Черные металлы и сплавы

К черным металлам и сплавам относят ферросплавы, т. е. спла­вы на основе железа.

Железо (технически чистое) - металл серебристо-белого цве­та, содержит 99,8-99,9% чистого железа и 0,1-0,2% примесей. Плотность железа - 7860 кг/м³, температура плавления - 1539 °С, при комнатной температуре предел прочности при растяжении 25 кгс/мм², твердость НВ 80. В твердом состоянии железо может находиться в α- и γ-модификациях. Со многими элементами железо способно образовывать твердые растворы: с металлами - твердые растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - твердые растворы внедрения.

Основное промышленное значение имеют стали и чугуны, которые являются сплавами железа с углеродом с различным со­держанием последнего.

Чугуны - сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14% до 6%.

Чугуны выплавляют в доменных печах. Они подразделяются на передельные и литейные. Первые предназначены для передела в сталь. Вторые (литейные) применяют для изготовления различ­ных изделий.

В производстве черных металлов и сплавов есть такое понятие, как передел:

- первый передел: из руды выплавляют чугун;

- второй передел: из чугуна выплавляют сталь;

третий передел: из стали получают прокат (листы, проволоку, сортовые профили: уголок, тавр, двутавр, швеллер, трубы);

- четвертый передел: из проката получают готовое изделие.

В этой схеме отдельные этапы могут быть исключены.

Литейные чугуны подразделяются на белые и серые. Дело в том, что при охлаждении чугуна после выплавки большое зна­чение имеет скорость охлаждения. При медленном охлаждении получается серый чугун, при быстром охлаждении - белый. Пе­редельные чугуны - белые.

В белом чугуне практически весь углерод находится в форме химического соединения с железом - цементита (карбида же­леза). Свежий излом имеет светло-серый цвет и характерный металлический блеск. Белый чугун обладает повышенной твер­достью (в 10 раз тверже железа), но он очень хрупок, не подда­ется обработке режущим инструментом, что является большим недостатком.

В сером чугуне практически весь углерод находится в форме графитовых включений. Серые чугуны с содержанием углерода до 3,8% можно обрабатывать режущими инструментами. Серый чугун обладает хорошей жидкотекучестью (способностью прони­кать в малые пространства, не остывая). Он обладает малой усад­кой при затвердевании; относительно дешев.

Кроме железа и углерода в чугуне есть и другие элементы (или примеси). Основные: фосфор, сера, марганец, кремний. Примеси могут быть как полезными (т. е. улучшать потребительские и тех­нологические свойства), так и вредными.

Чугуны обрабатываются только в горячем состоянии, поэтому товары широкого потребления из чугуна изготавливают, как правило, методом литья.

Серые чугуны в зависимости от их механических свойств вы пускают 11 марок: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Буквы обозначают «серый чугун», две первые цифры - разрушающее напряжение при растяжении, две вторые - предел прочности при изгибе (в кгс/мм²). Для чугуна СЧ00 механические свойства не определяются. Серые чугуны применяются для изготовления ме­тодом литья деталей и изделий, испытывающих небольшие механические нагрузки. Это - чугунная посуда, корпуса мясорубок, корпуса замков, художественное литье (например, каслинское).

С целью снижения хрупкости и соответственно повышения прочности и пластичности чугуны модифицируют, т. е. при выплавке вводят в расплав специальные добавки (магний, алюминий). Такие чугуны называют высокопрочными или модифицированными.

Высокопрочные (модифицированные) чугуны выпускают де­вяти марок: ВЧ38-17, ВЧ45-5 и т. д. Буквы обозначают «высокоп­рочный чугун», две первые цифры - разрушающее напряжение, в кгс/мм², две вторые — относительное удлинение, в процентах. Высокопрочные чугуны применяют в основном в машиностро­ении для изготовления деталей, подвергающихся механическим нагрузкам: коленчатых валов, зубчатых колес, станин, молотов, прессов, прокатных валиков, корпусов насосов паровых турбин, отдельных деталей станков и автомобилей.

Ковкий чугун получается при специальной обработке белого чугуна. Если белый чугун подвергнуть длительному отжигу при температурах порядка 1000 °С, то цементит распадается на феррит (твердый раствор углерода в α-железе), перлит (механическая смесь феррита и цементита) и графит. При этом графитовые включения имеют небольшие размеры (меньше, чем у обычного серого чугуна) и хлопьевидную форму.

Ковкие чугуны также же изготавливаются де­вяти марок: КЧ12, КЧ35-10, КЧ38-8 и т. д. Буквы означают «ковкий чугун», а цифры то же, что и у высокопрочного чугуна. Применяют для изготовления деталей, эксплуатируемых при значительных ста­тических и динамических нагрузках: крюки подъемников, вентили и крестовины для водопровода, гаечные ключи, гайки и др.

В настоящее время чугун все чаще заменяется другими мате­риалами, тем не менее некоторые виды посуды (утятницы, казаны, сковороды для тушения) пользуются спросом. Чугунная посуда толстостенная (литье), она равномерно прогревается и пища не пригорает. Однако для предотвращения коррозии, чугунная посуда должна «работать» постоянно.

Стали

Сталь - сплав железа с углеродом, с содержанием последнего менее 2,14%. По содержанию углерода различают стали низкоуг­леродистые (менее 0,25%), среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,6%) и высокоуглеродистые (0,6-2,14%). От процентного содержания углерода в стали зависит такое важнейшее свойство, как прочность и пластичность. При содержании углерода более 1,4% прочность стали начинает резко уменьшаться, поэтому в практике редко используют стали с содержанием углерода более 1,4%.

По сравнению с чугуном сталь имеет более высокие физико-­механические свойства, она характеризуется большей прочностью и пластичностью, ее можно ковать, прокатывать, обрабатывать резаньем, она обладает достаточной жидкотекучестью для получения изделий и деталей методом литья. Стали имеют достаточную упру­гость, гибкость, твердость, легкость, хорошие магнитные свойства, относительно высокую коррозионную устойчивость.

Так же как в чугуне, в стали, кроме железа и углерода, при­сутствуют примеси. Основные: фосфор, сера, марганец, кремний, кислород. Примеси могут быть как полезными, так и вредными.

Стали подразделяют на углеродистые (обычные) и легирован­ные (имеющие специальные добавки, которые придают сплаву заданные свойства).

Углеродистые стали по содержанию углерода делят на:

- на низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,25%);

- среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,65%);

- высокоуглеродистые (от 0,65 до 1,4%).

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные (обычного качества и качественные) и инструментальные (качест­венные и высококачественные).

Конструкционные стали (например, для изготовления труб, деталей мебели) относят к низко- и среднеуглеродистым (содержа­ние углерода до 0,65%). Конструкционные стали обыкновенного качества по назначению делят на три группы: А, Б, В, каждая из которых содержит определенные марки.

1. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­чества группы А имеют гарантированные механические свойства (прочностные и упругопластичные) и предназначены для изго­товления различных товаров строительного назначения. Марки стали в группе А обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 1 до 7, которые являются условными порядковыми номерами. С увеличением номера марки стали увеличивается ее прочность, но снижается пластичность. Марки Ст1 и Ст2 характеризуются высокой пластичностью и применяются для изготовления закле­пок в металлоконструкциях; марки СтЗ и Ст5 - для изготовления несущих металлоконструкций и арматуры железобетона. Марка Ст4 - основная для изготовления шурупов и болтов.

2. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­чества группы Б имеют гарантированный химический состав и ми­нимальное содержание фосфора и серы. Марки сталей группы Б обозначаются МСт1, где первая буква обозначает способ выплавки (М - мартеновский, Б - бессемеровский, К - кислородно-конвер­терный). Стали группы Б используют для изделий и деталей, в про­цессе изготовления или эксплуатации которых необходим нагрев (например, для изделий, получаемых методом литья).

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного ка­чества группы В имеют гарантированные химический состав и фи­зико-механические свойства. Стали группы В маркируются так же, как и стали группы Б, но с добавлением впереди буквы В (ВМСт2). Стали группы В применяют при изготовлении сварных изделий или при использовании горячей пластической деформации.

Углеродистые конструкционные качественные стали выпус­кают двух групп - I и II. Марки обозначают цифрами 08, 10, 15 и до 85. Цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Ко второй группе относят марки с повышенным содержанием марганца (от 0,8% до 1%).

В конце марок второй группы ставится буква Г (например, 15Г, 25Г). Качественные конструкционные стали применяют для изго­товления деталей, испытывающих ударные нагрузки: шестерни, валы и т. п.

Углеродистые инструментальные стали делятся на качествен­ные и высококачественные. Их маркируют буквой У и цифрами от 7 до 13, которые обозначают содержание в стали углерода в десятых долях процента. Марки высококачественной стали дополняются буквой А в конце маркировки. Углеродистые инструментальные стали могут содержать повышенное количество марганца, тогда к их маркировке прибавляется буква Г. Инструментальные стали применяются для изготовления инструментов. При этом из сталей марок У7, У8, У7А, У8А, У7ГА, которые обладают умеренной твердостью и прочностью, изготовляют инструменты для обра­ботки древесины, слесарные молотки, монтажные инструменты, ножи, ножницы. Стали марок У12, У12А и У13 применяют для производства инструментов, которые должны обладать высокой твердостью, но в процессе эксплуатации не подвергаются удар­ным нагрузкам: напильники, метчики, плашки, инструменты для гравировки.

Основным недостатком углеродистых инструментальных ста­лей является их красноломкость и подверженность коррозии. При нагреве выше 200° С их твердость резко снижается, что не позво­ляет использовать эти стали, например, для сверл. В таких случаях применяют легированные стали.

Легированными называют стали, в которые специально вводят легирующие элементы, позволяющие наделять стали необходи­мыми специфическими свойствами. К легирующим элементам относят кремний, хром, никель, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др. Легированием можно повысить прочность и пластичность стали, повысить изно­состойкость и сопротивление коррозии, придать стали какие-либо особые физические или химические свойства.

Свойства легированных сталей зависят от природы легиру­ющих элементов, их концентрации и характера взаимодействия с железом и углеродом.

Кремний повышает прочность и твердость стали, но уменьшает пластичность.

Марганец повышает прочность стали.

Хром повышает механические свойства стали, увеличивает коррозионную стойкость.

Никель увеличивает упругость стали, снижает ее коробление при термической обработке.

Ванадий, молибден, титан увеличивают твердость и износо­стойкость стали.

В маркировке легированных сталей первые две буквы обозна­чают содержание углерода в сотых долях процента. Далее буквой обозначают легирующие элементы: Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, К - кобальт, Б - бор. После буквы, обозначающей легирующий элемент, ставится цифра, ука­зывающая на его содержание в процентах. Если легирующего ком­понента содержится менее 1%, то после буквы цифру не ставят.

Например, маркировка 12Х18Н9Т читается следующим об­разом: легированная качественная сталь с содержанием углерода 0,12%, хрома 18%, никеля 9%, титана менее 1%.

Если инструментальная сталь является высококачественной, то добавляется буква А. Например, 50ХГА - легированная сталь высоко­качественная с содержанием углерода 0,5%, марганца менее 1%.

В маркировке легированных сталей есть еще один нюанс: иногда, чтобы не писать очень большие формулы, некоторые пос­тоянно используемые марки стали договорились обозначать опре­деленными символами:

- Ш - шарикоподшипниковые стали (обладают высокой про­чностью и выносливостью, а также повышенной износоустойчи­востью);

- Э - электротехнические стали.

К сталям с особыми свойствами относят в первую очередь нержавеющие стали Основным легирующим элементом нержавеющих сталей явля­ется хром. При введении в сталь более 13% хрома сталь становит­ся некоррозионной, однако при введении хрома более 20% резко возрастает ее хрупкость.

Уменьшение концентрации углерода в хромистых сталях также способствует увеличению коррозионной стойкости. Нержавеющие хромистые стали марок 08X13, 12X13 и 20X13 применяют для из­готовления ложек и вилок. Стали 30X13 и 40Х13 имеют чуть мень­шую коррозионную устойчивость, но гораздо большую твердость и прочность (особенно после термической обработки), их приме­няют для производства ножей и хирургических инструментов.

Введение в хромистую сталь никеля повышает упругость, не ухудшая коррозионную стойкость. Хромоникеливые стали лучше свариваются, штампуются, не теряют пластичности при низких температурах. Основными марками являются 12Х18Н9Т, 04X18Н10,17X18Н9. Данные сплавы используют для изготовления кухонной посуды, баков стиральных машин, деталей холодильни­ков, галантерейных изделий.

Известная фирма «Цептер» для своей посуды использует хро­моникелевые сплавы.

Кроме нержавеющих, к сталям и сплавам с особыми свойствами относят:

- сплавы с высоким электросопротивлением или нихромы (ХН80ТБЮ, ХН70ВМТЮ),

- магнитные сплавы (ЕХЗ - для магнитов, 79МНА - для элементов ЭВМ),

- инвар (Н36) - сохраняет постоянным коэффициент линейного расширения,

- платинит (Н48) - имеет коэф­фициент линейного расширения, как у стекла,

- эленвар (Н42ХТЮ) - сохраняет коэффициент расширения постоянным и имеет одинако­вые упругие свойства в интервале температур от минус 50 до 100°С.