Сталь и чугун

Различя стали  и Чугуна

Сталь и чугун, отличаются они содержанием, что влияет на его  механические своиства  способом закаливания. Так как в основе и стали, и  чугуна железо, а отличается он только наличием примесей и количеством  содержащегося в нем углерода. Если же говорить о его механических своиствах, то сталь является пластичным и гибким чем чугун. Чугун от железа отличается тем, что он не деформируется. Это главное достоинство чугуна. Чугун более хрупок чем сталь, но более прост в изготовлении. Способ закаливание тоже в свою очередь влияет на своиства, у чугуна он более прост.

Сталь - это железо с содержанием углерода менее 2.14 процента.

Чугун - это железо с содержанием углерода более 2.14 процента.

 

 

Сталь 

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа с углеродом и другими элементами, характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь  могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с  углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Классификация

Стали делятся на конструкционные  и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая  сталь.

По химическому составу  стали делятся на углеродистые[3] и легированные[4]; в том числе  по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов  делятся на низколегированные —  до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и  высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь  разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают  две и более фаз, то сталь разделяют  на двухфазную и многофазную.

 

 

 

 

Производство  стали

Суть процесса переработки  чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора  и серы, которые делают сталь хрупкой  и ломкой. В зависимости от способа  окисления углерода существуют различные  способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический. К финансовому кризису в 2008 году Украина оставалась одной из немногих стран, где широко использовался  мартеновский способ выплавки стали, достаточно энергозатратный и экологически вредный. Сейчас большинство мартеновских печей в Украине выведено из эксплуатации, а те что остались, вскоре также  будут закрыты. Мартеновский способ выплавки стали не выдерживает конкуренции, обострившейся на мировых рынках после 2008 г. Таким образом, сейчас в  Украине, как и во всем мире, подавляющее  большинство стальной продукции  производится конвертерным способом. Украина по состоянию на 2008 г. занимает пятое место в мире по объёмам  экспорта стали, 76,46 % стали, производимой на мировом рынке, приходится на десять ведущих стран.

 

Кислородно-конверторный способ получения стали

По этому способу окисления  избыток углерода и других примесей чугуна окисляют в присутствии кислородом воздуха, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением  в специальных печах — конверторах. Конвертер представляет собой грушевидную  стальную печь, футерованную внутри огнеупорным  кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Емкость конвертора 50-60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2; имеющий кислотные  свойства), или доломитная масса (смесь CaO и MgO, которые получают из доломита MgCO3 • CaCO3. Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала  футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

 

Бессемеровский  способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода  сначала окисляется кремний с  выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная  температура чугуна примерно с 1300° C быстро поднимается до 1500—1600° С. Выгорания 1 % Si обусловливает повышение  температуры на 200° C. Около 1500° C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания  кремния и углерода:

Si + O2 = SiO2

2C + O2 = 2CO ↑

2Fe + O2 = 2FeO

 

Образующийся монооксид  железа FeO, хорошо растворяется в расплавленном  чугуне и частично переходит в  сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит  в шлак:

FeO + SiO2 = FeSiO3

 

Фосфор полностью переходит  из чугуна в сталь, так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными  оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому  фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

 

Все процессы в конверторе идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый  через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным  кислородом, процессы ускоряются. Монооксид  углерода CO, образующийся при выгорании  углерода, пробулькивает вверх, сгорает  там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который  по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и  служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного  монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому  перед разливкой сталь надо обязательно  раскислить с помощью различных  раскислителей — ферросилиция, фероманганца или алюминия:

2FeO + Si = 2Fe + SiO2

FeO + Mn = Fe + MnO

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3

 

Монооксид марганца MnO как  основной оксид реагирует с SiO2 и  образует силикат марганца MnSiO3, который  переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и  переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского  способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что  далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое  выгорания металла, и выход стали  составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много  раскислителей. Серьезным недостатком  является невозможность регулирования  химического состава стали.

 

Бессемеровская сталь  содержит обычно менее 0,2 % углерода и  используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п..

[править]

Томасовский способ

 

Томасовские способом перерабатывают чугун с большим содержанием  фосфора (до 2 % и более). Основное отличие  этого способа от бессемеровского  заключается в том, что футеровку  конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов  с основными свойствами.

 

В этих условиях фосфатный  ангидрид P2O5, который возникает при  сгорании фосфора, взаимодействует  с избытком CaO с образованием фосфата  кальция, переходит в шлак:

4P + 5O2 = 2P2O5

P2O5 + 3CaO = Ca3(PO4)2

 

Реакция горения фосфора  является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 ° C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в  расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

FeS + CaO = FeO + CaS

 

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровский способе. Недостатки Томасовского способа  такие же, как и бессемеровского. Томасовские сталь также малоуглеродная и используется как техническое  железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п.

 

В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P2O5. Его размалывают и применяют  как фосфорное удобрение на кислых почвах.

 

Мартеновская  печь

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание  избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь состоит  из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер  регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенераторы нагреваются печными  газами, горючий газ и воздух вдуваются  в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через  некоторое время, когда первые два  регенератора нагреваются, поток газов  направляют в противоположном направлении  и т. д.

Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину  до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну  загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также  известняк как флюс. Температура  печи поддерживается при 1600—1650° C и  выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счет избытка  кислорода в горючей смеси  с теми же реакциями, что и в  конверторе, а когда над расплавленным  чугуном образуется слой шлака —  за счет оксидов железа

4Fe2O3 + 6Si = 8Fe + 6SiO2

2Fe2O3 + 6Mn = 4Fe + 6MnO

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑

5Fe2O3 + 2P = 10FeO + P2O5

FeO + С = Fe + CO ↑

 

Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов  образуются силикаты и фосфаты, которые  переходят в шлак. Сера тоже переходит  в шлак в виде сульфида кальция:

MnO + SiO2 = MnSiO3

3CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2

FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как  и конверторы, работают периодически. После разливки стали печь снова  загружают шихтой и т. д. Процесс  переработки чугуна в сталь в  мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертора в мартенах можно легко  регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и  руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрева  печи прекращают, сливают шлак, а  затем добавляют розкисникы. В  мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие  металлы или сплавы.

 

Электротермический  способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь  очень высокого качества и точно  регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего  сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи —  не ниже 2000° C. Это позволяет проводить  плавку стали на сильно основных шлаках (которые трудно плавятся), при которых  полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой  температуре в электропечах можно  легировать сталь тугоплавкими металлами  — молибденом и вольфрамом. Но в  электропечах расходуется очень  много электроэнергии — до 800 кВт / ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения  высококачественной спецстали.

 

Электропечи бывают разной емкости — от 0,5 до 180 т. Футеровку печи делают обычно основной (с CaO и MgO). Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определенной пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.

 

Обработка стали

 

Виды термообработки

Сталь в исходном состоянии  достаточно пластична, её можно обрабатывать путем деформирования: ковать, вальцеваты, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно  изменять свои механические свойства после термической обработки  сущность которой заключается в  изменении структуры стали при  нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие  виды термической обработки:

отжиг;

нормализация;

закалки;

отпуск.

 

Чем богаче сталь на углерод, тем она тверже после термической  обработки. Сталь с содержанием  углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддается.

 

Химико-термическая  обработка сталей

Химико-термическая обработка  сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава  поверхностного слоя путем добавления различных химических веществ до определенной глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования  контролируемых систем нагрева и  охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространенных целей, относящихся при использовании  этих технологий является повышение  твердости поверхности при высокой  вязкости сердцевины, уменьшение сил  трения, повышения износостойкости, повышения устойчивости к усталости  и улучшения коррозионной стойкости. К этим методам относятся:

Цементация (C) увеличивает  твердость поверхности мягкой стали  из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.

Азотирования (N) как и  цементация увеличивает поверхностную  твердость и износостойкость  стали.

Цианирования и нитроцементация (N + C) — это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом  и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем  составе группу NaCN, а при нитроцементации  — смесь аммиака с газами, которые  имеют в составе углерод (СО, СН4 и ​​др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.

Сульфатирования (S) — насыщение  поверхности серой улучшает приработки трущихся поверхностей деталей, уменьшается  коэффициент трения.