Распар towweww Горн

• Восстановление оксидов железа. Основные закономерности процесса восстановления оксидов {железа выявлены акад. А. А. ' Байковым. В соответствии с ними превращение высшего оксида: железа FaOs в железо происходит последовательно путем обра-' зовання промежуточных оксидов железа. При температуре ни­же 570°С протекает реакция примерно по схеме FejOg-HFaOf-^Fe, а выше 570°С — Fe₂Or-»-Fe30^FeO-»-Fe.

Восстановителями оксидов железа являются углерод, оксид углерода и водород.

При сжигании в горне вблизи фурм углерода кокса и углево­дородов природного газа или мазута образуются, горновые газы, ''которые поднимаются вверх и проходят сквозь слои раскален­ного кокса. Основным процессом в горне является горение угле­рода кокса по реакции С+0₂=> СОз- Газ С0₂ взаимодействует с коксом и образует газ СО по реакции С0₂+С=2СО. Руда на­чинает восстанавливаться оксидом углерода в шахте. Восстанов­ление руды происходит ступенями по реакциям: 3Fe₂0₃+CO= =2Fe₃0₄+C02, Fe30₄+C0=3Fe0+C0a, FeO+CO=Fe-f-C0₂,

Железо восстанавливается в доменной печи полностью; 99...99, 8% железа переходит в чугун и только 0, 2... 1, 0% — в шлак.

Науглероживание железа и образование чугуна. Образую­щееся металлическое железо имеет высокую температуру плав­ления, поэтому сначала оно образуется твердым (губчатым).

Восстановленное железо поглощает углерод и другие элемен­ты и образует чугун. Науглероживание железа начинается в твердом состоянии в верхней части шахты и заметно развивается при температуре 450... 600°С. При этом само железо является катализатором распада оксида углерода на сажистый углерод и двуокись углерода. Сажистый углерод имеет повышенную хими­ческую активность и взаимодействует с атомами железа, вслед­ствие чего образуются карбиды железа.

Следовательно, процесс науглероживания железа протекает по реакциям:

2С0-С+С0₂

3Fe-fC=Fe₃C

3Fe -f 2СО «Fe₃C+C0₂

Углерод понижает температуру плавления железа. Темпера­тура плавления чистого железа 1539°С, а сплава железа с угле­родом, содержащего 4, 3%С, П35°С. При температуре около 1250°С частицы железа оплавляются и образуются капли чугу­на, которые стекают между кусками расплавленного кокса в горне.

■ Железо науглероживается более интенсивно после расплавле­ния металла, капли которого контактируют с раскаленным кок­сом. Науглероживание происходит по реакции 3Fe+C-t-FeaC.

В чугун переходят небольшие количества различных элемен­тов, восстановленных на разных уровнях печи. В горн опуска­ются сверху жидкий чугун и шлак, а также нагретые до высокой температуры твердые куски кокса. Температура чугуна в домен­ной печи составляет 1480... 1520°С.

Содержание углерода составляет: в литейном чугуне — около 4% и в передельном — около 4, 5%.

Продукты доменной плавки. Из доменной печи выпускаются в огненно-жидком состоянии чугун и шлак, а также образуется доменный газ, причем чугун является основным продуктом, а шлак и газ — побочными продуктами.

Чугун представляет собой сплав |Железа с углеродом, крем­нием, марганцем, серой и фосфором. Кроме того, в нем могут быть ванадий, медь, мышьяк, никель, титан» хром. Состав чугуна определяется предъявляемыми к нему требованиями и условия­ми его плавки.

Доменные чугуны разделяют по назначению на литейный,

передельный и доменный ферросплавы.

Литейный чугун переплавляется и из него отливаются чугун­ные изделия. Передельный чугун применяется для передела в сталь. Он составляет около 90% всей выплавки чугуна. В нем содержится обычно 0, 3... 1, 2% Si, 0, 2... 1, 0% Мп; 0, 15...0, 2% Р н 0, 02...0, 07 S.

Доменные ферросплавы применяют как присадки и раскисли-тели при выплавке чугуна и стали.

Доменный шлак образуется из железосодержащих материа­лов, флюсов и золы кокса. Шлак состоит в основном из оксидов алюминия (А1₂0з), кремния (SiCb), кальция (СаО) и магния (MgO) и небольшого количества оксидов железа, (FeO) и мар­ганца (МпО) и сульфидов металлов (FeS, CaS, MgS, MnS). Шлак, быстроохлажденный после расплавления (переохлажден­ный), имеет стекловидное строение, а медлен поохлажденный —

кристаллическое.

Доменные шлаки получаются в большом количестве; при вы­плавке литейного н передельного чугунов на I т чугуна приходит­ся 0, 3... 0, 6 т шлака.

Значительную часть доменных шлаков (около 75%) исполь­зуют в качестве сырья для производства строительных материа­лов— вяжущих веществ, бетонов, шлаковаты, термозита (шлако­вой пемзы) и др.

Внедоменное получение железа. Внедоменное получение же­леза является прогрессивным способом и представляет собой процесс прямого получения его непосредственно из железной руды, минуя доменную печь. При таком способе получает очень чистое металлическое железо без применения металлургического кокса путем замены его другим топливом. Способы глубокого обогащения железных руд позволяют получать концентраты с высоким содержанием железа (70...71, 8%), почти полностью ос-

т вобожденные от серы и фосфора, и с незначительным содержа­нием многих вредных примесей.

Прямое получение железа производят с помощью твердых или газообразных восстановителей. Наибольшее применение по­лечило производство губчатого железа.

Губчатое железо (металлизованные окатыши) получают раз­личными способами металлизации: 1) газообразными восстано­вителями — конвертированным природным газом в невысоких шахтных печах или в ретортах; 2) восстановление твердым уг­леродом (для чего применяется главным образом каменный уголь или коксик), причем обжиг производят в шахтной печи, труб­чатой печи, в реторте или в конвейерной машине; 3) восстанов­ление мелких руд или концентратов газами, используя так назы­ваемый кипящий слой (на решетке), и др.

24.6. Производство стали

Сталь представляет собой деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и различными примесями. В стали содер­жится углерода обычно не более 1, 3%.

В настоящее время сталь выплавляют тремя основными спо­собами: конвертерным — в специальных агрегатах — конвертерах (более 50% от всей выплавляемой во всем мире стали), в дуго­вых электропечах (около 25%) и в мартеновских печах (око­ло 20%). Доля стали, выплавляемой высокопроизводительными способами — конвертерным и электроплавильным, непрерывно увеличивается, а мартеновским — постепенно уменьшается.

Конвертерное производство стали. Широкое распространение получил прогрессивный кислородно-конвертерный процесс, при котором сталь выплавляют из жидкого чугуна с добавкой лома-в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху. Он обладает некоторыми преимуществами по сравнению с мартеновским и электроплавильным процессами. Кислородный конвертер обладает более высокой производительностью (400... 500 т/ч) по сравнению с мартеновскими и электропла­вильными печами (не более 100 т/ч). Этот способ позволяет зна­чительно уменьшить содержание вредной примеси — азота в стали (до 0, 004...0, 005%).

Кислородный конвертер (рис. 24.22) представляет, собой гру­шевидный стальной сосуд, футерованный изнутри и поворачива­ющийся на цапфах.

Конвертер имеет сверху отверстие для заливки чугуна, загруз­ки лома и шлакообразующих материалов, ввода в его полость кислородной фурмы, слива шлака и отвода газов. В нем имеется летка для выпуска стали.

При кислородно-конвертерном процессе в качестве шихтового материала применяют в основном жидкий чугун, состав которого колеблется в широких пределах: 0, 3... 2, 0% Si; 0, 4... 2, 6% Мп;

3, 7.-4, 6% С; 0, 02...0, 08% S; меньше 0, 3% Р. Стальной лом вводится в шихту в количестве до 25... 27% от ее массы. В каче­стве основных шлакообразующих материалов применяют плави­ковый шпат, известь и иногда — железную руду, агломерат, рудно-известковые окатыши, прокатную окалину, боксит.

Перед плавкой конвертер наклоняют и через горловину за­гружают его завалочными машинами или кранами ломом (рис. 24.23, а — е). Далее из заливочного ковша, перемещаемого мостовым краном, туда же заливают жидкий чугун, после чего конвертер поворачивают в вертикальное положение, вводят в его полость фурму и подают кислород. Затем загружают шла-кообразующие материалы.

Избыточный углерод, а также кремний, марганец и неболь­
шое количество железа окисляются вводимым кислородом, при­
чем кремний и марганец — в течение первых 3...4 мин продувки
кислородом. ■ ■..■: „

Из оксидов кремния, марганца и железа, а также из извести и других сыпучих материалов образуется шлак. В продолжение всей продувки из металла в шлак удаляются сера и -фосфор.

Продувка кислородом продолжается 12...20 мин. По оконча­нии продувки из полости конвертера выводят кислородную фур­му, а его наклоняют и выпускают сталь через летку в ковш, в который вводят раскислители и, легирующие добавки и сливают немного шлака (слоем 200...300 мм) для предохранения стали от быстрого охлаждения. Остальную часть шлака сливают через горловину в специальную шлаковую чашу.

Продолжительность плавки в конвертере емкостью 50... 400 т составляет 30...55 мин.

В процессе продувки кислородом происходят следующие реакции (итоговые) • окисления: [С]+7202=СО; [Si]+0₂=

=»< Si0₂); [Mn]—ViOi-(MnO).

Газообразный кислород окисляет незначительную часть при­месей, большая часть примесей окисляется сложнее. Сначала при действии струи кислорода на металл окисляется железо: Fe+720s—FeO. Закись железа FeO частично растворяется в ме­талле: FeO-*-[0], +Fe и частично в шлаке: FeO-*-(FeO) и рас­творенный в металле и в щлаке кислород окисляет другие ком­поненты жидкого чугуна. Окисление углерода происходит по схемам:

Fe + 7A = FeO Fe + VA^FeO
Fe=[О] -j-Fe Fe='(FeO)

IC]-flOI=CO lCl + [FeOI=CO-fFe

В результате суммирования уравнений реакций левого и пра­вого столбцов получается итоговая реакция окисления углерода: [С]+'/20₂ = СО.

В зоне контакта кислородной струи с металлом (в «первич­ной реакционной зоне») происходит прямое окисление железа, а на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объеме ванны происходит окисление прочих компонентов метал­ла за счет вторичных реакций.

Кремний и марганец окисляются быстрее углерода; в первые же минуты продувки выгорает весь кремний и большая часть магния. В результате окисления кремния образуется кислотный оксид — Si0₂, который в основном шлаке образует прочное сое­динение — двухкальциевый силикат 2СаО • SiOj. Марганец окнс-

Рис. 24.22. Кислородный конвертер:

/ — защитный кожух; 2 — опорное кольцо; 3 — опорная станина; «— опорный под­
шипник; 5 — цапфа; 6— навесной электродвигатель с редуктором: 7 —ведомое зуб­
чатое колесо '

ляется по реакции [Mn] + (FeO) = (MnO)-f-Fe. Углерод окис­ляется главным образом до СО и часть его (менее 10... 15%) — до С0₂. Удаление серы из металла в шлак серы (десульфур-ция) и фосфора (дефосфоризацня) происходят по реакциям:

[FeS] +(CaO)=(CaS)-f [FeOl

21P]+5(FeO)4-3(CaO)=(3CaO-P₂0₅)+5Fe

Часть серы (менее 10%) окисляется кислородом дутья и уда­ляется из металла в виде S0₂.

Шлак (его характеристики — состав, вязкость, количество и скорость формирования) оказывает значительное влияние на стойкость футеровки, выход годного металла, качество стали и др.

Шлак образуется из загружаемой в конвертер извести (СаО) и продуктов реакции окисления компонентов чугуна —S1O2, MnO, FeO и P₂O_s, а также из оксидов растворяющейся футеров­ки—СаО и MgO. Кроме того, в шлак поступает часть миксер-ного шлака, оксиды ржавчины стального лома и компоненты

Рис. 24.23. Технологические операции плавки стали е-кислородном конвертере

? S (/53В

5;? Дым — * К mm*

^Шк —

Рис. 24.24. Схема мартеновской печи:

/, 7 — регенераторы; 2 — расплавленные шлак и металл; $ —

валочиые окнз; 4 — рабочее пространство; 5 —свод; в—под

флюсов (плавикового шпата, флюсов на основе СаО и оксидов железа, бокситов).

Количество шлака, образующегося при кислородно-конвер­терном процессе, составляет 10... 17% от массы выплавляемой стали.

Заливаемый в кислородный конвертер чугун обычно имеет температуру 1250... 1400°С, а выпускаемая из него сталь должна быть нагрета до 1600... 1650°С.

Нагрев стали и шлака и компенсация потерь теплоты с от­ходящими газами и через стенку конвертера происходит за счет теплоты экзотермических реакций окисления компонентов жидко­го металла.

Мартеновское производство стали. Мартеновский способ раз­работал француз Пьер Мартен, который 8 апреля 1864 г. сделал первую плавку. В России первая мартеновская печь была по­строена в 1869—1870 гг. в г. Горьком на Сормовском заводе металлургами А. А. Износковым и И. Н. Кузнецовым.

В СССР после Великой Октябрьской социалистической рево­люции мартеновский способ стал основным. В настоящее время в СССР более половины всего производства стали выплавляется в мартеновских печах; в 1984 г. оно составляло около 60%.

Плавку стали по мартеновскому способу производят на поду пламенной отражательной печи, имеющей регенераторы для по­догрева воздуха и газа (топлива). В шихту, загружаемую в печь, входят чугун, металлический лом и другие материалы. Шихта в печи плавится под действием факела сжигаемого топ­лива и после ее расплавления в ванну печи вводят необходимые добавки. Готовую сталь выпускают из печи в ковш и затем раз­ливают. Для отопления мартеновских печей применяют жидкое (мазут, смола) и газообразное (природный, доменный, генератор­ный и коксовый газы) топливо.

В мартеновской печи (рис. 24.24) имеется рабочее простран­ство, ограниченное сверху сводом, а снизу подом; в нем проис­ходит плавка стали. В передней стенке печи находятся зава­лочные окна; через них подают в рабочее пространство твердую шихту и по приставному желобу — жидкий чугун. На границе задней стенки печи и подины находится сталевыпускное отвер­стие. Под, свод и стенки рабочего пространства выложены огне­упорной футеровкой. Вид футеровки подины и задней и передней стенок печи определяется составом шлака. Если образуются ос-новые шлаки, то и футеровка должна быть основной, если они кислые, то и футеровка должна быть кислое.

Для плавки в мартеновских печах можно применять чугун и скерп, имеющие любой состав и в любых соотношениях.

По составу шихты различают три вида мартеновского процес­са: рудный, скрап-процесс и скрап-рудный.

При рудном процессе в печь загружают железную руду и за­ливают жидкий чугун.

При скрап-процессе основной частью шихты является сталь­ной скрап. С добавлением 25...45% чугуна (в твердом состоянии в виде так называемых «чушек») его применяют на металлур­гических и машиностроительных заводах, не имеющих доменных печей.

При скрап-рудном процессе основную массу шихты состав­ляет жидкий чугун (55...75%), поступающий из доменного цеха завода, а остальную часть — твердые материалы — железная ру­да и скрап.

По составу шлака и материала пода печи мартеновский про­цесс разделяют на основной и кислый, а мартеновские печи — на основные и кислые. Состав же шлака зависит от состава ших­ты и топлива. Мартеновский шлак состоит в основном из основ­ных (CaO, MgO, FeO, MnO) и кислотных Si0₂, P2O5) окси­дов.

Шлак оказывает большое влияние на процесс плавки и каче­ство стали. При плавке металл взаимодействует со шлаком. Вред­ные примеси — сера и фосфор — удаляются из металла и перево­дятся в шлак.

Основной мартеновский процесс. По основному мартеновско­му процессу выплавляется более половины выпускаемой в СССР стали. При этом способе можно использовать чугун и скрап лю­бого состава и получать сталь почти любого состава (кроме вы­соколегированных).

Для выплавки стали в основной мартеновской печи применя­ют шихту, состоящую главным образом из чугуна и скрапа.

Шихта, загружаемая в мартеновскую печь, содержит железо, углерод, кремний, марганец, медь, никель, серу, фосфор и дру­гие примеси.

Главными реакциями при основном мартеновском процессе являются реакции окисления и восстановления. Почти все реак­ции в ванне мартеновской печи происходят на границе металл— шлак.

Растворенный в металле углерод окисляется растворенным в металле кислородом; образующийся при этом оксид углерода СО выделятся и эту реакцию обезуглероживания, сопровождаю­щуюся эффектом кипения стали, называют основной в марте­новском процессе.

При этом процессе кислород из шлака переходит в металл по реакции (FeO)-^Fe«+[О] или условно (FeO)-»-[FeO] и взаи­модействует в нем с углеродом по реакции [О] + [С]-»-[СО], при этом выделяются пузырьки оксида углерода [СО]-*-СО_газ.

Кипение стали способствует ее дегазации (удалению из нее азота, водорода и кислорода) и всплыванию неметаллических включений и переходу их в шлак. Кипение способствует получе­нию качественной стали.

Кремний окисляется при взаимодействии с кислородом воз­духа и с оксидами железа шлака по реакциям: 550

" [Si]+0_2re3-(Sl0₂); [SiI+2(FeO)=(Si0₂)+2F_ejK. Марганец окисляется аналогично кремнию по реакциям: |Мп]+7Аг.з~[МЮ1; [Мп]+(РеО)=(МпО)+Ре_ж.

Фосфор окисляется и удаляется из металла в шлак.

Для удаления серы из металла в шлак повышают основность-шлака путем присадки извести и применяют другие меры.

Работу основных мартеновских печей оценивают по их произ­водительности и- себестоимости выплавляемой ими стали. Для 250-тонной печи съем стали составляет 13, 0 т (мусут); часо­вая производительность около 41, 0 т/ч и годовая — около 330 000 т/год.

Кислый мартеновский процесс. Кислый мартеновский процесс выплавки стали происходит в так называемой «кислой» марте­новской печи, подина которой выложена из кислых материалов. В кислую печь загружают шихту, содержащую чугун и скрап. Вредные примеси серы и фосфора удалять из стали в кислой печи нельзя, и поэтому для кислого процесса применяют шихту и топливо с низким содержанием этих примесей.

Для кислого мартеновского процесса обычно применяют вы­плавленную в основных мартеновских печах так называемую «шихтовую» заготовку, содержащую минимальное количества серы и фосфора (по 0, 010.-0, 02%). Если жидкий металл (полу­продукт) выпускают из основной мартеновской печи в ковш и из него переливают в кислую печь, то такой процесс называют дуплекс-процессом, так как при этом используются две печи.

В стали, получаемой в кислых мартеновских печах, Содержит­ся меньше газов и неметаллических включений по сравнению со сталью, выплавляемой в основных мартеновских печах, в кон­вертерах и в электропечах. В такой стали содержится неболь­шое количество серы и оксидных включений. Производительность кислых мартеновских печей значительно меньше производитель­ности основных благодаря большей длительности процессов за­правки и доводки плавки.

Кислая сталь имеет более стабильные механические свойст­ва, более высокие пластические свойства по сравнению с основ­ной сталью. Ее применяют для ответственных изделий — роторов турбин электростанций, коленчатых валов двигателей и др. Стои­мость кислой стали выше, чем основной, в 1, 5...2 раза. Ее при­менение уменьшается.

В настоящее время основное количество мартеновской стали выплавляется в печах емкостью 300... 400 т и больше.

В СССР широкое распространение получили двухванные пе­чи (работающие без регенераторов), более эффективные, чем мартеновские. В одной ванне двухванной печи продувается кис­лородом металл, а в другой—подогревается твердая шихта (металлолом, добавочные материалы) теплом отходящих от

F51

первой ванны газов. Эти печи являются как бы промежу­точными между мартеновскими со скрап-рудным процессом и кон­вертерными.

Производство стали в электрических печах. В качестве элект­рических печей (электропечей) применяют дуговые, открытые и вакуумные печи. Сталь, выплавляемую в электропечах, называют электросталью, основное количество которой выплавляют в ду­говых электропечах.

Электропечи имеют некоторые преимущества по сравнению
с конвертерами и мартеновскими печами,
В электропечи быстро нагревается металл
и поэтому в нее можно вводить боЛыпе ле­
гирующих добавок, можно точнее регули­
ровать температуру металла, получать
сталь с низким содержанием серы и неме­
таллических включений. Однако производ­
ство стали в электропечах дороже, чем в
Рнс 24.25. Схема дуго- конвертерах и мартеновских печах, и их
вой электропечи: применяют главным образом для получе-

1 -поя; з - электрическая ния высококачественных и легированных

дуг*; 8 — сталевыпускное «_тяпра

отверстие; 4^ желоб; *- ^СТ~1^еи- __

стенка; * - своя: 7 —.меж- В СССР ПрНМеНЯЮТСЯ ДуГОВЫв ПечИ

Ж«'окноГТ-шлак; емкостью 0, 5... 20 т и проектируются печи

//-металл _{на 3}00 И 400 Т.

В дуговой электропечи, имеется рабочее пространство; она снабжается токоподводами и электродами, а также механизмами для загрузки шихты, наклона печи, переме­щения и удержания электродов (рис. 24.25). Рабочее простран­ство ограничено съемным сводом — подом и боковыми стенками. Все они футерованы огнеупорными материалами. Огнеупорная кладка боковых стенок и пода заключена в стальной кожух тол­щиной 40 мм. В своде имеются три отверстия, через которые в рабочее пространство введены перемещающиеся вниз и вверх электроды.

Шихту загружают на под печи в основном сверху.

Шихтовые материалы нагреваются и плавятся под действием теплоты электрических дуг (с температурой выше 3000°С), обра­зующихся между электродами и металлической шихтой или жид­ким металлом.

Печь питается трехфазным переменным электрическим током. В плавильное пространство ток поступает по графитизированным электродам, причем на электроды подается ток с рабочим напря­жением ПО...800 В.

При выпуске жидких стали и шлака наклоняют печь и сливают их через сталевыпускное отверстие и желоб. Применяют плавку стали в основных я кислых дуговых электропечах.

При плавке стали в основных печах применяют шихту, в ко­торой главной частью является стальной лом (75... 100%) и, кроме

итого, чугун. Расширяется применение губчатого железа и металли-гвованных окатышей.

* В основные печи в качестве шлакообразующих загружают из­вестняк, известь, боксит, шамотный бой, а в качестве окислите­лей— железную руду, агломерат, железорудные окатыши, газо­образный кислород.

По окончании загрузки шихты в печь опускают электроды почти. до соприкосновения с шихтой и включают ток; образуются элек­трические дуги, шихта под электродами и жидкий металл стекают на подину. Электроды проплавляют в шихте так называемые «ко­лодцы», опускаются до крайнего положения и затем при увели­чении количества жидкого металла они поднимаются и в новых местах проплавляют еще шесть колодцев и всего, таким образом, проплавляется девять колодцев.

При плавлении шихты окисляются составляющие ее компонен­ты, образуется шлак, часть серы и фосфора переходят в него. Приме­си окисляются кислородом воздуха, ржавчины и окалины металли­ческой шихты.

Длительность плавки стали в основных дуговых печах емкостью 5... 100 т на заводах СССР составляет 3, 5... 6, 5 ч.

Кислые дуговые электропечи имеют кислую футеровку. В них обычно выплавляют сталь для фасонного литья. В кислые печи за­гружают шихту, состоящую из стального лома, кокса, чугуна или электродного боя. Кислая футеровка более термостойка, чем основ­ная, и поэтому ее можно эксплуатировать с перерывами, что необ­ходимо для литейных цехов, работающих с перерывами. Кроме того, кислые огнеупорные материалы почти в 2, 5 раза дешевле ос­новных. Продолжительность плавки стали и расход электроэнергии в кислой электропечи меньше, чем в основной. Основной недоста­ток кислых печей состоит в том, что при плавке металла из него не удаляются сера и фосфор.

Кроме дуговых электропечей для выплавки стали применяют индукционные печи. В индукционной печи металл расплавляют в тигле, находящемся внутри спирального индуктора, через который пропускают переменный электрический ток. При пропускании тока внутри индуктора создается переменный магнитный поток, кото­рый наводит в металл вихревые токи, обусловливающие нагрев и плавление металла.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каково кристаллическое строение металлов? 2. Какие существуют метал­лические сплавы? 3. Объяснить диаграмму состояния сплавов железо — углерод. 4. В чем сущность доменного процесса получения чугуна? 5. Какие бывают ви­ды чугунов и какова их структура? 6. Как получают сталь в кислородных кон­вертерах? 7. В чем сущность процесса получения стали в электродуговых пе­чах? 8. В чем сущность получения стали в мартеновских печах? 9. Каковы структура и свойства углеродистых сталей? 10. Какие стали называют легиро­ванными н в чем состоит влияние легирующих элементов? II. Какие существуют виды термической обработки стали и в чем заключаются закалка и отпуск

18-1273

24.7. Углеродистые стали

Стали выплавляют в мартеновских печах, конвертерах и в элек­тропечах. Их разделяют на углеродистые и легированные. На до­лю углеродистых сталей приходится приблизительно 90% всей вы­пускаемой в СССР стали, а на долю легированных —10%.

Углеродистые стали имеют сложный химический состав. Кроме

основных компонентов — железа
(97... 99, 5 %) и углерода — они
содержат примеси никеля, хрома,
кремния, марганца, серы, фосфо­
ра, кислорода, азота, водорода
или других элементов. Углероди­
стыми являются стали, которые
содержат мало примесей и в ко­
торых углерод служит основным
элементом, влияющим на свойст­
ва сталей. Углерод и примеси
оказывают непосредственное

влияние на структуру и свойства стали.

Влияние углерода. Как уже отмечалось, доэвтектоидные ста­ли состоят из феррита и перлита, эвтектоидная — из перлита и вторичного цементита. После медленного охлаждения сталь при обычной температуре состоит из двух фаз — феррита и цементита, причем количество феррита уменьшается, а количество цементита повышается пропорциональ­но содержанию углерода. Присутствие этих фаз влияет на твер­дость стали, так как твердость цементита по Бриннелю НВ со­ставляет 8000...8500 МПа (800...850 кГ/мм²), а у феррита 800... 900 МПа (80...90 кГ/мм²). Твердые частицы цементита затруд­няют движение дислокаций и тем препятствуют деформациям, понижают пластичность и вязкость стали. С увеличением содер­жания углерода в стали повышается ее твердость (НВ), предел прочности при растяжении (о_в) и предел текучести (аог), умень­шаются пластичность (относительные удлинение — б, сужение а) и ударная вязкость а_И, рис; 24.26), понижаются плотность, тепло­проводность и магнитная проницаемость, но возрастает ее элект­росопротивление.

Влияние марганца. Марганец содержится в качестве примеси во всех углеродистых сталях примерно в одинаковом количестве,

но не более 0, 8% по массе. Его вводят в стали в виде ферромарган­ца, т. е. сплава железа с марганцем, для раскисления при плавке с целью устранения вредных примесей закиси железа FeO, ухуд­шающих качество стали.

Раскисление состоит в том, что марганец соединяется с кисло­родом закиси железа, образует оксид марганца МпО, основная часть которого, выделяясь из стали, переходит в отделяющийся от стали шлак: FeO-f-Mn-*-Fe-r-MnO. Но некоторая доля оксида мар­ганца остается в стали, а часть марганца растворяется в феррите и цементите, также оставаясь в стали. Марганец способствует уст­ранению вредных примесей сернистых соединений железа. В ре­зультате раскисления улучшаются свойства, в частности повышает­ся прочность горячекатаных стальных изделий.

Влияние кремния. Кремния в углеродистой стали содержится обычно не более 0, 35.-0, 5%. Его вводят как примесь в сталь в виде ферросилиция, т. е. сплава железа с кремнием, с той же целью, что и марганец, —для раскисления при плавке: 2FeO+Si-*--*-2Fe-|-Si02. Основная часть Si0₂ удаляется в виде шлака, но часть оксида кремния, не успевшая всплыть со шлаком, остается в стали. Остается и часть кремния, растворившаяся в феррите. Рас­кисление стали кремнием улучшает ее свойства, повышает плот­ность слитка, так как кремний дегазирует сталь.

Влияние серы. Сера попадает в чугуны и стали из руд и из печ­ных газов (газ S0₂ — продукт горения топлива). Она является вредной примесью и ее должно быть в стали не более 0, 035...0, 06%. Сера образует с железом сульфид железа FeS с появлением легко­плавкой и хрупкой эвтектики (эвтектической смеси Fe+FeS). Пос­ледняя придает стали хрупкость при нагревании ее до 800°С и вы­ше, т. е. до температуры красного каления. Такое явление назы­вают красноломкостью. Сталь, содержащая повышенное количе­ство серы, не поддается горячей обработке давлением вследствие красноломкости. При обработке же стали прокатом или ковкой с нагреванием до 1000... 1200°С эвтектика расплавляется, вследствие чего нарушается связь между зернами стали. Возникают трещины и надрывы в местах расположения эвтектик. При введении в сталь марганца вредное влияние серы, красноломкость практически иск­лючаются, так как марганец имеет более сильное химическое срод­ство с серой, чем железо, и образует с ней тугоплавкий сульфид марганца MnS.

Сернистые включения значительно понижают механические свой­ства стали, ухудшают ее коррозионную стойкость и свариваемость, хотя облегчается обработка стали резанием.

Влияние фосфора. Фосфор содержится в железной руде, флю­сах, топливе и является вредной примесью в стали. Его содержание ограничивается не более чем 0, 025.-0, 045%. Он растворяется в фер­рите, искажая его кристаллические решетки, вследствие чего рез­ко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние, т. е. вызывает так называемую хладноломкость стали.

18'

Фосфор повышает прочность и уменьшает пластичность и вяз­кость стали. Он неоднородно распределяется в стальном слитке (ликвация), вследствие чего некоторые средние участки сталь­ного слитка содержат повышенное количество фосфора, обладают значительно пониженной вязкостью.

В стали содержится небольшое количество газов (азота, кис­лорода и др.), ухудшающих ее свойства.

Содержание неметаллических включений и газов в стали зна­чительно уменьшается при выплавке или розливе ее в вакууме.

24.8. Углеродистые конструкционные стали

Стали, применяемые в машиностроении " и строительстве, на­зывают конструкционными, причем они могут быть углеродистыми и легированными; содержат обычно не более 0, 5... 0, 6% С, обла­дают высокими механическими свойствами.

Углеродистые конструкционные стали разделяют на общего наз­начения и качественную. В зависимости от способа раскисления с уменьшением содержания кислорода сталь разделяют на кипящую, спокойную и пол^спокойную.

Кипящая сталь. Если расплавленная сталь не раскислена или раскислена не полностью, то при остывании происходят реакции между растворенными в ней углеродом и кислородом (а также оксидом железа FeO с образованием газа: (С) -I- (О) =СО_газ. (FeO)-f(C)-»-Fe+CO_ra3- Образующиеся пузырьки газа выделяют­ся из слитка и ее поверхность «бурлит». Эту сталь называют ки­пящей. В ней очень мало кремния (около 0, 05...0, 07% Si), и она раскисляется только марганцем, а в слитке—много газовых пузы­рей, поэтому практически в нем отсутствуют усадочные раковины. Эта сталь обладает высокой пластичностью. Она более хладнолом­ка и способна к старению, хуже сваривается, чем спокойная и по­луспокойная стали. Качество кипящей стали ниже качества спо­койной и полуспокойной, она дешевле их вследствие небольшого объема отходов при ее производстве.

Спокойная сталь. Сталь, содержащая кислород в растворенном состоянии или в виде оксида железа FeO, является красноломкой и поэтому ее нельзя обрабатывать давлением.

Для уменьшения содержания кислорода в стали ее раскисля­ют. Спокойная сталь раскислена полностью марганцем, кремнием и др. Она остывает в изложнице с уменьшением объема, почти не выделяет газов, вследствие чего ведет себя «спокойно».

Слиток из спокойной стали имеет в верхней части усадочную раковину и рыхлость эту дефектную часть отрубают или от­резают.

Полу спокойная сталь. При раскислении стали иногда часть раст­воренного кислорода остается в ней, вследствие чего происходит непродолжительное «кипение» стали. Такую сталь называют по­луспокойной. Ее раскисляют марганцем и алюминием. Она зани-

мает по качеству промежуточное положение между кипящей и спо­койной.

Углеродистые стали общего назначения при плавке меньше очи­щают от вредных примесей, чем качественные стали, и поэтому они содержат больше серы и фосфора. Из них отливают крупные слит ки, которые имеют большую ликвацию.

Стали общего назначения применяют для горячекатаного про­ката — полуфабриката (балок, швеллеров, уголков, листов, поко­вок, прутков), при изготовлении строительных конструкций, в ма­шиностроении и т. д.

Таблица 24.1. Группа А углеродистых сталей общего назначения. Механиче­ские свойства

* Буква Г указывает на повышенное содержание Мп.

Их разделяют на три группы в зависимости от назначения и свойств: А, Б и В.

Стали группы А (табл. 24.1) поставляют по механическим свой­ствам без гарантии химического состава. Эти стали обозначают буквами Ст (сталь) и цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 в порядке увеличе­ния содержания углерода, а значит в порядке поышения прочности и уменьшения пластичности. Применяют главным образом в со­стоянии поставки без горячей обработки (ковки, сварки и др.)

В написании марок буквы обозначают: Ст — сталь; кп — кипя­щая сталь; пс — полуспокойная сталь; сп — спокойная сталь.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом. В начале обозначения марки этих сталей стоит буква Б, например, БстО; Бст1кп; Бст1пс; Бст1сп и т. д.

Стали группы Б подвергаются горячей обработке (ковке, штам­повке и др.), поэтому необходимы данные по химическому соста­ву, т. е. содержанию С, Мп, Si и др. Так, например, сталь БстО со-

держит С 0, 23%, Мп —нет, Si — нет. Сталь БСт1кп: С —0, 6......0, 12%, Мп —0, 25...0, 5%, Si —0, 05%. Сталь БСт1сп: С —0, 06......0, 12%, Мп —0, 25...0, 5%, Si —0, 12...0, 30% и т. д. Содержа­ние других элементов в стали строго ограничено, например, не бо­лее 0, 04% Р, 0, 05 S и др.

В группу В входят стали повышенного качества, которые постав­ляют с гарантированными механическими свойствами (табл. 24.1) и гарантированным составом. В начале обозначения каждой марки таких сталей ставят букву В. Их применяют для сварных конст­рукций, в мостостроении, судостроении и т. д.

Углеродистые качественные стали имеют более высокие пока­затели качества, чем стали общего назначения, а также по хими­ческому составу. Эти стали имеют марки 05кп, 08кп, 08пс, 08, Юкп, 10, Пкп, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70. Числа означают содержание углерода в сталях в сотых долях процента. Их применяют для сварных конструкций, в маши­ностроении.

24.9. Легированные стали и твердые сплавы

Легированными или специальными называют стали, в которые вводят легирующие элементы (от греческого «лега» — сложное). Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее структуры и свойств. К ним относятся: Си, Al, Si, Ti, V, Сг, Nb, W, Mo, Ni, Мп, Со и др.

Легированием повышают коррозионную стойкость сталей, при­дают им стойкость в условиях низких и высоких температур и давлений, повышают прочность, твердость, износостойкость и др. Отдельные легирующие элементы повышают у стали: Си, Si, Cr, Mo, Ni и др. — коррозионную стойкость; Si, Сг, Mo, W, Mn, Ni и др. — твердость и прочность; V, Со, Ni — вязкость; Сг, Mn, Ni — со­противление истиранию и т. д.

Легирующие элементы в стали могут находиться в свободном состоянии (очень редко), в виде твердых растворов замещения в феррите, аустените и цементите (легированный цементит), самосто­ятельных специальных карбидов, химических соединений с желе­зом или друг с другом (интерметаллических) и с неметаллами (оксидов, сульфидов и др.). Более всего легирующие элементы об­разуют твердые растворы и карбиды. Большинство легирующих элементов растворяются в феррите и аустените с образованием твердых растворов замещения. При этом искажается кристалли­ческая решетка железа, изменяются свойства стали. Растворяющи­еся в феррите и аустените легирующие элементы сдвигают темпе­ратурные точки Л₃ и А_А, изменяют температурные области сущест­вования аллотропических модификаций железа, т. е. влияют на полиморфизм железа. Одни из них (Си, Мп, Ni и др.) повышают точку At, и понижают точку А₃, в результате чего на диаграмме состояния железо-легирующий элемент наблюдается расширение

области существования у-модификации и сужение области а-мо-дификации. Другие (В, Al, Si, Ti, V, Cr, Mo, W и др.) понижают точку А₄ и повышают точку Л₃, в результате чего сужают область Y-модификации. Все легирующие элементы сдвигают влево точки 5 и Е на диаграмме FeC. Эти изменения учитывают при термиче­ской обработке легированных сталей.

Легирующие элементы разделяют на две группы — не образую­щие карбидов и карбидообразующие.

Железо и вводимые в сталь легирующие карбидообразующие элементы Мп, Ст, Mo, W, Ni, V и др. (они расположены в порядке повышения степени сродства к углероду) образуют с углеродом карбиды —Мп₃С, Сг₇С₃ Мо₂С, W₂C, NiC, УСидр., повышающие твердость и прочность стали. Железо имеет более низкую степень сродства к углероду, чем легирующие элементы.

В легированных сталях содержатся три фазы: легированные феррит, аустенит и цементит. Легированные феррит и аустенит яв­ляются твердыми растворами легирующих элементов, соответствен­но в а- и у^{_железе}> ^a легированный цементит является цементи­том, в котором часть атомов железа замещена атомами легирующе­го элемента.

Преимущества легированных сталей особенно полно проявля­ются после термической обработки.

Легированные стали классифицируются по различным призна­кам: 1) по равновесной структуре — доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные; 2) по структуре после охлаждения на воздухе — аустенитный, перлитный и мартенситный классы; 3) по химическому составу: а) в зависимости от вида и числа легирующих элементов — хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибдено-вые и др; б) в зависимости от общего содержания легирующих эле­ментов— низколегированные содержат до 2, 5%, сред нелеги ров эн­ные 2, 5... 10% и высоколегированные — более 10% легирующих элементов; 4) по назначению — конструкционные (машинострои­тельная, строительная), с особыми свойствами (коррозионно-стой­кие или нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные и др.) и инстру­ментальные.

Легированные стали маркируют. В обозначении каждой марки стали входят буквы и числа. Буквами обозначаются легирующие элементы: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф— ванадий, X — хром, Ц —цирко­ний, Ч — редкоземельные металлы, Ю — алюминий. Число перед буквой в марке показывает среднее содержание углерода в сталях в сотых долях процента (в высокоуглеродистых инструментальных сталях — в десятых долях процента). Число после буквы пока­зывает примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании легирующего элемента менее 1% чис­ло после буквы не ставится. Например, сталь, содержащая 0, 20......0, 29% С; 1, 2... 1, 6% Мп и 0, 6...0, 9 Si обозначается маркой 25Г2С.

При маркировке высококачественной легированной стали, содер­жащей небольшое количество вредных примесей серы и фосфора (менее 0, 03% и менее 0, 03%Р), в конце обозначения марки ставится буква А. В середине обозначения буква А указывает на специаль­но введенный в сталь азот.

Низколегированные строительные стали. Их применяют для из­готовления строительных стальных конструкций (ферм, мостов, нефтепроводов, газопроводов и др.) и арматуры для железобетон­ных конструкций.

Стальные конструкции обычно являются сварными и поэтому для них применяют хорошо свариваемые малоуглеродистые (менее 0, 22...0, 25% С) низколегированные стали повышенной прочности с добавлением более дешевых легирующих элементов — кремния и, марганца.

Низколегированные стали повышенной прочности имеют марки 17ГС, 16Г2АФ. В них еще содержится 0, 01% N и 0, 1 V. Эти стали обладают высокой пластичностью (6 = 23... 25%) и ударной вяз­костью, повышенной прочностью; предел прочности при растяже­нии 550...600 МПа и предел текучести 350... 450 МПа, а после тер­мической обработки эти показатели становятся еще выше.

Кроме низколегированных сталей повышенной прочности при­меняют и низколегированные стали высокой прочности, имеющие предел текучести более 450 МПа. Например, сталь марки 18Г2АФ имеет ферритно-перлитную структуру со значительно измельчен­ными зернами вследствие наличия в ней нитридов ванадия, что да­ет большое повышение предела текучести (примерно выше на 100 МПа).

В железобетонных конструкциях применяют простые углеродис­тые стали и низколегированные арматурные стали в виде проволо­ки и стержней гладких или периодического профиля. Ненапряжен­ные железобетонные конструкции, в которых сталь испытывает не­большие напряжения, армируют простыми углеродистыми сталями и низколегированными сталями марок 35ГС, 18Г2С и 25Г2С.

Предварительно напряженные конструкции, в которых сталь подвергается большим напряжениям, армируют высокопрочными среднеуглеродистыми, высокоуглеродистыми и низколегированны­ми (марок 45С, 80С, 35ГС, 45ГС, 20ХГ2С, 20Х2Г2Т) сталями в го­рячекатаном или термически упрочненном состоянии путем закал­ки и отпуска.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали. При воздействии внешней среды может происходить разрушение металла, называ­емое коррозией. Коррозионно-стойкими называются стали, обла­дающие высокой стойкостью против коррозии в агрессивных сре­дах. Наиболее подвержены коррозии в различных средах (на воз­духе, в воде и др.) железоуглеродистые и низколегированные стали. В этих случаях на поверхности металлов образуется неплотная ок­сидная пленка, не предохраняющая металл от дальнейшей корро­зии.

При введении некоторых легирующих элементов в сталь скач­кообразно повышается ее коррозионная стойкость, а при опреде­ленном количестве легирующего элемента возможно получение ста­ли, практически не поддающейся коррозии. Название нержавеющей стали дается в зависимости от введенного в нее легирующего

элемента.

Наиболее Широко применяются хромистые нержавеющие ста­ли, а также хромоникелевые. В них главным легирующим элемен­том является хром. Хромистые содержат 0, 08..0, 40% С и 13... 17% Сг и обладают полной коррозионной стойкостью на воздухе, в во­де и некоторых кислотах, щелочах и солях, благодаря тому, что на поверхности стали образуется плотная тонкая пленка оксида хрома, защищающая сталь от коррозии.

Сталь, содержащая менее 12% Сг, подвержена коррозии. Обыч­ные марки хромистых нержавеющих сталей: 08X13, 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, 12X17, 08Х17Т, 14XI7H2 (содержит 1, 5...2, 5% Ni), 15Х25Т, 15X28.

Высокую коррозионную стойкость имеют и хромоникелевые ста­ли. В качестве основных легирующих элементов в них вводят хром и никель. Их получают введением никеля в хромистую сталь, со­держащую 0, 12...0, 14% С и 17... 20% Сг. С введением никеля хро­мистая сталь приобретает аустенитную структуру, что уменьшает склонность зерен к росту, повышает коррозионную стойкость, пре­дотвращает хладноломкость, улучшает механические свойства. Мар­ки хромоникелевых нержавеющих сталей: 12Х18Н8, 12Х18Н9Т, 10Х14Г14НТидр.

Коррозионно-стойкие стали применяют для строительных изде­лий и конструкций, эксплуатируемых в грунтовых и морских во­дах, газах и Других агрессивных средах.

Жаростойкие и жаропрочные стали. В различных областях тех­ники все шире используют высокие температуры и давления. Меж­ду тем при высоких температурах металлы ведут себя иначе, чем при обычных или даже несколько повышенных (300... 350°С) тем­пературах.

Жаростойкими (окалнностойкими) называют стали, стойкие про­тив химического разрушения (окисления) их поверхности в газо­вой среде при температурах выше 550°С, работающие длительное время в ненагруженном или елабонагруженном состоянии. Окали-ностойкость стали повышают легированием ее элементами, обла­дающими большим сродством к кислороду, чем железо, вследст­вие чего в благоприятном направлении изменяются состав и строе­ние окалины.

При окислении стали, легированной алюминием, кремнием или хромом, имеющими большое сродство к кислороду по сравнению с железом, на ее поверхности образуется тонкая плотная пленка ок­сидов АЬОз, SiC> 2 или СГ2О3, затрудняющая дальнейшее окис­ление.

С повышением содержания данных легирующих элементов по-

вышается окалиностойкость стали, что позволяет нагревать ее до более высокой рабочей температуры.

Предельная температура эксплуатации жаростойких сталей составляет 900... 1150°С при содержании хрома 16... 27 %, если дей­ствие нагрузки кратковременное. При высокой температуре металл может иметь высокую прочность, а при длительном ее действии — прочность становится низкой.

Жаростойкие стали содержат 0, 08 г.. 0, 50% С; они легируются главным образом хромом, а также молибденом, вольфрамом, ва­надием.

Легированные инструментальные стали и твердые сплавы. Ле­гированные инструментальные стали применяют в тех случаях, ког­да углеродистую сталь нельзя применять ввиду недостаточной, ее стойкости.

Тонкое лезвие (кромка) режущего инструмента работает под большим удельным давлением, в результате чего оно затупляется, изнашивается. Для обеспечения длительной надежной работы оно должно изготовляться из металла с твердостью выше 60HRC. При больших скоростях резания и особенно твердых металлов кромка режущего инструмента значительно нагревается (до красного ка­ления). В этом случае режущая кромка должна быть из стали, обладающей так называемой красностойкостью (теплостойкостью), т. е. способностью сохранять высокую твердость при продолжитель­ном нагреве.

У низколегированных инструментальных сталей высокая твер­дость сохраняется до 250°С, у высоколегированных — до 600°С.

Марки низколегированных инструментальных сталей: Х06, 85ХФ, 9ХС, ХГ, ХВГ, ХГСВФ, В1 и др.

Низкоуглеродистые инструментальные стали применяют для ре­жущих инструментов, работающих в относительно легких услови­ях, и для изготовления измерительных инструментов.

Высоколегированные, — быстрорежущие стали легируют боль­шим количеством карбидообразующих элементов — ванадием, воль­фрамом, молибденом, хррмом. Возникают высокотвердые специаль­ные карбиды, которые при закалке переходят в твердый раствор.

Эти стали обладают высокой твердостью (горячей твердостью) и высокими режущими свойствами в горячем состоянии и красно­стойкостью, т. е. способностью сохранять высокую твердость во вре­мени. Из них изготовляют режущие инструменты для работы при высоких скоростях резания, когда выделяется много теплоты и ин­струменты сильно нагреваются. Основные марки быстрорежущих сталей: Р18, Р6М5, РЗМЗФЗ, Р6М5Ф2КВ и др.

Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапиц-скорость); число за буквой Р — содержание вольфрама в процентах (буква В не пишется).

После отжига стали всех марок состоят из а-твердого раствора и карбидов.

Ь Твердые металлокерамические сплавы и керметы. Твердые спла-I вы изготовляют на основе тугоплавких карбидов. Они обладают вы-ь сокими прочностью, твердостью, износостойкостью, коррозионной ■ устойчивостью и жаростойкостью. Разогрев кромки режущего ин-С струмента из быстрорежущей стали допустим только до 650°С, а из твердых сплавов разогрев возможен до 800... 1000°С.

Твердые металлокерамические сплавы готовят способом порош­ковой металлургии. Порошки карбидов вольфрама и титана смеши-v вают с кобальтом или никелем (связующим веществом), прессуют и полученные изделия обжигают при высокой температуре (1500......2000°С) до спекания. Обожженные изделия состоят из мельчай­ших зерен карбидов, связанных кобальтом. Полученные изделия обладают высокой твердостью (HRC до 85) вследствие содержания в них 90...95% карбидов и сохраняют ее вплоть до температуры 1000°С. Марки металлокерамических сплавов: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, Т30К6, Т60К6.

Из металлокерамических сплавов готовят режущие пластины, резцы, сверла, фрезы и др.; их применяют для скоростного резания металлов.

Керметы, т. е. керамико-металлические порошковые сплавы, го­товят методом порошковой металлургии. Из порошков неметалли­ческих материалов (карбидов, оксидов, нитридов, силицидов, бо-ридов) и металлов (кобальта, никеля, хрома и др.), являющихся связующим веществом, получают изделия с высокими показателями твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочно­сти.

24.10. Термическая обработка стали

Целью термической обработки стали является изменение ее структуры и свойств. При термической обработке сталь нагревают обычно до температур, при которых образуется аустенит (процесс аустенизации), и охлаждают. При этом происходят фазовые пре­вращения, переход менее устойчивой структуры, полученной пред­шествующей обработкой, в более устойчивую и равновесную.

При нагреве (см. рис. 24.17) выше AC {PSK) образуются заро­дыши кристаллов аустенита и затем его мелкие зерна. При повыше­нии температуры или продолжении выдержки при данной темпера­туре зерна аустенита растут. При охлаждении размеры зерен не изменяются. Аустенит находится в метастабильном состоянии и в нем происходят превращения, он распадается с образованием более стабильных структур; при распаде в области повышенных темпе­ратур образуется структура из феррита и цементита.

При термической обработке значительно изменяются свойства стали, причем наибольшее значение имеет изменение механических свойств.

В зависимости от требований к стальным полуфабрикатам (от* ливкам, поковкам, прокату и др.) и изделиям применяют следую-

щае основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

Отжиг н нормализация стали. Отжигом называют термическую обработку стали, получившей неустойчивое состояние в предыду­щей обработке, путем нагрева выше линии Лс₂ или Ас_{ и медлен­ного охлаждения вместе с печью, что приводит ее в более устойчи­вое состояние.

При нагреве стали выше Ас$ происходит полная ее перекристал­лизация с образованием аустенита, а при медленном охлаждении аустенит распадается и превращается в перлитовые структуры.

Отжиг стали проводят для устранения некоторых дефектов от ее предыдущей горячей обработки (литья, ковки и др.) или для подготовки ее структуры к следующим операциям (закалке; обра­ботке резанием и др.)- Часто отжиг является окончательной тер­мической операцией.

Различают отжиг 1-го и 2-го рода. Отжиг 1-го рода проводят с целью снятия остаточных напряжений и искажения кристалличе­ской решетки, уменьшения неоднородности стали, полученных в результате предшествующей обработки. Он осуществляется при температурах ниже или выше фазовых превращений (650... 1200°С).

Отжигу 1-го рода подвергают стальные отливки, детали, обра­
ботанные резанием; сварные, изделия, холоднодеформированную
сталь и др..

Отжигу 2-го рода подвергают отливки, поковки и прокат для повышения пластичности и вязкости.

При отжиге 2-го рода сталь нагревают до температуры выше линий ЛсзИлиАсх выдерживают при данных температурах и мед­ленно охлаждают. При этом в стали протекают фазовые превра­щения— перекристаллизация, в результате которых ее структура практически становится близкой к равновесной.

При фазовой перекристаллизации происходит измельчение зе­рен, снимаются внутренние напряжения, уменьшается структурная неоднородность, что и обусловливает повышение пластичности и вяз­кости. После отжига сталь имеет низкие прочность и твердость, что облегчает обработку резанием сред неуглерод истой и высокоугле­родистой стали.

Отжиг 2-го рода является в производстве обычно промежуточ­ной операцией, а для многих крупных отливок — окончательной термической обработкой.

Нормализацию (нормализационный отжиг) доэвтектоидных ста­лей производят нагреванием на 50°С выше Лс₃, а за эвтектоидной — на 50°С выше Аст, недолго выдерживают при этих температурах^ для прогрева стали и завершения фазовых превращений и охлаж­дают на воздухе. Происходит полная фазовая перекристаллизация и устраняется крупнозернистая структура, полученная сталью при литье, прокатке, ковке или штамповке, в результате чего улучша­ются ее свойства. При быстром охлаждении на воздухе аустенит распадается при более низких температурах, чем при медленном

охлаждении стали вместе с печью при отжиге, что приводит к об­разованию более дисперсной ферритно-цементитной структуры и на 10... 15% повышает прочность и твердость среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали по сравнению с отжигом.

Нормализация экономнее отжига, так как сталь охлаждается за пределами печи.

Закалка стали. При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30... 50°С выше Ас₃, а заэвтектоидные — на 30... 50°С выше Ас_и выдерживают при этих температурах для завер­шения фазовых превращений и с большой (выше критической) ско­ростью охлаждают, точнее переохлаждают до низких температур, когда невозможны диффузионные процессы. Углеродистые стали чаще охлаждают в воде, а легированные — в минеральном масле или других средах.

' Рис. 24.27. Микроструктура мартенсита:

а — низкоуглеродистый пакетный (Х800); б — высокоуглеродистый пластинчатый мартенсит н остаточный аустенит (ХБОО)

В результате закалки значительно повышается твеодость ста­ли. Закалка является прмежуточной, не окончательной термиче­ской операцией. После закалки сталь подвергают отпуску для уменьшения внутренних напряжений и хрупкости, возникших в результате закалки и для придания стали необходимых механи­ческих свойств.

Доэвтектоидные стали, имеющие структуру феррит-f перлит, при нагревании на 30... 50°С выше Ас приобретают структуру аустени­та, который при непрерывном быстром охлаждении превращается в мартенсит —пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в а-железо (рис. 24.27). При переохлаждении стали, имеющей струк­туру аустенита, до температуры ниже А_х аустенит приобретает ме-тастабильное состояние и происходит его бездиффузионное превра­щение а мартенсит, являющийся структурой закаленной стали. Мар-тенситное превращение — фазовое. В закаленной стали кроме мар­тенсита имеется остаточный аустенит, так как мартенситное пре­вращение происходит не полностью.

Содержание углерода в мартенсите может доходить до 2, 14%, т. е. как и в исходном аустените, в то время как в равновесном

состоянии растворимость углерода в а-железе при 20°С не более 0, 002%.

Мартенсит имеет высокие твердость и прочность, причем твер­дость повышается с увеличением содержания углерода в стали, од­нако при этом повышается его хрупкость и уменьшается пластич­ность. Твердость мартенсита в стали с 0, 6...0, 7% С составляет HRC65, что превышает твердость феррита в 6 раз. Временное со­противление мартенсита при 0, 6... 0, 7% С достигает 2000... 2300 МПа. Высокую твердость мартенсит имеет главным образом благодаря влиянию атомов углерода, внедрения в решетку а-желе-за, созданию неоднородности строения.

При закалке заэвтектоидных сталей их нагревают несколько выше Ас\, при этом образуется аустенит и в них остается некоторое количество вторичного цементита. Охлажденная сталь состоит из мартенсита и частиц карбидов, имеющих высокую твердость. В ре­зультате этого закаленная заэвтектоидная сталь имеет высокую твердость. Способы закалки, выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров изделия и требуемых свойств закаленной стали. Применяют следующие основные способы закалки: непре­рывную, прерывистую и ступенчатую.

Непрерывная закалка — с полным охлаждением в одном охла­дителе (в воде или минеральном масле) —самая простая и приме­няется наиболее широко. Ее применяют для простых изделий из углеродистых и легированных сталей.

Прерывистая закалка или закалка в двух средах: изделие быст­ро охлаждают в воде до температуры несколько выше точки Мн (температуры начала мартенситного превращения), быстро пере­носят в другую среду с меньшей скоростью охлаждения (мине­ральное масло, воздух), в которой они охлаждаются до 20°С. При охлаждении во второй среде в стали уменьшаются внутренние на­пряжения. Этим способом закаляют инструменты из высокоугле­родистой стали.

Ступенчатая закалка. Стальное изделие охлаждают в среде расплавленных солей: 45% NaN0₃ или NaN0₃+55% KNO3, а так­же в расплавленных щелочах: 20% NaOH+80% КОН, температура которых несколько выше Мн (обычно 180...250°С), недолго выдер­живают в ней и затем окончательно охлаждают на воздухе до ком­натной температуры, когда и происходит закалка, т. е. превраще­ние аустенита в мартенсит. При выдержке изделия в закалочной среде выравнивается температура по сечению изделия. Охлаждение в две ступени уменьшает внутренние напряжения и поэтому умень­шает закалочную деформацию.

При ступенчатой закалке в стали остается больше аустенита, чем при непрерывной закалке, так как мартенситное превращение, протекающее при охлаждении на воздухе, менее полное, чем при непрерывной закалке. В результате уменьшаются объемные изме­нения из-за большого содержания остаточного аустенита, короб-

ление вследствие почти одновременного мартенситного превраще­ния по всему изделию, возможность образования трещин.

Отпуск стали. Состояние закаленной стали является неравно­весным (неустойчивым), в ней даже без нагрева происходят пре­вращения и она может приближаться к равновесному состоянию. При нагреве стали увеличивается подвижность атомов и благодаря этому состоянию закаленной стали все больше приближается к равновесному.

Рис. 24.28. Микроструктура стали (0, 45%С) после отпуска (Х500):

о —троостит, отпуск при 400°С; б —сорбит, отпуск при 550°С

Отпуском называют температурную обработку, состоящую из на­грева закаленной стали ниже температуры равновесного фазового превращения (ниже Ла), выдержке при этой температуре и ох­лаждении на воздухе или в воде с целью получения более устой­чивого состояния структуры стали.

При отпуске закаленной стали выше 400°С образуется смесь феррита и цементита. При отпуске в пределах 350... 500°С отпу­щенная сталь имеет структуру так называемого троостита, а при 500...600°С —сорбита (рис. 24.28), обладающих разной степенью дисперсности частиц цементита и разной твердостью.

Троостит представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита, а сорбит — менее дисперсную (среднедисперсную) смесь феррита и цементита (для сравнения укажем, что перлит —грубо-дисперсная смесь феррита и цементита). С повышением степени дисперсности структуры повышаются твердость и прочность, ко­торые у тростита больше, чем у сорбита.

Сорбит имеет более высокую пластичность (6, if), чем тро­остит.

Различают низко-, средне- и высокотемпературный отпуски.

При низкотемпературном (низком) отпуске закаленную сталь нагревают до 250°С. Мартенсит закалки превращается в отпущен­ный мартенсит, при этом уменьшаются закалочные микронапря-

•jfifi

ЪЫ

ження, повышаются прочность и немного вязкость, а также незна­чительно понижается твердость. Такому отпуску подвер