. доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов;
6. заводов для производства различных ферросплавов;
7. сталеплавильных цехов — конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали;
8. прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.

Производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах — марганец и кремний; происходят науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, в мартеновских печах, в электрических печах. В них в ходе ряда происходящих химических реакций осуществляются избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

2. Устройство и работа доменной печи

Доменная печь — печь шахтного типа. Внутри она выложена огнеупорным кирпичом, сверху покрыта стальным кожухом. Высота домен составляет 60 м. Технологический процесс в домне автоматизирован. Применяется автоматизированная система управления технологическим процессом. Предусмотрено полное комплексное использование всех продуктов плавки.

Доменная печь состоит из пяти основных частей:

1. колошник,
2. шахта,
3. распар,
4. заплечики,
5. горн.

Колошник представляет собой систему конусов, которые создают условия для правильной загрузки материалов: руды, флюса и топлива.

В колошнике находятся газоотводные трубы, по ним уходит избыточный колошниковый газ, который в дальнейшем используется в качестве топлива. В шахте, распаре, заплечиках имеется система холодильников для охлаждения кладки печи. В горне расположены фурмы — устройства для вдувания в печь

нагретого воздуха, который поступает из воздухопровода. В нижней части горна имеется устройство для выпуска чугуна — чугунная летка — и выше ее — устройство для выпуска шлака. Большие доменные печи оборудованы 3–4 летками, этим достигается почти непрерывный процесс выпуска чугуна. Для подогрева воздуха до температуры 1200°С служат воздухонагреватели, которые, в свою очередь, обогреваются отходящими колошниковыми газами.

Процессы, происходящие в доменной печи, разделяются на периоды:

1. восстановление железа из его оксидов;
2. превращение железа в чугун;
3. шлакообразование.

Эти процессы протекают одновременно. Процесс получения чугуна заключается в следующем: шихтовые материалы (железная и марганцевая руда, топливо и флюсы) опускаются вниз, а навстречу им поднимаются газы. Они образуются при горении кокса. Горение начинается в области горна. Через фурменные отверстия раскаленный до температуры 1200°С воздух поступает в печь и на уровне фурм вступает в реакцию с углеродом кокса. При горении образуется углекислый газ. По мере продвижения газа вверх содержание кислорода уменьшается и окисление углерода становится неполным. В доменную печь вдувают также пар. Пар вступает в реакцию с коксом и окисляет его. Одновременно происходит разложение флюса — известняка.

3. Продукция черной металлургии

Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0…4,4% С; до 0,6…0,8% Si; до 0,25…1,0% Мn;

0,15…0,3% Р и 0,03…0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное (до 0,07%) содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75…3,25%).

Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9…13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70…75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10…25% Мn и до 2% Si.

Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки. Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем.

Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150  150 до 450  450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65…300 мм и шириной 600…1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы и сложной фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.). Листовой прокат различается по назначению и по толщине.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовными и сварными (спрямыми и спиральными швами).

4. Способы литья

Отливкой называют литую деталь или заготовку, полученную заливкой расплавленного металла (расплава) в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию детали или заготовки. Около 50% всех деталей в машинах и оборудовании изготовляют литьем. Литейную форму заливают жидким металлом через систему каналов, называемую литниковой системой. Расплав может заполнять литейную форму свободно или принудительно — под действием центробежных сил или внешнего давления.

Внутренние отверстия, каналы и полости в отливках образуются с помощью стержней, которые перед заливкой вставляют в полость литейной формы, а после кристаллизации отливки извлекают из нее. Формы и стержни могут быть разовыми — изготовляемыми из песчаных смесей, и постоянными — из металла или огнеупорных материалов.

Способы литья отливок можно разделить на две группы. К первой относят способы получения отливок в разовых формах, заполняемых расплавом однократно, после чего их разрушают для извлечения отливки (литье в песчаные сухие или сырые формы, литье в оболочковые формы и др.). Ко второй группе относят способы получения отливок в многократных металлических формах, заполняемых расплавом от нескольких сотен до десятков тысяч раз.

При выплавке литейных сплавов в плавильные печи загружают металлическую шихту, ферросплавы, лигатуры и флюсы. Металлическая шихта — слитки технически чистых металлов, лом, отходы производства. Лигатура — вспомогательный сплав, вводимый в расплавленный металл с целью восполнения угорающих в процессе плавки химических элементов. Например, для выплавки чугуна и стали лигатурой служат ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций и др.),

которые одновременно раскисляют металл. Флюсы служат для образования шлака с требуемыми физико-химическими свойствами. Шлак предохраняет в процессе плавки металл от окисления, служит для удаления неметаллических включений.

С целью улучшения свойств литейных сплавов после плавки в литейном раздаточном ковше производят модифицирование, легирование и рафинирование.

Модифицирование — введение в жидкий сплав сотых или десятых долей процента добавок-модификаторов. Легирование — введение в жидкий сплав различных добавок химических элементов для придания сплаву особых свойств за счет изменения его внутреннего строения. Рафинирование — очистка сплавов от ненужных и вредных примесей.

5. Влияние компонентов на свойства чугуна

Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержат легирующие элементы — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита. Чугуны имеют структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит, фосфидную эвтектику.

По микроструктуре чугуны делят на:

1. белый чугун, содержащий ледебуритный цементит и перлит;
2. серый перлитный чугун, содержащий перлит и графит;
3. серый ферритный чугун, содержащий феррит и графит. На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.

Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от 2,7 до 3,7%. Во всех случаях пределы содержания углерода

принимают: нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок. Марганец растворяется в чугуне, образуя цементит и твердые растворы с ферритом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5…0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8…1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками. Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1…0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5…0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна. Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С.

Легирующие элементы (Сr, Ni, Mo, Ti, Mn, Cu и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.

6. Белый и серый чугун

Серый и белый чугуны резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна. Серый чугун является литейным. Он поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом.

Свойства серого чугуна:

1. обладает хорошими литейными качествами;
2. хорошо обрабатывается резанием;
3. сопротивляется износу;
4. обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках.

Свойство гасить вибрации называют демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2–4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. В соответствии с ГОСТ 1412–85 выпускают следующие марки серых чугунов: СЧ 10 (143…229), СЧ 15 (163…229), СЧ 20 (170…241), СЧ 25 (180…250), СЧ 30 (181…255), СЧ 35 (197…269), СЧ 40 (207…285), СЧ 45 (229…289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита.

Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав около 5% кремния цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритноперлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными — серые чугуны на ферритной основе. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графита в виде пластинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.

7. Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную структуру, является разновидностью серого чугуна, модифицированного магнием. Модифицированием называется введение в жидкий сплав после его плавки добавок-модификаторов в сотых или десятых долях процента. Одновременно с ним в жидкий чугун вводят ферросилиций. В результате получают мелкие включения графита шаровидной формы. Этот чугун обладает повышенной прочностью по сравнению с обычными серыми чугунами.

В зависимости от предела прочности (σ_в) при растяжении и относительного удлинения (δ) высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293–85) разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НB): 1) ВЧ 38—17 (140…170);

2) ВЧ 42—12 (140…200);

3) ВЧ 45—5 (160…220);

4) ВЧ 50—2 (180…260);

5) ВЧ 60—2 (200…280);

6) ВЧ 70—3 (229…275);

7) ВЧ 80—3 (220…300);

8) ВЧ 100—4 (302…369).

Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют:

1. детали прокатных станов;
2. детали кузнечно-прессового оборудования;
3. детали паровых турбин (лопатки направляющего аппарата);
4. детали тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др.

Так, например, коленчатый вал легковой автомашины «Волга» изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4…3,6% С; 1,8…2,2% Si; 0,96…1,2% Мn; 0,16…0,30%

Сr; <0,01% S; <0,06% Р и 0,01…0,03 Mg. Низкое содержание серы и фосфора и большое количество примесей других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: σ_в = 620…650 МПа, δ = 8…12% и твердость НВ = 192…240.

Серый чугун повышенной прочности имеет перлитную основу и более мелкое, завихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифицированием чугуна.

8. Ковкий чугун

Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун.

Ферритные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных дуплекс-процессом и содержащих 2,4…2,8% С; 8…1,4% Si; 0,3…0,4% Мn; 0,08…0,1% S, < 0,2% Р. Отжиг белого чугуна состоит в медленном нагреве (20…25 ч) до температуры 950…1000°С и длительной выдержке (10…15 ч) при этой температуре. В процессе выдержки происходит первая стадия графитизации, заключающаяся в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита. К концу выдержки заканчивается первая стадия графитизации, и чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру снижают до 720…740°С и снова выдерживают чугун в течение 25…30 ч. В это время происходит вторая стадия графитизации, в процессе которой распадается цементит перлита. Ковкий ферритный чугун называют также черносердечным по виду излома, который из-за большого количества графитных включений в ферритной основе имеет темный матовый цвет.

Перлитные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных преимущественно в вагранках. Белый чугун для этого должен иметь следующий химический состав:

2,8…3,4% С; 0,5…0,8% Si; 0,4…0,5% Мn; 0,2% Р и 0,12% S. Для уменьшения содержания углерода отжиг выполняют в окислительной среде. Для этого отливки засыпают окалиной или измельченной железной рудой. Режим отжига состоит в нагреве до температуры примерно 1000°С, длительной выдержке при этой температуре и непрерывном медленном охлаждении до комнатной температуры. В изломе чугун получается светлым, и его называют светлосердечным.

В зависимости от предела прочности при растяжении (σ_в) и относительного удлинения (δ) ковкий чугун (ГОСТ 1215–79) разделяют на следующие марки: КЧ 30…6 (163), КЧ 33…8 (163),

КЧ 35…10 (163), КЧ 37…12 (163) — ферритные черносердечные и КЧ 45…6 (241), КЧ 50…4 (241), КЧ 56…4 (269), КЧ 60…3 (269), КЧ 63…2 (269) — перлитные светлосердечные.

Ковкий чугун применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа.

9. Чугуны со специальными свойствами

Чугуны со специальными свойствами используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме прочности, должна обладать специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т.п.). Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом. Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никелево-марганцовистый чугун, содержащий 7…10% Мn и 7…9% Ni, а также марганцево-медистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2…2,0% Сu.

Аустенитный чугун имеет высокие показатели по кислотостойкости, щелочестойкости и жаропрочности. Примерами этих чугунов являются нирезит, содержащий 14% Ni, 2% Cr, 7% Сu, и никросилал с 5% Si, 18% Ni, 2% Сr и др.

Жаростойкий чугун — чугаль — содержит 20% Аl.

Серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или феррита и перлита с пластинчатым графитом. Он обладает прочностью на растяжение 300 МПа и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обозначают наименование чугуна, а следующая за ними двузначная цифра — предел прочности на растяжение.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда — титана или меди. Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный немодифицированный чугун затвердевал в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы (ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др.) добавляют в количестве 0,1…0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Поскольку модификатора немного, его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо быстро разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10—15 мин.

К чугунам со специальными свойствами относят также ферросплавы — ферромарганец, ферросилиций и другие, предназначенные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.

10. Стали, их классификация

Сталь — основной материал, широко применяемый в машино и приборостроении, строительстве, а также для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и производится в больших количествах. Сталь обладает ценными механическими, физико-химическими и технологическими свойствами. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.

Классификация по химическому составу. Стали подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства которой, в основном, зависят от содержания углерода, называют углеродистой. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25…0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С). Легированной называют сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств.

Классификация по назначению. Стали делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами. Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Инструментальные стали подразделяют на стали для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Стали специального назначения — это нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по качеству. Стали делятся на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства.

Классификация по степени раскисления. Стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Нераскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена разрушению при горячей обработке давлением.

Классификация по структуре. Стали классифицируют в состоянии после отжига и нормализации. В отожженном (равновесном) состоянии стали подразделяют на:

1. доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный цементит;
2. эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;
3. заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита;
4. ледебуритные, в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды;
5. аустенитные;
6. ферритные.

11. Способы получения стали из чугуна

Основные способы получения стали следующие: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.

Конверторный способ основан на кислородно-конверторной плавке. Процесс состоит в продувке жидкого чугуна кислородом, подводимом сверху в конвертор. Конвертор покрыт стальным кожухом, внутри выложен огнеупорной кладкой. В нижней части конвертор имеет легкозаменяемое глухое дно. Конвертор покоится на стойках, он свободно поворачивается вокруг оси цапф, что необходимо для загрузки и взятия пробы, выпуска готовой стали. Процесс заключается в следующем:

1. загружают металлический лом;
2. заливают жидкий чугун;
3. переводят конвертор в вертикальное положение и загружают известь для удаления фосфора, находящегося в чугуне и руде;
4. опускают в водоохлаждаемую фурму;
5. подают кислород.

Начинается бурное окисление примесей чугуна. После продувки, которая продолжается 15—20 мин, конвертор наклоняют и берут пробу металла.

Мартеновский способ. Сталь в мартеновских печах выплавляется из переделанного чугуна, металлического лома, железной руды. В него вводят флюсы, главным образом известняк. Топливом служат газы: доменный, коксовальный, природный, а также мазут. Основной частью печи является рабочее пространство, ограниченное сверху сводом, снизу подом, задней и передней стенками, а с боковых сторон — головками. В передней стенке имеются завалочные окна, закрывающиеся заслонками. Через них загружают печь, берут пробы, наблюдают за процессом. В нижней части задней стенки расположены одно или два отверстия для выпуска шлака и одно — для выпуска стали. B головках печи имеются каналы, через которые в печь подают газ или мазут и воздух и отводят продукты горения. Мартеновский процесс состоит из трех этапов: плавления, кипения и раскисления.

Плавка в электрических печах является важнейшим способом получения стали высокого качества для производства важных деталей машин и инструментов. Она имеет ряд преимуществ перед мартеновской и кислородно-конверторной: электропечь быстро нагревается до заданной температуры (до 2000°С), легко регулировать тепловой процесс, изменяя количество электроэнергии, можно регулировать температуру в печи, можно создать окислительную или восстановительную атмосферу или даже вакуум.

12. Влияние углерода на свойства углеродистых сталей

В состав углеродистой стали входят железо, углерод, примеси (кремний, марганец, сера, фосфор, кислород, азот и др.). Сталь без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита, т.е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода.

Твердость цементита (HV 800) на порядок больше твердости феррита (HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость, т.е. с увеличением в стали содержания углерода происходят возрастание твердости металла, увеличение предела прочности, снижение ударной вязкости, уменьшение относительного удлинения и сужения.

На механические свойства заэвтектоидных сталей сильное влияние оказывает вторичный цементит, который образует хрупкий «каркас» вокруг зерен перлита. Этот «каркас» под нагрузкой преждевременно разрушается, что вызывает снижение прочности, пластичности и вязкости. Поэтому заэвтектоидные стали применяют после специального отжига, в результате которого получают в структуре зернистый перлит. Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводят к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и (в особенности) при холодной обработке давлением и ухудшает ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами. Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (это температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1% углерода.

13. Влияние постоянных примесей на свойства углеродистых сталей

Содержание кремния в углеродистой стали в виде примеси составляет обычно до 0,4%, а марганца — 0,5…0,8%. Кремний и марганец являются полезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали 0,2, что снижает способность стали к вытяжке.

Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сера является вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,06%. Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение — сульфид железа (FeS). При введении серы происходит охрупчивание, вызываемое оплавлением примесей по границам кристаллов. Явление красноломкости может проявляться при ковке или прокатке стали, когда вследствие красноломкости на деформируемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.

При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В затвердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости. Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенности пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации.

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.