Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02-0,03 %. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание   серы: 0,03-0,04 %. Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0.005 %.

Сера нерастворима в железе и  любое ее количество образует с железом сернистое соединение - сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 988 °С.

Наличие легкоплавкой и хрупкой  эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800 °С и выше, т. е. в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости.

Снижение содержания серы полезно  в том смысле, что при этом повышается сопротивление вязкому разрушению, но снижается сопротивление хрупкому.

В общем случае серу все  же следует считать вредной примесью в стали.

Как и фосфор, сера облегчает  обрабатываемость резанием.

Газы. Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства.

Водород, азот, кислород могут присутствовать в следующих  формах: находиться в различных несплошностях (газообразном состоянии), находиться в а-твердом растворе; образовывать различные соединения, так называемые неметаллические включения (нитриды, оксиды).

Если водорода в металле много, то это может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле (флокенам). Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла.

Радикальным средством  уменьшения указанных элементов  и неметаллических включений в металле является выплавка или разливка металла в вакууме. Вакуумированный металл обладает более высокими свойствами вследствие высокой чистоты по неметаллическим включениям и отсутствия (практически) растворенных атомов водорода, азота и кислорода.

Примеси цветных  металлов. Переплавка бытового и машиностроительного лома приводит к загрязнению стали примесями цветных металлов (Си, РЬ, Zn, Sb, Sn и др.). Обычно содержание этих элементов невелико - сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди, содержание которой достигает 0,1-0,2 %). При таком их количестве влияние их на механические свойства практически не сказывается, однако, тщательно поставленные опыты показывают, что все цветные примеси повышают порог хладноломкости.

Сталь различных способов производства

 

В металлургии применяют различные способы производства стали. В зависимости от принятого способа изготовления стали различаются по свойствам. Однако не следует думать, что именно способ производства непосредственно определяет эту разницу. В зависимости от способа производства стали отличаются по содержанию примесей (влияние которых мы рассмотрели раньше), чем и обусловлено различие в их свойствах.

Как известно, сталь производят (выплавляют) в различных печах. В  соответствии с этим подразделяют сталь на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конвертерную и электросталь.

В бессемеровском конвертере жидкий чугун продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Этот способ очень производителен, но при нем сера и фосфор не удаляются в достаточной степени, а металл насыщается газами, особенно азотом.

Бессемеровский металл вследствие повышенного содержания газов, в первую очередь азота, отличается от мартеновского большей прочностью, но меньшей пластичностью, склонностью к старению, большей загрязненностью неметаллическими включениями. Вследствие того что качество бессемеровского металла невысокое, этот процесс отжил и на смену ему пришел кислородно-конвертерный способ, отличающийся тем, что вместо воздуха используют технически чистый кислород с очень малым загрязнением азотом (продувка обычно производится сверху ;под углом к зеркалу расплавленного металла). В результате этого содержание азота в металле оказывается низким. Такой металл называется конвертерным, и по свойствам он практически не отличается от мартеновского.

 

6.3. Чугун

 

Чугун отличается от стали  по составу - более высоким содержанием  углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.

В зависимости от состояния  углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;

серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита.

Пластинчатая форма  графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которой изменяется форма графита и улучшаются свойства. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярный [vermiculus (лат.) червь, отсюда и вермишель];

высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;

ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод, или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига).

Таким образом, чугун (кроме  белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются  формой этих включений.

Естественно, что важнейший  вопрос теории чугуна - выяснение условий  образования графита, так называемой графитизации.

Процесс графитизации

 

Углерод может существовать в двух аллотропических формах - алмаз и графит. Алмаз - редкая форма  существования углерода и в сплавах  не встречается.

В железоуглеродистых сплавах  в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая.

Прочность и пластичность графита весьма низки.

Высокоуглеродистой фазой в  железоуглеродистых сплавах может  быть и цементит.

Рассматривая кристаллическую  структуру и состав аустенита, цементита  и графита, следует сделать следующий вывод: кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу, чем аустенит и графит (так, аустенит содержит до 2,14 % С, цементит 6,67 % С, а графит 100 % С). Поэтому образование цементита из аустенита, а также и из жидкости происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита. Следовательно, кинетически из твердого раствора (аустенита) и из жидкости более выгодна кристаллизация цементита, а не графита (точнее, смеси феррит + цементит или аустенит + цементит, а не смеси феррит + графит или аустенит + графит).

Вместе с тем графит - более устойчивая фаза, а цементит - менее устойчивая; это значит, что смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшей свободной энергией, чем смесь феррит + цементит  или аустенит + цементит. Следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

Эти два обстоятельства необходимо учитывать при изучении условий образования графита. Если кинетические условия позволяют, то образуются структуры с графитом, если нет, то с цементитом, несмотря на то, что более устойчивой является структура графита; в этом случае образование графита является вторичной реакцией, и графит будет продуктом распада цементита.

Ниже точки равновесия L=А+Ц (1147°С) кристаллизация протекает с образованием цементита, так как кинетически это легче осуществимо. Графит в металле будет вторичным продуктом, он может образоваться в результате распада цементита.

В интервале 1147-1153°С образование  из жидкости аустенито-цементитной  смеси термодинамически неосуществимо, и в данных температурных условиях кристаллизации происходит с образованием аустенито-графитной смеси непосредственно из жидкости.

Кроме рассмотренного ранее  процесса образования графита непосредственно при кристаллизации, возможен и другой способ образования графита. Как уже неоднократно указывалось, цементит - неустойчивое соединение и при определенных условиях (определенной температуре) распадается с образованием аустенита и графита или феррита и графита. Для осуществления этого процесса требуется диффузия углерода к центрам кристаллизации графита и самодиффузия железа от мест, в которых графит выделяется.

Структура чугуна. Формы графита

 

Белый чугун. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Фазовый состав белого чугуна (при нормальной температуре) цементит и феррит. Следовательно, в белом чугуне весь углерод находится в форме цементита, степень графитизации равна нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инструментом.

Серый чугун. Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах. Таким образом, в сером чугуне имеется графит, а в белом его нет.

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую  основу и графитные включения.

По строению металлической  основы чугун разделяют на:

перлитный чугун - структура его состоит из перлита с включениями графита в виде прожилок;

феррито-перлитный чугун – структура этого чугуна состоит из феррита + перлит и включения веретенообразного графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8 % С;

ферритный чугун – в этом чугуне металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита.

Из рассмотрения структур указанных трех видов чугуна можно  заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтектоидной стали и железа.

Следовательно, по структуре  серые чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитные включения, предопределяющие специфические свойства чугунов.

Графит в чугунах  может быть в четырех основных формах:

пластинчатый  графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым.

вермикулярный графит - в виде червеобразных прожилок

шаровидный  графит. В современных так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара.

хлопьевидный  графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным или углеродом отжига. В практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун  с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, с червеобразным графитом - серым вермикулярньм; чугун с шаровидным графитом - высокопрочным чугуном и чугун с хлопьевидным графитом - ковким чугуном.

На схемах структур (рис.6.4.) обобщается описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.

 

Рис.6.4. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений

Структура и свойства чугуна

 

Поскольку структура  чугуна состоит из металлической  основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств  металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению  со сталью обладает низкими механическими  свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.

Естественно, что чем  больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т. е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

При растягивающих нагрузках  облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины (тем не менее разрушается чугун вязко), и, следовательно, обнаруживает низкие механические свойства при испытании, где превалируют нормальные растягивающие напряжения (например, при испытании на растяжение).

Если растягивающие  напряжения имеют минимальные значения, как например при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.

Поэтому предел прочности  при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.