Получение, состав и свойства железоуглеродистых сплавов

В практике строительства наибольшее применение нашли железоуглеродистые сплавы, которые называют черными металлами.С целью придания специфических свойств в их состав вводят легирующие добавки. В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на хрупкий чугун (2,14 – 6,67% С) и относительно пластичную сталь (до 2% С). В металлургии из железных руд вначале получают чугун, а затем путем окисления и удаления избыточного углерода, марганца, фосфора, кремния – сталь.

Сырьемдля получения чугуна служат руды, содержащие железо
в виде окислов: красный железняк (гематит), бурый железняк, магнитный железняк (магнетит).В зависимости от содержания железа руды подразделяют на богатые (от 15 до 70 %) и бедные. Первые после дробления и сортировки направляют в доменную печь для плавки, а бедные подвергают обогащению за счет отделения пустой породы. Топливом в доменном процессе служит кокс, полученный путем сжигания без доступа воздуха каменного угля. Для понижения температуры плавления пустой породы и облегчения перевода ее и золы топлива в шлак
в состав шихты вводят специальные добавки – флюсы, ими могут быть известняки, доломиты и песчаники.

Современная доменная печь поглощает большое количество материалов и воздуха. Так для производства каждых 100 т чугуна необходимо
в среднем подать в печь 190 т железной руды, 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака и 500 т доменного газа. Это энергоемкий процесс.

В состав чугунов, кроме железа и углерода, обычно входят примеси кремния, марганца, фосфора, а также легирующие добавки – никель, хром, магний, которые придают ему высокие механические свойства и обеспечивают износо-, жаро- и коррозионную стойкость. В зависимости от химического состава и микроструктуры выпускают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Большую часть выплавленного чугуна используют для переработки (передела) в сталь – белый передельный чугун.Для изготовления фасонного литья применяют серый литейный чугун.

Белый чугун(передельный) тверд, хрупок, плохо обрабатывается резанием. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает высокую износостойкость, его применяют для получения ковкого чугуна и стали.

Серый чугун– один из наиболее распространенных литейных сплавов. Это самый дешевый металлический материал. Он имеет высокие литейные свойства, хорошую обрабатываемость резанием.

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрой, которая показывает среднее значение предела прочности при растяжении (СЧ10, СЧ18 и т.д.). В строительстве серый чугун применяют для изготовления деталей, работающих при сжатии, – башмаков под колонны, а также санитарно-технических (отопительные радиаторы, трубы) и архитектурно-художественных изделий (ограды, решетки, светильники). Значительное количество чугуна расходуют для изготовления тюбингов, из которых сооружают тоннели метрополитена. Высокопрочный и ковкий чугуны используют в машиностроении.

С целью значительного повышения пластичности чугун или чугун
в сочетании с металлоломом (скрапом) и рудой переплавляют. При плавке вводят флюсы и раскислители, в случае необходимости – легирующие добавки. При этом из железоуглеродистого сплава путем окисления и перевода в шлак удаляют избыток углерода, марганца, кремния, фосфора. Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – кислородно-конверторный, мартеновский и электродуговой.

Кислородно-конверторным способомполучают сталь из жидкого чугуна с добавлением скрапа и руды. Конвертором называют стальную реторту, состоящую из цилиндрической части, днища и конусообразной горловины, футерованную внутри огнеупорным кирпичом (рис. 3.3). Технологический цикл выплавки стали составляет 50 – 60 мин. К недостаткам этого способа относится большое пылеобразование, требующее применения сложных пылеочистительных установок.

Мартеновским способомвыплавляют в зависимости от используемого сырья кислую и основную мартеновскую сталь. Современная мартеновская печь(см. рис. 3.3) представляет собой ванну сферической формы, футерованную огнеупорным кирпичом. В качестве топлива используют природный газ или мазут. Мартеновские печи могут работать как на твердой шихте, состоящей из смеси стального лома и твердого чушкового чугуна, так и на смешанной шихте. Последняя представляет собой скрап, богатую железную руду и жидкий чугун. Продолжительность получения стали в мартеновской печи составляет несколько часов. Фактор времени и значительный расход топлива являются недостатками мартеновского способа выплавки стали. К достоинствам можно отнести возможность использования различной шихты и разнообразного топлива, а также широкий ассортимент выпускаемого продукта (углеродистые и легированные стали).

Для выплавки высококачественных легированных сталей используют электропечи(см. рис. 3.3). Плавка шихты происходит за счет тепла трех электрических дуг (по числу фаз переменного тока), образующихся между электродами и металлом при температуре 1200°С.

К достоинствам способа можно отнести быстрый разогрев металлов, точное регулирование температуры, пониженное содержание в стали вредных примесей.

Рис. 3.3. Печи для выплавки стали:

1 – мартеновская; 2 – конверторная; 3 – электродуговая

Основной недостаток всех перечисленных сталеплавильных агрегатов – периодичность действия. Для увеличения производительности печей, снижения эксплуатационных затрат, повышения качества стали, уменьшения технологических отходов и лучшего использования сырья разрабатываются сталеплавильные агрегаты непрерывного действия.

Стальклассифицируют по способу производства, химическому составу, назначению. По способу производстваразличают мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь; химическому составу – углеродистую и легированную; назначению– конструкционную (строительную и машиностроительную), инструментальную и специального назначения.

Углеродистая стальв свою очередь бывает обыкновенного качества, качественная конструкционная(для машиностроения и наиболее ответственных конструкций) и высококачественная инструментальная(для изготовления режущих инструментов, штампов, матриц). Основное применение в строительстве находит углеродистая сталь обыкновенного качества. В ней присутствуют кроме углерода (0,06 – 0,62%) примеси кремния, марганца. Наиболее нежелательно присутствие фосфора, который придает стали свойство хрупкости при низких температурах (хладноломкость), и серы, вызывающей аналогичное действие при высоких температурах. В зависимости от назначения, гарантируемых механических характеристик и химического состава сталь углеродистую обыкновенного качества делят на две группы (А, Б) и подгруппу (В) (ГОСТ 14637-79). Для строительных целейиспользуют в основном сталь группы А, которую изготовляют следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, ..., Ст6. По мере увеличения номера стали повышается прочность и снижается пластичность.

Наиболее широкое применение нашла сталь Ст3, так как по сочетанию важнейших свойств – прочности и свариваемости она занимает промежуточное положение в ряду. Для получения арматуры используют Ст5, малонагруженных деталей – Ст0, Ст1. Существуют углеродистые стали обыкновенного качества специального назначения, например, для строительства мостов Ст3м. Этот вид сталей имеет существенные недостатки: хладноломкость, исключающую их применение при низких температурах, и относительно невысокую прочность, приводящую к перерасходу металла и увеличению массы металлоконструкций.

Качественные конструкционные углеродистые сталиподразделяют в зависимости от содержания углерода (в %) на малоуглеродистые (до 0,25), которые хорошо свариваются, пластичны, применяют их для сварных и клепаных конструкций; среднеуглеродистые (до 0,55), хуже свариваются, более прочные и хрупкие, используют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам; высокоуглеродистые (до 0,8) применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес.

Углеродистые стали не могут по прочности удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к современным конструкционным материалам. Этот вид стали имеет склонность к старению, повышению хрупкости при пониженных температурах, малую стойкость против коррозии. С целью повышения качества в сталь вводят легирующие элементы с условным обозначением Сr (X), Мn (Г), Ni (Н), Мо (М), Со (К), Si (С).

Преимущества легированных сталей выявляются в большинстве случаев только после дополнительной термообработки. Легированные стали классифицируют по химическому составу и назначению.Похимическому составу–низколегированнаяс общим содержанием легирующих элементов до 2,5%, среднелегированная (от 2,5 до 10%) и высоколегированная (более 10%). По назначению–конструкционная,применяемая при обычных и повышенных температурах, инструментальная,которую применяют для режущего, штампованного и измерительного инструмента, и сталь с особымифизическими, химическими и механическими свойствами.

В строительстве широко применяют низколегированныеконструкционные стали. По легирующему элементу они называются марганцовистыми, кремнистые, хромистыми, хромомолибденовыми и др. Для обозначения марок стали по ГОСТу принята буквенно-цифровая система. Буквы обозначают присутствие в стали определенной легирующей добавки. Первая цифра, стоящая перед буквами, показывает содержание углерода в сотых долях процента; цифры, стоящие за буквами, – содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание не превышает 1,5%, цифры не ставят. Буква «А», стоящая в конце марки, обозначает, что сталь высококачественная. Например, 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35% С, 1% Сr, 3% Ni, 1% Мо; 25ХГ2С – 0,25% С, 1% Сr, 2% Мn,
1% Si. Этот вид стали применяют в строительстве для сварных и клепаных конструкций. Они обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью. При температурах ниже –40°С их ударная вязкость не должна снижаться более чем на 50%. Предел текучести легированных сталей, представляющий основную характеристику при расчете элементов строительных конструкций, в 1,5 раза выше углеродистых. Для армирования железобетонных конструкций применяют сталь марок 18Г2С и 20ХГ2С.