конспект урока на тему: "Черные сплавы"

Чёрные сплавы

Чёрными сплавами или чёрными металлами условно называют железо и его сплавы - чугуны, стали, иногда и ферросплавы. Остальные металлы и сплавы, в отличие от чёрных металлов и сплавов, называют цветными.

Чёрные сплавы, они же железоуглеродистые сплавы - стали и чугуны - являются важнейшими металлическими сплавами современной техники. Производство чугуна и стали по объёму во много раз превосходит производство всех других металлов вместе взятых. Рассмотрим, для примера, сталь: согласно данным журнала "Национальная металлургия" потребление стали в среднем составляет около полутонны стали в год на одного человека. Основное представление о строении железоуглеродистых сплавов даёт широко известная диаграмма состояний железо-углерод.

Принято называть чугунами железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2%C (2,14%), а сталями, соответственно - менее 2%C.

Ферросплавы - это вспомогательные материалы, применяемые для обработки сталей и чугунов. 

Сталь.

Сталь — сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Как и чугун, сталь имеет примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Основное отличие стали от чугуна — это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей. Сталь получают переплавкой металлолома или из передельного чугуна. Процесс получения стали из чугуна сводится к удалению излишнего углерода и понижению количества входящих в чугун примесей. В зависимости от химического состава стали делятся на углеродистые и легированные.

Роль кремния в различных видах стали.

В состав углеродистой стали кроме углерода входит небольшое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Кремний является одним из основных раскислителей, которые применяют при выплавке сталей. Поэтому содержание кремния задает тип произведенной стали. Спокойные углеродистые стали могут содержать кремния до максимум 0,60 %. Полуспокойные стали могут содержать умеренные количества кремния, например, 0,10 %.

Кремний полностью растворяется в феррите при содержании кремния до 0,30 %. Он увеличивает прочность феррита, почти не снижая его пластичности. При содержании кремния выше 0,40 % в углеродистой стали общего назначения происходит существенное снижение пластичности.

В комбинации с марганцем или молибденом кремний обеспечивает более высокую закаливаемость стали. Добавление кремния в хромоникелевые аустенитные стали повышает их стойкость к коррозии под напряжением. В термически упрочняемых сталях кремний является важным легирующим элементом, повышает способность сталей к термическому упрочнению и их износостойкость, увеличивает предел упругости и предел текучести. Кремний не образует карбидов и не содержит цементита или других карбидов. Он растворяется в мартенсите и замедляет распад легированного мартенсита до 300 °С.

Чугун.

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% (точка предельной растворимости углерода ваустените на диаграмме состояний): меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Влияние кремния на структуру и свойства чугунов

При содержании 5,6 % Si чугун практически имеет однофазную ферритную матрицу и поэтому отличается высокой ростоустойчивостью. Окалиностойкость кремнистого чугуна связана с образованием в поверхностном слое наряду с оксидами железа и оксидов кремния SiO₂. Эта пленка имеет плотную структуру при незначительной толщине.

По своему воздействию на окалиностойкость и ростоустойчивость чугуна кремний непостоянен. Присутствие в белых чугунах даже незначительного ко­личества кремния резко понижает их ростоустойчивость и окалиностойкость. Не в меньшей степени вредное дей­ствие повышенных концентраций кремния отмечается и в обычных серых чугунах. Однако при достаточно вы­соком содержании кремния ( 5,0 %) стойкость чугуна против окисления и роста резко повышается.

Первым благоприятным результатом действия высо­ких концентраций кремния на окалиностойкость и ростоустойчивость чугуна является получение стабильной структуры графит + феррит легированный кремнием. Благодаря этому при дальнейшем нагреве исключаются процессы графитизации и связанные с ними рост и окисление.

По мере увеличения содержания кремния повышают­ся критические точки чугуна. Так, при 6 % Si точка Ас₁, лежит около 950 °С, а при 7% Si повы­шается до 1000 °С. Протекание аллотропических пре­вращений и связанное с этим возникновение внутренних напряжений приводят при высокой температуре, т. е. в об­ласти повышенной пластичности, и поэтому не могут вызвать разрушения чугуна.

Наконец, кремний, входя в твердый раствор, повыша­ет температуру образования вюститной фазы, т. е. уве­личивается стойкость металлической основы против окисления.

При наличии шаровидной формы графита фактичес­кую стойкость кремнистого чугуна определяет окалино­стойкость его металлической основы. Увеличение содер­жания кремния как в обычных, так и в высокопрочных чугунах с шаровидным графитом приводит к повыше­нию их ростоустойчивости.

Улучшение ростоустойчивости чугунов с повышением концентрации кремния следует отнести главным образом за счет увеличения стойкости металлической основы против окисления.

Ростоустойчивость нелегированного высоко­прочного чугуна с шаровидным графитом мало отлича­ется от ростоустойчивости высококремнистого чугуна с пластинчатым графитом при содержании более 10 % Si. При таких концентрациях кремния в обычных чугунах высокая стойкость металлической основы против окис­ления в какой-то степени парализуется грубыми включе­ниями графита и наличием раковин.

По этой же причине шаровидная форма графита (вместо пластинчатой) обеспечивает относительно высокую ростоустойчивость даже для высокопрочного чугуна исходного состава.

Присадка в чугун с шаровидным графитом относи­тельно небольших количеств кремния (4,0 - 5,0 %) замет­но уменьшает рост и окисление чугуна в силу ограниче­ния процесса графитизации и повышения стойкости против окисления основной металлической массы. В самом деле, ростоустойчивость высокопрочного чугуна с 4 – 5 % кремния почти в пять раз, а окалиностойкость в 8 раз выше, чем у такого же чугуна, но с пластинчатым графитом. Следует заметить также, что наиболее резкое повышение окалиностойкости и ростоустойчивости чугу­нов с шаровидным графитом происходит при изменения содержания кремния в пределах от 5,5 до 6,5 %. При дальнейшем увеличении концентрации кремния в чугуне отмечается лишь общая тенденция к повышению указан­ных характеристик.

Лучшие результаты испытания на окалиностойкость и ростоустойчивость были получены в чугунах, содержа­щих 12 % кремния, т. е. в высокопрочных ферросилидах с шаровидным графитом.

Легирование кремнистого чугуна никелем (до 2 %) или хромом (0,5 – 4 %) повышает его жаростойкость.

Легирование молибденом в количестве 1 - 3 % увеличивает прочность при повышенных температурах, а также сопротивление ползучести кремнистого чугуна с шаровидным графитом.