Железоуглеродистые сплавы

РЕФЕРАТ
ТЕМА:ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
 

План
1         Диаграммасостояния сплавов железа с углеродом
2         Производствочугуна
3         Серыечугуны
4         Производствостали
5         Углеродистыестали
6         Легированныестали
Список литературы

1 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом
К железоуглеродистым сплавам отноеятся сплавы железа с углеродом.
Для того чтобы изготовить детали, машины и механизмы качественнымии обеспечить надежность и долговечность их в работе, необходимо заранее знатьсвойства используемых материалов. Например, для получения качественных отливокнеобходимо знать, при какой температуре плавится сплав и при какой онзатвердевает, каковы его литейные свойства. Для проведения термообработкидеталей надо знать, как изменяются свойства сплава при нагревании и охлаждениив твердом состоянии, каковы при этом будут структура и свойства сплава. Приобработке давлением необходимо знать, при каких температурах тот или иной сплавлучше подвергается обработке давлением, имеет наиболее высокую пластичность.
Для определения температурных интервалов, видов термическойобработки и обработки давлением, температуры плавления и заливки сплава влитейные формы пользуются специальными графическими изображениями состояния истроения сплавов в зависимости от их состава и температуры нагревания. Такиеграфические изображения называют диаграммами состояния сплава.
/>/>Построение диаграммы состояния. Диаграммы состоянийобычно строяттермическимметодом (рис. 1). Сначала получают множество кривых охлаждения сплавов с различнымсодержанием составляющих элементов в зависимости от температуры и времениохлаждения. Кривые охлаждения строят аналогично построению кривых охлаждениядля определения полиморфных превращений. По перегибам и остановкам на кривыхохлаждения определяют критические температуры и критические точки сплава.

/>
Рис. 1. Схема построения диаграммы состояния сплавов железа суглеродом:
а — кривые охлаждения сплавов с различным содержанием углерода,
б —диаграмма
Критической называется температура, при которой происходит изменение встроении, а значит, и в свойствах металлов и сплавов. При критическихтемпературах кривые охлаждения резко изменяют свой характер.
Критическими точками называются точки перегиба 1, 2, 3, 4 на кривыхохлаждения (см. рис. 1). Однотипные критические точки (например, точки /)кривых охлаждения соединяют линией (линия АС). Комплекс линий, объединяющихкритические точки сплавов, в зависимости от химического состава сплава и еготемпературы представляет собой диаграмму состояния. В табл. 1 приведены критическиетемпературы критических точек 1, 2, 3, 4.

/>
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. При кристаллизациижелезоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие:аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит.
/>
Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом: I...V1 — характерные сплавы
Аустенит — твердый раствор углерода в у-железе. У сплавов ссодержанием углерода до 2 % (стали) при температурах выше 723 °С структурапредставляет собой аустенит — на диаграмме (рис. 3) область AESG. Кристаллическая решеткааустенита — гранецентрированный куб. При нормальной температуре  (18...24°С) аустенит в простыхжелезоуглеродистых сплавах отсутствует и его увидеть нельзя. Аустенит обладаетвысокой пластичностью (б = 40...50 %) и низкой твердостью (НВ170...200), хорошоподдается горячей обработке давлением (ковке, штамповке и прокатке). Надиаграмме аустенит обозначается буквой А.
Феррит—твердый раствор углерода в а-железе. В феррите растворяетсяочень мало углерода (до 0,02 %). Техническое железо имеет структуру феррита (надиаграмме область GPQ). Кристаллическая решетка феррита— объемно-центрированный куб.Феррит обладает высокой пластичностью и низкой твердостью (6 = = 40...50 %;НВ80...120), хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии(волочению, штамповке). Чем больше феррита в сплавах, тем они мягче ипластичнее. На диаграмме феррит обозначается буквой Ф.
Цементит — самая твердая (НВ800) и хрупкая (6 = 0 °/о)составляющая железоуглеродистых сплавов — представляет собой химическоесоединение железа и углерода (карбид железа Fe3C), содержащее 6,67 %углерода. Кристаллическая решетка цементита сложная. Особенность цементитасостоит в том, что в присутствии значительного количества некоторых элементов,например кремния Si, цементит может вообще не образоваться или может распадаться собразованием углерода — графита и железа. Сплавы из чистого цементита напрактике не применяют. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, темони тверже и хрупче. На диаграмме цементит обозначается буквой Ц.
Перлит — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 %углерода. Перлит образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита притемпературе 723°С (на диаграмме линия Р/С). Распад аустенита на перлитназывается эвтектоидным превращением, а перлит — звтектоидом. Перлит присутствуетво всех железоуглеродистых сплавах при температуре ниже 723°С, обладает высокойпрочностью (ав до 800 МПа) и твердостью (НВ200). Чем мельчевключения феррита и цементита в перлите, тем выше показатели его механическихсвойств. Поэтому чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели механическихсвойств сплава. На диаграмме перлит обозначается буквой П.
Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, образующаясяпри кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4,3 % при постоянной температуре1147°С (точка С на диаграмме). Ледебурит — единственный из всехжелезоуглеродистых сплавов, который кристаллизуется при постоянной температурес образованием механической смеси. Такая кристаллизация называется эвтектической,а ледебурит — эвтектикой. Ледебурит обладает большой хрупкостью и высокойтвердостью (НВ700), хорошими литейными свойствами. Ледебурит содержится во всехвысокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами. На диаграмме ледебуритобозначается буквой Л.
Практическое использование диаграммы состояний. Применяемые впромышленности железоуглеродистые сплавы содержат не более 4,5 % углерода.Сплавы железа с углеродом до 2 % называются сталями, сплавы железа с углеродомболее 2 % — чугунами.
Линия ACD— линия ликвидус — изображает температуру начала затвердеваниясталей и чугунов. Выше этой температуры сплав полностью расплавляется, т. е.переходит в жидкое состояние (на диаграмме обозначается буквой Ж).
Линия AECF— линия солидус — изображает температуру окончания затвердевания иначала плавления сталей и белых чугунов. Между линиями ликвидус и солидуссплавы находятся в жидко-твердом состоянии.
Для практического использования диаграммы проследим заструктурными превращениями характерных железоуглеродистых сплавов при ихохлаждении.
Сплав / (сталь содержит углерода менее 0,83 %), Выше линии АС сплавнаходится в жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинаюткристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижениитемпературы количество закристал-jk лизовавшегося аустенита увеличивается и притемпературе, соответствующей линии АЕ, сталь полностью затвердевает. Ниже линииАЕ сталь охлаждается без превращений до температуры, соответствующей линии GS. При этой температуре изтвердого аустенита начинают выделяться зерна феррита с очень малым содержаниемуглерода, поэтому в оставшемся аустените количество углерода увеличивается.Процесс протекает до линии PS.
На линии PS при температуре 723 °С из оставшегося аустенита образуетсяперлит. При нормальных темпера/>турах структура сталибудет состоять из феррита и перлита. Сталь с содержанием углерода менее 0,83 %называют доэвтектоидной. Микроструктура феррита и до-эвтектоидной сталипоказана на рис. 3,а, б.
Сплав // (сталь содержит углерода 0,83%)- Кристаллизация идетмежду линиями ликвидус АС и солидус АЕ,   аналогично  кристаллизации  сплава/   (см. рис. 2).Закристаллизовавшийся аустенит охлаждается до точки 5. При температуре 723 СС,соответствующей точке S, происходит перекристаллизация аустенита с образованием перлита(эвтектоидное превращение). Сталь, имеющую структуру перлита, называют эвтектоидной(рис. 3, в). Строениеэвтектоидной стали при нормальных температурах пластинчатое, т. е. структурастали состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.
/>
Рис. 3.Микроструктурытипичных  железоуглеродистых  сплавов:
а — феррит, б — доэвтектоидная сталь, в — эвтектоидная сталь, з —заэвтектоидная  сталь, 
д — доэвтектический  белый чугун,  е — эвтектический  белый чугун, ж— заэвтектический белый чугун; Ф — феррит, Л — перлит, Ц1— первичный цементит, ЦІІ — вторичный цементит,
Л—ледебурит
Сплав /// (сталь содержит углерода более 0,83 %). Кристаллизациясплава /// аналогична кристаллизации сплава /. При температуре ниже линии АЕ стальимеет структуру аустенита. На линии ES из аустенита по границамего зерен начинают выделяться включения с содержанием углерода 6,67 % —цементит. Поскольку цементит в этом случае образовался из твердого аустенита,т. е. при перекристаллизации стали, его называют вторичным цементитом — ЦІІ.
Вторичный цементит выделяется из аустенита при понижениитемпературы до 723 °С. При температуре 723 °С происходит эвтектоидноепревращение. Оставшийся аустенит, содержащий углерода 0,83 %,перекристаллизуется в перлит. При нормальных температурах структура стали ссодержанием углерода более 0,83 % состоит из перлита и вторичного цементита.Вторичный цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3, г).
Сплав IV (чугун содержит углерода более 2%). Выше линии АС сплав находитсяв жидком состоянии. С понижением температуры на линии АС начинаюткристаллизоваться первые включения аустенита. При дальнейшем понижениитемпературы количество закристаллизовавшегося аустенита все времяувеличивается. При достижении температуры 1147°С (на линии EF) оставшаяся часть жидкогорасплава моментально кристаллизуется с образованием механической смесиаустенита и цементита, т. е. происходит эвтектическая кристаллизация с образованиемэвтектики — ледебурита. Начиная с температуры 1147 до 723 °С, из аустенитавыделяется вторичный цементит ЦІІ. При температуре 723 °С происходит эвтектоидноепревращение — из аустенита образуется перлит.
При нормальных температурах структура чугуна состоит из перлита,вторичного цементита и ледебурита. Ледебурит после эвтектоидного превращенияпредставляет собой механическую смесь перлита и цементита. Чугуны с содержаниемуглерода до 4,3 % называются доэвтектическими чугунами. Если углерод находитсяв чугунах в химически связанном состоянии с железом, т.е. в цементите, то такиечугуны называются белыми чугунами. Микроструктура сплава IV, представляющего собойдоэвтектический белый чугун, показана на рис. 3.
Сплав V (чугун содержит 4,3 % углерода). До температуры 1147°С сплавнаходится в жидком состоянии. При температуре 1147°С (точка С на диаграмме)происходит эвтектическая кристаллизация с одновременным образованием включенийаустенита и цементита. При температуре от 1147 до 723 °С из аустенита выделяетсявторичный цементит Цц. При температуре 723 °С происходит эвтектоидноепревращение — из аустенита образуется перлит. Чугун с содержанием углерода 4,3% называют эвтектическимбелым чугуном. При нормальных температурах структура белого эвтектическогочугуна состоит из включений перлита и цементита (рис. 3, е).
Сплав VI (чугун содержит углерода более 4,3 %). При температуре выше линии CD сплав находится в жидкомсостоянии. На линии CD начинают кристаллизоваться включения цементита, который называют первичнымцементитом Ц. При понижении температуры до 1147°С количество первичногоцементита все время увеличивается. На линии EF при температуре 1147°Спроисходит эвтектическая кристаллизация (оставшаяся часть жидкого расплавакристаллизуется с одновременным образованием включений аустенита и цементита).
Ниже линии EF из аустенита эвтектики при охлаждении выделяется вторичныйцементит ЦІІ. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение —аустенит перекристаллизуется в перлит. Чугуны с содержанием углерода более 4,3% называют заэвтектическими. При нормальных температурах структура белогозаэвтектического чугуна (рис. 3., ж) состоит из включений первичного цементитаи эвтектики, представляющей собой при нормальных температурах смесь перлита ицементита.
2Производство чугуна
Производство чугуна. Материалы для плавки чугуна в доменной печиназывают шихтой. Шихта состоит из железной руды, которая предварительноподготовляется к плавке, известняка, необходимого для образования шлака,топлива, которым служит металлургический кокс.
Железная руда — основной материал для производства чугуна —представляет собой горные породы сложного состава. Обычно железные рудысодержат окислы железа Fe2O3, Fe3O4, а также окислы кремния, марганца, фосфора,серы, кальция, магния и других элементов, которые называют пустой породой,потому что в них нет железа. Чтобы понизить температуру плавления пустой породыи золы, получающейся от сгорания кокса, в доменную печь добавляют известнякСаСО3 — флюс. Пустая порода и зола кокса сплавляются с известняком иобразуют шлак.

/>
Рис. 4. Схема доменной печи:
1 — летка для выпуска жидкого чугуна, 2 — шлак, 3 — загрузочноеустройство, 4 — железная руда, 5— известняк, 6 — кокс, 7 — капли расплавленногочугуна, 8 — капли расплавленного шлака, 9 — фурмы, 10 — летка для выпускажидкого шлака,  11 — жидкий чугун
В доменную печь (рис. 4) сверху с помощью устройства 3 загружается определеннымипорциями шихта. Сначала загружают кокс, затем флюсы и железную руду. В такойпоследовательности загружается весь объем печи. Для розжига кокса и создания впечи высоких температур, обеспечивающих процесс плавления шихты, по специальнымканалам, называемым фурмами 9, вдувают горячий воздух.
Плавление начинается выше фурм, в результате появляются каплирасплавленного чугуна 7 и шлака 8. Стекая на днище печи по кускам раскаленногококса, жидкий чугун 11 и шлак 2 нагреваются до температур 1400… 1450 °С исобираются на подине, которая называется лещадью. Периодически чугун и шлаквыпускают из печи через специальные отверстия — летки 1 и 10.
При плавке в доменной печи железо восстанавливается из рудыуглеродом кокса и науглероживается. Вместе с железом восстанавливается частьокислов пустой породы(окислы кремния, марганца, серы, фосфора). Поэтому доменный чугун представляетсобой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем,   серой и фосфором.
Влияние химических элементов на свойства чугуна. Свойства чугунов зависятот химического состава, т. е. от содержания в них углерода, кремния, марганца,фосфора, серы.
Углерод, химически связанный с железом, образует цементит Fc3C. Цементит придает чугунухрупкость, но значительно повышает твердость. Такой чугун, имеющий в изломеблестящий металлический оттенок, называют белым. Белые чугуны не обрабатываютсярежущим инструментом.
Углерод в чугуне может находиться в свободном состоянии в видеграфита. Цементит в таких чугунах не образуется, поэтому их твердостьзначительно ниже твердости белых чугунов; такие чугуны хорошо обрабатываютсярезанием. Присутствие графита придает чугуну в изломе серый, матовый оттенок;чугун в данном случае называют серым.
Кремний способствует выделению углерода в чугуне в виде графита, улучшаетлитейные свойства чугуна, понижает его твердость.
Марганец препятствует выделению углерода в чугуне в виде графита испособствует образованию цементита, поэтому повышает твердость чугуна и приопределенном содержании его увеличивает прочность.
Фосфор, соединяясь с железом, образует легкоплавкую хрупкую и твердуюсоставляющую, которая располагается по границам зерен чугуна, вследствие чего учугуна значительно повышаются хрупкость и твердость, увеличиваетсяизносостойкость. Образующаяся легкоплавкая составляющая улучшает заполняемостьлитейных форм жидким чугуном. Фосфор — вредная примесь.
Сера тормозит выделение углерода в чугуне в виде графита. Образуя пограницам зерен чугуна хрупкую составляющую, сера снижает механические свойства,способствует образованию трещин в отливках. Вредное влияние серы может бытьнейтрализовано повышенным содержанием марганца, с которым сера легко образуеттугоплавкое соединение.
Продукты доменного производства. Продуктами доменного производстваслужат чугун, доменные ферросплавы, доменный газ и доменный шлак. В зависимостиот назначения чугун подразделяется на передельный и литейный.
Передельный чугун (ГОСТ 805—80), используемый преимущественно для выплавкистали, имеет следующий химический состав (%): углерод 4...4,5; кремний не более1,2; марганец не более 1,5; фосфор не более 0,3; сера не более 0,5. Всепередельные чугуны, как правило, белые.
Литейный чугун (ГОСТ 4832—80), предназначенный для производства чугунныхотливок различного назначения, имеет следующий химический состав (%): углерод3,5...4,5; кремний 1...3,6; марганец 0,5… .1,5; фосфор 0,08...1,2; сера0,02...0,06. Все литейные чугуны содержат большее количество кремния, чембелые, и не содержат структурно свободного цементита, поэтому они относятся ксерым чугунам.
 Доменные ферросплавы содержат большое количество кремния илимарганца. Доменный ферросилиций, который включает в себя 9… 13 % кремния,используют при плавке в литейных цехах для повышения содержания кремния в серыхчугунах. Доменный ферромарганец, в который входит до 75 % марганца, применяютдля повышения содержания марганца при производстве стали.
Доменный газ, содержащий до 30 % СО, хорошо горит, поэтому его используютдля подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь, и как промышленное топливо.Из доменной печи газ отводят сверху по трубопроводам.
Доменный шлак как отход металлургической промышленности используют впромышленности строительных материалов для изготовления цемента, шлакобетоа,шлаковой ваты и других материалов. Металлургический шлак находит широкоеприменение в дорожном строительстве.
3Серые чугуны
Серые чугуны получают из литейных доменных чугунов с добавкой всостав шихты чугунного лома. Химический состав серых чугунов (%): углерод2,8...3,5, кремний 1,5...2,8, марганец 0,4...0,8, фосфор 0,2… 1, сера0,08...0,12. Применяют серые чугуны для производства отливок деталей различныхмашин и механизмов, труб, санитарно-технического оборудования. Серые чугунымаркируют в зависимости от их механических свойств (табл.2).
Таблица 2. Механические свойства серого чугуна (ГОСТ 1412—79)
/>

В марке чугуна буквы СЧ обозначают, что чугун серый; цифрыпоказывают предел прочности чугуна при растяжении.
Для изготовления отливок, обладающих прочностью на растяжение до200..250 Н/мм2, используют обычные серые чугуны; для изготовленияотливок более высокой прочности — чугуны со специальными добавками хрома,никеля и других элементов. Такие чугуны называют л егированными.
В зависимости от технологии производства серые чугуныподразделяются на высокопрочные и ковкие.
Высокопрочные серые чугуны получают путем введения в расплавленныйчугун небольшого количества магния и редкоземельных элементов — церия, лантана,ниодима или их смеси. Процесс введения этих добавок в жидкий чугун с цельюизменения структуры называют модифицированием. В результате модифицированияграфит кристаллизуется в виде шара, а не в виде пластинок. Поэтому показателимеханических свойств чугуна значительно повышаются (табл. 3).
Таблица 3.  Механические свойства высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293—79)
/>
В марке чугуна буквы ВЧ обозначают, что чугун высокопрочный;первые цифры показывают предел прочности при растяжении, вторые — относительноеудлинение.
Высокопрочный чугун широко применяют для изготовления коленчатыхвалов двигателей, тяжелонагру-женных отливок деталей строительных и дорожныхмашин и т. д. В настоящее время многие детали, изготовляемые ранее из стальныхлитых и кованых заготовок, отливают из высокопрочного чугуна.
Ковкие чугуны получают путем термической обработки отливок издоэвтектического белого чугуна, в структуре которого содержится большоеколичество цементита. Отливки из доэвтектического белого чугуна обладают оченьвысокой твердостью и хрупкостью и не обрабатываются режущим инструментом. Чтобыснизить твердость и повысить пластические свойства, отливки подвергаютдлительному нагреванию при высокой температуре в специальных термических печах.Такой процесс называют отжигом. При отжиге цементит разлагается на углерод(графит), который выделяется в виде хлопьев, и железо. В зависимости отхимического состава белого доэвтектического чугуна и режима его отжигаметаллическая основа отливки может состоять из феррита или перлита.
Ферритная или перлитная металлическая основа и углерод хлопьевиднойформы обеспечивают ковким чугунам высокие прочность и пластичность. Если послеотжига чугуна металлическаяоснова состоит из феррита, то такой чугун называется ферритным ковким, если жеиз перлита, то перлитным ковким. На практике чаще получают отливки изферритного ковкого чугуна.
/>
Рис. 5. Режимы отжига   белого чугуна при получении ковкого чугуна:
а — ферритного, б — перлитного;      
1 ...5 — этапы отжига

Отжиг для получения ферритного ковкого чугуна состоит из пятиэтапов (рис. 5,а):
1.  Нагревание до температуры900...1000 °С.
2.  Выдержка при температуре900...1000 °С, во время которойцементит распадается на аустенит и углерод отжига.
3.  Охлаждение до температурыниже эвтектоидного превращения(690...700°С); при этих температурах из аустенита выделяется углерод отжига; аустенит же пре
вращается в перлит.
4.  Выдержка при температуре690...700°С, во время которойиз перлита получаются феррит и углерод отжига; к концу выдержки образуетсяструктура феррит +; углерод отжига.
5. Охлаждение до нормальной температуры. Общий пикл отжигасоставляет 50...60 ч.
Отжиг для получения перлитного ковкого чугуна состоит из четырехэтапов (рис. 5,б):
1. Нагревание до температуры1000...1050 °С.
2. Выдержка при температуре1000...1050 °С, во время которой цементит распадается на аустенит и углерод отжига.
3. Охлаждение до температурыниже эвтектоидного превращения(690...700 °С); при охлаждении из аустенита выделяется углерод отжига; аустенитпревращается в перлит.
4. Минуя выдержку притемпературе 690...700 °С, отливки охлаждают до нормальной температуры.Образуется структура перлит+углерод отжига. Цикл отжига составляет 100...110 ч.
Совершенствование технологии отжига и использование электрическихпечей позволяют сократить время отжига отливок на ковкие чугуны до 30...40 ч.
Механические свойства ковкого чугуна в зависимости от марокприведены в табл. 4.
Таблица 4. Механические свойства ковкого чугуна
/>
В марке чугуна буквы КЧ обозначают, что чугун ковкий; первые цифрыпоказывают предел прочности при растяжении, вторые — относительное удлинение.
Из ковких чугунов изготовляют небольшие тонкостенные отливки, картерыавтомобилей, детали тракторов, арматуру и другие детали массового производства.
4Производство стали
Общие сведения. На металлургических заводах сталь получают из жидкогопередельного чугуна с добавкой стального лома в кислородных конвертерах и мартеновскихпечах. На машиностроительных заводах сталь плавят из стального лома с добавкойтвердого передельного чугуна в мартеновских, электрических дуговых ииндукционных печах. В процессе плавки во все плавильные агрегаты добавляютфлюсы для осуществления окислительно-восстановительных реакций и защитырасплавленного металла от воздействия окислительной воздушной среды.
По сравнению с чугуном в стали содержится меньше углерода ипримесей кремния, марганца, серы и фосфора. Следовательно, чтобы из чугуна получитьсталь, надо удалить значительную часть углерода и примесей, что делают путемокисления этих элементов. В процессе плавки окислы элементов удаляют из сталивместе со шлаком. В конце плавки из расплавленной стали отбирают растворившийсяв ней кислород — сталь раскисляют. Раскислителями служат ферросплавы.
Сталь, выплавленную в конвертерах и мартеновских печах, по степенираскисления подразделяют на кипящую, спокойную и полуспокойную.
Кипящей называют сталь, раскисленную только марганцем, т. е.неполностью раскисленную. При разливке и охлаждении такой стали из неевыделяются пузырьки газов, которые создают впечатление кипения стали. Неуспевшие выделиться газы образуют внутри металла пузырьки, которыераспределяются по всему объему слитка. При горячей прокатке слитков кипящейстали эти пузырьки, имеющие чистые неокисленные стенки, хорошо завариваются.Стоимость кипящей стали меньше, чем спокойной и полуспокойной сталей, чтообъясняется меньшим расходом раскислителей при плавке и меньшим количествомотходов металла при прокатке. Кроме того, кипящая сталь лучше прокатывается иштампуется. Листовой металл для глубокой вытяжки, сварные трубы делают изслитков кипящей стали. Кипящими выпускают только малоуглеродистые стали.
Спокойную сталь разливают полностью раскисленной. Спокойная стальсодержит меньше растворенных газов. Она более однородна по составу, чем кипящаясталь, поэтому обладает более высокой прочностью. Спокойную сталь используютпреимущественно для изготовления тяжелонагруженных деталей машин, от которыхтребуется высокая стабильность и равномерность свойств по всему их сечению.Стали с содержанием углерода выше 0,2 % разливаются полностью раскисленными.
Полуспокойная сталь по степени раскисления занимает промежуточноеположение между кипящей и спокойной. Раскисляется неполностью марганцем ичастично кремнием. Применяют такую сталь ограниченно при производстве листовогометалла и профилей проката, обладающих требуемой прочностью. Полуспокойнымивыпускают только малоуглеродистые стали (с содержанием углерода не выше 0,2 %).
Выплавка стали в кислородном конвертере. Этот способ производствастали получил широкое распространение, так как в конвертерах можноперерабатывать чугун, а также железный лом.
/>
Рис. 6. Схема кислородного  конвертера
1— конвертер. 2—перерабатываемый металл, 3 — зонт,
4 — направляющая для опускания и подъема фурмы, 5—фурма
Кислородный конвертер 1 (рис. 6) представляет собойстальной сосуд грушевидной формы, выложенный изнутри огнеупорными материалами.В конвертер сначала загружают стальной лом в количестве до 20 % от массы плавкии разогревают его. Затем заливают жидкий чугун и добавляют флюсы (известь ижелезную руду) для образования шлака, после чего через водоохлаждаемую меднуютрубу (фурму 5) в конвертер вдувают кислород под давлением около 1 МПа. Фурмаможет перемещаться в вертикальном направлении с помощью направляющей 4. Газообразныепродукты горения (СО, СО2 и др.) удаляются через вытяжной зонт 3.
При продувке кислородом происходит интенсивное окисление кремния,марганца, углерода и частично железа. Окисляются также вредные примеси — сера ифосфор. Окислы переходят в шлак и удаляются из конвертера. Реакции окисленияидут с выделением тепла, поэтому температура металла в конвертере повышается до1650 °С. Продувку продолжают до тех пор, пока содержание углерода в стали недостигнет заданного предела. После раскисления стали добавляют легирующиеэлементы и производят выпуск стали. Общая продолжительность одной плавки около45 мин.
В кислородных конвертерах можно получить углеродистые сталипрактически любого химического состава, не уступающие по качеству стали,получаемой в мартеновских печах. В настоящее время мощность кислородныхконвертеров составляет 360 т; проектируются конвертеры мощностью 500 т.Выплавка стали в кислородных конвертерах—высокопроизводительный и перспективныйпроцесс.
Выплавка стали в мартеновских печах. Мартеновская печь (рис. 7)—это сложныйметаллургический агрегат, состоящий как бы из двух этажей: верхнего и нижнего,На верхнем этаже находится специальная ванна, выложенная из огнеупорногокирпича, в которой ведется плавка. На нижнем этаже расположены четырекамеры-регенератора 8, 8', 10, 10', стены которых выложены огнеупорной кладкойв виде решеток.
В плавильное пространство печи через окна 3 сначала загружаютхолодные твердые материалы (стальной лом и передельный чугун) и разогревают их.Затем заливают жидкий чугун, подают флюсы и железную руду для окисленияпримесей. По каналам б и 7 в верхнюю часть печи подводятся предварительноподогретые в регенераторах 8, 10 газ и воздух, которые смешиваются и сгорают,выделяя тепло для расплавления шлака 4 и металла /. Продукты горенияотсасываются из плавильного пространства с противоположного торца печи,проходят через вторую пару регенераторов 8', 10', нагревая их, проходят черезфильтры и выбрасываются в дымовую трубу 12.
/>
Рис. 7. Схема мартеновской печи:
1 — расплавленный металл, 2 — свод. 3 — загрузочные окна, 4 —расплавленный шлак, 5 — под. 6, 6' — каналы для подвода газа и отвода продуктовгорения, 7, Т — каналы для подвода воздуха и отвода продуктов горения, 8, 8' —газовые регенераторы, 9 — рабочий уровень площадки, 10, 10' — воздушныерегенераторы, Л — перекидные клапаны, 12 — дымовая труба
При повороте перекидных клапанов // направление продуктов горенияизменяется на обратное и они нагревают регенераторы 8, 10. В это же времярегенераторы
/>/>8', 10' отдают накопленное тепло воздуху и газу,поступающим в печь.
В процессе плавки клапаны несколько раз переключаются. Врезультате продукты горения нагревают то одну, то другую пару регенераторов, атопливо (газ и воздух), также меняя направление, подаются в печь только черезраскаленную пару регенераторов.

/>
Рис. 8.  Схема   трехфазной дуговой электросталеплавильной   печи:
1 — футеровка, 2 — желоб для выпуска металла, 3 — свод, 4 — электроды,
5 — вторичные обмотки печного трансформатора, 6 — дверца рабочегоокна,
7 — расплавленный металл, 8 — кожух, 9 — механизм для наклона печи
На последнем этапе плавки происходит раскисление металла. Готовуюсталь выпускают, окончательно раскисляя при выпуске алюминием. Процесс плавкидлится 5...7 ч; вместимость печей достигает 900 т стали.
В мартеновских печах плавят качественные углеродистые илегированные стали, из которых изготовляют прокат различных профилей, трубы,балки и другие изделия.
Выплавка стали в электрических печах. Электрическиесталеплавильные печи подразделяются на дуговые и индукционные. Дуговаяэлектросталеплавильная печь (рис.8) имеет цилиндрическую форму и состоит из стального кожуха 8,выложенного изнутри огнеупорным кирпичом 1. Сверху печь  накрывается крышкой, называемойсводом 3. Через специальные отверстия в своде в печь опускают три графитовыхэлектрода 4 (по числу фаз трехфазного электротока) и включают ток. Междуэлектродами и металлом 7 в печи возникает электрическая дуга, которая создаетвысокую температуру, и шихта плавится. Далее процесс ведется подобно плавке вмартеновских печах.
Качество стали, выплавленной в дуговых электрических печах, выше,чем качество конвертерной и мартеновской сталей, что достигается следующим:меньшей насыщенностью газами, так как в электрической печи значительно слабеегазовая окислительная атмосфера и меньше продуктов горения; созданиемблагоприятных условий для применения более химически активных шлаков, скоторыми лучше удаляются вредные примеси.
/>
Рис. 9.  Схема индукционной печи:
1— крышка,   2 — индуктор,  3 — огнеупорный тигель,
4 — подъемный механизм, 5 — ковш
В дуговых электрических печах выплавляют высококачественныелегированные стали, содержащие тугоплавкие элементы,—вольфрам, молибден,ванадий. В настоящее время большинство сортов специальных высококачественныхсталей выплавляется в электрических печах, вместимость которых колеблется от 1 до200 т.
Индукционная печь (рис. 9) представляет собой мно-говитковый спиральный индуктор 2, изготовленныйиз медной водоохлаждаемой трубки. Внутри индуктора помещается огнеупорнаянабивная футеровка в виде тигля 3, куда закладывается строго дозированный порасчету металл. На индуктор подается переменный ток, который создает вокругнего магнитное поле. Магнитный поток пронизывает металл и возбуждает в неммощные вихревые индукционные токи, которые нагревают металл до высокихтемператур. Шлак, не обладающий магнитной проницаемостью (т. е. ток в нем неиндуцируется), нагревается от металла; в результате температура шлака нижетемпературы металла, вследствие чего шлак малоактивен иокислительно-восстановительные реакции протекают медленно. Шлак служит защитнымслоем от окисления и поглощения газов из воздуха. Поэтому плавку в индукционнойпечи ведут преимущественно методом переплава высоколегированных сталей исплавов. При переплаве легирующие элементы слабо окисляются и химический составметалла почти не изменяется. Качество стали получается очень высокое. Расходэлектроэнергии 700...900 кВт-ч/т стали. Применяют печи вместимостью до 10 т.
Разливка стали. Когда плавка в конвертерах, мартеновских печах иэлектропечах закончится, сталь выпускают в специальный ковш, из которого ееразливают одним из приведенных ниже способов.
Разливку сверху (рис. 10, а) производят в изложницы 2 — высокиеметаллические формы. После того как металл застынет, получаются слитки, скоторых снимают изложницы. Этим способом изготовляют крупные слитки.

/>
Рис. 10. Схема разливки стали:
а — сверху, б — снизу (сифонный способ), в — непрерывная разливка;
1— ковш, 2 — изложница, 3 — литник, 4 — металлическая плита, 5 — воронка, 6 —кристаллизатор, 7 — жидкая сталь, 8 — кристаллизующийся слиток, 9 —дождевальное устройство, 10 — валки, 11 — затвердевший непрерывный слиток, 12 —газорезка, 13 — тележки, 14— отрезанный мерный слиток
При разливке снизу (рис. 10, б)—сифонный способ — изложницы 2 устанавливаютна металлические плиты 4. Изложницы соединяются между собой и с центральнымлитником 3, в который заливают из ковша 1 сталь. Изложницы заполняются пометоду сообщающихся сосудов. Через один литник отливают до 30 некрупныхслитков.
Непрерывная разливка стали (рис. 10, в) — наиболее прогрессивный способ,разработанный советскими металлургами. Установка для непрерывной разливки сталибыла пущена впервые в нашей стране в 1956 г. Жидкая сталь из ковша 1 черезпромежуточную воронку 5 поступает в медную водоохлаждаемую форму —кристаллизатор 6. Дно кристаллизатора перед заливкой закрыто крышкой —затравкой с ласточкиным хвостом. Жидкая сталь 7, попав в кристаллизатор, быстрозатвердевает, приваривается к затравке и вместе с ней вытягивается изкристаллизатора валками 10 со скоростью 1...5 м/мин. При выходе изкристаллизатора слиток 8, поверхность которого затвердела, подвергаетсядополнительному охлаждению дождевальным устройством 9. Окончательнозатвердевший непрерывный слиток 11 валками 10 подается к газорезке 12, разрезаетсяна отрезки 14 заданной длины, которые тележками 13 транспортируются в цехи дляпрокатки на сортовых станах. По сравнению с разливкой в изложницы непрерывнаяразливка стали обеспечивает уменьшение потерь металла, не требует прокаткислитков на блюмингах и слябингах и изготовления изложниц.
5Углеродистые стали
 
Углеродистые стали — сплавы, содержащие железо, углерод инебольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора и серы. По содержаниюуглерода такие стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,2 % углерода),среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,65 углерода), высокоуглеродистые (от 0,65 до 2% углерода). По назначению углеродистые стали бывают конструкционные иинструментальные.
Углеродистые конструкционные стали обладают высокой прочностью,пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами:легко обрабатываются давлением хорошо свариваются и термо-обрабатываются.
/>Такие стали бываютобыкновенного качества и качественные.
Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380—71)выплавляется в мартеновских печах и кислородных конвертерах. По назначениютакая сталь подразделяется на группы А, Б и В.
Сталь группы А поставляют с гарантированными механическимисвойствами без уточнения химического состава, поэтому ее не подвергаюттермической обработке. Сталь этой группы изготовляют марок: СтО, Ст1 и т. д. доСтб. Буквы «Ст» означают сталь, цифра — номер стали. Чем больше цифра, тембольше содержится углерода в стали. Для обозначения раскисления к обозначениюмарки стали после номера добавляют индексы: кп — кипящая, пс—полуспокойная, сп— спокойная. Например, Ст3кп, Ст4сп.
Сталь группы Б поставляют с гарантированным химическим составом,поэтому ее можно подвергать термической обработке. Сталь этой группыизготовляют марок: БСтО, БСт1, БСт1кп и т.д. до БСтб, БСтбсп. В марке сталейуказывается группа Б.
Сталь группы В поставляют с гарантированными механическимисвойствами и химическим составом. Подвергается термической обработке. Стальэтой группы изготовляют марок (группа стали указывается в марке)з ВСт2сп, ВСт3пс и т. д.
Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный прокат:балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы, некоторые поковки, болты,заклепки, арматуру, которые широко используют для сварных строительныхконструкций и неответственных деталей машин.
Углеродистая качественная конструкционная сталь (ГОСТ 1050—74)выплавляется в мартеновских и электрических печах и кислородных конвертерах.Поставляется сталь с гарантированными механическими свойствами и химическимсоставом. Подвергается термической обработке.
По сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качествакачественные стали содержат меньше вредных примесей серы и фосфора. Взависимости от содержания марганца стали выпускают с нормальным (0,25...0,7 %)и повышенным (0,7...1 %) содержанием марганца.
Качественные конструкционные стали маркируются: 0,5кп; 0,8кп; 0,8пс; 0,8; 10кп; 10пс; 10; 15кп; 15; 20кп;20; 25; 30; 35 и т. д. до 85, 15Г, 20Г, 25Г, 30Г и т. д. до 70Г. Вмарках двузначные числа показывают среднее содержание углерода в сотых доляхпроцента, буква Г обозначает повышенное содержание марганца.
Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали широкоприменяют для штампованных изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше вней углерода. Для глубокой вытяжки применяют кипящие стали 0,8кп, Юкп, 15кп.Малоуглеродистые стали применяют для изделий, подвергающихся цементации. Этистали хорошо свариваются, обрабатываются резанием на металлорежущих станках.
Из качественных конструкционных сталей изготовляют зубчатыеколеса, шатуны, валы, оси, кулачки, муфты, толкатели клапанов, пальцы рессор,вилки и валики переключения передач и т. д.
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435 — 74) выплавляютсяв мартеновских и электрических печах; они содержат от 0,7 до 1,35 % углерода.Такие стали подразделяются на качественные и высококачественные.
Инструментальные качественные стали изготовляют марок: У7, У8, У9, ..., У13.Число в обозначении марки указывает на среднее содержание углерода в десятыхдолях процента.
К марке инструментальных высококачественных сталей добавляют буквуА: У7А, У8А, ..., У13А. Такие стали содержат меньше серы и фосфора, чемкачественные.
Из углеродистых инструментальных сталей изготовляют разнообразныеслесарные инструменты, подвергаемые термической обработке. Из сталей марок У7А,У8, У8А делают зубила, молотки, штампы, измерительный инструмент; из сталимарок У8, У8А — ножи и ножницы по металлу, кернеры, ролики труборезов. Из сталеймарок У10А, У11, У11А, У12, У12А изготовляют инструменты, обладающиевысокой твердостью: напильники, шаберы, ножовочные полотна для механическихножовок.

6 Легированные стали
 
Легированные стали в отличие от углеродистых кроме углерода,железа и обычных примесей содержат определенное количество добавок, придающихсталям особые свойства и называемых легирующими элементами. К легирующимэлементам относятся хром — X, вольфрам — В, молибден — М, медь — Д, кремний — С,алюминий— Ю, бор — Р, цирконий — Ц, никель — Н, ванадий— Ф, марганец—Г, кобальт— К, титан — Т, фосфор— П, ниобий — Б. Каждый легирующий элемент имеет своеназначение.
По назначению легированные стали подразделяются наконструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами.
Влияние легирующих добавок на свойства сталей. Свойства легированныхсталей зависят от содержания в них легирующих элементов.
Никель и хром улучшают механические свойства, повышают жаростойкость икоррозионную стойкость сталей.
Вольфрам повышает твердость, прочность, улучшает режущие свойства стали привысоких температурах (красностойкость).
Марганец повышает твердость, износостойкость, сопротивление ударнымнагрузкам сталей.
Кремний повышает упругие свойства стали, увеличивает кислотостойкостьсталей.
Титан увеличивает жаропрочность и кислотостойкость сталей.
Молибден улучшает механические свойства при нормальной и повышеннойтемпературах, несколько повышает свариваемость сталей.
Ванадий улучшает пластические свойства стали, измельчает еемикроструктуру.
Кобальт увеличивает ударную вязкость и жаропрочность сталей.
Конструкционные стали (низколегированные) содержат углерод не более0,6%. Основные легирующиеэлементы таких сталей — хром, никель, кремний, марганец. Другие легирующиеэлементы вводят в сталь в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшитьее свойства. Общее количество легирующих элементов у большинства сталей непревышает 5%.
Конструкционные низколегированные стали (ГОСТ 19281—73, ГОСТ19282—73) обладают наилучшими механическими свойствами после термическойобработки.
При маркировке легированных сталей первые две цифры показываютсодержание углерода в сотых долях процента, следующая за ними буква — условное обозначениелегирующего элемента, входящего в сталь. Если количество легирующего элементасоставляет 2 % и более, то после буквы ставится еще цифра, указывающая этоколичество. Например, 15Х — сталь содержит 0,15% углерода и до 1 % хрома,20Х2Н4А — сталь содержит 0,20 % углерода, около 2 % хрома, 4 % никеля,высококачественная (А), т.е. содержит меньше вредных примесей серы и фосфора.
Легированные конструкционные стали 19Г, 14Г, 17ГС, 14ХГС широкоприменяют при строительстве нефтегазопроводов высокого давления диаметром до820 мм. Сталь 14ГС используют для крупных листовых сварных конструкций доменныхпечей, пылеуловителей, воздухонагревателей. Сталь 17ГС предназначается длякорпусов аппаратов, днищ, фланцев и других деталей паровых котлов, работающихпри температурах до 450 °С.
Хромокремненикелевые стали 10ХСНД, 15ХСНД используют для сварныхферм, конструкций мостов, вагонов, рам, аппаратов и сосудов химическойпромышленности. Стали 35ХС и 25Г2С служат для изготовления арматуры гладкого ипериодического профилей, для армирования обычных и предварительно напряженныхжелезобетонных конструкций.
Легированные конструкционные стали хорошо свариваются, не образуютпри сварке горячих и холодных трещин. Механические свойства сварных соединенийаналогичны свойствам основного металла.
В машиностроении применяют большое количество марок легированныхконструкционных сталей, главным образом для изготовления ответственных деталеймашин и металлических конструкций: валов двигателей, тяже-лонагруженныхзубчатых колес экскаваторов, автокранов и других строительных машин, деталей иарматуры, работающих при повышенных температурах. Из кремнистых сталейизготовляют рессоры и пружины.
Инструментальные стали подразделяются на низколегированные с содержаниемлегирующих элементов до 5 % и высоколегированные с содержанием легирующихэлементов более 10 %.
Низколегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950—73) 11Х, 13Х, ХСВГ, 9ХС, ХВГпосле термической обработки обладают более высокими показателями механическихсвойств по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями: имеют болеевысокую твердость после термообработки (62...65 HRC), повышенныеизносостойкость и теплостойкость (до 200...250°С), меньшую чувствительность исклонность к перегреву и короблению при термообработке.
Низколегированные инструментальные стали применяют дляизготовления режущих инструментов большого сечения, работающих при небольшихскоростях резания: ручных сверл, протяжек, разверток, гребенок.
Высоколегированные инструментальные стали (ГОСТ 19265—73) содержатбольшое количество легирующих элементов, образующих в структуре сталихимические соединения с углеродом (преимущественно карбиды). Основнойлегирующий элемент таких сталей — вольфрам. Изделия, изготовленные извысоколегированных инструментальных сталей с большим количеством карбидов,сохраняют высокие твердость, прочность и износостойкость режущей кромкиинструмента при температурах 600...620°С в процессе резания металлов с большойскоростью. Такие стали называют быстрорежущими.
В состав быстрорежущих сталей входят, % углерод 0,7...0,95; хром3,1...4,4; вольфрам 8,5...19; ванадий 1… ...2,5. Маркируются быстрорежущиестали следующим образом: Р9, Р18, Р12, где буква Р обозначает, что стальбыстрорежущая; цифры 9, 18, 12 показывают среднее содержание вольфрама,предусмотренное стандартом.
Быстрорежущие стали обладают высокими показателями механическихсвойств после сложной термической обработки. Из таких сталей изготовляютсверла, фрезы, долбяки, протяжки, развертки, пилы, напильники для твердыхметаллов и другой инструмент.
К быстрорежущим относятся также стали: высокованадиевые Р9Ф5,Р14Ф4, кобальтовые Р9К5, Р9К10, кобальто-ванадиевые Р10К.5Ф5, Р18К5Ф2 ивольфрамо-молибденоваяР6МЗ. Эти стали обладают повышенной теплостойкостью, меньшей хрупкостью.Применяют их для изготовления режущих инструментов, предназначенных дляобработки жаропрочных и нержавеющих сталей с высокой вязкостью, титановыхсплавов и пластмасс.
Стали со специальными свойствами (ГОСТ 5632—72) в зависимости отосновных свойств бывают коррозион-ностойкие, жаростойкие, жаропрочные иизносостойкие. Такие стали содержат большое количество легирующих элементов(10...35 %).
Коррозионностойкие нержавеющие стали обладают высокойстойкостью против электрохимической коррозии. По содержанию основных легирующихэлементов — хрома и никеля — коррозионностойкие стали бывают хромистые ихромоникелевые: 1Х18Н9Т, 5Х18Н9, 15Х25Н19С, 45Х17ПЗНЗЮ, 55Х18П4СТ и др. Изкоррозионностой-ких сталей изготовляют арматуру, коллекторы выхлопных систем,детали паровых и газовых турбин, детали химического машиностроения и т. п.
Жаростойкие стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей принебольших нагрузках, можно использовать при температурах выше 550 °С. Такиестали устойчивы против химического разрушения в газовых средах. К жаростойкимсталям относятся стали марок 25Х23Н7С, 30Х24Н12С, 15Х6С10, 12X13, 09Х14Н16Б, 15X28.Из них изготовляют клапаны двигателей внутреннего сгорания, лопаткикомпрессоров, детали котельных установок, газовые турбины, трубыпароперегревателей и других деталей, работающих при высоких температурах инебольшом давлении.
Жаропрочные стали, обеспечивающие длительную стойкость деталей вработе, можно применять при высоких температурах и больших нагрузках; при этомони сохраняют жаростойкость и высокие показатели механических свойств(прочность, пластичность).
К жаропрочным сталям относятся стали марок 12Х8ВФ, 10Х11Н20ТЗР,09Х16Н4Б; их применяют для изготовления деталей турбин, трубопроводов установоксверхвысокого давления и других деталей.
Износостойкая сталь (ГОСТ 2176—77) марки 110Г13Л, получившаянаибольшее распространение, содержит в среднем 1,1 % углерода и 13 % марганца.Такая сталь очень трудно обрабатывается режущим инструментом, поэтому ееиспользуют для получения деталей, требующих незначительной механическойобработки. Детали изготовляют методом литья, поэтому в маркировке стали на концестоит буква Л. Из этой стали отливают стрелки железнодорожных путей, гусеницыбульдозеров, щеки каменных дробилок, зубья ковшей экскаваторов, черпаки икозырьки землечерпательных машин, драг и другие детали.

Список литературы
1.        Материаловедениеи технология металлов. — М.: Высшая школа, 2001. — 637 с
2.        Курдюмов Г.В.Явление закалки и отпуска стали. — М.: Металлургиздат, 1960. — 64с.
3.        Лахтин Ю.М.Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1993. — 448с.
4.        Гуляев А.П.Металловедение. — М.: Металлургия, 1986. — 544с.
5.        Зарембо Е.Г.Превращения в структуре и свойства стали. — М.: ВИИИТ, 1990
6.        Стеклов О. И.Основы сварочного производства — М.: Высш. школа, 1986.- 224с., ил.
7.        Хренов К.К.Сварка, резка и пайка металлов — М.: Машиностроение, 1973.- 408с.