Продукты доменной плавки

Вопрос №3 Укажите продукты доменной плавки. Их состав, свойства и применения.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

1. Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).  
2. Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).  
3. Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1 ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

        Вопрос  №17  Начертите в масштабе диаграмму Fe-Fe3C. Укажите в областях диаграммы наименования всех структур. Пользуясь этой диаграммой, опишите структурные превращения в стали 30, при медленном ее охлаждении от 1400С до 20С.

       Вопрос №26  Объясните изменения структур и свойств в стали 45 после полного отжига, закалки в воду и низкого отпуска.

 ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ  ПРИ ОТПУСКЕ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ.

Операция отпуска проводится после закалки стали. Само название этой операции говорит о том, что сталь как бы отпускается из напряженного, закаленного состояния. В результате снижается хрупкость, повышается вязкость и сопротивление ударной нагрузке.

Посмотрим, какие же изменения происходят в закаленной стали при отпуске. Как мы уже видели, структура закаленной стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе, что вызывает сильные внутренние напряжения. Вследствие этого атомная решетка искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную, а сталь приобретает хрупкость и легко разрушается при ударных нагрузках. Если же устранить внутренние напряжения, то, не снижая прочности и твердости стали, можно уменьшить хрупкость и тем самым существенно улучшить ее эксплуатационные свойства, что и достигается операцией отпуска с нагревом до температуры 150—200°С. Это так называемый низкий отпуск. Что же происходит при низком отпуске? Под действием повышенной температуры атомы углерода приобретают более высокую подвижность и благодаря этому выходят из твердого раствора. Они образуют с атомами железа химическое соединение — карбид Fe2C При этом внутренние напряжения в атомной решетке железа уменьшаются, и в результате снижается хрупкость закаленной стали. Образующиеся карбиды имеют настолько малые размеры, что их невозможно обнаружить с помощью микроскопа, поэтому видимых изменений в микроструктуре после низкого отпуска не наблюдается. Зато свойства стали существенно улучшаются.

Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда после закалки необходимо сохранить высокую твердость и износостойкость стали. Для завершения всех процессов, происходящих при низком отпуске, достаточно дать выдержку при температуре 200°С в течение 1 ч. Хотя при этом не весь углерод выходит из раствора, однако продолжение выдержки не дает существенных изменений. Твердость стали после низкого отпуска зависит от содержания в ней углерода. В высокоуглеродистых сталях, содержащих более 0,7% С, она бывает обычно в пределах HRC 59—63.

Закалка стали

При повышении температуры отпуска до 200—300°С происходят изменения в структуре: остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. В легированных сталях это превращение происходит при более высокой температуре. В некоторых высоколегированных сталях, например, в быстрорежущих, которые содержат до 35% остаточного аустенита, превращение его в мартенсит происходит при нагреве свыше 500°С.

При дальнейшем повышении температуры до 300— 400°С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из твердого раствора. Карбид Fe2C преобразуется в знакомый нам цементит Fe3C. Иными словами, в результате отпуска при 300—400°С происходит распад мартенсита и образуется структура, состоящая из феррита, в котором будут равномерно распределены мельчайшие кристаллики цементита. Такая структура называется трооститом. Твердость троостита приблизительно HRC 45—50.

При повышении температуры отпуска до 450°С и более происходят существенные изменения как в структуре, так и в свойствах закаленной стали, обусловленные укрупнением цементитных частиц: мелкие частицы как бы сливаются с более крупными. Такой процесс называется коагуляцией цементита. При температуре отпуска свыше 450°С частицы цементита становятся настолько крупными, что их без труда можно различить при наблюдении под микроскопом. Такую ферритно-цементитную структуру, полученную в результате закалки и отпуска при указанной температуре, называют сорбитом. Таким образом, сорбит отличается от троостита только тем, что частицы цементита в нем более крупные. Твердость сорбита приблизительно HRC 30—45.

Если теперь повысить температуру отпуска до 600— 650°С, то частицы цементита укрупнятся настолько, что структура по виду будет приближаться к обычному перлиту, который был до закалки. Тем не менее будут и отличия: перлит, полученный после закалки и отпуска, будет иметь более однородное мелкодисперсное строение. Это способствует улучшению свойств стали, и потому сочетание закалки с высоким отпуском носит название улучшения.

Печи для отжига

Отпуск закаленной стали в интервале температур 300—450°С принято называть средним, а отпуск в интервале температур 500—600°С — высоким.

При среднем отпуске закаленной стали образуется трооститная структура, и сталь приобретает наиболее упругие свойства. Поэтому такой отпуск применяют при обработке рессорно-пружинных сталей.

При высоком отпуске образуется сорбитная структура. При этом значительно снижается твердость стали, но зато существенно повышается ее вязкость и сопротивление ударной нагрузке (ударная вязкость). Кроме того, как установлено исследованиями, высокий отпуск почти полностью (на 90—95%) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической нагрузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др.

Отпуск легированных сталей имеет существенные особенности. До температуры 150°С легирующие элементы не оказывают существенного влияния на процесс отпуска. Но при более высоких температурах такие элементы, как хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний, тормозят распад мартенсита, а также образование и рост (коагуляцию) карбидных частиц. Объясняется это тем, что как для распада мартенсита, так и для роста карбидных частиц необходима диффузия (перемещение) атомов углерода, а легирующие элементы препятствуют этому. Поэтому в углеродистых сталях мартенсит сохраняется только до 300—350°С, в легированных сталях — до 450—500°С, а в высоколегированных он может сохраняться до еще более высоких температур. Это имеет важное практическое значение для деталей и инструментов, от которых требуется сохранение высокой твердости и износостойкости в условиях повышенной температуры.

     Вопрос №  36 Объясните маркировку следующих материалов: У10, СЧ24, 40ХС, ЛО70-1,БрАЖН10-4-4, д1, АЛ9, Р6М5.

У10

Инструмента́льная углеро́дистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

Применение инструментальной углеродистой стали

У10- Для игольной проволоки.

СЧ24- Маркировка чугуна

 
Чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которых характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм2). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ12-28; СЧ15-32; СЧ18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32-52; СЧ 38-60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три - перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ 24-44, имеющего предел прочности при растяжении 24 кгс/мм2, предел прочности при сжатии составляет 85 кгс/мм2. Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность.

40ХС

Марка: 40ХС 
Классификация: Сталь конструкционная легированная  
Применение: валы, шестерни, муфты, пальцы и другие улучшаемые детали небольших размеров, к которым предъявляются требования высокой прочности, упругости, износостойкости.

 ЛО70-1

Латунь ЛО70-1   ГОСТ 15527-7 Латунь оловянная.

БрАЖН10-4-4

 АЛ9

 Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9—13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химическому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).

Р6М5

     Вопрос №46  Коррозия. Перечислите методы защиты от коррозии.

Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала, будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н2О + ЗО2 = 4Fe(OH)3. Гидратированный оксид железа Fe(OН)3 и является тем, что называют ржавчиной.

Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

1. Конструкционный
2. Активный
3. Пассивный

Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали, кортеновские стали, цветные металлы. При проектировании конструкции стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки.

Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя. Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла. Другой метод — использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие.

В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).

Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другими металлами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищает сталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательный потенциал и коррозирует первым. Ионы Zn2+ токсичны. При изготовлении консервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие от оцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно, начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другая возможность защитить металл от коррозии — применение защитного электрода с большим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этого специально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роли катода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод, называют, соответственно, анодом протекторной защиты. Этот метод применяют для защиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенных под землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепят цинковые пластинки.

Если сравнить потенциалы цинка и магния с железом, они имеют более отрицательные потенциалы. Но тем не менее корродируют они медленнее вследствие образования на поверхности защитной оксидной плёнки, которая защищает металл от дальнейшей коррозии. Образование такой плёнки называют пассивацией металла. У алюминия её усиливают анодным окислением (анодирование). При добавлении небольшого количества хрома в сталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющей стали — более 12 процентов.

Система холодного цинкования

Система холодного цинкования предназначена для усиления антикоррозионных свойств комплексного многослойного покрытия. Система обеспечивает полную катодную (или гальваническую) защиту железных поверхностей от коррозии в различных агрессивных средах

Система холодной оцинковки бывает одно-, двух- или трехупаковочной и включает:

• связующее — известны составы на хлоркаучуковой, этилсиликатной, полистирольной, эпоксидной, уретановой, алкидной (модифицированной) основе;
• антикоррозионный наполнитель — цинковый порошок («цинковая пыль»), с содержанием более 95 % металлического цинка, имеющего размер частиц менее 10 мкм и минимальную степень окисления.;
• отвердитель (в двух- и трех- упаковочных системах)

Одноупаковочные системы холодного цинкования поставляются готовыми к применению и требуют лишь тщательного перемешивания состава перед нанесением. Двух- и трехупаковочные системы могут поставляться в нескольких упаковках и требуют дополнительных операций по приготовлению состава перед нанесением (смешивание связующего, наполнителя, отвердителя).

После приготовления (двух- и трёхупаковочные системы), нанесения состава на защищаемую поверхность металла кистью, валиком, методом пневматического или безвоздушного распыления и высыхания на поверхности металла образуется цинкнаполненное противокоррозионное покрытие — полимерно-цинковая плёнка, сохраняющая все свойства полимерного покрытия, которое использовалось в качестве связующего, и одновременно обладающая всеми защитными достоинствами обычного цинкового покрытия.

Преимущества системы холодной оцинковки по сравнению со способом горячей гальванизации:

1. Простота и меньшая трудоёмкость технологии нанесения защитного цинкового покрытия. Для нанесения покрытия не требуется специальное оборудование.
2. Возможность антикоррозионной защиты металлоконструкций любых размеров, как в заводских так и в полевых условиях.
3. Возможность исправления непосредственно на месте абразивных повреждений покрытия и дефектов, возникающих при сварке металлоконструкций.
4. Экологически чистый процесс нанесения покрытия: нет необходимости производить работы в горячем цеху.
5. Создание на поверхности железа гибкого слоя цинка (не образующего микротрещин при изгибании металлоизделия).

Система холодного цинкования применяется во всех видах промышленности и в быту, где требуется надёжная и долговечная защита железных поверхностей от коррозии.

Помимо использования в качестве грунтовочного слоя в комплексном многослойном покрытии система холодной оцинковки может применяться как самостоятельное антикоррозийное покрытие металлических поверхностей.

Газотермическое напыление

Для борьбы с коррозией используют также методы газотермического напыления. 
С помощью газотермического напыления на поверхности металла создается слой из другого металла/сплава, обладающий более высокой стойкостью к коррозии (изолирующий) или наоборот менее стойкий (протекторный). Такой слой позволяет остановить коррозию защищаемого металла. Суть метода такова: газовой струей на поверхность изделия на огромной скорости наносят частицы металлической смеси, в результате чего образуется защитный слой толщиной от десятков до сотен микрон. Газотермическое напыление также применяется для продления жизни изношенных узлов оборудования: от восстановления рулевой рейки в автосервисе до нефтедобывающих компаний

Термодиффузионное цинковое покрытие

(ГОСТ 9.316-2006). Для  эксплуатации металлоизделий в  агрессивных средах, необходима  более стойкая антикоррозионная  защита поверхности металлоизделий. Термодиффузионное цинковое покрытие является анодным по отношению к чёрным металлам и электрохимически защищает сталь от коррозии. Оно обладает прочным сцеплением (адгезией) с основным металлом за счет взаимной диффузии железа и цинка в поверхностных интерметаллитных фазах, поэтому не происходит отслаивания и скалывания покрытий при ударах, механических нагрузках и деформациях обработанных изделий.

Диффузионное цинкование, осуществляемое из паровой или газовой фазы при высоких температурах (375—850 °C), или с использованием разрежения (вакуума) — при температуре от 250 °C, применяется для покрытия крепёжных изделий, труб, деталей арматуры и др. конструкций. Значительно повышает стойкость стальных, чугунных изделий в средах, содержащих сероводород (в том числе против сероводородного коррозионного растрескивания), промышленной атмосфере, морской воде и др. Толщина диффузионного слоя зависит от температуры, времени, способа цинкования и может составлять 0,01—1,5 мм. Современный процесс диффузионного цинкования позволяет образовывать покрытие на резьбовых поверхностях крепёжных изделий, без затруднения их последующего свинчивания. Микротвёрдость слоя покрытия Hμ = 4000 — 5000 МПа. Диффузионное цинковое покрытие также значительно повышает жаростойкость стальных и чугунных изделий, при температуре до 700 °C. Возможно получение легированных диффузионных цинковых покрытий, применяемое для повышения их служебных характеристик.

Цинкование

Цинкование — это процесс нанесения цинка или его сплава на металлическое изделие для придания его поверхности определённых физико-химических свойств, в первую очередь высокого сопротивления коррозии. Цинкование — наиболее распространённый и экономичный процесс металлизации, применяемый для защиты железа и его сплавов от атмосферной коррозии. На эти цели расходуется примерно 40 % мировой добычи цинка. Толщина покрытия должна быть тем больше, чем агрессивнее окружающая среда и чем длительнее предполагаемый срок эксплуатации. Цинкованию подвергаются стальные листы, лента, проволока, крепёжные детали, детали машин и приборов, трубопроводы и др. металлоконструкции. Декоративного назначения цинковое покрытие обычно не имеет; некоторое улучшение товарный вид приобретает после пассивирования оцинкованных изделий в хроматных, или фосфатных растворах, придающих покрытиям радужную окраску. Наиболее широко используется оцинкованная полоса, изготовляемая на автоматизированных линиях горячего цинкования, то есть методом погружения в расплавленный цинк. Методы распыления и металлизация позволяют покрывать изделия любого размера (например, мачты электропередач, резервуары, мостовые металлоконструкции, дорожные ограждения). Электролитическое цинкование ведётся в основном из кислых и щёлочно-цианистых электролитов; специальные добавки позволяют получать блестящие покрытия.

       Вопрос  № 57  Привести схему изображения последовательности операций изготовления отливок по способу литья под давлением.

Сущность литья под давлением

Выполняют машинным способом в металлические формы, называемые пресс-формами. Заполнение металлом пресс формы осуществляют после её смыкания через литниковые каналы, которые соединяют рабочую полость пресс-формы с камерой прессования машины для литья под давлением. Наружные очертания отливки образуются рабочей поверхностью сомкнутой пресс-формы, а внутренние отверстия и полости получают при помощи металлических стержней, которые извлекают из затвердевшей отливки в момент раскрытия пресс-формы. Стержни имеют механически привод в виде реек, шестерен, зубатых секторов, клиньев, эксцентриков, кинематически связанных с механизмом раскрытия пресс формы.

 
Металл заливают в камеру прессования и запрессовывают внутрь рабочей полости пресс-формы. После кристаллизации отливки происходит раскрытие пресс-формы для из-влечения отливки, при этом отдельная часть остается неподвижной, а остальные части отво-дятся гидроприводом. Отливка удерживается в подвижной части и перемещается с ней до соприкосновения с выталкивателями, которые выталкивают отливку из подвижной части пресс-формы. Отливка может быть извлечена из раскрытой пресс формы при помощи мани-пулятора или робота. Для предотвращения сваривания рабочей поверхности пресс-формы с отливкой и облегчения извлечения отливки полость пресс-формы покрывают составами в виде паст или распыляющих жидкостей, содержащих порошки металлов, графит, сульфид молибдена.

Преимущественно используют сплавы на основе меди, алюминия, цинка, свинца, сурьмы, которые оказывают незначительное тепловое воздействие на пресс-формы. Разгар и деформация пресс-форм приводят к потере точности и чистоты поверхности отливок. Для сохранения постоянства размеров пресс-формы делают водоохлаждение. В последнее время все шире начинают использоваться тугоплавкие сплавы, например, стали, требующие очень дорогих пресс-форм с жаропрочными вставками из сплавов на основе молибдена. Внутрен-ние полости в отрезках поучают при помощи латунных стержней. После кристаллизации стальной отливки латунный стержень остаётся внутри неё, при высокотемпературном отжи-ге он выплавляется из отливки, оставляя после себя полость.

 
Опивки, полученные литьём под давлением, отличаются чистотой поверхности и точ-ностью, соответствующей 4 классу. Допуски на размеры находятся в пределах от ±0,075 до ±0,18 мм. Литьё под давлением экономически целесообразно для крупносерийного и массо-вого производства точных отливок из легкоплавких сплавов. Трудоёмкость изготовления отливок литьём под давлением в литейных цехах снижается в 10-12 раз, трудоёмкость механической обработки снижается в 5-8 раз. Данный способ литья нашёл широкое применение в автомобильной, авиационной, электротехнической, приборостроительной, санитарно-технической отраслях промышленности.

Часто отливки, изготовленные литьём под давлением, армируют для упрочнения. Кон-структивные элементы из других более прочных или износостойких сплавов предварительно получают механической обработкой или холодной листовой штамповкой и вкладывают в пресс-форму перед заполнением её металлом. При литье год давлением цинковых сплавов пресс-формы выдерживают без разрушения и потери точности 1 млн. заполнении металлом, магниевых сплавов - 250 тыс. заполнений, алюминиевых сплавов - 100 тыс., медных ставов - 5000 заполнений.Процесс формирования опивки проходит 3 этапа:Сплав с большой скоростью (до 50 м/с) за короткое время (0,01 - 0,6 с) заполняет по-лость пресс-формы, перемещаясь с воздухом и парами смазки, находящимися в полости формы, образуя металловоздушную смесь;В момент окончания заполнения пресс-формы происходит кратковременный и сильный гидравлический удар, прижимающий металл к поверхности пресс-формы, и поверхностный слои отливки (0,2 мм) получается очень плотным и мелкокристаллическим; подвижная половина пресс-формы под воздействием гидроудара отходит и на отливке по разъёму пресс-формы образуется заусенец;

Кристаллизация отливки происходит с большой скоростью, что приводит к недостаточ-ному питанию отливки жидким расплавом, но дефектов усадочного происхождения в отливках не наблюдается, т. к. газы в порах находятся под большим давлением и, расширяясь, способствуют полному заполнению полости пресс-формы металлом, повышая точность отливки, однако механические свойства металла и особенно его пластичность ухудшаются.

Газовые поры, находящиеся под плотной литейной коркой, не позволяют выполнять термическую обработку отливок из цветных сплавов, так как при высоких температурах газы расширяются и поры увеличивают свой объём, образуя пузыри и вспучины на поверхности отливок. Для снижения пористости отливок в практике полость пресс-формы и расплавленный металл вакуумируют или воздух в рабочей полости пресс формы замещают кислородом, который не смешивается с металлом а образует тонкие окисные плёнки на поверхности отливки, не снижая её качества.

Машины для литья под давлением бывают 2 типов - компрессорные и поршневые. Наибольшее распространение получили поршневые машины с холодной и горячей камерой прессования. Горячая камера прессования находится внутри тигля с расплавленным метал-лом, а холодная - отдельно от расплавленного металла и располагается горизонтально или вертикально. Современные машины для литья под давлением имеют полностью автоматизи-рованный рабочий цикл с программным управлением, автоматизированы регулировка уси-лия смыкания пресс-форм, изменение скорости прессования, блокировка узлов при появле-нии неисправностей в машине.