Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf

сохранение типа решетки мбталла-растворителя, хотя атомы рас­ творенного вещества ее искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки.

§ 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния показывает изменение состояния сплава в зависимости от температуры и концентрации. Обычно для по­ строения диаграммы состояния пользуются термическим методом, т. е. строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых определяют температуры превращения. ..Имея доста­ точно сплавов и определив в каждом сплаве температуры превра­ щений, можно построитъ общую диаграмму состояния.

Этот метод используем для построения диаграммы состояния железо — углерод, первре представление о которой дал еще в прош­ лом веке великий русский металлург Д. К. Чернов.

Чтобы построить такую диаграмму, нужно произвести наблю­ дение над множеством сплавов, содержащих различный процент углерода. Для каждого из этих сплавов построим кривую охлажде­

Нанесем эти критические точки, замеренные на кривых охлаждения разных сплавов железа с углеродом, на диаграмму в координатах t°—% С (рис. 9, б) *.

Отметим, что при построении диаграммы состояния (рис. 9 и 10) произведены некоторые упрощения, чтобы выяснить общие законо­ мерности, не загромождая схему линиями и точками, нанесенными на полной диаграмме состояния Fe —С.

На полученной диаграмме состояния все точки, соответствую­ щие температурам t\, т. е. температурам начала кристаллизации для любого сплава, образуют линию ACD — линию начала затвердева­ ния (ликвидус.) Все точки t2 для взятых нами сплавов расположат­

затвердевания (солидус). Остальные температуры образуют другие линии диаграммы состояния. После затвердевания различают не­ сколько структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, которым соответствуют линии и области диаграммы состояния.

1. Аустенит (А) — твердый раствор углерода в Fe-y (облас AESG). Максимальная растворимость углерода в аустените равна 2% при 1147° (в точке Е ). Аустенит имеет твердость Н В= 170—200. При температуре ниже 723° переходит в перлит.

Рис. 9. Кривые охлаждения для различных сплавов железа с углеродом (а) и схема построения диаграммы состояния (б)

6,67% С, является самой твердой и хрупкой структурной составляю­ щей; твердость цементита Н В ^ 800.

4.Перлит (П )— механическая смесь феррита и цементита. Содержит 0,83% С. Механические свойства дерлита зависят от фор­ мы и степени измельченности частичек входящего в него цементита (НВ до 160; ста до 82 кГ/мм?).

5.Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементи­ та. Содержит 4,3% С, обладает высокой хрупкостью и твердостью

(НВ** 700).

Особыми точками диаграммы являются точкд С и S. В точке С при 4,3% С и 1147° сплав переходит из жидкого сразу в твердое кристаллическое состояние. Эта точка называется эвтектической, а сплав этого состава— эвтектическим. По линии GS из аустенита начинает выделяться феррит. По линии ES вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры из

18

аустенита начинает выделяться цементит. В точке S из твердого рас­ твора с содержанием 0,83% С одновременно выпадает феррит и цементит с образованием механической смеси — перлита. Точка 5 называется эвтектоидной, а сплав, содержащий 0,83% С, называет­ ся эвтектоидным. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2% С, называются сталями, свыше 2% С — чугунами. Различают стали

доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Соответственно чугуны бывают доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Рис. 10. Упрощенная диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Для более наглядного представления о структурных превра­ щениях в железоуглеродистых сплавах рассмотрим процессы, про­ исходящие при охлаждении сплавов различной концентрации. Для этого выделим на диаграмме состояния железо — углерод ряд сплавов — I, II, III, IV, V и VI (рис. 10).

Д о э в т е к т о и д н ы е с т а ли . В качестве примера рассмот­ рим кристаллизацию сплава I. Затвердевание этой стали начинается по линии АС выпадением первых кристаллов аустенита. По линии АЕ затвердевание заканчивается, и при дальнейшем охлаждении сплава до температуры линии GS сталь состоит только из аустенш та. Ниже линии GS из аустенита начинает выделяться феррит (рис. 11, а), что приводит к обогащению аустенита углеродом. При темпе­ ратуре 723° в аустените находится 0,83% углеродами по линии PS аустенит полностью превращается в перлит.

Таким образом, структура медленно охлажденных доэвтектоидных сталей включает зерна перлита и феррита (рис. 11, б).

19

Э в т е к т о и д н а я с т а л ь (сплав II). Процесс первичной кри­ сталлизации этой стали идет в температурном интервале между ли­ ниями АС и АЕ. Ниже линии АЕ до температуры 723° эвтектоидная сталь состоит только из аустенита. При 723° происходит полное рас­ падение аустенита с образованием перлита (точка 5). Следова­ тельно, эвтектоидная сталь состоит из одного перлита (рис. 11, в).

Рис. 11. Структуры железоуглеродистых сплавов

З^а э в т е к т о и д н ы е с т а л и . Процесс кристаллизации этих сталей рассмотрим на примере сплава III. После затвердевания (ни­ же линии АЕ) такая сталь состоит из аустенита. По линии SE при дальнейшем охлаждении ввиду уменьшения растворимости углерода в аустените из стали выделяется вторичный цементит. В результате этого содержание углерода в аустените уменьшается и при темпера­ туре 723° составляет 0,83 %. На линии PS К происходит распад аусте­ нита с образованием перлита.

Таким образом, заэвтектоидная сталь состоит из зерен перлита и вторичного цементита, располагающегося или по границам зерен, или в виде игл и зерен на перлитной основе (рис. 11, г).

Д о э в т е к т и ч е с к и е ч у г у н ы (сплав IV). При понижении температуры этого чугуна ниже линии АС из жидкого сплава начи­ нают выпадать кристаллы аустенита. При температуре линии ECF оставшаяся жидкая часть кристаллизуется в эвтектическую смесь — ледебурит. При дальнейшем охлаждении идет выделение вторичного цементита. На линии PSK аустенит распадается с образованием перлита. Следовательно, при комнатных температурах доэвтектиче­ ские чугуны состоят из перлита, включений цементита и ледебурита (рис. 11, д). Сам ледебурит при температуре ниже 723° состоит из перлита и цементита.

20

Гл а в а І І . МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА

§1. Характеристика железных руд и подготовка их к плавке

Железными рудами называются такие природные соединения, из которых при современном состоянии металлургии возможно и экономически выгодно получение железа. Железная руда представ­ ляет собой горную породу, в которой наряду с окислами железа на­ ходятся различные соединения, главным образом кремнезем (Si02), глинозем (А120 3), о к и с ь кальция (СаО) и окись магния (MgO). Эти соединения образуют так называемую пустую породу. Железные ру­ ды содержат также вредные примеси (серу, фосфор и др.). Руды, содержащие свыше 50% железа, называются богатыми, до 50% же­ леза — бедными. В зависимости от вида окислов железа руды под­ разделяются на красный, магнитный, бурый и шпатовый железняки.

Красный железняк (гематит) содержит железо (45—60%) в ви­ де безводной окиси Fe20 3. Пустая порода состоит главным образом из кремнезема Si02 и известняка СаС03. Красные железняки явля­ ются основными в нашей стране железными рудами по мощности месторождений и по количеству выплавляемого из них чугуна. Они отличаются хорошей восстановимостью железа и содержат мало вредных примесей (S и Р).

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо (до 70%) в виде окисла Fe304 и обладает магнитными свойствами. Встречается как в чистом виде, так и с примесями серы (железный колчедан) или фосфора (апатиты). Пустая порода состоит преимущественно из Si02.

Бурый железняк содержит в себе водную окись железа 2Fe20 3X ХЗН20; железа в нем около 20%. Пустая порода имеет разнообраз­ ный состав, содержит серу и фосфор.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо (30—40%) в

виде карбоната FeC03. В состав пустой породы входят Si02, А120 3, MgO.

Руда, идущая для плавки в доменных печах, должна удовлет­ ворять следующим, требованиям: 1) максимальное содержание же­ леза; 2) минимальное содержание вредных примесей — S и Р\ 3) легкая восстановимость; 4) достаточная пористость; 5) надлежа­ щий химический состав пуРтой породы; 6) обогатимость.

22

Первое требование очевидно, так как увеличение количества руды, загружаемой в доменную печь, повышает стоимость чугуна. Второе требование вызывается тем, что сера и фосфор отрицательно влияют на качество чугуна: сера сообщает ему красноломкость, а фосфор — хладноломкость.

Восстановимость руды определяется количеством тепла, необхо­ димого для восстановления из нее железа, а это зависит от природы окислов железа, входящих в руду. 'Чем плотнее и менее пориста ру­ да, тем она труднее восстановима. Наиболее легко восстановим оки­ сел железа, входящий в бурый железняк, более трудно восстанавли­ вается железо в магнитном железняке.

Пористость руды уменьшает расход топлива, так как при нали­ чии каналов внутри руды газы приходят в соприкосновение с боль­ шей поверхностью, и процесс восстановления протекает быстрее. По­ ристость таких руд, как бурый и шпатовый железняк, значительно возрастает при нагреве. Это объясняется удалением химически свя­ занной воды и углекислого газа (nFe20 3 • тНгО^-пРегОз + тНгО; FeC03->FeO + С 02) .

Химический состав пустой породы может в сильной степени влиять на условия ее расплавления. Так, пустая порода известково­ го состава требует для расплавления меньше топлива, чем пустая порода кремнистого состава. При большом количестве кремнезема для получения легкоплавкого шлака необходимо увеличить в шихте содержание известняка. А это приводит к повышенному выходу шла­ ка, увеличению расхода кокса и снижению производительности печи.

Оптимальным составом пустой породы является такой, при ко­ тором содержание кислых и основных окислов одинаково, т. е. (CaO pMgO) : (S i02 + А120 3) ~ 1. При этом условии легкоплавкий шлак получается без каких-либо добавок к шихте (самоплавкая ру­ да). Но обычно это отношение меньше единицы, т. е. пустая поро­ да — кислая, что требует введения в состав шихты известняка.

Предварительная подготовка даже наиболее богатых железом руд повышает производительность доменных печей и снижает рас­ ход сырья и топлива. Подсчитано, что каждый процент увеличения содержания железа в руде повышает производительность доменных печей на 2—3% и сокращает удельный расход кокса на 2%.

Обогатимость железной руды определяется возможностью и трудоемкостью повышения в ней содержания железа. Современные способы обогащения позволяют получать рудный концентрат с со­ держанием железа до 70% и выше. Однако расчеты технико-эконо­ мической эффективности показывают, что в ряде случаев оптималь­ ное содержание железа в концентратах составляет 64—67%. Даль­ нейшее обогащение требует применения дорогих способов, что резко увеличивает себестоимость чугуна.

К операциям подготовки руд относятся; дробление, грохочение, промывка, магнитное обогащение, агломерация, окомкование, об­ жиг, усреднение.

Дробление производится для увеличения площади соприкосно­ вения между поверхностью руды и газами. Размер кусков, посту­

23