Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО Уральский государственныйэкономический университет
Кафедра инженерных дисциплин
Контрольная работа
На тему:
«Свойства конструкционных материалов»
Исполнитель:
студентка Iкурса заочного факультета
специальности «ЭПП»
Добрынкина Л. В.
Екатеринбург 2009
Содержание
Понятие конструкционных материалов
Классификация свойств конструкционных материалов
Сталь
Процессы производства стали
Стеклокристаллические материалы (ситаллы)
Чугун. Классификация чугунов
Графитизация чугунов
Классификация серого чугуна
Маркировка чугуна
Библиографический список
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Конструкционнымиматериалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций(машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющимипараметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, чтоотличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных,смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериямкачества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешнимнагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.
Конструкционные материалыподразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционныематериалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; потехнологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки,прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые,свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); поусловиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные,коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериямпрочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасомпластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Развитие техникипредъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционнымматериалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массыконструкций летательных аппаратов используются, например, многослойныеконструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армированиеметаллических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластикомпозволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическимиконструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционныематериалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими,теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
В составе конструкционныхматериалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, аэффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочненияпутём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавкии надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойствконструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов,имеющих предельные значения свойств.
Классификациясвойств конструкционных материалов
1. Механические свойства характеризуются способностьюматериала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующихфакторов.
· Прочность (способность материаласопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешнихсил);
· Твердость (способность материаловсопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном исиловом воздействии);
· Упругость (способность материалавосстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил безразрушения);
· Вязкость (способность материала поглощатьмеханическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформациюдо разрушения);
· Хрупкость (способность материала разрушатьсяпод действием внешних сил, сразу после упругой деформации).
2. Физические свойства характеризуют поверхность материала втепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.
· Свет (способность материала отражатьсветовые лучи с определенной длиной световой волны);
· Плотность (масса единицы объема вещества);
· Температураплавления;
· Электропроводность (способность материала хорошо и безпотерь проводить электрический ток);
· Теплопроводность(способностьматериала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менеенагретому);
· Теплоёмктсть(способностьматериала поглощать определенное количество теплоты);
· Магнитные (способность материалахорошонамагничиваться);
· Коэффициентобъемного и линейного расширения.
3. Технологические свойства характеризуются способностьюматериала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.
· Литейныесвойства;
· Ковкость(важно при обработке давлением);
· Свариваемость(это показательтого, на сколько материал может показать свариваемые соединения);
· Обработкарезанием;
· Прокаливаемость;
· Закаливаемость.
4. Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материаловобеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях иэксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.
5. Химические свойства характеризуютспособность материала вступать в химическое взаимодействие с другимивеществами.
· Растворимость (способность материала образовыватьс одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);
· Жаростойкость (способность материала противостоятьхимическому разрушению поверхности под действием воздуха или другойокислительной атмосферой при высоких температурах);
· Коррозионостойкость (способность металлическихматериалов противостоять разрушению в результате химического илиэлектрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды(аналогичное свойство для неметаллических материалов- химикостойкость));
· Окисление (способность материалов отдаватьэлектроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средойили другой материей).
СТАЛЬ
Сталь (польск.stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплавжелеза с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором непревышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт сплавам железапрочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Вдревнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами:«Оцел», «Харолуг» и «Уклад».
Сталь —важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительстваи прочих отраслей народного хозяйства.
Стали делятсяна конструкционные и инструментальные.
Похимическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числепо содержанию углерода — на малоуглеродистые, среднеуглеродистые ивысокоуглеродистые; легированные стали по содержанию легирующих элементовделятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
Стали, взависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллическихвключений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству:обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
По структуресталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную.Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазнуюи многофазную.
Производствостали в кислородных конвертерах
Кислородно-конвертерный процесспредставляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затратытоплива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом,подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуханеобходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.
Впервые кислородно-конвертерныйпроцесс в промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 — 1953 гг. назаводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛДпо первым буквам городов, в нашей стране — кислородно-конвертерного).
В настоящее время работают конвертерыемкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30 — 50мин.
Кислородныйконвертер (рис. 1)представляет собой сосуд 1 грушевидной формы из стального листа,футерованный внутри основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертеравертикальное. Кислород подается в него под давлением 0,8...1 МПа с помощью водоохлаждаемойфурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемойнад уровнем жидкого металла на расстоянии 0,3...0,8 м.
Конвертерыизготовляют емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий расход техническогокислорода на получение 1 т стали, составляет 50...60 м3.
Материаламидля получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун истальной лом. Для наводки шлака в конвертер добавляют железную руду и известь,а для его разжижения — боксит и плавиковый шпат.
Передначалом работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и спомощью завалочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливаютжидкий чугун при температуре 1250...1400 °С, возвращают конвертер в исходноевертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляютшлакообразующие материалы.
Изменениеметалла по ходу плавки показано (на рис. 2). При продувке происходит окислениеуглерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидомжелеза FeO. Одновременно образуется активныйшлак с необходимым содержанием СаО, благодаря чему происходит удаление серы ифосфора с образованием устойчивых соединений P2O5- ЗСаО и CaS в шлаке.
Вмомент, когда содержание углерода достигает заданного для выплавляемой маркистали, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначалесталь, а затем — шлак.
Дляуменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертера раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к. кислороду (Si, Mn, A1).Взаимодействуя с оксидом железа FeO, они образуют нерастворимые оксиды МпО, SiO2, А1203, переходящие в шлак.
Производительностькислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400...500 т/ч, в то время какпроизводительность мартеновских и электропечей не превышает 80 т/ч. Благодарявысокой производительности и малой металлоемкости кислородно-конвертерныйспособ становится основным способом производства стали.
/>
Рис.1 Схемакислородного конвертера
/>
Рис.2 Схемаизменения металла по ходу плавки
Процесс занимает главенствующую рольсреди существующих способов массового производства стали. Такой успехкислородно-конвертерного способа заключается в возможности переработки чугунапрактически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %,возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокойпроизводительностью, малыми затратами на строительство, большой гибкостью икачеством продукции за небольшой промежуток времени.
При конверторном способепроизводства, благодаря тому, что окисление фосфора и серы идет одновременноимеется возможность остановить процесс на заданном содержании углерода иполучить довольно широкую гамму углеродистых сталей при низком содержании серыи фосфора.
Кислородно-конвертерныйпроцесс с верхней продувкой.
Конвертер имеет грушевидную форму сконцентрической горловиной. Это обеспечивает лучшие условия для ввода в полостьконвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома ишлакообразующих материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальныхлистов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной части конвертера крепят цапфы,соединяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоитиз системы передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер можетповорачиваться вокруг горизонтальной оси на 360о со скоростью от0,01 до 2 об/мин. Для большегрузных конвертеров емкостью от 200 т применяютдвухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу
/>
Рис. 3.Конвертер емкостью 300 т с двухстороннимприводом механизма поворота
В шлемной части конвертера имеетсялетка для выпуска стали. Выпуск стали через летку исключает возможностьпопадания шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной наводе.
Ход процесса.Процесс производства стали в кислородном конвертересостоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки чугуна,продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.
Загрузка конвертера начинается сзавалки стального лома. Лом загружают в наклоненный конвертер через горловинупри помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных крановзаливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводятфурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2.Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих ижелезной руды (40 — 60 % от общего количества). Остальную часть сыпучихматериалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькимипорциями, чаще всего 5 — 7 минут после начала продувки.
На процесс рафинирования значительноевлияние оказывают положение фурмы (расстояние от конца фурмы до поверхностиванны) и давление подаваемого кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается впределах 1,0 — 3,0 м, давление кислорода 0,9 — 1,4 МПа. Правильноорганизованный режим продувки обеспечивает хорошую циркуляцию металла и егоперемешивание со шлаком. Последнее, в свою очередь, способствует повышениюскорости окисления содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.
Важным в технологиикислородно-конвертерного процесса является шлакообразование. Шлакообразование взначительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей,влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и качество футеровки.Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака снеобходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложностьвыполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса (длительностьпродувки 14 — 24 минуты). Формирование шлака необходимой основности и заданнымисвойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скоростьрастворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, егоокисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешиваниеванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированиюосновного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхностьсоприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500о.В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температурыи шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на плавкуизвести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и содержания SiO2 руде, боксите, извести и др. Общий расход известисоставляет 5 — 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 — 2,0 %, плавиковогоштампа 0,15 — 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.
Окисление всех примесей чугунаначинается с самого начала продувки. При этом наиболее интенсивно в началепродувки окисляется кремний и марганец. Это объясняется высоким сродством этихэлементов к кислороду при сравнительно низких температурах (1450 — 1500оС и менее).
Окисление углерода вкислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, т. к. влияет натемпературный режим плавки, процесс шлакообразования и рафинирования металла отфосфора, серы, газов и неметаллических включений.
Характерной особенностьюкислородно-конвертерного производства является неравномерность окисленияуглерода как по объему ванны, так и в течение продувки.
С первых минут продувки одновременнос окислением углерода начинается процесс дефосфорации — удаление фосфора.Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в первой половине продувки присравнительно низкой температуры металла, высоком содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количествобыстро увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить
Условия для удаления серы прикислородно-конвертерном процессе нельзя считать таким же благоприятным, как дляудаления фосфора. Причина заключается в том, что шлак содержит значительноеколичество (FeO) и высокая основность шлака (>2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации прикислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 — 50 % и содержаниесеры в готовой стали составляет 0,02 — 0,04 %.
По достижении заданного содержанияуглерода дутые отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл черезлетку (для уменьшения перемешивания металла и шлака) выливают в ковш.
Полученный металл содержитповышенное содержание кислорода, поэтому заключительной операцией плавкиявляется раскисление металла, которое проводят в сталеразливном ковше. Для этойцели одновременно со сливом стали по специальному поворотному желобу в ковшпопадают раскислители и легирующие добавки.
Шлак из конвертера сливают черезгорловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером.
Течение кислородно-конвертерногопроцесса обусловливается температурным режимом и регулируется изменением количествадутья и введением в конвертер охладителей — металлолома, железной руды,известняка. Температура металла при выпуске из конвертера около 1600оС.
Во время продувки чугуна в конвертереобразуется значительное количество отходящих газов. Для использования теплаотходящих газов и отчистки их от пыли за каждым конвертером оборудованыкотел-утилизатор и установка для очистки газов.
Управление конвертерным процессомосуществляется с помощью современных мощных компьютеров, в которые вводитсяинформации об исходных материалах (состав и количество чугуна, лома, извести),а также о показателях процесса (количество и состав кислорода, отходящих газов,температура и т. п.).
Кислородно-конвертерный процесс сдонной продувкой.
В середине 60-х годов опытами по вдуваниюструи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможностьчерез днище без разрушения огнеупоров. В настоящее время в мире работаютнесколько десятков конвертеров с донной продувкой садкой до 250 т. Каждаядесятая тонна конвертерной стали, выплавленной в мире, приходится на этотпроцесс.
Основное отличие конвертеров с доннойпродувкой от конвертеров с верхним дутьем заключается в том, что они имеютменьший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну продуваемого чугуна.В днище устанавливают от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости конвертера.Размещение фурм в днище может быть различным. Обычно их располагают в однойполовине днища так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкогометалла. Перед установкой конвертера в вертикальное положение через фурмыпускается дутье.
В условиях донной продувки улучшаютсяусловия перемешивания ванны, увеличивается поверхность металл-зарождения ивыделения пузырьков СО. Таким образом, скорость обезуглероживания при доннойпродувке выше по сравнению с верхней. Получение металла с содержанием углеродаменее 0,05 % не представляет затруднений.
Условия удаления серы при доннойпродувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшейокисленностью шлака и увеличением поверхности контакта газ — металл. Последнееобстоятельство способствует удалению части серы в газовую фазу в виде SO2.
Преимущества процесса с доннойпродувкой состоят в повышении выхода годного металла на 1 — 2 %, сокращениидлительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей высоте здания цеха ит. д. Это представляет определенный интерес, прежде всего, для возможной заменымартеновских печей без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов.
Конвертерный процесс скомбинированной продувкой.
Тщательный анализ преимуществ инедостатков способов выплавки стали в конвертерах с верхней и нижней продувкойпривел к созданию процесса, в котором металл продувается сверху кислородом иснизу — кислородом в защитной рубашке или аргоном (азотом). Использованиеконвертера с комбинированной продувкой по сравнению с продувкой только сверхупозволяет повысить выход металла, увеличить долю лома, снизить расходферросплавов, уменьшить расход кислорода, повысить качество стали за счетснижения содержания газов при продувке инертным газом в конце операции.
Стеклокристаллические материалы(ситаллы)
СИТАЛЛЫ (стеклокристаллические материалы),неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различныхстекол при их термической обработке. Состоят из одной или несколькихкристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм)равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фазв ситаллах может составлять 20-95% (по объему). Изменяя состав стекла, типинициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки,получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами(таблица 1). Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. XX века Материалы, подобные ситаллам зарубежом называют пирокера-мом, девитрокерамом, стеклокерамом.
Ситаллыобладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическимрасширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью.По своему назначению могут быть разделены на технические и строительные.Технические ситаллы получают на основе систем: Li2O--Al2O3-SiO2,MO-Al2O3-SiO2, Li2O-MO-Al2O3--SiO2,где M-Mg, Ca, Zn, Ba, Sr и др.; MgO-Al2O3--SiO2-K2O-F;MO-B2O3-Al2O3 (где M-Ca, Sr, Pb,Zn); PbO-ZnO-B2O3-Al2O3-SiO2и др. По основному свойству и назначению подразделяются на высокопрочные,радиопрозрачные химически стойкие, прозрачные термостойкие, износостойкие ихимически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы,ситаллоэмали, ситаллы со специфическими электрическими свойствами.
Высокопрочные ситаллы получают главным образом наоснове стекол систем MgO-Al2O3-SiO2(кордиеритовые составы) и Na2O-Al2O3-SiO2(нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiО2;sизг для них 240-350 МПа. Ситаллы нефелиновых составов послеупрочнения ионообменной обработкой в расплавленных солях К имеют sизг 1370МПа. Области применения высокопрочных ситаллов -ракето- и авиастроение(обтекатели антенн), радиоэлектроника.
Оптическипрозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стеколсистемы Li2О — А12О3 — SiO2 (сподумено-эвкриптитовыесоставы); инициатор кристаллизации -ТiO2. В оптически прозрачных ситаллахразмер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащиев качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li2O·Al2O3·2SiO2)или сподумен (Li2О · Аl2О4·4SiO2),имеют, кроме того, температурные коэффициент. расширения, близкие к нулю, ииногда даже отрицательные- до -5·10-6 К-1. Областиприменения -космическая и лазерная техника, астрооптика. Введение в составтаких ситаллов активаторов люминесценции и специальных добавок позволяетприменять их в солнечных батареях.
Износостойкие и химически стойкие ситаллыполучают на основе стекол CaO-MgO-SiO2 (пироксеновые составы);инициаторы кристаллизации- фторид или оксид хрома. Отличаются высокойизносостойкостью (истираемость 0,001 г/см2) и стойкостью в различныххимических средах. Применяются в текстильной, химической, автомобильнойпромышленности, буровой и горнодобывающей технике.
Фотоситаллы обычно получают на основе стеколсистемы Li2O-Al2O3-SiO2 сосветочувствительными добавками (соединения Аи, Ag, Сu), которые под действиемУФ облучения и дальнейшей тепловой обработки стекла способствуют его избирательнойкристаллизации. Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической технике,оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например для изготовленияоптических печатных плат, в качестве светофильтров).
Слюдоситаллы получают на основе стекол системыMgO-Al2O3-SiO2-K2O-F(фторфлогопитовые, фтор-рихтеритовые, фторамфиболовые составы). Сочетаютвысокие механияеские и электрические. свойства с хорошей механической.обрабатываемостью- их можно резать, сверлить, фрезеровать, шлифовать.Применяются в машиностроении для изготовления деталей, подвергающихся трению иизносу, а также в качестве материала для деталей сложной конфигурации.
Дифситаллы получают обычно на основе стеколсистемы СаО — MgO — SiO2 — Р2О5 (апатито- волластонитовыесоставы). Высокая механическая прочность, биологическая совместимость с тканямиорганизма позволяют использовать их в медицине для зубных и костных протезов.
Ситаллоцементы, получаемые на основе стекол системыPbO- ZnO- В2О3 — SiO2, имеют очень низкий коэффициенттеплового расширения (4-10) · 10-6 К-1; применяются дляспаивания стеклодеталей цветных кинескопов и электроннолучевых трубок,герметизации полупроводниковых приборов, в производстве жидкокристаллических индикаторов,в микроэлектронике. Перспективно также использование таких ситаллов в качествестеклокристаллических покрытий (стеклоэмалей), наносимых на поверхность различныхметаллов (W, Mo, Nb, Та, их сплавов, различных видов стали) с целью защиты ихот коррозии, окисления и износа при обычных и повышенных температурах.Отличаются повышенной термо- и жаростойкостью, устойчивостью к истиранию,высокой механической и электрической прочностью. Применяются в качествепокрытий для деталей дизелей, газотурбинных установок, атомных реакторов,авиационных приборов, электронагревательных элементов.
Ситаллысо специальными электрическими свойствами получают на основе стекол систем ВаО-Аl2О3-SiO2-ТiO2и Nb2O5-CoO-Na2O--SiO2. Характеризуютсявысокой диэлектрической проницаемостью (e 240-1370) и низким коэффициентомдиэлектрических потерь (1,5-3,2). Используются для изготовления низкочастотныхконденсаторов большой емкости, пьезоэлементов и др. Разработаныполупроводниковые, ферромагнитные, ферро-электрические, сегнетоэлектрические С.с различным сочетанием электрических свойств. Ситаллы на основе стекол системыMgO-Al2O3-SiO2 имеют очень низкий tg d (3 · 10-4при 25 °С и 104 МГц), ситаллы на основе метаниобата Рb- высокуюдиэлектрическую проницаемость (e 1000-2000). На основе стекол B2O3-BaO-Fe2O3получены С. с одно- и многодоменной структурой с размером доменов ~ 500им.
К группестроительных ситаллов относят шлако-, золо-, петроситаллы,получаемые с использованием шлаков черной и цветной металлургии, зол, горных пород.В зависимости от химического состава используемых отходов, определяющих виддоминирующей кристаллической фазы, подразделяются на волластонитовые,пироксеновые (инициаторы кристаллизации-оксиды Cr, Ti, Fe, фториды),мелилитовые (система CaO-MgO-2Al2O3-SiO2,инициатор кристаллизации--оксид Сr), пироксен-авгитовые и геденбергитовые(система СаО — MgO — Fe2 О3 — Аl2 р3 — SiO2), форстеритовые (система CaO-MgO-SiO2) иэгириновые (Na2O--Fe2O3-SiO2) С.Они имеют высокие прочностные характеристики (sизг 100-180 МПа),высокую микротвердость (8500-9000 МПа), относительно низкую истираемость (0,05г/см2), высокую стойкость к хим. и термин, воздействиям. Применяютсяв строительстве, горнодобывающей, химической и др. отраслях промышленности.
Получаютситаллы и изделия из них главным образом с использованием стекольной и керамическойтехнологии, иногда по химическому способу. Наиболее распространена такназываемая стекольная технология, включающая варку стекла из шихты. формованиеизделий (прессование, прокатка, центробежное литье) и термическую обработку.Последняя стадия обеспечивает кристаллизацию стекла вследствие введения встекольную массу специальных инициаторов- каталитических добавок — оксидов Ti,Сг, Ni, Fe, фторидов, сульфидов, металлов платиновой группы, а также вследствиесклонности стекол к ликвации, способствующей образованию поверхности разделафаз и приближающей химический состав микрообластей к составу будущих кристаллов.Термическую обработку осуществляют обычно по двухступенчатому режиму; температурапервой ступени лежит в области температуры размягчения стекла и соответствуетмаксимальной скорости зарождения центров кристаллизации, при т-ре второйступени происходит выделение кристаллов ведущей фазы, определяющей основныесвойства ситаллов.
По керамической(порошковой) технологии получения ситаллы из расплава стекла вначале получают гранулят,который измельчают и сушат, после чего в него добавляют термопластическуюсвязку и из образовавшейся массы прессованием или шликерным литьем формуютизделия. Затем их спекают при высокой температуре с одновременной кристаллизацией.По сравнению с керамикой аналогичного состава спеченные ситаллы характеризуютсяболее низкими температурами обжига и расширенным интервалом спекания.Порошковая технология позволяет получать из ситаллов термически стойкие изделиясложной конфигурации и малых размеров.
По химическомуспособу ситаллы получают главным образом по золь-гель технологии, в основе которойлежит низкотемпературный синтез (посредством реакций гидролиза и конденсации)металлоорганические соединения элементов, составляющих стекло, при температурениже температуры плавления стекольной шихты. Этот метод позволяет получать ситаллына основе составов, не склонных к стеклообразованию, обеспечивает получениестекол высокой чистоты и однородности, что резко улучшает свойства ситаллов,синтезируемых на их основе.
ЧУГУН
Чугуны — это железоуглеродистые сплавы,содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. Вотличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодарявысоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне,чугуны нашли широкое применение в машиностроении.
Чугунывыплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменныхпечах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными.Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали ичугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ
Литейные имеханические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав кэвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:
Степеньэвтектичности SЭ— отношение концентрации углерода С в чугуне к егоконцентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:
/>
где 4,26 —концентрация углерода в эвтектике системы «железо—графит» (см. рис. 7.1.), Si иP — содержание этих элементов в чугуне, %.
Углеродныйэквивалент определяетсякак:
Сэк = С +0,3(Si + P)
Чугуныподразделяются на: доэвтектические (Sэ эвтектические (Sэ />1, Сэк/>4,2–4,3)и заэвтектические (Sэ > 1, Cэв >4,2–4,3).
Чугуны прикристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 1):либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe—Fe3C(белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо всоответствии со стабильной диаграммой Fe—C (серые чугуны, в которых углеродприсутствует в виде графита).
Напредставленных диаграммах (рис.1) кроме общих линий АС, АЕ, GS остальные линиине совпадают. В системе Fe—C графитная эвтектика (аустенит—графит) содержит4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии E'S'в интервале температур 1 153–738 ° С выделяется вторичный графит.Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида(феррит + графит). Пользование диаграммами Fe—C и Fe—Fe3Cпринципиально не отличается друг от друга.
/>
Вероятностьобразования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любойпроцесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания.Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшитьзапас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чемграфит. Однако разница между температурами образования цементита и графитаневелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходитькристаллизация цементита, а не графита.
Графитобразуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур,когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и припереохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 ° С происходит образованиецементита.
Графитизация чугунов
Графитизациейназывается процессвыделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит можетобразовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. Всоответствии с диаграммой Fe—C ниже линии C'D' образуетсяпервичный графит, по линии E'C'F' — эвтектический графит,по линии Е'S' — вторичный графит и по линии P'S'К'—эвтектоидный графит.
Графитизациячугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава иналичия центров графитизации.
Влияниескорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает оченьмедленно и включает несколько стадий:
· бразованиецентров графитизации в жидкой фазе или аустените;
· диффузия атомовуглерода к центрам графитизации;
· рост выделенияграфита.
При графитизациицементита добавляются стадии предварительного распада Fe3C ирастворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большееразвитие получает процесс графитизации.
В зависимостиот степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.
Белыечугуны— получаются при ускоренном охлаждениии при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силуструктурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильнаяфаза Fe3C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод ввиде Fe3C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень труднообрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал неприменяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующегоотжига.
Серые чугуны— образуются только при малых скоростях охлаждения вузком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. Вэтих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в видепластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет неболее 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностныесвойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.
Половинчатыечугуны— занимают промежуточное положениемежду белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более0,8 %) находится в виде Fe3C. Чугун имеет структуру перлита,ледебурита и пластинчатого графита.
Промышленныечугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние награфитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуныс различной структурой и свойствами. Структурная диаграмма (рис. 2)приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержаниякремния и углерода при содержании 0,5 % Mn и заданной скорости охлаждения(при толщине стенки отливки 50 мм).
Марганецпрепятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сераявляется вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чеммарганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованиюгазовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфорне влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличиваяжидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° Сфосфидной эвтектики.
/>
Рис. 2.Структурная диаграмма: 1 — белые чугуны;2 — половинчатые чугуны; 3, 4, 5 — серые чугуны на перлитной, феррито-перлитнойи ферритной основе соответственно
Таким образом, регулируяхимический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужнуюструктуру чугуна. />
Классификация серыхчугунов
Серый чугунможно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы сграфитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основыи характера графитных включений.
Металлическаяоснова может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в видецементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когдаколичество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной,когда углерод находится практически в виде графита.
В зависимости от формыграфитных включений серые чугуны классифицируются на:
· чугун спластинчатым графитом;
· чугун схлопьевидным графитом (ковкий чугун);
· чугун сшаровидным графитом (высокопрочный чугун);
· чугун свермикулярным графитом.
На рис.3 дана обобщеннаяклассификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.
Микроструктура чугуновприведена на рис. 7.4.
/>
Рис. 3.Классификация чугунов по структуреметаллической основы и в форме графитовых включений
/>
Рис. 4.Различные формы графита в чугуне: а)пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г)вермикулярный графит. × 200
По сравнениюс металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовыевключения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлическойоснове, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениямиграфита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графитаопределяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка;хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокиедемпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.
В отдельнуюгруппу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Какправило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные,износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.
Маркировка чугунов
По принятой в СССРмаркировке обозначения марок доменных чугунов содержат буквы и цифры. Буквыуказывают основное назначение чугуна: П — передельный длякислородно-конверторного и мартеновского производства и Л — литейный длячугунолитейного производства. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличиеот чугуна, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа вобозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугуне ЛК5содержится меньше кремния, чем в чугуне ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимостиот содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы икатегории.
Марки чугуналитейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающимиосновной характер или назначение чугуна: СЧ — серый Ч., ВЧ — высокопрочный, КЧ- ковкий; для антифрикционного чугуна в начале марки указывается буква А (АСЧ,АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают егомеханические свойства. Для серых чугунов приводят регламентированные показателипределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2),например СЧ21-40, СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35.
Для высокопрочного иковкого чугуна цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2)и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение мароклегированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементывходят в состав чугуна, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр,характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержаниилегирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся.Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначениисталей. Пример обозначения легированных чугунов: ЧН19ХЗ – чугун, содержащий~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная формаграфита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).
Библиографический список
1. Соколов Р. С. «Химическая технология», 2003 г.;
2. Макмиллан П.У. «Стеклокерамика», 1967 г.;
3. Павлушкин Н.М. «Основы технологии ситаллов», 1970 г.;
4. Гиршович Н.Г. «Чугунное литьё», 1949 г.;
5. Дриц М.Е., Москалев М.А. «Технология конструкционныхматериалов и материаловедение», 1990 г.;
6. Для подготовки данной работы были использованы материалы ссайтов:
www.orbeta.ru/stati/chugunyi.html
ru.wikipedia.org
www.krugosvet.ru