Металлы и металлические изделия

Луганский Национальный Аграрный Университет

Кафедра Материаловедения

Тема: МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

Выполнил:

студент 633 гр.

Комаров Роман

Проверил:

Сумасшедший Погостнов

Луганск 2008

Лекция 6. МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

6.1 Общие сведения о металлах и сплавах

Металлы – кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением.

В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. В строительстве применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь). Сталь – сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами. По химическому составу различают, стали углеродистые и легированные, а по назначению – конструкционные, инструментальные и специальные. Чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14 %), некоторым количеством марганца (до 2 %), кремния (до 5 %), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.

 

Таблица 6.1. Физико-механические свойства металлов и их сплавов.

Металл	Предел прочности при растяжении, МПа	Плотность, кг/м3
Чугун Углеродистая сталь Легированная сталь Алюминиевые сплавы Титановые сплавы	100…600 200…600 500…1600 100…300 до 1500	7850 7850 7850 2500…3000 4500…5000

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня, т.к. они теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

6.2 Строение и свойства железоуглеродистых сплавов

 

Металлы, как и другие вещества, могут существовать в различных кристаллических формах. Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, при температуре свыше 723°С железо переходит из α-модификации в γ-модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла. При резком охлаждении металла высокотемпературные модификации могут переходить в низкотемпературные. На этом, например, основана термообработка металлов (закалка, отпуск, нормализация).

Химическое соединение железа с углеродом, Fe₃C – карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом. Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, тем он более твердый и хрупкий.

В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Иными словами, сталь и чугун – поликристаллические материалы, свойства которых зависят как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723^оС твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит – раствор углерода в γ-железе. На этом основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности стальных конструкций при нагреве во время пожара.

6.3 Технология изготовления чугуна и стали

 

Основной способ производства черных металлов – получение чугуна и последующая его переработка в сталь. Для получения стали, используют металлолом и железную руду. Чугун получают в доменных печах высокотемпературной (до 1900˚С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО₃) необходим для перевода пустой породы (состоящей в основном из SiO₂ и Al₂O₃), содержащейся в руде и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция.

Доменная печь – сооружение с полезным объемом печи – 2000...3000м³, суточной производительностью – 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Горение топлива происходит в верхней части горна вблизи фурм по реакции:

С + О₂ = СО₂ +q

СО₂ + С = 2СО - q

Восстановление железа начинается в самых верхних горизонтах печи при 200…400^оС и заканчивается при 1000…1100^оС по реакциям:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂↑

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Сразу же после восстановления железа образуются карбид железа (цементит).

2Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

При температуре выше 900^оС происходит быстрое науглероживание железа. При 1147^оС начинается образование жидкого чугуна расплавление пустой породы и флюсов с образованием шлаков, более легких чем чугун. Расплавленный чугун 9 стекает вниз печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.

Чугун поступает к разливочным машинам для отливки в «чушки» для переработки в сталь, а шлаки из печи направляют на грануляцию или в отвал.

В доменных печах выплавляют передельные и литейные, а также специальные чугуны, называемые ферросплавами. Передельные чугуны применяют для получения стали, литейные – для различных отливок. Специальные (сплавы железа с марганцем – ферромарганец, с кремнием – ферросилиций и др.) применяют при получении стали как раскислители или легирующие добавки.

Сталь – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Сталь производят из передельного чугуна.

При переработке чугуна в сталь окислением, в сплаве уменьшают содержание углерода и марганца, кремния, фосфора, серы, которые выгорают или переходят в шлак. Сталь получают в конвертерах, мартенах и электропечах.

Конвертерный способ. Сталь получают путем продувки воздуха через чугун. Различают кислый и оснóвный способы получения стали.

Кислый бессемеровский заключается в том, что в конвертер, находящийся в наклонном положении заливают чугун, переводят его в вертикальное положение и начинают продувать воздухом. При этом протекают реакции окисления. Вначале кислород реагирует с железом:

2Fe + O₂ = 2FeO

Далее закись железа «отдает» свой кислород кремнию, марганцу и углероду, «обладающим» большим химическим сродством к нему.

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂

FeO + Mn = Fe + MnO

FeO + C = Fe + CO

При окислении выделяется большое количество тепла. Температура в конвертере достигает 1600…1650^оС После того как выгорят Si, Mn, C, снова начинает окисляться Fe до FeO, поэтому продувку воздухом прекращают. В стали остаются часть закиси железа FeO, ухудшающей механические свойства стали. Поэтому получение стали заканчивают раскислением, т.е. восстановлением FeO до Fe. В качестве раскислителей применяют ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.

Раскислители восстанавливают железо по реакциям аналогичным выше. Образующиеся оксиды MnO и SiO₂ переходят в шлак. Чугун должен содержать минимальное количество серы, S и фосфора, P (0,06…0,07%), а кремния, Si=0,9…2,0%.

Бессемеровский способ характеризуется большой производительностью и пониженной себестоимостью стали, но она при низких температурах становится хрупкой, т.е. для ответственных конструкций не годится. Более распространен основный способ, при этом получают качественную сталь из чугуна любого химического состава.

Основный способ (Томасовский, англ., 1878г.). Томас предложил получать сталь из чугунов, богатых фосфором (Р), путем продувки воздухом в конвертерах, для этого в конвертер перед заливкой жидкого чугуна загружают негашеную известь в количестве 10…12% от массы чугуна. Получение стали заканчивается ее раскислением. Передельный томасовский чугун должен содержать 1,6…2,0% Р и не более 0,5% Si, так как образующийся оксид кремния (SiO₂) вступает в химическое взаимодействие с СаО и уменьшает кислотность шлаков. Сталь, полученная, по этому способу обладает теми же недостатками.

Мартеновский способ. 1864г. Мартен, построил регенератавную печь, в которой получают сталь по основному и кислому способам. В качестве топлива применяют колошниковый (доменный) или генераторный газ.

Получение стали в электропечах – электрометаллургический способ. Источник тепла электродуга, образующая между угольными электродами и металлической шихтой. Процесс включает два периода. В первом – происходит окисление Mn, Si, С, Р за счет кислорода руды. В состав шихты вводят также известь, поэтому образующиеся сильноосновные шлаки удерживают весь фосфор.

Во втором периоде происходит раскисление стали и очищение ее от неметаллических включений и серы. Для окончательного раскисления стали, в печь вводят ферросилиций и алюминий. При получении легированных сталей в этот период в расплавленный металл вводят легирующие добавки, сталь получают заданного химического состава. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки – полуфабрикат, из которого получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее распространенный метод обработки – прокатка. При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и приобретает заданную форму. Прокатывают сталь в холодном состоянии. Сортамент стали горячего проката – сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др. При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, и получают изделия заданных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения. Ковка – обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.). Штамповка – разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование – процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания – упрочненную холодносплющенную арматуру.