Чугун
Оглавление.
1. Классификация углеродистых сталей.Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали……………………………………2
2.Поверхностная закалка стали.Методы,режимы,
3.Сварочный трансформатор и
выпрямитель. Принципиальное устройство,обозначение,
4.Назначение и основные функции
покрытия электродов для ручной дуговой
сварки,Условное обозначение покрытых
электродов……………………………………………………
5. Силы резания, мощность и крутящий момент резание при точении..18
6.Работы выполняемые на станках
строгально-долбёжной группы и применяемый
режущий инструмент. Точность и чистота
обработки, Приведите схему обработки
и на ней укажите элементы режима резания……………………………………………………………
7.Список литературы…...…………………………………………
1. Чугун
Чугуны — это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении. Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.
Производство чугуна в доменной печи. Выплавка
чугуна производится в огромных доменных
печах, выложенных из огнеупорных кирпичей
достигающих 30 м высоты при внутреннем
диаметре около12 м. Доменную печь загружают
сначала коксом, а затем послойно агломератом
и коксом. Горение и необходимая для выплавки
чугуна температура поддерживаются вдуванием
в горн подогретого воздуха или кислорода.
Последний поступает в кольцевую трубу,
расположенную вокруг нижней части печи,
а из нее по изогнутым трубкам через фурмы
в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2,
который, поднимаясь вверх и проходя сквозь
слои наколенного кокса, взаимодействует
с ним и образует СО. Образовавшийся оксид
углерода и восстонавливает большую часть
руды, переходя снова в СО2. Процесс восстановления
руды происходит главным образом в верхней
части шахты. Его можно выразить суммарным
уравнением: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Пустую породу
в руде образуют, главным образом диоксид
кремнияSiO2.
Это – тугоплавкое вещество. Для превращения
тугоплавких примесей в более легкоплавкие
соединения к руде добавляются флюс . Обычно
в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии
его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся
в виде шлака. При восстановлении руды
железо получается в твердом состоянии.Постепенно
оно опускается в более горячую часть
печи – распар - и растворяет в себе углерод;
образуется чугун. Последний плавится
и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие
шлаки собираются на поверхности чугуна,
предохраняя его от окисления. Чугун и
шлаки выпускают по мере накопления через
особые отверстия, забитые в остальное
время глиной.
Сталь
Сталь - это сплав железа с углеродом. Содержание углерода до 2 %.
Сталь - основной материал, широко применяемый в машино- и приборостроении, строительстве, а также для изготовления различных инструментов.
Производство стали. В стали по сравнению с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизить концентрацию веществ путем окислительной плавки. В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических печах. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностью и подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением. Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Дендритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению полосчатой структуры. Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства. Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности.
Исходные материалы.
Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.
Сравнение свойств чугуна и стали
Отличия.
Содержание углерода в стали до 2%, в чугуне – более 2%
Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью, в отличие от стали. Основные трудности при сварке обусловлены высокой склонностью его к отбеливанию, т.е. появлению участков с выделениями цементита, а также образованию трещин в шве и околошовной зоне.
Чугун имеет низкую по сравнению со сталью температуру плавления (1200-1250оС) и быстро переходит из жидкого состояния в твёрдое. Это вызывает образование пор в шве, поскольку интенсивное выделение газов из сварочной ванны продолжается и на стадии кристаллизации.
В стали растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонность сплава к ликвации.
Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна.
Сходства.
Марганец повышает прочность стали и чугуна, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна и стали (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин).
2.Влияние углерода, постоянных примесей и легирующих элементов на свойства стали.
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей Мп, Si, S, Р, О, N, Н и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (Р, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Мп, Si) или из шихты — легированного металлического лома (Cr, Ni и др.). Эти же примеси, но в больших количествах, присутствуют и в чугунах.
Влияние углерода.
Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. Частицы цементита повышают сопротивление деформации, и, кроме того, они уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали углерода возрастает твердость, временное сопротивление, предел текучести, уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость. Влияние кремния и марганца.
Содержание кремния в углеродистой стали в качестве примеси обычно не превышает 0,35—0,4 %, а марганца 0,5—0,8 %. Кремний и марганец переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т. е. соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов переходят в шлак; раскисление улучшает свойства стали. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести. Это снижает способность стали к вытяжке и особенно холодной высадке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки и холодной высадки, содержание кремния следует брать пониженным.
Влияние серы.
Сера
является вредной примесью в
стали. С железом она образует
химическое соединение FeS, которое
практически нерастворимо в
Фосфор
является вредной примесью, и
содержание его в стали
Влияние азота, кислорода и водорода.
Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений, как твердые растворы или в свободном виде; они располагаются в дефектных участках металла (раковинах, трещинах и др.). Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (оксиды, нитриды, частицы шлаков и т. п.), являясь концентраторами напряжений, могут сильно понизить, если они присутствуют в значительных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкость разрушения. Очень вредным является растворенный в стали водород, который сильно охрупчивает сталь. Поглощенный при выплавке стали водород не только охрупчивает сталь, но приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов. Флокены представляют собой очень тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен — хлопьев серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности. Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле. Широко применяемые в последние годы выплавка или разливка в вакууме значительно уменьшают содержание водорода и других газов в стали.Молибден, ванадий, вольфрам, хром повышают прочность и вязкость сталей, ухудшая их обрабатываемость. Эти элементы образуют твердые растворы с железом и карбиды различного состава и твердости, как следствие возрастает истирающая способность материала.Хром значительно снижает теплопроводность стали.Кобальт – наоборот повышает теплопроводность, несколько снижает прочность и вязкость стали. Никель способствует упрочнению стали и снижает обрабатываемость резанием.
3.Свойства конструкционных материалов. Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых — эксплуатационные, технологические и экономические. Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа — чугуны и особенно стали. Стали обладают высоким, наследуемым от железа, модулем упругости (Е = 210 ГПа).
Прочность – способность металлов оказать сопротивление деформации или разрушению статистическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статистических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается. В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статистические, динамические и знакопеременные.
Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Твердость – способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Производят испытание на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на микро-твердость. Наиболее распространённые первые два метода.
Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Износ заключается в отрыве от трущейся поверхности отдельных её частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.Кроме комплекса этих важных для работоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным материалом. При соответствующем легировании и технологии термической обработки сталь становится либо износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также приобретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К томужеонисравнительнонедороги. Благодаря этим достоинствам стали — основной металлический материал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.
4.Графитизация чугунов.
Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В соответствии с диаграммой Fe—C ниже линии C'D' образуется первичный графит, по линии E'C'F' — эвтектический графит, по линии Е'S' — вторичный графит и по линии P'S'К'— эвтектоидный графит.
Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.
Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:
- бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;
- диффузия атомов углерода к центрам графитизации;
- рост выделения графита.
При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада Fe3C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.
В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.
Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe3C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe3C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.
Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.
Половинчатые чугуны — занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe3C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами. Структурная диаграмма (рис. 7.2) приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержания кремния и углерода при содержании 0,5 % Mn и заданной скорости охлаждения (при толщине стенки отливки 50 мм).
Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° С фосфидной эвтектики.
Рис. Структурная диаграмма:
1 — белые чугуны; 2 — половинчатые чугуны;
3, 4, 5 — серые чугуны на
перлитной, феррито-перлитной
и ферритной основе соответственно
Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.
5. Ковкие чугуны.
(КЧ), которые получают в результате отжига белого чугуна, характеризуются повышенной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью вследствие образования при отжиге хлопьевидного графита. Основные преимущества КЧ заключаются в однородности их свойств по сечению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механических свойствах и хорошей обрабатываемости. Отличительной особенностью высокопрочных чугунов с шаровидным графитом (ЧШГ) являются еще более высокие прочностные свойства, обусловленные сферической формой графита, при которой в меньшей степени, чем при других формах графита, ослабляется рабочее сечение матрицы и гораздо ниже концентрация напряжений у графитовых включений.
Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей. При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость. При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две — предел прочности при изгибе.
Список использованной литературы
- Джулия Белл. Портфолио: — Москва, АСТ, Астрель, 2002 г.- 62 с.
- Закаляйся, как сталь. Правильное закаливание и моржевание: М. Буров — Москва, Феникс, 2006 г.- 224 с.
- Износостойкие белые чугуны: М. Е. Гарбер — Москва, Машиностроение, 2010 г.- 280 с.
- Россия и Франция, XVIII - XX века. Выпуск 7: — Санкт-Петербург, Наука, 2006 г.- 406 с.
Рыбаков Дмитрий Витальевич, № группы 8211 Агроинженерия- Технические системы в агробизнесе, заочная форма обучения
