книги из ГПНТБ / Макиенко, Н. И. Слесарное дело с основами материаловедения учебник

Для проведения пробы на загиб применяют специальные маши­ ны, прессы, тиски с закругленными губками. Образцы, выдержав­ шие пробу, не должны иметь после загиба надлома, надрывов или

при испытании качества полосового п листового материала длиной 100—150 мм, шириной до 20 мм н толщиной до 5 мм, а также про­

форму. Кусок проволоки (рис. 16, б) навивают на круглый стер­ жень (оправку) 5—10 витками. Качество проволоки определяется способностью выдерживать без повреждений навивание плотно при­ легающими витками на стержень и развивание в холодном состоя­

для определения качества труб по их свойству сплющиваться без повреждений под давлением пресса, молота или от ударов молот­ ка до предела, установленного техническими условиями. Длина об­ разца выбирается равной диаметру трубы. В зависимости от техни­ ческих условий испытание может производиться в холодном и горя­ чем состоянии. Признаком того, что образец выдержал испытание, служит отсутствие в нем после сплющивания трещин или над­ рывов.

П р о б а т р у б на з а г и б применяется для определения спо­ собности образца трубы загибаться без повреждений. Испытание состоит в том, что заполненную сухим чистым речным песком тру­ бу изгибают вокруг оправки на угол 90°. После загиба (рис. 16, а) труба не должна иметь надрывов, трещин, отслоений и других дефектов. Диаметр оправки определяется техническими требова­ ниями.

30

ственных условиях можно приблизительно определить марку стали путем искровой пробы. Основана эта проба на том, что при обра­ ботке стали абразивными кругами образуется мелкая стружка, ко­ торая, сгорая в воздухе, дает сноп искр (рис. 18, стр. 64), отли­ чающихся друг от друга по форме и цвету. Чем больше в стали содержится углерода, тем больше в ее искрах светлых звездочек. Присутствие в стали вольфрама можно установить по красному цвету искр, наличие хрома — по оранжевому и т. д. Таким образом, при известном навыке проба на искру позволяет приблизительно судить о химическом составе стали. Более точно химический со­ став стали определяют в специальных заводских лабораториях.

Метод определения стали по искре применяется при наличии станков с соответствующими абразивными кругами и специальных эталонов, используемых для сравнения характера искр. При воз­ можности следует пользоваться заводскими лабораториями.

Г л а в а III

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Процессы получения железоуглеродистых сплавов называются

ме т а л л у р г и ч е с к и м и.

Взависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на две группы — ч.угуны и стали. Если в железоуглеродистом сплаве содержится до 2% углерода, то его называют с т а л ь ю, если более 2% углерода, называют чуг уном.

Наибольшее количество выплавляемого чугуна поступает на производство стали, а некоторая часть доменного чугуна поступа­ ет на производство чугунных отливок.

Основным способом получения чугуна является доменный про­ цесс, осуществляемый в специальных (доменных) печах. Доменная печь работает непрерывно до капитального ремонта в течение мно­ гих лет.

Для выплавки чугуна нужны железная руда, флюсы и топливо. Ж е л е з н ы е руды. Железными рудами называют горные по­ роды, содержащие металл. Обычно в руде содержится металл в таком количестве, которое позволяет экономично и выгодно извле­

кать металл из руды.

Железные руды представляют собой главным образом соеди­ нение железа с кислородом (окись железа) и пустой породы

31

л /'■■I

Рис 19. Схема металлургическою производства

(землистой примесью в виде песка, глины и известняка). Пригод­ ность железной руды к плавке определяется содержанием в ней железа, составом пустой породы и количеством вредных приме­ сей (сера, фосфор и др.).

В производстве чугуна используются только те руды, в которых железа содержится не менее 30%. Железными рудами, имеющими особенно большое промышленное значение, являются магнитный, красный и бурый железняк.

М а г н и т н ый ж е л е з н я к (магнезит) — минерал черного цве­ та, содержащий железа 45—70%. Это наиболее богатая руда, с небольшим содержанием вредных примесей-—серы и фосфора, обладает магнитными свойствами, плотна. Железо восстанавлива­ ется с трудом. Залегает на Урале в горах Магнитная, Высокая, Бла­ годать. Недавно открыты месторождения магнитного железняка в Казахстане.

К р а с н ы й ж е л е з н я к (гематит)— минерал вишнево-красно­ го цвета, содержащий от 55 до 60% железа. Это одна из лучших руд, в ней содержится небольшое количество вредных примесей (фосфора и серы); кроме того, эта руда весьма удобна для произ­ водства чугуна, так как железо восстанавливается легче. Богатей­ шие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге

Месторождения ее находятся на Урале (Бакальские руды с высо­

Фл юс ы — это различные минеральные вещества, добавляемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустых пород, удаления золы и серы, а также остатков сгоревшего топ­ лива. Флюсы образуют с пустой породой и золой топлива легкоплав­ кие сплавы, которые отделяются от металла в виде шлака. Способствуя образованию шлаков, флюсы тем самым дают воз­ можность отделить от металла пустую породу.

При наличии в руде песчано-глинистых примесей в качестве флюса применяют известняк, а при известковистом составе пустой породы флюсом служат вещества, содержащие кремнезем, кварц и песчаник. Топливом служит кокс, наилучшим считается кузнецкий, содержащий 0,5—0,6% серы и 12—13,5% золы. Эффективным за­ менителем кокса является природный газ.

Схема металлургического производства показана на рис. 19. Чу г у н представляет собой сложный железоуглеродистый

сплав, содержащий (%): углерода от 2,0 до 4,3, кремния 0,5—4,25,

марганца 0,2—2,0, серы 0,02—0,20, фосфора 0,1—1,20.

Входящие в состав чугуна элементы определяют его структуру и свойства.

У г л е р о д — важнейшая составляющая чугуна. Если углерод

находится в сплаве в свободном состоянии в виде графита, то чу­ гун становится мягким и хорошо обрабатывается резанием. Если углерод находится в виде цементита, т. е. в химически связанном с железом состоянии, то чугун имеет высокую твердость и плохо обрабатывается.

К р е м н и й является важнейшей после углерода примесыо в чугуне, способствует выделению углерода в виде графита. Он уве­ личивает жидкотекучесть чугуна при заливке и улучшает литей­ ные свойства чугуна, делает чугун более мягким.

М а р г а н е ц влияет на чугун в направлении, обратном кремнию, так как связывает углерод в виде цементита. При небольшом со­ держании (до 1%) марганец очень полезен, так как повышает прочность чугуна. Марганец способствует удалению серы из чугу­ на, образуя сернистый марганец, который всплывает на поверх­ ность жидкого металла и уходит в шлак. Этим частично нейтрали­ зуется действие серы.

Се р а в чугуне является вредной примесыо, так как вызывает явление красноломкости, заключающееся в том, что в отливках в горячем состоянии образуются трещины. Кроме того, присутствие серы ухудшает жидкотекучесть чугуна, так как делает его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.

Сера попадает в чугун из руды и золы топлива (кокса) во вре­ мя плавки. Удаление серы при выплавке чугуна достигается при­ бавлением известняка, который частично соединяется с серой и переходит в шлак. Однако некоторое количество серы всегда остается в чугунах.

В передельных (белых) чугунах, предназначенных для произ­ водства стали, серы не должно быть более 0,08%, а в литейных чугунах — не более 0,06%.

Фо с фо р понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость, т. е. способность отливок образовывать трещины в холодном состоянии. Для машиностроительного литья фосфор является вредной примесью. Содержание фосфора в ответственных отливках допускается до 0,1%, в менее ответственных — до 1,2%.

Фосфор оказывает и положительные действия. Он повышает жидкотекучесть чугуна. Благодаря этому фосфористый чугун с успехом применяется для изготовления чугунного литья, от кото­ рого не требуется высоких механических свойств, например для производства художественного литья.

Кроме вышеуказанных примесей в чугун вводят специальные (легирующие) элементы. Такие чугуны называются л е г и р о в а н ­ ными.

§9. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ

Взависимости от химического состава и назначения доменные чугуны делятся на передельные,.специальные (ферросплавы) и ли­

тейные.

П е р е д е л ь н ы й чуг ун (ГОСТ 805—69) предназначается для

34

переработки на сталь в плавильных агрегатах, называемых кон­ верторами, а также мартеновских и электрических печах. В зави­ симости от способа переработки он называется мартеновским (М),

выплавляют с высоким процентом кремния или марганца, приме­ няют в качестве специальных добавок при выплавлении стали.

Л и т е й н ы й ч у г у н (ГОСТ 4832—58) предназначается глав^ ным образом для производства литых заготовок (литья). Он посту­ пает в литейные цехи в виде небольших слитков (чушек) весом до

25кГ.

В зависимости от того, в каком состоянии и форме находится

углерод, чугуиы разделяются на белые, серые, ковкие и высоко­ прочные.

Б е л ы е чуг уиы характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии — в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердость, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструмен­ том. Белый чугун применяют главным образом для отливки дета­ лей с последующим отжигом на ковкий чугун.

строение.

Серый чугун маркируется буквенно-цифровой системой. Например, серый чугун марки СЧ 18-36 расшифровывается так: СЧ — серый чугун, первые две цифры 18 указывают на предел прочности при растяжении в кГ/мм2, следующие две цифры — пре­ дел прочности при изгибе в кГ/мм2.

Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, обладает высокой износоустойчивостью. Недостатком серого чугу­ на является значительная хрупкость и малая пластичность.

Прочность серого чугуна можно увеличить, вводя в его состав

п р о ч и ы м. В качестве модификаторов используют магний, церий, ферросилиций, силикокальций, алюминий и др. Модифицирование магнием, а затем ферросилицием позволяет получить магниевый чугун, обладающий прочностью литой стали и высокими литейны­ ми свойствами.

Из магниевого чугуна изготовляют детали, подвергаемые уда­ рам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например коленчатые валы легковых автомобилей.

Модифицированный чугун обозначается буквами СМЧ, к кото­ рым добавляются два числа, указывающих предел прочности при растяжении и изгибе.

В ы с о к о п р о ч н ы й ч у г у н является важным копструкцион-

35

ным материалом, в котором сочетаются многие ценные свойства стали и чугуна. Этот чугун получают из серого чугуна модифициро­ ванием: перед разливкой в жидкий металл добавляют специальные присадки — модификаторы в количестве 0,01—0,03% от веса жид­ кого металла. Модификаторы раскисляют чугун и создают искус­ ственные центры кристаллизации.

Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ—’Высокопроч­ ный чугун, за которыми следуют два числа. Первое из них указы­

чугуны не куются. Ковкие чугуны получаются из отливок белого чугуна путем длительного отжига (томления) при высоких темпе­ ратурах.

Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяже­ нии, невысокой пластичностью и высоким сопротивлением удару. По механическим свойствам он занимает промежуточное положе­ ние между сталью и серым чугуном.

Марки ковких чугунов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12 и др. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первые две цифры указы­ вают предел прочности при растяжении, последние цифры — отно­ сительное удлинение при растяжении.

Из ковкого чугуна изготовляются детали сложной формы: картеры заднего моста, чашки дифференциала, ступицы колес грузовых автомобилей, тормозные колодки н др.

Л е г и р о в а н н ы й ч у г у н обладает улучшенными свойствами. Его получают, добавляя к серому или модифицированному чугуну небольшое количество никеля, хрома, молибдена и других элемен­ тов. Эти чугуны обладают повышенной механической прочностью, вязкостью и обрабатываемостью.

Чугуны со специальными свойствами обозначаются буквами СЧ, к которым добавляются два числа, указывающих предел проч­ ности при растяжении и предел прочности при изгибе. Чугуны СЧ 32-52, СЧ 35-56, СЧ 38-60 применяются для изготовления дета­ лей с высокой износоустойчивостью и твердостью (ковочные штам­ пы, зубчатые колеса, тормозные барабаны, матрицы и пр.).

(%): углерода от 0,01 до 2,0 и примеси марганца 0,3—0,9, кремния 0,15—0,35, серы до 0,06 и фосфора до 0,07. Главной составляющей, определяющей свойства стали, является углерод. С увеличением процентного содержания углерода прочность стали повышается, а способность к пластической деформации понижается.

Стали, в которых содержание кремния более 0,5% и марганца более 0,7%, относятся к специальным сталям и в зависимости от того, какой из указанных элементов превышает пределы содержа­ ния его в углеродистых сталях, называются кремнистыми или марганцовистыми.

іб

Се р а и фосфор относятся к вредным примесям. Сера умень­ шает способность к проковке и свариваемость, делает сталь ломкой при нагреве до красного каления (красноломкость). Фосфор при­ дает стали хрупкость в холодном и горячем состоянии (хладнолом­ кость).

Свойства стали делают ее во многих случаях незаменимым ма­ шиностроительным материалом. Она обладает высокой прочно­ стью, твердостью, вязкостью и вместе с тем легко поддается меха­ нической обработке. Стальные детали хорошо свариваются.

Рис. 20. Бессемеровский конвертор:

Состав, свойства и качества стали в значительной степени

кий чугун, заливаемый в конвертор, продувается воздух в течение 15—20 мин. Кислород, находящийся в воздухе, вступает в реакцию с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и примесями и окис­ ляет их. В результате этого процесса получается сталь.

Конвертор (рис. 20, а, б) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный внутри огнеупорной кладкой. В верхней части конвертора находится горловина. Средняя часть конвертора опоясана снаружи стальным кольцом. К кольцу при­ соединены две цапфы, которые опираются на колонны, установлен­ ные на фундаменте. Через полую цапфу 2 в конвертор поступает воздух пз воздухопровода. На конце второй цапфы 3 насажено зубчатое колесо 7, соединенное с зубчатой рейкой 4.

37

Рейка перемещается от электродвигателя или гидропривода. При движении рейки конвертор поворачивается на нужный угол, принимая горизонтальное, вертикальное или наклонное положе­ ние. В нижней части конвертора находится сменное днище 5, сде­ ланное из огнеупорного кирпича. В днище имеются каналы, в кото­ рые запрессованы трубы 6 (фурмы). Через фурмы в конвертор вдувается воздух.

Для заливки чугуна и загрузки добавок конвертор поворачи­ вают в горизонтальное положение, несколько наклоняют вниз горловиной и заливают такое количество чугуна, чтобы уровень его был ниже уровня фурм. Затем начинают вдувать воздух, мед­ ленно поворачивая конвертор. Давление воздуха постепенно увели­ чивают, доводя до 2,5 ати при вертикальном положении конвер­ тора. Вследствие активного соприкосновения жидкого чугуна с кислородом воздуха идет процесс окисления (выгорание) примесей.

После окончания процесса конвертор наклоняют в горизонталь­ ное положение и прекращают дутье. Затем проверяют состав полученной стали и выливают сталь в ковш.

Существуют два вида конверторного процесса: бессемеровский и томасовский.

упорного кирпича — динаса.

Сущность процесса заключается в том, что кислород воздуха, вдуваемого через жидкий чугун, окисляет примеси, и при интенсив­

стых чугунов, открытый в 1878 г. английским металлургом С. Д. То­ масом. Особенностью этого способа является одновременная за­ грузка конвертора жидким чугуном и свежеобожженной известью. Присутствие извести приводит к образованию шлаков и удалению из чугуна фосфора и серы.

К и с л о р о д II о - к о и в е р т о р н ы й п р о ц е с с выплавки стали с продувкой технически чистым кислородом (чистотой 98,5—99,5%) сверху позволяет перерабатывать чугуны различного химического состава, включая даже высокофосфористые и природнолегирован­ ные.

Конверторы для продувки жидкого чугуна кислородом сверху имеют глуходонное днище и летку для выпуска жидкого металла. В этих конверторах реакция окисления примесей происходит ин­ тенсивнее, качество стали значительно улучшается, производитель­ ность повышается.

В р а щ а ю щ и е с я ( рот орные ) к о н в е р т о р ы были созда­ ны в результате совершенствования конверторного способа. На­ ружное очертание этой печи напоминает бетономешалку. Печь име­ ет три отверстия: загрузочное, для отводов продуктов горения и

38

для выпуска металла. Роторная печь вращается медленно — от 0,2 до 1 оборота в минуту. В разогретую печь загружают руду и из­ весть, затем заливают жидким чугун и в жидкую массу металла поверху подают кислород. От загрузки печи до выхода стали про­ ходит 50—60 мин\ следовательно, роторная печь позволяет произ­ водить не меиее 24 плавок за сутки.

Благодаря вращению конвертора вокруг своей оси жидкая сталь в ванне хорошо перемешивается, металл получается более однородным по химическому составу. Кроме того, происходит ма­ ксимальное удаление серы и фосфора.

Ма р т е н о в с к и й процесс . Одним из недостатков конвер­ торного способа является повышенное содержание в стали кисло­ рода, ухудшающее ее механические свойства. Поэтому для изго­ товления многих ответственных изделий (инструментов, пружин, детален, работающих на удар, и т. д.) конверторная сталь непри­ годна. Кроме этого, существовавшие ранее способы конверторного производства стали не решали задачи переработки отходов (сталь­ ной лом, стружка, скрап и т. п.). В 1864 г. металлургами П. и Э. Мартенами было предложено производство стали в пламенной (мартеновской) регенераторной печи. В мартеновских печах окис­ ление осуществляется воздухом, проходящим через шлак, который изолирует расплавленный металл от непосредственного воздейст­ вия кислорода воздуха, что уменьшает угар металла и способст­ вует улучшению качества стали. Для выплавки стали в мартенов­ ских печах применяются белый чугун, железная руда, лом, флюсы (известняк, обожженная известь, бокситы, плавиковый шпат).

В зависимости от состава шихты в мартеновских печах разли­ чают следующие разновидности процесса выплавки стали: скраппроцесс, скрап-рудиый и рудный процессы.

С к р а п - п р о ц е с с применяется на машиностроительных заво­ дах, не имеющих доменных печей и располагающих большим коли­ чеством всевозможных отходов производства в виде стального лома (скрапа), пакетированной стружки, пришедших в негодность чугунных и стальных деталей машин. В качестве добавки приме­ няются чушковый чугун и известняк.

С к р а п - р у д н ы й процесс применяется на заводах, оснащен­ ных доменными печами, 50—75% шихты составляет жидкий чугун, остальная часть — стальной лом. Для окисления примесей чугуна в шихту вводится значительное количество железной руды.

Наиболее широко применяются скрап-процесс и скрап-рудный процесс; рудный не применяется, так как неэкономичен.

Мартеновский способ производства стали является самым рас­ пространенным.

Ма р т е н о в с к и е печи. По конструкции мартеновские печи делятся на стационарные (неподвижные) и качающиеся. В качаю­ щихся печах рабочее пространство заключено в металлический кожух, рама которого опирается на катки, позволяющие наклонять печь на определенный угол при помощи электрического пли гидрав­ лического механизма.

39