3 група матеріалознавство

Чумак М. Г. «Матеріали та технологія машинобудування»: Підручник. – К.: Либідь, 2000. – 368 с.

03.12.2024

Тема уроку: Леговані сталі.

Інструментальні леговані сталі.

Мають підвищену загартованість, значну міцність, високі різальні властивості.

Легуючі елементи – вольфрам, молібден, кобальт, хром – підвищують теплостійкість; марганець – загартованість, нікель – в’язкість, ванадій – зносостійкість.

Марки:

Х – хрому до 0,4%;

11Х – 1,1%;

13Х – 1,3%.

Застосування:

Х – різці, теплостійкість до 200⁰С;

9ХС – свердла, мітчики, плашки, фрези, теплостійкість до 260⁰С;

ХВСГ, 9Х5ВФ – великі свердла, плашки, фрези, теплостійкість до 450⁰С.

Високолеговані інструментальні сталі

Містять у своєму складі вольфрам, хром, ванадій, молібден до 18%.

Мають теплостійкість до 600 – 650⁰С.

Їх називають швидкорізальними і позначають літерою Р і цифрою, яка вказує на вміст вольфраму у відсотках.

Сталі Р9, Р18 – вміст хрому до 4% і ванадію (2%) в марках не вказують.

Р6М5 – 6% вольфраму, 5% молібдену.

Р9К5 – 9% вольфраму, 5% кобальту.

З цих сталей виготовляють різці, фрези, плашки, мітчики.

Для вимірювального інструменту використовують сталі Х, ХВГ.

Після гартування і спеціального низького відпуску при температурі 120-130⁰С протягом 15-20 годин з наступною обробкою при температурах нижче 0 (до -60⁰С).

Законспектувати.  Вивчити матеріал.

03.12.2024

Тема уроку: Спеціальні конструкційні сталі.

Автоматні сталі (ГОСТ 1414-75) мають підвищену оброблюваність різанням, що забезпечується підвищеним вмістом сірки (до 0,25%) і фосфору (до 0,15%). Маркують літерою ”А” і числом, яке вказує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка: А12, А20, А30 і А35. Оброблюваність різанням поліпшується також введенням у вуглецеву сталь свинцю у кількості 0,15…0,30%. При маркуванні таких сталей після літери “А” ставлять літеру “С”: АС14, АС40.

Автоматні сталі мають понижені механічні властивості, тому їх використовують тільки для малонавантажених деталей.

Ливарні сталі (ГОСТ 977-88)маркують числом, що вказує вміст вуглецю в сотих частках відсотка, та літерою “Л” в кінці марки, наприклад 15Л, 20Л, 25Л тощо. Ливарні сталі використовують для деталей арматури, великих шестерень, валків та інших деталей.

Законспектувати.  Вивчити матеріал.

02.12.2024

Тема уроку: Конструкційні сталі.

Конструкційні сталі повинні поєднувати достатню міцність і в’язкість. Таким вимогам відповідають доевтектоїдні сталі.

Конструкційні сталі за технологічною ознакою поділяються на ливарні та на сталі, що деформуються. Сталі, що деформуються, в свою чергу поділяються, в залежності від вмісту шкідливих домішок, на звичайної якості, якісні та автоматні.

Сталі звичайної якості, відповідно до ГОСТ 380-88, маркують літерами “Ст” і цифрами, які вказують номер марки, а наприкінці марки ставлять, в залежності від ступеня розкислення, літери “кп”, “пс” або “сп”. Із сталей цієї групи виготовляють гарячекатаний прокат (балки, прутки, швелери листи, труби), застосовують для будівельних конструкцій та маловідповідальних деталей машин.

Вуглецеві якісні сталі, відповідно до ГОСТ 1050-88, маркують двозначним числом, що вказує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Ступінь розкислення позначається літерами “кп”, “пс”, які ставляться після числа. В спокійних сталях літери “сп” не ставлять. Наприклад, 05кп, 08кп, 10, 15, …35, 40, …85.

Сталі марок 05, 08, 10 після відпалювання добре штампуються в холодному стані. Низьковуглецеві сталі марок 15, 20, 25 належать до тих, що цементуються. Середньовуглецеві сталі 30, 35, 40, 45 і 50 належать до сталей, що поліпшуються. З таких сталей виготовляють вали, шатуни, шестерні та інші деталі. Високовуглецеві сталі марок 60, 65, 70, 75, 80 і 85 використовують для пружин, ресор, тросів. Із сталі 60 виготовляють суцільнокатані колеса, валки прокатних станів.

Законспектувати.  Вивчити матеріал.

02.12.2024

Тема уроку: Інструментальні сталі.

Інструментальні вуглецеві сталі за якістю поділяються на якісні та високоякісні. Відповідно до ГОСТ 1435-74 якісні інструментальні сталі маркують літерою “У” і числом, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8, У9,…, У13. У марках високоякісних інструментальних сталей в кінці марки ставлять літеру “А”, наприклад, У7А, У8А… У13А.

Інструментальні сталі з відносно низьким вмістом вуглецю (У7, У8) мають високу в’язкість і використовуються для виготовлення зубил, молотків, кернерів, викруток, штампів тощо. Заевтектоїдні сталі (У9…У13) застосовують для інструментів, що потребують високої твердості та не дуже високої в’язкості: мітчиків, свердл, напилків, ножівок, вимірювальних інструментів. Недоліками вуглецевих інструментальних сталей.

Законспектувати.  Вивчити матеріал.

27.11.2024

Тема уроку: Основні засоби захисту від корозії 

Корозія металів завдає величезних збитків народному господарству. Внаслідок корозійного руйнування втрачається близько 10% щорічного видобутку металів. Тому заходам боротьби з корозією приділяється значна увага. Способів боротьби з корозією багато і вони досить різноманітні.

Одним з найпоширеніших способів боротьби з корозією є покриття металу (головним чином заліза) масляними фарбами. Захисна дія фарби основується на тому, що оліфа, піддаючись полімеризації, утворює на поверхні металу суцільну еластичну плівку, яка ізолює метал від дії атмосферних хімічних агентів. Інколи для захисту металу від корозії (наприклад, алюмінію і деяких стальних виробів) штучно створюють оксидну плівку обробкою їх поверхні сильними окисниками.

Схема корозії оцинкованого заліза

Значного поширення одержав також спосіб покриття одного металу іншим. Наприклад, дахове залізо покривають тонким шаром цинку. З цією метою залізні листи занурюють на короткий час у розплавлений цинк. Сам по собі цинк в атмосфері повітря не піддається корозії, оскільки на його поверхні утворюється досить стійка захисна оксидна плівка ZnO. При пошкодженні цинкового шару (тріщини, подряпини тощо) цинк з залізом у присутності вологи повітря утворює гальванічну пару. При цьому електрохімічному корозійному руйнуванню піддається цинк як активніший метал, а залізо не руйнується доти, поки не буде зруйнований весь захисний шар цинку. Конкуренцію традиційному цинкуванню складає покриття сталевих листів алюцинком.

На цьому ж принципі основується і так званий протекторний спосіб захисту металів від корозії. Суть цього способу полягає в тому, що металеву конструкцію сполучають металічним провідником з активнішим металом, який піддається корозійному руйнуванню. Наприклад, у парові котли інколи вводять листи цинку, які сполучають залізними стержнями з стінками котла. При цьому утворюється в середовищі води гальванічна пара, внаслідок чого цинк, як активніший метал руйнується, а залізні стінки котла не піддаються корозії. Так само можна захищати і підземні трубопроводи.

Схема корозії луженого заліза

Інколи металеві вироби вкривають захисним шаром менш активного металу. Прикладом цього може служити біла жерсть, з якої виробляють консервні банки. Її одержують зануренням на короткий час залізних листів у розплавлене олово. Олово дуже добре захищає залізо доти, поки його шар суцільний. Але коли захисний шар пошкоджується і залізо приходить у дотик з агресивним середовищем, воно з оловом утворює гальванічну пару і залізо як активніший метал піддається корозійному руйнуванню. При цьому залізо кородує значно скоріше, ніж у тому випадку, коли воно не вкрите шаром олова.

Досить поширеним є гальванічний спосіб покриття одного металу іншим (шляхом електролізу). Цим способом покривають нікелем (нікелювання), хромом (хромування), міддю (міднення), сріблом (сріблення), золотом (золочення) і іншими металами. Гальванічним способом можна наносити дуже тонкий і рівномірний шар захисного металу. Гальванічні покриття не тільки захищають металічні вироби від корозії, а й надають їм гарного зовнішнього вигляду.

Для боротьби з корозією в середовищі рідин застосовують спеціальні добавки, так звані інгібітори, тобто сповільнювачі корозії. Інгібіторами можуть бути різні речовини: хромат натрію, дихромат калію, фосфат натрію тощо, а також желатин, клей та інші органічні речовини. Інгібітори сприяють утворенню на кородуючій поверхні металу міцної захисної плівки, внаслідок чого швидкість корозії може зменшуватись у десятки і сотні разів. Особливо важливу роль відіграють інгібітори при взаємодії металів з кислотами. Так, наприклад, коли додати деякі інгібітори до хлоридної кислоти, то її можна зберігати в стальній тарі, хоч хлоридна кислота з залізом взагалі реагує досить енергійно.

Крім того, останнім часом стали широко застосовувати сплави з високими антикорозійними властивостями. Такі сплави одержують шляхом добавок до основного металу інших металів — нікелю, кобальту, хрому і ін. Прикладом антикорозійних сплавів може служити сталь із вмістом 15—20%. Така сталь цілком стійка до дії кислот. З неї виготовляють різну хімічну апаратуру.
Законспектувати.  Вивчити матеріал.

20.11.2024

Тема уроку: Сутність корозії, її види та класифікація.

Коро́зія мета́лів — процес хімічного руйнування металів і сплавів при їх взаємодії з зовнішнім середовищем: повітрям, водою, розчинами електролітів тощо. До основних видів корозії відносять хімічну, електрохімічну, а також біологічну.

 

Хімічна корозія відбувається в середовищах, які не проводять електричного струму. Вона обумовлюється дією на метали неелектролітів (спирту, бензину, мінеральних масел тощо) і сухих газів (кисню, оксидів азоту, хлору, хлороводню, сірководню і ін.) при високій температурі (так звана газова корозія).

 

У результаті взаємодії металів із зовнішнім середовищем їх поверхня вкривається тонким шаром (плівкою) різних хімічних сполук (продуктів корозії): оксидів, хлоридів, сульфідів тощо. Інколи цей шар такий щільний, що крізь нього не може проникати агресивне середовище. В таких випадках з часом швидкість корозії зменшується, а то й зовсім припиняється. Наприклад, алюміній в атмосфері повітря кородує значно повільніше від заліза, хоч за своїми хімічними властивостями він активніший від заліза. Це пояснюється тим, що поверхня алюмінію вкривається суцільною, досить щільною і міцною оксидною плівкою, яка ізолює метал від доступу кисню, а оксидна плівка заліза, навпаки, є крихкою і ламкою, містить багато пор і тріщин, через що кисень повітря крізь неї легко проникає до поверхні заліза, і тим обумовлюється безперервне його руйнування.

 

Електрохімічна корозія більш поширена і завдає значно більшої шкоди, ніж хімічна. Вона виникає при контакті двох металів у середовищі водних розчинів електролітів. На відміну від хімічної електрохімічна корозія супроводжується переміщенням валентних електронів з одної ділянки металу на іншу, тобто виникненням місцевих електричних струмів внаслідок утворення на кородуючій поверхні так званих гальванічних пар.

Законспектувати.  Вивчити матеріал.

15.11.2024

Тема уроку: Класифікація, маркування сталей.

Класифікація та маркування вуглецевих сталей

Вуглецеві сталі класифікують за кількома ознаками: за рівноважною структурою, за хімічним складом, за ступенем розкислення, за якістю та за призначенням.

За рівноважною структурою вуглецеві сталі поділяються на три групи:

доевтектоїдні – сталі, які містять від 0,02 до 0,8%С, структура яких складається з фериту і перліту;

евтектоїдні – сталі, які містять 0,8%С, структура яких складається з перліту;

заевтектоїдні – сталі, які містять понад 0,8 до 2,14%С, структура яких складається з перліту і цементиту вторинного.

Сплави заліза з вуглецем, які містять до 0,02%С називають технічним залізом. Структура таких сплавів складається в основному з фериту.

Мікроструктури доевтектоїдної, евтектоїдної, заевтектоїдної сталей і технічного заліза наведені на рис.5.3.

Рис.5.3. Мікроструктури доевтектоїдної (а), евтектоїдної (б), заевтектоїдної (в) сталей і технічно чистого заліза (г)

За хімічним складом (вмістом вуглецю) вуглецеві сталі поділяють на низьковуглецеві (<0,3%С), середньовуглецеві (0,3…0,6%С) та високовуглецеві (>0,6%С).

За ступенем розкислення сталі поділяють на киплячі (£0,07%Si), напівспокійні (0,07<Si<0,17%) та спокійні (0,17<Si<0,37%). Киплячу сталь позначають літерами “кп” наприкінці марки сталі, наприклад: Ст3кп, 05кп; напівспокійну сталь – літерами “пс”, наприклад: Ст3пс, 08пс; спокійну сталь у більшості випадків літерами не позначають за виключенням сталей звичайної якості, які позначають літерами “сп”, наприклад Ст3сп.

Якість сталі визначається в першу чергу кількістю шкідливих домішок – сірки та фосфору. Тому в основу класифікації за якістю покладено вміст в сталі P і S. За цією ознакою вуглецеві сталі поділяють на сталі звичайної якості (S£0,06%, Р£0,07%), якісні (S£0,04%, Р£0,035%) та високоякісні (S£0,025%, Р£0,025%).

За призначенням вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (для деталей машин і будівельних конструкцій) та інструментальні.

Конструкційні сталі повинні поєднувати достатню міцність і в’язкість. Таким вимогам відповідають доевтектоїдні сталі.

Конструкційні сталі за технологічною ознакою поділяються на ливарні та на сталі, що деформуються. Сталі, що деформуються, в свою чергу поділяються, в залежності від вмісту шкідливих домішок, на звичайної якості, якісні та автоматні.

Сталі звичайної якості, відповідно до ГОСТ 380-88, маркують літерами “Ст” і цифрами, які вказують номер марки, а наприкінці марки ставлять, в залежності від ступеня розкислення, літери “кп”, “пс” або “сп”. Із сталей цієї групи виготовляють гарячекатаний прокат (балки, прутки, швелери листи, труби), застосовують для будівельних конструкцій та маловідповідальних деталей машин.

Вуглецеві якісні сталі, відповідно до ГОСТ 1050-88, маркують двозначним числом, що вказує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Ступінь розкислення позначається літерами “кп”, “пс”, які ставляться після числа. В спокійних сталях літери “сп” не ставлять. Наприклад, 05кп, 08кп, 10, 15, …35, 40, …85.

Сталі марок 05, 08, 10 після відпалювання добре штампуються в холодному стані. Низьковуглецеві сталі марок 15, 20, 25 належать до тих, що цементуються. Середньовуглецеві сталі 30, 35, 40, 45 і 50 належать до сталей, що поліпшуються. З таких сталей виготовляють вали, шатуни, шестерні та інші деталі. Високовуглецеві сталі марок 60, 65, 70, 75, 80 і 85 використовують для пружин, ресор, тросів. Із сталі 60 виготовляють суцільнокатані колеса, валки прокатних станів.

Автоматні сталі (ГОСТ 1414-75) мають підвищену оброблюваність різанням, що забезпечується підвищеним вмістом сірки (до 0,25%) і фосфору (до 0,15%). Маркують літерою ”А” і числом, яке вказує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка: А12, А20, А30 і А35. Оброблюваність різанням поліпшується також введенням у вуглецеву сталь свинцю у кількості 0,15…0,30%. При маркуванні таких сталей після літери “А” ставлять літеру “С”: АС14, АС40.

Автоматні сталі мають понижені механічні властивості, тому їх використовують тільки для малонавантажених деталей.

Ливарні сталі (ГОСТ 977-88)маркують числом, що вказує вміст вуглецю в сотих частках відсотка, та літерою “Л” в кінці марки, наприклад 15Л, 20Л, 25Л тощо. Ливарні сталі використовують для деталей арматури, великих шестерень, валків та інших деталей.

Інструментальні вуглецеві сталі за якістю поділяються на якісні та високоякісні. Відповідно до ГОСТ 1435-74 якісні інструментальні сталі маркують літерою “У” і числом, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8, У9,…, У13. У марках високоякісних інструментальних сталей в кінці марки ставлять літеру “А”, наприклад, У7А, У8А… У13А.

Інструментальні сталі з відносно низьким вмістом вуглецю (У7, У8) мають високу в’язкість і використовуються для виготовлення зубил, молотків, кернерів, викруток, штампів тощо. Заевтектоїдні сталі (У9…У13) застосовують для інструментів, що потребують високої твердості та не дуже високої в’язкості: мітчиків, свердл, напилків, ножівок, вимірювальних інструментів. Недоліками вуглецевих інструментальних сталей.

Законспектувати.  Вивчити матеріал.

29.10.2024

Тема уроку: Класифікація, маркування чавуну.

Чавун — сплав заліза з вуглецем, який може містити від 2,14 до 6,67% вуглецю.

Чавуни, які виплавляють у доменних печах поділяють на:

• переробні, які використовуються для виробництва сталі у кисневих конверторах, електропечах, мартенівських печах;

• ливарні, які використовуються для одержання виливків у ливарних цехах машинобудівних чи ливарних заводів. Частка цих чавунів зменшується й не перевищує 10%.

Широке застосування чавунів у машинобудуванні пояснюється порівняно невеликою вартістю й добрими технологічними властивостями чавунів — високою рідкотекучістю й незначною (~ 1%) усадкою під час кристалізації та наступного охолодження, здатністю легко оброблятися різанням, можливістю зміни властивостей термообробкою й легуванням. Найкращі ливарні властивості мають евтектичні чавуни, оскільки в них менший температурний інтервал кристалізації.

Залежно від хімічного складу та умов кристалізації Карбон в чавунах може кристалізуватися як у вільному стані у вигляді графіту, так і у вигляді сполуки з Ферумом — цементиту Fe³C. Залежно від стану Карбону в чавунах, їх класифікують на білі та машинобудівні чавуни.

Білий чавун.

У білих чавунах весь вуглець перебуває в цементиті. Завдяки цементиту такі чавуни мають білий блискучий злам, від кольору якого і походить їх назва. Структуру білих чавунів у рівноважному стані творять дві фази — ферит та цементит. За рахунок твердого цементиту, кількість якого збільшується зі збільшенням вмісту карбону, білі чавуни мають високу твердість (450…550 НВ), дуже крихкі, практично не підлягають різанню лезовим інструментом. Тому в машинобудуванні білі чавуни мають обмежене застосування. Їх використовують тільки як зносотривкий матеріал для відливання деталей шламових насосів, гідроциклонів, доменних печей, кульових млинів для розмелювання руд. З виливків білого чавуну отримують ковкі чавуни.

Машинобудівні чавуни

Машинобудівні чавуни відливають за таких умов, що забезпечують повну або часткову графітизацію — виділення графіту. Тому властивості цих чавунів визначаються не тільки структурою металевої основи (ферит, перліт), але й формою, розмірами, кількістю й характером розташування в основі графітних виділень. Виливки з цих чавунів добре обробляються різанням й не підлягають обробці тиском.

Чавуни з пластинчастим графітом

Виливки з чавунів з пластинчастим графітом одержують безпосередньо заливанням розплавленого металу в ливарні форми. Графіт під час кристалізації формується у вигляді вигнутих пелюсток, пластинок. Такий графіт називають пластинчастим. Наявність у структурі вільного графіту зумовлює матовий сірий колір зламу, від якого походить інша назва цих чавунів — сірі чавуни.

Пластинчастий графіт порушує суцільність металевої основи, створює на краях пелюсток зони сильної концентрації напружень, і тому сірі чавуни характеризуються низькою міцністю на розтягування, згинання, скручування й дуже низькою пластичністю. Максимальна границя міцності на розтягування цих чавунів не перевищує 450 МПа. За ГОСТ 1412-85 марки чавунів з пластинчастим графітом позначаються літерами С (С — сірий, — чавун) і числами, які відповідають мінімально допустимим значенням границі міцності на розтягування σв у МПа•10^-1 (наприклад С 35).

Їх рекомендується використовувати для виробів, що підлягають переважно стисканню. Та завдяки пластинчастому графіту в сірих чавунах вдало поєднуються добрі антифрикційні властивості, зносотривкість, здатність гасити вібрації та мала чутливість до концентраторів напружень. З них відливають різні деталі для машин, махові колеса, шківи, плити, станини та столи верстатів, корпуси електродвигунів тощо.

Чавуни з кулястим графітом

Чавуни з кулястим графітом порівняно з іншими чавунами мають вищу пластичність, ударну в'язкість й одночасно міцність (за що їх називають високоміцними), що насамперед зумовлено кулястою формою графіту, яка забезпечується сфероїдизуванням. Сфероїдизування полягає у введенні в розплав малих додатків (0,03…0,06%) сфероїдизувальних металів — магнію, церію, кальцію, під дією яких графіт кристалізується у формі кульок, які мінімально послаблюють металеву основу чавуну.

За ДСТУ 3925-99 умовне позначення марки містить літери В (В —високоміцний, — чавун), цифрове позначення мінімального допустимого значення границі міцності на розтягування σв у МПа та через дефіс — відносне видовження δ у відсотках. Максимальну міцність має чавун марки В 1000-2.

З них виготовляють розподільні й колінчасті вали, блок-картери, головки циліндрів, шатуни, поршні, поршневі кільця в автомобілебудуванні; супорти, шпинделі, зубчасті колеса у верстатобудуванні; плити гідравлічних пресів, напрямні та плунжери ливарних машин, напірних труб для води, нафти, агресивних рідинних та газових середовищ.

Чавуни з вермикулярним графітом

Чавуни з вермикулярним графітом також одержують модифікуванням маґнієм, тільки в меншій кількості, що зумовлює утворення вермикулярного графіту у формі графітних пелюсток із заокругленими краями, менших розмірів та грубших порівняно з пластинчастим графітом. Марки цих чавунів позначають подібно як і високоміцних, наприклад ВГ 400-4.

За однакової структури металевої основи механічні властивості чавунів з вермикулярним графітом проміжні між властивостями сірих з пластинчастим та високоміцних з кулястим графітом. Вони переважають сірі чавуни за пластичністю, ударною в'язкістю, корозійною тривкістю, герметичністю, а високоміцні — за здатністю гасити вібрації, оброблятися різанням, меншою вартістю (дешевші на 20…30%).

Ковкі чавуни

Ковкі чавуни одержують шляхом тривалого графітизувального відпалу виливків з білого маловуглецевого (2,4…2,9% С) чавуну. Відпал при високій температурі спричиняє розкладання метастабільного цементиту з утворенням графіту компактної форми з кошлатими краями, так званого графіту відпалу. За впливом на механічні властивості чавуну такий графіт займає проміжне положення між пластинчастим і кулястим графітом. Структура металевої основи ковких чавунів — від феритної до перлітної — залежить від хімічного складу та режиму термічної обробки виливків з білого чавуну.

За ГОСТ 1215-79 марки ковких чавунів позначають літерами КЧ (К —

ковкий, Ч — чавун), після яких вказуються мінімально допустимі значення границі міцності на розтяг у МПа•10-1 й через дефіс — відносного видовження у відсотках (наприклад, К 30-6).

Істотним недоліком виробів з ковких чавунів є висока вартість внаслідок тривалого високотемпературного відпалу та обмеження розмірів.

Законспектувати. Вивчити матеріал. 

22.10.2024

Тема уроку: Основні види сплавів. Основи виробництва сталі та чавуна.

Чавун — сплав заліза з вуглецем, який може містити від 2,14 до 6,67% вуглецю.

Чисте залізо має обмежене застосування. В техніці зазвичай використовують сплави заліза з вуглецем, які поділяють на сталі і чавуни.

Сталі містять до 2% вуглецю, а чавуни — від 2,14 до 6,67% вуглецю і навіть більше.

Виробництво чавуну

 

Чавун одержують із залізної руди в спеціальних вертикальних печах, які називають доменними печами, або домнами. Доменні печі — це складні споруди з вогнетривкого матеріалу із зовнішньою сталевою обшивкою. Висота сучасних доменних печей сягає 30 м, а внутрішній діаметр — до 6 м.

Перша згадка про чавун зустрічається у китайському літописі «Цзочжуань» у записі, що стосується 513 р. до Р. Х.

Перший європейський чавун виплавляли на теренах Священної Римської імперії наприкінці XIV ст., майже одночасно в австрійській Штирії та Північній Італії.

Світове виробництво чавуну в 2009 склало 898 261 000 тонн, що на 3,2% нижче, ніж в 2008 рік у (927 123 000 т. Світова топ-десятка країн-виробників чавуну виглядає так:

Місце Країна Виробництво, млн. т

1 Китай 543,748

2 Японія 66,943

3 Росія 43,945

4 Індія 29,646

5 Південна Корея 27,278

6 Україна 25,676

7 Бразилія 25,267

8 Німеччина 20,154

9 США 18,936

10 Франція 8,105

 

Сучасне виробництво

Добова продуктивність потужної домни становить 2000 т чавуну і навіть більше. Доменна піч після її пуску працює безперервно 5—6 років, а інколи навіть і до 10 років. Потім її ремонтують і знову пускають у роботу. Операції з підготовки шихти, завантаженні її в домну, випуску чавуну і шлаку механізовані. Шихту завантажують через верхню частину домни (колошник).

Спочатку засипають шар коксу, потім шар суміші руди з коксом і флюсами, потім знову шар коксу і т. д. Кокс служить джерелом тепла для підтримання потрібної температури в домні і для одержання відновника — монооксиду вуглецю CO, а флюси (найчастіше CaCO3) — для перетворення пустої породи (SiO2, глини тощо) в легкоплавкі сполуки — шлак.

Горіння коксу підтримується вдуванням у нижню частину домни (горно) попередньо нагрітого до 800–1000°С повітря. Найвища температура (до 1500 °C і навіть більше) досягається в нижній частині домни у зоні горіння коксу, а найнижча (до 200 °C) — у найвищій частині.

 

Схема доменного процесу. Приблизний розподіл температур по висоті домни.

В результаті згоряння коксу в нижній частині домни утворюється діоксид вуглецю CO², який, піднімаючись вгору і проходячи крізь шар розжареного коксу, перетворюється в монооксид вуглецю CO:

C + O² = СО²

CO² + C = 2CO

Монооксид вуглецю як сильний відновник, проходячи через шари шихти, відновлює оксиди заліза (залізну руду). Причому ступінь відновлення залежить від температури. При температурі 200–500°С Fe²O³ відновлюється до Fe³O⁴:

3Fe²O³ + CO = 2Fe³O⁴ + CO² ↑

при 600 °C Fe³O⁴ відновлюється до FeO:

Fe³O⁴ + CO = 3FeO + CO² ↑

Вище 700 °C FeO відновлюється до вільного заліза, яке утворюється в твердому стані (так зване губчасте залізо):

FeO + CO = Fe + CO² ↑

При вищих температурах у процесах відновлення оксидів заліза бере участь, крім монооксиду вуглецю, і вільний вуглець:

FeO + C = Fe + CO ↑

 

Відновлення заліза з руди закінчується при температурі 1000–1100 °C.

При цій температурі частково відновлюються й інші елементи із сполук, що входять до складу руди як домішки, — манган, силіцій, фосфор тощо.

Наприклад:

SiO² + 2C = Si + 2CO ↑

Ca³(PO⁴)² + 5C = 2Р + 3CaO + 5СО ↑

Утворюване губчасте залізо частково реагує з розжареним вуглецем і утворює хімічну сполуку — карбід заліза Fe³C:

3Fe + C = Fe³C

Ця сполука не підлягає правилам звичайної валентності. Карбід заліза Fe³C називають цементитом. Цементит в залізі утворює розчин, який називають чавуном.

Температура плавлення чавуну нижча, ніж чистого заліза, і залежить від вмісту вуглецю. Температура плавлення заліза 1538 °C, а чавун із вмістом вуглецю 4,3% плавиться при 1130 °C. Це найнижча температура плавлення чавуну. Доменний чавун містить звичайно 3—4% вуглецю і плавиться при 1200–1300°С.

У розплавленому чавуні легко розчиняються силіцій, манган, фосфор, сірка й інші домішки, які й залишаються в чавуні. Розплавлений чавун стікає в найнижчу частину домни (горно), звідки його періодично випускають. Пуста порода, що міститься в залізній руді, видаляється у вигляді шлаку. Шлак утворюється за такими хімічними рівняннями. Вапняк, що додається до шихти як флюс, при 800–1000°С розкладається на оксид кальцію і діоксид вуглецю. Утворюваний CaO як оксид з основними властивостями взаємодіє з силіцієвим ангідридом SiO² і амфотерним оксидом алюмінію Al²O³ (що міститься в глині) з утворенням відносно легкоплавких силікату кальцію і алюмінату кальцію:

CaCO³ = CaO + CO² ↑

CaO + SiO² = CaSiO³

CaO + Al²O³ = Ca(AlO²)²

Шлак плавиться близько 1100 °C і стікає в горно. Оскільки шлак легший від чавуну, він збирається над розплавленим чавуном і захищає його від окиснення. Розплавлений шлак, як і чавун, періодично випускають з домни. Доменний шлак використовують для виробництва будівельних матеріалів.

Доменний газ, крім азоту N², діоксиду вуглецю CO² та інших газів, містить близько 30 об'ємних процентів монооксиду вуглецю CO. Його спалюють у кауперах, в яких нагрівається повітря, що вдувається у домну. З метою підвищення продуктивності доменних печей і зниження собівартості одержуваного чавуну на багатьох металургійних заводах застосовують збагачене киснем повітря і дешевий природний газ. Заміна звичайного повітря збагаченим до 30 об'ємних процентів кисню повітрям, а також вдування у домну природного газу підвищує продуктивність домни на 10 і більше процентів і знижує витрати коксу до 20%. Природний газ, який складається головним чином з метану, згоряє у домні з утворенням діоксиду вуглецю CO2 і водяної пари H2O. Останні, реагуючи з розжареним коксом, перетворюються в монооксид вуглецю CO і водень:

Внаслідок цього доменні гази збагачуються відновниками — монооксидом вуглецю і водню, а це прискорює процеси відновлення руди і зменшує витрати коксу.

Чавуни, які виплавляють у доменних печах поділяють на:

• переробні, які використовуються для виробництва сталі у кисневих конверторах, електропечах, мартенівських печах;

• ливарні, які використовуються для одержання виливків у ливарних цехах машинобудівних чи ливарних заводів. Частка цих чавунів зменшується й не перевищує 10%.

Законспектувати. Вивчити матеріал. 

05.10.2024

Тема уроку: Основні відомості про метали та сплави.

Для порівняння якісних характеристик матеріали випробують на міцність, пружність, пластичність, твердість, ударну в’язкість тощо.

Міцність – це здатність матеріалів чинити опір дії сил при розтягуванні, витримувати їх, не руйнуючись.

Пружність – це здатність матеріалів відновлювати форму і об’єм після зняття навантаження.

Пластичність – це здатність матеріалів необоротно змінювати форму і об’єм під дією зовнішніх сил, не руйнуючись.

Твердість – здатність матеріалу протидіяти проникненню в нього більш твердішого матеріалу.

Матеріали на твердість випробують методами:

1. Брінелля – число твердості позначають літерами НВ і поруч вказують число в кг/мм².

У випробуваний зразок матеріалу  на спеціальному пресі вдавлюють стальну загартовану кульку Ø10, 5 і 2,5 мм в залежності від товщини матеріалу. Якщо товщина зразка більше 6 мм – 10мм, від 6 до 3мм – 5мм, менше 3мм – 2,5мм Ø кульки.

За допомогою спеціального мікроскопа вимірюється діаметр відбитка в мм.

2. Роквелла – випробують більш тверді матеріали. В зразок вдавлюють алмазний або твердосплавний конус з кутом при вершині 120^о – для дуже твердих та середніх та твердих, або стальну загартовану кульку Ø1,59 мм – в м’які та середні матеріали.

Випробування здійснюють на твердомірі, якій має три шкали А, В, С. Значення твердості визначається в умовних одиницях Роквелла.

Для дуже твердих матеріалів застосовують шкалу А і позначають НRА 70.

Для середніх і твердих – шкалу С і позначають НRС (від 20 до 70).

Для м’яких та середніх – шкалу В і позначають НRВ до 100.

3. Віккерса – в зразок вдавлюють алмазну чотиригранну піраміду з кутом при вершині 136^о. Твердість позначають НV 500. Методом Віккерса можна визначити твердість будь-яких матеріалів – від найм’якших і до алмаза  (практично до 9000 МПа).

Ударна в’язкість характеризує міцність металу під час дії на нього ударного навантаження.

На ударну в’язкість метали випробують на маятниковому копрі.

Законспектувати. Вивчити матеріал.

05.10.2024

Тема уроку: Основні відомості про метали та сплави.

Матеріалознавство - це прикладна наука, що вивчає будову (структуру) та властивості матеріалів, встановлює зв’язок між їхнім складом, будовою і властивостями, вивчає залежність будови і властивостей від методів виробництва та обробки матеріалів, а також зміну їх під впливом зовнішніх чинників: силових, теплових (термічних), радіаційних та інших.

Щоб визначити придатність матеріалу до виготовлення з нього певної деталі, необхідно знати склад, будову та властивості цього матеріалу, а також враховувати умови роботи деталі та фактори, що впливають на роботоздатність і надійність деталі та машини – швидкість старіння матеріалу, вплив на нього температури та вологості повітря тощо.

Атомно-кристалічна структура металів

Під атомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розміщення атомів у кристалі. Кристал складається з атомів (іонів), розміщених у певному порядку, який періодично повторюється у трьох вимірах. Кристалічна гратка (рис.1.2) представляє собою уявну просторову сітку, у вузлах якої розташовуються атоми (іони), що утворюють тверде кристалічне тіло (в даному випадку - метал). Потовщеними лініями на малюнку виділений найменший паралелепіпед, послідовним переміщенням у просторі якого вздовж трьох осей може бути побудована вся гратка. Найменший об’єм кристала, що дає уявлення про атомну структуру металу у всьому об'ємі, називається елементарним кристалічним осередком (коміркою).

Кристалічні просторові гратки, виходячи зі співвідношення між осьовими одиницями та кутами, поділяють на сім систем - сингоній: триклинна, моноклинна, ромбічна, гексагональна, ромбоедрична, тетрагональна, кубічна (рис.1.3.).

 

 

Рис.1.2. Кристалічна гратка

 

Рис.1.3. Кристалічні системи (сингонії): а - кубічна;

б - тетрагональна; в - гексагональна; г - ромбічна; д - ромбоедрична; е - моноклинна; ж - триклинна

Кристалічні гратки, в яких на долю однієї елементарної комірки припадає один атом, називають простими. Гратки, в яких на долю однієї елементарної комірки припадає декілька атомів, називають складними.

Переважне число технічно важливих металів утворюють одну з таких симетричних складних граток із щільним упаковуванням атомів: кубічну об’ємноцентровану (ОЦК), кубічну гранецентровану (ГЦК) і гексагональну щильно упаковану (ГЩУ).

Три основні елементарні кристалічні решітки.

1.      Об’ємо центровий куб (ОЦК) або (КОЦ).

2.      Гране центровий куб (ГЦК) або (КГЦ).

3.      Гексагональна щильно упакована (ГЩУ).

Існує 9 типів кристалічних решіток похідні від основних трьох.

Будова металевого злитка

Кристали, що утворюються при затвердінні металу, можуть мати різну форму в залежності від швидкості охолодження, характеру та кількості домішок. Найчастіше в процесі кристалізації утворюються розгалужені, або деревоподібні, кристали - дендрити (рис.2.4). Їхній розвиток відбувається, переважно, в перпендикулярних площинах з максимальною щільністю упаковування атомів. Це призводить до того, що спочатку утворюються довгі гілки (рис.2.4, а), так звані осі першого порядку (І - головні осі дендрита). Одночасно з подовженням осей першого порядку на їхніх ребрах зароджуються і ростуть перпендикулярні до них такі ж гілки другого порядку (ІІ). У свою чергу на осях другого порядку зароджуються і ростуть осі третього порядку (ІІІ) тощо. Так утворюються кристали у формі дендритів.

Рис.2.2. Схеми дентритного кристала (а) і росту дентритів (б)

 

Кристали дендритної форми іноді можна бачити безпосередньо на поверхні злитка у вигляді характерного рельєфу. Проте найчастіше дендритна будова виявляється тільки після спеціального травлення макрошліфів. Оскільки всі проміжки між гілками дендритів заповнені, то видно лише місця стиків дендритів у вигляді меж зерен. Правильна форма дендритів спотворюється у результаті зіткнення і зрощення часток на пізніх стадіях процесу кристалізації. Гілки дендритів розділені дуже тонкими прошарками нерозчинних домішок, дрібними порожнинами і порами, які виникли в результаті зменшення об’єму при переході металу з рідкого стану у твердий. Отже, за механізмом утворення зерна металу являють собою, переважно, дендритні кристали, які виросли з одного зародка і мають однакову орієнтацію кристалічної гратки. В залежності від швидкості охолодження рідкого металу, зерна можуть мати рівновісну (глобулярну) і стовпчасту (витягнуту) форму.

В злитку метала можна розрізнити три зони з різноманітною структурою (рис.2.5). Кристалізація рідкого металу починається на поверхні форми, яка більш холодна і відбувається спочатку, переважно в тонкому шарі сильно переохолодженої рідини, яка дотикається до її поверхні. Внаслідок великої швидкості охолодження це призводить до утворення на поверхні злитка дуже вузької зони 1 порівняно дрібних рівновісних кристалітів. За нею, в глибині злитка, розташована зона 2 подовжених дендритних кристалітів (зона стовпчастих кристалів). Ріст цих кристалітів відбувається в напрямку, протилежному напрямку відведення тепла, тобто перпендикулярно до стінок виливниці. Послідовний ріст дендритів від її стінки забезпечується просуванням у глибину розплаву гілок першого порядку і їхнього розгалуження. У середній частині злитка розташована зона 3 великих рівновісних кристалітів. Утворюється така зона внаслідок ще більшого уповільнення процесу охолодження метала і відсутності певного напрямку з переважним тепловідведенням.

Рис.2.3. Схема будови стального злитка: а – поздовжній переріз;

б – поперечний переріз; 1 – зона дрібних рівновісних кристалів;

2 – зона стовпчастих кристалів; 3 – зона великих рівновісних кристалів; 4 – усадочна раковина.

 

При сильному перегріванні металу, швидкому охолодженні, високій температурі лиття і спокійному заповненні форми зона подовжених дендритних кристалів може повністю заповнити весь об’єм злитка. При низькій температурі лиття, дуже повільному охолодженні (наприклад, у серединних шарах великих виливків) створюються умови для виникнення зародків кристалів у середній частині злитка. Це призводить до утворення у внутрішній частині виливка структурної зони, яка складається з рівновісних, по-різному орієнтованих дендритних кристалітів, розміри яких залежать від ступеня перегріву рідкого металу, швидкості охолодження, наявності домішок тощо. Тугоплавкі частки, які знаходяться в рідкому металі, сприяють розвитку зони дрібних рівновісних кристалітів

Зона стовпчастих кристалів має високу щільність, тому що в ній майже немає газових пухирів і раковин. Проте в місцях стикання стовпчастих кристалітів, які ростуть від різних поверхонь, метал має понижену міцність, і при наступній обробці тиском (куванні, прокатуванні тощо) в них можуть виникнути тріщини. Тому для малопластичних металів (зокрема, сталі), розвиток стовпчастих кристалітів небажаний. Навпаки, для одержання більш щільного злитка в пластичних металах (наприклад, міді та її сплавів) бажано поширення зони стовпчастих кристалітів по всьому обсязі злитків; внаслідок високої пластичності таких сплавів виключається руйнування злитка при обробці тиском. При фасонному литті прагнуть одержати дрібнозернисту рівновісну структуру.

Рідкий метал має більший питомий об’єм, ніж твердий, тому в тій частині злитка, що застигає в останню чергу, утворюється порожнина - усадочна раковина (4), яка оточена найбільш забрудненою частиною металу. В ній також після кристалізації залишаються мікро- і макропори та пухирі.

Законспектувати. Вивчити матеріал.