/
Author: Циммерман Р. Гюнтер К.
Tags: металлургия черных металлов железо, чугун и сталь цветные металлы в целом испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления справочник металлургия материаловедение
Year: 1982
Text
Р ЦИММЕРМАН
К. ПОНТЕР
МЕТАЛЛУРГИЯ
И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Перевод с немецкого
Б .И. Левина и Г.М. Ашмарина
под редакцией
П.И. Полухина и МЛ, Бернштейна
МОСКВА"МЕТАЛЛУРГИЯ'П982
УДК 669.1+669.2+620.18+621.7@83) D30.2)
УДК 669.1+669.2+620.18+621.7@83) D30.2)
Циммерман Р., ГюнтерК. Металлургия н материа-
материаловедение. Справ, изд. Пер. с нем. M.I Металлургия, 1982.
480 с. / ; :
Кратко изложены теоретические н технологические основы
производства черных и цветных металлов и сплавов, их. обра-
обработки. Описаны свойства различных металлов и сплавов. Ос-
Освещены основные положения физического металловедения, со-
современные методы изучении структуры и свойств металлов и
сплавов. Рассмотрены металлические материалы, используемые
в технике, полупродукты и заготовки, полупроводниковые ма-
материалы.
Приведены основы металлургического производства в цвет-
цветной и черной металлургии (доменное, сталеплавильное, про-
прокатное, литейное производство и обработка цветных металлов
и сплавов). Описаны термическая обработка металлов н ме-
металлургической продукции. Ил. 818. Табл. 194. Библиогр.
список: 145 назв.
., 2601000000—200
Ц - 6—82
040@1)-82
© VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie Leipzig
I Перевод на русский язык. Издательство «Металлургия>, 1982
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
От редакторов русского перевода . . 10
Предисловие к русскому изданию . . 10
1. Основы материаловедения 11
1.1. Кристаллическое состояние и
строение кристаллов 11
1.2. Структура сплавов 15
1.3. Ионные структуры 19
1.4. Молекулярные структуры 19
1.5. Структура реальных кристаллов 19
1.5.1 Нульмерные нарушения строе-
строения решетки — точечные дефекты . . 20
1.5.2. Одномерные дефекты 21
1.5.3. Двумерные, или плоские, дефек-
дефекты решетки 23
1.5.4. Иллюстрация" всех перечислен-
перечисленных выше дефектов структуры .... 24
1.6. Стеклообразное состояние .... 25
1.7. Диаграммы состояния, диаграм-
диаграммы состав — температура 25
1.7.1. Основные положения 25
1.7.2. Типы двойных диаграмм сос-
состояния 26
1.7.3. Реальные диаграммы состояния 28
1.7.3.1. Диаграмма железо—углерод
(ДЖУ) 28
1.7.3.2. Влияние легирующих элемен-
элементов на структуру сплавов Fe—С и их
свойства ..... 37
1.7.3.3. Реальные диаграммы состоя-
состояния цветных металлов и некоторые
свойства сплавов 48
1.7.4. Многокомпонентные системы.. 59
1.8. Переходы в твердое состояние .. 60
1.8.1. Переход жидкость — твердое
тело (кристаллическое состояние)... 61
1.8.1.1. Общие закономерности .... 61
1.8.1.2. Формы кристаллов 64
1.8.1.3. Ликвация в литой структуре . 64
1.8.1.4. Трехзонная литая структура . 67
1.8.2. Переход в стеклообразное сос-
состояние 68
1.8.3. Переход газовая фаза — твер-
твердая (кристаллическая) фаза 68
1.9. Фазовые превращения в твердом
состоянии 69
1.9.1. Превращение с изменением
кристаллической структуры 72
1.9.2. Превращение с изменением кон-
концентрации 72
1.9.3. Превращение с изменением кон-
концентраций и структуры 73,-
1.9.4. Упорядочение 73
1.9.5. Превращения в молекулярных
структурах 74
1.9.6. Превращения в сталях при на-
нагреве и охлаждении ,74
1.9.6.1. Диаграмма время — темпера-
температура превращений (ВТП) переохлаж-
переохлажденного аустенита 74
1.9.6.2. Обзор превращений в сталях
при охлаждении и нагреве [140] . . 79
1.9.6.3. Описание структур, которые
возникают в результате превращения
переохлажденного аустенита 79
1.9.6.4. Превращения в сталях при
отпуске . 83
Стр.
1.10. Возврат, полигонизация, ре-
рекристаллизация и рост зерен ... 85
1.10.1а. Возврат 85
1.10.16. Полигонизация 85
1.10.2. Рекристаллизация 86
1.10.3. Рост зерна после первичной
рекристаллизации 88
1.10.4. Текстуры рекристаллизации . . 89
1.11. Испытания свойств 90
1.11.1. Механические свойства 90
1.11.1.1. Обратимая деформация ... 91
1.11.1.2. Необратимая деформация . . 92
1.11.1.3. Процессы деформации в по-
поликристаллических материалах .... 96
1.11.1.4. Ползучесть и релаксация . . 98
1.11.1.5. Явления разрушения 99
1.11.1.6. Повышение прочности .... Ю6
1.11.2. Механические испытания ... 108
1.11.2.1. Испытания на растяжение . 108
1.11.2.2. Испытания на сжатие .... Ш
1.11.2.3. Испытания иа изгиб 112
1.11.2.4. Испытания на кручение ... П2
1.11.2.5. Испытания на срез ИЗ
1.11.2.6. Испытания на пробивание
отверстий ИЗ
1.11.2.7. Испытания на загиб ИЗ
1.11.2.8. Испытания на осадку (плю-
(плющение) П4
1.11.2.9. Испытания проволоки на гиб
с перегибом (знакопеременные гибы) П4-
1.11.2.10. Испытания проволоки на
скручивание 115
1.11.2.11. Испытания труб 115
1.11.2.12. Испытание листовых (плос-
(плоских) образцов на глубокую вытяжку
по Эриксену 115
1.11.2.13. Определение способности к
глубокой вытяжке — по Энгельгарту
и Гроссу . П7
1.11.2.14. Определение ударной вяз-
вязкости '. П8
1.11.2.15. Испытание на ударное рас-
растяжение 121
1.11.2.16. Испытание на ударное сжа-
сжатие 121
1.11.2.17. Испытание на ударное кру-
кручение . •. 122
1.11.2.18. Испытания на продольный
изгиб , 122
1.11.2.19. Испытания на длительную
прбчность 122
1.11.2.20. Испытания на циклическую
прочность (усталостные испытания) 124
1.1К2.21. Испытания твердости .,. . . 129
1.11.2.22. Испытания на прокалива-
емость . . . . . 132-
1.11.2.23. Другие методы технологи-
технологических испытаний 134
1.11.2.24. Испытания сварных соеди-
соединений . . . . -.-. . . . 135
1.11.3. Физические свойства и испы-
испытания . . .' 139
1.11.3.1. Электропроводность 139
1.11.3.2. Теплопроводность . ...... 141
1.11.3.3. Термоэлектричество 141
1.11.3.4. Сверхпроводимость ...... 143
5
Стр.
1.11.3.5. Диэлектрические свойства . 143
1.11.3.6. Магнитные свойства и их ис-
исследование 143
1.11.3.7. Измерение внутреннего тре-
трения .... 149
1.11.3.8. Дилатометрия 151
1.11.3.9. Термический анализ 153
1.11.4. Исследования структуры ... 154
1.11.4.1. Получение рентгеновского
излучения ., 154
1.11.4.2. Свойства рентгеновского из-
излучения ., , , 156
1.11.4.3. Методы исследования струк-
структуры с помощью рентгеновского из-
излучения 156
1.11.4.4. Оценка результатов 157
1.11.4.5. Структурные исследования с
помощью пучков быстрых частиц . . 158
1.11.4.6. Другие способы изучения
структуры и анализа ее мелких со-
составляющих . 160
1.11.5. Структура 161
1.11.5.1. Состав структуры 161
1.11.5.2. Исследование структуры ... 161
1.11.5.3. Исследование структуры с
помощью оптических методов .... 173
1.11.5.4. Определение свойств и иден-
идентификация отдельных структурных
составляющих 181
1.11.5.5. Количественная металлогра-
металлография (стереометаллография) 181
1.11.6. Методы ультразвуковой де-
дефектоскопии материалов 187
1.11.7. Магнитные методы контроля . 193
1.11.8. Рентгеновская дефектоскопия 196
1.11.9. Контроль химического состава 198
1.11.10. Коррозионные испытания . . 200
1.11.11. Применение изотопов и ме-
методы исследования с помощью мече-
меченых атомов 207
1.11.11.1. Основные положения .... 207
1.11.11.2. Техника измерений 210
1.11.11.3. Получение искусственных
радиоактивных изотопов 211
1.11.11.4. Примеры применения ..... 212
2. Некоторые металлические мате-
материалы 213
2.1. Материалы, используемые в ме-
металлургическом производстве . . 213
2.2. Металлические материалы .... 213
2.2.1. Сплавы железа 213
2.2.1.1. Общие сведения 213
2.2.1.2. Принципы обозначения спла-
сплавов железа ; ."..... 214
2.2.1.3. Обозначение сплавов железа . 215
2.2.1.3.1. Обозначение сталей 215
2.2.1.3.2. Вспомогательные буквенные
и цифровые обозначения 215
2.2.1.3.3. Пересчетиые коэффициенты
для обозначения легирующих элемен-
элементов в низколегированных сталях ... 215
2.2.1.3.4. Обозначение литейных чугу-
нов ... 215
2.2.1.3.5. Обозначение отбеленного чу-
гуиа 215
2.2.1.3.6. Обозначение ковкого чугуна 215
2.2.1.3.7. Обозначение литейных ста-
сталей .. 216
2.2.1.4. Строительные стали общегС
назначения . . . . 216
.18. Улучшаемые стали
.19. Азотируемые стали
.20. Пружинные стали
.21. Хромируемые стали
.22. Стали для сварочной прово-
2.2.1.5. Низколегированные строи-
строительные стали
2.2.1.6. Стали для цепей
2.2.1.7. Стали для заклепок
2.2.1.8. Метизные стали для холодной
и горячей штамповки гаек
2.2.1.9. Стали для изготовления ка-
катанки
2.2.1.10. Холоднокатаная лента и тон-
тонкие листы из низкоуглеродистой стали
2.2.1.11. Листовая котельная сталь . .
2.2.1.12. Трубные стали для обычных
и прецизионных труб (бесшовных и
сварных)
2.2.1.13. Арматурная сталь для же-
железобетонных конструкций .
2.2.1.14., Высокопрочные свариваемые
строительные стали
2.2.1.14.1., Коррозионностойкие строи-
строительные стали
2.2.1.15. Мягкая сталь и магнитно-
мягкие материалы для реле
2.2.1.16. Стали для холодной высадки
2.2.1.17. Цементуемые стали
2.2." "~ ""
2.2.
2.2.
2.2.
2.2.
локи (для электродов)
2.2.1.23. Нержавеющие н кислото-
кислотостойкие стали
2.2.1.24. Жаростойкие (окалиностой-
кие) стали
2.2.1.25. Водородоустойчивые стали
2.2.1.26. Жаропрочные стали общего
назначения (теплоустойчивые) и жа-
жаропрочные аустенитные стали ....
2.2.1.27. Клапанные стали
2.2.1.28. Теплоустойчивые стали для
турбинных лопаток
2.2..1.29. Динамные и трансформатор-
трансформаторные стали (горячекатаные листы) . .
2.2.1.30. Износостойкие стали
2.2.1.31. Стали для подшипников ка-
качения
2.2.1.32. Углеродистые инструмен-
инструментальные стали
25.1.33. Легированные инструменталь-
инструментальные стали
2.2.1.34. Инструментальные стали для
горячих штампов
2.2.1.35. Быстрорежущие стали ....
2.2.1.36. Автоматные стали
2.2.1.37. Стали для крупных поковок
2.2.1.38. Хладостойкие (криогенные)
стали
2.2.1.39. Немагнитные стали
2.2.1.40. Литейный чугун. Обзор
(см. 5.1)
2.2.1.41. Чугун с пластинчатым гра-
графитом
2.2.1.42. Литейный чугун с шаровид-
шаровидным графитом . . .
2.2.1.43. Легированный чугун
2.2.1.44. Нелегированный отбеленный
чугун
2.2.1.45. Легированный отбеленный
чугун
2.2.1.46. Ковкий чугун
Стр.
216
217
217
217
218
219
221
221
223
224
225
225
226
226
227
229
230
230
231
231
232
234
234
236
236
237
237
238
239
240
241
242
242
243
243
244
245
246
247
247
250
253
253
6
Стр.
2.2.1.47. Стальное литье (GS) .... 254
2.2.1.48. Нелегированное стальное
литье 255
2.2.1.49. Жаропрочное стальное литье 268
2.2.1.50. Жаростойкое (окалиностой-
кое) стальное литье 276
2.2.1.51. Коррозионностойкое и кисло-
кислотостойкое стальное литье ....... 276
2.2.1.52. Химический состав стали . 256
2.2.1.53. Химический состав чугунов . 270
2.2.2. Цветные металлы и их сплавы 277
2.2.2.1. Общие сведения 277
2.2.2.2. Система обозначений цветных
металлов и сплавов 277
2.2.2.3. Медь и медные сплавы. Об-
Общие сведения ^77
2.2.2.4. Чистая медь 278
2.2.2.5. Медноцинковые деформируе-
деформируемые сплавы (латунн) 278
2.2.2.6. Медноцинковые деформируе-
деформируемые сплавы (специальные латуни) . 279
2.2.2.7. Меднооловянные деформируе-
деформируемые сплавы (оловянистая бронза) . 279
2.2.2.8. Медьиикельцинковые дефор-
деформируемые сплавы (нейзильбер) . . , 279
2.2.2.9. Медн'оникелевые деформируе-
деформируемые сплаиы 280
2.2.2.10. Медноалюминиевые дефор-
деформируемые сплавы (алюминиевая
бронза) 280
2.2.2.11. Меднобериллиевые деформи-
деформируемые сплавы (бериллиевая бронза) 281
2.2.2.12. Литейные медные сплавы . 281
2.2.2.13. Меднохромистые сплавы . . 282
2.2.2.14. Химический состав меди и
медных сплавов 284
2.2.2.15. Алюминий и алюминиевые
сплавы. Общие сведения 283
2.2.2.16. Алюминий высокой чистоты,
чистый и первичный алюминий .... 283
2.2.2.17. Алюминий для раскисления
и алюминотермии . . .......... 290
2.2.2Л8. Алюминиевые деформируе-
деформируемые сплавы 290
2.2.2.19. Литейные алюминиевые
сплавы 292
2.2.2.20. Алюминиевые . поршневые
сплавы . . 293
2.2.2.21. Химический состав алюминия
и алюминиевых сплавов 294
2.2.2.22. Свинец и свинцовые сплавы.
Общие сведения 293
2.2.2.23. Чистый свинец 293
2.2.2.24. Свинцовосурьмяные сплавы
(гартблей) . . . N . 296
2.2.2.25. Свинцовосурьмянистооловян-
ные (типографские) сплавы 297
2.2.2.26. Подшипниковые сплавы на
основе свинца и олова (баббиты) . . 297
2.2.2.27. Свинцовые сплавы, отливае-
отливаемые под давлением . 298
2.2.2.28. Химический состав свинца' и
свинцовых сплавов 299
2.2.2.29. Магний и магниевые сплавы.
Общие сведения 298
2.2.2.30. Чистый магний 298
2.2.2.31. Магниевые сплавы 300
2.2.2.32. Химический состав магния и
магниевых сплавов 300
Стр.
2.2.2.33. Олово и оловянные сплавы . 301
2.2.2.34. Чистое олово 301
2.2.2.35.,Мягкие припои 301
2.2.2.36. Химический состав олова и
оловянных сплавов 301
2.2.2.37. Цинк и цинковые сплавы.
Общие сведения . . ., 302
2.2.2.38. Чистый цинк . 302
2.2.2.39. Цинковые литейные рафини-
рафинированные сплавы 303
2.2.2.40. Химический состав цинка н
цинковых сплавов 303
2.2.2.41. Никель и никелевые сплавы 304
2.2.2.42. Чистый никель 304
2.2.2.43. Никелевые сплавы 305
2.2.2.44. Химический состав никеля н
никелевых сплавов . . . 305
2.2.2.45. Химический состав некото-
некоторых подшипниковых сплавов 307
2.3. Доменный (передельный) чугун . 306
2.4. Ферросплавы и легирующие до-
бавкн (элементы) 308
2.4.1. Ферросилиций и металлический
кремний . 309
2.4.2. Ферромарганец ........... 309
2.4.3. Феррохром и металлический
хром . .•-.•• 309
2.4.4. Фёррбтитан . . .*.'.'. ........ 310
2.4.5. Ферровольфрам . . . . 311
2.4.6. Ферроникель ......." 311
2.4.7 Силикрмедь^ (кремнистая медь) 311
2.4.8. Силикомарганец 311
2.4.9. Феррофосфор ¦. . . . 312
2.4.10. Феррованадий .......... 312
2.4.11. Силикокальций 312
2.4.12. Ферромолибден 312
2.4.13. Металлический марганец (азо-
(азотированный) 312
2.4.14. Металлический марганец . . . 312
2.5. Полупроводниковые материалы . 313
2.5.1. Общий обзор 313
2.5.2. Возможная классификация по
основным принципам применения . . . 313
2.5.3. Некоторые полупроводниковые
элементы н физические эффекты, оп-
определяющие нх применение 313
2.5.4. Некоторые полупроводниковые
материалы и их параметры 314
3. Металлургические реакции 316
3.1. Общие положения 316
3.2. Металлургические реакции в
доменной печи 318
3.2.1. Реакции между газами и твер-
твердым углеродом . , ! 319
3.2.2. Восстановление окислов железа 319
3.2.3. Реакции в доменной печи .... 320
3.2.3.1. Общие представления 320
33.3.2. Диаграмма восстановления . . 321
3.2.4. Материальный и тепловой баланс . 322
3.2.5. Процессы горения 322
3.2.6. Поведение основных сопутству-
сопутствующих железу элементов в доменной
печи 323
3.3. Металлургические реакции при
производстве стали 325
3.3.1. Окислительный период (фрише-
вание) 325
3.3.1.1. Поведение углерода 326
3.3.1.2. Поведение кремния 329
3.3.1.3. Поведение марганца 329
Стр.
3.3.1.4. Поведение фосфора , 331
3.3.1.5. Поведение серы 333
3.3.2. Раскисление стали 335
3.3.2.1. Равновесие реакции раскисле-
раскисления .,. 335
3.3.2.2. Осаждающее раскисление . . . 335
3.3.2.3. Продукты раскисления .... 336
3.3.2.4. Диффузионное раскисление . 337
3.3.2.5. Другие способы раскисления . 337
3.3.3. Материальный и тепловой баланс 338
3.4. Металлургические реакции при
производстве цветных металлов . 339
3.4.1. Первичная переработка сырья . 340
3.4.1.1. Пирометаллургические способы 340
3.4.1.2. Окислительный и сульфатизи-
рукмций обжиг сульфидного сырья . . 341
3.4.1.3. Кальцинирующий, восстано-
восстановительный и хлорирующий обжиг . . 342
3.4.2. Производство чернового металла 344
3.4.2.1. Основные положения 344
3.4.2.2. Восстановительная плавка . . 344
3.4.2.3. Реакционная плавка 345
3.4.2.4. Осадительная плавка (цемен-
(цементация) . ...-.¦ 346
3.4.2.5. Электролиз расплавов 346
3.4.3. Рафинирование чернового ме-
металла .-....• , 34E
3.4.3.1. Физические -методы рафиниро-
рафинирования 346
3-4.3.2. Химические методы рафиинро-
вання 348
3.4.3.3. Электролитическое рафиниро-
рафинирование 348
3.4.4. Гидрометаллургия 348
3.4.4.1. Подготовка сырья 348
3.4.4.2. Перевод в растворимое состо-
состояние и выщелачивание 348
3.4.4.3. Разделение раствора от вы-
выщелачивания и нерастворенного остат-
ка 349
3.4.4.4. Очистка растворов 350
3.4.5. Амальгамная металлургия ... 351
3.4.6. Примеры металлургических тех-
технологий 352
3.4.6.1. Металлургия меди 352
3.4.6.2. Металлургия никеля 353
3.4.6.3. Металлургия ванадия ..... 375
3.4.6.4. Металлургия свинца 375
3.4.6.5. Металлургия олова |7b
3.4.6.6. Металлургия цинка 377
3.4.6.7. Металлургия алюминия .... 37°
3.4.6.8. Металлургия магния 37°
3.4.6.9. Металлургия благородных мг- '
таллов ?™
3.5. Шлаковые реакции *'*
3.5.1. Общие положения rf/y
3.5.2. Диаграммы состояния металлур- ,^
гических шлаков З
3.5.2.1. Отдельные компоненты .... 380
3.5.2.2. Многокомпонентные системы 381
3.5.3. Структура жидких шлаков . . . 385
3.5.3.1. Классические модельные пред-
представления .• • - • 385
3.5.3.2. Ионная теория . 385
3.5.4. Шлаки доменного процесса ... 387
3.5.5. Шлаки в процессе производст-
производства стали 387
3.5.6. Шлаки в производстве цветных
металлов 391
3.6. Газы в металлах и краткая ха-
характеристика защитных и реак-
реакционных газов '.
3.6.1. Система водород — железо . . .
3.6.2. Система кислород — железо . .
3.6.3. Система азот — железо
3.6.4. Система газ—.цветные металлы
3.6.5. Определение газов
3.6.6. Защитные и реакционные газы .
4. Металлургические процессы ....
4.1. Общие представления
4.1.1. Пирометаллургические методы
(общие представления)
4.1.2. Гидрометаллургические методы
(общие представления)
4.1.3. Методы порошковой металлур-
металлургии
4.2. Методы производства железа и
стали (общие представления) . .
4.2.1. Метод производства чугуна . .
4.2.2. Метод производства губчатого
железа
4.2.3. Прямое восстановление желез-
железной руды с использованием атомной
энергии ¦
4.2.4. Методы производства стали
(общие представления)
4.2.4.1. Конверторное производство
стали
4.2.4.1.1. Процесс LD
4.2.4.1.2. Процесс LDAC (OPL) ....
4.2.4.1.3. Процесс Калдо
4.2.4.1.4. Роторный процесс
4.2.4.1.5. Процесс PL (Phoenix—Lan-
zen)
4.2.4.1.6. Томасовский процесс
4.2.4.1.7. Кислородный конвертор с
нижним дутьем
4.2.4.2. Процессы изготовления стали
в подовых плавильных печах .....
4.2.4.2.1. Мартеновский процесс ....
4^2.4.2.2. Плавка стали в электропечах
(общие лредставления)
4.2.4.2.3. Плавка стали в дуговых пе-
печах
4.2.4.2.4. Индукционные печи (бессер-
дечниковые)
4.2.4.2.5. Печи сопротивления с .гра-
.графитовыми нагревателями .•
4.2.4.2.6. Плавка в двухподовой (двух-
ванной) печи
4.2.4.2.7. Процесс плавки в тандем-
печи . .
4.2.4.2.8. Плавка в плазменной печи
4.2.5. Процессы непрерывного произ-
производства стали
4.2.6. Методы дополнительной обра-
обработки стали, выплавленной обычным
способом (общие представления) ...
4.2.6.1. Специальные методы перепла-
переплава (общие представления)
4.2.6.1.1. Процесс переплава в вакуум-
вакуумной дуговой печи
4.2.6.1.2. Переплав в вакуумной ин-
индукционной печи . .
4.2.6.1.3. Переплав в многокамерной
электронно-лучевой печи
4.2.6.1.4. Процесс электрошлакового
переплава (ЭШП)
4.2.6.2. Процессы вакуумной обработ-
обработки жидкой стали ¦ .
Стр.
391
392
393
394
395
395
397
398
398
399
399
399
399
401
402
405
405
406
406
408
410
411
411
411
412
413
413
416
416
418
418
418
419
419
420
422
422
424
424
425
426
427
8
Стр.
4.2.6.3. Методы промывки жидкой ста-
стали газами 429
4.2.6.4. Методы обработки жидкой ста-
стали синтетическими шлаками в ковше 429
4.2.7. Разливка стали на слитки, сля-
слябы и прутки 430
4.2.7.1. Разливка стали на слитки и
слябы 430
4.2.7.2. Непрерывная разливка .... 432
4.3. Методы производства цветных
металлов (обзор) 432
4.4. Аппаратура для получения цвет-
цветных металлов пирометаллургическим
способом (обзор) •..,.. 432
4.4.1. Печи цветной металлургии . . . 432
4.4.1.1. Печи для обжига мелкодис-
мелкодисперсных материалов 432
4.4.1.2. Агломерационные (обжиговые)
аппараты 434
4.4.1.3. Шахтные плавильные печи . . 434
4.4.1.4. Высокопроизводительные пла-
плавильные печи 435
4.4.1.5. Стационарные пламенные (от-
(отражательные) печи 437
4.4.1.6. Вращающиеся пламенные печи 437
4.4.1.7. Конверторы и горны 438
4.4.1.7.1. Конверторы . 438
4.4.1.7.2. Горны 439
4.4.1.8. Плавильные сосуды (печи ре-
ретортного типа) 439
4.4.1.8.1. Плавильные котлы 439
4.4.1.8.2. Тигельные печи 441
4.4.1.8.3. Ретортные печи 442
4.4.1.9. Электрические печи ....... 443
4.4.2. Примеры электролизных уста-
установок для производства цветных ме-
металлов . . . 443
4.4.2.1. Электролитическое рафиниро-
рафинирование меди (электролиз водных рас-
растворов) ,. . . . 443
4.4.2.2. Электролиз алюминия (элект-
(электролиз расплавленных солей) 444
Сто.
4.5. Новые методы получения Pb, Zn,
Си 444
5. Способы формоизменения 445
5.1. Деформация, формоизменение . . 445
5.1.1. Основные положения ...... 446
5.1.1..1. Деформируемость . 446
5.1.1.2. Механизм деформации .... 446
5.1.1.3. Состояние материала 446
5.1.1.4. Условия деформации 448
5.1.1.5. Условия пластичноети, тече-
течения, критерий течения 448
5.1.1.6. Условия когезии (деформации
без разрушения) 449
5.1.1.7. Некоторые понятия 449
5.1.2. Процессы деформации 450
5.1.2.1. Процессы получения заготовок 450
5.1.2-2. Методы изготовления труб . . 451
5.1.2.2.1. Методы изготовления бес-
бесшовных труб 451
5.1.2.2.2. Методы изготовления свар-
сварных труб 456
5.1.2-3. Методы изготовления полос и
листов 457
5.1.2.4. Методы изготовления профи-
профилей 459
5.1.2.5. Методы изготовления кованых
и прессованных заготовок 460
5.1.2.5.1. Свободная ковка 460
5.1.2.5.2. Объемная штамповка .... 462
5.1.2.5.3. Прессование 463
5.1.2.5.4. Штамповка выдавливанием 463
5.1.2.6. Методы изготовления прово-
проволоки 464
5.1.2.6.1. Горячая прокатка проволо-
проволоки на проволочных станах 464
5.1.2.6.2. Волочение проволоки .... 464
Библиографический список 466
Приложение. Марки сталей по TGL
и их аналоги по стан-
стандартам СССР 470
Предметный указатель 475
ОТ РЕДАКТОРОВ
РУССКОГО ПЕРЕВОДА
В рамках долговременного сотрудничества стран — членов СЭЁ непрерывно развивают-
развиваются деловые связи между издательствами Германской Демократической Республики в
СССР. За последние годы издательствами ГДР выпущен ряд книг советских авторов,
а издательствами СССР — книги авторов из ГДР. В частности, в, издательстве «Метал-
«Металлургия» вышли «Испытания материалов» X. Блюменауэра, «Атлас дефектов стали»,
«Справочник по сварке, пайке, склейке и резке металлов и пластмасс» и др. Предлага-
Предлагаемый читателю справочник продолжает уже сложившуюся традицию.
По своему содержанию справочник «Металлургия и материаловедение» является
введением в рассматриваемую область знаний. Особенность его -— необычная для совет-
советского читателя форма изложения обширного комплекса сведений. Ее отличают крат-
краткость, а иногда даже некоторый упрощенный и особый, как бы стенографический спо-
способ подачи материала. Все это оправдывается стремлением авторов охватить практи-
практически все разделы металлургии и материаловедения."
При таком построении книга представляется весьма полезной для среднего звена
специалистов (для квалифицированных рабочих, мастеров, техников), а также для
лиц, изучающих материаловедение и металлургию (студентов средних и высших учеб-
учебных заведений). Кроме того, материаловед найдет в ней необходимые для своей прак-
практической работы сведения по металлургии, а металлург — соответственно сведения по
материаловедению. Эти соображения и послужили основанием для перевода настоящей
книги на русский язык.
Редакторы считают своим приятным долгом выразить благодарность проф. Ю. С.
Юсфину и доцентам Н. И. Уткину и В. К. Потемкину за просмотр некоторых разделов
перевода.
П. И. Полухин
М. Л. Бернштейн
ПРЕДИСЛОВИЕ
К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
В металлургии и материаловедении, как и во всех других областях знаний, непрерыв-
непрерывное накопление фактов, научных достижений и технологических приемов, вызвало
«взрыв „информации» — появление огромного числа публикаций. По этой причине спе-
специалисту по какому-либо одному разделу металлургии в.настоящее время очень труд>
но охватить' эту область знаний в целом. Однако без этого работать над отдельными
проблемами нецелесообразно, а иногда и невозможно. В связи с этим в ГДР в послед-
последние годы разработаны так называемые аккумуляторы знаний (Wissensspeicher) —
справочники, задача которых заключается в том, чтобы обобщить в более или менее
систематическом н кратком виде большой объем сведений в той или иной области.
Очевидно, что такие справочники не могут заменить учебники с их более детальным
изложением узких проблем.
Авторы предприняли попытку создать подобный справочник по металлургии и ма-
материаловедению, который должен помочь специалистам найти необходимую научную
и технологическую информацию, не обращаясь к специальным книгам н журналам.
Разумеется, объем сведений в таком справочнике ограничен, и во многих случаях чи-
читателю, возможно, потребуется специальная литература. Однако для получения пер-
первичной информации содержащиеся в справочнике данные могут оказаться достаточ-
достаточными.
Справочник «Металлургия и материаловедение» предназначен для технологов, ква-
квалифицированных рабочих, студентов, а также широкого круга читателей, которые зани-
занимаются производством и использованием металлических и других конструкционных
материалов.
При составлении настоящего справочника авторы использовали учебники проф.
докт. техн. наук Х.-И. Экштейна, проф. докт. техн. наук В. Шатта и проф. докт.техн.
наук X. Шуманна.
Авторы считают своим приятным долгом выразить признательность проф. докт.
техн. наук Х.-И. Экштейну и проф. докт. техн. наук В. Шатту за большую помощь
прн подготовке рукописи. Авторы выражают глубокую благодарность проф. докт. техн.
наук П. И. Полухину и проф. докт. техи. наук М. Л. Бериштейну за полезные замеча-
замечания и организацию перевода справочника на .русский язык.
Фрейберг — Москва 1982
10
1. ОСНОВЫ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Материаловедение — наука, которая, бази-
базируясь на основных положениях физики
твердого тела, физической химии и электро-
электрохимии, исследует и направленно использу-
использует взаимосвязь структуры и свойств для
улучшения свойств применяемых материа-
материалов или для создания новых материалов с
заданными свойствами. Главное в ией—
это научно обоснованное предсказание по-
поведения применяемых в технике материа-
материалов.
Структура¦
Свойства -
¦Изменения структуры
X
"Изменение свойств
Материал. Материалы оказывают влия-
влияние [78] на конструкционное решение из-
изделий; форму и качество поверхности из-
изделий; способ изготовления, соединения и
монтажа; сопротивление стационарному на-
гружеиию и динамическим нагрузкам; дол-
долговечность работы изделий; массу изделия;
стоимость, продукции.
Выбор ' и рациональное использование
материала. При выборе материала нужно,
чтобы удовлетворение поставленным тре-
требованиям (например, заданным техничес-
техническим условиям, технике безопасности и т.д.)
было осуществлено при наименьших затра-
затратах на собственно материал и на издерж-
издержки, связанные с его обработкой. При этом
необходимо гарантировать высокое качест-
качество (работоспособность) изделий в эксплу-
эксплуатации.
Выбор материала проводят в два этапа.
Этап 1 — выбор материалов, которые
удовлетворяют требованиям по внешнему
виду изделия и по заданным свойствам.
Этап 2 — материалы, которые отобраны
на этапе 1, обсуждаются с точки зрения
наименьших экономических затрат; при
этом принимают во внимание такие пара-
параметры, как технология изготовления, а так-
также обслуживание и т. д.
Процесс выбора материала по [78] вклю-
включает:
А. Первичные требования, которые зада-
задаются, исходя из основных условий службы
разрабатываемого изделия (например, кор-
коррозионная стойкость).
Б. Вторичные требования, которые зада-
задаются, исходя из технологических условий
изготовления (например, возможность
сварки).
Важнейшие критерии, которые следует
учитывать при выборе материала:
а) физические — структура; механичес-
механические свойства; оптические свойства (напри-
(например, цвет); акустические свойства (напри-
(например, уровень звучания); термические свой-
свойства (например, линейное расширение);
электрические свойства (например, прово-
проводимость); магнитные свойства (например,
коэрцитивная сила);
б) технологические — первичное получе-
получение заготовок; обработка давлением; обра-
обработка резанием; монтаж; нанесение покры-
покрытий;
в) химические — устойчивость против аг-
агрессивных сред (например, кислот); устой-
устойчивость против атмосферного влияния;
г) биологические — устойчивость по от-
отношению к воздействию насекомых и жи-
животных;
д) критерии, связанные с доставкой,—
возможности доставки; формы доставки;
масса доставки; состояние доставки;
е) экономические — цена; стоимость пе-
переработки; транспортные" затраты; затраты
на обслуживание.
Общие указания к экономическому ис-
использованию материалов приведены в -табл.
1 [78].
Металлы. Отличаются от неметаллов ме-
металлическим блеском и отражающей спо-
способностью; высокой прочностью; способ-
способностью к деформационному упрочнению;
хорошей электро- и теплопроводностью;
кристаллическим строением (за исключе-
исключением ртути); твердым агрегатным состоя-
состоянием при комнатной температуре (кроме
ртути при комнатной температуре).
Металлы (а также их окислы и гидро-
гидроокислы) образуют с кислотами соли (кати-
онообразователи).
Подразделять можно по различным кри-
критериям, например:
а) по способу получения — обычная плав-
плавка, спекание, электрометаллургические ме-
методы;
б) но плотности — легкие и тяжелые ме-
металлы;
в) по температуре плавления — легко-
легкоплавкие (<пЛ<:700 С), металлы со средней
температурой плавления (<Ол=700-г-
-ь2000°С), тугоплавкие (^пл>2000°С);
г) по химической стойкости — благород-
благородные и неблагородные металлы.
1.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
И СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллические вещества обладают за-
закономерной трехмерной периодической по-
последовательностью строения, которую мож-
можно определить и проанализировать с помо-
помощью тонких структурных методов анализа
(см. I.II.4).
Противоположность кристаллического
состояния—аморфное.
Элементы строения кристаллов различных
веществ: атомы, иоиы (моделируются, как
сферические частицы); молекулы, комплек-
комплексы (сферическая симметрия); молекулы
большой протяженности (комплексы с фор-
формой полос, слоев).
Кристалл имеет анизотропную, гомоген-
гомогенную, периодическую дискретность (дискрет-
(дискретное вещество).
Пространственная решетка представляет
собой объемно упорядоченное равномерное
11
ТАБЛИЦА 1
Материал
Целесообразные области '
применения
Технологические
свойства
Недостатки
Сталь
Чугун
Легкие
металлы
Пластмассы
Изделия с высоким уров-
уровнем механических напря-
напряжений и высокими тер-
термическими напряжениями
Чугун с пластинчатым и
шаровидным графитом
(см. 1.7.3.1) для нагру-
нагруженных деталей вместо
литой стали. Литая
сталь — в случае более
высоких напряжений
Детали, от которых тре-
требуется хорошая корро-
коррозионная стойкость и удо-
удовлетворительное соотно-
соотношение прочности и плот-
плотности
Детали, обладающие вы-
высокой «погодной» стой-
стойкостью, требующие ма-
малых затрат на уход, ра-
работающие в условиях
малого износа
Армированные изделия,
пенопласты
Хорошая сваривае-
свариваемость конструкцион-
конструкционных сталей. Возмож-
Возможность изготовления
облегченных ¦ фасон-
фасонных стальных профи-
профилей
Хорошая сваривае-
свариваемость. Экструдиро-
ванные профили
Термопласты,
реактивные
массы
термо-
термопласт-
Недостаточная корро-
коррозионная стойкость
Ограниченные возмож-
возможности применения обыч-
обычного серого чугуна (ма-
(малая прочность)
Модуль упругости со-
составляет только '/з моду-
модуля упругости стали. Це-
Цена выше (чем стали)
Цена выше. Обращать
внимание иа высокую
склонность к ползучести.
Падение прочности при
небольшом повышении
температуры и"в резуль-
результате старения (естест-
(естественного)
а -*¦
Рис. 1.1. Одномерное (а), двухмерное (б) и трех-
трехмерное (в) распределение атомов в решетке
расположение точек (например, точечных
масс атомов).
Одномерная решетка —рис. 1,1, а-. Вос-
Восстанавливается при сдвиге данного атома
на трансляционный отрезок а.
Двумерная решетка — рис.- 1,1,6. Тран-
Трансляция ряда точек на отрезок Ь под опре-
определенным углом (Второе направление!
Вектор!). Возникают плоскости решетки.
Трехмерная (объемная, пространствен-
пространственная) решетка — см. рис. 1,1, в [56]. Допол-
Дополнительная трансляция на отрезок с в треть-
третьем направлении, который не может лежать
в плоскости, образованной векторами а и Ъ.
Постоянные решетки представляют собой
отрезки трансляции а, Ь, с; соответствуют
межатомным расстояниям, составляют ве-
величины порядка 10~8 см.
Постоянная решетки при данной темпе-
температуре — константа, характерная для опре-
определенного кристаллического вещества.
Элементарная ячейка — наименьший
элемент объема пространственной решетки,
с помощью которого трансляциями на па-
параметры решетки а, Ъ, с в направлении
главных векторов можно построить объ-
объемную решетку.
Кристаллическая решетка однозначно
определяется постоянными решетки а, Ь и
с и углами между векторами решетки а,
Р и V (рис. 1.2).
Кристаллическая система. Существует 7
кристаллических систем и 14 видов крис-
кристаллических решеток, или решеток Браве.
Точки располагаются в решетках таким об-
12
рованных кристаллических материалах
(рис. 1.3).
Текстура: закономерная ориентация крис-
кристаллических плоскостей и направлений в
поликристаллическом веществе.
разом, чтобы каждая из них имела иден-
идентичное окружение (табл. 2).
Металлы преимущественно относятся к
кубической (объемно- и гранецентриррван-
ной) или гексагональной системам.
Анизотропия. Зависимость физических
свойств (например, прочности, пластично-
пластичности, теплового расширения, электро- и теп-
теплопроводности, намагничивания и т. д.) от
направления в монокристаллах или тексту-
ТАБЛ И ЦА 2
@10)
/
Рис. 1.3
-6в[100]
Изотропия. Свойства материала одина-
одинаковы во всех направлениях (аморфные ве-
вещества; мелкозернистый материал счита-
считается квазиизотропным).
Изотипия. Вещества с одинаковой фор-
формулой, описывающей стехиометрию, и оди-
Кристаллнческая
система
Постоян-
Постоянные ре-
решетки
Углы
Типы элементарных кристаллических ячеек
простая
с центро-
центрованным
базисом'
о. ц. к.
г. ц. к.
Кубическая
Тетрагональ-
Тетрагональная
Ромбическая,
орторомбиче-
ская :
Ромбоэдриче-
Ромбоэдрическая, триго-
нальная
Гексагональ-
Гексагональная
Моноклинная
Триклинная
а=Ь=с
а=Ьфс
афЬфс
а=Ь=с
а=р=у=90°
а=Р=у=90°
=.a2=as=
0° 120°
афЬфс
афЪфс
P=Y=90°
Ж
13
наковым типом решетки называются изотип-
ными (например, Си, Ag и Аи или NaCl,
PbSnMgO).
Антиизотипия. Ионные кристаллы, у ко-
которых лиганды Хп (например, центральный
атом А) комплекса АХп являются в одном
случае анионами (например, ТЬОг—флю-
оритный тип)., а в другом случае катионами
(например, LiO2 — антифлюоритиый тип).
Гомотипия. Решетки настолько близки
друг к другу, что одну можно перевести в
другую с помощью незначительных измене-
изменений (например, о. ц. к. Fe в г. ц. к. Fe в
результате закономерного гомогенного
сдвига).
Гетеротипия. Между решетками ие су-
существует простых переходов (например,
гексагональная и кубическая).
Изоморфизм. Изотипиые вещества назы-
называются изоморфными, если они могут сме-
смешиваться друг с другом (растворяться
друг в друге) без изменения типа решетки
с образованием непрерывного ряда твер-
твердых растворов.
Полиморфизм, аллотропия. Переход эле-
элемента (аллотропия) или твердого раствора
соединения (полиморфизм) от одного типа
решетки к другому при изменении внешних
условий (р, Т). Аллотропные модификации
стабильны при постоянном давлении в пре-
пределах определенных температур и могут
превращаться одни в другие.
Превращения в случае гомотипных моди-
9Ц" С
фикаций (например, a-Fe »-Y'Fe) ПРИ
этом происходят с большей скоростью и
полнотой, чем в случае гетеротипных (иа-
„ „ <19°с
пример, тетрагональное p-Sn >¦ куби-
кубическое a-Sn).
Псевдоморфизм. Присоединенный слой
искривленных соседних атомных плоскостей
из-за их различной геометрии (различных
углов) в случае одинакового типа кристал-
кристаллов— автотаксия; в случае чужеродных
решеток (разнотипные кристаллы) — эпи-
таксия.
Плоскости решетки. Плоскости, проходя-
проходящие через три точки пространственной ре-
решетки, образующие регулярную структуру.
Индексы Миллера. Служат для харак-
характеристики положения произвольной крис-
кристаллической плоскости в кристаллографи-
кристаллографической системе осей (рис. 1.4).
1. (hkl) — символы плоскостей; пред-
ставляют собой отношения обратных отрез-
отрезков, которые плоскость отсекает иа крис-
кристаллографических осях X, Y, Z. Единицами
измерения служат постоянные решетки а,
Ь, с по трем осям. Полученные дроби мож-
можно привести к наименьшим простым числам
путем умножения на общий множитель:
ОА/а
ОВ/Ь ' ОС/с
321
Каждая комбинация индексов Миллера
(hkl) описывает семейство плоскостей ре-
решетки, в которой каждая отдельная плос-
плоскость отстоит от соседней всегда на равные
отрезки d—межплоскостное расстояние.
Чем меньше индексы данной системы плос-
плоскостей, тем больше межплоскостное рас-
расстояние d и тем плотнее она заполнена
узлами решетки.
2. Если плоскость параллельна оси, то
точка пересечения плоскости с осью нахо-
находится в бесконечности. Обратное значение:
1/оо=0.
3. Символ (hkl) — «отрицательный» от-
отрезок по оси х. Плоскости, которые отсека-
отсекают продолжение осей в противоположном
направлении (отрицательный отрезок по
оси), обозначаются особым образом — над
соответствующим индексом ставится черто-
черточка (рис. 1.5).
4. Символ {hkl).
Обозначает семей-
семейство всех равно-
A00) значных кристал-
кристаллографических пло-
плоскостей.
Y Например:
—*" {100}—простая ку-
кубическая решетка
(рис. 1.6); может
быть получена сле-
следующей комбина-
Рис. 1.5 ВДей (hkl):
A00)
z
Рис. 1.6
hkl
hkl
hkl
hkl
hkl
hkl
{hkl}
= A00)
= A00)
=@10)
= @10)
= @01)
= @01)
Плоскость
Передняя
Задняя
Правая
Левая
Верхняя
Нижняя
5. Символ [uvw] — направление в ре-
решетке. Это направление, которое проходит
от начала координат к произвольной точке
Р кристаллической решетки; оно может од-
однозначно характеризоваться координатами
и,' v, w точки Р, которые и обозначаются
символами [и, v, w] — рис. 1.7.
6. Символ <uvw>. Применяется в тех
случаях, когда нужно характеризовать
только симметрию, а ие положение направ-
направления решетки в пространстве.
Зона. Все плоскости решетки различно-
различного положения в пространстве (hkl), кото-
которые пересекаются вдоль одного направле-
направления [ырйу], называемого осью зоны.
Рис. 1.7
Уравнение зоны. Определяет, относится
ли плоскость решетки (hkl) к зоне с дан-
данной осью зоны [uvw]: hu+kv+lw=>0.
Полярная сфера. Служит для описания
процессов перестройки в кристаллической
решетке, зависящих от направления. Систе-
Система точек пересечения со сферической по-
поверхностью нормалей к плоскостям решет-
решетки кристалла, расположенного в центре
сферы. Эти точки пересечения называют по-
полюсами плоскостей решетки.
Стереографическая проекция. Проекция
полюсов полярной сферы (с определенными
углами) на экваториальную плоскость этой
сферы, в которой полюса верхней части
сферы закономерно связаны с южным по-
полюсом полярной сферы (а соответственно
в нижней части — с северным полюсом).
Точки пересечения с экваториальной плоско-
плоскостью является стереографическими проек-
проекциями полюсов соответствующих плоскос-
плоскостей решетки (рис. 1.8 [13])г
Рис. 1.8
Полюсные фигуры. Полюсная фигура
прокатки {111} металла с г. ц. к. решеткой
(рис. 1.9 [13]). Полюсные фигуры служат
для описания текстур, т.е. наличия предпо-
предпочтительной ориентировки кристаллитов в
поликристаллическом веществе' либо вдоль
(НП), либо поперек (ПП) направления
прокатки на поверхности прокатанного
листа.
Межплоскостное расстояние d—наимень-
d—наименьшее расстояние по нормали между сосед-
Рис. 1.9
ними плоскостями решетки, принадлежа-
принадлежащими к одному семейству. Его можно рас-
рассчитать, зная индексы Миллера, постоянные
решетки а, Ь, с и углы а, Р и у (табл. 3).
1.2. СТРУКТУРА СПЛАВОВ
Сплавы. Металлы образуют между собой,
а также с неметаллами (при определенных
соотношениях и с учетом специфических
свойств элементов) либо отдельные фазы,
либо смеси фаз. Различают: твердые раст-
растворы замещения, твердые растворы внедре-
внедрения, интерметаллические фазы.
Твердые растворы замещения. Возника-
Возникают при занятии некоторых узлов решетки
матрицы атомами другого элемента, т.е.
замещением атома матрицы (рис. 1.10).
О
Рис. 1.10
Область растворимости какого-либо метал-
металла в данной матрице может быть оценена
эмпирическим правилом Юм-Розери.
Широкая область растворимости воз-
возможна в тех случаях, когда:
а) различие атомных радиусов менее
10-15 %;
б) элементы обладают почти одинаковы-
одинаковыми электрохимическими свойствами;
в) решетки изотипны.
Отсюда при выполнении всех вышеназ-
вышеназванных условий получается непрерывный
ряд твердых растворов (например, Си—
№), а при частичном выполнении вьгше-
15
ТАБЛИЦА 3
Кристаллическая
система (сиигония)
Кубическая
Гексагональная
Тетрагональная
Ромбическая
С
Ромбоэдрическая
Моноклинная
Триклинная
Межплоскостное
а
а
1 / 4 . ¦ t . .. ¦ а*Р
1/ "Г-(Л2 + ftfe + ft2) Н —
г 3 ,. с2
а
1
га с с
аУ 1—3cos2a + 2cossa
ftft' ~~ (ft2 + #* + Р) sin2 a + 2(ft& + kl + hi) (cos" a — cos a)
1 ~
-- / ft2 ft2 P 2ft/cosp
V a2sin2p 2 "*" c2sin2p acsin2 p
abc V 1 — cos2 a — cos2 p — cos2 у + 2 cos a cos p cos y
У We2 sin2 aft2 + aV sin2 pfe2 + a2^2 sin2 yP + X
X = 2a6c2 (cos a cos p — cos y) hk + 2a26c (cos p — cos у — cos a) kl +
+ 2a62c (cos у cos a) — (cos P) hi
названных условий растворимость в твер-
твердом состоянии ограниченная.
При образовании твердых растворов
электрическое сопротивление, твердость
чаще всего возрастает, а теплопроводность,
пластичность — обычно падают.
Ближний,порядок. Возникает, когда реа-|
лизуется тенденция к расположению в ка-
качестве ближайших соседей разнородных
атомов (разных элементов). Энергия связи
между разнородными атомами больше, чем
между однородными (рис. 1.11).
с условиями обработки образуют вполне
определенную решетку. Сверхструктуры ус-
устойчивы только ниже определенной темпе-
температуры, когда сохраняется закономерное
расположение разнородных атомов в опре-
определенных узлах сверхрешетки (рис. 1.12).
Рис. 1.12
Рис. 1.U
ФОШО
Дальний порядок, или сверхструктура.
Возникает при определенном количествен-
количественном (стехиометрическом) соотношении раз-
разнородных атомов, которые в соответствии
Сплавы с дальним порядком имеют по
сравнению с неупорядоченными твердыми
растворами иные механические, электричес-
электрические и магнитные свойства (см. раздел 1.11).
Сверхструктура золота и меди — См. рис.
1.13.
Образование зон. Происходит тогда, ког-
когда в твердом растворе реализуется тенден-
тенденция к предпочтительному расположению
16
расстояние
P
a2 c2
M_. J!_. JL
— a2 fc« c2
(ft2 + fe* + P) sin a + 2 (ftfe + kl) + hi (cos2 a —jcos a)
a2 (I — 3 cos2 a + 2 cos2 a)
1 ft2 fe2sin2P f
~ sin2P c2 b2 +"^2~"}"
^c2 sin2 «ft2 + a2c2 sin2 pfe2 + а2^ sin yf + 2abc2 (cos a cos p — cos y) hkX
a2№c2 A — cos2 a — cos« p — cos2 у + 2 cos a cos (icos y)
X = + 2a2bc (cos p cos у — cos a) kl + 2ab2c (cos у cps a — cos P) hi
однородных атомов (растворяемого элемен-
элемента) в качестве ближайших соседей, что в
определенных условиях (вероятного обра-
Рис. 1.13
•¦
/
о
о
/
С
г
w
)
/
/
Аи Си
• Си
АиСи3
о Аи
О
оооооооо
Ряс. 1.14
зования металлических фаз) оказывается
энергетически выгоднее, чем образование
неупорядоченного твердого раствора (рис.
1.14).
Твердые растворы внедрения. Образуют-
Образуются при внедрении чужеродных атомов раст-
растворяемого элемента (большей частью ме-
металлоидов с малым атомным радиусом) в
междоузлия кристаллической решетки мат-
матрицы. Образование твердого раствора вне-
внедрения при заполнении пор в г. ц. к. решет-
решетке— см. рис. 1,15.
Несмотря на малую растворимость вне-
внедренных атомов элементов в кристалличес-
кристаллическую решетку металлической матрицы, ряд
Рис. 1.16
2—140
технологических процессов, таких как об-
обработка на твердый раствор, закалка, ста-
старение, приводит к значительному измене-
изменению свойств (см. 5.0), что широко исполь-
используется в технике.
Фазы внедрения. Сверхструктуры в си-
системах растворов внедрения (см. рис. 1.16,
на котором изображена структура WC, ко-
координационное число 6) имеют полуметал-
полуметаллический блеск, высокую твердость и изно-
износоустойчивость. В технике используются
такие фазы внедрения, как бориды, силици-
силициды, карбиды.
Интерметаллические фазы. Образуются
обычно в средних частях диаграмм состоя-
состояния, за областью твердых растворов, когда
не выполняется правило Юм-Розери. Ха-
Характеризуются проявлением гетерополярной
и гомеополярной составляющих межатом-
ТАБЛИЦА 4
Система
Cu—Zn
Ag—Zn
Ag-Cd
Аи—Cd
Аи—Zn
Си—Sn
Си—Si
Си—Al
Ag—Al
Cu—Sb
Fe—Zn
Fe—Al
Ni—Al
Co—Zn
Ni—Zn
Pt—Zn
ФазьцЮм- Розери
P
CuZn
AgZn
AgCd
AuCd
AuZn
CuBSn
Cu5Si
Cu8Al
AggAl
FeAI
NiAl
V
Cu6Zn8
AgBZn8
Ag6Cd8
AusCd8
AusZn8
CuslSn8
CUaAl4
Fe6Zn2l
CoBZn2f
Ni6Zn2l
PtjZnji
e
CuZns
AgZns
AgCds
AuCd8
AuZns
CugSn
CUsSi
Ag5Al3
CulsSbs
FeZn,
ных сил связи наряду, естественно, с ме-
металлической связью при почти полной или
частичной стехиометрии. Интерметалличес-
Интерметаллические фазы стабильнее сверхструктур, они
большей частью твердые, хрупкие и обла-
обладают плохой электропроводностью.
Различают (по увеличению вклада неме-
неметаллической составляющей сил связи):
A. Фазы Юм-Розери, которые образуются
между металлами групп Ib, IVb до VHIb
(металлы первого рода) и металлами групп
lib, Ilia до Va (металлы второго рода) —
табл. 4. Такие фазы характеризуются опре-
определенным отношением числа валентных
электронов к числу атомов.
Примеры фаз:
а) Р-фазы — большинство из них имеет
кубическую и г. п. у. решетки; три валент-
валентных электрона на каждые два атома;
б) •уФазы —большей частью сложные
кубические решетки; 21 валентный электрон
на 13 атомов;
в) е-фазы — в основном г. п. у. решет-
решетки; имеют семь валентных электронов на
четыре атома.
Фазы Юм-Розери имеют металлический
блеск, высокую твердость и хрупкость. Их
число в сплавах должно быть регламенти-
регламентировано.
Б. Фазы Лавеса, представляющие, собой
соединения АВг типов MgCu2, MgNi2 и
MgZn2—табл. 5.
Фазы Лавеса — твердые, хрупкие, диа-
диамагнитные.
B. Фазы Цинтля, представляющие собой
соединения между металлами с сильно раз-
различающимися электрохимическими свойст-
свойствами; имеют солевидный характер. Фазы
Цинтля Li и Mg — табл. 6.
Г. Фазы Гримме—Зоммерфельда, имею-
имеющие гомеополярный характер сил связи,
образующиеся между элементами, равно-
равноотстоящими вправо и влево от группы IVa
периодической системы элементов. Они кри-
кристаллизуются в кубическую решетку алмаз-
алмазного типа или гексагональную типа вюрци-
та, например CdSe, который применяется
как полупроводник (лазер).
Д. Интерметаллические соединения на
железной основе с металлами IV, V и VI
групп, интерметаллические соединения Fe с
Со, Ni и Мп.
cr-фазы описываются, как фазы Юм-Ро-
Юм-Розери (имеют определенное отношение элек-
электронов на атом).
ТАБЛИЦА 5
MgCuj-тип, образУется из Двух
А1- (г. ц. к.) решеток;
решетка кубическая
AgBe2,
BiAu2,
NbCo2,
ТаСо2,
Ti (Be, Co,CrJ,
U (Al, Co, Fe или MnJ,
Zr (Co, Fe или WJ
MgNij-тип, образуется из одной
Al (г. ц. к.) и одной A3 (г. п. у.)
решеток; решетка гексагональная
BaMg2,
Nb (Mn или FeJ,
TaMn2,
Ti (Mn или FeJ,
UNi2,
Zr (Cr, Ir, Mn,
Re, Ru, Os или VJ
MgZn2-THn, образуется из двух
A3 решеток; решетка гексаго-
гексагональная
NbCo2,
ТаСо2,
TiCo2,
ZrFe2,
а также когда металл В
имеется в избнтке
18
ТАБЛИЦА
Группа
периоди-
периодической
системы
I
II
III
IV
V
VI
VII
Li
LiAg
LiZn
LiAI
LinSn
Li3Bi
LioSe
LiCl
6
Тип
m
Mg
MgCu2
MgZn2
MgTl
Mg2Pb
Mg3Sba
MgTe
MgBr2
Примечание
Интерметалли-
Интерметаллические фазы с
металлически-
металлическими свойствами
Граница фаз
Цинтля
Фазы солевид-
ного характера
твердых растворах LiCl—MgC!2 с большим
содержанием LiCl.
Твердые растворы сложения. В таких
твердых растворах занято большее число
На рис. 1.17—некоторые интерметалли- Рис , ,g Структура .ИОИНОго кристалла NaCl
ческие фазы в сплавах на основе железа. (комплексное проникновение Na6Cl и NaCie)
Элемент
В t ГруппаШ
¦ Элемент А -
Группа!?
Групла?
ГруппаШ
Мп
Fe
Со
Ni
Al
ВА
ВА
ВА
fi
Ti
В2А
6 X
В2А
ВА
В2А
ВА
ВА
В*АВА
G(Si)
Zr
В2А
X
В2А
В2А
ВА
G(Si)
Hf
В2А
X
ВгА
В2А
ВА
G(Si)
em
V
6 X
ВА
<5
В3А
6
3 х&о
6 C(Si)
Nb
ВгА
X
В2А
6
В2А
В3А
6(Si)
Та
В2А
X
В2А
В2А
В3А
Сг
б X
6
6
tf(Si)
Mo
6 X
В2А
6
6
В3А
W
X
В2А
М
ВзА
М
Рис. 1.17
1.3. ИОННЫЕ СТРУКТУРЫ
Образуются из катионов металла и анионов
металлоида; имеют гетерополярную связь.
У стехиометрических ионных кристаллов,
таких как щелочные и Ag-галогениды, на-
наблюдается ионная проводимость с помощью
решеточных вакансий. Вследствие незначи-
незначительной подвижности ионов ионные крис-
кристаллы являются хорошими изоляторами.
Оксиды и сульфиды имеют большей частью
нестехйометрический состав, поэтому про-
проводимость их связана с дефектами (см. по-
полупроводники 2.6) На рис. 1.18—ионная
структура NaCl с Na6Cl и NaCl6, комплекс-
комплексное проникновение.
Твердые растворы вычитания. Возникают
при обменном взаимодействии между раз-
различными ионными структурами, когда число
занятых одинаковых положений в решетке
такого твердого раствора уменьшается по
сравнению с решетками чистых компонен-
компонентов. Например, двухзаряженный ион Mg
замещает два однозарядных иона Li в
равнозначных мест в его решетке, чем в
решетках чистых компонентов.
1.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ
У металлов связь во всех направлениях
одинакова (гибкая металлическая связь).
В отличие от этого у высокополимерных
твердых тел внутри молекулярной цепоч-
цепочки— связь насыщенная сильная ковалент-
ная, а между цепочками — ненасыщенная
связь.
Внутри цепочки: 10—200 ккал-моль;
между цепочками: 0,5—10 ккал-моль-*.
Структура высокополимерных веществ-
[13]—табл. 7.
1.5, СТРУКТУРА РЕАЛЬНЫХ
КРИСТАЛЛОВ
Структура реального кристаллического те-
тела отличается от структуры идеального на-
нарушениями в строении решетки. Дефекты
19
ТАБЛИЦА 7
Материал по
TGL 21733
РЕ
РР
РЮ
PVC
PVDC
PTFE
PAN
PS
1,4-полибута-
диен
PF
PUR
Натуральный
каучук 1,4-цис-
полиизопрен
Пластомер
(Р), эласто-
эластомер (Е), дюро-
мер (D)
Р
Р
Е
Р
Р
Р
Р
Р
Е
D
P(ED)
Е
Структурная формула
СН2—СН2]П
СН2-СН(СН3)]„
сн2-с(аед„
СН2С—СНС1]„
CHg—СС12\п
CF2-CF2]n
CH2-CHCN]n
СН2-СН(СвНв)]„
Г Н Н Н Н-|
1 1 1 1
—С —С =С —С
1 1
L н нлп
СН2-мосты между фенолышми кольцами
г О Н -]
i! I
-C-N-(CH2)e — N-C-O(CHeL — О
1 il
L н о J
СН3-заместитель в цис-положениях
Вид
Полимеризованный
То же
»
»
»
»
»
»
Поликонденсат
Полиаддукт
Естественный вы-
высокий полимер
решетки существенно влияют на свойства.
Металлический кристалл после 'обычной
кристаллизации и медленного охлаждения
(в равновесном состоянии) содержит ~107
дислокаций на I см2, удельное количество
атомов в плоскости ~1015. Таким образом,
соотношение между дислокациями и ато-
атомами ~1: 108[13].
Классификация дефектов решетки. Де-
Дефекты решетки классифицируют по их про-
протяженности в пространстве, причем в ка-
качестве единицы протяженности принимают
величину трансляции. Различают: нульмер-
нульмерные, одномерные и двумерные нарушения
строения решетки.
весии вакансий (ср) в согласии с зависи-
зависимостью:
¦6
ф
1
Y
$
Y
ж
А,
Y
ф
¦6
$
Y
?
Y
Yi
y
?
0
Щ
&
$
ф
¦
YI
?
4
$
ф
?
Y
Y
Ф
¦
Ф
ф
0
Y
Y
Y
¦
Y
ф
Y
¦
Y
Y
Y
V
V
л
у
Y
f
Y
¦
v
¦
?
Y
v
Ф
Ф
Y
$
Y
?
Y
Y
Y
Y
у
К
9
Рис. 1.19
'1.5.1. Нульмерные
нарушения строения
решетки — точечные
дефекты •
К точечным относят дефекты, величина ко-
которых во всех трех направлениях сравни-
сравнима с величиной трансляции решетки (рис.
1.19).
Нульмерными нарушениями строения ре-
решетки являются вакансии A на рис. 1.19);
атомы в междоузлиях B иарис. 1.19);
атомы замещения C на рис. 1.19), а также
их различные комбинации D).
Вакансии. Представляют собой свободные
от атомов узлы решетки. С повышением
температуры происходит увеличение числа
находящихся в термодинамическом равно-
= nIN = e
At/
RT
(RT).
Здесь п — число вакансий; N — число узлов-
решетки; kU — энергия связи (у металлов
от 20 до ~50 ккал-моль-1, для ср вбли-
вблизи Г8~Ю-4).
С увеличением концентрации вакансий
электропроводность, теплопроводность и
плотность падают, удельная теплоемкость
растет.
Нульмерные дефекты Шоттки (рис.
1.20, а). Возникают в результате перехода
атомов из внутренних областей кристалла
на поверхность. Образование вакансий про-
происходит в результате перехода атомов на
¦внешнюю поверхность. В решетке происхо-
происходит перегруппировка, при которой сохраня-
сохраняется электрическая нейтральность.
20
Анти-Шоттки-дефект. Переход атомов с
поверхности кристалла во внутрь.
Нульмерные дефекты Френкеля (рис.
1.20,6). Атом оставляет свое место в узле
решетки и переходит в междоузлие.
1.22,6, линия винтовой дислокации v в ку-
кубической решетке). Плоскость решетки за-
закручивается по вииту вокруг линии дисло-
дислокации (образуя геликоидальную поверх-
поверхность). По величине Ъ дислокации подраз-
Рис. 1.20.-Дефекты Шоттки (а) и Френкеля (б)
1.5.2. Одномерные дефекты
Одномерные нарушения строения решетки
имеют достаточную протяженность только
в одном направлении. Важнейшими одно-
одномерными дефектами являются дислокации.
Дислокации возникают:
¦— в ходе процесса кристаллизации;
— в процессе пластической деформации;
— в результате фазовых превращений.
Вектор Бюреерса b (рис. 1.21). Этот век-
вектор является определяющим параметром
Рис. 1.21. Контур
Бюргерса и вектор
Бюргереа
геометрии дислокаций. В зависимости от
способа построения контура, проводимого
вокруг дислокации, он может быть незам-
незамкнутым при отсутствии дислокации (см.
рис. 1.21) или замкнутым при наличии дис-
дислокации (рис. 1.22, а). Ъ — расстояние меж-
между атомами в контуре (см рис. 1.21).
Классификация дислокаций. По углу
между b и I (I — линия дислокации) раз-
различают краевые дислокации (b±l); винто-
винтовые дислокации {b\\l)\ смешанные дислока-
дислокации [0°<{Ь, /)<90°].
Краевая дислокация может быть пред-
представлена как линия (край) экстраплоскости,
которая вставлена в решетку (см. рис.
1.22, а, кубическая решетка [13]) или изъ-
изъята из нее. Краевые дислокации находятся
внутри решетки и исчезают при выходе на
поверхность кристалла (образуя там ус-
уступ) . В пространстве, окружающем краевую
дислокацию, решетка искажена за счет
вставленного (или отсутствующего) слоя
атомов, составляющего экстра-плоскость.
В случае винтовой дислокации вектор b
и линия дислокации / параллельны (рис.
А
%
$
ф
mm
t
a
6
Y
j
<>
Y
Ф
Щ
#
<>
Y
6
Y
Y
Y
$
Phc. 1.22. Дислокации в куби-
кубической решетке:
а — краевая; б — винтовая
деляются на полные (единичные) и частич-
частичные.
Виды движения дислокаций. Скольжение;
поперечное скольжение; переползание.
А. Скольжение дислокаций. Консерва-
Консервативная форма движения дислокаций по
данной системе скольжения.
Система скольжения состоит из комби-
комбинации: плоскости скольжения, т. е. вообра-
воображаемой плоскости в решетке, по которой
происходит скольжение (параллельно
плоскости решетки с наивысшей плотностью
упаковки атомов), и направления скольже-
скольжения, т. е. наиболее плотноупакованного
кристаллографического направления, лежа-
лежащего в данной плоскости скольжения дис-
дислокации.
В результате трансляции атомных слоев
по плоскостям скольжения при пластичес-
пластической деформации на поверхности кристалла
появляются ступеньки, которые на шлифах
видны как линии скольжения или полосы
скольжения; обычно при микроскопическом
изучении структуры деформированных ме-
металлов их называют следами скольжения.
Б. Переползание. Неконсерватйвное дви-
движение дислокаций (рис. 1.23).
Краевая дислокация может покидать
свою плоскость, оставляя при этом вакан-
вакансии (или наращивая к краю экстраплоско-
экстраплоскости дополнительное число атомов) В пер-
первом случае экстраплоскость укорачивается,
во втором — удлиняется. Процесс зависит
от температуры (является термически ак-
активируемым). Переползание, таким обра-
образом, связано только с перемещениями
21
вблизи линии краевой дислокации. Могут
возникать пороги на дислокации. Такие
пороги на линии дислокации образуются
также при пересечении дислокаций, движу-
движущихся по пересекающимся плоскостям, при
Рис. 1.23
этом порог и b не лежат в одной плоско-
плоскости. Пороги на винтовой дислокации A) и
краевой дислокации B)—см. рис. 1.24.
1 Рис. 1.24
В. Поперечное скольжение. Винтовые
дислокации в отличие от краевых могут
легко менять свою плоскость скольжения на,
например, перпендикулярную ей [рис. 1.25,
Рис. 1.25
где 1 ¦— первоначальная плоскость; 2 —
плоскость поперечного скольжения; 3 (ана-
(аналогичная 1)— плоскость скольжения, по ко-
которой движение винтовой дислокации будет
осуществляться без препятствий].
Дополнительные сведения о дислокациях
А. Полные (единичные) дислокации. При
их движении элементарный сдвиг осущест-
осуществляется на величину Ь — трансляционный
вектор.
Б. Дислокации Шокли — неполные или
частичные дислокации. При их движении
сдвиг происходит на величину меньше Ь —¦
см. Двойникование. В расщепленных дис-
дислокациях дефекты упаковки ограничены
частичными дислокациями; например
а
Ь= — <112>—г. ц. к. решетка.
6
В. Дислокации Ломер—Котрелла. При
встрече двух движущихся во взаимно пе-
пересекающихся плоскостях расщепленных
дислокаций «головные» частичные дислока-
дислокации вступают в реакцию друг с другом.
Появляется V-образная дислокация Ло-
Ломер —Котрелла.
Г. Сидячие дислокации (Франка). Появ-
Появляются при захлопывании вакансионных
дисков (рис. 1.26).
Рис. 1.26
Такие дислокации не скользят:
а
Т
г. ц. к. решетка.
Д. Узлы дислокаций. Образуются, когда
дислокации с различными векторами Бюр-
герса встречаются друг с другом; устойчи-
устойчивыми являются тройные узлы, для которых
сумма векторов Бюргерса встретившихся
дислокаций равна нулю.
О наличии дислокаций в кристаллах мож-
можно судить главным образом по результатам
металлографического анализа (фигур трав-
травления); просвечивающей электронной ми-
микроскопии (наиболее достоверные сведе-
сведения); рентгенографической дифракционной
топографии; измерения электросопротивле-
электросопротивления; измерения плотности.
Примеры: распределение дислокаций в
кремнии — см. рис. 1.27 (X1500G) и дис-
Рис. 1.27
локаций в нёлегированной строительной
стали — см. рис. 1.28 (X15000).
Энергия дислокаций. Поле сдвиговых на-
напряжений вокруг винтовых дислокаций
имеет круговую симметрию, в то время как
вокруг краевых дислокаций создается не-
несимметричное поле как сдвиговых, так и
нормальных напряжений, описываемое
обычно в полярных координатах. Энергия
22
Дефект упаковки
Рис. 1.28
винтовой дислокации Uv (за вычетом вкла-
вклада энергии ядра дислокации):
где С —модуль сдвига; b — вектор Бюр-
герса C-10~8 см); г0 — радиус ядра дисло-
дислокации (гоя*Ь).
Половина всей энергии дислокаций еще
сохраняется на расстоянии ri»10~4 см, т. е.
напряжения вокруг дислокаций дальнодей-
ствующие. Энергия дислокации пропорцио-
пропорциональна Ьг, поэтому в решетке устойчивы
дислокации с наименьшим (возможным по
геометрии решетки и условиям скольжения)
вектором Бюргерса (состояние с наимень-
наименьшей энергией).
Дислокации могут не находиться в тер-
термодинамическом равновесии — неустойчи-
неустойчивые дислокации.
1.5.3. Двумерные, или
плоские, дефекты решетки
Плоские (двумерные) дефекты решетки
имеют достаточную протяженность в двух
направлениях. К двумерным (плоским) де-
дефектам относятся:
а. Дефекты упаковки.
б. Границы в кристаллах: межфазные,
высокоугловые границы зерен, средне- и
малоугловые границы. субзерен, границы
двойников, границы областей упорядочения.
Дефекты упаковки. Нарушения последо-
последовательности застройки атомными плоско-
плоскостями решетки некоторых участков в кри-
кристалле приводят к появлению так называ-
называемых дефектов упаковки (рис. 1.29). Они
возникают обычно в плотноупакованных
кристаллах; ограничены дефекты упаковки
частичными дислокациями.
Гексагональная плотнрупакованная
объемная решетка — 2-кратное повторение
@001) плоскостей; г. ц. к. решетка — 3-крат-
3-кратное повторение плоскостей {III}. При воз-
возникновении дефектов упаковки появляется
энергия дефектов упаковки у—энергия, ак-
аккумулированная в участке с нарушенной
укладкой (застройкой) атомных плоскостей:
= 20 ЭРГ-СМ"~2>"
= 300 эрг-см-?.
Рис. 1.29
доченных сплавах; энергия составляет око-
около 100 эрг-см-2 (рис. 1.30, антифазная
граница в г. ц. к. решетке).
Рис. 1.30
Границы зерен. Поликристаллическое ве-
вещество состоит из большого числа зерен
(кристаллитов) с различной ориентировкой.
Граничные поверхности (границы зерен)
представляют собой переходные зоны с на-
нарушенным кристаллическим строением.
Различают малоугловые границы субзёрен
и большеугловые границы зерен.
А. Малоугловые границы субзерен (рис.
1.31). Простейшие из них прстроены из
Антифазная граница. Возникает в упоря-
Рис. 1.31
одноименных дислокаций, равномерно рас-
расположенных в плоскости границы. При
краевых дислокациях — границы наклона,
когда решетки двух кристаллитов наклоне-
наклонены друг к другу; при винтовых дислока-
дислокациях— границы кручения, когда решетки
23
двух кристаллитов развернуты друг отно-
относительно друга.
Угловые различия в ориентировке субзе-
субзерен определяются расстоянием d между
дислокациями: sin a^a^a/d.
Б. Болынеугловые границы зерен. Боль-
шеугловые границы являются сильно иска-
искаженными поверхностями раздела соседних
объемов с различием в ориентировках
^15—18° (рис. 1.32). Энергия границы со-
Рис. 1.32
ставляет обычно 500 эрг-см~2 и более.
Особым случаем болынеугловой границы с
малыми искажениями строения являются
границы двойников, энергия которых при-
примерно соответствует половине энергии де-
дефекта упаковки. Поэтому двойникование
происходит у кристаллов с малой энергией
дефектов упаковки (латунь, медь, аусте-
нитная сталь) — рис. 1.33, г. ц. к. решетка.
Рис. 1.33
б) частично- или полукогереитные меж-
фазиые границы — сопряжение фаз .только
частичное; для полного сопряжения необхо-
необходимо ввести дислокации (рис. 1.35);
Рис. 1.35
в) некогерентные межфазные границы —
фазы настолько различны по своему строе-
строению, что их сопряжение невозможно; от-
отсутствует общее размещение атомов на по-
поверхности раздела (например, большеугло-
выё границы зерен); для сопряжения
требуются переходная решетка и зерногра-
ничные дислокации — рис. 1.36.
Рис. 1.36
Межфазные границы. Эти границы раз-
разделяют фазы с различными структурами и
составом. Возможны следующие случаи:
а) когерентные межфазные границы —
фазы имеют незначительно отличающиеся
параметры решетки и хорошо сопряжены
одна с другой при малых искажениях на
границе (рис. 1.34);
1
Увеличение энергии собственно межфаз-
межфазной границы — от рис. 1.34 к рис. 1.36.
1.5.4. Иллюстрация всех
перечисленных выше
дефектов структуры
Рис. 1.34
Примером может служить железо [5] —
см. рис. 1.37.
Следует упомянуть еще о существовании
трехмерных дефектов решетки, наблюдае-
наблюдаемых, в частности, при скоплении точечных
дефектов.
Граница зерна
Вакансия
Дефект упаковки Единичная
О дислокация
Атом Fe
^ Атом, элемента замещения
• Атом элемента внедрения (C,N,B,H,O)
Субграница,
образованная
дислокациями
Рис. 1.37. Дефекты строе-
строения кристалла
1.6. СТЕКЛООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ
Состояние, промежуточное между состоя-
состоянием реального кристаллического твердого
тела и аморфного твердого тела. 1При осо-
особых условиях охлаждения (с большими
скоростями) не происходит кристаллизации,
и расплав переходит в переохлажденную
жидкость, имеющую твердое агрегатное
состояние. Стеклообразное состояние мета-
стабильно по сравнению с твердым крис-
кристаллическим состоянием и переохлажденной
жидкостью (рис. 1.38).
'H-f(T)
Рис. 1.38. Диаграмма изменения агрегатных
состояний для гомогенного вещества:
/ — переохлажденная жидкость; 2 — расплав;
3 — стеклообразное состояние; 4 — кристалли-
кристаллическое состояние
1.7. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ,
ДИАГРАММЫ СОСТАВ —ТЕМПЕРАТУРА
Диаграммы состояния описывают гетеро-
гетерогенное равновесие фаз. Эти диаграммы не
охватывают метастабильных или неста-
нестабильных промежуточных состояний.
1.7.1. Основные положения
Построение диаграмм состояния
1. Измеряют такие свойства, которые
меняются дискретно при фазовых превра-
превращениях в твердом состоянии или при пере-
переходах из жидкого в твердое состояние.
2. Применяют главным образом терми-
термический анализ. Изучают кривые охлажде-
охлаждения (или нагрева) металла или сплава в
функции температуры. При превращении
(изменении фазового состава) термические
эффекты отмечаются по площадкам и точ-
точкам перегиба на диаграмме температура —
время. Кривые охлаждения (иагрева) вы-
выглядят по-разному вследствие термического
¦гистерезиса (рис. 1.39 и 1.40).
3. Название линий на диаграмме состав-
температура. Кривая ликвидуса — граница
между гомогенной областью жидкого (рас-
(расплавленного) состояния и гетерогенной
двухфазной областью (жидкое+твердое со-
состояние). Можно определить температур-
температурную зависимость соотношения между сме-
смесью фаз и жидкостью, находящимися в рав-
равновесии, а также состав фаз. Кривая соли-
дуса — граница между двухфазной (жид-
(жидкая + твердая) областью и твердой фазой.
Можно определить температурную зависи-
зависимость соотношения между жидкостью и
твердой фазой, находящимися в равнове-
равновесии, а также состав фаз (рис. 1.41 и 1.42).
25
Темпе?отура_ _ §
Хзатвердевания
1536°С
?
t,MUH ——
Врепя-
Рис. 1.40. Перенос точек перегиба кривых Т—t,
полученных с помощью термического анализа, на
диаграмму температура — концентрация (пример
дай для сплавов с неограниченной растворимо-
растворимостью):
1,4— температура затвердевания чистых метал-
металлов А и В; 2, 3 — сплавы системы А и В
Рис. 1.39. Кривая охлажде-
охлаждения чистого железа [6]
/00%В
Рис. 1.41. Состав фаз в зависимости от темпера-
температуры:
1 — состав расплава при Т\\ 2 — состав затвердев-
затвердевших кристаллов при Т\; 3— состав жидкокристал-
жидкокристаллического сплава Р при Т\
100% А
1007. В
Рис. 1.42. Количественное соотношение фаз при
r=const. Отрезки коиод man. Правило рычага:
S-n=K-m; S:K=m:n. где S — количество рас-
расплава; JC — количество затвердевших кристаллов
1.7.2. Типы двойных
диаграмм состояния
Двойная диаграмма состояния системы
для случая полной нерастворимости компо-
компонентов в твердом состоянии, образования
эвтектики и полной растворимости компо-
компонентов в жидком состоянии (рис. 1.43).
В равновесии находятся три фазы (F=
=0). Эвтектику характеризуют следующие
параметры:
а) система (рис. 1.44);
б) эвтектическая точка; в системе один
компонент понижает температуру плавле-
плавления другого, тогда Тв — минимальная тем-
температура и есть эвтектическая точка;
Рнс. 1.43. / — гомогенный расплав; // — Л-кри-
сталлы и расплав; /// — ^-кристаллы и расплав;
IV — Л-кристаллы и. эвтектика; V—В-кристаллы
и эвтектика; 1 — доэвтектические сплавы; 2 —
заэвтектические сплавы; Е — эвтектика
1
1
||
ё
\ Эвтектика
\ (A*B)
\
A \ /
Концентрация, %
/
/
/
В
/
В
А или В
А + эвтектике Эвтектика
или
В * эвтектика
Рис 1.44
в) эвтектическая реакция; Т, p=const;
A+B
. Двойная диаграмма состояния системы
для случая неограниченной растворимости
компонентов в жидком и твердом состоя-
состояниях (рис. 1.45).
26
1007.А
10Q°/.R
Концентрация -
Рис. 1.45. / — гомогенный расплав (F=
=2; К =; Р=*1); // —расплав и твердый
раствор (f=l; К=2;Р=2); 111 — твердая
фаза; твердый раствор замещения (?=2)
Рис. 1.49. Структурная диаграмма системы, при-
приведенной на рис. 1.47:
1,2 — тоже, что и иа рис. 1.48
Двойные диаграммы состояния системы
для случая неограниченной растворимости
компонентов в жидком состоянии и ограни-
ограниченной их растворимости в твердом состоя-
состоянии. Подразделяются на диаграммы с эв-
эвтектикой (рис. 1.46) и перитектикой (рис.
1.47); соответствующие структурные диа-
диаграммы— рис. 1.48 и 1.49.
700%А
1007. В
Рис. 1.46. Двойная диаграмма состояния системы
¦с ограниченной растворимостью компонентов в
твердом состоянии и эвтектическим превращени-
превращением:
/ — расплав; // — расплав+а; /// — расплав+Р;
IV— а-твердый раствор; V — р-твердый раствор;
VI — аир твердые растворы
1ООХА
1ООХВ
Рис. 1.47. Двойная диаграмма состояния системы
с ограниченной растворимостью компонентов в
твердом состоянии и перитектическнм превраще-
вием. Обозначения те же, что и на рис. 1.46
Концентрация -
Рис. 1.48. Структурная диаграмма системы, при-
приведенной иа рис. 1.46:
/ — выделения Р-фазы; 2 — выделения а-фазы
Твердые растворы на базе решетки
А-компонента обозначаются а-твердыми
растворами, на базе решетки В-компонен-
та — р-твердыми растворами. Они могут
быть твердыми растворами внедрения или
замещения.
Эвтектическая реакция Т, p=const;
+р
=*а+р.
Перитектическая реакция Т, p=const; S+
+Э5а.
Двойная диаграмма состояния системы
для случая образования интерметалличе-
интерметаллических фаз. В общем виде интерметалличе-
интерметаллическая фаза обозначается как 'АтВп (см.
1.2) —рис. 1.50.
Рис. 1.50. Кристалли-
Кристаллическая решетка ии-
терметаллического
соединения Mg2Pb
(решетка типа CaF2
114])
Образование интерметаллических фаз
возможно:
а) при кристаллизации из расплава; ре-
решетки компонентов А и В определяют воз-
возможность лишь ограниченной растворимо-
растворимости; конгруэнтно плавящиеся сплавы с тем-
температурным минимумом на линии ликви-
дуса;
б) в результате перитектического превра-
превращения как следствие реакции между дву-
двумя расплавами; неконгруэнтно плавящиеся
сплавы (так называемый закрытый макси-
максимум).
Интерметаллическая фаза ведет себя при
затвердевании как чистое вещество (рис.
1.51 и 1.52).
Двойная диаграмма состояния системы
для случая превращения в твердом состоя-
состоянии. В системах, в которых образуются не-
непрерывные твердые растворы, могут встре-
встречаться следующие случаи превращения в
твердом состоянии:
27
WO'AA
WO%B
Рис. 1.51:
/ — расплав; // — расплав+а-твердый раствор;
Ш — расплав+Р-твердый раствор; IV — расплав+
+Атвп; У — «твердый раствор; VI — Р-твердый
раствор; VII— а-твердый раствор+^т?л; VIII —
0-твердый раствор+ЛтВп; 1Х
Эвтектика. Эвтектика
Концентрация ——-
Рис. 1.52. Структурная диаграмма системы, при-
приведенной иа рнс. 1.51:
/, 4— выделения иитерметалличеСкого соединения
АтВп; 2 — выделения а-фазы; 3— выделения Р-
фазы; V — иитерметаллическое соединение ЛтВп;
? — эвтектика
а) упорядочение по типу сверхструкту-
сверхструктуры (см. 1.2) — рис. 1.53. Неупорядоченный
а-твердый раствор переходит в упорядо-
упорядоченный а'-твердый раствор. Регулярное
упорядочение атомов А и В по определен-
Рис. 1.53
100%А
JOO%B
ним узлам решетки. Структуру упорядо-
упорядоченной фазы "можно отличить от неупоря-
неупорядоченного твердого раствора только с по-
помощью реитгеноструктурного анализа;
Рис. 1V54
700%А с> С2 700%8
б) образование интерметаллического со-
соединения — рис. 1.54; из гомогенного
а-твердого раствора выделяется интерме-
интерметаллическое соединение, отличающееся от
упорядоченной фазы. В процессе охлажде-
охлаждения а-твердого раствора возникает новая
фаза с другой решеткой, в которой могут
растворяться компоненты А и В. Твердый
раствор на базе интерметаллического со-
соединения — а-фаза.
в) • концентрационное расслоение (разрыв
в растворимости в твердом состоянии) —
рис. 1.55. При охлаждении за счет концен-
Рис. 1.55
700%А
7ООХВ
трационного расслоения а-твердого рас-
раствора возникают два твердых раствора (ai
и а2) с одинаковыми кристаллическими ре-
решетками, но различным составом, ai-твер-
дый раствор богаче атомами А, а а2-твер-
дый раствор богаче атомами В.
1.7.3. Реальные диаграммы
состояния
1.7.3.1. Диаграмма
железо—углерод (ДЖУ),
Общие предварительные замечания
A. Чистое железо. Обладает низким со-
сопротивлением пластической' деформации; в
технике применяются сплавы железа с раз-
различными элементами.
Важнейший легирующий элемент — угле-
углерод. ДЖУ является диаграммой, описываю-
описывающей равновесные состояния; поэтому
структуры, отвечающие определенным об-
областям ДЖУ, получаются только в усло-
условиях очень медленного охлаждения или
нагрева. В технике процессы структурооб-
разования проходят в условиях, которые не
гарантируют получения равновесных со-
состояний, поэтому ДЖУ следует рассматри-
рассматривать лишь как отправную точку.
Б. Структура. При затвердевании спла-
сплавов Fe—С возможно образование следую-
следующих структур:
а) структуры сплавов с компонентами Fe
и С (графит), так называемая стабильная
система (штриховые линии на ДЖУ, см.
рис. 1.60);
б) структуры сплавов с компонентами
Fe и Fe3C (цементит), так называемая ме-
тастабильная система (сплошные линии на
ДЖУ, см. рис. 1.60).
B. Классификация сплавов Fe—С.
— Сталь. Все сплавы Fe—С, кроме чугу-
чугуна и чистейшего железа.
— Литая сталь — отливаемая в формы
сталь; содержание углерода до ~1,65%.
28
— Другие сплавы Fe—С: чугун (белый
и серый); литейный чугун (углерод суще-
существует в виде графита); серый чугун с
пластинчатым графитом; серый чугун со
сферическими графитовыми выделениями;
чугун, отлитый в специальные формы, с от-
отбеленной поверхностью; ковкий чугун, чер-
носердечный ковкий чугун; белосердечный
ковкий чугун; перлитный ковкий чугун.
Г. Классификация сталей. Имеется ряд
признаков для классификации многообраз-
многообразных видов сталей — см. 3.0.
Некоторые замечания к построению ДЖУ
А. Кривые охлаждения и нагрева,. полу-
полученные при термическом анализе чистого
железа, приведены на рис. 1.56. В реальных
Врепя-
Рис. 1.56
условиях точки при нагреве и охлаждении
не совпадают по температурной шкале из-
за термического гистерезиса, величина кото-
которого зависит от условий проведения опыта.
Существуют четыре точки остановки на
кривых.
Обозначения: A (arreter) — остановка;
т (refroiaisement) — охлаждение; с (cha-
uff age) — нагрев.
Б. Аллотропические модификации желе-
железа. Аллотропией называется явление, ког-
когда элемент в зависимости от температуры
и давления может существовать в различ-
различных твёрдых модификациях (для кристал-
кристаллических тел — иметь различную кристал-
кристаллическую решетку). Схематически можно
представить с помощью кривых термиче-
термической зависимости упругости давления пара
для двух модификаций, существующих для
одного вещества (рис. 1.57).
щаемость при прямом и обратном ходе кри-
кривых (нагреве и охлаждении) —рис. 1.58;
Рис. 1.58
/ — точка превращения для
А и В; 2 — точка плавления
В; 3 — точка плавления А
б) монотропия, т. е. только односторон-
односторонняя превращаемость (например, для фос-
фосфора). (Модификация В — в метастабиль-
ном состоянии — рис. 1.59).
Рис. 1.59
Обозначения те же, что на рис. 1.58
Аллотропические превращения Fe оказы-
оказывают решающее влияние на структурообра-
зование, описываемое ДЖУ.
5-Fe и a-Fe кристаллизуются с образо-
образованием одинакового (о. ц. к.) типа кристал-
кристаллической решетки (изоморфизм).
Постоянные решетки: о. ц. к. 0,286 нм (а,
б); г.ц. к. 0,364 нм (v).
В. Температуры фазовых превращений:
a-Fe
768 °С
y-Fe
г.ц.к.
Расплав
о.ц.к.
Аг
Рис. 1.57
У аллотропических модификаций раз-
различаются:
а) энантиотропия, т. е. взаимная превра-.
(точка А 1=723 °С — только при перлитном
превращении в сплавах Fe—С).
Строение ДЖУ (рис. 1.60)
А. Положение основных точек (линий) в
связи с превращениями в системе Fe—С
[13] {cm — цементит) — табл. 8.
600
3 6
Содержание углерода,'/.(помассе)
i i i |
10 20 30 W 50 60 70
Содержание цементита, % (по массе)
ВО
ВО
100
Рис. 1.60. Диаграмма состояния железо—углерод (ДЖУ):
Тв.р — твердый раствор; А — аустенит (v-твердый раствор); Ц — цементит; П — перлит; Л —
ледебурит; Ц1 — первичный цементит; UI( — вторичный цементит; Ф — феррит (а-твердый
раствор)
ТАБЛИЦА S
Положение
на ДЖУ
Вид превращения
Обозначение превращения
в равновес-
равновесном состоя-
состоянии
при охлаж-
охлаждении
при нагреве
PSK
МО
COS
SE
N
NH
723 СС
a+FesC:
Ферромагнитное
Парамагнитное
915 °С
; G68 °С)
Ае2
Аес
Аг2
Аг3
Агст
1392 СС
Acs
Ас 4,
Б. Диаграмма состояния железо — угле-
углерод (ДЖУ) — рис. 1.60.
В. Превращения по ДЖУ.
I. Перитектическая реакция:
б-твердый Остатки
раствор , расплава 1493°С
Точка Я ' Точка В >
0,10 % С 0,51 % С
30
у- твердый
раствор
Точка /
0,16 % С
II. Эвтектическая реакция:
Расплав
Точка С
4,3% С
1147СС
V-твердый
раствор
Точка Е
2,06 % С
III. Эвтектоидная реакция:
Fe3C
Точка F
6,67 % С
у-твердый
?раствор
Точка S
0,80 % С
723 °С
а-твердый
раствор
Точка Р
0,02 % С
Ge3C
Точка К
6,67% С
Г. Уточнения по ДЖУ (рис. I.6I):
Рис. 1.61
— кривая ликвидуса ABCD;
— кривая солидуса AHIECF;
— углерод понижает температуру плав-
плавления железа (линия ABC);
— железо также понижает температуру
плавления углерода (и Fe3C) (V-об-
разная форма диаграммы, D-+-C);
— температура А^ растет с увеличением
содержания углерода (линия N-+-I);
— температура Л3 уменьшается с увели-
увеличением содержания углерода (линия
GOS);
— область у-твердого раствора расширя-
расширяется с увеличением содержания угле-
углерода, х "
Д. Описание структур по ДЖУ в зависи-
зависимости от содержания углерода:
Эвтектоидный "сплав B, см. рис.
1.61): точка S=0,83 % С=перлит.
Доэвтектоидные сплавы A, см.
рис. 1.61): от точки Р к точке 5=от 0,02
до 0,83 % С=а-Ре+перлит.
Заэвтектоидные сплавы C, см.
рис. 1.61): от точки S к перпендикуляру из
точки ?=от 0,83 до 2,06 % С=Fe3C+перлит.
Эвтектический сплав E, см.
рис. 1.61): точка С=4,3 % С=ледебурит.
Доэвтектические сплавы D,
см. рис. 1.61): то перпендикуляра из точки
Е к перпендикуляру из точки С=от 2,06 до
4,3% С=РезС+перлит+ледебурит.
Заэвтектические сплавы F,см.
рис. 1.61): от точки С к точке F (перпенди-
(перпендикуляр); >4,3 % С=Fe3C+ледебурит.
Обсуждение метастабильной системы Fe—
FesC (рис. 1.62, 1.63).
А. Концентрационные границы: от 0 до
6,67% С A00%FesC).
Б. Сплавы с содержанием до 0,015 % С
(область 1, "р\к. 1.62; 1.63). Затвердевание
начинается немного ниже точки плавления
чистого железа. Переход жидкость —
твердое тело F-твердый раствор) происхо- .
дит в интервале температур; образующийся
при кристаллизации расплава б-феррит име-
имеет низкое содержание углерода. На линии
АН процесс затвердевания заканчивается,
200
Q. 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025
С,% (пс массе)
Рис. 1.63
в-твердый раствор при этом имеет состав
исходной жидкой фазы. 6-фаза имеет о. ц. к.
решетку (рис. 1.64); максимальная раство-
Рис. 1.64. О.ц.к. решетка
феррита:
о=&=.с=2,86-1<Г~'в см
•
1
римость углерода в решетке составляет
0,10 % С. б-твердый раствор термодинами-
термодинамически стабилен до ~1390°С. При дальней-
дальнейшем охлаждении происходит фазовое пре-
превращение б-твердый раствор-^-твердый
раствор (аустенит) вдоль линии HN. Это
превращение также идет в некотором тем-
температурном интервале. Образующийся
у-твердый раствор обогащен углеродом.
Превращение б-твердого раствора в у п0
линиям NH и N1 идет с уменьшением со-
31
держания углерода в обоих твердых рас-
растворах до тех пор, пока весь б-твердый
раствор не исчезает, а содержание углеро-
углерода в ^-твердом растворе не достигает ис-
исходного, ^-твердый раствор устойчив в бо-
более широком интервале температур. Когда
достигается линия GOS, происходит пре-
превращение v->-a (г. ц. к.->-о. ц. к.). Темпера-
Температура А3 понижается с увеличением содер-
содержания углерода. Ниже линии GOS сплав
находится в двухфазной области, т. е. об-
образующийся а-твердый раствор (феррит)
находится в равновесии с исчезающим по
мере развития превращения у-твердым рас-
раствором. Концентрацию углерода можно по-
получить по правилу рычага нз пересечения
температурной прямой с линиями GOS и
SP). Y-xi-превращенне в сплаве с 0,012% С
заканчивается прн 800 СС (рис. 1.63);
а-твердый раствор достигает исходного со-
вращение ¦у-твердого раствора (состава S);
эвтектоид .состоит из а-твердого раствора
(состава Р) и цементита (состава К). Смесь
s
\
. >
-к
\
У
{ ¦
X !
\ :
1
Рис. 1.65. Феррит с 0,01 %С. Х500
держания углерода. Прн дальнейшем ох-
охлаждении, пока не достигается линия PQ,
состав а-твердого раствора не изменяется.
Затем при дальнейшем охлаждении угле-
углерод выходит из а-твердого раствора (по
линии PQ); образуется Fe3C (третичный
цементит). Все сплавы Fe—С с содержани-
содержанием углерода до 0,02% изменяют свою
структуру . прн охлаждении так, как это
описано выше, но, естественно, ход этих из-
изменений зависит от температуры и концен-
концентрации углерода.
В. Сплав с 0,12 % С (область 2, см. рнс.
1.62, между Ян/). Сплав затвердевает
вначале как / (см. рис. L62). От темпе-
температуры 1493 °С по лннин HIB сосуществу-
сосуществуют в-твердый раствор с 0,10 % С (точка Я)
и расплав с 0,51 % С (точка В). Прн ох-
охлаждении происходит перитектнческая
реакция (между точками Ян/), протекаю-
протекающая до полного исчезновения расплава.
Далее существуют 6- н ^-твердые раство-
растворы. Оставшиеся объемы 6-твердого рас-
раствора при дальнейшем охлаждении превра-
превращаются в Y-TBepflbift раствор (линия IN).
Y-твердый раствор устойчив до GOS, затем
идет превращение "у-нх- На линии PSK
а-твердый раствор имеет содержание уг-
углерода, отвечающее точке Р, в то время
как оставшийся у-тверщлй раствор имеет
содержание углерода, определяемое точ-
точкой S. Далее происходит эвтектоидное пре-
преРис. 1.66. Феррит и перлит в стали с
Х400
-0,1 % С.
этих компонентов обозначается как перлит
(имеет прн непрерывном охлаждении обыч-
обычно пластинчатую структуру). После эвте-
ктоидного превращения структура сплава
состоит из а-твердого раствора (состава
Р) и перлита. Прн охлаждении до комнат-
комнатной температуры а-твердый раствор обед-
обедняется углеродом (по линии PQ) с выде-
выделением цементита (рнс. 1.66).
Г. Сплав с 0,35 % С (область 3, рис.
1.62, между / н В), б-твердый раствор по
пернтектической реакции A493 °С) полио-
полиостью превращается в ¦утвеРДыи раствор.
Расплав не полностью исчезает. В конце
пернтектической реакции присутствует рас-
расплав (В) и у-твердый раствор (состава/).
Дальнейшее охлаждение ведет к превра-
превращению остатков расплава в \>-твердый рас-
раствор (линии IE и ВС). Дальнейший ход
превращения такой же, как н в случаях /
и 2 (см. рис. 1.62). Превращение у-^-а при
росте содержания углерода сдвигается к
более низким температурам; количество
перлита в конечной структуре увеличива-
увеличивается (рис. 1.67).
»
*
t-
Г
^o
Ц
*
V
1
Ж
, »
# *
•
>
; A ¦
*
Рис. 1.67. Феррит и перлит в стали с 0,3 % С.
Х300
Д. Сплав с 0,8 % С (область 4, см. рнс.
1.62; точка S ДЖУ).
Температура плавления снижается всвя-
32
зи с увеличением содержания углерода. За-
Затвердевание начинается при ~1480°С с
выделения кристаллов ¦у-твердого раство-
раствора. При —1380 "С затвердевание заканчи-
заканчивается. Гомогенный ^-твердый раствор су-
существует до 723 °С (точка 5). При даль-
дальнейшем охлаждении идет распад у-твердо-
го раствора по эвтектоидной реакции на
перлит. Далее при охлаждении — выпаде-
выпадение из феррита (а-твердого раствора) пер-
перлита: частиц цементита (обычно не разли-
различимых под микроскопом) рис. 1.68.
дит выделение вторичного цементита (рис.
1.71), продолжающееся до 723СС. ¦у~твеР~
дый раствор обедняется углеродом (до точ:-
>7tvb, :": ?тщ '..
ш
Рис. 1.71. Перлит и вторичный цементит в стали
с ~1,1 % С. Х500
Рис. 1.68. Перлит в стали с ~0,9 % С. Х630
Е. Сплав с 1,2 % С (область 5, см. рис.
1.62). При охлаждении •— затвердевание в
интервале температур (см. ДЖУ), затем в
твердом состоянии перегиб при -~880°С,
остановка на кривой охлаждения (~723°С)
при эвтектоидном превращении. Причина
перегиба — выделение карбидов. От тем-
температуры ~1300°С до точки перегиба су-
существует гомогенный у"твеРДый раствор.
Он может содержать 1,2 % С (линия со-
состава Е). При 880 °С — переход через
границу растворимости для данного спла-
сплава. Углерод выходит из г. ц. к. решетки
(рис. 1.69; 1.70) в виде РезС, т. е. происхо-
Рис. 1.69.
аустеиита:
Х10~~8см
Г.ц.к. решетка
а=Ь = с=3,64Х
Рис. 1.70. Аустенит. Хромоникелевая сталь типа
18-10. X2S0
3—140
ки 5). Затем идет эвтектоидное превра-i
щение с образованием перлита. Далее все
происходит так же, как и в случае 3 (см.
рис. 1.62). Вторичный цементит выпадает
обычно на границах зерен ¦у-твеРД°Г0 Рас'
твора. При комнатной температуре наблю-
наблюдается карбидная сетка, окружающая зер-
зерна, внутри которых располагаются перлит-
перлитные колонии.
Надо отметить, что в доэвтектоидных
сталях (между точками Р и S) доэвтекто-
идный феррит (по линии SP) также выпа-
выпадает по границам зерен ¦утвеРД°г0 Рас'
твора в виде сетки. Конечная структура —
ферритная сетка по границам зерен, внут-
внутри которых пластинчатый перлит.
Ж. Сплав с 2,4 % С (область 6, см. рис.
1.62; доэвтектический сплав). Кристаллы
^-твердого раствора образуются при
~1147°С (по линии IE). Присутствуют
остатки расплава; при дальнейшем охлаж-
охлаждении они (состав, отвечающий точке С)
превращаются в эвтектическую смесь, со-
состоящую из кристаллов ¦у-твердого раствора
(состава, отвечающего точке Е) и цемен-
цементита. Структура называется ледебуритом.
При дальнейшем охлаждении идет превра-
превращение первично образовавшихся кристал-
кристаллов 'у-таердого раствора (при кристалли-
кристаллизации расплава), а также кристаллов
Y-твердого раствора, входящих в состав
эвтектики — ледебурита, как уже описано
для сплава 5 (см. рис. 1.62) — рис. 1.72.
3. Сплав с 4,3 % С (область 7, см. рис.
1.62; точка С, ДЖУ эвтектика) —рис. 1.73.
При охлаждении — остановка при 1147°С.
Расплав затвердевает полностью при наи-
наинизшей (для данной системы) температуре
плавления. Образуется ледебурит (эвтек-
(эвтектика), состоящий из кристаллов ^-твердого
раствора (состава, отвечающего точке Е)
и цементита. Дальнейшие процессы затвер-
затвердевания происходят так же, как в случа-
случаях 5 и 6. Поскольку точка плавления же-
железа понижается при добавлении к нему
углерода почти на 400 °С, плавкой и литьем
таких железных литейных сплавов, как чу-
гуны, легче управлять, чем плавкой и
литьем сталей (с меньшим содержанием
33
0,8 2,06
Рис.# 1.72. Доэвтектический сплав с ~2,4% С.
Перлит, вторичный цементит, ледебурит. Х300
Рис. 1.73. Ледебурит в стали с 4,3 % С. Х800
углерода и более высокой температурой
плавления).
И. Сплав с 5 % С (8, см. рис. 1.62; заэв-
тектический сплав) — рис. 1.74. При ох-
Рис. 1.74. Заэвтектический сплав с 5
ный цементит и ледебурит. Х250
С. Первич-
Первичлаждении кристаллизация расплава начи-
начинается с выпадения первичного цементита.
Расплав при этом обедняется по углероду
(до состава, отвечающего точке С, при
1147 °С). Далее при дальнейшем охлажде-
охлаждении образуется ледебурит (эвтектика).
При дальнейшем охлаждении — те же пре-
превращения, что и у предыдущего сплава.
К. Структурные составляющие. Графиче-
Графическое применение правила рычага для опре-
определения соотношения структурных состав-
составляющих (по массе). Пример для разных
сплавов (с X % С) —см. рис. 1.75 н табл. 9.
О 1 2 3 U 5- 6 6J6T
Содержание углерода, % (по нассе\
Рис. 1.75
Ф — феррит; Ujj — вторичный цементит; Ц(— пер-
первичный цементит; Л — ледебурит (цементит+рас-
павшийся v-твердый раствор); П — перлит
ТАБЛИЦА 9
О % углерода <* чистое железо ~ 100% феррита
0,8 %С (без
учета третич-
третичного цементи-
цементита, структура
прн комнатной
температуре)
2,06 %С
Доля феррита=
Х100
XS
PX+XS
X
Доля феррита+доля
перлита=100 %
Доля вторичного цемен-
41
Доля вторичного цемен-
цементита + доля перлита=
= 100%
1. Феррит (название введено по Хоу).
Может содержать в твердом растворе
только 10 — 10-6 % С. Поэтому область
его существования очень мала (узка). Мак-
Максимум растворимости около 0,02 % G23 °С,
точка Р).
2. Перлит. Эвтектоид, состоящий из а-
твердого раствора и FeeC (ниже точки S).
Мелкодисперсная смесь обеих фаз. Наиме-
Наименование перлит (также предложено Хоу)
связано с перламутровым блеском. Проис-
Происходящий при непрерывном охлаждении
при 723 °С эвтектоидный распад ¦у-твердо-
го раствора связан с выделением при не-
непрерывном охлаждении тонких параллель-
параллельных цементитных пластин; образуется пла-
пластинчатый (или ламелярный) перлит.
В зависимости от температуры образова-
образования, связанной с выбранной скоростью ох-
охлаждения, получают:
— тонкопластинчатый перлит — при суще-
существенном переохлаждении, определяющем
уменьшение скорости диффузии, что явля-
является основной причиной уменьшения рас-
расстояний между цементитными пластиками:
в перлите;
— грубопластннчатый перлит, образую-
образующийся прн медленном охлаждении, когда
успевают возникнуть грубые пластинки це-
цементита.
34
3. Область равновесия между ферритом
•(цементитом) и перлитом. Деление сталей
ето структуре: доэвтектоидная (<0,8%С);
эвтектоидная или перлитная @,8% С); за-
эвтектоидная @,8 %—2,06 % С).
4. Ледебурит (назван в честь Ледебу-
ра). Смесь ^-твердого раствора и цементита.
Эвтектика (точка С, 4,3 % С). Сплавы, со-
содержащие от 2,06 до 6,67 % С и имеющие
в структуре ледебурит, являются белыми
чугунами.
Возможно также следующее обозначе-
обозначение: ледебурит I (^-твердый раствор и
Fe3C) и ледебурит II (перлит и Fe3C).
5. Формы существования цементита (по
ЗСоу).' При термической обработке (нагре-
(нагреве) вблизи точки А\ происходит коагуля-
коагуляция пластин Fe3C с постепенным превра-
превращением их в глобули (обработка на зер-
зернистый цементит).
— Третичный цементит. При 010~5 %
-в а-твердом растворе происходит выделе-
выделение третичного цементита. При медленном
охлаждении процесс идет по линии PQ.
Форма: пластинки и прожилки, а также
выделения в виде иголок в ферритном зер-
зерне. При более быстром охлаждении часть
углерода остается в твердом растворе; вы-
выделение третичного цементита подавляется.
— Цементит перлита. Наблюдается уже
при >0,02 % С. Обычно тонкопластинча-
тонкопластинчатый (ламелярный) продукт эвтектоидного
распада.
,— Вторичный цементит. Продукт выделе-
выделения из |у"твеРДого раствора. При охлаж-
.дении (начиная с 1147 "С; 2,06 % С точ-
точка ?) выделение происходит по линии ES.
•Форма: цементитная сетка, цементит по
границам зерен.
— Цементит ледебурита. При >2,06% С;
цементит в до- и заэвтектических сплавах.
— Первичный цементит. При >4,3 % С;
в общем случае появляется при очень бы-
быстром охлаждении высокоуглеродистых
сплавов до комнатной температуры. Форма:
длинные крупные пластины.
— Цементит Стеда. Наблюдается только
в сплавах Fe—С—Р. Составная часть сме-
смеси фосфида железа, FesC и у-твердого рас-
раствора; после распада фосфида железа и
перлита.
— Зернистый цементит. Образуется не
при охлаждении, а в основном после спе-
¦циальной термической обработки (вблизи
точки Аи см. выше). Форма: зернистые
(глобулярные) час,тицы; такая форма необ-
необходима для хорошей деформируемости
сталей.
— Специальные карбиды. Fe3C раство-
растворяет до 15 % Сг или Мп. Возникает твер-
твердый раствор на базе цементита: (Fe, СгKС;
(Fe,MnKC; (Fe,Mn, СгKС.
В легированных сталях возможно также
•образование специальных карбидов при на-
наличии сильных карбидообразующих эле-
элементов в надлежащих количествах.
Некоторые пояснения к стабильной систе-
системе Fe—C
а. Равновесие. Устанавливается очень
медленно, не так надежно, как в системе
Fe—Fe3C.
б. Образование графита. Начинается
при температуре выше 1130°С из распла-
расплава и при содержании углерода >0,8%- Ин-
Интенсивность выделения зависит от количест-
количества углерода, скорости охлаждения, давле-
давления (при кристаллизации расплава), на-
наличия других химических элементов.
Графит в сплаве может появиться: из
расплава и при распаде цементита по реак-
реакции Fe3C->3Fe+C* (С* —активная форма,
влияет на разложение цементита при тем-
температурах от 1100 до 800 °С).
Одной из форм графита является так
называемый углерод отжига, появляющий-
появляющийся при термической обработке на ковкий
чугун.
В зависимости от условий металлурги-
металлургического производства и от способов обра-
обработки существуют две бсновные формы
графита: пластинчатый (или ламелярный),
существующий обычно в сплавах Fe—С с
высоким содержанием кремния, и глобу-
глобулярный (или сферический), появляющийся
обычно в сплавах Fe—С с добавками маг-
кия.
в. Основные точки в стабильной системе
и структуры: эвтектика, 1153 °С, точка С,.
4,25% С; эвтектоид, 738 °С, точка S',
0,8 % С.
Структура (по оттенку цвета в изломе):
белый чугун (перлит и ледебурит); поло-
половинчатый чугун (перлит, ледебурит, гра-
графит); серый чугун (перлитная или ферри-
то-перлитная металлическая основа с вклю-
включениями графита).
Сопоставление структур:
Система Fe—Ее3С
Ледебурит (у-твер-
дый раствор+Fe3C)
Перлит (а-твердый
раствор+Fe3C)
Первичный цемен-
цементит (линия CD)
Вторичный цемен-
цементит (линия SE)
Система Fe—СГрафит
Графитная эвтек-
эвтектика (^-твердый
раСТВОр + Сграфит )
Графитовый эвтек-
эвтектоид (а-твердый
раСТВОр + Сграфит )
Первичный графит
(линия CD')
Выделившийся гра-
графит (линия S'E')
г. Охлаждение сплава с 3 % С. Образо-
Образование кристаллов |у»'твеРД°Г0 раствора
происходит из расплава; последний при
этом обогащается углеродом (до 4,25 % С
точка С). При дальнейшем охлаждении
остатки расплава распадаются на ¦у-твер-
дый раствор и графит (эвтектика). Затем
происходит выделение графита из |у-™ер-
дого раствора (линия E'S'). Когда дости-
достигается температура 738 °С (линия P'S'K'),
Y-твердый раствор @,7 % С точка S') рас-
распадается на графитовый эвтектоид:
а-твердый раствор+графит. Теоретически
превращения при охлаждении протекают,
как описано, однако на практике несколь-
. ко по-иному, так как часто образуется Fe3C,
который затем распадается на графит
(число графитовых зародышей зависит от
скорости охлаждения, влияния кремния и
марганца и др.).
Литейная сталь (см. 5.1). Это сталь для
изготовления отливок. Граница между та-
такой сталью и чугуном ~ 1,65% С (см.
35
ДЖУ). В литой стали образующийся пер-
первичный твердый раствор имеет существен-
существенные отклонения по содержанию углерода
от предсказанного по ДЖУ. Отливки обыч-
обычно следует подвергать отжигу для снятия
напряжения и уменьшения ликвациониых
неоднородностей. Литая сталь может под-
подвергаться сварке. Применяется, когда меха-
механические свойства серых чугунов не соот-
соответствуют требованиям (особенно по со-
сопротивлению ударным нагрузкам).
Основные сведения по ДЖУ приведены в
табл. 10.
ТАБЛИЦАМ
твора); 3) гетерогенные выделения — кар-
карбиды.
а. Влияние углерода на свойства а-твер-
дого раствора. Углерод увеличивает вре-
временное сопротивление, предел текучести,
твердость, удельное электросопротивле-
электросопротивление, остаточную намагниченность; умень-
уменьшает удлинение, деформируемость, свари-
свариваемость.
б. Образование резкого предела текучести
(зуб текучести, площадка текучести). Не-
Негомогенно распределенный в а-решетке уг-
углерод— см. выше; негомогенный раствор
Фазы, структурные
составляющие
Феррит, т. е. а-твердый
раствор
Аустенит, т. е. ¦утверды?
раствор
Дельта-феррит — б-твер-
дый раствор
Цементит — Fe3C
Первичный цементит —
Fe3C
Вторичный цементит —
Fe3C
Третичный цементит —
Fe3C
Графит — С
Перлит — а-твердый рас-
раствор +Fe3C
Ледебурит I
Ледебурит II
Доэвтектоидные сплавы
Эвтектоидный сплав
Заэвтектоидные сплавы
Доэвтектические сплавы
Эвтектический сплав
Заэвтектический сплав
Решетка
О. ц. к.; а=2,86А
(при20°С)
Г. ц. к.; а==3,64А
(при 1100°С)
О. ц. к.; а=2,93 А
(при 1425 °С)
Орторомбическая,
распадающаяся на
плотно упакованную
гексагональную; а=
=4,517 А; 6=5,079 А
О
с=6,73 А
То же
» »
» »
Гексагональная
—
—
—
—
—
—
—
—
с, %
<0,1
<2,06
-0,1
6,67
>5
0,8-4,3
0,02
0,02 (а)
и 6,67
(Fe3C)
4,3
4,3
<0,80
0,8
0,8-2,06
2,06-4,3
4,3
4,3-6,67
Примечание
До 768 СС ферромагнитен
Стабилен в интервале 911—
1392 °С
Стабилен в интервале
1392—1536 °С
HV800; Fe3C=7,4 г-см~а;
точка Кюри при 215 °С.
FeeC встречается в трех
структурных формах (пер-
(первичный, вторичный, третич-
третичный)
Первичная кристаллизация
из расплава (по линии СО)
Выделяется из у-твердого
раствора (по линии ES)
Выделяется из «-твердого
раствора (по линии PQ)
Пластинчатый, сферический
88% феррита, 12% цемен-
цементита
51,4% аустенита, 48,6%
Fe<sC
51,4 % перлита, 48,6 % РезС
Феррит и перлит (сталь)
Перлит (сталь)
Вторичный цементит и пер-
перлит (сталь)
Лервичный |утвеРДыи рас-
раствор и ледебурит (чугуи)
Ледебурит (чугун)
Дементит и ледебурит (чу-
(чугун)
Содержание углерода в а-железе и свя-
связанные с этим свойства. При 721 СС наблю-
наблюдается максимальная растворимость, рав-
равная 0,018 % С. При закалке углерод может
•оставаться в а-твердом растворе, однако
тут же начинается выделение (в том числе
при вылеживании — естественное старение).
Углерод в а-твердом растворе может
образовать: 1) гомогенный раствор — ста-
статистически равномерное распределение в
междоузлиях (редкий случай); 2) негомо-
негомогенный раствор — образование скоплений
в местах нарушений кристаллического
строения решетки (границы, дислокации —
наиболее вероятное состояние твердого рас-
или расслоения (скопление углерода> в ме-
местах нарушений кристаллического строения
решетки). Создание препятствий для дви-
движения дислокаций, негомогенное развитие
деформации в начале пластического те-
течения.
в. Склонность к упрочнению и старению.
Упрочнение. При достаточно мед-
медленном охлаждении от Ai происходит вы-
выделение третичного цементита (см. ДЖУ)-
Происходит упрочнение, но одновременно
падает деформируемость. Процесс термиче-
термически активируемый: интенсификация диспер-
дисперсионного твердения благодаря увеличению
диффузионной подвижности.
Влияние на механические свойства: по-
повышение прочности, увеличение твердости,
уменьшение сужения, уменьшение удлине-
удлинения.
Старение. Иногда желательный про-
процесс, но в малоуглеродистых сплавах Fe—С
чаще нежелательный, так как он протека-
протекает неконтролируемо. Процессы старения и
твердения находятся в некоторой связи (в
основе лежат процессы выделения или сег-
сегрегации растворенных элементов в решетке
матрицы).
Возможное деление процессов старения:
1) естественное старение — вылеживание
сплава при комнатной температуре;
2) искусственное старение — пребывание
сплава при 50—200 °С;
3) закалочное старение — закалка при не-
недостаточно быстром охлаждении из одно-
однофазной области;
4) деформационное старение — холодная
деформация чаще всего метастабильного
сплава; причина: взаимодействие примесей
с дислокациями.
Наиболее существенно после деформаци-
деформационного старения меняется ударная вяз-
вязкость ак (см. 1.11.2.14)—рис. 1.76.
Отожженное состояние
Влияние старения
Рис 1.76
г. Охрупчивание. Вырожденный перлит.
При циклировании около А\ (стали, со-
содержащие от 0,02 до 0,3 % С) происходит
коагуляция ферритных прослоек перлита и
соединение их с первично выпавшим струк-
структурно свободным ферритом.
В результате возникает охрупчивание
(связанное со склонностью крупнозернис-
крупнозернистого феррита к разрушению сколом).
1.7.3.2. Влияние легирующих
элементов на структуру сплавов
Fe — С и их свойства
Легирующие элементы влияют на темпе-
температуры плавления и превращений, скорость
диффузии, растворимость углерода или
других легирующих элементов в твердом
растворе, образование новых соединений.
Обычно легирующие элементы подразде-
подразделяют на две группы по их- влиянию на ус-
устойчивость основных модификаций желе-
железа [6]:
1) элементы, расширяющие ¦уобласть:
Ni, Мп (рис. 1.77) и С, N, Си, Zn (рис.
1.78); эти элементы повышают Аь и сни-
снижают Аъ\
Рис. 1.77
Рнс. 1.78
2) элементы, сужающие у-область: Be,
Al, Si, P, Ti, V, Сг, As, Mo, Sn, Sb, W (рис,
1.79) и Nb, Та, Се, Zr (рис.* 1.80); эти эле-
элементы снижают At и повышают Л3.
/1
Рис. 1.79
Рис. 1.80
Так как количество и распределение кар-
карбидов в значительной степени влияют на
свойства стали, существует еще деление ле-
легирующих элементов на карбидообразую-
щие (Сг, V, Nb, Та, Zr, Ti, Mo, W; менее
стабильные карбиды, чем Fe3C, дает Мп;.
имеются такие же сведения о Со и Ni—?)
и некарбидообразующие (Си, Si, Al).
Примеси, неизбежно присутствующие »
стали, также влияют на ее свойства (табл.
И) [6].
ТАБЛИЦА 11
Элемент
As
Sn
Sb
Bi
Си
Pb
Ca
Mg
H
о
N
В твердом
растворе
X
X
X
X
X
.
—
—
X
X
X
В свободном
СОСТОЯНИИ
_
—
—
—
X
X
—
—
—
—
В соеди-
соединении
_
—
—
—
—
X
X
—
X
X
Основные легирующие элементы и приме-
примеси, их растворимость в двойной системе и
образующиеся соединения приведены в-
табл. 12.
ЗГ
§
и
о,
о
Е
и
СЧ
О.
К
1
1
i
*
езе
о
р.
а
S
о
га-я
а
¦**
i
г?
?
О
га
S
(по
°
о
"**
-г
CJ
О
§
% (ПО!
я
* R
О Е
ВОЗМ
инен:
ругие
соед
Ч
R
б
О
Is
о
г
Воз
fL
i
<
диа!
сталли-
ая струк-
структура
Эле-
Элемент
1
|
I
1
1
1
1
¦
1
9
б
CaS
I
-
со
'.ц.к.
б
1050
СО
о
¦*
о
900
СО
о
о
1
а
си1
S
со"
Я'
о
о
о
о
о
о
1
о
о
о
о
1
1
о>
со
'.ц.к.
ё.
1
1
1
1
835
со
о
со
о"
о
й
?
N
«-.
N
со"
'.п.у.
й
1150
со
о
15
о"
[350
(N
СО
СО
Z «
р 1
со
р-
о>
СО
см
'.п.у.
Н
1150
о
см"
о
—•
1103
О)
о
¦ оэ
2
zf
^^
<~?-
О)
FeA
со
со
of
Я
<
1220
(N
—"
О
<n"
989
—
СО
1 •
%
щ.
of
О.ц.к.
ё
, 1220
О?
о
о
со
974
о^
со
о
о
Z
га
О
га
ч
ее
га
S
о^
1150
со
—"
ю
см
750
со
оГ
о
—
I
j, FeSn,
щ
с
s
of
шаза
с*
1150
о
—"
см
со
.540
о
со
о
то
О
!
С*
1
см
изо
о
о
g
700
ю
со
ш
то
О
MnS
1
со
of
Я
f *
1
ООП
СО
—•
.450
о
of
ю
fe
«в
ч
о
о
п.
I
CN
о^
я
1
782
О1
о^
¦*
о
¦*
623
CD
О
8"
1
1
СО
CD
OJ
с
г
й
'38
о 2
Ю .1. Ю
-2s
55
S
о о
о —¦
О
оо о та
<N 2 та
та
8 8 55
in in
— об"
8
2 та
о
2
о in
ID CN
о о"
о —•
о
8
ОО
1 О
о
ОО ID
S
in о
«о ю
—* о
S3
1
о о о о
СО 1П ОО 00
I 5
со/
со
8
о
in
8
- °- S
о
о"
I i
СЛ)
2
6S
CQ
сН
СО
I.
«я
CQ
а
ь. ь
fc
о,
FeS
FeB
о
tl.
a,
<N in О О С
о tn ю in -^
<N сГ <n" C>J <N cT
о
¦*
ОО
in
та
<м
со
(М
оо
1-М
та
о
г-
О) (N —¦
S
Й я я J я я
О и - и а С О
I 1
о
а,
5 5
ра а,
Влияние кремния. Диаграмма состояния
[13] — рис. 1.81. Сильно понижает точку
плавления Fe. Растворимость углерода в
¦у-области уменьшается. Перлитная точка
сдвигается к меньшим содержаниям угле-
10 20 30
Ъ\,%(помассе)
С в а- и ^-области (см. увеличение твердо-
твердости с повышением содержания кремния).
Структурная диаграмма (по Гийе) — рис.
1.82 [14].
Доэвтек- \ Заэвтек- \Ледебу
гпоидные \ тоидные \рит
стали \ , стали
Fe
0,5 1,0 1,5
С, % (по массе)
Рис. 1.81
Рис. 1.82
Заштрихована область чериоломкости
(склонности к выделению графита)
рода, а эвтектоидная температура G") уве-
увеличивается. Все критические точки превра-
превращения сдвигаются к большим значениям Т.
Следствие: возможность образования
крупнозернистой структуры при отжиге, ре-
рекристаллизации и закалке.
Образование силицидов (FeSi, Fe3Si2,
FesSi).
При увеличении содержания кремния
растут: временное сопротивление (на каж-
каждый процент Si на ~ 100 МПа); электри-
электрическое сопротивление (трансформаторная и
динамная сталь); закаливаемость инстру-
инструментальных сталей; твердость конструкци-
конструкционных сталей; устойчивость против смягче-
смягчения при отпуске; литейные свойства (по-
(повышение теплоты растворения, когда Si
растворяется в Fe; растворимость Si в фер-
феррите при комнатной температуре ~14%);
коррозионная стойкость (отливки из крем-
кремнистой стали для химической промышлен-
промышленности); охрупчивание (при >6,5 % в
•о. ц. к. феррите; причиной может быть про-
процесс упорядочения, образование хрупких
•«сверхструктурных» фаз); окалиностойкость
(Si легче .окисляется, чем Fe, с образова-
образованием защитного, содержащего SiO2 слоя,
однако Si способствует поверхностному
обезуглероживанию); раскисляющее дейст-
действие (при —0,1 % Si — полуспокойная сталь,
>0,2 % Si — спокойная сталь; продукты
раскисления: SiO2, силикаты); склонность
ж графитообразованию («черноломкость»).
Кремний вызывает распад Fe3C.
При увеличении содержания Si уменьша-
¦ются: свариваемость (>0,2 % обычная
•сварка; >0,6 % дуговая сварка); дефор-
деформируемость (до 3 % с трудом деформиру-
деформируется в холодном состоянии; до 6 % плохо
деформируется в горячем состоянии;
> 10 % не деформируется и не обрабаты-
обрабатывается резанием); коэффициент диффузии
40
Влияние марганца. Диаграмма состоя-
состояния— рис. 1.83 [14]. Аг, и Л4 сдвигаются с
увеличением содержания Мп соответствен-
соответственно к низкой и высокой температуре. С уве-
увеличением содержания Мп превращение
Y—а смещается в область низких темпе-
температур, так что диффузия при превращении
затрудняется или вообще не может проис-
происходить. Поэтому при >5 % Мп аустенит
переходит в мартенсит (бездиффузионное
превращение). Безуглеродистый мартенсит
(кубическая сингония) имеет такой же со-
состав по марганцу, что и аустенит.
Прямое и обратное превращение обнару-
обнаружено в сплавах с содержанием марганца
между 5 и 10 %; исходная обработка —
охлаждение из у-области в а. При охлаж-
охлаждении до комнатной температуры, образу-
образуется 100 % мартенсита, при нагреве —
100 % аустенита. Сплавы, содержащие от
10 до 15 % Мп, дают при охлаждении е-
и а-мартенсит. Из аустенита. бездиффузион-
бездиффузионным путем при охлаждении образуется
вначале гексагональный е-мартенсит в ви-
виде пластин, который формируется путем
сдвига по октаэдрическим плоскостям ау-
аустенита и имеет вид видманштеттовой
структуры (рис. 1.84).
В сплавах, содержащих от 14,5 до 27 %
Мп, проходит неполное \—е-превращение.
Остается большое количество остаточного
аустенита. При >27 % Мп — аустенитная
структура.
Марганец и углерод взаимно усиливают
свое влияние на расширение у-области.
При комнатной температуре феррит рас-
растворяет ~ 10 % Мп. Часть марганца рас-
растворяется в Fe3C; образуется карбид (Fe,
Мп)зС. Растворимость в ¦у-'геердом раство-
растворе с увеличением температуры растет неог-
неограниченно. Следствие: марганцевые стали
чувствительны к перегреву.
%оо
V
\
X1
>
«Fe
/fe
ч
\
\
ч
\
S
/
г
?
=т
мп"/
1/
Fe
МП
/МП
р
!
«м
«МП
/
-
Fe.
60 90 100
Wr\,7o(по массе)
Рис. 1.83
Рис. 1.84
При увеличении содержания Мп растут:
временное сопротивление на каждый про-
процент Мп — на —100 МПа; износостойкость;
прокаливаемость; удлинение; ликвационная
неоднородность (поэтому горячую деформа-
деформацию ведут при 1200—1250 °С); чувстви-
чувствительность к трещинообразованию (из-за
склонности к воздушной подкалке уже
при ~2 % Мп); дисперсность перлита; чув-
чувствительность к перегреву (при крупном
зерне — понижение критической скорости
охлаждения).
При повышении содержания марганца
ухудшаются обрабатываемость резанием,
деформируемость в холодном -состоянии,
подавляется доэвтектоидное выделение фер-
феррита, возникает красноломкость.
Кроме раскисляющей и легирующей функ-
функций, марганец используют для обессерива-
кия. Продукты рафинирования MnS, MnO,
MnO-SiO2, 2Mn-SiO2, раскатываясь, обу-
обусловливают возникновение волокнистой
структуры, поэтому ударная вязкость в
продольном направлении выше, чем в по-
поперечном.
Волокнистая структура полезна при про-
производстве рессорной стали.
Регулируя количество MnS, можно
уменьшить чувствительность к краснолом-
красноломкости.
Однако в ряде случаев расслоения в из-
изломе и ликвационная неоднородность мо-
могут быть нежелательны.
Структурная диаграмма по Гийе —
рис. 1.85.
Мп,%
/2
Fe /?« ^ /,.? /,5С,%
Рис. 1.85
/ — аустенитиые стали; // — мартеиситиые стали;
/// — мартеиситиые и перлитные стали; IV — пер-
перлит и цементит; V — перлитные стали
Влияние фосфора. Диаграмма состояния
[14] — рис. 1.86. Фосфор сужает у-об-
ласть. Образует два фосфида (FesP, Fe2P).
Большая разница температур между ли-
линиями ликвидуса и солидуса и незначитель-
незначительная скорость диффузии в а- и у-областях
ведут к развитию ликвационной неодно-
неоднородности, которая не полностью устраня-
устраняется при диффузионном отжиге. Поэтому
содержание фосфора поддерживают до
л
J ш
I
Ч
Стабильн.
Метастабильн.
ЦО Магнитное
\ превращение
420 "С
100 У 'могнитное
^предращение Fe3P
300
S 10 15 20
Р, % (по массе)
Рис. 1.86
~ 0,02 % ¦ Вторичная ликвация фосфора
(¦у-область) способствует (при превраще-
превращении) усилению зарождения структурно сво-
свободного феррита.
При увеличении содержания Р растут:
временное сопротивление (до —0,5 % Р);
охрупчивание в холодном состоянии
(уменьшение удлинения и ударной вязко-.
сти, особенно при совместном влиянии с
углеродом); литейные свойства серого чу-
чугуна (ледебуритная эвтектика сдвигается
к низким температурам); склонность, к от-
отпускной хрупкости; склонность к свароч-
т;с
1000
500
ным трещинам (совместное влияние Р, Si
и С); ликвационная неоднородность.
Из-за многочисленности факторов вред-
вредного воздействия фосфора на свойства ста-
стали его содержание резко ограничивают (см.
2.0). Исключение — добавка фосфора в се-
серый чугун.
Влияние серы. Диаграмма состояния
[14] — рис. 1.87. Температура -Д4 падает,
а у43 повышается; е-сульфид FeS при
998 °С образует с Fe эвтектику, точка плав-
плавления которой понижается при наличии
окисла FeO до 935 °С. Растворимость S в
у- и а-областях резко различна (в a-Fe
растворимость очень мала).
При увеличении содержания S растут
склонность к красноломкости (800—
1000 °С — область красноломкости) и го-
рячеломкость (>1200°С, растворение
фаз, расположенных на границах зерен),
поэтому горячую деформацию ведут между
областями красноломкости и горячеломко-
сти (между 1000 и 1200 °С); хрупкость при
пайке; ломкость ' стружки (автоматные
стали); ухудшается свариваемость (глав-
(главным образом тонких высокопрочных лис-
листов); усиливается окалинообразование (об-
(образование соединений с кислородом, распо-
располагающихся по границам зерен); ликваци-
ликвационная неоднородность.
В^ то же время снижаются магнитные
свойства (трансформаторная сталь); чувст-
чувствительность к перегреву (при 1200—
1350 °С еще не все сульфиды переходят в
раствор и сдерживают рост зерна); проч-
прочность в поперечном направлении.
Сера, как и фосфор, оказывает вредное
влияние на свойства стали, поэтому со-
содержание серы в стали резко ограничено
(см. 2.0). Исключение составляют нелеги-
нелегированные и легированные автоматные
стали.
Влияние хрома. Диаграмма состояния
[13] — рис. 1.88. Температуры At и А3
вначале понижаются (до 7—8 % Сг), а за-
затем As увеличивается. При высоких тем-
температурах и содержаниях хрома образует-
образуется непрерывный ряд о. ц. к. a-твердых рас-
растворов. Если углерод отсутствует, то уоб-
ласть полностью замыкается (~13% Сг).
Такие сплавы во всем интервале темпера-
d-Fe
P
*,/-Fev
/«-Fe
5
-FeS
-FeS
ot-Fe+yG-FeS
of-Fe+of-FeS
1365°C "
913V
298°C
138°C
S
^\
/-FeS
/-FeS
a- Fe v-/?- FeS
of- Fe + or- FeS
FeS+,5-
Рис. 1.87
0,1 0,2 0,3 2,0 10 20
Ъ,%(по массе)
JO 36,1
42
>
^^
¦¦¦IB
=
—-—¦
or
.—
—-—
--"
or+S
|) Магнитное превращение
/
>
TV
7700
7500
7300
7700
WO
700
500
Fe 10 20 30 iiO 50 60 70 80 30 WO
Cr,% (m массе)
Рис. 1.88
тур — до точки плавления — обладают фер-
ритной структурой. Кривые ликвидуса и
солидуса имеют минимум при ~1500°С
(~15%Сг). При <800°С появляется
твердая и хрупкая 0-фаза эквиатомного
состава (FeCr). Способствуют образованию
этой фазы {к тому же при более высоких
Т) добавки Мп, Mo, Si. Наблюдается сдвиг
точек S и Е (см. ДЖУ) при добавке хрома
в сторону меньших содержаний углерода.
Карбидообразование: РезС растворяет 18—
20 % Сг; Сг7С3 растворяет 30—50 % Fe;
Сг2зСб растворяет 35 % Fe. Замедленное
растворение карбидов в матрице при на-
нагреве затрудняет гомогенизацию при аусте-
нитизации.
При увеличении содержания Сг растут:
временное сопротивление (на каждый про-
процент хрома около ~100МПа); прокали-
ваемость (понижение критической скорости
охлаждения); жаропрочность; стойкость
против разупрочнения при отпуске; корро-
коррозионная стойкость (образование защитного
слоя); закаливаемость; усталостная проч-
прочность. • '
Уменьшаются: удлинение; критическая
скорость охлаждения (улучшение прокали-
ваемости); деформируемость; сваривае-
свариваемость; обрабатываемость резанием.
Структурная диаграмма [14]—рис. 1.89.
- Сг,%
30
20
70
Заэвтек-
тоидные \. тоидт/е
стали | \ стали
Fe
0,5
1.0
Т,5
Рис. 1,89
Основные классы хромистых сталей:
1) с y—а-превращением (мартенситного
класса с углеродом);
2) без у—а-превращения (ферритного
класса);
3) с частичным у—а-превращением- (по-
луферритного класса: феррит+мартенсят).
Влияние никеля. Диаграмма состояния
[14] —рис. 1.90; 1.91. Эта диаграмма очень
7500
1Ш
800
700
600
500
400\—И-—\ —
300
Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10(f
Ni, % Що массе)
Рис. 1.90
— —
S
——
' 7непагн.
К
]Г
т
\
\
\
. 1
ТГнемагн.
к
—•—
Умагн.
Ni3Fe
п
II
ч
ч
-100
-200
Fe 10 20 -30 40
Hi,7. f/70 массе)
Рис. 1.91
приближенно соответствует действительно-
действительности (процессы диффузии протекают очень
медленно), поэтому пользуются обычно ре-
реальной диаграммой Fe—№. Никель расши-
расширяет ¦у-область. В области высоких темпе-
температур существует непрерывный ряд твер-
твердых растворов замещения. При 550 "С
G5 % Ni) образуется сверхструктурная фа-
фаза NieFe; при комнатной температуре же-
лезоникелевый аустенит — ферромагнитен.
В процессе охлаждения сплавов с 6—
7% Ni у-тверкчя раствор переходит в ку-
кубический мартенсит по бездиффузионному
, механизму. Сплавы с 6—30 % Ni имеют
прямое и обратное аустенито-мартенситноё
превращение. Углерод усиливает стабилизи-
стабилизирующее влияние никеля на аустенит (см..
диаграмму состояния).
При увеличении содержания никеля рас-
растут: временное сопротивление; ударная
вязкость; прокаливаемость (снижается
критическая скорость охлаждения); корро-
коррозионная стойкость; длительная прочность;
склонность к образованию графита; суль-
фидообразование (опасность красноломко-
красноломкости, эвтектика при 645 °С); образование
флокенов; механические свойства в по-
поперечном направлении.
В то же время уменьшается: критиче-
критическая скорость охлаждения (увеличивается
прокаливаемость); снижаются температура
перлитного превращения (возможна закал-
закалка с более низких температур; меньше за-
закалочные напряжения); электропровод-
электропроводность; теплопроводность (высоколегирован-
(высоколегированные стали медленно прогреваются); обра-
обрабатываемость резанием; стабильность кар-
видов (никель не образует карбиды!);
склонность к тепловым трещинам (низкая
теплопроводность).
Структурная диаграмма — рис. 1.92.
Влияние хрома и никеля. На рис. 1.93
Ni,7.
30
20
JO
О
Fe Ofi 0,8 1,2 1,6C,%
Рис. 1.92
/ — аустеиитные стали; // —
переходный класс; /// —
мартенснтиые стали; IV —
перлитные стали
приведена структурная диаграмма Сг—Ni
сталей (~0,2 % С), закалка с 1050°С в во-
воде. При более медленном охлаждении ли-
линии границ фаз сдвигаются к более высо-
высоким содержаниям никеля. При высоких
содержаниях хрома существует 6-феррит и
структура после закалки — мартенсит+
+6-феррит или аустенит+мартенсит+
+б-феррит или аустенит и б-феррит. При
постоянном содержании хрома количество
феррита в структуре уменьшается при по-
повышении содержания никеля.
ш
—««
ж
/
U 8 12 16 20 2Ь 26
Ст,%(по массе)
Рнс. 1.93
А — аустенит; М — мартенсит; Ф — феррит;
П — перлит
При увеличении суммарного содержания
хрома и никеля увеличиваются: временное
сопротивление (больше, чем при влиянии .
каждого компонента в отдельности); из-
измельчение зерна (главным образом влия-
влияние Сг); вязкость (главным образом влия-
влияние Ni); чувствительность к флокенам; от-
отпускная хрупкость; свариваемость; окали-
ностойкость; жаропрочность; стойкость
против межкристаллитной коррозии.
Влияние кобальта. Диаграмма состояния
[136]—рис. 1.94. Положение уобласти и
VC
1500
1Ш
1300
1200
1100
1000
900
600 V
700
600
500
WO
300
200
100
О —
Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Со,% (по пассе)
Рис. 1.94
критическая скорость охлаждения почти ие
меняются (не увеличивается и прокаливае-
прокаливаемость). Кобальт сдерживает рост зерна
при нагреве на высокие температуры. Ко-
Кобальтовые стали мало чувствительны к пе-
перегреву.
При увеличении содержания кобальта
растут: временное сопротивление; жаро-
жаропрочность (перлитное и аустеиитное со-
состояния); режущая способность инструмен-
инструментальных сталей; теплопроводность; коэр-
коэрцитивная сила; коррозионная стойкость;
склонность к образованию графита. Умень-
Уменьшается удлинение.
Влияние меди. Диаграмма состояния
[136] — рис. 1.95. Медь расширяет б-об-
ласть. Ограниченная растворимость в же-
железе, ее увеличивает углерод (отсюда дис-
дисперсионное твердение). Медь не образует
карбидов. Возможно получение расплавов
Fe—С—Си, содержащих до 15 % Си и
1,7 % С. Усиливает склонность к образова-
образованию графита.
Растворимость меди в |У"твеРД°м раство-
растворе при 850 °С ~1,4%; при 20 °С —0,2%;
в а-твердом растворе — очень мала.
/t
iaeH
^—-
JH1H
ass
BSS
—2
*
S
че превращение^^
с
<
¦
1
1
и
Ir
||
44
1539°C
1500
fi-
film
1300
1200
J100
1000
sio'c
soo
800
770V
700
Fe
d+S
"$±J-146
Ц
Щ
\
1
1
'C
'°C
lit
850с
S
S
- 760°C±<*+
e
? -
—-
\\
97,k\
96%p^
e+s
—
10 20 30 1,0 50 60 70 80 SO WO
Cu,%(no массе)
Рис. 1.95
При увеличении содержания меди рас-
растут: временное сопротивление; предел те-
текучести; прокаливаемость @,1—0,2 % Си
удваивает прокаливаемость нелегнрован-
ных инструментальных сталей); растрески-
растрескивание при пайке; склонность к окалинооб-
разованию (обогащение медью под слоем
окалины, проникновение меди от поверхно-
поверхности внутрь металла вдоль границ зерен —
возникновение поверхностных трещин); об-
образование термических трещин; жидкоте-
кучесть A—2 % Си в сером чугуне); спе-
каемость (порошковая металлургия);
стойкость против ржавления (при ~0,3 %
Си в строительных и ~2 % Си в легиро-
легированных сталях), при этом критическая ско-
скорость охлаждения уменьшается.
Влияние бора. Диаграмма состояния
[136] — рис. 1.96. Эвтектика Fe—В при
1500
U00
1300
1200
J1OO
1000
900
800
700
воо
\з81"С
...
\
А
3,(
А
У/
915'С
г 76Ь ь
-
\
Fe2B
X
7VL
...
I k
>^1з8д°с
1
fV°
г
еЬ
|>
/4?
в°С
О 2 U 6 8 10 12 К 16 18 20
Ъ,%(по массе)
Рис. 1.96
1170 СС. Повышается опасность возникно-
возникновения красноломкости. Температура дефор-
деформации должна быть <1170°С. С a-Fe бор
образует твердый раствор замещения. За-
Заменяет другие легирующие элементы.
С Y-Fe образует твердые растворы внедре-
внедрения.
При увеличении содержания бора рас-
растут: прочность; вязкость; прокаливаемос'ть;
чувствительность к перегреву; жаропроч-
жаропрочность; красноломкость (>0,07%В); за-
захват нейтронов (реакторостроение); при
этом коррозионная стойкость уменьшается.
Влияние вольфрама. Диаграмма состоя-
состояния [136] — рис. 1.97. Вольфрам сужает
т;с
at
1
s
у
a+?
^ с P
S *C
1520Г
<*+?
10l*0°C
?
<
J640°c\
-e3w2)
0 20 40 60 вО 100
W, % (no массе)
Рис. 1.97
¦у-область и замыкает ее при ~3 % W.
Точка А3 смещается в сторону высоких
температур. Две интерметаллические фазы
(|-фаза, или Fe3W2, и е-фаза, или Fe2W).
Вольфрам образует карбиды (WC, W2C,
Fe4W2C, FesWeC), уменьшает растворимость
углерода в у-твердом растворе, сдвигает
точки S и Е к меньшим содержаниям угле-
углерода.
При увеличении содержания вольфрама
растут: ударная вязкость; твердость; жаро-
жаропрочность; износостойкость; усталостная
прочность; устойчивость против перегрева
(замедленное растворение карбидов при иа-
греве); устойчивость против смягчения при
отпуске.
В то же время уменьшаются: прокали-
прокаливаемость (при определенных условиях иа-
грева образуется стабильный карбид WC,
который плохо переходит в раствор; сталь
обедняется углеродом и вольфрамом —
«вольфрамовая порча»); отпускная хруп-
хрупкость (в термически улучшаемых сталях);
теплопроводность; свариваемость.
Структурная диаграмма [14] — рис. 1.98.
На рисунке между перлитной и промежу-
промежуточной областями есть разрыв, т. е. имеет-
имеется область повышенной устойчивости аусте-
нита — область свариваемости вольфрамо-
вольфрамовых сталей.
Влияние молибдена. Диаграмма состоя-
состояния [136] — рис. 1.99. Молибден сужает
¦у-область и замыкает ее при 3 %• Затем—
чисто ферритные сплавы. Имеется интерме-
таллидная е-фаза (РезМо2). Сплавы Fe—Mo
с содержанием 3—35 % Мо — стареющие.
Мо—карбидообразующий элемент (МоС,
Мо2С, [Мо, Fe]23Q;, [Mo, Fe]6C). Самодиф-
45
\
\
\
\
>
\
\
\
\ ш
\
\
\
\
\
лаждении от высоких температур. Струк-
Структуры промежуточной области ясно выра>-
жены.
Fe 0,4 0,6 1,2 1,6 С,%
Рис. 1.98
/ — доэвтектоидные стали; // —
заэвтектоидные стали; /// —
ледебуритные стали
753.
tV,S
1Ш~с
i
i
I
f
fiffp
~k
+c(
L 1Ll
/
(X*
M/jpf.
тёвр
S
1481
*
?
тще]
ГС-
I
'?
?'
Ш"
V
. T+
/
/
s-
^-A154
i
* 11
/
f
f
n°c
80°C
у
/
/
/
/
/
/
и
\
vc
2600
21*00
2200
2000
moo
1600
1200
1000
906°C
800
769°C
600
1Л0
Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Mo, % (по массе)
Рис. 1.99
фузия железа замедляется в присутствии
молибдена; благодаря этому также замед-
замедляются фазовые превращения в перлитной
области.
При увеличении содержания молибдена
растут: временное сопротивление; закали-
закаливаемость A % Мо эквивалентен 2 % Сг);
прокаливаемость; устойчивость против
смягчения при отпуске; жаропрочность; из-
износостойкость; склонность к окалинообра-
зованию; устойчивость против перегрева
(в случае, когда не успели раствориться
карбиды); красноломкость (эвтектика с S);
термическое растрескивание (при охлажде-
охлаждении легированных сталей с низкой тепло-
теплопроводностью) .
В то же время уменьшаются критическая
скорость охлаждения (сильнее, чем в слу-
случае Сг); свариваемость; отпускная хруп-
хрупкость; опасность образования флокенов.
Влияние ванадия — рис. 1.100. Замыкает
Y-область при 1,1 %. Имеется интерметал-
лидная е-фаза (FeV). Более сильный кар-
бидообразующий элемент (VC, V4C3), чем,
например, Сг или W. Ванадий подавляет
превращение в перлитной области при ох-
Fe 10 20 30 ЬО 50 60 70 80 90 1ОС
V,%(по массе)
Рнс. 1.100
При увеличении содержания ванадия рас-
растут: предел текучести (конструкционные
стали); твердость (мелкодисперсные изно-
износостойкие карбиды); устойчивость против
разупрочнения при отпуске; свариваемость
(высокопрочные строительные стали); спо-
способность к глубокой вытяжке (при образо-
образовании мелкозернистой структуры); устой-
устойчивость против старения (высокое сродство
к углероду и азоту, которые связываются
в прочные соединения); устойчивость про-
против перегрева.
Влияние титана. Диаграмма состояния
[136] — рис. 1.101. Замыкает Y-область
т;с
1500
1539°C
i°7
J /
'Lff10°C
s
/
131
1300
1200
1100
1000
goo
Fe 5 fO 15 20 25 30 35 40 45 50J
Ti7% (no массе)
Рис. 1.101
при ~0,65 %. Имеются интерметаллические
е-фаза (Fe2Ti) и т]-фаза (FeTi). Благодаря
этому возможно дисперсионное твердение
за счет выделений этих фаз (сплавы с
>3 % Ti). Сплавы хрупкие. Сильное кар-
бидообразование (примерно такое же, как
у ванадия). Растворимость титана умень-
уменьшается в а-твердом растворе при легиро-
легировании кремнием и никелем; следствием яв-
является возможность старения при пони-
пониженных содержаниях титана.
При повышении содержания титана рас-
растут: временное сопротивление; предел те-
текучести; длительная прочность (жаро-
(жаропрочные стали).
В то же время уменьшаются: краснолом-
красноломкость; закаливаемость (Ti связывает С,
46
этот эффект используется в сталях, устойчи-
устойчивых против насыщения водородом и в кор-
розиоиностойких сталях); Ti: С=4 : 1.
Влияние алюминия. Диаграмма состояния
[136] — рис. 1.102 (а„ — неупорядоченная,
300
Fe 10 20 30 ЬО 50 50 70 60 90 700%
Рис. 1.102
немагнитная а-фаза; ат — неупорядоченная
магнитная ct-фаза; am —¦ упорядоченная
немагнитная сверхструктурная фаза РезА1;
dm — упорядоченная магнитная сверхструк-
сверхструктурная фаза Fe3Al; агш — упорядоченная
немагнитная сверхструктурная фаза FeAl).
Алюминий замыкает ¦у-°бласть при 1 %.
Интерметаллические соединения появляют-
появляются при более высоких содержаниях алюми-
алюминия. Повышение содержания А1 повышает
температуру превращений не только А3, но
и Л|. Диаграмма состояния сходна с диаг-
диаграммой системы Fe—Si. Стали, содержа-
содержащие алюминий, склонны к укрупнению зер-
зерна при нагреве.
При увеличении содержания алюминия
растут: склонность к перегреву (крупное
зерно — в случае отсутствия дисперсных
фаз); склонность к образованию мелкозер-
мелкозернистой структуры (в случае сохранения в
структуре дисперсных нитридов); склон-
склонность к образованию графита; устойчивость
против старения (если азот связан в проч-
прочные нитриды); окалиностойкость; степень
раскисления (продукт раскисления А12О3).
В то же время уменьшаются: закаливае-
закаливаемость; образование сварочных трещин
(следствие мелкозернистости).
Влияние ниобия и тантала. Диаграммы
состояния [136] — рис. 1.103 и 1.104- Нно-
бий и тантал сужают ^область. Оба эле-
элемента в у~твеРД°м растворе образуют
е-фазы (FeNb, FeTa). Для образования
карбидов необходимо иметь больше Та, чем
Nb; обычно содержание Та в сталях выше.
Ниобий и тантал определяют способность
к дисперсионному твердению. [Содержание
Nb=A0-M2)-%C, содержание Та=A6-н
-18)-% С]
tP-17
1 0
?"¦
— -г
Г
s
о —
г-
?
Е
А '
S
1Ь50°С
1220°С
97Ь°С
S |
I
e+S
W-
600
Fe ю го зо io so во 70
Щ%1'по массе)
Рис. 1.103
т,°с
1800
1600
ПОО :
1200
1000
800
Fe 10 20 JO l>0 50 60 70
Та,% (па массе)
Рис. 1.104
В последнее время получили распростра-
распространение строительные стали, упрочняемые в
результате дисперсионного твердения за
счет карбонитридов Nb(C, N).
При увеличении концентрации ниобия
(или тантала) растут: прокаливаемость
(только после нагрева до высоких темпе-
температур, когда растворяются карбиды или
карбонитриды); устойчивость против смяг-
смягчения при отпуске; жаропрочность; устой-
устойчивость против перегрева. В то же время
уменьшается склонность к межкристаллит-
ной коррозии.
Влияние других элементов
Цинк. Расширяет у-область.
Бериллий. Сужает v-область (как и
Ti); карбид Ве2С трудно растворим, воз-
возможно дисперсионное твердение.
. Мышьяк. Сужает у-область (замыкает
при ~4 % As). По влиянию подобен фос-
фосфору: увеличивает временное сопротивле-
сопротивление и предел текучести, уменьшает вяз-
вязкость, повышает склонность к старению,
повышает отпускную хрупкость, уменьшает
закаливаемость (у—а-превращение сдвига-
сдвигается к более высоким температурам), по-
повышает ликвационную неоднородность.
Олово. Сужает у-область (замыкает
при ~2 % Sn). Увеличивает ликвацион-
47
ную неоднородность и хрупкость при пай-
пайке (сварке).
Сурьма. Сужает у-область (замыкает
при 3—4 % Sb). Увеличивает склонность к
отпускной хрупкости.
Цирконий. Сужает ¦у-область; карби-
дообразователь (ZrC), сильный раскисли-
тель, десульфуратор и денитратор.
Церий. Сужает ¦у"°бласть> улучшает
деформируемость в горячем состоянии (ле-
(легированная сталь), хороший раскислитель
и десульфуратор.
Свинец. Улучшает обрабатываемость
резанием (автоматные стали с 0,2—0,5 РЬ),
повышает хрупкость (увеличение объема
при плавлении).
Кислород, азот, водород — см.
3.6.
1.7.3.3. Реальные диаграммы
состояния цветных металлов
и некоторые свойства сплавов
Классификация сплавов цветных метал-
металлов может быть осуществлена:
а) по плотности исходных компонентов:
сплавы тяжелых металлов и сплавы лег-
легких металлов;
б) по способу получения изделий: дефор-
деформируемые сплавы и литейные сплавы.
Деформируемые сплавы имеют в зави-
зависимости от способа производства (напри-
(например, волочение, прокатка) однородную,
мелкозернистую структуру, благодаря чему
отличаются высокой прочностью при хоро-
хорошем удлинении. Литейные сплавы облада-
обладают хорошими литейными свойствами. Их
получение легче и дешевле, чем деформи-
деформируемых сплавов, но они имеют меньшую
прочность, особенно при динамических на-
нагрузках. Сплавы (по структуре) состоят
обычно из многих фаз.
Некоторые общие сведения. Ряд сплавов
цветных металлов — стареющие. Возмож-
Возможность старения определяется: уменьшением
растворимости добавляемого компонента в
решетке основного компонента с уменьше-
уменьшением температуры; появлением интерме-
интерметаллической фазы в данной системе; боль-
большой разницей в атомных диаметрах ком-
компонентов.
Различают: естественное старение (при
комнатной температуре) или вылежива-
вылеживание при комнатной или несколько более
высокой температуре после гомогенизаци-
онного нагрева (в области твердого рас-
раствора) с последующей закалкой — образу-
образуются зоны Гинье—Престона I (рис. 1.105)
и искусственное старение (при повышен-
повышенной температуре) — образуются зоны
Гинье—Престона II (рис. 1.106) и мета-
стабильные промежуточные фазы.
Медь
а. Структура — г. ц. к. решетка.
б. Высокие электро- и теплопроводность;
повышение удельного электросопротивле-
электросопротивления при наличии растворенных примесей
(рис. 1.107).
в. Рекристаллизация — температура ее
повышается при наличии примесей (напри-
(например, серебра) —см. 1.10.
о»оооооооооооо
00*00000000000
000*0000000000
0000*00000*000
00000*00000000
оооооооооооо* о
ооооооооооооо*
•ооооооооооооо
о* оооооооооооо
00*00000000000
000*0000000000
0000*000000000
00000*00000000
000000*0000000
0000000*000000
00000000*00000
000000000*0000
ОООООООООООООО
00*00000000000
000*0000000000
00000000000*00
о•ооооооооооро
•••00000*00000
о*о*ооо*ооооо»
оо**оооо*о*ооо
ооооооооо**ооо
0000000*000**О
000*0000000*0»
оо***ооо«ооо*»
оооо**ооооооо»
0*00*0*0000000
ооооо***ооооо*
оооооо***ооооо
000*000*0*0000
•ооооооо***ооо
•оооооооо**ооо
•**о*ооооо***о
о*о*оооо*оо*о*
оо***ооооооо**
ооо***ооооооо»
Рис. 1.
1
i
h
.Hi
1
I
105
60
55
50
45
40
С
Рис. 1.106
> "' "^
\ ^
\\ ^xv55^
\ \ ^\\
\p\Fe
Zn
Аи
Ni
Sn
Al
Mn
Be
Cr
/OS
Si
0,05 0,10
Примеси, %(пв массе)
J Рис. 1.107. Влияние примесей иа удельную
г; электропроводность меди
г. Коррозионная стойкость. Высокая в
химических средах, но чувствительна к га-
газовой коррозии, так как не образуется за-
защитного слоя, который может воспрепят-
воспрепятствовать окалинообразованию.
Медь — сера. Диаграмма состояния
[14] — рис. 1.108 и 1.109. Образуется фа-
т;с
1200
1000
800
600
400,
200
WB3°C
—~ -
-0,77
I
ij_
Z\i+fi
s,
-Cu2S "
-Cu2S
CU*-«-CU2S
1105C
106ГС
105°C
Рис. 1.108
0
. Ш 7 Z'! J
S,% (помассе)
I
III.
1W5°C
\
\ Cu2S
I
/067'C
Рис. 1.109
48
за Cu2S, имеющая ограниченную раствори-
растворимость в жидкой меди [91]. В присутствии
0,77 % S температура плавления меди по-
понижается до 1067 Сс.
Сера уменьшает стойкость меди против
окисления.
Медь — кислород. Диаграмма состояния
[14] — рис. 1.110. Образуется фаза Си2О,
t L
1200
WOO
800
600
600
200
О
Си
Рис. 1.110
Si
-П 10
/S,+Sz
-~~1,5 .5>*Cu2C
Cu+Cu20
- Си*
CuO -
1200°С
W65°C
375°C
1 2 3 4
0,% (по массе)
имеющая в- жидкой меди ограниченную рас-
растворимость. При эвтектической концентра-
концентрации 0,39% О2 (~3,5%Си2О) температу-
температура плавления меди понижается до 1065 °С.
Си2О обнаруживается в плохо раскислен-
раскисленной Си.
При увеличении содержания кислорода
(Си2О) в меди растут: чувствительность к
хладноломкости (особенно при >0,54 %
Cu2O, t. e. 0,06 % О2, так как частицы
Си2О расположены по границам зерен, что
определяет хрупкость, а также окалинооб-
разование (>300°С).
Уменьшаются: удлинение, сужение и ре-
результаты испытаний на изгиб и кручение—
число гибов и число скручиваний (важно
при получении проволоки).
Медь— водород. При увеличении содер-
содержания водорода в меди растут: охрупчи-
вание — возникает водородная болезнь
(взаимодействие Cu2O+2H->2Cu+H2O ве-
ведет к образованию пузырей); при деформа-
деформации происходит межкристаллитное разру-
разрушение; можно избежать при хорошем рас-
раскислении.
Медь — аммиак (NH3). При увеличении
содержания NH3 в атмосфере образуется
защитный слой • (комплексные соли
[CuSO4-Cu(OHJ], [CuCl2.3Cu(OHJ]);
этот слой улучшает коррозионную стой-
стойкость.
Медь— окись углорода (СО). Медь ве-
ведет себя так же, как и при отжиге в водо-
водородной атмосфере; образуется СО2.
Сплавы медь — цинк (латуни).- Обыч-
Обычная латунь — это сплав с >55 % Си,
остальное Zn, специальные латуни содер-
содержат и другие легирующие элементы, бла-
благодаря чему повышается ряд свойств
(см. 2.0).
Диаграмма состояния [91]—рис. 1.111.
Упрощенная форма диаграммы состояния—
рис. 1.112.
500 -
300
Си 20 40 60-
Zx\,% (по массе)
Рис. 1.111
г
с
=
=
С
с
щ
il
?
О 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100
1х\,%(памассе)
Рис. 1.112
Медь растворяет в твердом состоянии1.
32,5 % Zn при перитектической температу-
температуре (902 °С). Растворимость достигает 39%
Zn при 430 СС. Далее в равновесном со-
состоянии растворимость уменьшается.
По диаграмме состояния возможны сле-
следующие фазы (при комнатной температуре)
[13] — табл. 13.
ТАБЛИЦА 13
Фаза
а
У
е
Кристалли-
Кристаллическая струк-
структура
Г-ц.к.
О-ц.к.
Кубическая*
Гексагональ-
Гексагональная
То же
Zn, %
0—39
46—50
59—67
78—86
До
100
* 52 атома на элементарную
Примечание
Твердые рас-
растворы замеще-
замещения, богатые
Си; неупоря-
неупорядоченное рас-
распределение
CuZn
Cu5ZnB
CuZn3
Твердые рас-
растворы замеще-
замещения, богатые
Zn (следы Си)
ячейку.
4—140
4ft'
В технике применяются в основном а- и
(а+Р)-латуни.
Свойства технических сплавов Си—Zn
растут:
— прочность — при увеличении содержа-
содержания цинка в твердом растворе; такое же
влияние оказывает, кроме того, увеличение
добавки железа до 1 %, а также измель-
измельчение зерна после регламентированной ре-
рекристаллизации; в антимагнитной латуни
допустимое содержание Fe не должно пре-
превышать 0,03 %; то же относится к добав-
добавкам Ni и А1, вводимым для повышения
прочности:
— коррозионная стойкость — при увели-
увеличении содержания Zn: р-латунь более
стойкая, чем а-латунь; добавки Al, Mn, Sn
дают дополнительное увеличение коррози-
коррозионной стойкости;
— коэффициент термического расшире-
расширения— при увеличении содержания Zn;
— обрабатываемость резанием — особен-
особенно при содержании до 0,1 % РЬ в а-твер-
дом растворе; в р-латуни можно допустить
более высокое содержание РЬ; автоматная
латунь— («+Р)-фаза;
— антифрикционность — в • присутствии
Sn, Si, Mn;
— ликвационная неоднородность (ликва-
(ликвация в кристаллах находится в зависимости
от применяемых технических скоростей ох-
охлаждения, выравнивается путем диффузи-
диффузионного отжига);
— горячеломкость — при содержании РЬ
в твердом растворе >0,1 %;
— устойчивость против коррозии в мор-
морской воде — особенно при увеличении со-
содержания олова.
Понижаются:
— коррозионная стойкость — в присутст-
присутствии железа; кроме того, при сильном умень-
уменьшении содержания цинка; коррозия начи-
начинается в а-твердом растворе, растворенная
медь выпадает на корродирующей поверх-
поверхности в виде губки; процесс особенно опа-
опасен при точечной коррозии; ограничива-
ограничиваются добавками мышьяка или фосфора;
— коррозия под напряжением — в амми-
аммиачной атмосфере, особенно в наклепанном
состоянии, когда имеются остаточные на-
напряжения;
— плотность — с увеличением содержа-
содержания цинка;
— удельная электропроводность — с уве-
увеличением содержания цинка.
Сплавы Си—Zn обычно нестареющие. Ис-
Исключение: специальные латуни, содержа-
содержащие железо.
Сплавы медь — олово (бронзы). Диаграм-
Диаграмма состояния — рис. 1.113. Так как ско-
скорость диффузии Sn в Си при низких темпе-
температурах весьма мала, при реальных режи-
режимах термической обработки устанавливает-
устанавливается неполное равновесие. Техническая рас-
растворимость олова в а-твердом растворе
14—16% до <520°С. Эвтектоидный рас-
распад 6-фазы (Cu3iSn8) при 350 "С происхо-
происходит очень медленно. Поэтому 6-фаза ока-
оказывается стабильной при комнатной темпе-
температуре. Вообще же по диаграмме состоя-
состояния при комнатной температуре существу-
существуют четыре фазы:
1) а-твердый раствор; г. ц. к.;
2) е-фаза; орторомбическая, ;
3) т]'-фаза, сверхструктурная Cu6Sn5;
Концентрация, % (по массе)
10 70 30W 50 60 70 80 00
0 JO 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Си Sn, % (aw.) Sn
Рис. 1.113
4) олово, тетрагональная (искаженная).
Изотермические реакции [13]:
S+a^ULfr A)
B)
C)
D)
E)
F)
G)
(8)
(9)
а + т;
520° С , „
¦у ^=fc« + 6;
, 415° С
350° С
б < > а + е — протекает при использу-
используемых на практике скоростях охлаждения;A0)
Б^Я t,+Sn; (И)
186° С , . „.
•П< >У]'. A2)
Деформируемые сплавы содержат обыч-
обычно до 9 % (по массе) Sn; гомогенный
а-твердый раствор. Литейные сплавы —
большей частью высоколегированные, гете-
гетерогенные, (а+6)-структура (см. 2.0).
Свойства технических сплавов Си—Sn
растут:
50
— прочность — при добавках =$: 15 % Sn
(далее прочность падает из-за появления
6-фазы);
— твердость — при появлении а+р-эв-
тектоида и включений после раскисления
фосфором;
— склонность к горячеломкости — при
раскислении фосфором из-за избытка Си3Р
и продукта раскисления Р2О5; эвтектика
Си3Р при 8,25 % Р и 707 °С;
— ликвационная неоднородность — осо-
особенно в литейных сплавах, поэтому их го-
горячая деформация затруднена; отсюда по-
получение проволоки методом «непрерывной
разливки» (метод «уникаст»);
— изнашиваемость ¦— при образовании
O из-за окисления в процессе разливки.
Понижаются:
— удлинение — при >5 % Sn;
— коррозионная стойкость — при частич-
частичной замене олова цинком; вообще же спла-
сплавы Си—Sn нмеют высокую коррозионную
стойкость.
Другие бронзы
A. Р—Sn-бронзы. Добавка 0,1—1 % Р
улучшает эксплуатационные и технологи-
технологические свойства.
Б. РЬ- и Sn—Pb-бронзы (подшипнико-
(подшипниковые). Свинец находится в структурно сво-
свободной форме.
B. Многокомпонентные Sn-бронзы. Обыч-
Обычно сплавы Си—Zn—Sn, чаще всего не со-
содержащие Р. Сплав для вкладышей под-
подшипников скольжения.
Г. Al-бронзы. Диаграмма состояния
[14] — рис. 1.114. Вместо 6-фазы в лите-
литературе часто дают обозначение У"Фаза-
т;с
1100
300
700
500
300
——¦
ОС
•
'*\\Ю39Х ,
\ X i
\а\ 1
565°с\
Wf
1
_JL
\J/Mt
11.8
Си
5 ГО
,% (по массе)
15
возникает мартенситная структура, рфаза»
ведет себя подобно аустениту в углероди-
углеродистых сталях. Сплавы Си—А1 с 9—12 % AL
могут в принципе закаливаться и подвер-
подвергаться термическому улучшению.
Свойства перечисленных сплавов растут:
— механические свойства — при легиро-
легировании Fe, Ni, Mn, Si, Sn;
¦—коррозионная стойкость—-при добавке
А1;
— антифрикционные свойства (важно для.
подшипников).
Понижается пластичность — из-за образо-
образования А12О3 при нарушении технологии
литья.
Деформируемость в горячем состоянии:
хорошая для всех сплавов Си—А1. Деформи-
Деформируемость в холодном состоянии: в гомоген-
гомогенных а-сплавах лучше, чем в "гетерогенных.
Д. Мп-бронзы. Содержат ~25 °/о Мп.
Высокая жаропрочность и электрическое
сопротивление. Медь в твердом состоянии
растворяет до 30 % Мп; поэтому структу-
структура этих бронз — гомогенные ct-твердые рас-
растворы.
Е. Ве-бронзы. Затвердевают так же, как
и сплавы Си—Sn или Си—А1. При 866 °С.
медь растворяет ~2,7 % Be. Сплавы Си—
Be дисперсионно твердеющие. Применяют-
Применяются, например для упругих элементов и спе-
специальных подшипников, от которых требу-
требуется высокая износостойкость.
Литейные сплавы медь — олово — цинк.
Содержат по 5 % Zn и Sn, а кроме того,
3—6 % РЬ. Хорошо обрабатываются реза-
резанием. В структуре имеются включения РЬ
в а-твердом растворе и эвтектоид а+ 6;
отличаются повышенной твердостью.
Сплавы медь — никель. Диаграмма со-
состояния [14] — рис. 1.115. Си и Ni обра-
Т,°С
%00
1200
1000
1083°С
5
L
и—*
K5Z°C
Рис. 1.114
Си го ьо во во
Ni ,7с (по массе)
Рис. 1.115
100
Al-бронзы содержат до 15 % А1. Медь рас-
растворяет при 1035 °С ~7,4% А1. Раствори-
Растворимость в ct-растворе (г. ц. к.) растет с уве-
увеличением температуры. При 965 °С макси-
максимальная растворимость ~9,4 % А1. Малая
склонность к ликвации, так как кривые
ликвидуса и солидуса расходятся незначи-
незначительно.
Р-твердый раствор претерпевает при мед-
медленном охлаждении (<1сС/мин) эвтекто-
идный распад при 565 "С. Возникают хруп-
хрупкие ct+б- (или v)-3BTeKToHflbi; на практике
этому можно воспрепятствовать с помо-
помощью быстрого охлаждения или при добав-
добавке до 4 % Fe. При быстром охлаждении
зуют непрерывный ряд гомогенных твер-
твердых растворов.
Свойства технических сплавов Си—Ni
растут: прочность — при добавке Ni; твер-
твердость; коррозионная стойкость; сваривае-
свариваемость; дендритная ликвация.
Понижается: электропроводность (при до-
добавке Ni, сплавы с высоким электросопро-
электросопротивлением).
Деформируемость в горячем и холодном
состояниях хорошая.
Сплавы медь — никель — цинк (нейзиль-
(нейзильбер). Свойства растут: деформируемость;
коррозионная стойкость, обрабатываемость
резанием (добавка ~2,5 % РЬ).
4*
Сплавы медь— серебро. Медь и серебро
образуют эвтектическую систему B8,1 % Си
при 779 СС). Растворимость при эвтектиче-
эвтектической температуре составляет ~ 8 % и па-
падает до 0 % при комнатной температуре.
Применяются в электротехнической про-
промышленности.
Цинк
а. Структура — гексагональная решетка.
б. Проводимость — составляет 27 %
проводимости серебра A6,9 м-Ом~'-мм~г).
в. Деформируемость, рекристаллизация.
Последняя начинается при комнатной тем-
температуре, поэтому при холодной деформа-
деформации не происходит заметного упрочнения.
Цинк имеет низкую прочность при повы-
повышенных температурах. Хрупкость при
<0сС. При комнатной температуре имеет
ограниченную пластичность, так как де-
деформация происходит только по базисной
плоскости @001). Чистейший цинк куется
и прокатывается в интервале 150—200 СС,
технический цинк хорошо деформируется
при 100—150 °С.
г. Коррозионная стойкость. Слой циика
на поверхности металлов является защит-
защитным в условиях коррозии. Его наносят на
другие металлы и сплавы электролитиче-
электролитическим способом, а также методом горячего
цинкования.
д. Литейные свойства. Плохие, большая
усадка и склонность к образованию усадоч-
усадочных раковин; поэтому применяют сплавы с
А1, Mg, Си.
Сплавы цинк — железо. При цинковании
стали возможны три фазы: g-фаза F—
6,2 %Fe); б'-фаза G— 14%Fe); у-Фаза
B1—28 % Fe). g- и у-фазы почти не обра-
образуются, б'-фаза образуется часто.
Сплавы цинк — алюминий (деформируе-
(деформируемые и литейные). Диаграмма состояния —
см. рис. 1.116. Эвтектика при 5 % А1 и тем-
т;с
600
500
400
а-
300
200
100
Zn 20 . 40 60 SO /00
А1,% (папассе)
Рис. 1.116
пературе 382 "С. ct-твердый раствор на ос-
основе цинка растворяет с повышением тем-
температуры больше А1. р-твердый раствор
(г. ц. к.) при 275 "С B2% А1) претерпевает
эвтектоидный распад на гексагональный
ct-твердый раствор и г. ц. к. Р'-твердый рас-
раствор. Эвтектоидное превращение сопровож-
сопровождается изменением размеров, а также из-
изменением электропроводности и твердости.
Свойства технических сплавов Zn—А1
растут:
L
оч-fi -
0,6
oji
S
--'
¦r—1
Зы,й'
22 fii-fi1
1 '
Pj
V
275°C
- o(*
P'-
J3'
,—-
— —
*>*
401
що\
\
— прочность — при увеличении содержа-
содержания алюминия; при 4 % А1 временное со-
сопротивление возрастает до ЗООМПа, без
А1 — всего 100 МПа; деформируемые Zn—
А1 сплавы, как правило, имеют более вы
сокую прочность, чем литейные;
— удлинение — от 5 до 30 % при добав-
добавке алюминия",
— ударная вязкость — от 500 до
4000 кДж/м2 при добавке алюминия;
— литейные свойства (жидкотекучесть);
— температура рекристаллизации;
— дендритная ликвация — при >5 % А1,
особенно в области S+P;
— стойкость против коррозии под напря-
напряжением;
— устойчивость против старения.
Сплавы цинк — ме^ь. Диаграмма состоя-
состояния [14] — рис. 1.117. До 1,7% Си фор-
600
500
U00
300
200
H0
1
\
\0,2
2,6^
-e
-12,5\
¦ I) e
II
С
Zn
Рис. 1.117
5 10
См,%(по массе)
15
мируется первичная г]-фаза. При дальней-
дальнейшем охлаждении, а также при затвердева-
затвердевании более богатых медью сплавов образу-
образуется е-фаза. С уменьшением температуры
цинк растворяет меньше меди, е-фаза обра-
образуется при затвердевании сплавов, содер-
содержащих от 1,7 до 12% Си. При 424 °С —
частичное перитектическое превращение
B,6 % Си) е-твердого раствора в т). Обра-
Образование е- и rj-фаз связано с изменением
объема.
При увеличении содержания меди рас-
растут: механические свойства (у сплавов
Zn—Си они все же ниже, чем у сплавов
Zn—А1); температура рекристаллизации;
усталостная прочность; обрабатываемость
резанием.
Сплавы цинк — магний. Диаграмма со-
состояния [14] — рис. 1.118. Цинк образуете
Mg2Znn (гексагональная решетка) эвтекти-
эвтектику при 367 СС и 3% Mg. Mg2Znn возникает
по перитектической реакции при 383 СС из
MgZn2 и остатков расплава. Следует от-
отметить, что магний (<0,1 %) содержится
почтя во всех цинковых сплавах.
Свинец
а. Структура — г. ц. к. решетка.
б. Проводимость. В определенных усло-
условиях — сверхпроводник.
в. Рекристаллизация, деформируемость.
Рекристаллизуется при комнатной темпе-
температуре, из-за- этого склонность к укрупне-
52
яию зерен при небольшом нагреве. Свинец
не упрочняется при деформации: ползучесть
наблюдается уже при самых низких на-
нагрузках. Температура рекристаллизации по-
повышается при добавках Li, Na, Те, Mg, Ca.
ТАБЛИЦА 14
Zn
2 U 6 8
Мд,% (па массе)
Рис. 1.118
г. Коррозионная стойкость. Обусловлена
образованием защитного слоя. Незначи-
Незначительное содержание Bi и Си понижает кор-
коррозионную стойкость. Железные сплавы
можно освинцовывать вгорячую. Хранение
кислот в свинцовых сосудах.
д. Твердость. Свинец — самый мягкий и
самый пластичный металл; становится за-
заметно тверже благодаря малым добавкам
Ag, As, Sb, Ca, Na или Li.
е. Прочность, длительная прочность и
предел ползучести. Повышаются в случае
дисперсного упрочнения. Для этого в свин-
свинцовую матрицу вводят мелкодисперсные
частицы нерастворимых в свинце элемен-
элементов или соединений, что затрудняет движе-
движение дислокаций — возрастает сопротивле-
сопротивление деформации.
Возможности дисперсного упрочнения:
а) добавки в свинцовый расплав, напри-
например Ni, Cu, A1; распыление расплава; про-
производство порошков;, порошок прессуется
в полупродукт;
б) окисел свинца или другого металла
вводят в свинцовый расплав, получение
порошков и далее изготовление изделий
методами порошковой металлургии.
Примеры [46] — табл. 14.
Сплавы свинец—олово. Диаграмма со-
состояния [14]—рис. 1.119. Простая эвтек-
эвтектическая система A83 °С, 61,9 % Sn и
38,1 % РЬ). <х-твердь(й раствор на основе
свинца растворяет при эвтектической тем-
температуре 13 % Sn. С понижением темпера-
температуры растворимость уменьшается. В Р-твер-
дом растворе на основе олова раствори-
растворимость РЬ уменьшается с уменьшением
температуры (от 2,5 % Р при 183°С до
О % при комнатной температуре). ¦ .
Применение •— как мягкий припой. В не-
некоторых случаях добавляют от ~0,5 до
3,5 % Sbr
Сплавы свинец—медь. Диаграмма со-
состояния [14]—рис. 1.120. Двухфазная
область (S!+S2) при 954 °С в интервале
концентраций 36—87 % РЬ: расслоение и
ликвация по удельному весу. Эвтектика с
Присадка,
% (объемн.)
Без присадки
30№
ЗОСи
30W
18Со
12Си+0,07О2
0,7502
Способ производства
Литье
Введение в рас-
расплав, затем —
литье
То же
»
»
Порошковая ме-
металлургия
Порошковая ме-
металлургия, прессо-
прессование при 20ЧС —
Прессование при
200 °С
V
МПа
1,36
3,62
2,85
3,13
3,49
4,43
5,4
4,0
6. %
_
5-15
5-15
5-15
5-15
—
5
12
* % по массе.
РЬ 20 ЬО 60 вО 100
$,п,%(па массе)
Рис. 1.119
т;с
1000
800
600
МО
200
1083°С
-VCu"
J6
63.
Ca*Sz
326°C
Cu+Pb
W°C
S,*SZ
\
Cu 20 1,0 60 80
Pb, % (по массе)
W0
Рис. 1.120
0,06 % Cu на свинцовой стороне имеет тех-
техническое значение.
Сплавы свинец —цинк. Диаграмма со-
состояния [14]—рис. 1.121. В жидком со-
состоянии свинец растворяет цинк (S2), a
цинк растворяет свинец (Si). Раствори-
53
мость обоих металлов увеличивается с
увеличением температуры. При 798 "С су-
существует полная растворимость. Кривая
ABC описывает расслоение двух распла-
расплавов.
т;с
800
600
U00
200
I
щь
318°С
s,*
Zn*
Zm
s
55 798'C
~~ B *"
Sz Bс/гоя)
418°C
^S2f2C/7O/7)
¦ РЬBс/?оя) |
n
0,5
Zn 20 60 60 80 100
РЪ,%(по массе)
Рис. 1.121
Сплавы свинец — кальций. Диаграмма
состояния со стороны свинца [111]—рис.
1.122. Свинец может упрочняться при вве-
350
ЗЦ4"С
300
250
ZOO
1.ЧП
s
- cc+S
ы /
1 1
—7
/
oc*J3
p
Рис. 1.122
Pb 0,04 0,08 ОД
Са,% {по массе)
дении щелочных и щёлочноземельных ме-
металлов (образование. фаз, дисперсионное
твердение).
Важнейший сплав — баббит на свинцо-
свинцовой основе. Применяется сплав для под-
подшипников -( — 0,5% Na; ~0,2 % А1;
~0,7% Са; ~0,10 % Mg, остальное Pb).
Сплав содержит фазу РЬ3Са, которая рас-
распределена в более мягкой основной массе
богатого свинцом о-твердого раствора.
При нагреве до 75 СС образование выделе-
выделений увеличивается. Используется в подшип-
подшипниках подвижного состава.
Сплавы . свинец — сурьма (гартблей).
Диаграмма состояния — простая эвтекти-
эвтектическая система (88,9% Pb, 11,1% Sb,
252 СС) ¦—рис. 1.123. а-твердый раствор
(богатый свинцом) содержит 3,5 % Sb при
эвтектической температуре. Богатый сурь-
сурьмой Р-твердый раствор растворяет ~5 %
Pb при эвтектической температуре. Зависи-
Зависимость растворимости от температуры точно>
неизвестна (штриховая линия на рис. 1.123).
Важнейшие сплавы: 0,5—13 % Sb, ос-
остальное свинец (гартблей) [14].
т;с
600
500
щ
згтс
300
200
100
S+ol
t4L 1 У
s
^^
'
S+fi
i
52 L
630°C
1
.'
O??Z1 L_
Pb 20,
Рис. 1.123
ЬО . 60
Sb,% (па массе)
80 100
Вследствие снижения растворимости в*-
а-твердом растворе с уменьшением темпе-
температуры сплава Pb — Sb дисперсионно твер-
твердеют. Максимальная растворимость 3 % Sb.
В технических сплавах Pb—Sb растут:
прочность, твердость, длительная прочность,,
усталостная прочность, эффект старения (в
последнем случае полезны добавки мышья-
мышьяка).
Понижается критическая скорость ох-
охлаждения (увеличивается эффект старе-
старения, которое происходит уже сразу после
отливки или экструзии).
Сплавы свинец — сурьма—олово; под-
подшипниковые или баббиты; типографский'¦: t
сплав. Диаграмма состояния [14]—рис'
1.124. Тройная эвтектика в системе
РЬ — Sn — Sb имеет состав 12 % РЬ; 4 %
Sn и 84% Sb; температура плавления
239 СС. Сложный ход кристаллизации, обу-
обусловленный наличием эвтектических си-
систем Pb —i Sb и Pb — Sn; кроме того, в си-
системе Sb — Sn имеются инконгруэнтно пла-
плавящееся соединение и перитектика. Поэто-
Поэтому на диаграмме состояния представлены'
только такие структурные элементы, кото-
которые существуют после медленного охлаж-
охлаждения.
ТАБЛИЦА
Обозначение
а-фаза
[5-фаза
6-фаза
РЬ-фаза
Et
Е*
Ь
d
15
Состав
Sn, растворяющее
до 10 % Sb
SbSn с 47 % Sn
Sb, растворяющая
до 10 % Sn
Pb, растворяющий
до 19,5 % Sn
61,9 % Sn;
38,1 % Pb
87 % Pb; 13 % Sn
10 % Sn; 10 % Sb;
80 % Pb
53,5 % Sn; 4 % Sb;
42,5 % Pb
'пл- °c
246-232
425
630-600
327-28№
183
247
242"
184
54
Окончание затвердевания:
мегкду Е2и b
в b
между bud
в d
метду d и Ej
50
Sb
Рис. 1.124
10 20
30 40 50 60 Е/70
Sn,%(по массе)
80 SO
100
Sn
Пояснения к диаграмме состояния —
табл. 15.
Свойства технических сплавов РЬ — Sb—
Sn растут:
— прочность — при легировании свинца
добавками Sb и Sn;
— литейные свойства — при добавке Sn
растет жидкотекучесть;
— дисперсность (мелкозернистость) струк-
структуры— влияние Sn, Sb совместно с Си и
№.
Понижаются:
— ликвация по удельному весу — благо-
благодаря добавкам Sn, Sb и Си; необходимо
быстрое охлаждение, чтобы уменьшить лик-
вационную неоднородность;
— жидкотекучесть — в случае примесей
цинка, так как образуется окисный слой.
Алюминий
а. Структура — г. ц. к. решетка.
б. Проводимость. Составляет —60 %
проводимости меди. Уменьшается при на-
наличии примесей, особенно Fe, Mn, Ti, Сг и
V (рис. 1.125). В состаренном состоянии
0,2 0,4
Содержание, % (по массе)
Рис. 1.125
влияние более слабое, когда примеси вы-
выходят из твердого раствора с образовани-
образованием фаз. Этого, в частности, можно достиг-
достигнуть прн добавках В, когда такие примеси,
как Ti, Сг, V, дают нерастворимые борнды.
в. Деформируемость. Скольжение с об-
образованием фрагментированной структуры;
не наблюдается двойннкования.
г. Коррозионная стойкость. Хорошая, так
как возникает нерастворимая в воде плот-
плотная и прочно сцепляющаяся с основой за-
защитная окисная пленка. Толщина этой
пленки может увеличиваться в результате
анодного окисления.
Алюминий — наиболее широко применяе-
применяемый легкий металл (плотность 2700 кгХ
Хм-3).
Различают деформируемые и литейные
алюминиевые сплавы., В свою очередь они
подразделяются на нестареющие и диспер-
дисперсионно твердеющие.
Сплавы алюминий—кремний. Диаграмма
состояния [14] —рис. 1.126. Простая эв-
эвтектическая система с 11,7% Si E77 СС).
Алюминий растворяет в твердом состоянии
т;с
1W0
1300
1200
1100
1000
300
800
700
600
500
400
660'C
I I-
7
Li', 7
Г-
/
s
/
57
/
/
7°C
i
f
/
S+fi
141
we
I
.4.
I
|
'I
>\
~\
1
|
О 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100
S\,%(по массе)
Рис. 1.126
55
незначительные количества кремния, при-
причем растворимость кремния в а-твердом
растворе падает с понижением температуры.
Свойства технических сплавов Al — Si
растут: прочность, когда наряду с Si вво-
вводятся модифицирующие добавки Na; близ-
близкий эффект может, быть достигнут, если
применить высокие скорости охлаждения;
способность к дисперсионному твердению
возможна в бинарных сплавах А1 — Si, ио
особенно при дополнительных добавках Mg;
литейные. свойства; износостойкость; свари-
свариваемость — газовая сварка; жаропроч-
жаропрочность — особенно при дополнительных до-
добавках Ni.
Уменьшения склонности к образованию
фазы AUFe особенно эффективно можно
достичь при добавках Мп; при этом про-
происходит образование благоприятно сфор-
сформированной фазы А1бМп, растворяющей Fe.
Сплавы алюминий — медь. Диаграмма
состояния [14] —рис. 1.127. А1 и А12Си
20 J0 40
Си,%(по массе)
Рис. 1.127
образуют эвтектику при 33 % Си и темпе-
температуре 548 "С. Растворимость А1 уменьша-
уменьшается с повышением температуры. Наряду с
доэвтектическими и эвтектическими сплава-
сплавами применяются заэвтектические сплавы для
поршней.
При увеличении содержания Си увеличи-
увеличиваются прочность A % Си дает повыше-
повышение на 140-^-210 МПа); склонность к дис-
дисперсионному твердению; твердость; дли-
длительная . прочность; измельчается зерно
(прежде всего в сложнолегированных спла-
сплавах).
Сплавы алюминий — магний. Диаграмма
состояния [14]-—рис. 1.128. В технических
сплавах содержится до 10 % Mg. Алюми-
Алюминий образует с AlsMg2 эвтектику при 34,5 %
Mg и температуре 451 °С. Растворимость
Mg в А1 велика A5,35%). она уменьша-
уменьшается с уменьшением температуры. Исполь-
Используются как деформируемые и как литейные
сплавы.
Свойства технических сплавов Al — Mg
растут: твердость — благодаря образова-
образованию твердого раствора (даже в нестарею-
56
щих сплавах); прочность; коррозионная!
стойкость, прежде всего в морской воде и;
в щелочных растворах; склонность к дис-
660°С
600
500
Ш
300
200
100
А1
Рис. 1.128
¦
ОС
/
/
/1
ч
-S+t
15.35
a+fi
•
S
T~
?
Jl
10 a 20 JO
Mg,%" (no массе)
персионному твердению (благодаря при-
присадкам Mg и Si). Понижаются: сваривае-
свариваемость; деформируемость; стойкость против»
коррозии под напряжением —¦ при непра-
неправильной термической обработке формиру-
формируются выделения AlsMg2 по границам зерен
а-твердого раствора; борьба с этим явлени-
явлением — растворение пограничных выделений
фазы и образование структуры с равномер-
равномерным распределением частиц AlsMg2 в а-
твердом растворе.
Сплавы алюминий — олово. Диаграмма-
состояния [14]—рис. 1.129. Гомогенный.»
Т°С
660°С
600
500
W0
300
200
100
О
А1
—1 —
— —
л
л
- 1—
А1+5
229°С
AT+Sn
,
--
5
\
\
-
-о,ь\
1
20 ЬО 60 вО
Sn, % (no массе)
100
Рис. 1.129
расплав не очень устойчив — имеется тен-
тенденция к расслоению Затвердевание прт
229 "С. Остаток расплава: 99,5 % Si и 0,5 %
AI. В твердом состоянии компоненты не
растворяются; формируется гетерогенная
смесь А1 и Sn.
Сплавы, алюминий—марганец. Диаграмма-,
состояния [14]—рис. 1.130. Используемые
в технике сплавы содержат до 1,5 % Мп.
А1 и АЬМп образуют эвтектику при 1,95 %
и температуре 658 °С. А16Мп возникает в-
результате перитектической реакции при
710 СС из А14МП и остатков расплава. Рас-
Растворимость Мп в А1 уменьшается с умень-
уменьшением температуры.
т;с
.800
700
•660°С
600
500
s
/
1г
/ Г,в2
/
S + fi
S + Al6Mn
с
830°С
14Мп
7Г0°С
65в°С
П
с
5 10 15 20
Мп,% (по массе)
Рис. 1.130
С увеличением содержания марганца по-
тышаются прочность; деформационное уп-
упрочнение; коррозионная стойкость; темпе-
температура рекристаллизации; дисперсность
структуры — предотвращается образование
-игловидных кристаллов AUFe.
Сплавы алюминий — железо. Диаграмма
состояния [14]—рис. 1.131. В результате
т;с
1100
,1000
S00
600
700
.660°С
600
.500
•Рис. 1.131
/
/
J
/,.о
S
655 и
1
of+AijFe
1
Al3Fe -
10 20 30-
Fe,% (no массе)
40 1*5
леритектического превращения при-1160°С
¦образуется интерметаллическое соединение
.AUFe из расплава и А^Рег. Эвтектика — из
А1 и AbFe при 1,9 % Fe и температуре
.655°С.
При увеличении содержания Fe повыша-
;ются: удлинение — фаза Al3Fe определяет
•сохранение измельченного зерна после ре-
кристаллизациониого отжига; деформируе-
деформируемость в горячем состоянии (до ~ 1,3 % Fe;
.кроме того, желательно еще присутствие
-М и Си); хрупкость {уже при содержании
>0,5 % Fe в случае образования крупных
жгл фазы AbFe).
Алюминиевые многокомпонентные сплавы.
Ъ результате сложного легирования дости-
тается улучшение комплекса различных
•свойств сплава.
1. Нестареющие сплавы на основе • А1 —
-Mg. Повышаются: твердость сплавов
(твердых растворов типа А1 — Mg); дефор-
деформационное' упрочнение; прочность; коррози-
коррозионная стойкость — благодаря присадкам
Мп, а также Sb; свариваемость; темпера-
температура рекристаллизации — благодаря при-
присадкам Мп, поэтому уменьшается склон-
склонность к огрублению зерна при нагреве; для
горячей деформации допустим высокотем-
высокотемпературный нагрев, особенно в случае при-
присадки TL
В то же время уменьшается низкотемпе-
низкотемпературная прочность.
2. Стареющие сплавы А1—Mg — Si. По-
Повышаются: прочность — при достаточном
количестве Si; склонность к старению — из-
за образования Mg2Si, растворимость ко-
которого уменьшается в а-твердом растворе
при понижении температуры (искусствен-
(искусственное и естественное старение деформируе-
деформируемых сплавов); теплопроводность.
В то же время уменьшаются: вязкость—
благодаря добавкам Si; коррозионная стой-
стойкость— при наличии Си нужно ограничи-
ограничивать ее содержание —0,1 %.
3. Стареющие сплавы А1 — Си —Mg. По-
Повышается склонность к старению. Умень-
Уменьшается коррозионная стойкость в связи с
гетерогенностью структуры (можно умень-
уменьшить склонность к коррозии путем плаки-
плакирования чистым А1).
4.. Стареющие сплавы Al — Zn — Mg. По-
Повышаются: прочность в результате старе-
старения, особенно следует учитывать естест-
естественное старение после сварки; чувствитель-
чувствительность к растрескиванию под напряжением.
Уменьшаются: выделение фаз по границам
зерен — отсюда возможны хрупкость и
склонность к межкристаллитиой коррозии
(уменьшается при добавках стабилизато-
стабилизаторов, таких как Cr, Ti, V и Си); прессуе-
мость — при увеличении содержания Mg.
5. Дисперсноупрочненные материа-
5. Дисперсноупрочненные материалы.
Повышается прочность при добавках
окиси алюминия E—13 %; детали реактив-
реактивных двигателей).
Магний
а. Структура — гексагональная.
6. Деформация. Образование двойников;
критическая температура между хрупким и
вязким разрушением имеет очень резкий,
пороговый характер.
в. Коррозионная стойкость. Восприимчив
к коррозии, поэтому необходима защита
поверхности. Имеет повышенную склои-
иость к окислению (газовая коррозия), что
следует учитывать в технологии получения
полуфабрикатов.
. Сплавы магний — алюминий. Диаграмма
состояния [14]—рис. 1.132. 6-твердый ра-
раствор образует с ^-фаз°й (AUMg3) эвтек-
эвтектику при —32% А1 и температуре 436 °С.
т;с
6Ш
600
500
400
300
200
100
О
Щ 10
Рис. 1.132
S
6
1
\
ч5
s
/
—.
ц
<?+7
5
32-
¦т-
20 30
,%(по массе)
57
Растворимость А1 в Mg уменьшается при
уменьшении температуры. Технические спла-
сплавы содержат до 10 % АЯ- Скорость диф-
диффузии в этих сплавах мала, поэтому про-
происходит сильное отклонение от равновесно-
равновесного состояния. И при содержаниях <12 %
All в ряде сплавов наблюдается еще эвтек-
эвтектика 6+у.
Свойства технических сплавов Mg — А1.
Растут: твердость — из-за твердораствор-
иого упрочнения при низких содержаниях
А1, дополнительно твердость может повы-
повыситься при образовании ^-фазы; охрупчи-
вание (сопровождающее увеличение твер-
твердости) ; прочность — после гомогенизации
литейных сплавов, содержащих 6—11 %
А1; при <6 % А1 не требуется специальной
термической обработки; у деформируемых
сплавов хорошие свойства при содержани-
содержаниях от 9 до 11 % А1; измельчение зериа —
благодаря присадкам А1. Уменьшаются:
удлинение и сужение.
Сплавы магний — кремний. Диаграмма
состояния [14]—рис.1.133. Mg и MgSi
О 20 40 60 80 100
Si,% (помассе)
Рис. 1.133
образуют эвтектику при 1,4 % Si и темпе-
температуре 645 СС„ Mg2Si нерастворим в Mg.
Сплавы содержат до 1,5 % Si.
С увеличением содержания Si растет
жидкотекучесть; уменьшаются вязкость и
пластичность.
Сплавы магний — цинк. Диаграмма со-
состояния [14]—рис. 1.134. В упрощенном
изображении^отмечается существование эв-
эвтектики между Mg-твердым раствором и
MgZn при 53,5 % Zn и температуре 340 СС.
MgZn образуется в результате перитекти-
ческого превращения при 534 "С. Mg раст-
растворяет большие количества Zn в твердом
растворе, причем растворимость уменьша-
уменьшается с уменьшениием температуры. Фаза
MgZn при высоких содержаниях Zn появ-
появляется в виде отдельных кристаллов.
Двойные сплавы Mg — Zn почти не име-
имеют технического значения; более широко
применяются сплавы системы Mg — А1
(блок цилиндров двигателей).
С увеличением содержания Zn растут со-
сопротивление разрушению (до —3% Zn);
измельчение зерна; сплошность к старению.
58
V
of V
/в
1
1
"V
S<
of
J4G°C >
d
«•Mgi
4gZns
A?,,5
5+1
/
IgZn
21
Сплавы магний — марганец. Mg и Мп
образуют иитерметаллическое соединение
MgMn, которое образует с Mg эвтектику.
Мп растворяется в Mg-твердом растворе,
причем растворимость уменьшается с умень-
т;с
600
'500
ш
300
200
100
О
Щ 10 20 JO йО 50 60 70
1п,%(пс массе)
Рис. 1.134
шением температуры. Используемые в тех-
технике сплавы содержат до 2,3 % Мп.
С увеличением содержания Мп растут:
коррозионная стойкость (очевидно, в связи
с образованием Mg—Мп гидрооксидных за-
защитных пленок); свариваемость; способ-
способность к глубокой вытяжке; ударная вяз-
вязкость (для чего рафинируют сплав по Si и
Fe путем добавок Мп; изотермическая вы-
выдержка пересыщенного марганцем распла-
расплава)..
Сплавы магния с другими элементами.
Свойства растут:
1. Zr — деформируемость (при этом так-
также наблюдается и измельчение зерна; не-
нежелательно присутствие А1).
2. Се — жаропрочность и твердость в го-
горячем состоянии.
3. Th — жаропрочность.
4. Th и Ag — длительная прочность (AI
и Мп должны отсутствовать; <4 % Th).
5. Be — огрубление зерна, отсюда —
уменьшается прочность.
Следует отметить повышенную пожаро-
опасность магниевых сплавов, что необхо-
необходимо учитывать при их изготовлении.
Никель
а. Структура — г. ц. к. решетка.
6. Деформируемость — высокая. При хо-
холодной деформации происходит деформа-
деформационное упрочнение.
в. Коррозионная стойкость. Весьма высо-
высокая; дополнительно возрастает в присут-
присутствии хрома (образование защитной плен-
пленки Сг2Оз).
г. Окалиностойкость — высокая.
д. Охрупчивание, так как на границах
зерен образуется окись никеля.
Сплавы никеля. Свойства повышаются:
прочность — при добавках Сг; устойчивость
против окисления при нагреве (газовая
коррозия) — при добавках Сг, Al, Ti (сплав
для ракетных двигателей); склонность к
дисперсионному твердению — при добавках
Al, Ti (сплавы типа нимоник); коррозион-
коррозионная стойкость — при добавках Сг (образо-
ваше защитной пленки); горячеломкость
(красноломкость) — из-за наличия S, кото-
которая образует эвтектику с № при темпера-
температуре 625 "С. В твердом состоянии раство-
растворяется 500 млн-1 S; хрупкость из-за выде-
выделения NiO на границах зерен.
Уменьшаются: коррозионная стойкость—
при добавках Mo, Fe, Си; содержание СЬ
и S — при добавках Mg, Ce, Mn, Ti и Si;
•образование тугоплавких оксидов или
•сульфидов.
Олово
а. Структура. Две модификации: а и р.
Фаза а, — решетка алмаза (кубическая);
•серое олово (склонное к оловянной чуме),
устойчиво ниже 13,2 °С. Фаза Р— тетраго-
тетрагональная решетка; белое олово устойчиво
выше! 3,2 °С.
Для р—кх-перехода требуется переох-
переохлаждение;- поэтому превращение происхо-
происходит практически только при достаточном
понижении температуры (—50 °С для чи-
чистого олова). Добавки Pb, Bi, Sb затруд-
затрудняют это превращение или подавляют его
полностью E % РЬ и 0,5 Sb).
б. Коррозионная стойкость. Слой Sn ис-
используют как защитный в условиях кор-
коррозии. Олово не ядовито, применяется в
пищевой промышленности (белая жесть),
как материал для пайки (белый припой),
¦бронзы.
Благородные металлы (Ag, Au, Pt, Pd,
№ Ir, Ru, Os)
а. Проводимость. Особенно хорошая у
Ag; хорошая воспроизводимость значений
электросопротивления у PL
б. Деформируемость. Хорошая у Аи,
Ag, меньшая у Pt и далее Pd, Rh, Ir, Ru,
Os (в порядке уменьшения).
в. Коррозионная стойкость. У всех ме-
металлов превосходная.
г. Твердость. Высокая у Rh, Ir.
д. Другие свойства.
1. Серебро и его сплавы. Склонность к
старению при наличии Си. Система с огра-
ограниченной растворимостью, эвтектика при
21,8 % Си и температуре 779 °С.
Свойства серебряного припоя: высокие
прочность и деформируемость паяных со-
соединений; хорошие тепло- и электропровод-
электропроводность; для достижения всех этих свойств
припоя требуются добавки Си, Zn n.Cd.
Дисперсное упрочнение серебра — введе-
введение частиц CdO в Ag — обеспечивает вы-
высокую проводимость и прочность (контакт-
(контактные материалы).
Склонность к образованию грубозерни-
грубозернистой структуры — присадки ~0,1 % Ni
уменьшают склонность к росту зерна и поз-
позволяют получить мелкозернистое серебро.
2. Золото и сплавы золота. Технические
¦сплавы трехкомпонентной системы Аи —
Ag — Си приведены на рис. 1.135. Крас-
Красноватые, богатые Си сплавы тверже, чем
желтые, т. е. богатые Аи.
3. Платиновые металлы. Прочные, твер-
твердые, не изменяющие форму (при добав-
добавках В, Р, As, образующих с Pt интерметал-
лические фазы).
Жаропрочные (при добавках Ir, Rh или
Аи к Pt).
Постоянство т. э. д. с.
Титан и титановые сплавы. Повышаются
свойства: прочность (при добавках Al, Sn,
V, Сг, Мо, Со; сплавы применяются в ра-
ракетостроении); длительная прочность (ле-
(легирование теми же добавками); коррози-
Аи
Ю
Аи Си .
Аи2Сиз
8карат_
C3% hu)
20.
of.
IB карат 80,
G5% Аи)
/4 карат 60,
E8,5% Аи;
20 40 60 80 100
Си, % (помассе) Си
Рис. 1.135
онная стойкость; склонность к охрупчива-
нию (из-за склонности Ti к насыщению О,
N, Н; газы растворяются по способу виед-
реиия; сварку следует проводить при от-
отсутствии воздуха — дуговая сварка воль-
вольфрамовым электродом в атмосфере инерт-
инертного газа, например, аргона).
Уменьшается интеркристаллитная корро-
коррозия (при добавке Ti в легированные аусте-
нитиые стали).
Цирконий и его сплавы. Эти металлы
имеют высокую коррозионную стойкость
(выше, чем у Ti); геттерный эффект (бла-
(благодаря большому сродству к О и N); ох-
рупчивание из-за образования растворов
внедрения с О, Н, N); низкое сечение за-
захвата для нейтронов (используется в ядер-
ядерных реакторах).
1.7.4. Многокомпонентные
системы
Диаграмма состояния для более чем двух
компонентов (рис. 1.136). Перпендикуляр-
Рис. 1.136
но к плоскости концентраций откладывает-
откладывается температура. Диаграмма состояния пред-
представляет собой объемную модель. Фазы в
многокомпонентной системе находятся в
равновесии.
Геометрическое изображение. Три сторо-
59
ны соответствуют трем бинарным систе-
системам; это соответственно: А—В, А—С, В—С.
Точки в углах треугольника — чистые ком-
компоненты А, В, С. Процентные доли яка,
Ь, с.
Концентрации для точки Р определяют с
помощью трех прямых (этот пример спра-
справедлив только для тройной системы): Са+
+ Св+Сс= 100%.
Пространственная диаграмма — рис. 1.137.
Рис. 1.137. Три бинарные системы: Еь —
эвтектическая точка бинарной системы;
Е^ — эвтектическая точка тройной систе-
системы; иа сторонах треугольника — равно-
равновесные бинарные диаграммы чистых ком-
компонентов; S — расплав
ны в перспективе; стрелками показано-
уменьшение температуры.
Сравнение бинарных и тройных систем —
табл. 16.,
ТАБЛИЦА 16
Двухкомпоиентная
система
1. Фазовая об-
1. Фазовая область или поле
(расплав, твердый
раствор)
2. Фазовая об-
2. Фазовая область или поле
(S+A; А+В; Si+
S)
Эвтектическая пря-
прямая
Эвтектическая точ-
точка (S+A+B)
Кривая ликви-
ликвидуса — солидуса
Линия границы
между фазами
Трехкомпонентиая
сие тема
1. Фазовое простран-
пространство (расплав, твер-
твердый раствор)
2. Фазовое простран-
пространство (S+Л; А+В;
6,+S2)
3. Фазовое простран-
пространство (S+A+B; A+
+В+С)
Эвтектическая пло-
плоскость
Эвтектическая кри-
кривая (S-+A+B)
Эвтектическая точка
(S-+A+B+C)
Поверхности ликви-
ликвидуса и солидуса
Межфазная поверх-
поверхность
Изотермические разрезы тройной систе-
системы — разрезы, параллельные плоскости
концентраций. С их помощью можно оп-
определить фазы, находящиеся в равновесии
(концентрация и число), применив правило
рычага. Можно проследить процесс кри-
кристаллизации.
Вертикальные разрезы — концентрацион-
концентрационные сечеиия, параллельные оси температур
в пространственной системе. Можно про-
проследить изменение фазового состояния в за-
зависимости от изменения температуры, а так-
также влияние процессов нагрева или охлаж-
охлаждения.
Пример тройкой системы [63] — рис.
1.138. Поверхности ликвидуса представле-
Рис. 1.138
1.8. ПЕРЕХОДЫ В ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ
Твердое состояние характеризуется силь-
сильным обменным взаимодействием между
ионами, атомами (или молекулами). Доля,
потенциальной энергии превышает долю
кинетической. При увеличении температу-
температуры доля кинетической энергии увеличива-
увеличивается; именно за счет вклада кинетической
энергии увеличивается полная энергия при
нагреве твердого тела: Ды—ДЛ.
При фазовых (или структурных) перехо-
переходах в твердом состоянии отмечается малое
изменение объема. С понижением темпера-
температуры наблюдается возрастание объема же-
железа (~3!%); алюминия (—7%).
В то же время уменьшается объем вис-
висмута, иидия (в связи с изменением харак-
характера связи).
Энергия решетки:
а) мера сил межчастичного (межатом-
(межатомного) взаимодействия в кристаллической
решетке;
б) энергия, которую необходимо сооб-
сообщить одному молю вещества, чтобы при
абсолютном нуле частицы, составляющие
решетку кристалла, удалить на бесконечно-
большие расстояния друг от друга."
С увеличением энергии решетки увеличи-
увеличивается энергия, которую необходимо сооб-
сообщить твердому телу при нагреве, чтобы пе-
перевести его в жидкое состояние [рис.
1.139, зависимость H=f(T) для чистого-
кристаллического вещества].
Внесенная извне теплота плавления (пре-
(превращения) затрачивается не на повышение
60
температуры, а на увеличение внутренней
энергии. Это тепло выделяется при затвер-
затвердевании в виде теплоты затвердевания.
Твердое кристал-
кристаллическое .. ,
состояние
Расплав
1
н
IF
i
Рис. 1.139
1 — твердая фаза; 11 — жидкость; /// — газооб-
газообразное состояние; IV — теплота испарения илн
теплота конденсации; V — теплота плавления —
затвердевания или теплота кристаллизации
1.8.1. Переход
жидкость — твердое тело
(кристаллическое состояние)
1.8.1.1. Общие закономерности
Затвердевание, или кристаллизация. Про-
Процесс начинается с образования зародышей
(см. теорию), на которые из жидкой (илн
газообразной) фазы затем «осаждаются»
атомы, ионы или молекулы. Процесс за-
затвердевания, или кристаллизации, можно
подразделить на две части: а) зародыше-
образование и б) рост кристалла'.
Структура расплава вблизи точки за-
затвердевания мало отличается от структуры
твердого тела. В связи с высокой интенсив-
интенсивностью теплового движения происходят
постоянное образование и распад областей
с упорядоченным (как в решетке твердого
кристаллического тела) расположением ча-
частиц. Из-за большего, чем в твердом теле,
расстояния между частицами в жидкости,
которая уже не имеет однородной структу-
структуры, образуется динамически упорядоченное
состояние. На рис. 1.140 — схема процесса
затвердевания сплава с неограниченной ра-
растворимостью на стадии зародышеобразо-
вания. ,
Ход затвердевания на стадии роста за-
зародышей (рис 1.141): зародыши вначале
растут свободно в расплаве и образуют
деидритовидные скелеты кристаллов (см.
рис. 1.141, а, б, в); далее происходит за-
заполнение скелета, относительно свободное
увеличение размеров кристаллов до. их
взаимного соприкосновения и, наконец,
сочленение кристаллов (рис. 1.141, г, д, е).
При затвердевании в большинстве случаев
1 Принципиально зародышеобразование
можно отнести к механизму кристаллиза-
Рис. 1.140
ции, а рост кристалла — к кинетике
цесса кристаллизации. Прим. ред.
про-
в е
Рнс. 1.141. Схема затвердевания
образуются поликристаллы. Только при
соблюдении особых условий затвердевания
можно получить монокристалл твердого.
тела.
Образование зародышей. Различают:
а) гомогенное зародышеобразоваиие;
б) гетерогенное зародышеобразование;
в) зародышеобразование в особых услови-
условиях.
Теория образования зародышей. Зароды-
Зародыши— центры, от которых начинается про-
процесс превращения. Если в результате роста
новых образований (зародышей) меняется
вся структура, то это означает, что произо-
произошло полное" превращение исходного состоя-
состояния в конечное (см. рис. 1.142,а—г).
Если конечная стадия превращения в
данных термодинамических условиях до-
достигается раньше (см. рис. 1.142,6), то в
исходной структуре образуется новая фаза.
1. Гомогенное зародышеобразование. При
температуре плавления находятся в равно-
равновесии твердая и жидкая фаза (свободные
энергии расплава и твердого тела имеют
одинаковое значение при температуре плав-
плавления) .
Способные к росту зародыши возникают,
когда при переохлаждении AT достигают
термодинамически равновесной для твер-
твердого тела температуры Т: АТ=Т8—Т.
61
Рис. 1.142. Схема протекания процессов
превращения и выделения
Температурная зависимость свободной
энергии G=f(T) для жидкого и твердого
кристаллического состояния приведена на
рис. 1.143.
разующих структуру конечной (новой) фа-
фазы, обладающей более низкой энергией.
Возникший зародыш отделен от матрицы
поверхностью раздела; удельная поверх-
поверхностная (или граничная) энергия такая же,
как и у крупных частиц. Зародыши имеют
полиэдрическую форму. Для простоты ее
принимают за сферу радиусом г. Зароды-
шеобразование (или исчезновение зароды-
зародышей) описывается кривой на рис. 1.144.
AG=f(T) в состоянии перехода
жидкость —— тбердая фаза
Рис. 1.143
Зародышеобразование в исходной гомо-
гомогенной жидкой фазе является функцией
ДО. Величину АО можно рассматривать
как сумму: AGv — характеризующего
уменьшение энергии за счет образования
единичного объема новой фазы (объемная
энергия) и &GG — характеризующего уве-
увеличение энергии системы за счет образова-
лия новых граничных поверхностей (поверх-
(поверхностная энергия):
AG =—/Юу~+/№а .
—AGv=D/3)nr3AHB- Выигрыш (умень-
(уменьшение) общей энергии превращения, так
как при переходе в твердое состояние умень-
уменьшается AU.
+AGg=43V*y. Энергия, связанная с об-
образованием новых поверхностей вокруг за-
зародышей, определяет рост AU.
Суммарное влияние этих вкладов, дей-
действующих в противоположных направле-
направлениях, на общее изменение энергии показа-
показано на рис. 1.144.
Нв — отнесенная к единице объема внут-
внутренняя энергия образования твердой фа.зы
(выраженная через теплосодержание); у —
¦поверхностная энергия новых границ (по-
(поверхностей) при образовании фазы.
Зародыш — малая частица данного ма-
материала, которая является стабильной фа-
фазой или подобна ей и образуется вследст-
вследствие теплового движения в исходной фазе
благодаря случайным встречам частиц, об-
Рис. 1.144
Когда AG=f(r) достигает максимума
AG*=/(/¦*), где г' — критический радиус
зародыша, то наступает состояние равно-
равновесия, т. е. зародыш может с равной ве-
вероятностью или исчезнуть, или продолжать
расти.
При /¦>/"* уменьшается ДО и образуется
стабильный, способный к дальнейшему ро-
росту зародыш, при /¦</"* увеличивается AG
и зародыш исчезает (растворяется).
Связь между критическим радиусом за-
зародыша и температурой переохлаждения
ДГ:
г* = 2у/АНв -+АНВ = Hg Т-1 (Та - Т) =
= Hs 771
= АН — ATS;
AS =
= / (Т);
rTs
т. е. при температуре плавления не могут
существовать стабильные зародыши.
2. Гетерогенное зародышеобразование.
Для зародышеобразования зачастую нет
необходимости в значительном переохлаж-
переохлаждении (AT); достаточно неоднородиостей
структуры исходной фазы — дефектов ре-
решетки, чужеродных фаз, готовых поверх-
поверхностей подложек, которые понижают энер-
энергию, необходимую для образования заро-
зародыша. Каталитически действующие по-
поверхности раздела способствуют механиз-
механизму гетерогенного зародышеобразования,
поэтому кристаллизация происходит уже
при незначительном переохлаждении.
Действие чужеродной фазы или лю-
любой другой подложки усиливается в
случае малой поверхностной энергии при
образовании данного зародыша, в случае
малого значения граничной (т. е. тоже по-
поверхностной) энергии между собственно
зародышем и подложкой (когерентное,
эпитаксиальное зарождение).
3. Атермическое зародышеобразование.
Рост зародышей характеризуется движени-
62
ем способных к скольжению границ, напри-
например при мартенситном превращении (спон-
(спонтанное, практически не зависящее от вре-
времени зародышеобразование). Процесс об-
образования зародышей в данном случае
обусловлен связанным, кооперативным
движением целых атомных рядов и плос-
плоскостей, что и определяет ход процесса пре-
превращения, в основе которого лежит заро-
зародышеобразование с помощью сдвига.
4. Величины, влияющие на механизм за-
родышеобразования: свободная энергия;
поверхностная энергия; упругая энергия;
уровень энергии на подложке — катализа-
катализаторе, способствующей зародышеобразова-
нию; диффузионная подвижность участву-
участвующих атомов.
Эти величины связаны непосредственно:
1) с составом матрицы (исходной фазы) и
зародыша (конечной фазы); 2) со структу-
структурой матрицы и зародыша; 3) с различием
в удельных объемах исходной и конечной
фаз; 4) с видом и числом дефектов в ре-
решетке исходной фазы; 5) с наличием ме-
тастабильных фаз (стадийный переход
13)
)
а. Зародышеобразование на граничных
поверхностях (поверхностях раздела).
Происходит при следующих условиях:
AGv=0—-равновесие; ¦—AGv — при пере-
переохлаждении; AGV — функция структуры и
состава участвующих фаз; -у — функция
состава и строения граничной поверхности
между зародышем и матрицей.
Пренебрегая разницей в объемах, разли-
различают три случая (см. 1.5.3) зародышеоб-
разования:
— когерентное — решетки исходной и
новой (конечной) фазы в значительной ме-
мере совпадают, поверхностная энергия иа
граничных поверхностях пренебрежимо
мала;
-г частично когерентное — имеется не-
некоторое различие параметров однотипных
решеток, присутствуют дислокации, умень-
уменьшающие упругие напряжения за счет ак-
аккомодации решеток. Поверхностная энер-
энергия выше, чем в случае 1;
— некогерентное — большое различие
параметров решеток, наличие зерногранич-
вых дислокаций, образование изотропной
поверхности (переходной решетки); высо-
высокая поверхностная энергия границ, умень-
уменьшение упругой энергии.
При AGv=const легче всего реализуется
когерентное зародышеобразование, затем
частично когерентное и труднее всего неко-
некогерентное; промежуточные случаи почти не
встречаются.
При затвердевании расплава реализуется,
как правило, некогерентное зародышеобра-
зародышеобразование; при превращении в твердом со-
состоянии обычно реализуется определенная
степень когерентности; в процессе, роста
частиц в твердом анизотропном окружении
уменьшается когерентность, существовав-
существовавшая на начальных стадиях превращения.
Однако связь ориентировок между матри-
матрицей и новой фазой будет сохраняться по
мере развития превращения.
Граничные случаи могут быть определе-
определены по форме частиц [5] (см. рис. 1.145):
когерентные — относительно правильной
геометрической формы четко ограниченные
частицы новой фазы с плоскими поверхно-
поверхностями; некогерентные — неправильной фор-
формы, с тенденцией к скруглению граничных
поверхностей.
N N \|
Ногерептные
Некогерентные
Рис. 1.145
б. Зародышеобразование на границах^
Границы между однородными или различ-
различными фазами способствуют образованию
зародышей в тем большей степени, чем вы-
выше их энергия.
Энергия границ: зерен — от 500 до
1000 эрг-см-2; двойников — от 50 до-
100 эрг-см~2; малоугловых границ субзе-
субзерен— от близкой к 0 до 100 эрг-см-2.
Влияние границ зерен:
— влияние на зародышеобразование уве-
увеличивается по мере увеличения поверхно-
поверхностной энергии, что в конечном счете ведет
к образованию некогерентного зародыша;,
— когерентные границы (с низкой энер-
энергией) могут в ряде случаев оказывать и.
сдерживающее влияние на образование за-
зародышей;
— в случае, если граница (приграничный
объем) имеет измененный состав, наблю-
наблюдается весьма активное влияние таких
границ зерен на увеличение интенсивности
процесса зародышеобразования (частично
когерентные образования) (см. 1.10.3).
в. Зародышеобразование при наличии
дислокаций. Происходит путем сдвига (см.
1.11), обычно связано с наличием дефектов
упаковки расщепленных дислокаций. Де-
Дефекты упаковки являются подготовленным
местом для образования зародышей новой
фазы.
Поле напряжений вокруг дислокации мо-
может несколько снижать энергетический
барьер при зародышеобразовании. Возник-
Возникновение- атмосфер атомов примесей вокруг
дислокаций также благоприятствует обра-
образованию выделений.
г. Зародышеобразование при наличии ва-
вакансий. В случае превращений и выделе-
выделений, контролируемых диффузией, всегда
облегчается.
д. Зародышеобразование в условиях пре-
прерывистых выделений. Образование преры-
прерывистых выделений обусловлено автоката-
автокаталитическим характером процесса формиро-
формирования зародышей, которое происходит при
следующих условиях: скорость зародыше-
зародышеобразования велика только на границах
зерен; скорость зародышеобразования ве-
велика на дислокациях; фронт реакции —
граница зерна или области с высокой
плотностью дислокаций или с высокой
плотностью вакансий. Это определяет уско-
ускоренное движение фронта зародышеобразо-
ваиия; уменьшается вероятность гомогенно-
гомогенного зародышеобразования или однородного
образования зародышей (за счет вакансий)
в матрице.
е. Влияние метастабильных фаз на заро-
дышеобразование. Метастабильная фаза
большей частью образуется на начальной
стадии процесса выделений частиц. Она
имеет низкую поверхностную энергию на
границе с исходной фазой, когерентное или
частично когерентное сопряжение гранич-
граничных поверхностей.
Стабильная фаза образуется при пере-
переходе метастабильной фазы в стабильную —
превращение одной фазы в другую в твер-
твердом соединении; стабильная фаза возникает
в результате нового зародышеобразова-
зародышеобразования — растворение (исчезновение) мета-
метастабильной фазы.
5. Общие замечания [5,13]. На рис. 1.146
показано изменение свободной энергии в
процессе зародышеобразования в зависи-
\ \ \\\
Рис. 1.146
мости от г при различных механизмах об-
образования зародышей (на этом рисунке:
л — гомогенное зародышеобразование при
когерентном сопряжении фазы и матрицы;
,б — гетерогенное на дефектах упаковки;
,в — гетерогенное на дислокациях; г — гете-
гетерогенное на скоплениях вакансий; д — го-
гомогенное при некогерентном сопряжении).
Число центров KbZ (иначе число обра-
образующихся зародышей или частота зароды-
зародышеобразования). KbZ — число зародышей
фазы (п), которое образуется в расплаве
(в матрице) (см-з-мин-1) в единицу вре-
времени [t) в единице объема. KeZ—dn/dt.
Рис. 1.147
'-V-
иом
I11-KBZ
Z при гомогеи-
зародышеобразовании;
~ при гетерогенном
зародышеобразованин
С увеличением AT возрастает Kb
Скорость роста (ук) — прирост длины
кристалла в определенном направлении в
единицу времени: vK-dvldt.
Зависимость vk от Д7* представлена на
рис. 1.147.
Введение затравки в распЛавы — про-
процесс внесения чужеродных зародышей для
получения мелкого зерна.
Монокристалл. Получается из расплавов,
в которых существует только один зародыш.
1.8.1.2. Формы кристаллов
Равновесная форма. Кристалл в его окон-
окончательной форме всегда представляет со-
собой полиэдр, ограниченный плоскостями с
наименьшей упругой' энергией (с наимень-
наименьшей аккомодационной деформацией при
встрече с другими кристаллами или с мат-
матрицей). Граничные поверхности обладают
наиболее плотной упаковкой, а кристалл
при данном объеме обладает минимальной
поверхностной энергией.
Формы роста. В реальных условиях ско-
скорость перемещения (наращивания) атом-
атомных рядов, которая определяет рост крис-
кристалла, будет пропорциональна удельной по-
поверхностной энергии. Из-за наличия раз-
различных препятствий (помех) прежде, всего
будут образовываться такие кристаллы, для
формирования которых нужна минималь-
минимальная поверхностная энергия.
Искаженные формы роста — усы (см.
1.8.3) и дендриты. Совершенство деидрит-
ных структур затвердевания зависит от
размеров и формы образующегося кристал-
кристалла, его строения и условий образования.
Характерные особенности процесса за-
затвердевания, определяющие образование
дендритов: а) дендрит возникает только в
переохлажденном расплаве; б) направле-
направление роста кристаллографически строго
ориентировано; в) дендриты закономерно
разветвляются через равные расстояния
вдоль главной оси. С увеличением степени
упорядочения в расплаве (в матрице) раз-
ретвление уменьшается; в малых остаточ-
остаточных объемах расплава образуется четкий
дендритный скелет.
Возможные виды кристаллизации — см.
1.8.1.4.
Технические сплавы железа почти всегда
имеют дендритный характер затвердевания.
1.8.1.3. Ликвация в литой
структуре
Ликвация относится к категории явле-
явлений расслоения, приводящих к колебаниям
состава, возникающим в результате затвер-
затвердевания в макро- или микрообластях; лик-
ликвация ирямо связана с негомогенностью
стоуктуры.
Классификация:
1. Ликвация в пределах кристалла (зер-
(зерна), или дендритная ликвация (в микро-
микрообъемах) .
2. Ликвация в слитке, или зональная лик-
ликвация (в макрообъемах), которая подраз-
подразделяется на;
64
а) ликвацию, связанную с направлением
теплового потока (с направленным тепло-
отводом); может быть обычной (нормаль-
(нормальной) и обратной;
б) ликвацию, связанную с действием си-
силового поля; может быть гравитационный
(по весу) и возникающей при центрифуги-
центрифугировании.
Для зональной ¦макроликвации возможна
еще следующая классификация:
1. Общая, которая может быть положи-
положительной ликвацией в слитке или отливке
(прямой) и отрицательной (обратной).
2. Местная (кайма по кромке затверде-
затвердевания; V-образная ликвация; ликвациоиные
шнуры; обратная V-образная ликвация, или
теневые полосы; пятнистая ликвация; ликва-
ликвация, связанная с газовыми пузырями).
Зависимость V t — закон квадратного
корня. Затвердевание технических сплавов
железа (затвердевание от наружной по-
поверхности внутрь) в слитке описывается
законом квадратного корня при упрощен-
упрощенных граничных условиях затвердевания:
d = /(? I^t, где d — толщина затвердеваю-
затвердевающего слоя; t — время; Ке — постоянная за-
затвердевания.
I. Предпосылки для выполнения этого
закона (по Шварцу) [96]:
1а) поверхность соприкосновения —
плоскость;
16) на границе соприкосновения расплав
— твердое тело нет скачка температуры;
2а) протяженность массы жидкой стали
в направлении +Х бесконечна;
26) протяженность стенки формы в на-
направлении —X также бесконечна;
2в) протяженность по остальным направ-
направлениям для жидкой стали и для стенки
формы не рассматривается;
За) внутри массы жидкой стали в мо-
момент времени t=0 температура равна 7V,
36) внутри стенок формы в момент вре-
времени <=0 температура (Tw) везде одина-
одинаковая;
Зв) внутри массы жидкой стали или
между жидкой сталью и стенкой формы ие
выделяется скрытая теплота за счет каких-
либо реакций, кроме теплоты затверде-
затвердевания;
4) не происходит нарушений температур-
температурных полей за счет конвекционных потоков;
5) термические константы веществ не за-
зависят от температуры (т. е. рассматрива-
рассматриваются как бы изотермические условия); учи-
учитывается только их различие для жидкой
и затвердевшей части слитка и для стенок
формы.
II. Ограничения:
а) начало затвердевания не следует пол-
полностью приведенному выше уравнению;
6) применяемые на практике формы мо-
могут иметь такие значения поперечного се-
сечения, что это также может привести к
отклонениям от изложенных выше требо-
требований.
III. Применение закона для определения
общего времени затвердевания не имеет
ограничений.
Дендритная ликвация (первичная) или
микроликвация (ликвация в пределах крис-
кристаллита, зерна). Следствие того, что в лю-
любой момент затвердевания устанавливает-
устанавливается только частичное равновесие (рис.
1.148) [6]. При технических скоростях за-
Рис. 1.148
твердевания не хватает времени для диф-
диффузионного выравнивания концентраций.
Изменение концентраций характеризует
линия АС. Кристаллы, выпадающие первы-
первыми, имеют какую-то концентрацию С\. При
уменьшении температуры все кристаллы
должны были бы сохранять неизменный и
одинаковый при данной температуре со-
состав, что описывалось бы линией АВ. Из-за
недостаточного выравнивания концентраций
в связи с нехваткой времени при техни-
технических скоростях охлаждения для полного
диффузионного перераспределения состав
первично выпадающих частиц изменяется
по линии АС. Кристаллы, выпадающие по-
последними, в конце процесса затвердевают,
имеют состав, определяемый не точкой В
для равновесного состава, а точкой Е.
Все промежуточные концентрации лежат
на линии AD. В момент окончания затвер-
затвердевания промежуточная кривая AD долж-
должна пересечь перпендикуляр, определяющий
исходный состав распада с\. При этом тем-
температура Т лежит ниже равновесной. За-
Затвердевший образец имеет также не со-
состав В, а переменный (от С до Е) состав.
Первично затвердевшие частицы бедны, на-
например углеродом (точка С), затвердева-
затвердевающие позднее — богаче (точка Е).
Такое модельное описание справедливо
для условий, когда существует только
один кристалл. В технике имеют место бо-
более сложные ситуации (см. макроликва-
макроликвация).
Ликвация усиливается при:
а) увеличении скорости охлаждения
(особенно дендритная ликвация);
б) уменьшении скорости диффузии.
Ликвация уменьшается (в редких случа-
случаях дендритная устраняется) в результате
гомогенизационного или диффузионного
отжига. Количественная оценка ликвации в
кристалле осуществляется с помощью ко-
коэффициента ЛИКВаЦИИ (/(ликв). Сщах И Cmln
обозначают максимальную и минимальную
концентрации химического элемента соот-
соответственно в данном объеме, размеры кото-
которого имеют порядок одного отрезка денд-
дендрита. Тогда коэффициент ликвации ^Гликв=
= ^'max/t'iniib
На рис. 1.149 [5] приведена номограмма
5—140
65
750
800
850
900
1000
1100
1200
1300
-
'. ю7-
10е-
' 10s-
¦ к
' fo2-
- 10-
-
.гог
~ 1и М
- '" 1Яи
- Ifttt"™
Ликвация
марганца '_
Z
-
:
:
таблица п
0,01
O.OIS
о,ого
одзо
OfiW
Сталь
750
BOO
V 850
Ш soo
%юоо
1200
1300
750
800
850
S00
1000
1100
1200 ¦
1300 -
107-
10е
10s-
№*-
103
10* \
10
бп
-.Зм
'¦to "я1
5 /'
h 10"
10s]
10*
103
UFA
у- 3"
:'»2
'-№,
/-- 1'
Ликвация
фосфора
Ликвация
углерода '_
0,01 §
0.020 §
0,030'%,
0,01H. ^
0.060 У
Длительность
отжига
Директриса
Ликвация, отнесенная
к исходному составу
Рис. 1.149
для определения параметров гомогениза-
циоиного отжига для уменьшения (устра-
(устранения) дендритной ликвации в кристалле.
Коэффициенты ликвации некоторых эле-
элементов приведены в табл. 17.
На величину ликвации (/(ликв) в крис-
кристалле влияет сочетание количеств леги-
легирующих добавок: /СЛикв= 1,6-5-2,8 при 1,5,%
Сг и 1 % С; /Слию,= 1,3+2,0 при 0,4.% Сг и
0,2% С.
Зональная ликвация, или макроликвация.
Макроликвация имеет место, когда средний
химический состав в какой-либо макроско-
макроскопической области литой структуры (протя-
(протяженностью несколько миллиметров) откло-
отклоняется от среднего состава исходного рас-
расплава. Количественно характеризуется ко-
коэффициентом -макроликвации /(м.лшш (ко-
(коэффициент распределения). /См.ликв=
= (С,—Со)/Со, где Cs — концентрация ле-
легирующих (или примесных) элементов в
ликвационной макрообласти после затвер-
затвердевания (определенной протяженностью по
сечению); Со — концентрация легирующих
(или примесных) элементов в исходном
расплаве.
При С„>Со — ликвация в слитке прямая,
или положительная, при С,<Со — обрат-
обратная, или отрицательная.
Виды макроликвации:
1. Прямая, или положительная, ликвация
слитка. Обогащение низкоплавкими примес-
примесными элементами головной части или сере-
середины стальных слитков (рис. 1.150). При
Мп-Мо@,5%Мо)
Cr-Ni-Mo@,27%Mo;
0,24% Q
Cr-Ni-Mo@,27%Mo;
0,24% С)
Сг-Мо@,67%Мо;
0,13% С)
МоA,14%Мо; 0,35% С)
Сг-Мо-А1@,18%Мо;
0,42% С)
Сг@,5%Сг)
Cr-Ni-Mo@,65%Cr;
0,24% С)
Сг-М-Мо @,65% Сг;
0,24% С)
Cr-Ni-Mo(~l,3%Cr)
Cr-Ni-W(~l,5%Cr;
0,2% С)
Cr-Si(~3,l%Cr;
0,2% С)
Cr(~l%Cr;0,4%Q
Cr-AJ-Mo(~l,5%Cr;
0,4% С)
Cr(~l%C; 1,5% Сг)
Ni(l,48%Ni)
Cr-Ni-MoB,5%Ni;
0,24% С)
Cr-Ni-MoB,5%Ni;
0,24% С)
Cr-Ni-Mo(~3,l%Ni)
Cr-Ni-Mo D% Ni; 0,2% Q
Cr-Ni-Mo(~l,8%Ni;
0,4% C)
1 КГ
100т
50 кг
2,6т
2,9т
2,9т
1 кг
100 т
50 кг
5,6т
2,9т
2,6т
3,6т
2,9т
2,5т
1 кг
100 т
50 кг
5,6т
2,9т
**
Мо
.Мо
Мо
Мо
Мо
Мо
О
Сг
Сг
Сг
Сг
Сг
Сг
Сг
Сг
Ni
Ni
Ni
Ni
Ni
Ni
6,8
7
2,3
2,0
6,05
8,65
4,0
2,0
1,6
1,45-1,62
1,45
1,36
1,90
1,88
2-15
1,0
1.3
1,3
1,3-1,46
1,15
1,14-1.34
* CM~ наибольшая концентрация в остающемся
перед концом затвердевания объеме; Ст —наимень-
—наименьшая концентрация по оси дендрита. •¦ Не приведено.
Поперечное сечение
Рис. 1.150
спокойном затвердевании (без внешних
воздействий, перемешивания и т. д.) /См.лш»
растет с увеличением содержания углерода,
а также массы и высоты слитка (см.
табл. 17). Ликвация в слитке спокойной
стали — рис. 1.151.
В слитках, выплавленных в вакууме, по-
положительная ликвация также наблюдается
в верхних слоях слитка.
66
Рис. 1.151. Слиток спокойной /
стали и процентное отклонение
от плавочиого состава (по Обер-
гофферу [6J) 7
Зона с Р ' S
1
S
4
5
6
7
—14
—11
—6
+1
—14
—6
--7
+11
--16
--28
--36
—27
+9
--23
--32
--46
--S5
--68
S- ¦
В слитке кипящей стали вся центральная
часть — область скопления пузырей — яв-
является областью ликвации. Степень ликва-
ликвации в кипящей стали выше, чем в спокой-
спокойной (см. рис. 1.152, 1.153).
Рис. 1.152. Слиток кипящей ста-
стали и процентное отклонение от
плавочиого состава (по Обер-
гофферу [6])
Зона С Р S
1
2
3
4
S
6
7
—45
+50
+70
--130
+205
+315
+375
--600
Поперечное сечение
Рис. 1.153
Затвердевание происходит от периферии
ж центру. Обогащенный металлический рас-
расплав разъединяется от фронта кристалли-
кристаллизации; различия в диффузионной подвиж-
подвижности приводят к различиям в концентра-
щии, благодаря чему содержание углерода
в центре слитка увеличивается.
2. Отрицательная, или обратная, ликва-
щия в слитке — уменьшение концентрации
легирующего элемента в придонном кону-
конусе (см. рис. 1.152) или уменьшение кон-
концентрации от периферии слитка к центру.
3. Ликвация по весу — разделение смесей
двух фаз (жидкость — жидкость или жид-
жидкость— твердое тело) в вертикальном на-
направлении под действием силы тяжести
(или радиально под действием центробеж-
центробежкой силы), когда имеется различие в плот-
5*
ностях компонентов. Встречается в систе-
системах типа Си—Pb; Pb—Zn (и других) с
резким различием в удельном весе компо-
компонентов: в системах с различающейся плот-
плотностью первичных кристаллов и остатков
расплава (Pb—Sb, баббиты, заэвтектоид-
ные сплавы Fe—С).
Способы устранения: быстрая отливка;
добавка определенных легирующих элемен-
элементов (например, в сплавах Pb—Sb^5 % Си).
4. Кайма по кромке затвердевания пред-
представляет собой местную отрицательную
ликвацию.
5. V-образная ликвация — имеет место в
центральной зоне верхней части крупных
слитков, а также при непрерывной разлив-
разливке; подавляется при использовании особых
способов плавки.
6. Ликвациониые шнуры — формы прояв-
проявления V-образной ликвации в условиях не-
непрерывной разливки; меняющаяся последо-
последовательность положительной и отрицатель-
отрицательной ликвации.
7. Теневые полосы, или обратная V-об-
V-образная ликвация, — жгутовидная местная
ликвация; зоны, имеющие круглое попереч-
поперечное сечение диаметром порядка сантимет-
сантиметров и длиной несколько метров.
8. Пятнистая ликвация — «вырожденные»
теневые полосы или области со скоплени-
скоплением включений.
9. Ликвация, связанная с газовыми пу-
пузырями. Газовые пузыри попадают в сли-
слиток (отливку) во время процесса затверде-
затвердевания; является местной положительной
ликвацией.
Причины макроликвации
1. Приток остатков расплава к поверх-
поверхности раздела фаз. Уменьшение объема
(усадка) при затвердевании.
2. Потоки жидкости (расплава) в слит-
слитке, причиной которых являются градиенты,
температур и концентраций.
3. Влияние силы тяжести в случае фаз;
с различной плотностью.
Способы предотвращения макроликвации.
Технологические приемы, позволяющие уп-
управлять процессом затвердевания, в част-
частности реализующие «прерывистое затверде-
затвердевание?. В этих случаях обратная макролик-
макроликвация является функцией размера слитка,
его формы, концентрации примесных и ле-
легирующих элементов и протекания собст-
собственно процесса затвердевания. Другая воз-
возможность — переплавка.
1.8.1.4. Трехзонная литая
структура
Начальная стадия затвердевания — за-
родышеобразование, в результате которо-
которого происходит переход в твердое состоя-
состояние.
Две возможности получения либо мел-
мелко-, либо крупнокристаллитной литой
структуры изображены на рис. 1.154 и
1.155. KbZ и Vk не являются константами,
они меняются как функция от АТ—Т,—Т.
Трехзонная литая структура (рис. 1.156).
На этом рисунке: / — мелкокристалличе-
мелкокристаллическая периферийная зона. KbZ имеет макси-
67
Рис. 1.154. Образова-
Образование мелкого зериа
Рис. 1.155. Образова-
Образование крупного зерна
Рис. 1.156
мальное значение; // — зона столбчатой
кристаллизации, или транскристаллитная
зона. В точке плавления ДГ=0; /CBZ=O;
VK=0; III — зона крупнокристаллическая.
Переохлаждение до уровня, когда KbZ име-
имеет умеренное значение.
Характер образующейся литой структуры
зависит от состава сплава; чистоты исход-
исходных металлов; условий выплавки, разлив-
разливки (литья) и охлаждения; температуры
разливки (литья); характера и вида формы
[песчаная, металлическая, а также её раз-
размеров, толщины стенок, поперечного сече-
сечения, температуры (рис. 1.157, 1.158)].
Рис. 1.158
Ранее применявшаяся форма слитков
приведена на рис. 1.157 [14] (/ — мелко-
мелкокристаллическая периферийная зона; // —
зона транскристаллизации; /// -— крупно-
крупнокристаллическая зона).
Ныне применяемая форма слитков на
рис. 1.158 [96] (На — колонновидные столб-
столбчатые кристаллы; 116 — дендритные 'столб-
'столбчатые кристаллы).
Описание зон:
I. Мелкокристаллическая или мелко ден-
дендритная периферийная зона (по кромке).
Возникает из-за быстрого охлаждения рас-
расплава у стенок формы. Мелкозернис-
Мелкозернистость — функция KbZ.
II. Зона транскристаллизации, или зо-
зона направленных колонновидных столбча-
столбчатых кристаллов, заканчивающаяся направ-
направленными дендритными столбчатыми крис-
кристаллами и, наконец, разветвленными столб-
столбчатыми кристаллами с уменьшающейся
преимущественностью направления (кон-
(контактно-дендритная зона).
III. Крупнокристаллическая зона, или
зона глобулярных дендритов. Формирова-
Формирование этой зоны происходит благодаря тому,
что включения и примеси в технических
металлах обогащают центральную часть
слитка (отливки). Это определяет повы-
повышенные значения KbZ и нерегулируемую
кристаллизацию в условиях незначительно-
незначительного теплоотвода.
Текстура в литых металлах. Направлен-
Направленное расположение кристаллов в зоне
транскристаллизации. Большие оси столб-
столбчатых кристаллов совпадают с направлени-
направлением [100] в металлах с г. ц. к. решеткой или
с направлением [0001] в металлах с гекса-
гексагональной решеткой.
Перегрев или «передержка» расплава.
Длительная выдержка при температуре
~>TS или сильное превышение Тв ведет к
разрушению зародышей.
1.8.2. Переход
в стеклообразное состояние
Кристаллизация не происходит, когда не
достигаются даже минимальные значения
KbZ и vk из-за очень быстрого охлажде-
охлаждения. В случае металлов образуются тон-
тонкие аморфные слои. У силикатных и высо-
высокополимерных веществ существует состоя-
состояние переохлажденного расплава. Материал
имеет свойства твердого тела, но с аморф-
аморфной структурой.
Расстеклование. Происходит, когда стек-
стеклообразное вещество преднамеренно пере-
переводят в кристаллическое состояние (на-
(например, при умеренном нагреве).
1.8.3. Переход газовая
фаза — твердая
(кристаллическая) фаза
Зародышеобразование. Существует гомо-
гомогенное и гетерогенное зародышеобразова-
зародышеобразование. Кристаллизация происходит тогда,
68
когда имеется пересыщенный и/или пере-
переохлажденный пар. Возникают деидриты.
Усы. Кристаллы в виде нитей, которые
могут получаться из пара, раствора и твер-
твердой фазы. Высокая прочность в направле-
направлении длинной оси нитевидного кристалла
обусловлена тем, что в кристалле имеется
лишь одна винтовая дислокация роста
(рис. 1.159).
s
9
ТО
11
\ /-?
V
о
//
7
—
10
6
т
ш
¦¦¦II -
-\
у
У
/
/
л
;
E)
(в)
G)
Рис. 1.159. Рост нитевидного кристалла,
содержащего одну винтовую дислокацию
роста [13]
Порядок размеров усов: длина 10 мм,
толщина 10 мкм. Они представляют инте-
интерес из-за их исключительно высокой проч-
прочности, являясь практически бездислокаци-
бездислокационными.
Эпитаксия. Закономерное сращивание-
различных кристаллов или закономерное
наращивание нового1 кристалла на подлож-
подложку, имеющую изоморфное (или псевдоморф-
ное) строение с растущим кристаллом.
Эпитаксия имеет место тогда, когда плос-
плоскость подложки захватывает, например, из
пара (газовой фазы) кристаллизующиеся
на ней атомы при сохранении соответству-
ющегося структурного упорядочения-.
Растущий кристалл («гость») ориентиру-
ориентируется по отношению к решетке подложки
таким образом, что в обеих кристалличе-
кристаллических решетках межатомное расстояние оди-
одинаково или очень близко. Решетка расту-
растущей пленки («гостевого» кристалла) при
этом может иметь упругие искажения, так
как на самом деле решетки подложки и
растущего кристалла могут быть и не столь
близки. Работа зародышеобразования по-
понижается из-за стимулирующего влияния
подложки, что способствует образованию
эпитаксиальных фаз. Имеет значение для
получения пленок (например, полупровод-
полупроводникового производства).
Хемоэпитаксия. Имеет место, когда меж-
между подложкой и внешней средой появляет-
появляется пленка выросшего продукта реакции
(например, при коррозии).
1.9. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
Процессы превращения в твердом состоя-
состоянии имеют большое теоретическое и при-
прикладное значение, так как благодаря изме-
изменению структуры в результате этих превра-
превращений можно существенным образом
влиять на свойства материала.
Механизм превращений (на атомном
уровне) определяется перестройкой реше-
решеток фаз в результате изменения местополо-
местоположений атомов (например, в результате
сдвига или диффузии).
Различают [28]: непрерывное превраще-
превращение (рис. 1.160 и 1.162) и дискретное (пре-
(прерывистое) превращение (рис. 1.161 и
1.163).
Ход
концентрации:
Структура:
оис.1.160
Pucliet
Расстояние
Рис.1Ж
Рис. 1.160. Непрерывное превращение. Структура
Рис. 1.161. Дискретное превращение. Структура
Рис. 1.162. Непрерывное превращение. Изменение
концентрации
Ход
концентрации--
If
I
Рис. 1.163. Дискретное
превращение. Изменение
концентрации
Расстояние
Кроме того, известно еще деление иа
[5,13]:
1) превращения 1-го рода (имеется скры-
скрытая теплота превращения; дискретное из-
изменение энтропии; например, превращения
с изменением структуры и/или концентра-
концентрации);
2) превращения 2-го рода (удельная теп-
теплоемкость во время превращения проходит
через максимум; непрерывное изменение
энтропии; например, магнитное превраще-
превращение).
Еще одна возможная классификация
[5,13]:
69
а) гомогенное превращение; встречается
при небольших изменениях энергии в боль-
больших объемах; отсутствует зародышеобразо-
вание; например химические реакции;
б) гетерогенное превращение; небольшие
изменения энергии системы, приводящие к
сильному изменению свойств; фазовый пере-
переход начинается в определенном месте ре-
ТАБЛ И ЦА 18
шетки — зародыше. Контролируется меха-
механизмом образования зародыша и кинетикой
роста этого зародыша новой фазы.
Классификация превращений, основанная
на характере процесса роста [5] —см.
табл. 18. Превращения в сплавах, исполь-
используемых в технике [28], — табл. 19.
Фазы выделения. Образование фаз выде-
Гетерогенное
превращение
±
Гомогенное превращение,
спинодальное расслоение,
процессы упорядочения
Атермнческий рост
(границы, способные
к скольжению)
Термически
активированный
рост
, Рост, управляемый
теплопереносом,
плавление, затвердевание
Когерентные
поверхности
границ
±
Полу когерентные
поверхности
границ
I Ближний перенос I Дальний перенос —
1
Когерент-
Когерентный
мартенсит
¦ 1
Механическое
образование
двойников
1
1 Мартенсит
<
Малоугловые
границы
зерен
1
Полиморфные
превращения,
рост из газовой
фазы, массив-
массивные превраще-
превращения
1
Рекристал-
Рекристаллизация,
рост зерен
1
Процессы
упорядо-
упорядочения и
распада
Непрерывные
превращения
JL
Управляемый
граничными
поверхностями
Рост кристалла
из паровой фазы
Выделение,
растворение
Управляемый
диффузией
1 Прерывистые
1 превращения
|
1
Эвтектоидные
реакции
1
Прерывистые
выделения
Выделение,
растворение
ТАБЛИЦА 19
Тип превращения
Превращения, контролируемые
диффузией; гомргеиные превра-
превращения
Непрерывные превращения:
в общем случае
когерентное
бейнитное
Дискретные превращения:
ячеистое
перлитное
Бездиффузионные превраще-
превращения:
мартенситное
магнитное
Характерные особенности
Термически активируемые; образование сверхструктуры
без образования зародышей и роста
Диффузия — по нормали к границе фазы
Кристаллографически произвольно. Некогерентное, ча-
частично когерентное образование зон, расслоение, форми-
формирование сверхструктурных фаз, частично когерентное,
мартенситная кристаллография
Диффузия — поперек фазовой границы
Дискретное превращение се-метастабильной фазы в (а+
+Р)-стабильную смесь
Дискретное превращение и-метастабильной фазы в (?-}-
+Y) -стабильную смесь
Атермические
Происходит в результате закалки или деформации
Сопровождается возникновением искажений
70
ления происходит в результате превраще-
превращения с изменением концентраций и струк-
структуры. Образуется фаза р из твердого рас-
раствора а или происходит эвтектоидный рас-
распад а-твердого раствора на две новые
фазы рис Оба процесса контролируются
диффузией. Выделения в стали (металлах)
представляют собой вторичные фазы, ко-
которые образуются при переходе за преде-
пределы растворимости и не являются модифи-
модификацией железа (модификацией матрицы).
В процессе формирования фаз выделения
реализуются оба типа превращений: непре-
непрерывный и дискретный.
Образование фаз выделения происходит
при:
1) медленном охлаждении в системе с
ограниченной растворимостью в твердом
состоянии, когда переходят за границу рас-
растворимости атомов В в а-твердом рас-
растворе;
2) быстром охлаждении (закалке) пере-
пересыщенного твердого раствора (атомов ти-
типа В растворено в а-твердом растворе боль-
больше, чем это соответствует равновесию при
данной температуре) с последующим ста-
старением (отпуск) после закалки.
. Различают: непрерывные выделения (рис
1.164) и дискретные выделения (рис.
1.165).
Рис. 1.164. Непрерывные выделения v-фазы в ста-
стали XlOCrNiTiW 36.15 G мм=1 мкм) [5]
Рис. 1.165. Дискретное выделение в
сплаве Си — 3 % Ti [13J
В первом случае — относительно медлен-
медленный рост отдельных 0-кристаллов благода-
благодаря диффузии В-атомов в решетке. Струк-
Структура матрицы сохраняется, но концентра-
концентрация изменяется непрерывно. Различие в
свободных энергиях (AG) между двумя
фазами велико. Пересыщение метастабиль-
ного твердого раствора незначительно.
Во втором случае — новые фазы воз-
возникают из матричной фазы, когда образо-
образование зародышей в твердом растворе про-
происходит не индивидуально, т. е. движение
фронта роста идет быстрее, чем при инди-
индивидуальном образовании зародышей. Пре-
Прерывистые выделения из пересыщенного
твердого раствора происходят только, если
скорость образования зародышей при не-
непрерывном превращении мала.
Изменение свойств:
а) зависит от вида, величины числа, фор-
формы распределения частиц фаз выделения;
б) возможно увеличение прочности при
выделении, например специальных карби-
карбидов и/или нитридов;
в) возможно ухудшение свойств (напри-
(например, обеднение хромом из-за выделения
карбидов по границам зерен в нержавею-
нержавеющих сталях, что приведет к межкрнстал-
литной коррозии);
г) увеличение твердости при формирова-
формировании фаз выделений (дисперсионное тверде-
твердение).
Предпосылкой для образования фаз вы-
выделений является состояние пересыщения
твердого раствора.
Управление процессом выделения фаз
можно осуществлять, изменяя количество
и распределение дефектов решетки в твер-
твердом растворе (вакансии, дислокации, мало*
и болыпеугловые границы), а также изме-
изменяя состояние пересыщения и дефектности
матрицы (температура и скорость охлаж-
охлаждения при закалке). ;
Дисперсионно твердеющие сплавы — см.
табл. 20.
Термодинамические основы. Движущей
силой при фазовом превращении в твер-
твердом состоянии является разница свободны^
энергий фаз (AGv)-
^Дополнительный вклад вносит энергия
упругих искажений AGe, возникающих
вследствие различий в удельных объемах
матрицы и фазы с иной кристаллической
структурой. Если изменение свободной
энергии системы AG ранее записывалось,
как: AG=—AGv+AGg, где AGv — разни-
разница в свободных энергиях фаз; AGG— при-
прирост поверхностной энергии в системе, то с
учетом разницы в удельных объемах фаз.
свободная энергия является суммой: AG=
AGAGAG
Величины AGg и AGe зависят от струк-
структуры сплава, содержащего фазы выде-
выделения.
Скорость зародышеобразования является
функцией AT; проходит через максимум»
Температура
увтвеснагв превращения
Спорость —
зародышеобразования
Рис. 1.166
78
ТА
Сталь
БЛИЦА
Ni | Сг
20
Мо |
Содержание,
Al| Т.
Со
% (по массе)
|мп
Si|P|
С
1-1
прочие
Фазы
выделения
Мартенситные Fe—Сг—Ni
4
6
3,5
12
17
15
14
5
—
2
3
—
—
0,3
0,75
0,4
—
15,5
—
—
—
—
—
—
0,05
0,03
0,03
0,02
—
4 Си;
0,3Nb
—
—
¦
5
6
7
7
17
15
0
2,5
1,2
1,2
—
—
Полуаустенитные Fe—Сг—Ni
—
—
—
—
—
—
—
—
0,05
0,05
—
—
—
—
7
8
9
12
20
20
20
20
20
1
1
-
3
2
Аустенитные
—
2
2
2
2
—
0,2
Fe—Сг—
0,4
0,06
0,06
0,1
•Ni
0,1 Zr;
0,08В
JUZr
20
18
—
5
0,2
1,5
0,4
V
8
—
__
—
__
—
0,02
0,02
0,4 Nb
—
Мартенситные Fe—Ni
10
11
Полуаустенитные Fe—Ni
12 I 25 I — | — j0,2j 1,5*1 — | —| —I —|o,O2J —I 0,4Nb
Мартенситные сплавы Fe—Сг
13 — 14,5 5 — — 13,5 0,15 — 0,5V
Си
Соединения Ti
Х-фазы и фазы Лавеса
(требует уточнения)
Упорядоченное состоя-
состояние в решетке о. ц. к.
(Ni3Al)
P-NiAl; NisAl
MsQ; Cr2N
Ni3C; 0-фаза;
TiB2; TiC; M23C6
Ni3Ti; а-фаза;
TiC; M23C6; A1N
Ni3Ti
Ni3Ti; NijMo; Fe2(Ni, Co)
Ni3Ti; фазы Лавеса
Фаза Лавеса Fe2Mo;
Х-фаза
С ростом AT необходимая для реализации
процесса зародышеобразования энергия
уменьшается; однако следует учитывать
кинетический фактор: медленно протекаю-
протекающая диффузия затрудняет зародышеобра-
зование (рис. 1.166).
1.9.1. Превращение
с изменением
кристаллической структуры
Образование мартенсита в железе. Поли-
Полиморфное превращение в чистом железе
нельзя подавить. Образование мартенсита
происходит благодаря бездиффузионному
переходу (сдвиговая перестройка Y-решет-
ки в а-решетку; в связи с пересыщением
последней углеродом мартенситная а-ре-
шетка становится тетрагональной).
Образование мартенсита в кобальте. При
450 °С происходит превращение г. ц. к. ре-
решетки в гексагональную. Обе фазы состоят
из атомных слоев одинакового строения,
которые по-разному уложены в исходной и
конечной фазах. Удельные объемы прибли-
приблизительно равны.
1.9.2. Превращение
с изменением концентрации
Фазы с изменением концентрации и
структуры образуются в пересыщенных
твердых растворах; возникают расслоения,
метастабильные фазы и т. п.
Зоны. Зоны соответствуют состояниям с
ближним порядком и имеют определенное
значение для упрочнения металлических
веществ в результате старения. Использу-
Используются главным образом для улучшения
свойств сплавов цветных металлов. Зоны
Гинье—Престона в сплавах А1— Си — рис.
1.167.
Зоны Гинье—Престона I. При комнатной
температуре образуются пластинчатые зо-
зоны, обогащенные атомами Си. Незначи-
72
тельные искажения решетки, возникающие
только из-за различия в размерах атомов
Си и А1. Зоны I 'состоят из немногих атом-
атомных слоев.
[ООП
-[010]
Рис. 1.167. Зона Гинье — Престона в спла-
сплаве А1—Си
Зоны Гинье—Престона II образуются при
100—200 °С в результате перестройки
зон I. Большая протяженность и более со-
совершенный порядок в расположении ато-
атомов Си и А1, чем в зонах I. Обозначаются
так же, как 6"-фазы. При температурах
>200°С происходит образование б'-фазы
(метастабильной).
1.9.3. Превращение
с изменением концентрации
и структуры
Такими превращениями называют выде-
выделения фазы р из твердого раствора (а->
-»-а+Р), а также эвтектоидный распад
твердого раствора на две новые фазы (а->
~*"P+Y)- Различают непрерывный и дис-
дискретный характер превращения (эвтектоид-
ное превращение всегда дискретное).
Образование перлита. Образование пер-
перлита (рис. 1.168)—пример эвтектоидного
Аустенит:
7-твердый раствор
Феррит:
а-твердый раствор
•
Цементит
( Fe3C)
Перлит
сдвиговой)-»-а-твердый раствор растворя-
растворяет незначительное количество углерода-»-
->-углерод выходит из решетки-юбразова-
ние цементита.
Расстояние между пластинами в струк-
структуре перлита зависит от диффузионной
подвижности углерода в Y-таердом раство-
растворе.
С уменьшением температуры диффузион-
диффузионная подвижность и расстояние между пла
стинами уменьшается.
1.9.4. Упорядочение
Статистическое распределение атомов в
решетке твердого раствора есть функция тем-
температуры. Переход от статистического к,
упорядоченному распределению связан с
изменениями свойств (например, электро-
электропроводности, модуля Е, магнитной воспри-
восприимчивости, постоянной Холла и т. д.).
Результатом упорядочения является
стремление к поддержанию состояния элек-
электронов постоянно на среднем энергетичес-
энергетическом уровне.
Состояние упорядочения (см. 1.2). Раз-
Различают: А. Ближний порядок — статисти-
статистическое распределение атомов при умень-
уменьшении температуры сменяется местным
обогащением одинаковыми атомами или
порядком, в котором атомы одного ком-
компонента закономерно окружены атома-
атомами другого компонента в пределах первой
координационной сферы. Процесс реа-
реализуется в субмикроскопических областях.
Образование зон относят к ближнему упо-
упорядочению или к однофазному расслоению.
Б. Дальний порядок — во всей решетке
(в пределах многих координационных сфер)
устанавливается упорядоченное распределе-
распределение атомов обоих компонентов. Сила взаи-
взаимодействия между разнородными атомами
больше, чем между одинаковыми атомамл
(например, образование сверхструктурных
фаз).
Степень упорядочения s. Характеризует '
состояние упорядочения в решетке. Вели-
Аустенит
@,8 % С)
Направление
роста.
Рис. 1.168. Схема структурообразования перлита
распада: местное обогащение углеродом-»-
-мэбразование зародышей' цементита-»-
-¦-обеднение углеродом окружающей мат-
рицы-»-образование феррита (процесс
чина р — доля всех позиций типа А в ре-
решетке, которые заняты атомами А, г —
число всех позиций в полностью упорядб-
ченном твердом растворе.
Нужно различать:
а) стехиометрическое отношение коли-
количеств атомов=1 : 1, при котором s=2p—1.
В упорядоченном состоянии: р=1, s=l.
В разупорядоченном состоянии р=7г; s=0;
б) стехиометрическое отношение коли-
количеств атомов=^1:1, при котором s=(P—
)l(
Упорядочение относят к превращениям
как 1-го, так и 2-го рода (см. 1.9).
Превращение 1-го рода: при образовании
упорядочения по типу (СизАи) в ходе пре-
превращения скачком меняется внутренняя
энергия; таким образом — дискретное из-
изменение s при критической температуре.
Превращение 2-го рода: при образова-
образовании сверхструктур по типу CsCl не выделя-
выделяется скрытая теплота превращения.
1.9.5. Превращения
в молекулярных структурах
Ближнее упорядочение. При повышенных
температурах возможно превращение мак-
макромолекул в кристаллитах при изменении
координационного числа.
Дальнее упорядочение. Связано со сдви-
сдвигом макромолекул или с переплавлением
кристаллитов и дальнейшей новой кристал-
кристаллизацией.
1.9.6. Превращения в сталях
при нагреве и охлаждении
1.9.6.1. Диаграмма время —
температура превращений (ВТП)
переохлажденного аустенита
В противоположность диаграмме состоя-
состояния, характеризующей условия равновесия
при бесконечно медленном охлаждении,
диаграмма время — температура превраще-
превращений отражает ход превращений при реаль-
«ом изменении температур. Поэтому:
1. Диаграмма ВТП составляет основу для
разработки технологических процессов тер-
термической обработки.
2. Из диаграммы ВТП можно получить
сведения об образовании той или иной
¦структуры в зависимости от условий ох-
охлаждения (скорости охлаждения), интер-
интервала начала и^конца превращения.
3. Каждая диаграмма ВТП справедлива
только для стали определенного состава;
поэтому невозможно безусловное примене-
применение данной диаграммы для других сталей.
4. На положение линий превращений на
.диаграмме оказывают влияние следующие
важнейшие факторы:
а) линии начала превращения сдвигают-
сдвигаются в область большего времени (вправо)
при увеличении размера зерна, увеличении
температуры аустенитизации, удлинении
времени выдержки при температуре аусте-
читизации;
б) линии начала превращения смещаются
© сторону меньшего времени (влево) при
наличии включений, которые являются
центрами, облегчающими зародышеобразо-
вание (в частности, оставшиеся нераство-
реннымик арбиды, особенно в микролеги-
рованых сильными карбидообразующими
элементами сталях);
в> линия Ms сдвигается с увеличением
содержания углерода к низким температу-
температурам;
г) если содержание легирующего эле-
мента_ в стали сильно отличается от того,
для которого построена диаграмма, то из-
изменится положение структурных полей на
диаграмме.
Кроме того, влияют также условия рас-
раскисления; условия плавки и разливки; раз-
различие в составе периферийной и централь-
центральной зоны; условия деформации.
5., Диаграммы ВТП' строят либо в изо-
изотермическом варианте, либо при непрерыв-
непрерывном охлаждении; соответственно различа-
различают диаграмму изотермического превраще-
превращения аустенита и термокинетические диа-
диаграммы превращения аустенита.
Методы построения диаграмм ВТП. Раз-
Различают:
а) прямые методы — металлографический
анализ (особенно приемлем при построении
изотермических диаграмм ВТП);
б) косвенные методы — определение
свойств, которые скачкообразно изменяют-
изменяются при превращении; используются дила-
дилатометрия, измерение магнитных свойств.
Виды диаграмм ВТП (табл. 21).
Влияние легирующих элементов на диа-
диаграмму ВТП. Это влияние сильнее (на-
(нагляднее) выражено в изотермических, чем
в термокииетических диаграммах.
а. Содержание углерода <0,4 %. В угле-
углеродистых (от низко- до среднелегированных)
сталях первым превращением является
ферритообразование в перлитной области.
Легирующие элементы мало влияют на вы-
выделение структурно свободного феррита.
б. Содержание углерода >0,4 %. Доэв-
тектоидное выделение феррита наблюдает-
наблюдается только выше носа перлитной кривой,
отвечающего максимальной скорости пре-
превращения; ниже — только перлит (вернее
квазиперлит, квазиэвтектоид). До 0,6% С
образование перлита (начало и конец)
сдвигается вправо к более длительным вы-
выдержкам.
в. В заэвтектоидиых сталях сначала
происходит выделение F^C, затем перлит-
перлитный распад у-тверррто раствора.. Такой
характер превращения (предварительное
выделение карбида) сохраняется во всей
перлитной области до области промежуточ-
промежуточного .превращения.
г. Углеродистые и никелевые стали. Нет
разделения между двумя областями пре-
честв атомов =?М : 1, при котором s={P~
область промежуточного превращения мож-
можно идентифицировать лишь по структуре.
д. Стали, содержащие карбидообразую-
щие элементы, дающие специальные карби-
карбиды (Сг, Mo, V, W). Образование так на-
называемых реакционно-инертных зон, т.е.
зон повышенной устойчивости аустенита,
между перлитной и промежуточной обла-
областями. Сдвиг перлитной области к более
высоким температурам. Максимум в про-
ТАБЛИЦА 21
Изотермические диаграммы ВТП
Термокинетические диаграммьСВТП
Определение
Описывают ход превращения при постоян-
постоянной температуре
Описывают ход превращения прн непрерыв-
непрерывном охлаждении
Область применения
Для изотермической термообработки; огра-
ограниченно применимы для назначения режи-
режимов других видов термообработки
Обширные возможности применения, преж-
прежде всего для определения критической ско-
скорости охлаждения или любой другой дл»
получения заданного структурного состоя-
состояния
Методы, используемые для построения диаграмм
Дилатометрические измерения; изменение физических свойств (например, намагничи-
намагничивания при превращении ниже и выше точки Кюри); структурные исследования
Начало превращения
За начало превращения принимают время, отвечающее образованию 1 % новой фазы..
В перлитной области (медленное охлаждение) температуры начала и конца полного
превращения еще могут быть установлены. Все другие процессы превращений будут
неполными
Конец превращения
Концом превращения считают момент, когда претерпевает превращение 99'
туры
Точка М,
струк-
Характеризует температуру начала мартеи-
ситного превращения. Не зависит от скоро-
скорости охлаждения, а зависит только от соста-
состава стали (рис. 1.169). Нельзя описать ход
„"о
КГ
Сталь 1
Сталь Z
Рис. 1.169
мартенситного превращения (нет непрерыв-
непрерывного охлаждения), но можно определить
количество мартенсита, образовавшегося
изотермически при различных температурах
и претерпевшего самоотпуск — рис. 1.171.
Рис. 1..171
Самоотпущен —
иый нартенсшп, %
Отсюда: Afe= 1 % мартенсита; Afs
мартенсита; Afso=9O % мартенсита
Описывает ход образования мартенсита при
непрерывном охлаждении. Начало обнару-
обнаруживается по отклонению кривой от прямо-
прямолинейного хода. Ход образования мартен-
мартенсита можно проследить по дилатометриче-
дилатометрической кривой, так как превращение сопро-
сопровождается изменением (объема длины) —
рис. 1.170.
Рис. 1.170-
Время-
Точка М, совпадает с той, которую опре-
определяют по диаграммам, как только превы-
превышается критическая скорость охлаждения,,
однако температуры для Msav.Mia для обо-
обоих типов диаграмм не совпадают, лежат дли
термокинетических диаграмм ниже, так как
являются функцией скорости охлаждения
75.
Продолжение табл. 21
Изотермические диаграммы ВТП
Термокииетические диаграммы ВТП ¦
Порядок изменения температуры для построения диаграмм
Начинают с температуры Лез. Ступенчатое
снижение через каждые 30—50 "С до мар-
тенситного превращения. Строят изотермы
образования различных структур (рис.
1.172)
Рис. 1.172
Врет -
Охлаждают со скоростью от 3 град-мин-'
до 60 град-с-1 (рис. 1.173)
Рис. 1.173
Время -
Построение диаграмм
На диаграммах ВТП время откладывают по оси абсцисс в логарифмическом масшта-
масштабе, температуру — по оси ординат в линейном. Поля областей превращения обознача-
обозначают: F — феррит, К — карбид; Р — перлитные структуры, Zw— бейнитные структуры;
М — мартеиситообразование
Наносят точки, отвечающие продолжитель-
продолжительности протекания превращения на 1 % (на-
(начало) при различных температурах и затем
они соединяются кривой; также строится
кривая и для конца превращения (99 % ис-
исходной фазы претерпело превращение). Вре-
Время, отвечающее нулю, — момент, когда об-
образец помещен в ванну, в которой поддер-
поддерживается температура изотермы. Можно
считывать количество вновь образовавшей-
образовавшейся структуры, значения твердости и время
выдержки по показаниям специальных при-
приборов. Реперными точками диаграммы
ВТП являются температуры равновесия
Aci—Ас3(Аст).
Мартенситное превращение Ms, Ж50, М&,
(рис. 1.174).
т;с
800
700
600
500
too
300
200
100
А,
А,-
'-•¦:¦¦
i si
j
5
:::
7
г
Секунды
Ю2 Ю3 W*
1 2 I* 8. /53060
Минуть/
1 2 U68162li
Часы
Рис. 1.174
/ — начало перлитного превращения; 2 — конец
перлитного превращения; 3 — образование
феррита; 4 — начало промежуточного превра-
превращения; 5 — конец промежуточного превраще-
превращения; 6 — мартенсит
Строят большое число кривых охлаждения
(скорость охлаждения должна соответство-
соответствовать требуемой при реальном превращении)
и переносят их на диаграмму. Характерные
точки (перегибы), отвечающие началу и
концу превращения считываются по кривой
охлаждения.
Время 0-переход через Ас3. Благодаря
этому повышается сравнимость, когда ис-
используют различные температуры аустени-
тизации. Количество той или иной струк-
структуры, которая образовалась в результате
превращения, пропорционально величине
полей F, P, Zw и т. д. на диаграмме; оно
оценивается в °/о, отнесенных к утвердому
раствору, как в фазе, способной к превра-
превращению (см. рис. 1.175).
76
Продолжение табл. 21
Изотермические диаграммы ВТП
Термокинетические диаграммы ВТП
На рис. 1.174 и 1.175 приведены соответст-
соответственно изотермическая и термокииетическая
диаграммы стали 45; температура закалки
«80 °С
ёоо
700
?00
500
400
JO0
200
W0
О
0,1 1 10'
Секунды
А
?
L
#
г=:
1
Ш\
Ш
I
1_
:; ЗВВ ¦
: F"
I5
|\
1
ill'--
ТттГ^ —
[ VF"
J
Ж"
1
IL
'wS
К
1
1
10ь
12 6 8153060
Минуты
1 2 4681624
Часы
Рис. 1.175
1 — образование феррита; 2 — начало перлит-
перлитного превращения; 3 — конец перлитного прев-
превращения; 4 — начало промежуточного превра-
превращения; 5 — конец промежуточного превраще-
превращения; 6 — мартенсит
Связь между изотермическими и термокинетическими
диаграммами ВТП
Следует строить термокинетическую диаграмму (так как экспериментальные трудности
при непрерывном охлаждении меньше), а затем рассчитывать изотермы. Расчеты эти
справедливы только для сильно идеализированных условий
Применение
Графики ВТП являются исходным и важным вспомогательным материалом для на-
назначения режимов термообработки. Для заданных целей, имея набор (атлас) диа-
диаграмм, можно выбрать подходящий материал и подходящую обработку для получения
заданной структуры и свойств
Пример 1
Получение
Изотермический отжиг на перлит (хорошая
обрабатываемость, равномерная твердость у
поковок большого сечения)
феррито-перлитной структуры
(полный отжиг, нормализация, смягчающий
отжиг для получения желаемой твердости)
Пример 2
Превращение в промежуточной области
(избегается образование мартенсита, умень-
уменьшается склонность к короблению и образо-
образованию трещин, увеличивается деформируе-
деформируемость)
Пример 3
Превращение в промежуточной области (не-
(незначительная доля мартенсита, увеличивает-
увеличивается ударная вязкость)
Изотермическая закалка. Разработка спосо-
способов сварки на основе изотермической диаг-
диаграммы ВТП (быстрорежущие стали)
Повышение прочности в результате закалки
(выбор критической скорости охлаждения)
межуточной области сдвигается к более
низким температурам.
е. Положение точки Ма. Представляет
собой главным образом функцию содержа-
содержания углерода, а также содержания легиру-
легирующих элементов; Ms уменьшается под влия-
влиянием многих легирующих элементов.
Влияние температуры аустенитизации на
диаграмму ВТП. Область ферритообразо-
ваиия уменьшается, когда температура ау-
аустенитизации повышается (до 1050°С).
Основные виды диаграммы ВТП
а. Изотермические диаграммы:
Рис. 1.176 — наличие максимума скорости
77
превращения и непрерывный ход кривых
начала и конца превращения без разделе-
разделения перлитной и промежуточной областей
(например, сталь 45).
Рис. 1.177—начинающееся разделение на
две (перлитную и промежуточную) области
превращений (начало — слабее, конец —
отчетливо различим); например, среднеуг-
леродистая сталь с 2 % Мп.
Рис. 1.178 — полное разделение превра-
превращения в перлитной и промежуточной обла-
областях; в температурном районе разделе-
AC,
A 1
Ms
M
F
\
Zw (
^=
4 Puc.1.177
ния — неполное превращение (например,
сталь С~до 0,5;%, Сг~1 %, V~0,l %).
Рис. 1.179 — полное разделение перлит-
перлитной и промежуточной областей превраще-
превращения. В температурном районе разделения
превращения нет (например, сталь ~0,3 %
С; ~1 % Сг; -0,35% Мо; -2% №).
Рис. 1.180 — отсутствует промежуточная
область; сразу после перлитного наступает
AC,
AC,
Ms
A
/1
С
с
"N.
Zw, f"
Puc.1.179
Ас,
Ас.
А
Рис.1.180
Ac3
AC,
Ms
A '
M
С
г
ч
Zw f
\
^ Puc.1.178
мартенситное превращение. При низком
содержании углерода и высоком содержа-
содержании легирующих элементов образование
мартенсита сдвигается к высоким темпера-
температурам (например, сталь с <0,2 % С,
>5% Сг).
б. Термокинетические диаграммы.
Нет характерных видов; некоторые ти-
типичные термокинетические диаграммы ВТП
[6] приведены на рис. 1.181.
\ \
Рис. 1.181. Термокинетнческие диаграммы ВТП:
а — углеродистая сталь; б — низколегированная строительная сталь (Сг, V); в — среднелегирован-
ная улучшаемая сталь (Ni, Ми); г — ледебурнтная хромистая сталь; д — легированная инструмен-
инструментальная сталь; е — полуферрнтиая хромистая сталь; ж — нестабилнзнроваиная аустеинтиая сталь;
з — чугун
78
Диаграмма время — температура раство-
растворения. На рис. 1.182 приведена диаграмма
время — температура растворения для до-
300 -
200
0,1
Рис. 1.182
10 Юг W3 104 105 W6
Время fig), с
эвтектоидной углеродистой стали, являю-
являющаяся частью термокинетической диаграм-
диаграммы. При нагреве от комнатной температу-
температуры некоторые процессы превращения на-
начинаются ниже А\. Кривые нагрева пока-
показывают, что образование гомогенного ау-
стенита происходит при существенном пе-
перенагреве относительно критических точек,
что обусловливает необходимость знания
конкретных диаграмм время — температу-
температура растворения. Эти диаграммы важны
также для назначения режимов отпуска
сталей.
1.9.6.2. Обзор превращений
в сталях при охлаждении
и нагреве [140]
Общая схема — см. рис. 1-.Г83 A->-5 в по-
порядке уменьшения).
1.9.6.3. Описание структур,
которые возникают в результате
превращения переохлажденного
аустенита
Имеются три области превращений: пер-
перлитная; промежуточная (или бейнитиая);
Аустенит
ш
Феррит с зернистым
цементитом
Грубопластинчатый
перлит
Тонкопластинчатый перлит
Очень тонкий перлит
Очень тонкий перлит + мартенсит + остаточный аустенит
.Мартенсит +
остаточный
аустенит
I Метастабильный
Нестабильный
Мартенсит отпуска
Влияние отпуска
Стабильный I
Е-
различные скорости охлаждения
Рнс. 1.183
79
Перлитная область
Промежуточная область
Мартенситная область
Время(!д)——
Рис. 1.184. Рассмотрение процессов структурообразоваиня иа основе диаграммы Fe-~C [6]
Xq —
Углерод
Скорость —
охлаждения
мартенситная (рис. 1.184). Области могут
быть разделены полями (температурными
районами) большой инерционности превра-
превращений. Максимальная скорость превраще-
превращения переохлажденного аустенита в той или
иной из этих трех областей обусловлена
повышенной термодинамической нестабиль-
нестабильностью аустенита, сильным переохлаждени-
переохлаждением относительно температуры равновесия,
достаточной диффузией при уменьшенном
переохлаждении.
Точки Аз, А\ отвечают превращению в
равновесных условиях (при бесконечно
медленном охлаждении). С увеличением
AT обе точки сближаются, т.е. наступает
состояние метастабильности при высоких
скоростях охлаждения. При смещении пре-
превращения к низким температурам при вы-
высоких скоростях охлаждения происходит
образование мартенсита. На термокииети-
ческой диаграмме (см. рис. 1.184) нанесены
Ой — верхняя критическая скорость охлаж-
охлаждения и I/ft — нижняя критическая скорость
охлаждения, при которой в структуре по-
появляются в заметном количестве первые
порции мартенсита.
Перлит (см. 1.9.3)
а. Процесс возникновения кристаллов,
составляющих перлит, контролируется диф-
диффузионным механизмом.
б. Схематическое изображение превраще-
превращения, аустеиита в перлит [14] — см. рис.
1Л85.
в. Образование перлита в доэвтектоид-
ных сталях. Доэвтектоидиое образование
феррита при 7"<Лг3 в случае достаточного
переохлаждения может идти по сдвигово-
сдвиговому механизму с образованием видмаштет-
Fe3C ее
товой структуры. При Т<Агх происходит
эвтектоидиый распад оставшегося иепре-
вращенным аустенита в перлит. В сталях с
содержанием 0,8 % С (эвтектоидные) при
T<.Art происходит только эвтектоидный
распад аустенита в перлит. В сталях с со-
содержанием углерода >0,8;% (заэвтектоид-
иые) вначале происходит предэвтектоидное
образование РезС при 7"<ЛСт, а затем при
7'<Лг1 — эвтектоидный распад непревра-
щенного аустенита в перлит.
г. Межчастичное расстояние S. Расстоя-
Расстояние 5 в перлитной структуре — это f{AT).
Межчастичное расстояние (в мкм) умень-
уменьшается с увеличением AT по эмпирической
зависимости: S—15/Д7" для углеродистой
стали.
д. Межчастичное расстояние в различных
перлитных структурах [5]:
Перлит
S, мкм 0,6—0,7
Твердость НВ . . 180
Сорбит Троостит
0,25 0,1
250 400
Пример сорбито-трооститной структуры-
см. рис. 1.186.
Рнс. 1.186.
Х100
Сорбнто-трооститная структура.
Вырожденный (или аномальный) перлит.
Аномальное структурообразование проис-
происходит в результате превращения при тем-
температурах, близких (чуть ниже) к равно-
равновесным, т. е. при незначительном переох-
переохлаждении. Представляет собой обособлен-
обособленные и достаточно крупные поля феррита
и скопления также обособленных карбидов
(в перлитных участках). В случае смягча-
смягчающего отжига такая структура является
желательной, во всех других случаях — она
нежелательна (участки с пониженной твер-
твердостью, и прочностью). Способствуют обра-
образованию такой структуры Ni, Si, Mo. Пре-
Препятствуют Мп, Cr, Co, A1.
80
Промежуточное превращение
а. Структурообразование. Самодиффузия
железа и диффузия легирующих элементов
с понижением Т (с увеличением AT) умень-
уменьшаются. Возможна только диффузия угле-
углерода, причем на небольшие расстояния. Та-
Таким образом, превращение можно иниции-
инициировать только с помощью этого процесса;
происходит расслоение твердого раствора
(аустенита), при этом частичное обогащение
углеродом определенных объемов стабили-
стабилизирует аустенит и способствует карбидооб-
разованию, а частичное обеднение углеро-
углеродом делает возможным процесс бездиффу-
бездиффузионного превращения в этих объемах с
образованием малоуглеродистого мартен-
мартенсита, немедленно распадающегося при тем-
температуре превращения на бейнит.
б. Схематическое изображение превра-
превращения аустенит-МЗейнит [14] — см. рис.
1.187.
a Fe3C
По морфологии бейнит подразделяется
иа две главные группы:
— игольчатый, возникающий как после
изотермического превращения, так и в ре-
результате непрерывного охлаждения (рис.
1.188.Х800);
Рис. 1.188
— зернистый, возникающий после непре-
непрерывного охлаждения (рис. 1.189x560).
Игольчатая структура промежуточного
превращения:
— нижний бейнит; структура весьма дис-
дисперсная, похожая на мартенсит; схема
[5] —на рис. 1.190;
— верхний бейнит; структура более гру-
грубая с вытянутыми пластинами феррита и
параллельными им тонкими вытянутыми
карбидными прослойками; схема [5] —на
рис. 1.191;
— в доэвтектоидных сталях — феррит
6—140
"Х"' « '¦ <"',
" 'X м
* . ^.« 4\Vr*t
4 T / , 4
\
- лд
Рис. 1.189
Puc.1190
Рис. 1.190. Схематическое изображение нижнего
бейиита (мартеиситоподобиой структуры)
Рис. 1.191. Схематическое изображение структуры
верхнего бейиита (структуры с вытянутыми пла-
пластинами феррита и параллельно им вытянутыми
карбидными частицами)
игольчатый, как в видманштеттовой струк-
структуре (см. рис. 1.84).
Мартенсит
а. Образование. С увеличением скороста
охлаждения метастабильный аустеиит мо-
может быть переохлажден до точки М, (см.
1.9.6.2). В этих условиях при больших пере-
переохлаждениях аустенитная решетка бездиф-
фузионно превращается в тетрагонально^
искаженную о. ц. к. решетку мартенсита.
Атомы углерода занимают определенные
позиции в тетрагональной решетке. Про-
Процесс мартенситного превращения проис-
происходит с большой скоростью и связан е
увеличением объема. В результате возни-
возникают большие внутренние напряжения, ко-
которые противодействуют полному протека-
протеканию процесса превращения (всегда сохра-
сохраняется некоторое количество остаточного
аустенита)..
б. Структура. Различают:
— массивный, реечный (пакетный) мар-
мартенсит; возникает в сталях со средним со-
содержанием углерода и легирующих элемен-
элементов (рис. 1.192);
— пластинчатый (игольчатый) мартен-
мартенсит. Появляется в сталях с высокой кон-
концентрацией углерода и легирующих элемен-
элементов. Оладьеобразные кристаллы обнаружи-
обнаруживают структуру двойников, являющихся
видом деформации, в результате чего воз-
возникает мартенсит в аустените с высоким
пределом текучести (сильное легирование,
низкая мартенситная точка);
— е-мартенсит. Эта структурная форма
возникает в аустенитных высокомарганцо-
высокомарганцовистых сталях; имеет вид полос; по сути
является скоплением широких дефектов
упаковки, отсюда имеет гексагональное
строение.
81
ТАБЛИЦА 22
On л зв
-Fe—С:
«0,6% С
0,6—1,1% С
1,1—1,8% С
Fe—Ni:
<0,4% Ni
6—25% Ni
27—34% Ni:
выше 20 °C
ниже— 70 CQ
Fe—N:
<0,7%N
0,7—2,35% N
Плоскость
габитуса
{HI}"»
{225}v
«{259}v
{Hl}v
{111}
{225}v
r
»{225}v
{111}
.{225}v
Ориентационное
соответствие
—
{111}т„ || {110}a •
<110>vO || <lll>a
(Курдюмова — Закса)
Курдюмова — Закса
То же
» »
(Нишияма)
Курдюмова — Закса
Морфология
кристаллов
Массивная,
реечная
Смешанная
Игольчатая
двойникован-
ная
Массивная,
реечная
Смешанная
Игольчатая
двойникован-
ная
То же
Массивная,
реечная
Игольчатая
двойниковая
Внутренняя
структура
Хаотичное рас-
распределение дис-
дислокаций
Частично двойни-
кованная суб-
/Ifnn » r^mi rr\ Л
структура
Двойники {112}а
Хаотичное рас-
распределение дис-
Частично двойни-
коваиная суб-
субструктура
Двойники
Хаотичное рас-
распределение дис-
дислокаций с высокой
их плотностью
Структура двой-
никованная с раз-
различным расстоя-
расстоянием между двой-
двойниковыми про-
прослойками
Рис. 1.192. Пакетный мартенсит. Сталь с
0,05 % С. Х600
Сводные данные по мартенситу [5] —
табл. 22.
в. Точки Ms, Mf. Температурное положе-
положение мартенситного интервала, ограниченно-
ограниченного точками Мв и Mf, зависит от концент-
концентрации углерода и легирующих элементов.
Все легирующие элементы, кроме Со и А1,
снижают Ме и Mf, возможна также мате-
математическая оценка влияния легирования на
Мв (Mf) с помощью приближенных эмпи-
эмпирических уравнений;
— мало- и среднелегированные стали
(символ элемента — его содержание в
процентах по массе): Af»=550—350—
—40Мп — 20Сг — ЮМо — 17Ni — 8W—
—10Cu+15Co+30Al [°C];
— высоколегированные стали @,01—
0,12;% С; 0,3—2,6% Si; 0,6—5;%; Мп;
10—18% Сг; 6—12% Ni; 0,01—0,06 N2);
Ms=41,7A4,6 — Cr)+61,1 (8,9 — №) +
+33,3A,33 —Mn)+28,8@,47 — Si)+1667X
X[0,068-(C+N)]— 32 [°C].
Основное влияние на положение мартен-
мартенситного интервала (Мв, Mf) оказывает угле-
углерод— рис. 1.193 для нелегироваиной стали.
При высоком содержании углерода и ле-
легирующих элементов температурный интер-
интервал мартенситного превращения оказыва-
оказывается ниже комнатной температуры. Быст-
Быстрое охлаждение такой стали до комнатной
температуры приводит к сохранению аус-
тенитного состояния (нержавеющие и кис-
кислотостойкие стали).
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,1, 1,6 1,8 Zfl
Содержанае углерода, % (по пассе)
Рнс. 1.193
Некоторые технические аспекты термиче-
термической обработки
а. Стабилизация остаточного аустенита.
Желательна, например, для мерительных
инструментов (сохраняется точность разме-
размеров) и для деталей, подвергающихся силь-
сильному изнашиванию, в процессе которого
происходит переход метастабильного аус-
аустенита в поверхностном слое в мартенсит.
Нежелательна, например, для режущего
инструмента, так как при этом твердость
уменьшается.
б. Полностью аустенитная структура при
комнатной температуре. Желательна в кор-
розионностойких, жаропрочных и окалино-
стойких сталях.
в. Технологические процессы термической
обработки. При технической реализации
многих процессов термической обработки
при охлаждении в большинстве случаев
получают сочетания различных видов
структуры. Превращения только в перлит-
перлитной промежуточной и мартенситной облас-
областях могут быть обособлены лишь при спе-
специальном изотермическом протекании про-
процессов структурообразования.
Основные факторы, влияющие на пре-
превращение аустенита на различных этапах
охлаждения (в различных областях): со-
состав, гомогенность по составу; структура
границ зерен; субструктура; распределение
дислокаций в объеме, не связанных в суб-
субструктуру; плотность свободных дислока-
дислокаций; напряженное состояние.
1.9.6.4. Превращения в сталях
при отпуске
При охлаждении могут возникнуть раз-
различные смеси структур, в том числе и на-
напряженных (например, мартенсит), что бу.
дет определять неоднородные и неоптималь-
неоптимальные свойства. Необходимо повышение тем-,
пературы до различного уровня, ограничен-
ограниченного сверху точкой Ль чтобы можно бы-
было реализовать целесообразное техническое
применение сталей (и вообще железных
сплавов).
Нагрев до высоких температур (отвеча-
(отвечающих перлитной области). Феррит может
быть пересыщен С и N. В этом случае вы-
выделения карбидов и нитридов, особенно в
малоуглеродистых сталях, имеют техничес-
техническое значение (старение).
В сталях с более высоким содержанием
С, в которых имеется значительное количе-
количество карбидов, необходим длительный на-
нагрев вблизи точки Ах для того, чтобы кар-
карбидные пластинки изменили форму и пре-
превратились в сферические частицы (см. рис.
1.194). Это термодинамически оправданный
процесс, так как он сопровождается сниже-
снижением поверхностной энергии. В конечном
Рис. 1.194. Формирование цементита при от-
отпуске стали (С100. W.I). X800
счете при сильном обособлении карбидов
структура может соответствовать вырож-
вырожденному состоянию (см. выше).
В легированных сталях неравномерность
в распределении легирующих элементов мо-
может выравниваться при нагреве и выдерж-
выдержке вблизи ~А\. Элементы находятся либо
в карбидной фазе цементитного типа, либо
образуют специальные карбиды, либо рас-
растворены в феррите (в случае некарбидо-
образующих легирующих элементов).
Нагрев до умеренных температур (отве-
(отвечающих промежуточной области). Явления
такие же, как и в случае нагрева в перлит-
перлитной области, но вся структура гораздо
тоньше при нагреве ~400°С. В легирован-
легированных сталях — некоторое перераспределение
легирующих элементов.
Нагрев мартенсита. При незначительном
повышении температуры — образование
е-карбида (углерод выходит из тетраго-
тетрагональной решетки). Этот карбид менее ста-
стабилен, чем Fe3C. Дальнейшее повышение
температуры приводит к полному выделе-
выделению С из твердого раствора, образованию
стабильного карбида. Тетрагональность
полностью исчезает. Дальнейшее повыше-
повышение температуры (до ~А.\) приводит к
коагуляции карбидов.
Выше 500 °С начинается заметная само-
самодиффузия атомов Fe и благодаря этому
уменьшается число дислокаций и образу-
образуются новые зерна феррита (рекристаллиза-
(рекристаллизация от фазового наклепа). При этих темпе-
температурах начинается формирование специ-
специальных карбидов легирующих элементов
(до700°С).
Остаточный аустенит. При нагревании
остаточный аустенит распадается; при этом
возможны следующие случаи:
а. Малые количества; образуется мар-
мартенсит, который распадается с образова-
83
о
о
о
о
со
о
S
о
о
J)
о
о
2
о
?
нием карбида (стабильного или. метаста-
билыюго — зависит от температуры на-
нагрева) .
б. Большее количество; претерпевает фа-
фазовое превращение в промежуточной обла-
области.
в. Большое количество, при высокой кон-
концентрации С в остаточном аустените; об-
образуются легированные карбиды.
Схематическое изображение процессов
превращений, происходящих при нагрева-
нагревании до температур ниже точки превраще-
превращения [6], — см. рис. 1.195.
Исходя из сказанного, можно различать
четыре ступени отпуска:
— первая ступень: 100—150 °С; образо-
образование е-карбида;
— вторая ступень: 150—325 °С; распад ос-
остаточного аустенита; легирующие элементы
сдвигают эту ступень к более высоким
температурам;
— третья ступень: 325—400 СС; однофаз-
однофазный распад, перестройка е-карбида, обра-
образование стабильного карбида;
— четвертая ступень: >400°С; образова-
образование специальных карбидов и тонкой фер-
рито-карбидной смеси (троостит или сор-
сорбит отпуска).
Некоторые технические аспекты
а. Структура закаленной стали в общем
случае состоит из мартенсита, бейнита, ос-
остаточного аустенита. В процессе отпуска
происходит снятие напряжений.
б. Наблюдается увеличение твердости
после 1-й ступени отпуска; в высоколеги-
высоколегированных сталях — после 4-й ступени от-
отпуска; явление обусловлено дисперсионным
твердением в результате выделения кар-
видов.
в. Увеличение вязкости наблюдается пос-
после улучшения, предусматривающего закал-
закалку и высокий отпуск D-я ступень). При
этом твердость и прочность имеют умерен-
умеренные значения.
г. Смягчающий отжиг; для феррито-пер-
литных сталей; нагрев вблизи точки А\.
д. Старение (см. 1.7.3.1).
е. Дисперсионное твердение (см. 1.7.3.3).
Образование аустенита при нагреве. Ме-
Места преимущественного образования — на
границе раздела фаз феррит — цементит.
В феррито-перлитной структуре превраще-
превращение в аустенит происходит сначала в пер-
перлитных объемах. В грубопластинчатом пер-
перлите ие только образование, но и рост ау-
аустенита может проходить по поверхности
раздела карбид — феррит.
До полного образования гомогенного
аустенита во всем объеме, на каждом эта-
этапе превращения по мере повышения тем-
температуры в аустеннте могут оставаться не-
растворенные фазы.
Существует связь между размером об-
образующихся аустенитных зерен и а) исход-
исходным размером зерна; б) характером ис-
исходной структуры; в) скоростью нагрева;
г) температурой аустенитизации; д) харак-
характером плавки (степень раскисления, нали-
наличие неметаллических включений и т. д.).
С увеличением скорости нагрева интер-
интервал превращений Ф+П->-А сдвигается к
Солее высоким температурам. Для оценки
этого имеются соответствующие эмпириче-
эмпирические уравнения. С ростом температурного
интервала промежуток времени, необходи-
необходимый для завершения превращения, стано-
становится меньше., С увеличением содержания
С вначале превращение ускоряется, а за-
затем при высоком содержании С опять за-
замедляется. Добавки легирующих элементов
оказывают различное влияние (Ni, Mn —
ускоряют).
Ход превращения феррито-карбидной
структуры в аустенит (особенно в случае
легирования стали карбидообразующим
элементом) происходит в три этапа:
1) образование аустеиита во всем объе-
объеме;
2) растворение карбида;
3) гомогенизация аустенита.
1.10. ВОЗВРАТ, ПОЛИГОНИЗАЦИЯ,
РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И РОСТ ЗЕРЕН
С увеличением степени пластической де-
деформации происходит увеличение плотнос-
плотности дефектов решетки, образующих высоко-
высокоэнергетические конфигурации. При этом
возникает повышенная метастабильность
структуры.
С увеличением температуры нагрева хо-
лоднодеформированного металла происхо-
происходят структурные изменения и соответству-
соответствующие им изменения свойств.
1.10.1а. Возврат
Процесс возврата заключается во взаи-
взаимодействии точечных дефектов с дислока-
дислокациями.
Ход процесса можно проследить, напри-
например, измеряя электросопротивление или ши-
ширину рентгеновских линий, или накоплен-
накопленную энергию деформации.
Процессы возврата, таким образом, мо-
могут наблюдаться при умеренном нагреве
после холодной деформации, облучения ча-
частицами высоких энергий, закалки с высо-
высоких температур.
В результате возврата происходит незна-
незначительное изменение плотности дислокаций
(обусловленное взаимодействием послед-
последних со стекающими к ним вакансиями), па-
падают деформационное упрочнение, ширина
рентгеновских линий, накопленная энергия
деформации.
1.10.16. Полигонизация
Полигонизация (рис. 1.196) происходит
при более высоком нагреве, чем возврат.
Дислокации перестраиваются в уравно-
уравновешенные конфигурации за счет термически
активированного переползания. Энергетиче-
Энергетически выгодными конфигурациями, например,
являются малоугловые границы в форми-
формирующейся субструктуре полигонизации.
85
J.I I I I-
Полигонизация
Рис. 1.196
Полиговизация [13]: а—распределение дисло-
дислокаций в деформированном кристалле; б — по-
лигонизованный кристалл
?.10.2. Рекристаллизация
Различают:
а) первичную рекристаллизацию;
б) рост зерна после первичной рекри-
рекристаллизации (неравномерный рост различ-
различных зерен — вторичная рекристаллизация и
нормальный рост зерен — собирательная
рекристаллизация);
в) контролируемый напряжениями рост
зерен.
Первичная рекристаллизация. Рекристал-
Рекристаллизация — это процесс возникновения и
движения или только движения больше-
угловых границ зерен. Первичная рекри-
рекристаллизация после холодной деформации
реализуется при нагреве до температур,
несколько превышающих порог рекристал-
рекристаллизации, который для чистых металлов
Трекр=0,4Тв (где 7. — температура плав-
плавления) .
Основные процессы, протекающие при
первичной рекристаллизации. Плотность
дислокаций и накопленная энергия дефор-
деформации сильно уменьшаются в результате
первичной рекристаллизации. Изменяются
механические свойства (например, умень-
уменьшаются твердость, прочность). Зародыша-
Зародышами при первичной рекристаллизации могут
быть: а) либо выросшие на последней
стадии полигонизации крупные субзерна,
которые уже окаймлены границами с боль-
большим углом разориентировки (от других
субзерен), — механизм Кана — Бюргерса;
б) либо участки исходных большеугловых
границ сильнодеформированных зерен; по
обе стороны данного участка имеется гра-
градиент плотности дислокаций; участок «вы-
«выпучивается» в сторону большей плотности
дислокаций и начинается его миграция —
рекристаллизация — по механизму Бейли—
Хирша. «Зародыши» растут до их встречи.
На этом кончается первичная рекристалли-
рекристаллизация.
Схематическое изображение образования
зародышей рекристаллизации благодаря
коалесценции субзереи [13], т. е. по ме-
механизму Кана—Бюргерса, — см. рис. 1.197.
На этих рисунках движущая сила пер-
первичной рекристаллизации F=&NGb2, где
F— движущая сила, дин-cm~2; N — плот-
плотность дислокаций; Ъ — вектор Бюргерса;
G— модуль сдвига, дин-см-2; ДМ — раз-
разность в плотности дислокаций; Gb2— энер-
энергия единицы длины дислокаций, дин-см-1.
При N от 109 до 1012 см~2 получается,
что F находится в пределах от 105 до
108 дин-см-2.
Некоторые особенности процесса первич-
первичной рекристаллизации. Рекристаллизация в
первую очередь начинается в объемах с
сильно неоднородной деформацией; вокруг
неметаллических включений; вокруг частиц
фаз выделений.
Образование той или иной структуры в
результате первичной рекристаллизации за-
зависит от (важнейшие параметры): степени
холодной деформации t), температуры на-
нагрева, времени нагрева.
Совместное представление возможных
зависимостей н связей:
а. Увеличение т)—* уменьшение темпера-
температуры рекристаллизации—'¦уменьшение про-
продолжительности нагрева—*¦ увеличение проч-
прочности в холоднодеформированном состоя-
состоянии—> уменьшение размера зерен и разме-
размера субзерен—> увеличение подвижности гра-
границ субзерен—"уменьшение пути перепол-
переползания для дислокаций—*¦ увеличение числа
центров рекристаллизации.
б. Зависимость температуры рекристал-
рекристаллизации от степени деформации — см, рис.
1.198,0.
z
\i
Укрит
а
t= const А.
1
Рис. 1.198
7"—
Укрит
Величина
зерна
7=йм»
/ — температура нагрева, соответствующая кри-
критической степени деформации; 2 — температура
нагрева, соответствующая большим степеням де-
деформации; 3 — величина зерна до Деформации;
4 — порог рекристаллизации; Б — величина зерна
после деформации; 6 — отсутствие фиксируемых
рекристаллизованных объемов
в. Зависимость величины зерна от степе-
степени деформации — см. рис.. 1.198,6.
г. Зависимость величины зерна от темпе-
температуры рекристаллизационного нагрева Т —
см. рис. 1.199, в.
Рис. 1.197
86
ШООООМКМ*
ТАБЛИЦА 24
W Z0 30 50
Деформация'/.
7S
Рис. 1.199. Диаграмма рекристаллизации мяг-
мягкой стали
д. Зависимость величины зерна от вре-
времени выдержки При нагреве — см. рис.
1.199, г.
е. Диаграмма рекристаллизации позволя-
позволяет связать между собой взаимное влияние
степени деформации и температуры рекри-
рекристаллизации на размер зерна — см. прост-
пространственную диаграмму на рис. 1.199.
ж. Факторы, влияющие на протекание
процессов рекристаллизации [30]:
— характер материала (состав; чистота
по примесям; строение присутствующих
фаз: структура перед деформацией);
— условия деформации (степень, темпе-
температура и скорость деформации; способ де-
деформирования) ;
— условия термической обработки (тем-
(температура нагрева; время выдержки; ско-
скорость нагрева).
з. Температуры рекристаллизации техни-
технически чистых металлов после сильной де-
деформации приведены в табл. 23.
ТАБЛИЦА 23
Металл
Sn
РЬ
Zn
А1
Ag
Си
Fe
W
Cd
Аи
Ni
Mo
'рекр- t-
0
0
20
150
200
250
450
1200
10 .
200
550
900
Ts. -c
232
327
419
658
961
1038
1535
3370
321
1063
1452
2600
грекр:Г*<К>
0,54
0,46
0,42
0,45
0,38
0,39
0,40
0,41
0,47
0,35
0,47
0,41
Снижение Грекр при увеличении степени
холодной деформации [14] иллюстрируется
данными табл. 24.
Процессы рекристаллизации имеют для
техники большое значение:
1. В результате первичной рекристалли-
рекристаллизации восстанавливается пластичность, ко-
которая часто сильно снижается после холод-
холодной деформации.
Электролити-
Электролитическое железо .
Технически чи-
чистое железо
@,04% С) . .
т
рекр
10
490
700
°С, при степени
мацш
20
450
590
Ч. %
40
425
510
дефор-
70
420
470
2. В случае металлов и сплавов, не пре-
претерпевающих фазового превращения, с по-
помощью первичной рекристаллизации (бла-
(благодаря образованию новых1 зерен) можно
получить желательный размер зерен и во-
вообще регулировать величину зерна.
3. При горячей пластической деформации
процесс первичной рекристаллизации про-
протекает большей частью непосредственно
сразу после деформации (температура де-
деформации лежит выше температуры рекри-
рекристаллизации) .
Критическая степень деформации г)крит.
Это наименьшая степень деформации, пос-
после которой при нагреве идет полная пер-
первичная рекристаллизация; при меньшей
деформации имеет место только неполная
рекристаллизация. Вследствие малого чис-
числа центров появляются весьма крупные ре-
кристаллизованные зерна; желательно для
магнитномягких материалов (г)крИт=10%
для мягкого железа); во всех случаях для
конструкционных сталей нежелательна.
Образование двойников (см. 1.11.1.2).
Двойники возникают, когда движущаяся в
направлении <1П> граница зерна по-
попадает на дефект упаковки; тогда при
дальнейшем движении границы атомы в
решетке располагаются в измененной по-
последовательности застройки (рис. 1.200).
Рис. 1.200. Образование
двойника рекристалли-
рекристаллизации
Образование двойника происходит, когда
зерно А врастает в зерна Si и S2. Границы
зерен ASi и AS^ являются большеугловыми
границами с большой энергией. Энергети-
Энергетически выгодные условия возникают, когда
образуется зерно А' с ориентацией двойни-
двойника. Сумма энергий границ зерен A'Si и А'Эъ,
а также границы двойника АА' должна
быть меньше, чем соответствующая гранич-
граничная энергия системы, в которой не образу-
образуется двойник. Двойники возникают преиму:
щественно в металлах и сплавах с низкой
энергией дефектов упаковки, а также в ме-
металлах с г. ц. к. решеткой (Си и ее сплавы,
аустенитные стали) после рекристаллиза-
рекристаллизации и роста зерна. Рост двойника заканчи-
заканчивается, когда порядок упаковки слоев
возвращается к первоначальному.
87
Рис. 1.201
Двойники рекристаллизации всегда ука-
указывают на то, что происходит рост зерен
(рис. 1.201).
1.10.3. Рост зерна после
первичной
рекристаллизации
Различают:
а) непрерывный, или нормальный, рост
зерен;
б) прерывистый, или аномальный, рост
зереи;
в) рост зерен, контролируемый напряже-
напряжениями.
Нормальный рост зерен — собирательная
рекристаллизация. При обычном, нормаль-
нормальном, или непрерывном, росте зерен их гра-
границы смещаются так, что рост данного зер-
зерна происходит за счет соседних зерен; та-
такой процесс поглощения (поедания) зерен
предопределяет непрерывный рост зерен —
см. рис. 1.202.
Рис 1.202
А — нормальный рост зерен; В — анор-
анормальный рост зерен
Вторичная рекристаллизация. Торможе-
Торможение непрерывного роста происходит из-за
присутствия дисперсных частиц, сегрегации
и других элементов структуры, задержива-
задерживающих миграцию границ. Тогда одни зер-
зерна сдерживаются в своем росте (там, где
есть, например, частицы), другие — непре-
непрерывно растут. Получается разнозернис-
тость, т. е. вторичная рекристаллизация,,
контролируемая примесями. Неравномер-
Неравномерный рост зерна наблюдается также при.
наличии текстуры первичной рекристалли-
рекристаллизации (вторичная рекристаллизация,
контролируемая текстурой) или из-за влия-
влияния малой толщины листа (эффект сдержи-
сдерживающего влияния поверхности).
Рост зерен изображают с' помощью так
называемых диаграмм роста (рис. 1.203)..
Рис. 1.203
Итак, после окончания первичной ре-
рекристаллизации может происходить нор-
нормальный рост зерен, при котором зерна
укрупняются однородно; происходит соби-
собирательная рекристаллизация. Однако во-
многих случаях нормальный рост зерен
прерывается внезапным очень быстрым рос-
ростом отдельных немногих зерен. Под влия-
влиянием примесей нли исходной текстуры —
вторичная рекристаллизация, зерна иногда
вырастают до площади в несколько квад-
квадратных сантиметров. Диаграмма преры-
прерывистого роста зерна в мягкой легирован-
легированной алюминием стали — см. рис. 1.204.
Рост зерен, контролируемый напряже-
88
It
тоооХ
200\
Рис. 1
5/\
0 0,1
.204
Ш
"VpAff
V 4 M
\ \ \
8/6
\ \
927
\ \
1038
t;c
Щ
N \
\ \
1№
Щ
1260
ниями. Рост зерен, контролируемый напря-
напряжениями, происходит при нагреве слабо
деформированных образцов. Незначитель-
Незначительная степень деформации препятствует об-
образованию и росту большого числа зароды-
зародышей пра первичной рекристаллизации. При
росте вследствие наличия градиента напря-
напряжений зерна могут увеличиваться за счет
своих соседей и при этом уменьшать свою
энергию.
Миграция границ. В основе процесса ми-
миграции границ зерен лежит процесс изме-
изменения положений атомов, который облег-
облегчается с увеличением температуры. Из
соображений уменьшения поверхностной
(граничной) энергии протяженность гра-
границ должна быть как можно меньше.
На движущиеся границы действует си-
сила Р в направлении центра кривизны: Р=
—2ук/г, где у* —ЭнеРгия границы зериа;
г—радиус кривизны границы зерна; вели-
величина Рт 105 дин-см-2.
Положение границ зерен стабилизируется,
когда все поверхности границ плоские, и
углы, которые образуют границы, состав-
составляют 120°. Формы зерен в процессе стрем-
стремления к стабильным их конфигурациям —
на рис. 1.205—1.207 [5, 13].
Рис.1.205
Рис.1Ж
Puc.1.207
Рис. 1.205. Уменьшающееся зерно
Рис. 1.206. Стабильное положение границ зерен
Рис. 1.207. Растущее зерно
При образовании между границами угла
120° устанавливается равновесие между
силами поверхностного натяжения на гра-
граничных поверхностях. Такое состояние
практически редко реализуется; поэтому
существует отличие от 120с-ных стыков в
зернограничных углах и не образуются пло-
плоские поверхности зерен. Исчезают кристал-
кристаллиты с границами зерен, центры кривизны
которых лежат внутри зерен. Благодаря
этому растут поверхности с вогнутыми по-
поверхностями зерен (непрерывный рост зе-
зерен).
1.10.4. Текстуры
рекристаллизации
Возникают в результате первичной и вто-
вторичной рекристаллизации. Иногда тексту-
текстуры рекристаллизации и деформации совпа-
совпадают; часто они отличаются друг от дру-
друга, так как энергии, ответственные за за-
родышеобразование и рост зерен, различны
по своей природе. Ориентировки отдельных
кристаллитов не распределены статистиче-
статистически, а имеется предпочтительное направле-
направление плоскостей (текстура).
Свойства материалов с текстурой рекри-
рекристаллизации. Наличие текстуры рекристал-
рекристаллизации определяет аиизотрепию свойств.
При сильно выраженной текстуре все зер-
зерна имеют одинаковую ориентировку.
Текстурованные стали и сплавы находят
применение в технике. Образование тексту-
текстуры желательно в магнитномягких сплавах
Fe—Si (трансформаторная сталь); это
обеспечивает более низкие потери иа пере-
магничивание и хорошую намагничивае-
мость. При так называемой текстуре Госса
(рис. 1.208) ребро куба [100] параллельно
Рис. 1.208. WR — направление прокат-
прокатки; WE — поперечное направление
направлению прокатки; плоскость (ПО)
совпадает с плоскостью листа.
Предпочтительная ориентировка зерен
может быть выявлена специальными мето-
методами травления — см. рис. 1.209 (сталь
5SU7; 100 мм=100 мкм [5]).
Сводка данных о влиянии различной об-
обработки на размер зерен (р. з.) приведена
в табл. 25.
Рис. 1.209
89
ТАБЛИЦА 25
Параметр
Фактор (множитель),
оценивающий сте-
степень максимального
изменения р. з.
Характер изменений
т) — степень де-
деформации
Температура
нагрева
Скорость нагре-
нагрева
Р. з. до холод-
холодной деформа-
деформации
Растворенные
примеси
Нераствореи-
ные примеси
100
2
2—3
3
4
10
Непрерывный рост з*
Степень чисто-
чистоты
Растворенные
примеси
Нерастворен-
ные примеси
Вторые фазы
100
4
10
Bropi
1000
Холодная
формация
де-
Первичная рекристаллизация
г\ увеличивается; р. з. уменьшается
Температура растет ->р. з. увеличивается
Скорость нагрева увеличивается -»-р. з. уменьшается
Р. з. до деформации сравнительно большой ->рост
зерен интенсифицируется
Количество растворенных примесей увеличивается->
->р. з. уменьшается
Количество нерастворенных примесей увеличивается-»-
->р. з. уменьшается (иногда может увеличиваться
из-за турбулентности деформации)
рост зерен — собирательная рекристаллизация
Чистота увеличивается -*-р. з. увеличивается
Количество растворенных примесей увеличивается->
->р. з. уменьшается
Количество нерастворенных примесей увеличивается-»-
-¦¦р. з. уменьшается
Вторичная рекристаллизация
Рост зерен, инициируемый напряжениями
6
1.11. ИСПЫТАНИЯ СВОЙСТВ
Определение свойств с помощью соответст-
соответствующих методов испытания имеет особо
важное значение, так как относится к за-
заключительному этапу в общей схеме: по-
получение материалов—•¦ обработка материа-
материалов—*¦ использование материалов.
1.11.1. Механические
свойства
Механическое поведение материалов ха-
характеризуется комплексом механических
свойств, причем для конструкторов в на-
настоящее время наряду с желательными зна-
значениями прочности и пластичности, полу-
получаемыми при растяжении, важны и такие
параметры, как ударная вязкость, долго-
долговременная циклическая прочность, а также
длительная прочность и, несомненно, сопро-
сопротивление разрушению.
Прочность — мера сопротивления пласти-
пластической деформации при воздействии внеш-
внешней силы. Если прочность недостаточна, то
происходит изменение формы.
Изменение формы рассматривается для
трех случаев [13]:
1. Обратимая деформация — изменение
формы исчезает по окончании воздействия
силы; деформированное тело возвращается
к исходной форме; упругое и неупругое по-
поведение (предполагается обратимая дефор-
деформация решетки).
2. Необратимая деформация — измене-
изменение формы сохраняется по окончании воз-
воздействия силы; пластическое и вязкое по-
поведение; пластическое поведение предпола-
предполагает необратимую деформацию решетки.
3. Разрушение — разделение материала
под воздействием силы на макроскопиче-
макроскопические части; разрушение предполагает дви-
движение дислокаций при образовании трещин.
S0
1.11.1.1. Обратимая деформация таблица 26
Изменение формы исчезает после пре-
прекращения действия силы. Деформирован-
Деформированное тело возвращается к исходной форме.
Упругое и неупругое поведение.
Напряжения — это сила реакции, отне-
отнесенная к единице поверхности, которая на-
находится в равновесии с внешними силами
(рис. 1.210).
Рве. 1.210
К твердому телу могут быть приложены
силы двух типов:
а) объемная сила, т. е. прилагаемая к
элементу объема тела;
б) поверхностная, т. е. прилагаемая к
элементу поверхности тела.
Напряжения делятся на нормальные а,
действующие перпендикулярно к рассмат-
рассматриваемой плоскости (рис. 1.211), и каса-
касательные т, действующие вдоль рассматри-
рассматриваемой плоскости (рис. 1.212).
Ряс. 1.211
Рис. 1.212
Удлинение е. Относительный прирост
длины, являющийся результатом действия
напряжений растяжения.
Относительное сужение. В противопо-
противоположность удлинению относительное суже-
сужение возникает вследствие деформации сжа-
сжатия.
Сдвиг или срез у. К сдвигу приводят ка-
касательные напряжения.
Закон Гука. Описывает линейную связь
между напряжением и упругой деформа-
деформацией (изотропное тело). Для нормальных
напряжений а=еЕ, где Е — модуль упру-
упругости; для касательных напряжений r=*yG,
где G— модуль сдвига. Е- и G-модули не-
некоторых материалов приведены в табл. 26.
Коэффициенты а и 0:
G = t/Y.
Модуль всестороннего сжатия. Характе-
Характеризует изменение объема твердого тела при
всестороннем давлении:
К = [3 A — 2v)]-i.
Коэффициент Пуассона v. Отношение по-
поперечного сжатия к продольному удлине-
удлинению v=e9/e.
Материал
А1
РЬ
Аи
1г
Cd
Си
Mg
Mo
Ni
Pt
Ag
W
Zn
Sn
Бронза
Чугун
Известняк
Стекло
Бетон
Фарфор
Сталь
Рессорная сталь
Латунь
?.10", МПа
0,73
0,17
0,8
5,3
0,51
1,2
0,41
2,8
1,99
1,7
0,79 .
3,55
0,4—1,3
0,54
1.1
0,75
0,25—0,7
0,51—0,63
0,1—0,4
0,008
2,0
2,2
1,03
О-10», МПа
0,26
0,08
0,28
0,20
0,45
0,19
1,45
0,78
0,62
0,29
1,31
0,3—0,5
0,18
0,45
0,30
0,15—0,30
0,2—0,8
0,1
0,85
0,42
Модули всестороннего сжатия и коэффи-
коэффициенты Пуассона для некоторых материа-
материалов— см. табл. 27.
ТАБЛИЦА 27
Материал
А1
РЬ
Аи
Cd
Си
Mg
Mo
Ni
Pt
Ag
W
In
Стекло
Чугуи
Латунь
Рессорная сталь
Строительная сталь
К. Ю» ат
0,73
0,44
1,7
0,49
1,45
0,3
2,27
2
2,85
1,02
3,45
0,59
0,34—0,77
0,78
1
0,54
1,7
V
0,34
0,45
0,42
0,30
0,35
—
0,30
0,39
0,38
0,17
0,25
0,2—0,25
0,26
0,35
0,29
0,29
Некоторые сведения из теории упруго-
упругости:
а. Справедливость закона Гука. Так как
кристаллические материалы анизотропны, •
эффект упругой деформации различен в
разных кристаллографических направле-
направлениях. Е, G зависят от кристаллографиче-
кристаллографического направления.
S1
б. Квазиизотропное состояние (см. 1.1).
Поликристаллические материалы квазиизо-
тропны вследствие большого числа крис-
кристаллитов (зерен) со статистическим рас-
распределением их ориентации в пространстве;
в этом случае ориентационная зависимость
упругих констант макроскопически практи-
практически не проявляется.
в. ?-модуль — функция сил связи. Силь-
Сильная межатомная связь проявляется, напри-
например, в том, что материалы с высокой точ-
точкой плавления имеют также высокий мо-
модуль Е. Особенно высокий модуль Е име-
имеют материалы с ковалентной связью
(направленные силы связи), например
алмаз.
г. Отклонения от идеально упругого по-
поведения. Хотя каждому значению напряже-
напряжения соответствует определенное значение
удлинения, имеется еще и упругое после-
последействие (дополнительная, зависящая от
времени деформация, которая в конечном
счете может исчезнуть) или неупругая де-
деформация.
В ходе цикла нагружения — разгружения
какого-либо материала происходит потеря
энергии, которую можно оценить по петле
гистерезиса на диаграмме (рис. 1.213).
Нагружение
Разгружение
I Упругая деформация
\ Неупругая деформация
Рис. 1.213
Потеря энергии — внутреннее трение —
см. 1.11.
1.11.1.2. Необратимая
деформация
Это деформация, которая сохраняется
после снятия нагрузки, после устранения
действия внешней силы.
При этом различают:
а) пластическую деформацию, т. е. де-
деформацию, при которой сохраняется изме-
изменение формы после перехода через порого-
пороговые значения (напряжения течения, преде-
предела текучести), и б) вязкое течение, т. е.
непрерывно сохраняющуюся деформацию
без порогового значения напряжения (нью-
(ньютоновское течение).
Пластическая деформация — или необра-
необратимое изменение формы — есть результат
необратимого перемещения дислокаций.
Пластическая деформация используется
при реализации многих технических спосо-
способов получения готовых изделий или полу-
полуфабрикатов— прокатка, ковка и т. п. (см.
5.0).
Пластическая деформация может осуще-
осуществляться скольжением и двойникованием.
Геометрия деформации. Рассмотрение от-
относится к монокристаллу (рис. 1.214). При
пластической деформации скольжение
атомных слоев происходит вдоль опреде-
определенных кристаллографических . плоскостей
и направлений.
Системы скольжения (см. 1.5.2) пред-
представляют собой сочетание определенной
плоскости скольжения и определенного на-
направления скольжения.
На металлографическом шлифе после
деформации видны следы скольжения в
виде линий, полос и пачек скольжения.
Системы скольжения для различных
кристаллов даны в табл. 28.
Важнейшие типы решеток (см. 1.1) — см.
табл.- 29.
Критическое напряжение течения. Сдвиг
атомных слоев при пластической деформа-
деформации появляется тогда, когда переходят оп-
определенное значение т; это граничное зна-
значение и является критическим (тКрит).
Закон Шмида—Боаса. Позволяет опреде-
определить напряжения течения т, возникающие
в монокристалле при приложении внешнего
растягивающего напряжения 0; напряже-
напряжение течения т действует в плоскости
(hkl) и направлении [uvw].
На рис. 1.218 [13] показана связь меж-
между направлением растяжения, плоскостью
скольжения и направлением скольжения:
i = a sin ф cos if, где sin <p cos if — ориента-
ционный фактор; <р — угол между направ-
направлением растяжения и плоскостью скольже-
скольжения; if — Угол между направлениями рас-
растяжения и скольжения.
Граничные случаи справедливости зако-
закона — отсутствие деформации: т = 0;
о||ф = 0; <р = if = 90°; максимальная де-
деформация: Тжах = 0,5 а; <р = if = 45°.
В поликристаллических материалах, где
много систем скольжения, закон начинает
Напряжения сдвига
1131
Рис. 1.214. Схема деформации металла с простой кубической решеткой:
а — до деформации; б — упругая деформация; в — упругая пластическая деформация; г — пласти-
пластическая деформация после снятия нагрузки
92
ТАБЛИЦА 28
Кристалл
Си, Ag, Аи, Ni,
СиАи, a-CuZn,
AICu, AiZn
Al
a = Fe
a-Fe + 4% Si
Mo, Nb
Cd, Zn, ZnCd
Be
Ti
C, Ge, Si, ZnS
(кубич.)
NaCl, KC1, KBr,
KI
*\*
PbTe
NH4C1, NH4Br,
TlCl,MgTl, AuZn,
AuCd
P - CuZn
AgMg
Тип решетки
Г. Ц. К.
Г. ц. к.
О. ц. к.
О.ц. к.
О. ц. к.
Гексагональная,
с/с =1,85
Гексагональная,
с/с= 1,623
Гексагональная,
с/с= 1,568
Гексагональная,
с/а= 1,587
Алмаза
Решетка NaCl
То же
Структура решет-
решетки типа CsCl
То же
Плоскость
скольжения
{Ш}
{111}
{100}
{110}
{112}
{123}
{110}
{110}
@001)
@001)
{ЮЛ}
{юТо}
@001)
{1010}
{юТо}
ПОП}
{ill}
{110}
{110}
{100}
{110}
{321}
Направление
скольжения
<по>
<по>
<по>
<111>
<111>
<111>
<111>
<111>
<2Г10>
<2llO>
<2il0>
<21Г0>
<2П0>
<2l!b>
<2lfO>
<2lfO>
<no>
<100>
<100>
<111>
<Ш>
Примечание
__
Появляется дополнитель-
дополнительно при температуре вы-
выше 450 °С
Скольжение по двум
различным плоскостям
{110} может быть пред-
представлено в виде сколь-
скольжения по {112} или
{123}
Появляется при 225 СС,
а также дополнительно
в особых условиях
Играет возрастающую
роль при комнатной и
более высоких темпера-
температурах при подходящей
ориентации монокри-
монокристалла и вообще при
высоких температурах
для поликристаллов; по-
повышает низкотемпера-
низкотемпературную пластичность
магния
Направление скольже-
скольжения Ge <110>
выполняться в той из них, в которой рань-
раньше всего достигается ткр.
Монокристалл. ткР — параметр, характе-
характеризующий пластическое поведение моно-
монокристалла, ткр зависит от степени чистоты,
наличия фаз выделений, температуры, ско-
скорости деформации. На рис. 1.219 показан
деформированный монокристалл в поляри-
поляризованном свете [121].
Двойникование. Двойникование наряду со
скольжением также один из способов
пластического формоизменения. (Кроме
того, двойники возникают, например, при.
рекристаллизации — см. 1.10.3, при поли-
полиморфном превращении.) При воздействию
определенного напряжения течения участок
решетки как бы опрокидывается, представ-
представляя собой зеркальное изображение смеж-
ТАБЛИЦА 29
Гексагональная решетка
Г. ц. к. решетка
О. ц. к. решетка
Плоскость скольжения @001) —
наиболее плотная упаковка. Кро-
Кроме того, плоскость призмы и пи-
пирамиды =f(e/a); с/а= 1,633
Beoi-Zr a-Ti Ug Zt Cd
\ ./ \ /
. ¦ Д D . О
1,58 1,59 1,59 1,625 1,865 1,89
Пластичность уменьшается при
увеличении с/а
Плоскость A11), на-
направление [ПО], имеется
12 систем скольжения;
хорошая деформируе-
деформируемость таких металлов,
как Си, Ni, A1
s
¦
1
Плоскости (ПО), A12),
A23), направление [111]
(диагональ куба); реализу-
реализуются в определенной после-
последовательности скольжения
и, кроме того, есть f (T);
Т Г
При увеличении температу-
температуры: {112} или {321}
Направление
скольжения
Плоскость
скольжения
Рис. 1.218
ного с ним участка решетки. Достигаемая
при этом величина пластической деформа-
деформации значительно меньше, чем при скольже-
скольжении.
Двойникование происходит тогда, когда
затруднено скольжение (особенно при по-
пониженных температурах)—см. рис. 1.220.
В о. ц. к. решетке: плоскость A12) —
плоскость двойникования, а/Ь [111] —на-
—направление двойниковаиия.
В г. ц. к. решетке: плоскость A11) —
плоскость двойникования; а/Ь [211]—на-
[211]—направление двойникования.
Дислокационный механизм пластической
деформации
а. Теоретическая прочность на сдвиг. Про-
Противоречия между теоретически рассчитан-
рассчитанными значениями прочности для скольже-
скольжения и значениями, полученными из экспе-
эксперимента, являются кажущимися. Теорети-
Теоретическая прочность рассчитана, исходя из
идеальной решетки, а в реальном кристал-
кристалле имеющиеся дислокации допускают более
легкий сдвиг атомных плоскостей, опреде-
определяющий пластическую деформацию, при
гораздо меньших напряжениях.
При наличии дислокаций критическое
напряжение течения: ткр«2-10-4 G.
б. Предел текучести. Процесс пластическо-
пластического течения является температуриозависи-
мым, что можно видеть по изменению
диаграммы напряжение—деформация, сня-
снятой при различных температурах. Переход
от упругой к пластической деформации оп-
определяется началом необратимого движе-
движения дислокаций в решётке; при этом так-
также возможно взаимодействие между дисло-
дислокациями и внедренными атомами (рис.
1.221).
В ненагружениом кристалле часть ино-
инородных атомов диффундирует к дислока-
дислокациям (что определяется происходящим при
этом снижением энергии дислокаций). При
этом вокруг дислокаций образуются ат-
атмосферы атомов примесей облака (Кот-
трелла). В этих облаках атомов примесей
больше, чем в среднем в кристалле.
В нагруженном кристалле для отрыва
дислокаций от облаков Коттрелла необхо-
необходимо приложить более высокое напряжение
(Сво), чем обычно необходимое (с««). При
достижении 0so начинается интенсив-
интенсивное движение дислокаций и одновремен-
одновременный спад напряжения до аеи. При такой
неустойчивости процесса пластического те-
течения происходит размножение полос Лю-
дерса.
в. Деформационное упрочнение в про-
процессе пластической деформации. Наряду с
Рис. 1.219. Монокристалл в поляризованном свете
Рис. 1.220
ZE — плоскость
двойниковая
Г
/
/
ч
\j kj К/ A/ jsj Jbjj
Удлинение е ——
Phc. 1.221
~2Е
отрывом закрепленных дислокаций при де-
деформировании происходит, и это очень
важно, образование большого числа новых
дислокаций. В результате такого размно-
размножения плотность дислокаций возрастает с
16е—108 в отожженном состоянии до 1010—
1012 после пластической деформации. Из-за
образования новых дислокаций и повы-
повышения их плотности появляются прогрес-
прогрессивно увеличивающиеся ограничения для
движения каждой дислокации. Взаимные
ограничения движения дислокаций служат
причиной деформационного упрочнения.
г. Кривые напряжение—деформация.
Описывают процесс деформационного уп-
упрочнения. Кривая 1 (рис. 1.222) описыва-
описывает поведение г. ц. к. монокристалла. / ста-
стадия отвечает начальной пластической де-
деформации без большого упрочнения, что
определяется слабым взаимодействием
между дислокациями, движущимися вна-
вначале по непересекающимся системам сколь-
скольжения. Отсюда дислокации могут пройти
Сдвиг ¦
Рис. 1.222
сравнительно большой путь до встречи с
препятствием. / стадия обозначается поэ-
поэтому как легкое или единичное скольже-
скольжение, так как дислокации движутся в од-
одной системе скольжения и имеют большую»
длину свободного пробега.
Стадия // — крутой подъем кривой уп-
упрочнения; множественное скольжение, так
как при увеличении деформации дислока-
дислокации перемещаются по многим, в том числе
и пересекающимся системам скольжения;
сильное взаимодействие между дислока-
дислокациями; таким образом, для совершения
следующего этапа деформации необходи-
необходимо прилагать более высокое напряжение;
сильное деформационное упрочнение.
Стадия III — уменьшение упрочнения
вследствие динамического возврата. Дисло-
Дислокации обходят препятствия с помощью по-
поперечного скольжения. Возможность тако-
такого обхода есть функция энергии дефектов
упаковки. Стадия III тем более четко вы-
выражена, чем выше энергия дефектов упа-
упаковки. При горячей деформации образует-
образуется еще стадия IV—динамической полиго-
низации или динамической рекристаллиза-
рекристаллизации [14].
Кривая 2 характеризует процесс, когда
превалирует множественное скольжение.
д. Упрочнение твердых растворов. Упроч-
95
нение является следствием взаимодействия
дислокации и атомов примесей (рис.
1.223). Вокруг атомов примесей или леги-
20
15
10
5
/
/ Cu-Sb
^ Cu-Sn
J Си-In
4 Си-Ли
5 Си-Мл
в Cu-Si
Рис. 1.223
0,5
1,0 % (т.)
рующих элементов в твердых растворах
замещения создаются симметричные иска-
искажения в решетке. Из-за разности атомных
диаметров с атомами матрицы возникают
поля напряжений. Вокруг дислокаций так-
также возникают поля напряжений. Естест-
Естественно, что взаимодействие этих полей на-
напряжений, сопровождающееся тем, что об-
общее искажение решетки понижается, приве-
приведет к тому, что атомы примесей всегда бу-
будут стремится взаимодействовать с дисло-
дислокациями, так как при этом энергия послед-
последних будет уменьшена.
Энергия дислокаций пропорциональна
модулю сдвига. При этом ДО может быть:
положительным (+AG)—дислокации от-
отталкиваются чужеродными атомами или
отрицательным (—AG) — дислокации при-
притягиваются чужеродными атомами.
Дальнейшее движение дислокаций в обо-
обоих случаях затруднено. Взаимодействие
чужеродных атомов в решетке с дислока-
дислокациями ведет к росту так называемого тре-
трения решетки.
Расчет напряжения течения в этом слу-
случае: t=tKP+aGc1^2 , где а — коэффициент
удельного твердорастворного упрочнения
для данного вида атомов; с — концентрация
атомов примесей (легирующих элемен-
элементов), %.
Упрочнение твердого раствора при взаи-
взаимодействии дислокаций с атомами внедре-
внедрения больше, чем при взаимодействии с ато-
атомами замещения. Это определяется не
только спецификой создаваемых полей на-
напряжений вокруг дислокаций (особенно
вокруг винтовых), но и тем, что междо-
узельные атомы определяют возникновение
нормальных и тангенциальных напряжений,
которые вступают во взаимодействие со
всеми дислокациями. Поэтому атомы внед-
внедрения сильнее взаимодействуют с дислока-
дислокациями, чем атомы замещения.
В технике используется упрочнение твер-
твердых растворов, которые оказываются проч-
прочнее чистых компонентов. Имеет значение
растворимость атомов примесей в матрице:
чем меньше растворимость, тем сильнее
сказывается твердорастворное упрочнение,
так как атомы примесей главным образом
взаимодействуют с дислокациями.
Упрочнение в твердых растворах возмож-
возможно также в результате упорядочения. Сна-
Сначала образуется антифазиая (межфазная)
граница, а затем сверхдислокации, которые,
переходя в соседнюю систему скольжения,
препятствуют перемещению других дисло-
дислокаций.
1.11.1.3. Процессы деформации
в поликристаллических
материалах
При обсуждении процесса пластического
течения в поликристаллах необходимо при-
принять во внимание:
а) различную ориентировку отдельных
кристаллов;
б) наличие границ зереи как препятствий
движению дислокаций;
в) различные упругие и пластические
свойства кристаллов, если речь идет о двух-
двухфазном поликристалле.
Микропластичность. Процесс скольжения
сначала происходит в отдельных немногих
благоприятно ориентированных кристаллах.
Движение дислокаций во всем конгломера-
конгломерате кристаллов предполагает реализацию
примерно пяти систем скольжения (акко-
(аккомодационное скольжение). Таким образом,
вначале пластическая деформация будет
небольшой и в немногих благоприятно
ориентированных кристаллитах, пока на-
напряжение не возрастает до высоких значе-
значений, необходимых для совместности дефор-
деформации в стыкующихся кристаллитах.
Зернограничное упрочнение. Границы зе-
зерен служат препятствиями для движения
дислокаций. Если в зерне с благоприятной
ориентировкой достигается напряжение,
необходимое для работы источника дисло-
дислокаций, раньше, чем в соседнем кристалле,
тогда в благоприятно ориентированном
зерне происходит вначале движение, а за-
затем и скопление дислокаций, пришедших к
границе зерна. Возникающие поля напря-
напряжений накладываются на внешние: это мо-
может привести к тому, что в соседних зернах
будет достигнуто активирующее на-
напряжение течения. Таким способом распро-
распространяется пластическая деформация в со-
соседние объемы (зерна). Процесс затрудня-
затрудняется, когда размер зерна уменьшается
(число скопившихся на границах зерен
дислокаций уменьшается, уменьшаются по-
поля напряжений, но главное — увеличивает-
увеличивается набор разориентировок зерен, что сум-
суммарно делает границы более эффективным
препятствием).
Соотношение Холла—Петча. Эмпиричес-
Эмпирическое соотношение между размером зерна и
пределом текучести для поликристалличес-
поликристаллических материалов (зависимость справедлива
только для чистых металлов или сплавов
без субструктуры и без вторых фаз).
as — ac + ks d~~112, где as — предел теку-
текучести; а — напряжение трения решетки
(напряжение начала движения дислока-
дислокации, когда d — диаметр зерна -мх>->- пере-
ход в монокристалл); ks — константа (учи-
(учитывающая влияние структуры границ зе-
зерен, степени закрепления дислокаций, ле-
легирования) .
Зернограничное скольжение. При темпе-
температуре >0,5 Ts скольжение может разви-
развиваться преимущественно в приграничных
объемах. Процесс может быть объяснен
только с помощью движения дислокаций,
приходящих изнутри зерен. Это, очевидно,
объемный эффект.
Зернограничное (приграничное) сколь-
скольжение является преимущественным видом
пластической деформации при высоких
температурах (см. 1.11.1.4).
Сверхпластичность. Явление было откры-
открыто сначала ' на эвтектоидных сплавах Zn—
А1 B2 % А1). Состояние сверхпластичности
имеет меньшее значение для материалов,
пластичность которых велика и при обыч-
обычных условиях деформации, но сверхплас-
сверхпластичность важна для таких материалов,
формоизменение которых, во-первых, за-
затруднено (труднодеформируемых), а во-
вторых, когда на практике можно допус-
допустить те условия, в которых сверхпластич-
сверхпластичность реализуется: низкие скорости и изо-
изотермические условия деформирования.
В условиях сверхпластичности при рас-
растягивающем напряжении удлинение может
достигать нескольких сот процентов, а су-
сужение 100%- Это наблюдается в материа-
материалах, в которых в процессе деформации име-
имеет место структурное превращение (сверх-
(сверхпластичность превращения), а также в
весьма мелкозернистых сплавах (структур-
(структурная сверхпластичность); механизм процес-
процесса дислокационный.
На сверхпластичность влияют температу-
температура деформации и скорость деформации.
При нормальном поведении металлического
материала напряжение текучести = f (е);
оР=Кеп (п=0,05-^-0,2). При сверхплас-
сверхпластическом поведении напряжение течения
= f(e),_ где е — скорость деформации;
Ор = К ет, где т = dig cr/d lg e; m =
= ОДч-ОД
Возможные факторы, которые могут рас-
раскрыть механизм сверхпластичности (веро-
(вероятно, Ъ общем три критерия):
а) движение вакансий через решетку или
вдоль границ зерен, вызванное напряже-
напряжениями;
б) большая доля приграничного сколь-
скольжения (движение зернограничных дислока*
пни);
в) динамические процессы возврата (ре-
(рекристаллизация) в процессе деформации.
Примеры сверхпластичного поведения не-
некоторых материалов — см. рис. 1.224 и
1.225.
Остаточные напряжения (иначе внутрен-
внутренние напряжения). Появляются вследствие
искажений решетки, возникающих в про-
процессе фазовых превращений и пластической
деформации. Причина их возникновения —
скопления дислокапий у различного рода
препятствий, создание суммарных полей
1 А. А. Бочваром и 3. А. Свидерской.
Прим. ред.
7—140
напряжений в этих скоплениях. Внутренние
напряжения действуют независимо от внеш-
внешнего нагружения, они могут с ними совпа-
совпадать по знаку или быть направленными в
противоположном направлении.
1000
500
J00
100
50
30
го
/77=0,43 x Sn - 32Pb - 18Cd (ЧОООч)
m=0,lt85\
Bi -32Pb-16Snf~roOOv)
a Sn
Pb
m=0,38
m=0,305
0,1 0,20,30,5 1 2 345 10 2030
1
г, мин
'1
Рис. 1.224. Зависимость удлинения от скорости
растяжения для Pb, Sn и различных сплавов.
В скобках — продолжительность вылеживания
2000
1000
500
200
100
50
20
10
0,1
- v 7
- vZ
A 3
-
+ -
-/
/l 1
15 0,07 0,1
У
i i i i i
0,2 0,3 0,b 0,5 0,1 1,0
/77
Рнс. I.22S. Зависимость удлинения С (%)
от коэффициента in:
I — сплавы Sn—BI (при комнатной темпе-
температуре); 2 — сплавы Zn—20А1 при 50^-
250 °С; 3 —стали при 900—1200 °С; 4 —
сплавы титана при 25—1000 °С
Внутренние напряжения разделяют иа:
а) термические напряжения, возникающие
из-за градиента температур в объеме тела;
б) структурные напряжения, появляю-
появляющиеся в результате фазовых превращений
(особенно идущих с изменением объема).
Внутренние напряжения влияют на ме-
механические свойства. Если внутренние нат
пряжения являются сжимающими, тогда
они полезны, так как они как бы компен-
компенсируют (уменьшают) опасные растягиваю-
растягивающие внешние напряжения (опасные с точки
зрения возникновения трещин). Это озна-
означает, что для образования зародышевой
трещины требуется приложить более высо-
высокое напряжение, чтобы преодолеть дейст-
действие остаточного сжимающего напряжения
(особенно на поверхности — см. далее).
Отрицательное влияние остаточных на-
напряжений:
а) вызывают охрупчивание (например, в
местах сварки);
97
б) вызывают изменение размеров (по-
(поводка, коробление);
в) изменяют электрохимический потен-
потенциал (коррозия);
г) изменяют электрические и магнитные
свойства.
Положительное влияние:
а) сжимающие напряжения создаются
специально на поверхности материалов для
повышения их статической прочности (при
изгибе или кручении);
б) напряжения сжатия на поверхности
имеют положительное влияние на увеличе-
увеличение усталостной прочности.
Эффект Баушингера. Объясняется нали-
наличием остаточных напряжений. Эффект со-
состоит в том, что в условиях деформации
при незначительном нагружении, отвечаю-
отвечающем переходу из упругой в пластическую
область вначале в прямом, а затем в об-
обратном направлении (например, материал
вначале сжимается, а затем растягивается),
напряжения течения в прямом и обратном
направлении не совпадают.
Текстуры деформации. Деформация ве-
ведет не только к изменению формы (вытяж-
(вытяжке) зерен и образованию металлографичес-
металлографической текстуры (волокнистости), но и к то-
тому, что при этом зерна приобретают пред-'
почтительную ориентировку (своими плос-
плоскостями и направлениями) относительно
направленного течения металла при дефор-
деформации. Возникает кристаллографическая
текстура деформации.
Различают обычно текстуру волочения и
текстуру прокатки. Текстуры деформации
[13] приведены в табл. 30.
ТАБЛИЦА 30
Решетка
Г. ц. к.
О. ц. к.
Г. п. у.
Текстура
волочения
Текстура прокатки
Крн сталлографнческие
направления
в направлении
волочеиня
[111] и [100]
[ПО]
* [юГо]
плоскости
в плоскос-
плоскости про-
прокатки
A23)
@11)
@11)
@001)
направле-
направления в
направле-
направлении про-
прокатки
[412]
[211]
[ПО]
[1010]
Текстуры деформации описывают с по-
помощью полюсных фигур (см. 1.1).
Вязкое течение. Термически активируе-
активируемый процесс. Представляет собой коопера-
кооперативное движение молекул и групп молекул.
У металлов не наблюдается; имеет значе-
значение, например, для пластмасс и аморфных
веществ. Скорость деформации является
функцией коэффициента вязкости, а также
температуры.
1.11.1.4. Ползучесть и релаксация
Ползучесть — деформация при постоян-
постоянной нагрузке, зависящая от времени.
Релаксация — зависящее от времени
уменьшение напряжения, необходимого для
поддержания определенной исходной де-
деформации.
Процессы ползучести и релаксации про-
проявляются в материалах с псевдокристалли-
псевдокристаллической структурой (стекло, высокополимер-
высокополимерные вещества) при низких температурах и
в материалах с кристаллической структу-
структурой (металлы) при повышенных температу-
температурах.
Кривые ползучести для металлов и спла~
вое. Деформация ползучести е.= f (t). Кри-
Кривые ползучести имеют три стадии — /, //,
III (рис. 1.226). В общем виде удлинение
t
?
1
I/
Ш/
\/
7
Ш/
—
-t,
Рнс. 1.226
при ползучести е = f (t) для металлов опи-
описывается степенной зависимостью e,~tmr
где t — время.
/ стадия. ш<\. Неустановившаяся ста-
стадия ползучести. Обычно при сравнительно-
низких температурах и незначительных на-
напряжениях: гт = a lg t. На этой стадии про-
происходит в основном пересечение дислока-
дислокаций (множественное скольжение), ведущее
к упрочнению и затуханию деформации,
(ползучести).
Переход от / ко // стадии. Граничные
условия /->¦// перехода: ei, n= P t'/t =
= $tll*+kt. Уменьшение деформационного
упрочнения путем поперечного скольжения
и переползания. Начало полигонизации.
// стадия. Установившаяся ползучесть-
еи = kt. Постоянная скорость ползучести.
Динамическое равновесие между процесса-
процессами деформационного упрочнения (введение
дислокаций) и динамического разупрочне-
разупрочнения (при переползании и поперечном сколь-
скольжении дислокаций). Эти последние процес-
процессы перераспределения дислокаций ведут к
образованию полигонизованной структуры.
II стадия отвечает случаям нагружения,.
наиболее распространенным в технике ис-
использования жаропрочных сплавов.
III стадия. При данных условиях иагру-
жения наблюдается прогрессивно растущее
удлинение ползучести. Высокая температу-
температура, высокое напряжение. Зернограничное
скольжение, порообразование, трещины, ве-
ведущие к разрушению.
98
1.11.1.5. Явления разрушения
Разрушение — это обычно конечная ста-
стадия процесса деформации, заканчивающей-
заканчивающейся разделением тела на макроскопические
части. Разрушение представляет собой
следствие разрыва сил связи между атома-
атомами или молекулами под действием внешних
и внутренних напряжений.
Принципиальная возможность разделения
материалов на отдельные части, определя-
определяющая основные явления разрушения [3],
может быть реализована при воздействии
нормальных напряжений — рис. 1.227 или
при воздействии касательных напряже-
напряжений—рис. 1.228.
ления, примеси, тонкаи структура и т.д.
Характерные виды разрушения. На мик-
микроскопическом уровне различают:
а) случай, когда развивающийся процесс
скольжения формирует плоскость будуще-
будущего излома; последующий процесс отрыва
А тонный уровень
Ионы и Границы'субзерен и-
электронный газ Дислокации фазы выделения
Ю~5сн
Макроскопический уровень
СуВструктура,олреде- Границы зерен Области интен-
ляеман следами схоль-и включения сивноео течения
тения ro
Pudm
Рнс. 1.227. Разрушение под действием нор-
нормальных напряжений
Рис. 1.228. Разрушение под действием каса-
касательных напряжений
Теоретическая оценка напряжения, необ-
необходимого для преодоления межатомных
сил связи (идеальная прочность на разрыв
« идеальная прочность на сдвиг аИд, ТиД—
характерные значения, получаемые при
рассмотрении бездефектного идеального
кристалла): ОиЯжЕ/10; ТидЯйб/Ю.
Разрушение. Определяется процессами
возникновения и распространения трещин,
происходящими последовательно на ато-
атомарном, микроскопическом и макроскопи-
макроскопическом уровнях. Таким образом, различают
эти два процесса, протекающие один за
другим:
1. Образование трещины, начинающееся
¦с возникновения зародышевых трещии, ко-
которые появляются в процессе механическо-
механического нагружения и определяются взаимо-
взаимодействием дислокаций и образованных ими
следов скольжения.
2. Распространение трещины, происходя-
происходящее в две стадии:
а) постепенный рост трещины (докрити-
ческое подрастание до опасного размера).
б) нестабильное распространение трещи-
яы, когда она достигает критического или
закритического размера, приводящее к раз-
разрушению.
Схема раскрытия трещин, связанного с
ях распространением, приведена на" рис.
1.229.
Факторы, влияющие на возникновение
<(и распространение) разрушения:
а) вид нагружения (+ внутренние на-
напряжения); б) температура; в) форма об-
образцов или деталей; г) окружающие усло-
условия (среда); д) характер материала: хи-
химический состав, размер зерен, фазы выде-
Ю~2см.
//акросколичес/гий уровень
Пластическая Лоле напряжений у Трещина, иже
гона вершины трещины имеющаяся в
10''см 1см изделии 10см
\\\\\
а
Рис. 1.229
идет или по поверхностям раздела (грани-
(границам зерен) или по плоскостям спайности;
б) разрушение отрывом, которое может
быть: интеркристаллитиым (межзереи-
иым) — по границам зерен, транскристал-
литным (через зерна) —по плоскостям
спайности;
в) в ряде случаев разрушение может
быть смешанным: плоскость излома прохо-
проходит и через зериа, и между ними.
На макроскопическом уровне различают:
а) срез (рис. 230,а);
a ff
Рис. 1.230
б) двойной срез (рис. 230, б);
в) излом под действием нормальных на-
напряжений, ио с губами среза (с утяж-
утяжкой) — с частичной пластической деформа-
деформацией (рис. 230, в);
г) разрушение только под действием
нормальных напряжений без следов пласти-
пластической деформации (рис 230,г).
Типы разрушения. На практике разруше-
99
ние подразделяют на хрупкое, вязкое и
усталостное.
Хрупкое разрушение. Это разрушение без
макроскопической деформации или с очень
малой деформацией. Хрупкое разрушение
наиболее опасно потому, что в большинст-
большинстве случаев происходит при напряжениях
ниже предела текучести материала. Хруп-
Хрупкое разрушение может также происходить
при напряжениях выше исходного предела
текучести, если в ходе нагружения проте-
протекает сильное деформационное упрочнение.
Начинается обычно и а внешних рисках,
поверхностных надрезах или на уже имею-
имеющихся трещинках; при этом происходит
быстрое «расширение» трещинок или дру-
других зародышевых дефектов.
а. Факторы, способствующие хрупкому
разрушению:
— конструктивная форма: иасеч-
ки, риски, резьба, резкое изменение сече-
иия, толстостенные детали;
— технология: поверхностные де-
дефекты или трещинки как следствие непра-
неправильной сварки, закалки, шлифовки; обра-
образование сложного и опасного поля внут-
внутренних напряжений, особенно при сварке;
— условия нагружения: низкие
температуры, ударные нагрузки, многоос-
многоосное напряженное состояние;
— внешние условия: коррозионная
среда — коррозионное растрескивание, ох-
рупчивание под влиянием жидкого метал-
металла, водородное охрупчивание;
— структура материала: небла-
неблагоприятная (с точки зрения хрупкого раз-
разрушения)— о. ц. к. или. гексагональная ре-
решетка; крупнозернистая структура; фазы
выделения на границах зерен (особенно
пленочного залегания); старение; вредные
примеси и неметаллические включения.
б. Важное влияние на хрупкое разруше-
разрушение оказывают:
— форма и вообще наличие надреза на
образце, а также низкая температура
(рис 1.231). На этом рисунке Тг-
Напряжение
щшения
г 3<
Температура
Рнс. 1.231. Напряжение разрушения и темпера-
температурная кривая остановки трещин (CAT)
200 °С для стали; образец без надре-
надреза. Напряжение (сопротивление) разруше-
разрушению при низких температурах падает до
величины предела текучести. Т2: (NDT —
температура нулевой пластичности), на-
напряжение (сопротивление) разрушения об-
образцов с надрезом равно пределу теку-
текучести. При температуре ниже NDT — хруп-
хрупкое разрушение. CAT — температура
задержки (остановки) трещины.
При увеличении глубины надреза кривая
напряжение разрушения — температура
сдвигается к границе CAT, которую (CAT)
можно рассматривать как температуру, на-
настолько высокую, что она задерживает рас-
распространение трещины. Здесь надрез ие-
ведет к разрушению — трещина останавли-
останавливается. Когда длина трещины критическая
и величина нагрузки сохраняется примерно-
одинаковой, остановки трещины не проис-
происходит и выше CAT. Это наблюдается, на-
например, в наполненных газом баллонах в
трубах. В этом случае разрушение разви-
развивается нестабильно — возможно неожидан-
неожиданное (преждевременное) разрушение.
7*з : САТ-кривая достигает предела текуче-
текучести; точка пересечения называется FTE
(критическая температура разрушения при
переходе от упругой деформации). Т*: точ-
точка пересечения с пределом прочности при
растяжении — FTP (критическая температу-
температура разрушения при переходе от пластиче-
пластической деформации);
— Скорость нагружения. Увеличение ее
приводит к смещению хрупного разрушения
к более высокой температуре;
— Напряженное состояние. Многоосное
напряженное состояние изменяет соотноше-
соотношение между компонентами нормальных и
касательных напряжений. Характеристика
напряженного состояния: n=Ov/oi, где п —
способность к пластифицированию (коэф-
(коэффициент мягкости напряженного состоя-
состояния); ai — наибольшее действующее глав-
главное напряжение; cv — приведенное напря-
напряжение (сопоставимое), равное •
Критерии:
я=1; одноосное напряженное состоя-
состояние (сг2=о"з=0);
>я=0; гидростатическое напряженное
состоянние (ai=OT2==or3=0);
ji-vO; уменьшается способность к пла-
пластическому деформированию; склон-
склонность к хрупкому разрушению увели-
увеличивается.
в. Механизмы образования зародышевых
трещии, являющихся причиной хрупкого
разрушения.
Хрупкое разрушение предполагает нали-
наличие зародышевых трещин способных к рос-
росту, т. е. имеющих размер больше критиче-
критического. Это трещинки в виде сварочных тре-
трещин, дефектов поверхности, закалочных
трещин; зародышевые трещины могут так-
также образовываться в процессе иагружеиия
(в том числе микропластического иагруже-
иагружеиия) .
Модельные представления [13] создания
концентрации напряжений, результирующее
поле которых достаточно для образования
трещины — см. рис. 1.232. На этом рисун-
рисунке: а — скопление дислокаций у границы
зерна; б — совместное движение дислока-
дислокаций по двум пересекающимся системам
скольжения и их скопление в месте встречи
100
^Граница зерна
в
Включение
i
Рис. 1.232
этих систем; в — расклинивание границы
субзерна, г — скопление дислокаций у вклю-
включения.
Поверхность хрупкого разрушения бле-
блестящая, кристаллическая.
Вязкое разрушение. Сопровождается
значительной пластической деформацией.
Является результатом медленного подрас-
подрастания достаточно длинных трещин. Меха-
Механизм вязкого разрушения основан на обра-
образовании и совместном росте внутренних
пор (полостей), образующихся вокруг не-
неметаллических включений и фаз выделений.
Вязкое разрушение [3] возникает:
а) путем образования пор в области
шейки растягиваемого образца (рис. 1.233);
б) путем медленного роста ступенчатой
трещины при образовании полостей и ямок
перед ее вершиной (рис. 1.234).
Рис. 1.233
Трещина^
Рис. 1.234
Образование пор или полости (например,
при пластической деформации) у неметал-
неметаллических включений или вокруг фаз выде-
выделений можно изобразить в виде двух моде-
моделей [3]:
1. Скопление дислокаций у границы раз-
раздела частицы — матрица и частичное пе-
перерезание частицы (рис. 1.235).
т т
Рнс. 1.236
2. Скопление дислокаций у границы раз-
раздела и разрушение частицы (рис. 1.236).
Поверхность разрушения выглядит мато-
матовой, шероховатой, в ямках.
Усталостное разрушение возникает в про-
процессе циклического (часто повторяющегося),
иагружения; результат такого нагруже-
ния — необратимый процесс накопления
повреждений, являющихся по существу
очагами будущего разрушения. Ниже дано-
макроскопическое рассмотрение.
Формы разрушения [11] —рис. 1.237..
Поверхности излома показаны на рис>
1.238.
Вид
иагружения
Растяжение
Односторонний
изгиб
Двусторонний
изгиб
Знакопеременный
изгиб
Кручение
Высокие
собственные
напряжения
Гладкие Образцы Гладкие Образцы
Разру-
Разрушение
Малые
собственные
напряжения
Как при
Высоких
собственных
напряжениях
Рис. 1.237
Рнс. 1.238
1 — поверхность усталостного
разрушения с бороздками; 2 —
зона долома
Поверхность собственно усталостного
разрушения A на рис. 1.238) — область
образования, роста и слияния первичных,
трещинок — затертая плоская и гладкая^
За ней следует бороздчатая рифленая по-
поверхность, концентрические бороздки кото»
рой являются мерой скорости роста уста-
усталостных трещин. Поверхность долома B на
рис. 1.238) — окончательного разруше-
разрушения — имеет иной вид по сравнению с по-
поверхностью собственно усталостного изло-
излома. Долом также часто называют устало-
усталостным разрушением.
Процесс накопления повреждений разде-
разделяют иа три стадии (возможно наложение
отдельных стадий друг на друга);
— упрочнение: возникновение и движе-
движение дислокаций; торможение дислокаций;
наклеп; создание скоплений дислокаций;
— образование трещин: отсутствие дви-
движения дислокаций (или их незначительное
движение) внутри образца (тела); при
этом иа поверхности могут быть: а) экст-
экструзия — маленькие выступы толщиной
0,1 мкм, которые возвышаются над поверх-
поверхностью полос скольжения до 10 мкм, и
101
€) интрузия — маленькие впадинки (канав-
(канавки); действуют как зародыши трещин; в
итоге образуются зародышевые трещины;
— рост зародышевых трещин, являю-
являющийся функцией природы материала, ха-
характера нагружения, вида обработки по-
поверхности.
Методы испытаний на разрушение
1. Метод ударной вязкости (см. 1.11.2.14).
2. Метод определения работы распро-
распространения трещин. Исследуется процесс
перехода покоящейся трещины в трещину,
которая распространяется нестабильно (без
•подвода энергии извне). Образцы с трещи-
трещиной (надрезом) для испытаний на растя-
растяжение или изгиб, доводимые до разруше-
разрушения. Определяют напряжение, необходимое
для самопроизвольного развития трещины
(разрушения), являющееся функцией тем-
температуры; температура, при которой не
происходит уже нестабильного распростра-
яения трещин, соответствует температуре,
яри которой можно вводить (наносить)
трещину в образец до испытаний на раз-
разрушение.
3. Метод остановки трещин. Определение
CAT (по Робертсону). Выше CAT хрупкое
разрушение задерживается за счет разви-
развития пластической деформации (при высо-
высокой температуре — низкий предел текуче-
текучести — иет опасности хрупкого разрушения).
Испытания по методу DWTT для сварных
соединений; развитие метода DWTT — опре-
определение критической температуры перехо-
перехода от вязкого к хрупкому разрушению при
испытаниях падающим грузом.
4. Натурные испытания деталей машин.
Применение сборных конструкционных эле-
элементов, имеющих естественные или искус-
искусственно созданные концентраторы напря-
напряжений. Высокая стоимость испытаний, ре-
результаты ие могут быть перенесены на дру-
другие детали.
Основы механики разрушения. Цель ме-
механики разрушения: исследование на при-
примерах, встречающихся иа практике (напри-
(например, в строительстве), процессов разруше-
разрушения; разработка методов испытаний, ими-
имитирующих реальные случаи разрушения, а
также мероприятий по снижению опасности
преждевременных хрупких разрушений:
вывод количественных критериев для оцен-
оценки поведения материалов и деталей с уче-
учетом имеющихся в них дефектов (трещин)
в критических условиях; оценка наиболее
¦опасного для» развития хрупкого разруше-
разрушения напряженного состояния (в первую
¦очередь плоскодеформированного, а также
плосконапряженного).
Границы применимости механики разру-
разрушения:
а. Механика разрушения дает лишь оце-
оценочные критерии для выбора материалов;
«агружение при испытаниях (и на практи-
практике) всегда должно быть ниже предела те-
текучести.
б. Процесс разрушения при нагружении
выше предела текучести не описывается
яижеприведенными уравнениями, за ис-
исключением случаев испытаний некоторых
материалов, склонных к сильному дефор-
деформационному упрочнению (у которых напря-
напряжение течения растет в ходе испытаний
или в процессе реального нагружения на
практике).
в. Должно быть известно действующее
эффективное напряжение (что нередко
трудно определить для сложных сварных
конструкций).
г. В случае многоосного напряженного
состояния применение основных положений
механики разрушения также затруднено;
необходимы опыты по моделированию;
д. Должны быть известны (и должны
строго соблюдаться) основные геометриче-
геометрические связи между критическими размера-
размерами трещины и критическими иапряжения-
! ми, определяемыми размерами образцов
1 для разных уровней прочности.
е. Механика разрушения является фено-
феноменологической теорией; оиа еще должна
развиваться с тем, чтобы с ее помощью
можно было с большой надежностью выби-
выбирать материалы с высоким сопротивлением
развитию хрупкой трещины. В этой связи
важно отметить, что должна быть найдена
связь между параметрами механики разру-
разрушения и микроструктурой металлов и спла-
сплавов.
Возможности применения параметров ме-
механики разрушения. Параметры Kic и/или
6с зависят от температуры и скорости на-
нагружения. Кроме того, Kic и/или 6С зависят
от размеров образца, в котором должно
быть создано плоскодеформированиое со-
состояние. В этом случае эти параметры бу-
будут однозначной мерой сопротивления ма-
материала разрушению. Отсюда Kic, 6с дан-
данного материала могут быть использованы
для расчетов конструкционных элементов,
имеющих потенциальные дефекты (трещи-
(трещины). Эксперименты по определению Kic
предусматривают нахождение наибольшей
нагрузки, вызывающей хрупкое разруше-
разрушение.
Знание параметров механики разрушения
позволяет сделать выводы о целесообраз-
целесообразности выбора того или иного материала,
способов его сварки, жизнеспособности
конструкционных элементов, а отсюда —
получить данные о замене элементов или их
ремонте.
Возможно также сравнение Kic, 6C с удар-
ударной вязкостью надрезанных образцов раз-
различных металлических материалов.
Теории. Основные положения механики
разрушения, описывающие процесс разру-
разрушения, базируются на следующих теориях
(моделях):
а) линейная механика разрушения
(ЛМР);
б) нелинейная механика разрушения
(разрушение с заметной пластической де-
деформацией) ;
в) разрушение в условиях стабильного
роста субкритических трещин.
Линейная механика разрушения (ЛМР).
Дает количественное описание работы ма-
материалов с трещинами (надрезами), сопро-
сопровождающейся разрушением упруго дефор-
деформированных тел в условиях, когда допу-
допустимо применение линейных законов тео-
теории упругости.
В основе модели лежит энергетический
а 02
баланс при нестабильном распространении
трещины, а также рассмотрение интенсив-
интенсивности напряжений в вершине трещины.
а. Модель Гриффитса: Wv — упругая
энергия; Wo — поверхностная энергия.
МСЕ = тюЧЧЕ; W0 = 4ly0(y0 — удельная
поверхностная энергия).
Основное условие для самопроизвольного
распространения имеющейся зародышевой
эллиптической трещинки длиной 21 в неко-
некотором теле, нагруженном внешним напря-
напряжением а:
dWEldl> dWJdl.
б. Напряжение, необходимое для рас-
распространения трещины:
в. Критическая длина трещины:
уо
г. Работа, необходимая для распростра-
распространения трещины
С = dWE Idl = (F42) (dN/dl), где
N — податливость или величина, обратная
постоянной упругости.
д. Различные виды раскрытия трещин
зависят от схемы нагруження:
— нагруженне типа I (рис. 1.239, а):
простое раскрытие трещины — наиболее
часто встречающийся случай, имеющий по-
поэтому наибольшее практическое значение;
— нагружение типа II (рис. 1.239,6):
трещина раскрывается -при продольном
срезе;
— нагружение типа III (рис. 1.239, в):
трещина раскрывается при поперечном
срезе.
При разных схемах нагружения получа-
получаются различные коэффициенты интенсив-
интенсивности напряжений (кгс-мм~3/2) — соответ-
соответственно Ki, Kn и Km-
е. Коэффициент интенсивности напряже-
напряжений Ki; фактор f (см. формулу) должен
учитывать соотношение между размерами
образца (конструкции) и геометрией тре-
трещины, определяющее создание определенно-
определенного напряженного состояния: Ki=a(nlf)l/2.
ж. Вязкость разрушения Кс Характери-
Характеризует критическое значение коэффициентов
интенсивности напряжений, возникающее
при самопроизвольном распространении
хрупкой трещины критической длины" 1С\
измеряется в кгс-мм~3/2:
Kc = ac(nlcfI'2.
з. Объемное напряженное состояние. При
плоскодеформированном состоянии Ке
а
//
-i i-
j i
Л^
- б
в
уменьшается до минимума; особенно опас-
опасным является тип I раскрытия трещины.
Для этих критических условий вязкость
разрушения обозначают как Ки:
К1с = f (толщины материала).
Величина Ktc— нижняя граница возмож-
возможных значений вязкости разрушения; явля-
является константой для данного материала в
наиболее опасных для развития хрупкого
разрушения условиях; характеризует рабо-
работоспособность материала.
и. Диаграмма сила — смещение (раскры-
(раскрытие трещины). Характеризует поведение
материала в условиях плосконапряженного
и/или плоскодеформированного состояний
(рис. 1.240).
I
Смещение —•—
Рис. 1.240
а — шгоскодеформироваииое состояние; б — плос-
кодеформированное состояние при очень тонких
сечениях. Kc>KIti нестабильность «х» обозна-
обозначается как «pop-in»; в — заметная пластическая
деформация при достижении наивысшей нагрузки;
не отвечает условиям линейной механики разру-
разрушения
к. Соотношения между величинами ме-
механики разрушения [3] —табл. 31.
л. Линейная механика разрушения при
упруго-пластическом распространении тре-
трещины.
Соотношения линейной механики разруг
шения справедливы для очень хрупких ма-
материалов, когда образующаяся у вершины
трещины зона пластической деформации
меньше длины трещины (и, естественно,
много меньше толщины образца).
Радиус зоны пластической деформации:
rs при плосконапряженном состоянии: rs=
=K?CI2nc2s; rs при плоскодеформированном
состоянии rs=(K2lcl2nc1)(\— 2vJ.
Тогда параметры вязкости разрушения
видоизменяются следующим образом.
Критический коэффициент интенсивности
напряжений:
что справедливо при ac/ors<0,6.
Выражение для iCic; Kic=E[(as+ab)l
/Е+п/2] Bяйт)'Л
где п—показатель в уравнении деформа-
цирнного упрочнения;
rfT — диаметр области внутри зоны
пластической деформации, в которой веще-
вещество разрушается, после того как исчерпы-
исчерпывается его способность к деформации. dr
является функцией свойств материала, его
микроструктуры.
м. Влияние скорости деформации на Кс.
Для высокопрочных материалов это влия-
влияние практически отсутствует. Для сталей
средней прочности — см. рис. 1.241. Сниже-
10$
ТАБЛИЦА 31
Вид раскрытия трещины
I плосконапряженное
¦состояние
1 плоскодеформиро-
жанное состояние
II плоско деформиро-
деформированное состояние
III чистое кручение
Напряжение разрушения
BЕур у/2
1 2Еур у/2 .
/ 2Сур \1/2
те — 1 1
tc — 1
Вязкость разрушения
К = (G ЕI^2 = ос (nlf)lt2
GGC \i/2
Примечание. G=?/2(I+v) — модуль сдвига; v — коэффициент Пуассона; ур—энергия
пластической деформации; Gc _ работа, которая должна совершаться при распространении тре-
трещины иа единицу поверхности (кгс-мм/мм2=кгс-мм~х).
деформации действует равномерное напря-
напряжение текучести as.
а. Длина пластической зоны R:
для or/ors<l величина #=»1,23/(о7сг8J;
для о>/с>8~1 величина Rzaa [1—яA—
-о-/сг*)/2].
Расчет R по Ирвину: R=l/[l—
-0,5(ог/ог*J].
б. Раскрытие трещины б: 8=лаЧ/Еа
справедливо для о)ое я* 0,6.
в. Работа, необходимая для раскрытия
трещины G:
С = КЧЕ = 8crs = (лег? ЦЕ) [1 +
+ (o7o-sJ/2] G«0,5-^26ov
В этой зависимости связаны между со-
собой раскрытие трещины, длина трещины,
действующее напряжение, предел текучести
при растяжении.
г. Критическое раскрытие трещины 6С.
Параметр, непосредственно связанный с
пластичностью материалов. Раскрытие тре-
трещины в пластичных материалах до дости-
достижения величины 6С (рис. 1.243—1.245).
Скорость деформации ¦
Рис. 1.241
«ие Kic-*-Kid (динамическая вязкость раз-
разрушения).
Нелинейная механика разрушения. При-
Применима для случаев, когда перед разруше-
лием происходит заметная пластическая
деформация, распространяющаяся на зна-
значительные области (когда ЛМР неспра-
несправедлива). Нелинейная механика разруше-
разрушения применима для конструкционных
материалов средней и низкой прочности.
Согласно модели (рис. 1.242) нелинейная
I , I I I
Puc.1.2ii3
6
PucWt
6
PuctMS
Рис. 1.242
механика разрушения применима, когда на
концах хрупкой трещины, как бы в каче-
«стве ее продолжения, формируется под
влиянием внешнего напряжения реальная
трещина вязкого разрушения. Здесь в
¦большой (по размерам) зоне пластической
В английской литературе — COD (crack
opening displacement).
На рис. 1.246 схематически показаны об-
области, для которых можно применять раз-
различные критерии разрушения [104]. Пояс-
Пояснения к рисунку см. в табл. 32.
J04
ТАБЛИЦА 32
Область
О-А
А—А'
А'—В
В—С
Разрушение
Хрупкое
Псевдохрупкое
Преобладает
псевдохрупкое
Вязкое '
Напряженное
состояние
образца
Плоское рас-
растяжение
Смешанное —
плосконапря-
плосконапряженное и пло-
плоскорастянутое
Плосконапря-
Плосконапряженное
То же
Зона пласти-
пластической де-
деформации
«d
<d
tad
=d
Предел теку-
текучести,, ЛШа
<1000
600—1000
600—1000
350—600
600—1000
350—600
<3.50
Толщина
d
Малая
Средняя
Большая
Малая
Средняя
Малая
Критерий разруше-
разрушения
\с • с
«с
Пластическая не-
нестабильность (обраг
зование шейки),
вязкое разрушение-
Раскрытие трещины —*-
Рис. 1.246
/ — хрупкое разрушение; 2—разрушение, подоб-
подобное хрупкому; 3 — деформационное разрушение
и(или) пластическая нестабильность (образова-
(образование шейки); 4 — плоское растяжение (Л1е); 5 —
плоское напряжение FС); 6 — макроскопическое
течение
Вид излома зависит от свойств материа-
материала детали, размеров, температуры, вида
нагруження, скорости нагруженйя. Разли-
Различают следующие разрушения: хрупкое, ква-
квазихрупкое, вязкое.
Механика разрушения при стабильном
росте трещины. Трещина достигает крити-
критической длины в основном не в ходе неста-
нестабильного распространения (когда справед-
справедлива линейная и нелинейная механика раз-
разрушения), а чаще в процессе стабильного
роста [медленный рост маленькой (тонкой)
трещинки за определенный промежуток
времени].
При стабильном росте трещины разли-
различают:
А. Увеличение трещины в процессе зна-
знакопеременного нагруженйя (рис. -1.247).
На рисунке Ak циклический коэффициент
интенсивности напряжений, равный Ak=
= Да(зт//)'А, где Да — амплитуда знакопе-
знакопеременного напряжения; N — число циклов
иагружения; I — образование фронта за-
зародышевой трещины и стабилизация; II —
образование бороздок и распространение
трещины [основной этап процесса увели-
Рис№7
Рис. 1.247. Связь между Aft и скоростью ростав
трещины
Рис. 1.248
/ — нестабильное распространение трещни; 2 —
стабильное распространение трещин; 3 — нет рас—
пространения трещии
чения (роста) трещин в процессе цикличе-
циклического нагруженйя]. dl/dN—C(Afc)m (спра-
(справедливо для 2_ и III этапов; С и m — пере-
переменные); С, m зависят от природы мате-
материала, характера нагруженйя; /п=2ч-6;;
III — статический этап процесса разруше-
разрушения (долом). гв=Bл)-1(Д^СМJ. С по-
помощью этого соотношения возможна оцен-
оценка долговечности элементов конструкций.
При этом опыты необходимо проводить-
при одинаковой температуре, частоте цик-
циклов нагруженйя, среднем напряжении иг
разности напряжений (атах—оып) для?
каждой детали (образца).
Б. Увеличение трещины в процессе кор-
розни под напряжением (коррозионное рас-
растрескивание) .
Коррозионное растрескивание ведет к.
увеличению (распространению) трещины:
докритической величины. Интенсивность
напряжений в вершине трещины служит
мерилом стабильного роста трещины &
коррозионных средах. Наименьшее значе-
значение К, которое в данных условиях испыта-
испытаний ведет к разрушению (в коррозионных
средах) обозначается Кисе или Kscc
(stress — corrosion — cracking) — смотря
по тому, является состояние плоскодефор-
мированным или плосконапряженным. От-
Отношение Кисе: Kscc — это мера чувстви-
чувствительности к коррозионному растрескива-
105-
иию. Kiscc является функцией влияния
внешних условий, характера среды. На
рис. 1.248 приведены данные об ускоряю-
ускоряющем влиянии коррозии на увеличение тре-
трещин (при более низком напряжении) в
процессе коррозионного растрескивания.
1.11.1.6. Повышение прочности
Целенаправленные изменения структуры
могут привести к повышению прочности и
отсюда к более рациональному использова-
использованию материалов.
Способы повышения прочности: деформа-
деформационное упрочнение (наклеп); упрочнение
при образовании твердого раствора; упо-
упорядочение (образование антифазных гра-
границ); создание мелкозернистой структуры;
старение (выделение вторых фаз); соз-
создание композитных материалов; созда-
создание благоприятных (сжимающих) по-
поверхностных остаточных напряжений; об-
образование субструктуры; увеличение плот-
плотности дислокаций, например в результате
фазового наклепа, и др.
Уменьшение плотности дислокаций. Д©
сих пор реализовано только в нитевидных
кристаллах (усах); прочность приближает-
приближается к теоретической, однако при этом нет
запаса пластичности (вязкости). Целесооб-
Целесообразно введение усов в защищающую их
матрицу, т. е. создание композитного ма-
материала, содержащего нитевидные кристал-
кристаллы диаметром несколько микрометров.
Получение сверхмелкого зерна. Для это-
этого существуют, например, следующие воз-
возможности:
а) в литых материалах можно добиться
с помощью особых условий резкого охлаж-
охлаждения и зародышеобразования;
б) технологические приемы сдерживания
роста зерен (добавка частиц второй фазы,
различных порошков — дисперсное упроч-
упрочнение) ;
в) регламентированная рекристаллиза-
рекристаллизация после горячей и/или холодной дефор-
деформации.
Наличие частиц вторых фаз. Мелкодис-
Мелкодисперсные частицы вторых фаз в матрице
способствуют увеличению сопротивления
пластической деформации. Самым распро-
распространенным методом получения такой
структуры является, например, старение
или дисперсионное твердение. Частицы
действуют как препятствия (барьеры) для
движения дислокаций, что и определяет
повышение прочности.
Оптимальные (с точки зрения торможе-.
ния дислокаций) условия: расстояния меж-
между частицами ^0,1 мкм, размер частиц
^0,01 мкм.
Когда при равномерном распределении
частиц в объеме сплава движущаяся дис-
дислокация встречается с частицей, существу-
существуют две возможности: перерезание частицы
и обход частицы дислокацией. Реализуется
тот процесс, для протекания которого не-
необходимо наименьшее напряжение.
Возможности повышения прочности при
наличии частиц второй фазы обусловлива-
обусловливаются различными механизмами: взаимодей-
взаимодействием частиц с дислокациями; механиз-
механизмом Орована; перерезанием частиц; влия-
влиянием поля напряжений на поверхности
раздела частица — матрица; возникновени-
возникновением противодействующего напряжения от
скопления дислокаций у частицы; размно-
размножением дислокаций.
Перерезание частиц. Модельное представ-
представление (рис. 1.249) предусматривает два
В
е Частицы
I
\
Дислокация
Рис. 1.249
предположения: а) дислокации негибкие,
б) частицы сферические.
Дополнительные напряжения, необходи-
необходимые для перерезания частицы: Дт=
=nEdJbD, где Е— энергия вновь образую-
образующейся поверхности, возникающей в резуль-
результате перерезания; D — расстояние между
двумя частицами; d — диаметр круга, воз-
возникающего в результате среза частицы;
Ь — вектор Бюргерса.
Механизм Орована. Предпосылка: если
частицы представляют собой непреодоли-
непреодолимое препятствие, то в процессе пластиче-
пластической деформации линия дислокации изги-
изгибается (рис. 1.250, модельное представле-
представление).
Рис. 1.250
Дислокация
Необходимое для осуществления этого
процесса дополнительное напряжение
Дтдоп = Gb/ (D—d); D »d.
106
ТАБЛИЦА
ДтД(ш>Дт—
механизм Орована
Дтдоп = Дт—
переходное состояние между
двумя механизмами.
Критический размер частицы:
d Gb*/E
ДтД0П<Дт—
механизм перерезания. Обыч-
Обычно действует в случае частиц
порядка 500-10~7 мм
Отсюда следует, что чем плотнее- распо-
расположены частицы, тем больше они противо-
противодействуют движению дислокаций (труднее
ей прогнуться и обогнуть частицу). Для
практического использования повышение
предела текучести можно оценить как:
До*а~?-' (та&гГЗЗ).
Перерезание частицы с образованием
парных дислокаций. Когерентные, упорядо-
упорядоченные ненапряженные области (частицы)
диаметром порядка 1000-10-' мм.
Обзор критериев — табл. 33.
Пояснения к рис. 1.251 (модельное пред-
представление) [13]: в. упорядоченных частицах
(областях) образованная дислокацией 1 ан-
антифазная граница устраняется дислокаци-
дислокацией 2. Остающаяся (между частицами) ан-
антифазная граница между дислокациями /
и 2 пытается стянуть обе дислокации. При
этом увеличивается также сила отталкива-
отталкивания при сближении дислокаций. В равно-
равновесии эти силы приблизительно равны.
Влияние поля напряжений на поверхно-
поверхности раздела частица — матрица. Когда на
поверхности раздела матрица — частица
возникает "напряженное состояние (поля
напряжений), то требуется дополнительное
деформирующее напряжение для продви-
продвижения дислокаций через эти поля. Причи-
Причинами повышенных напряжений на поверх-
поверхности раздела матрица — частица могут
быть: :
а) в случае когерентных частиц — раз-
различие в объемах матрицы и частиц;
б) в случае некогерентных частиц'— раз-
разница в решетках и, в частности, в коэф-
коэффициентах теплового расширения между
матрицей и частицами, что приводит к воз-
возникновению напряжений при охлаждении,
например после горячей деформации.
Возникновение противодействующих на-
напряжений от скопления дислокаций у час-
частиц. При увеличении степени деформации
механизм Орована становится недостаток
ным для описания процессов взаимодейст-
взаимодействия дислокаций с частицей. Возникающая
сила, которая препятствует развитию
скольжения, есть равнодействующая сила
Та от скопления дислокаций около частицы,
направленная против т — см. рис. 1.252 мо-
модельное рассмотрение [13]. Иногда голов-
¦ Ат
-XJ.
Первичная плоскость
скольжения
Рнс. 1.252
ная дислокация в скоплениях у частицы
(принимая во внимание то, что линии дис-
дислокаций гибкие) огибает частицу с обра-
образованием вокруг нее дислокационного1
кольца. При этом скольжение других дис-
дислокаций еще больше затрудняется и проч-
прочность повышается.
Размножение дислокаций. Рассматрива-
Рассматривается ступенька на краевой дислокации^
имеющая чисто винтовую ориентацию. Воз-
Возможно поперечное скольжение с образова-
образованием объемного призматического располо-
расположения дислокаций. Модельное представлен
иие: с увеличением степени деформации
увеличивается плотность дислокационных
петель и их взаимодействие, что ведет к об*
разоваиию сеток дислокаций. Они выходят
на плоскости скольжения и перерезают их^
что задерживает продвижение других дис-
дислокаций, которые могут скользить по этим
плоскостям. Следствием является упрочне-
упрочнение, возникающее всегда, когда растет
плотность дислокаций.
Композиционные материалы. Различные
виды композиционных материалов [13]: .
а) непрерывные волокна. Максимальный;
эффект упрочнения (в продольном направ-
направлении относительно растягивающего на-
напряжения). Напряжение непосредственно
воспринимается волокнами (рис. 1,253);
Рис. 1.253
Рно. 1.254
б) прерывистые волокна. Назначения
матрицы — распределить напряжение на>
все волокна (рис. 1.254);
в) дисперсное упрочнение. Равномерное
распределение напряжений при равномер*
ном введении упрочняющих частиц в объ-
объем дисперсоида (рис. 1.255).
Создание благоприятных (сжимающих)
поверхностных остаточных напряжений.
107
Прочность растет, когда на поверхности
материала возникают сжимающие напря-
напряжения.
Методы:
а. Создание керметов;
б. Создание слоя на поверхности с
меньшим коэффициентом теплового расши-
Рис. 1.255
рения (например, слой А12Оз с обменом
иона А13+ на Сг3+);
в. Химико-термическая обработка (см. 5.0)
для металлических материалов (повышение
усталостной прочности);
г. Термомеханичеркая обработка (см.
5.0).
1.11.2. Механические
испытания
Чтобы правильно подобрать материал
для соответствующих условий нагружения,
^необходимо знать свойства материала, ко-
которые характеризуют его механическое по-
поведение при этих заданных условиях на-
тружения.
Величины, определяемые с помощью ме-
механических испытаний, имеют значение в
¦качестве: основы для выбора размеров ме-
механически нагруженных конструкций;
•оценки поведения материала при пластиче-
пластической деформации; метода контроля за ка-
качеством; метода оценки поведения мате-
материалов в сложных условиях нагружения
(например, износ).
Допустимое напряжение и надежность.
Допустимое напряжение (в кгс-мм-2) яв-
является важнейшей величиной для конструк-
конструктора: aZui=K/S, где К—эксперименталь-
К—экспериментально определяемая величина (например,
прочность при испытаниях на растяжение,
усталостная прочность и т. д.); S — коэф-
коэффициент надежности (запаса), учитываю-
учитывающий ненадежность при данном виде нагру-
нагружения (S>1).
1.11.2.1. Испытания
на растяжение (TGL 17461)
Стандарт применим для испытаний ме-
металлических материалов при температуре
20°С±10°С.
Неприменим для испытаний проволоки
диаметром 6 мм, сварных швов, чугуна с
пластинчатым графитом.
Основной вид статических испытаний —
•определение механических свойств в усло-
условиях одноосного растягивающего нагру-
жеиия всего сечеиия образца. Деформацию
<УДлинеиие) проводят до разрушения.
108
а. ав— временное сопротивление, т. е. на-
напряжение (кгс-мм-2), которое определяет-
определяется как GB=Fmax/A0, где Fmax — максималь-
максимальная нагрузка, определяемая в процессе уд-
удлинения образца; Ао — первоначальное по-
поперечное сечение образца.
б. &.L — удлинение (в миллиметрах):
&L=LB—La, где LB— расчетная (между
метками) длина образца после испытания
на растяжение, доведенного до разруше-
разрушения; LD — первоначальная расчетная длина
образца (между метками) перед испыта-
испытаниями (в миллиметрах).
в. е — удлинение (в процентах) текущее-
e=[(L,—Lo)/Lo]-lOO.
г. 6 — удлинение (в процентах) при ис-
испытаниях до разрушения:
6S « L0/d0 = 5 (короткий пропорциональный
образец);
610 = L0/d0 = 10 (длинный пропорциональ-
пропорциональный образец).
д. ij) — поперечное сужение при разрыве
(в процентах): г])= [(Ло—ЛШейки)/Л0]-100.
е. a — напряжение '(в кгс-мм-2 или Па):
ж. 0Е — предел упругости (см. ao.oi)-
з. Fs — нагрузка при пределе текучести.
и. Os—предел текучести (в кгс-мм~2);
aso — верхний предел текучести; ави —
нижний предел текучести (см. диаграмму
a—е на рис. 1.256).
к. W — работа деформации, равная пло-
площади под кривой на диаграмме (см. рис.
1.256). №=|aB6, где | — степень заполне-
заполнения (?<1)
Рис. 1.256
Закон Гука o=f(E), tga=?=a/E. /—верхний пре-
предел текучести=с0=иачало пластического течения;
2 — нижний предел текучести; 3 — начало образо-
образования шейки при разрыве образца; 4 — равномер-
равномерное удлинение; 5 — сосредоточенное удлинение;
4+5 — удлинение при разрыве 6; 6 — граница диа-
диаграммы для определения удельной работы дефор-
деформации
л. S — соотношение между пределом те-
текучести и пределом прочности: S=as/aB.
м. ав — прочность образца с надрезом
(кгс-мм-2): Gr^Fb/Ab, где Ав — попереч-
иое сечение в надрезе. Формы разрывного
образца согласно стандарту TGL 0-50125—
см. рис.. 1.257. Применяются главным об-
образом: короткий пропорциональный обра-
образец: ?о=5<2о_(для призматического образца
?о=5,65 V А о) и длинный пропорциональ-
пропорциональный образец: L0 = 10rf0 (для призматическо-
призматического образца Lo=ll,3KA>).
Размер Lo наносят на рабочую часть об-
образца, a do измеряют до испытаний; затем
образец устанавливают в испытательную
h—X3-
Lo
Рнс. 1.257
do — диаметр образца; d, — диаметр головки; h —
высота головки; г — радиус скруглеиия; ?о — рас-
расчетная длина образца; L —часть (длина) об-
образца, подвергающаяся растяжению; L* —общая
длина образца
машину. Увеличивать нагрузку следует
равномерно; величина нагрузки (силы)
считывается по показаниям соответствую-
соответствующего прибора.
Анализ диаграммы а—е. Виды диаграмм:
а) пластичный материал (рис. 1.258, а);
( а
1 6
У >
Рнс. 1.258
б) четко выраженный предел текучести
(рис. 1.258,6);
в) хрупкий материал (рис. 1.258, е);
г) резиноподобное поведение (рис.
1.258, г).
Влияние надреза (формы) образца — см.
иа рис. 1.259.
Надрезанный
образец
Ненадрезанный
образец
Рис. 1.259
Изменение as=f (легирования) — рис.
1.260, а (нелегированная конструкционная
сталь); рис. 1.260,6 (конструкционная
сталь, легированная марганцем) и рис.
Рис. 1.260
1.260, в (конструкционная сталь, легирован-
легированная хромом и никелем).
Некоторые замечания по ¦ испытаниям на
растяжение:
а. Оа> — истинное напряжение ". При расче-
расчете напряжений нагрузку относят к теку-
текущему (в процессе испытания) изменению
поперечного сечения (рис. 1.261).
Рис. 1.261
е пласт '
б. Испытание на растяжение листовых
образцов (<5 мм) — см. стандарт TGL
0-50114.
в. Испытания на растяжение при низких
и высоких температурах — см. стандарт
TGL 24369 или 10977.
Исследования при высоких и низких тем-
температурах проводятся аналогично измере-
измерениям при комнатной температуре. Образец
должен находиться при заданной темпера-
температуре в течение всего опыта.
Образцы должны иметь нарезные голов-
головки или специальные заплечики; возможно
также использование специальных видов
образцов (например, разрывные образцы с
надрезом (по Кунце [11]).
Создание высоких температур:
— до 300 СС — в электрообогреваемых
ваннах с расплавом;
— до 1200 °С — в электропечах.
Создание низких температур: холодиль-
холодильные смеси — углекислота со спиртом и жид-
жидкий азот.
Оборудование для испытаний должно
удовлетворять следующим условиям:
1 В СССР обозначается Sft. Прим. ред.
109
— одновременный и быстрый нагрев об-
образца по всей его длине;
— поддержание постоянной температу-
температуры во время опыта любой продолжитель-
продолжительности;
— простая и быстрая смеиа образцов;
— возможность испытания круглых и
плоских образцов;
— надежное определение предела теку-
текучести;
— возможное измерение больших удли-
удлинений (> 100%);
— регистрация диаграммы сила — удли-
удлинение или сила — время.
Согласно TGL, необходимо обеспечить
следующее постоянство температур: при
испытаниях на растяжение в условиях вы-
высоких температур: ±3СС в интервале
>30—600 °С; ±5°С в интервале 600—
900 °С; ±8°С при 900 °С; при испытаниях
на растяжение в условиях низких темпера-
температур: ±2 "С до — 70 °С и ±3СС ниже
—70 °С.
Необходимо учитывать, что при испыта-
испытаниях иа растяжение при высоких темпера-
температурах исчезает четко выраженный предел
текучести. В этом случае необходимо опре-
определение условного предела текучести. Кро-
Кроме того, надо иметь в виду, что диаграм-
диаграммы, характеризующие изменение свойств
материала в зависимости от температуры,
имеют различный вид для различных мате-
материалов.
На основании результатов испытаний
материалов при комнатной ' температуре
нельзя сделать вывод об их низко- и вы-
высокотемпературном 'механическом пове-
поведении.
Для дисперсионно твердеющих жаро-
жаропрочных сплавов только в некоторых слу-
случаях можно сделать заключение об их со-
сопротивлении ползучести по результатам,
испытаний на кратковременное высокотем-
высокотемпературное растяжение, которые можно
тогда рассматривать как быстрый метод
качественного контроля.
Высокотемпературные диаграммы леги-
легированных сталей сила — удлинение могут
иметь совершенно иной вид по сравнению
с диаграммами, полученными при комнат-
комнатной температуре (рис. 1.262, 1.263 [106]).
т~го°с
Т~900"С
MM-MUH
-1
¦А1-
Рнс. 1.262
»т—скорость перемещения
захватов машины
г. Определение ffo.2—условного предела
текучести. Для материалов, не имеющих на
диаграмме четко выраженного предела те-
Рис. 1.263
кучести, очень важным является определе-
определение условного предела текучести ао,2 [на-
[например, для Си, А1, легированных и высо-
высоколегированных сталей, мягкой (низкоугле-
(низкоуглеродистой) стали при >350°С].
Под условным пределом текучести Оол
понимают такое напряжение, кгс-мм~2,
при котором остаточная деформация со-
составляет 0,2 %:
Для определения условного предела те-
текучести существуют следующие возмож-
возможности:
-г- определение ао,2 по диаграмме сила—
время (рис. 1.264): eo.2=[(vMXo,2/vplo)]X
Х100; ео,2 в процентах.
Рис 1.264
Здесь Vm — скорость перемещения тра-
траверсы разрывной машины, мм-мин~1; vp —
скорость движения бумаги в регистриру-
регистрирующем устройстве, мм-1; U — исходная рас-
расчетная длина образца, мм; Xo.s— длина на
диаграмме, мм, отвечающая остаточной де-
деформации 0,2 %;
— определение ао.з с помощью электриче-
электрического тензометра (например, типа МКе, Fa,.
Holl, ГДР). На образец устанавливают ин-
индукционный тензометр (возможен выбор»
различных рабочих длин образца), изме-
измеряющий удлинение. Одновременно регист-
регистрируется изменение силы;
— определение ао,2 с помощью механи-
механического тензометра.
В этом случае возможны два варианта:
с предварительным нагружением (при этою
возможно более точное измерение) и без
предварительного нагружения.
Образец нагружают и разгружают сту-
ступенчато. Регистрируется удлинение при на-
гружении (упругое и пластическое) и при
разгружении (пластическое) и строите»
диаграмма остаточного удлинения, по ко-
торой определяют оо,2 — см. рис. 1.264.
д. Go,01 или 0о,оо5 — условный предел уп-
упругости. Так как определение физического
предела упругости едва ли возможно, то
определяют условный или технический пре-
предел упругости. Под пределом упругости
0o,oi или 0о,оо5 понимают напряжение, при
котором остаточная деформация составля-
составляет 0,01 или 0,005 % исходной длины.
Измерение производят с помощью высо-
высокочувствительных тензометрических уст-
устройств (зеркальные системы, электрические
тензометры). При использовании зеркаль-
зеркальных устройств необходимо работать с пред-
предварительным нагружением.
Определение параметра oo.oi или ао.оов
таже производят графически.
Примерные значения прочности (времен-
(временного сопротивления). В табл. 34 приведены
¦ориентировочные значения временного со-
сопротивления ряда материалов.
ТАБЛИЦА 34
Материал
Al
Pb
Аи
Си
Mo
Pt
Ag
Zn'
Sn
1
to ?r
25,4
2,04
27,5
41
72
30,6
29,7
13,2
2,04
Материал
Бетон
Чугун
Известняк
Латунь
Рессорная
сталь
Строительная
сталь 38
Строительная
сталь 52
о,
кгс/мм 2
0,2—10*
13
8—18
61
170
37—45
52—64
* Определяется прочность иа сжатие кубиков
через 28 дней; сторона испытываемого кубика
200 мм.
1.11.2.2. Испытания на сжатие
<TGL 0-50106) ;
Стандарт регламентирует условия про-
проведения испытаний материалов на одноос-
одноосное сжатие. Образец для испытаний на
сжатие, имеющий определенное поперечное
сечение (Ло), подвергают нарастающей
сжимающей деформации, при этом изме-
измеряют силу F. Это испытание применяют
главным образом для чугуна, подшипни-
подшипниковых сплавов, неметаллических мате-
материалов.
а. Gd,B — временное сопротивление при
сжатии. Описывается уравнением са,в=
= FBIAo; Od,B5o = F5o/Ao, где FB(FIOZX) —
сила, при которой появляется первая тре-
трещина или происходит разрушение образца.
В случае отсутствия трещин в качестве
временного сопротивления сжатию прини-
принимают напряжение, которое создает относи-
относительное укорочение на 50 %.
б. 0<г;о,2 — предел текучести при сжатии.
Остаточная деформация при сжатии 0,2 %:
F/A
в. ао,о2 — технический предел упругости.
Соответствует остаточной деформации при
сжатии 0,02 %; используется при более
точных исследованиях: оа-, o,o2=fo,o2M.
г. Ah — укорочение (уменьшение высоты)
[в миллиметрах]: Ah=h0—h, где ft0 — пер-
первоначальная длина рабочей части; h —
длина рабочей части образца после испы-
испытания.
— относительное укорочение (в
процентах).
i — упругое относительное укоро-
укорочение.
—остаточное относительное уко-
укорочение.
edges — полное относительное укоро-
укорочение.
д.
Диаграмма напряжение — относительное
укорочение (см. рис. 1.265). -фа— относи-
Рис. 1.265
тельное изменение сечения (в процентах):
где А — площадь поперечного сечения в
конце испытания.
Цилиндрические образцы (TGL 50106).
Возможные размеры (рис. 1.266): нор-
нормальный образец d=10-f-30 mm; h = d; уд-
линейный образец d= 10-^-30 мм; h=3d.
|
г
1
I
1
\
¦
Образец
л
\
i
Рис. 1.266
Рис. 1.267
Торцы образца — плоскопараллельные;
испытывают не менее грех образцов.
Машины для испытаний на сжатие —
см. TGL 0-51223; 0-51220.
Машины для испытаний на сжатие и рас-
растяжение-— см. TGL 0-51221, испытания ве-
ведут при Т=20±2°С.
Производится экспериментальное опреде-
определение величин нагрузки и деформации с
111
построением диаграмм в координатах
Od, Bd.
Истинное напряжение; для расчета вы-
выбирают наибольшее сечение. aw=f (форма
образца).
Сравнение результатов различных опы-
опытов возможно только в случае идентично-
ста образцов, в том числе и состояния их
поверхности (рис 1.267).
1.11.2.3. Испытания на изгиб
(TGL 14401)
Используются главным образом для ис-
исследования механического поведения хруп-
хрупких материалов (например, чугуна). Нор-
Нормальное напряжение уменьшается до нуля
в нейтральной оси; при этом сжимающее
напряжение в поверхностном слое возрас-
возрастает до максимума.
а. Мь— изгибающий момент (в кгссм).
Mb<ma*>=-FW«/4, где /,— расчетная длина
образца.
б. се — изгибное напряжение, равное Ов=
=>Fl,/4W, где W — момент сопротивления,
равный я<*о/32 (для круглого поперечного
сечения).
в. оъ,в — изгибное напряжение при раз-
разрушении— это предел прочности при из-
изгибе:
г. f — прогиб (в миллиметрах). Включа-
Включает упругую и пластическую части общей
деформации (прогиба).
д. Жесткость, т. е. оьл/f. Этот параметр
используют для оценки относительного
вклада упругой и пластической частей в
общую величину прогиба при разрушении
(прогиба в момент разрушения). Чем мень-
меньше Cb,Blf, тем больше доля пластической
части.
Размеры образцов:
Номинальный диа-
диаметр do, мм . . Ю 13 20 30 45
Длина образца U, : '•
мм ...... 220 300 450 650 1000
Ориентировочно Is ~ 20do.
Условия проведения испытания:
а) одностороннее нагружение, например,
консольного образца (мало применяется);
б) балка на двух опорах, нагруженная
одной сосредоточенной силой;
в) балка на*двух опорах, нагруженная
двумя сосредоточенными силами.
Прогиб. Для его измерения применяют
телескопические устройства с перекрестием
или измерение углов (рис. 1.268 и 1.269).
Is
Рис/ 1.269
flpoeuff, мм —-
Рис. 1.270
По данным измерений Мь строят диаграм-
диаграммы типа приведенной на рис. 1.270.
Источники ошибок можно уменьшить, ес-
если испытание проводить с предваритель-
предварительным нагружением (избегать сдвига опор!).
Прочность на изгиб и жесткость—их
значения следует всегда усреднять, так как
значения прочности на изгиб имеют боль-
большой разброс.
1.11.2.4. Испытания на кручение
Испытания на кручение должны прово-
проводиться так, чтобы не было изгибного на-
гружения: первоначально плоское сечение
должно оставаться плоским и после испы-
испытания. В процессе кручения все сечения
смещаются относительно сечения в месте
закрепления. Испытания не стандартизо-
стандартизованы.
а. Т(,в предел прочности при кручении
(кгс-мм-2) — круглый образец; Т(,в= ¦
16 M/dK
Рис. 1.268
16 Md/ndK
б. $— угол закручивания. Угол поворо-
поворота (в радианах), на который смещаются
сечения друг относительно друга.
в. I — расстояние между двумя выбран-
выбранными сечениями (в миллиметрах).
г. ¦& — угол относительного поворота, т.е
угол закручивания двух поперечных сече-
сечений, находящихся на расстоянии I: ¦&=ty[L
д. у — угол сдвига. Определяется по фор-
формуле, связывающей коэффициент упругости
при сдвиге р, соответствующее касательное
напряжение на поверхности т, модуль
сдвига G; величина О=р-'=тД>. Угол сдви-
сдвига также может определяться по результа-
результатам испытаний на растяжение, тогда у=
=21пA + е), и на сжатие, тогда y=
=2 In A-е)-1.
Цилиндрические образцы (с головками
конструкции [41]—рис. 1.271)): /=10rf
для прутков; /=100d для проволоки до.
диаметра ~7 мм. На образец наносят ра-
рабочую длину; закручивание производят пу-
путем вращения закрепленных головок в про-
противоположные стороны в специальной ма-
112
с
Рис. 1.271!
шине; измеряют угол закручивания и на-
нагрузки; определяют Мл и Хг.в.
1.11.2.5. Испытания на срез (TGL
0-50141)
Определение прочности иа срез xs прово-
проводят по схеме двойного среза (рис. 1.272).
Форма плоских (листовых) образцов —
см. 1.11.2.5.
Коническое отверстие в матрице служит
для того, чтобы вырезанная (выбитая)
шайба могла выпасть (см. рис. 1.273).
Рис. 1.273
1 — пуансои; 2 — обра-
образец; 3 — матрица
-- >о<*
F
Рис. 1.272
Одинарного среза нужно избегать, так как
появляется дополнительное изгибное нагру-
жение. В результате этих испытаний полу-
получают лишь сравнительные характеристики.
Для получения надежных значений Ts —
прочности на срез (в кгс-мм~2 или Па) —
при проведении испытаний по схеме двой-
двойного среза нужно соблюдать следующие
соотношения размеров круглых образцов
(мм):
Зная /Wax, d и s, проводят расчет ть.
XL зависит от свойств материала, размеров
образца, зазора между пуансоном и мат-
матрицей (~0,5 мм); поэтому получаемые в
результате этих испытаний данные — срав-
сравнительные; обязательным является ис-
использование одинаковых устройств. С уве-
увеличением s увеличивается Ть; с увеличени-
увеличением d уменьшается ть.
С помощью испытаний на пробивание от-
отверстий можно хорошо контролировать од-
однородность партии материала.
1.11.2.7. Испытания на загиб
(TGL 15686)
Неприменимы для тонких листов, плас-
пластин и полос толщиной До 3 мм.
Образцы с призматическим или круглым
D
2-5 >5-8
15 20
>8—12
28
>12—16
36
>16—20
44
>20—35
57
После установки образца в устройство
для испытания на срез (рис. 1.272) в раз-
разрывной машине (ножи bi и Ь2) следует
после установки нуля проводить испытания
со скоростью среза <Ю мм-мин-1; опре-
определяют fmax и рассчитывают Ts.
Существуют: устройства для испытания
на срез при растягивающем нагружении и
устройства для испытания на срез при сжи-
сжимающем нагружении.
1.11.2.6. Испытания
на пробивание отверстий
Это разновидность испытаний на срез,
но проводимых на пластинах (листовых об-
образцах); определяют напряжение, необхо-
необходимое для пробивания дырок tr, (кгс-мм-2
или Па); при этом (рис. 1.273) присутству-
присутствует изгибная составляющая:
xi.=Fmai/nrfS, где d — диаметр дырки,
мм; S — толщина пластины или листового
образца, мм.
8—140
поперечным сечением деформируются изги-
изгибом без изменения направления изгиба по
схеме, представленной на рис. 1.274: d —
Рис. 1.274
диаметр образца, мм; а — толщина образ-
образца, мм; b — ширина образца, мм; а —
угол изгиба, град; D — диаметр оправки,
мм.
113
Желательные размеры образцов прямо-
прямоугольного сечения: 6=25н-30 мм; а=20±
гЬ5 мм; если полуфабрикат имеет а>
>25 мм, то следует его обработать (со-
(сострогать) до 25 мм. В случае листовых
(плоских) образцов их толщина равна
толщине испытываемой продукции (листов,
полос, пластин толщиной более 3 мм).
Для образцов круглых или многогран-
многогранных: d=S^50 мм; если полуфабрикат имеет
d>50 мм, то нужно его обточить до 50 мм;
длина >D+3a.
Образец изгибают посередине с помощью
специального пуансона (рис. 1.274); опыт
проводят до образования трещин на проти-
противоположной от пуансона стороне образца,
где действуют растягивающие напряжения.
Условия проведения испытаний:
а) изгиб иногда осуществляют с по-
помощью вставки (см. рис. 1.274, справа);
б) предельный случай, когда образец в
прессе деформируют до соприкосновения
сторон;
в) образцы подвергают термической об-
обработке до испытаний с тем, чтобы полу-
получить конечное структурное состояние, та-
такое же, какое должно быть у материала
в условиях эксплуатации;
г) температура испытаний 20±Ю°С;
д) испытания на загиб (изгиб) тонких
листов и полос толщиной до 3 мм ведут
по TGL 12231.
Ширина образца 20 мм; толщина образ-
образца равна толщине поставляемой продукции,
но не больше 3 мм; листовой (плоский)
образец вырезают в направлении прокатки
и испытывают с черной поверхностью (с
прокатной коркой).
Испытания на двойной загиб (или гиб с
перегибом) тонких листов и полос (тол-
(толщина до 3 мм) ведут по TGL 12232. Обра-
Образец загибают пополам на 180 °, а затем
проводят второй загиб в обратном направ-
направлении также на 180°. Длина этих образцов
от 150 до 200 мм; толщина равна толщине
поставляемой продукции, но не больше
3 мм.
Испытания ведут до образования тре-
трещин, регистрируемых визуально.
е) испытания на изгиб труб с внешним
диаметром ^'70 мм ведут по схеме рис.
1.275.
«>ис. 1.275
1.11.2.8. Испытания на осадку
(плющение) — TGL 20023
Используют для определения деформи-
деформируемости материала, оценки его пригодно-
сти для холодной и/или горячей штампов-
штамповки, а также для обнаружения (вскрытия)
поверхностных и подповерхностных де-
дефектов.
Степень осадки х — относительную вели-
величину в процентах — определяют как сред-
среднеарифметическую из большого числа от-
отдельных измерений: x=[(hl—h2)/h,] -100,
где hi — исходная высота образца до осад-
осадки, мм; h2 — высота образца после осадки,
мм.
Исходная высота образца для стали 2d;
для цветных металлов l,5d.
Торцы должны быть плоскопараллель-
плоскопараллельными; поперечное сечение желательно,
приблизить к поперечному. селению дефор-
деформируемых на практике полуфабрикатов.
Осадка проводится на прессе до образо-
образования трещин (рис. 1.276); нагружение
Рис. 1.276
плавное, без ударов. Температура испыта-
испытания должна быть такой же, как и темпе-
температура последующей холодной и/или го-
горячей деформации. Испытывается для од-
одного режима не менее трех образцов.
При испытаниях на осадку регистрируют
появление первой трещины.
Испытание применяют для определения
способности к формоизменению также и
труб.
1.11.2.9. Испытания проволоки
на гиб с перегибом
(знакопеременные гибы) —
TGL 15485
Предназначены для определения дефор-
деформируемости проволоки; многократный зна-
знакопеременный изгиб ведут в одной плоско-
плоскости на 90° (рис. 1.277); Nb — число знако-
Рис. 1.277
У/////////Т/////////
переменных изгибов. Образцом является
прямая правленная проволока диаметром
от 0,5 до 8 мм — табл. 35.
Перед испытанием счетчик устанавлива-
устанавливают на нуль; температура опыта 20±10°С.
Испытания проводят до разрушения. За 1 с
должен проводиться только один гиб с пе-
перегибом. Регистрируется число гибов (по-
(последнее число перед разрушением).
114
ТА БЛИЦА S5
Диаметр,
мм
0,5
0,5—0,7
0,7—1,0
1,0-1,5
1,5—2,0
2,0—3,0
3,0—4,0
4,0—6,0
6,0—8,0
Радиус изги-
изгибающего ци-
цилиндра, мм
1,85±0,05
1,75±0,05
2,5±0,
3,75±0,
5,0±0,
7,5±0,
10,0±0,
15,0±0,
20,0±0,1
15
15
15
20
20
25
35
50
75
га ст а
51 ?
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0 и 2,5
2,5 и 3,5
3,5 и 4,5
4,5 и 7,0
7,0 и 9,0
60
60
60
60
80
80
600
120
150
Испытания на гиб с перегибом (на зна-
знакопеременные гибы) ведут также на тон-
тонких листовых (плоских) образцах с макси-
максимальной толщиной до 0,3 мм (TG112233).
Образцы вырезают в направлении прокат-
кн; ширина 20 мм; толщина образца дол-
должна соответствовать толщине поставляе-
поставляемых листов (полос), но быть не более
0,3 мм.
1.11.2.10. Испытание проволоки
на скручивание (TGL 15486)
Предназначено для определения дефор-
деформируемости проволоки вообще и, кроме то-
того, равномерности свойств деформируемо?
сти по длине проволоки; знакопеременное
скручивание служит для обнаружения по-
поверхностных дефектов.
Проволочный образец d=0,2-=-10 мм;
длина образца указана в табл. 36; прово-
проволока правленная.
ТАБЛИЦА
Номинальный
диаметр, мм
>0,2—1
>1—1,5
> 1,5-3
>3—5
>5—10
36
Длина
ца U
200
100
100
100
50
образ-
мм
d
d .
d
d
d
Скорость закру-
закручивания. Об'С *
3
1,5
1
0,5
0,25
Варианты проведения испытаний:
а) простое скручивание. Температура
20±10°С. Образец закреплен в приспособ-
приспособлений. Продольная ось проволоки есть
продолжение оси зажима. Определяют чис-
число оборотов до разрушения. Если место
разрушения находится на расстоянии мень-
меньшем 2d, то опыт считают неудачным;
б) знакопеременное скручивание может
проводиться 'как до разрушения, так и до
заданного числа скручиваний.
1.11.2.11. Испытания труб
(табл.37)
1.11.2.12. Испытание листовых
(плоских) образцов на глубокую
вытяжку по Эриксену
(TGL 15218)
Определение способности к глубокой вы-
вытяжке на листах и полосах из стали и
цветных металлов. Стальной шарик вдав-
вдавливается в листовые (плоские) образцы до
появления трещины. Толщина образцов от
0,2 до 2 мм.
Вдавливание нужно производить на рас-
расстоянии 45 мм от любой кромки или 90 мм
от середины другой лунки.
Испытательное устройство изображен»
на рис. 1.278. Образец по всей толщине
Рис. 1.278
1 — шариковый пуаисои; 2 — матрица; 3 — нажи-
нажимающее устройство
сдавливается (устанавливается) с точно-
точностью до 0,01 мм. Пуансон вдавливается под
нагрузкой 1ОО0 кгс. Пуансон вдавливают
плавно со скоростью от 5 до 20 мм-мин".
Диаметр шарика, укрепленного в торце
пуансона, 20; 14; 8 или 3 мм.
Вдавливание прекращают, когда трещи-
трещина развивается на всю толщину образца.
Измеряют глубину вдавливания пуансона
(с точностью 0,1 мм); большей частью оп-
определяют ее по трем измерениям. Оцени-
Оценивают форму и вид поверхности трещины,
зависящие от свойств материала. Оценку
способности к глубокой вытяжке листов
проводятся по кривым, приведенным на рис.
1.279.
8*
115
ТАБЛИЦА 37
Стандарт
Назначение
Образцы
Оборудование
Порядок проведения
испытания
Растяжение
кольца (TGL
16745)
Испытание под
внутренним
давлением
<TGL 16746)
Испытание
стбортовку
<TGL 16747)
иа
Испытания иа
раздачу (TGL
16748)
Испытание на
расслоение,
вскрытие не-
неметаллических
включений,
оценка пра-
правильности вы-
выбранной тер-
термической об-
обработки
Определение
герметичности
и эффективной
несущей спо-
способности; не
должно быть
остаточной де-
деформации
Определяется
деформируе-
деформируемость, выясня-
выясняется, не появит-
появится ли трещина
при отбортов-
ке; раздача
концов труб
Определяют,
выдерживает
ли образец раз-
раздачу без тре-
трещин
Высота коль-
кольца равна удво-
удвоенной толщи-
толщине стенок. На
кольцевой
трубчатый об-
образец накла-
накладываются рас-
растягивающие
напряжения
Общая длина
трубы
мм;
^ мм; длина
100 мм. Образ-
Образцы (кольца) вы-
вырезают перпен-
перпендикулярно к
продольной оси
мм;
s<j;9mm; длина
2 da. Образцы
(кольца) выре-
вырезают перпенди-
перпендикулярно про-
продольной оси;
плоскости реза
обрабатывают.
Дорны: 30, 45,
60 и 120°. Дор-
Дорны конусные с
наклоном 1 : !0
или 1:20
Испытания про-
проводят на универ-
универсальной испыта-
испытательной машине
при Г=20±10°С.
Скорость нагру-
жения ~25 ммХ
Хмин~'
Г=20±10°С. Тру-
Трубу навинчивают
непосредственно
на патрубок от ис-
источника давле-
давления. Давление в
ходе опыта не
должно снижать-
снижаться
Испытания прово-
проводят на универ-
универсальной испыта-
испытательной машине.
Расширяющий
дорн (конусовид-
(конусовидный, 90°) или
сплющивающий.
Г=20±10°С.
Дорн смазывают,
скорость запрес-
запрессовки дорна
~50 мм-мин~1
Универсальная
испытательная
машина. ¦ Т=20±
±10 °С Раздача
конца трубы ко-
конусным дорном.
Дорн смазыва-
смазывают. Скорость за-
запрессовки дорна
~50 мм-мин
Нагружение
разрушения
до
Давление при ис-
испытании: р=
=200 sazul/d
(кгс-см-2), где
s — средняя тол-
толщина стенок тру-
трубы
Испытания ведут
до первой наблю-
наблюдаемой трещины в
области большой
деформации при
отбортовке. Опре-
Определяется ширина
отбортовки
1. Определяют на-
наличие трещин.
2. Определяют от-
относительное уши-
реиие в процентах
[(dy,—da)da]X
Х100.
3. Оценка качест-
качественности в процен-
процентах [(Йвнутр.разр—
"внутр. )/"внутр.] X
ХЮ0, где
йвнутр. разр — вну-
внутренний диаметр
после разруше-
разрушения; Йвнутр — ТО
же, до раздачи
116
Продолжение табл. 37
Стандарт
Назначение
Образцы
Оборудование
Порядок приведения
испытания
Испытание
способность
поперечному
загибу (TGL
16749)
Испытание на
изгиб (TGL
16750)
<см. 1.11.2.3)
Определяют
наличие тре-
трещин при загибе
Изгибают на
соответствую-
соответствующий радиус
для определе-
определения трещино-
стойкости
Толщина=
= 15 % от da =^
<400 мм. Дли-
Длина = l,5d/i =
= 10-е-100 мм
Выбирают оп-
определенную
длину. Обра-
Образец отрезают
от конца трубы
и заполняют
песком
Универсальная ис-
испытательная ма-
машина Т=20±
±10°С. Образец
помещают меж-
между двумя плоско-
плоскопараллельными
пластинами и сжи-
сжимают на расстоя-
расстояние г. Скорость
нагружения
~25 мм-мин-1
Универсальная
испытательная ма-
машина Г=20±
±10°С. Изгиб (но
не сжатие). При-
Применяют также
специальное уст-
устройство для гибки
труб
Измеряется рас-
расстояние z под на-
нагрузкой
Определяют по-
появление первой
трещины
15
./
/
/
f
г
ii
*-—
Zn
а
\15
ь
/
А
/
t
1
\
2
Я
\
3
б
1
I 7
"• О О/, 0,81,21,6 2,0 О 0,4 0,81,21 fi2,0
Толщина листа,нм
Рис. 1.279
/ — полосовая сталь светлая; 2 — сталь для глу-
глубокой вытяжки; 3 — декапированная сталь; 4 —
белаи жесть
1.11.2.13. Определение
способности к глубокой
вытяжке — по Энгельгарту
и Гроссу (TGL 8715)
Определение способности к глубокой вы-
вытяжке вытягиванием (высадкой) стакана
ТА БЛИЦА 38
Острая кранка
Рис. 1.280
/ — пуансон; 2 — кольцо; 3 — нижний держатель:
4 — закрепление заготовки
при достижении Fz; кроме того, определя-
определяется Fmax в случае отрыва дна стакана.
Схема испытания приведена на рис. 1.280.
Коэффициент вытяжки т. Равен т—
=d/?)=0,577, где d и D в миллиметрах.
Толщина полосы
S, ММ
До 0,5
>0,5—1,5
> 1,5—20.
Размеры инструмента, мм
30
30
30
dsiO.2
28
28
28
ds+0.02
52
52
50
ci q+0,08
ei 0+0,04
O1>s+0,02
ci g+0,08
' +0,05
d, ±0,05
31,4
34,3
35,5
4
4
4
r,
4
4
4
r,
5
5
5
117
Способность к глубокой вытяжке Т
(в процентах):
Испытываемая полоса имеет ширину от
57 до 58 мм; толщина — см. табл. 38 с до-
допуском до 0,01 мм.
Испытания не дают правильного резуль-
результата, если Fz не будет достигнута до об-
образования фланцев; донышко не оторва-
оторвалось; фланец недостаточно надежно за-
закреплен по всему периметру.
Давление на фланцы в случае стали, ла-
латуни, меди составляет 24 кгс-см~2, в слу-
случае А1 (99,5) и AlCuMg 12 кгс-см~2.
Определяют Т в зависимости от s (рис.
1.281 и 1.282) и сравнивают с табличными
значениями.
ьо
Ofi 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1fi s,MM
Рис. 1.281
Ofi 0,5 0,6 0,7 0,8 0,3 1,0 1,1 1,2 1,3 Ifi S,MM
Рис. 1.282
1.11.2.14. Определение ударной
вязкости (TGL 11225, TGL
11226)
Ударные испытания служат как для соб-
собственно оценки вязкости материала, так и
для оценки качества термической обработ-
обработки, определения склонности к хрупкому
разрушению, являются мерой склонности к
старению.
Ударным иагружением при испытании
считается такое, при котором изменение
(во времени) усилия в изделии превосхо-
превосходит 50 кгс-мм-2'С-'.
При ударном нагружении имеющиеся
надрезы (резьба, желобки, отверстия, ра-
ковннки, включения) создают опасность
внезапного разрушения (рис. 1.283).
Рис. 1.283
Ударное нагружение может быть связано
со сложным объемнонапряженным состоя-
состоянием, которое в общем случае сопровож-
сопровождается: :
а) пластической деформацией;
б) отрывом с разделением материала на
части; )
в) хрупким разрушением;
г) вязким разрушением (под действием
касательных напряжений, которые превы-
превышают сопротивление скольжению);
д) смешанным разрушением (имеется
доля и хрупкого н вязкого разрушения).
Сопротивление ударному нагружению из-
измеряется:
а) W — работа удара, кгс-м; W=m(hi—
—h2), где m — масса молота; ftt — высота
падения; /г2 — высота подъема;
б) ан — ударная вязкость (cth—W/Ao),
которая соответствует удельной работе или
работе, отнесенной к первоначальному по-
поперечному сечению (А®); измеряется в
КГС-М -СМ~2.
Ширина образца и расстояние между
опорами влияют на ан- Из многочисленных
видов образцов чаще всего применяют об-
образцы по TGL и DVM [11]—табл. 39.
Проведение испытаний:
а. Определение ак с помощью ударного
копра (рис. 1.285).
- V XJ V
Форт надреза —-
Рис. 1.285
/ — маятниковый боек; 2 — гнездо для образца;
S — образец; fti — высота падения; Л2 — высота
подъема после удара
б. Температура испытаний может быть
как комнатной 20±2°С, так и низкой: 0;
—10; —20; —30; —40; —50; —60; —70;
—80 °С. Точность измерения: ±0,5 град.
в. Середина надреза должна находиться
в плоскости удара, т. е. так, чтобы надрез
был на стороне, противоположной стороне
прилагаемого удара.
г. Автоматизированное испытание на
ударный изгиб предусматривает электрон-
электронную запись (в процессе удара) диаграммы
сила — путь (прогиб) или сила—время.
Сила измеряется пьезокварцевым датчи-
датчиком или тензометрами, которые могут быть
расположены на бойке маятника или на
опоре. Путь маятника измеряется бескон-
бесконтактно с помощью емкостных, индукцион-
индукционных или фотоэлектрических датчиков пути.
Изображение диаграммы сила — путь (про-
118
X
00
X
о
X
X
о
X
о
со
X
00
X
со
ю
X
о
00
X
о
X
о
00
X
о
г
о.
X
X
х
о
X
о
X
о
те
X
to
X
о
X
о
X
о
X
о
X
о
X
00
¦*
X
X
со
X
о
X
о
X
о
X
о
8
х
00
X
о
X
сз
X
о
о,
б
О
СО
I
Р-.
е i
it О
О.0 к и
га
R [rt U К
OS
« S
gs
га
I 5
? й
2 о
о
<и
S
Он
1
119
гиб) получается на экране катодной трубки.
В процессе испытаний производят:
а) определение W, угла подъема маят-
маятника или а^;
б) изучение типа разрушения (фракто-
графия);
в) построение кривых ударная вязкость—
температура (рис. 1.286);
Температура испытания
Рис. 1.286. Влияние холодной деформации и ста-
старения иа а^: сталь 1 — высокая степень чистоты,
сталь 2 — низкая степень чистоты. Исходное сос-
состояние — нормализация; / — снижение ударной
вязкости из-за сегрегации углерода, фосфора, се-
серы, кислорода и азота;- сегрегации возникли в
процессе изготовления стали и термической обра-
обработки; // — снижение ударной вязкости из-за хо-
холодной деформации; степень падения зависит от
схемы деформации и степени деформации; /// —
падение ударной вязкости иэ-за деформационного
старения (за счет углерода и азота); зависит от
степени деформации и условий старении
г) вид диаграммы сила—путь (прогиб)
при автоматизированных опытах по опре-
определению ударной вязкости позволяет су-
судить о характере разрушения. Так, полу-
полученные электронным устройством (на като-
катоде электронной трубки) диаграммы сила
удара — прогиб для конструкционных ста-
сталей позволяют однозначно разграничивать
вязкое разрушение (рис. 1.287), смешанное
разрушение A.288) и хрупкое разрушение
A.289).
S,mm-
Рис. 1.287
Рис. 1.288
Рис. 1.289
Примеры использования результатов ис-
испытаний ударной вязкости для оценки:
а) влияния холодной деформации и ста-
старения на as (см. рис. 1.286};
б) определение критической температуры
перехода из хрупкого в вязкое состояние
Т-. Для определения Тц предложен ряд
критериев:
— as=3,5 кгс-м-см-2;
05
Между Тц и допустимыми температура-
температурами эксплуатации деталей не существует
однозначной связи; \
в) влияния • состава (легирования и при-
примесей); различия в составе оказывают
сильное влияние на сдвиг кривых ударная
вязкость — температура (рис. 1.290—1,292,
например, для Мп, О, С [6]).
*fi
\ 3,0
^¦2,5
Цг,о
?i,5
1,0
0.5
0
-200 -100 0
.0,01%
-
-
/— 0,11%
_. 0,22%
l/^y~-L0,53%
100 200 300
Рис. 1.290
4,0
3,5
м 3,0
1.0
0,5
0
7% \o,5%
0%
-80 -1,0 О ЬО 60 1Z0 160
уГ%Мп при 0,05%С Т'°С
Рис. 1.291
0,0
3,0
0,5
п
-.
- 0,001%
- У
—
,—•
0,0037%Ог
«т i i
0,016%
I
)
— изучение поверхности разрушения E0 %
волокна в изломе).
-60 -iO -20 О 20 1*0 60 60 100 КО
Л% 0 в чистом железе >
Рис. U292:
Некоторые замечания:
а) значения aft для высокопрочных ста-
сталей имеют большой разброс и требуется
большая тщательность проведения испыта-
испытаний и достаточная статистика;
б) испытания на ударную вязкость с
трудом можно сопоставлять с другими ис-
испытаниями материала; значения as для раз-
разных металлов сравнимы между собой лишь
120
тогда, когда форма образцов и темпера-
температура испытаний одинаковы;
в) по измерениям ак можно ранжиро-
ранжировать материалы по их вязкости;
г) as уменьшается при наличии сегрега-
сегрегации С, S, Р, О, N, в результате холодной
деформации, в результате старения;
д) иллюстрации к приведенным замеча-
замечаниям — рис. 1.293—1.297.
склонности к хрупкому отрыву; редко при-
применяемый способ.
1.11.2.16. Испытание на ударное
сжатие
Материал подвергают ударным сжимаю-
сжимающим напряжениям, чтобы сделать заключе-
\/А / \//Л
Рис. 1.293. Схема хруп-
хрупкого отрыва
1 f
L P -
и
N '
С
d
т
Н — зажим; Р — образец; F — направляющая;
N упор; Q — поперечина; S — маховнк
-----(—I
Высокая ударная Положение Ти
вязкость (вязкое лри различных
разрушение, малый формах надреза:
,.ч. ,'-и^- —ненадрвзан
Gff) ff~-~"~^-~^s0*~~ ~v надрезан
% \ | /ноераз\
I I j kyum*[ глубокий
ц I хКильный),^' надрез
%\ IfoiistJ jL sr острый
)^/^\^^^' ударная^вязкостд
Т—*-
Падение ударной дязкости
наблюдается при увеличении:
Остроты надреза
_ Глубины надреза
- Ширины образца
. Величинб/ образца
. Скорости испытания
- Холодной деформации
- Старения
- Значения ак зависят
та/сте от структуры
после термообработки
и от металлургических
условий производства
стали
Рис. 1.294
Рнс. 1.295. Вязкое разрушение (St38-Zu) •
Рнс. 1-296. Смешанное разрушение (St38-Zu)
Рнс. 1.297. Хрупкое разрушение
1.11.2.15. Испытание на ударное
растяжение
Материал подвергается ударным растя-
растягивающим напряжениям для определения
ние о его способности к бесстружечной де-
деформации (к деформируемости); способ
применяется редко.
121
1.11.2.17. Испытание на ударное
кручение
Применяется для хрупких, в частности
для закаленных материалов. Работа, за-
затраченная на разрушение: A=l{w^—o>j)/2.
Здесь / — момент инерции; ш —¦ угловая
скорость.
Специальная испытательная установка —
рис. 1.298.
1.11.2.18. Испытания на
продольный изгиб
Разновидность испытаний на сжатие. Для
испытаний на продольный изгиб применя-
применяются образцы, длина которых велика по
сравнению с поперечным размером. Нагру-
жение сжимающими напряжениями, вызы-
вызывающими искривление образца (потеря
устойчивости).
а. i — радиус инерции; i=V НА, где Л—
площадь поперечного сечения.
б. / — осевой момент инерции поперечно-
поперечного сечения.
в.'х — гибкость; %=l/i.
г. / — длина образца.
д. FK— нагрузка при продольном изги-
изгибе, кгс; Fk=Ck2FI/12.
е. С — константа (зависит от условия на-
гружения).
Используется образец определенной
длины.
Следует различать четыре случая нагру-
жения (рис. 1.299):
У///,
Рис. 1.299
I. Один конец образца жестко закреплен,
а второй подвижен (см. рис. 1.299, a): FK=
(/4)(ЕТЩ
II. Образец с двух сторон закреплен в
опорах с острием; может отклоняться во
все стороны (см. рис. 1.299,6): FK=n*ETH*.
III. Образец жестко закреплен одним кон-
концом, второй конец—на опоре с острием
цами (см. рис. 1.299, г): fK=4jT2?Y//2.
IV. Образец жестко закреплен двумя кон-
концами (см. рис. 1.299, г): Fk=4n*EI/l2.
В опытах определяется Fk.
а. Тип нагружения II находит практиче-
практическое применение.
б. Таблица гибкости %:
Чугун
Технически чистое железо . .
Низкоуглеродистая сталь . .
Термически упрочненная сталь
Легированная никелевая сталь
80
112
105
90
86
в. Теория Эйлера справедлива для %
Если %>80, то для расчета должна приме-
применяться.теория Тетмайера.
г. Применяется для балкоподобных
строительных конструкций и для специаль-
специальных элементов машин.
1.11.2.19. Испытания на
длительную прочность (TGL
0-50119; 11224; 10975/76)
Один из важнейших видов статических
испытаний; его разновидностью являются
испытания на релаксацию. При этих испы-
испытаниях определяют время до разрушения
или до заданного удлинения образца при
постоянном растягивающем нагружении
(реже при сжимающем, изгибающем или
закручивающем нагружении). Испытания
проводятся при постоянной заданной тем-
температуре. Предназначены главным образом
для оценки возможности использования
материалов при высоких температурах
(длительная прочность, ползучесть).
а. Ов/Zeit —предел ограниченной длитель-
длительной прочности (в кгс-мм~2 или Па) на за-
заданный срок службы. Напряжение а рассчи-
рассчитывают по исходному поперечному сечению
образца; Т=const; определяется время
(в часах), которое образец простоял без
разрушения.
Например: Ов/\оооо — предел ограничен-
ограниченной длительной прочности на 10000 ч: обра-
образец простоял при заданной температуре
под заданным напряжением без разруше-
разрушения 10000 ч.
б. Судлинение/время — предел ползучести,
а — растягивающее напряжение; заданное
остаточное удлинение в процентах за задан-
заданное время (в часах).
Например: ovioooo — 1 % удлинения при
испытании в течение 10000 ч под заданным
напряжением при постоянной (также за-
заданной) температуре.
в. бдиаметр/время -— остаточная деформа-
ция при разрушении после испытаний на
длительную прочность.
Например: Ьь/юооо—АЬ/1о; L0=5d; ЮООО-ч
испытание.
Здесь. AL — остаточное удлинение после
разрушения образца; Lo — первоначальная
расчетная длина образца; й — диаметр об-
образца.
г. я^ремя — сужение после разрушения
образца при испытании на длительную
прочность, т. е. остаточное уменьшение по-
поперечного сечения образца ДЛ после раз-
рушения, отнесенное к первоначальному по-
поперечному сечению Ао. Например: -^юооо =
=ДЛ/Л0 при испытании 10000 ч.
д. е — удлинение при испытании на дли-
длительную прочность, т. е. удлинение нераз-
неразрушенного образца, отнесенное к исходной
длине Lo. Различают полное удлинение
ееев и остаточное удлинение ъы после сня-
снятия нагрузки. Разность составляет упругое
удлинение еег, которое при высоких темпе-
температурах обычно сравнительно мало.
е. Кривые ползучести (рис. 1.300) для
различных условий нагружения. Образцы
122
для испытаний на длительную прочность
и/или ползучесть имеют большей частью
цилиндрическую рабочую часть — рис.
1.301 (допускаются также призматическое
и квадратное поперечные сечения).
Допуски — по TGL 10975/76, образцы с
Время-
Рве. 1.300
Рве. 1.301. Результаты вспытанвй на длительвую
прочность в ползучесть
надрезом — по TGL 0-50119. Головку для
зажима целесообразнее делать с резьбой
(лучше крепление в цангах), однако сле-
следует предусматривать зазор около 0,2 мм,
учитывая образование окалины при высо-
высоких температурах.
Расчетную длину наносят метками
(± 1 %) или измеряют большую длину. Lges
штангенциркулем, затем образец закрепля-
закрепляют в установке. 1
Температура после прогрева (до 4 ч) до
€00°С, ±4 град при 600—800°С и ±6 град
при 800—1000°С поддерживается постоян-
постоянной с точностью ±3 град.
Для высоких температур применяют в
основном трубчатые печи с секционными
нагревателями. Редко используют соляные
ванны из-за опасности коррозионного воз-
воздействия расплава. При более низких тем-
температурах (<200°С; например, для лег-
легких металлов, пластмасс) применяют кон-
конвекционные печи (лучшее постоянство тем-
температуры) .
После выхода на заданную температуру
производят выдержку в течение 16—24 ч
для стабилизации температуры. После это-
этого уже прилагают нагрузку с помощью гру-
груза или пружины.
Запись измерений температуры ведется
во времени (в том числе при предваритель-
предварительном нагреве) в специальных протоколах.
Определение длительной прочности, а ¦
также предела ограниченной длительной
прочности, остаточной деформации после
разрушения, предела ползучести.
а. Удлинение можно измерять во время
опыта непрерывно (по TGL 10975) или эти
измерения проводить через определенные
промежутки времени на охлажденном и
размонтированном из машины образце
(TGL 10976). В предельном случае образец
может быть доведен до разрушения —
рис. 1.302.
б. Испытание проводится в течение за-
заданного времени до получения определен-
Кривые длительндй прочности
б,ППа
300
200
10г 103
Время, v
10s
Рве. 1.302
/ — кривая для условий разрушения (для-
тельиой прочности); // — кривая для О"ф а;
/// — кривая остаточного удлввения при
разрушевии; а, е, / — в логарнфмвческом
масштабе
иых значений удлинения и образец не до-
доводится до разрушения. Возможен опыт
(рис. 1.303) по определению предела пол-
ползучести на трех образцах без промежуточ-
промежуточных измерений. Например, трехступенчатый
стержень, представляющий собой по сути
100 200 ЗООЬОО б.НПа
Рве. 1.303
дела три образца различных диаметров (от
di до d3) и сечений от Ау до А3, подвешен-
подвешенные один за другим на одной штаиге, на-
нагружают одинаковой силой F. Напряжения
от Ci до 0з действуют, например, 100 ч;
остаточные после демонтажа удлинения —
от ei до е3.
в. Наблюдаемый большей частью прямо-
прямолинейный ход зависимости удлинения от
времени допускает экстраполяцию (TGL
11224), но ие более чем на 10-кратный про-
123
межуток времени, что обусловлено законо-
закономерностями изменения скорости ползучести
в зависимости от времени (II стадия): е=
/
г. Температурная зависимость высоко-
высокотемпературной ползучести подчиняется
уравнению Аррениуса.
д. Ускоренные методы заменяют требую-
требующие больших затрат времени долговремен-
долговременные испытания (при повышенной темпера-
температуре). Применимы не для каждого мате-
материала, так как изменения структуры в хо-
ходе самих высокотемпературных испытаний
(например, для упрочненных термической
обработкой сталей) делают невозможным
использование этих методов.
е. Повреждения после длительного на-
гружения деталей в эксплуатации для
оценки оставшегося времени службы (TGL
0-50119) можно определить путем испыта-
испытаний образцов с надрезом на ударную вяз-
вязкость. Применяются также методы нераз-
рушающего контроля (см. 1.11.6).
ж. При испытаниях иа релаксацию из-
измеряют уменьшение напряжений образца
в зависимости от времени, определяемое
переходом части упругой деформации в
пластическую: eges = б« + epiast=const.
С уменьшением eei напряжение умень-
уменьшается. Испытания на релаксацию исполь-
используют, например, для определения свойств
стальной арматуры для напряженного бе-
бетона.
1.11.2.20. Испытания
на циклическую прочность
(усталостные испытания)
Испытания с приложением периодической
нагрузки. Определение числа циклов при
заданном напряжении, приводящих к раз-
разрушению, или предельного напряжения, ни-
ниже которого разрушения не происходит ии
при каком (для стали 10-10е) числе цик-
циклов (предел выносливости), или напряже-
напряжения, которое после заданного числа циклов
(например, 105) ведет к разрушению (пре-
(предел ограниченной выносливости). Остаточ-
Остаточную деформацию измеряют только в спе-
специальных случаях.
Данное испытание является важнейшим
для выбора материала (и/или размеров)
деталей машин и транспортных средств,
так как материал в условиях циклического
нагруж.ения иногда может разрушаться да-
даже при напряжениях ниже технического
предела упругости (текучести). Определя-
Определяемое значение предела циклической проч-
прочности (выносливости), полученное в усло-
условиях иагружеиия в направлении прокатки,
нужно уменьшить иа 20 %, когда иагруже-
иие идет перпендикулярно направлению
прокатки. Надрезы, шероховатость поверх-
поверхности сильно снижают предел циклической
прочности (предел выносливости). Кроме
того, влияет и размер деталей конструк-
конструкций (размер образцов).
Нагружение образцов может быть од-
одноступенчатым и многоступенчатым. Кро-
Кроме того, проводят эксплуатационные испы-
испытания деталей иа усталостную прочность.
124
Характер переменного нагружения боль-
большей частью бывает синусоидальным.
Виды нагружения: растяжение-<—«-сжатие;,
циклический изгиб; плоский изгиб; знако-
знакопеременное закручивание.
Испытания регламентируются TGL 19330;.
19333; 19336; 19340.
Усталость — снижение прочности мате-
материалов при повторяющемся (циклическом),
нагружении. Возникает особый вид уста-
усталостного разрушения.
Излом состоит из:
а) участка усталостной трещины: глад-
гладкая, без макроскопически видимой дефор-
деформации поверхность, часто с линиями (бо-
(бороздками), похожими на годовые кольца;
эти линии (бороздки) отражают интервалы-
продвижения трещины между циклами иа-
гружения;
б) долом — окончательное разрушение с
макроскопически шероховатой поверхно-
поверхностью.
Электронномикроскопические исследова-
исследования обнаруживают на плоскости зароды-
зародышевой трещины тонкий рельеф, который
связан с подрастанием трещины во время
каждого отдельного цикла: s
а) растяжение** сжатие или односторон-
одностороннее изгибное циклическое нагружение (рис.
1.304);
б) двустороннее изгибное знакоперемен-
знакопеременное нагружеиие (рис. 1.305);
в) усталостное разрушение турбинной-
лопатки с двумя зародышевыми трещина-
трещинами (рис. 1.306).
Рис 1.304
Рнс. 1.305 Рис . 1.306
f -— частота нагружения измеряется в гер-
герцах (число приложенных циклических иа-
• гружений в 1 с). Для стали в области
обычных частот C—5 Гц) частота иагру-
жения не оказывает заметного влияния иа
результаты усталостных испытаний (когда
нет коррозионного воздействия); в случае
ультразвуковых частот — сильные измене-
изменения.
М> — число циклов до разрушения (см.
кривые усталости — диаграммы Велера),
предел выносливости NG для стали — при
10- 10е циклов (см. выше). Выше No раз-
разрушения не наступает.
Со — наибольшее напряжение; макси-
максимальное значение напряжения в каждом
цикле. ; .
Си — наинизшее напряжение цикла.
От — среднее напряжение: ат=(о0+-
+ си) /2=0,5 (о-о+о-ц).
Со—амплитуда напряжения: 0о=±(сто+
+C)/2= ±0,5 (ov—с).
2сга — двойная амплитуда (размах цик-
цикла): 2Са=О0—Си.
Y—коэффициент симметрии: у=аи/Оо.
г — отношение среднего напряжения к
максимальному: r=Cmlo0.
Общий вид диаграммы усталостной проч-
прочности [106] —рис. 1.307.
Предел выносливости — это напряжение,
при котором в течение любого числа цик-
циклов (во всяком случае не менее No) не бу-
будет происходить разрушения при данном
ченной выносливости, например для числа
циклов, равного 10е, 105 или 10*.
Указание: дополнительные малые индек-
индексы указывают на вид иагружения, напри-
например усталостная прочность при знакопере-
знакопеременном изгибе оъу,; усталостная прочность
при знакопеременном растяжении — сжа-
сжатии Ozdw', усталостная прочность при цик-
циклическом растяжении Czech или цикличе-
циклическом СЖаТИИ Odsch.
Диаграмма Велера. Служит для опреде-
определения предела выносливости и ограничен-
Рнс 1.307
Рис. 1.308
1 — кривая Велера; 2 — лнння повреж-
повреждений; 3 — предел ограниченной вынос-
выносливости; 4 — предел усталости
виде циклического нагружения. Предел вы-
выносливости может быть задан амплитудой
(cad — амплитуда усталостной прочности)
или наивысшим напряжением (Сои).
Ограниченный предел выносливости —
это напряжение, при котором материал мо-
может без разрушения выдержать заданное
число циклов (например, 105). Иначе —
ограниченная выносливость.
Различают: Oa(.n) и Со (го-
(гост» или сГю(го — усталостная прочность
при нагружении с симметричным циклом.
Особый случай: от—0 или %=оа/а0——1.
Csch или Osch(N) — усталостная прочность
при пульсирующем цикле иагружения.
Особый случай: Cm=сго.
Усталостная прочность при пульсирую-
пульсирующем растяжении ои=0.
Усталостная прочность при пульсирую-
пульсирующем сжатии Оо=0.
Различные виды диаграмм усталостной
прочности'.
а. Диаграмма Хейга (Haigh). На оси ор-
ординат отложено Сдс
б. Диаграмма Смита (Smith). Наиболее
распространенная форма (см. выше рис.
1.307). По оси ординат отложены Ood или
Cud- По оси абсцисс ст (так же, как и в
диаграммах других видов).
Максимальное н апря жение=Со в=ст=
— Ов.
Диаграмма, как правило, обрывается при
Ooa=c<s,2, так как деформации выше 0,2 %
зачастую недопустимы.
в. Диаграмма по Смиту и Полю (Smith—
Poll) — см. TGL 19330.
г. Диаграмма по Муру, Комерсу и Джас-
Джасперу (Moore, Kommers, Jaspers) — см.
TGL 19330.
д. Другие виды диаграмм усталостной
прочности содержат также линии ограии-
ного предела выносливости — рис. 1.308 и
1.309.
Линия повреждения — это граничная кри-
кривая, ниже которой, несмотря на возможные
микротрещины, может проявляться влия-
влияние деформационного упрочнения («трени-
(«тренировка»). Выше этой граничной кривой, как
это доказано, возникают повреждения (мак-
60Е'1 'ЗВД
Материала
Материал!
igN
ротрещины, снижение предела прочности на
разрыв и особенно снижение ударной вяз-
вязкости). Число циклов откладывают обычно
в логарифмическом масштабе.
Для различных материалов предел вы-
выносливости определяют для различных Nqi
Низкоуглеродистая сталь . 10 • 10е
Упрочненная сталь .... 3-10е
Медные сплавы ..... 50-10е
Легкие сплавы 100» 10е
Часть диаграммы Велера в увеличенном
масштабе—рис. 1.310, 1.311.
Влияние надрезов на усталостную проч-
прочность, dh — коэффициент, отражающий от-
отношение максимального напряжения в над-
надрезе к номинальному напряжению (равно-
(равному среднему напряжению) в надрезанном
125
сечении; справедливо для упругого пове-
поведения:
dh = omax/aNenn > 1.
Рб — коэффициент эффективности надре-
надреза, dh — для многих практических случаев
Трещин нет
Изменения свойств нет
N-
Рис. 1.310
/ — кривая Велера; 2 — макротре-
щнна; 3 — линия повреждений; 4 —
образование микротрещины
должен быть заменен коэффициентом
учетом того, что упругие напряжения мо-
могут превысить предел текучести и часть
напряжений снимается в результате пла-
пластической деформации:
Pfc = «Ыгладк. обр.)/сгш(надр. обр.) > 1 •
ijft — коэффициент чувствительности к
надрезу: т]л= (рь—1)/(^ь—1)<1. В настоя-
настоящее время мало применяется.
Статистическая
прочность Предел
ученной
выносливости
N-
Рвс. 1.311
OF — коэффициент влияния поверхности,
т. е. коэффициент, который учитывает сни-
снижение предела выносливости конкретного
образца по сравнению с полированным об-
образцом (значения — см. в TGL 19340).
К— влияние размеров. Уменьшающий
множитель, учитывающий снижение преде-
предела выносливости при увеличении поперечно-
поперечного сечения (см. значения в TGL 19340).
Испытания на эксплуатационную вынос-
выносливость.
Многоступенчатые испытания. Нагруже-
ние в несколько ступеней, отличающихся
амплитудами и средними напряжениями,
которые однако остаются постоянными на
каждой ступени. Используются только в
особых случаях (например, при изучении
развития повреждений, влияния последо-
последовательности нагружений, в случае ускорен-
ускоренных испытаний). Соответствует испытанию
на" эксплуатационную выносливость, когда
число ступеней становится ' достаточно
большим (от 6 до 10 ступеней).
Прямые испытания на эксплуатационную
выносливость. Циклическое испытание с
последовательностью нагружений, соответ-
соответствующей эксплуатационным условиям.
Выборочные испытания. Испытания, ана-
аналогичные производственным. Образцы ис-
испытывают в специальной испытательной
машине, работающей по записанной на
магнитной ленте программе хода нагруже-
ния в процессе эксплуатации. Требуют
больших затрат. Применяются не для всех
случаев.
Классическое испытание на эксплуатаци-
эксплуатационную стойкость. Состоит из последова-
последовательности (рис. 1.312) ряда опытов по на-
гружению, которая установлена в резуль-
результате многочисленных циклов эксплуатаци-
1,000
110 50 90 9Q
^0,529
0,294
0,058
Пз=15
¦ъ*
130
У90
ч
10°
Рве. 1.312
ГО' Ю2 Ю'2,5/03zh=Q
Zrii— „ n
Сетка
вероятности
оиного нагружения и их статистической
оценки (TGL19330). Схема многократного
нагружения; минимальное число ступеней
9; нормальное распределение. Объем ста-
6
тистики п— 2 п«=2,5-103; с* — амплиту-
1
да напряжения на t-той ступени.
Схема нагружения
Рве. 1.313
Пример хода нагружения в опыте по оп-
определению эксплуатационной стойкости.
L — «медленный импульс» для ступеней с
наименьшим числом циклов; S — «быстрый
импульс» (TGL 19330) — рис 1.313.
Классификация. Разделение областей на-
нагружения иа интервалы (классы) и подсчет
числа циклов знакопеременного нагружения
126
в каждом выделенном классе. Производит-
Производится с помощью классифицирующих уст-
устройств. Как правило, классификацию про-
проводят по одному параметру — по а0 (мак-
(максимальное напряжение), причем cm=const
(что встречается чаще всего на практике).
Более редко классифицируют по двум
параметрам (например, по оа + ат или
CT0-f От).
Нормальное множество. Множество, ко-
которое при статистической оценке относи-
относительной частоты (повторений) подчиняет-
подчиняется распределению Гаусса. Относительная
сумма частот 2п при нагружении в коор-
координатной сетке вероятностей изображается
прямой.
Смешанное множество. Это сложное мно-
множество, состоящее из нескольких частот-
частотных распределений (большей частью нор-
нормальных).
Наименьшее множество. Это множество
с наименьшим объемом. Наибольшей на-
нагрузке соответствует частость 1.
N — долговечность. Это число циклов зна-
знакопеременного нагружения до появления
повреждений (трещин или надрывов) при
эксплуатационном или программирован-
программированном нагружении. Это также число циклов
до разрушения.
_ Линия эксплуатационной долговечности
N=f(G). Эта линия представляет собой
совокупность точек, соответствующих мак-
максимальным напряжениям цикла (ордината)
и числам циклов до разрушения (абсцисса)
при заданной вероятности для данного мно-
множества. Отдельные точки на ней получают
путем многократных испытаний на экс-
эксплуатационную стойкость при разных на-
напряжениях, но при одинаковых схеме и
объеме испытаний (рис. 1.314, TGL 19330);
соответствует линии Велера при односту-
одноступенчатом испытании.
G(N)—эксплуатационная прочность. Это
значение напряжения, соответствующее
точке N линии эксплуатационной долговеч-
долговечности. Справедливо только для определен-
определенной формы множества (см. рис. 1.314). Со-
Рве. 1.314
ответствует пределу выносливости для од-
одноступенчатого опыта.
Влияние изменения последовательности
нагружения. Изменение числа циклов до
разрушения N при многоступенчатом и
эксплуатационном нагружении вследствие
изменения последовательности ступеней
нагружения. Самое сильное влияние — при
последовательно уменьшающемся или по-
последовательно повышающемся напряжении
(максимальное или минимальное трениру-
тренирующее действие). Это влияние ослабевает с
увеличением числа последовательностей и с
увеличением беспорядка в выборе величин
напряжения в пределах одной последова-
последовательности, а также с увеличением объема
статистики (приближение формы множест-
множества — прямоугольная форма одноступенча-
одноступенчатого опыта).
Тренировка. Это систематическое повы-
повышение напряжения для того, чтобы повы-
Рис. 1.315. Образцы для испытаний на цикли-
циклический изгиб: а—гладкий образец для особых
случаев, например, проволока; б — надрезан-
надрезанный образец (/ — острый надрез; L: d=0,l;
радиус надреза р=0,1 мм; dK =do ненадрезан-
ного сравнительного образца)
сить долговечность или усталостную проч-
прочность. Может влиять благодаря упрочне-
упрочнению материала при предварительном на-
груженин ниже линии повреждаемости.
Образцы — стержни круглого сечения
диаметром от 7,5 до 15 мм для конструк-
конструкционных и улучшаемых сталей и диамет-
Рис. 1.316. "Профилированные образцы; ra: do>3;
сужение do в середине допустимо до ^0,05 мм
ром 30 мм для цементуемой стали.
Образцы полируют (^<<;3,2 мкм) и де-
делают гладкими или с различными надреза-
надрезами. Испытывают от 20 до 30 образцов при
одинаковом среднем напряжении. Типы
образцов, испытываемых на циклический
изгиб для построения кривых Велера, изоб-
изображены на рис. 1.315 и 1.316.
Методы испытаний:
а. Машины для испытаний на цикличе-
циклическое растяжение — сжатие (так называемые
пульсаторы). Привод гидравлический (гид-
(гидравлический пульсатор) или с помощью
резонансного возбуждения. Частота боль-
большей частью менее 50 Гц. При увеличении
нагрузки и температуры возможно воздуш-
воздушное или масляное охлаждение. Применяют
программируемые пульсаторы (серводина-
мические).
б. Машины для испытаний на цикличе-
циклический изгиб. В циклических изгибных маши-
машинах образец закручивается электродвига-
электродвигателем, а постоянный изгибающий момент
по всей длине образца создается двумя
равными по величине силами, которые при-
приложены к двум самоустанавливающимся
подшипникам на концах образца. Обычная
частота 50 Гц. Для плоских образцов ис-
127
пользуют машины плоского изгиба (боль-
(большей частью для легких металлов).
в. Прочие испытательные машины и из-
измерительные устройства. Крутильные ис-
испытательные машины являются испытатель-
испытательными устройствами для получения сложно-
сложного напряженного состояния. Увеличение
или уменьшение температуры образца в хо-
ходе опыта можно получать, омывая его не
оказывающей коррозионного воздействия
жидкостью из термостата. Водные раство-
растворы применяют только при преднамеренном
Характеристика
цикла
45=0
Рис. 1.317
коррозионном воздействии. Число циклов
измеряется счетчиком, который автомати-
автоматически выключается при разрушении образ-
образца. Циклические испытания можно прово-
проводить при постоянной амплитуде напряже-
напряжения или деформации (например, при плос-
плоском изгибе).
При амплитудах, не вызывающих замет-
заметной пластической деформации, различие в
результатах незначительное.
Методы предназначены для оценки оп-
определенного значения числа циклов до раз-
разрушения по диаграмме Велера, для постро-
построения диаграмм усталостной прочности и
для-определения линий повреждаемости в
совокупности с различными другими мето-
методами, например, металлографическими, для
определения областей разброса (см. рис.
1.317), для исследования структуры и из-
изломов.
Примеры
а. Испытание на выносливость. Может
проводиться при трех видах нагружений
(рис. 1.317) и семи случаях нагрузок (рис.
1.318 и табл. 40).
б. Связь между усталостной прочностью
и статической прочностью:
biv
: 0,285{a
¦¦ 0,2 (cs
Сопоставление справедливо только для
полированных стальных образцов. В случае
более твердых сталей имеет место сильное
уменьшение усталостной прочности при
плохом качестве поверхности..
Данные этой таблицы являются грубым
приближением и не могут заменить цикли-
циклических испытаний.
Случаи
Рис 1.318
Т АБ ЛИЦА'40
Знакопостоянная область
(сжатие)
Область
сжатия:
¦от отрица-
отрицательно ;
от>Са
Отнулевое
иагружение
сжатием:
си=0;
—вт=оа\
<70=2со
Знакопеременная область
Область зна-
коперемен-
копеременного нагру-
жения:
—оа\ +аи;
—о-т<о"о
Знакопере-
Знакопеременное
нагружение;
±С0=:р (Гц
от^0-
аа—харак-
аа—характерная вели-
величина
Знакопостоянная область
Область
знакопере-
знакопеременного рас-
растяжения:
+а„; —аа
+от <с«
Отнулевое
нагруженне
растяжением:
о-„=0;
+От=Оа
растяжение)
Область
растяжения
ст положи-
положительная:
428
в. Сокращенное (ускоренное) испытание.
Способы, основанные на определении зату-
затухания колебаний (см. 1.11.3.7), петли гис-
гистерезиса или по TGL 19330. Многоступенча-
Многоступенчатый опыт не может заменить длительное
испытание.
г. Разброс усталостной прочности/ Боль-
Больше чем для статической прочности, прежде
всего для высокопрочных материалов. По-
Поэтому определение области разброса воз-
возможно по диаграмме Велера (граничная
линия для определенной вероятностей раз-
разрушения Рв или вероятности безотказной
работы Рц); Р'и= 1—Рв. Для оценки ре-
результатов испытаний необходимо ие менее
десяти образцов на каждый уровень на-
напряжений (см. TGL 19336).
д. Вычисление эксплуатационной стойко-
стойкости из кривых Велера. Существует очень
много способов. Расчет не может заменить
испытаний иа эксплуатационную стойкость.
е. Циклические испытания в случае кор-
коррозии. При этом разрушения происходят
даже после очень большого числа циклов
(Лг>500-106 для стали). Линия Велера
продолжает снижаться после исключитель-
исключительно большого числа циклов. Более сильное
влияние частоты (при уменьшении частоты
растет повреждаемость, так как растет
влияние коррозии).
ж. Циклические испытания при высоких
и низких температурах. При повышенных
температурах длительное нагружение (ве-
(величиной ат) является более действенным,
чем циклическое нагружеиие напряжением,
равным Са. При пониженных температурах
с ростом влияния надреза и ростом скоро-
скорости нагружения увеличивается вероятность
хрупкого разрушения.
з. Влияние схемы напряженного состоя-
состояния на усталостную прочность. Изгибное
26
'гаг
Рис. 1.319. Диаграмма усталост-
усталостной прочности для стали марки
St37:
/ — изгиб; 2 — растяжение —
сжатие (среднее напряжение
растяжения); 3 — кручение
нагружение дает завышенное значение-уста-
значение-усталостной прочности, а нагружение круче-
кручением — заниженное по сравнению с нагру-
жением растяжением — сжатием (рис.
1.319). С помощью специальных устройств
можно проводить циклические испытания
при сложном нагружении (например, изгиб
и кручение).
и. Пути повышения усталостной прочно-
прочности. Улучшение качества поверхности, уст-
устранение острых надрезов и резких перехо-
переходов сечеиий. На это же направлено упроч-
упрочнение поверхности, например с помощью
цементации, азотирования, дробеструйного
упрочнения. При этом благоприятно отра-
отражаются возникающие в поверхности бла-
благодаря карбидам и нитридам сжимающие
напряжения.
к. Определение повреждаемости и оценка
остаточной продолжительности эксплуата-
эксплуатации. Подход подобен при циклических и
статических нагружениях. Так как период
роста трещины при циклической нагруже-
нагружении может быть очень велик (до 90 % об-
общей продолжительности службы), то суще-
существует возможность с помощью метода не-
разрушающего контроля обнаруживать
трещины в высоконагруженном элементе
конструкции после определенного времени
эксплуатации (например, метод магнитного
порошка в стали см. 1.1.7) с последующей
заменой детали до наступления разрушения.
1.11.2.21. Испытания твердости
(TGL 8648; 9556; 9011; 10650;
6917; 0-51255; 0-521200)
Твердость — это сопротивление тела
внедрению индентора — другого твердого
тела. Способы испытания подразделяются
на статические и динамические.
К статическим относятся способы изме-
измерения твердости по Бринеллю, Викерсу,
Роквеллу, Кнупу; к динамическим — спосо-
способы измерения твердости по Шору, Шварцу,
Бауману, Польди, Морину, Граве.
Измерения твердости осуществляют при
20±10°С.
Основные схемы измерения твердости
различными способами — см. рис. 1.320—-
1.325 в табл. 41.
а. Пересчет значений твердости [14].
Значения твердости, полученные различны-
различными способами, можно пересчитать (от од-
одного способа к другому) — рис. 1.326—
1.330.
б. Методы измерения микротвердости.
Измерение твердости структурных состав-
составляющих по принципу Викерса.
Нт — микротвердость (в кгс-мм-2), за-
зависит от размера отпечатка, величины на-
нагрузки; й — диагональ отпечатка (в мкм):
Я 18544/Vrf2
Ят= 1854,4/Vrf.
Прибор для испытаний микротвердости
(рис. 1.331). Отпечаток пирамиды измеря-
измеряется с помощью окулярмикрометра.
9—140
129
ТАБЛИЦА 41
Способ
Вид андентора
Нагрузка
л
к
к
ш
S
К
о.
(О
S
СО
о
а
Шарик из закаленной стали
или твердого сплава (рис.
1.320)
Рис. 1. 320
Алмазная пирамида
1.322)
(рис.
а~о,375
Рис. 1. 322
A; f=60 кгс; С (алмазный ко-
конус): F=15O кгс; D:F=
= 100 кгс; В (стальной ша-
шарик): F=100 кгс (рис. 1.324)
Статические меть
F==CDa. Диаметр шарика: 1; 1,25; 2,1; 5;
10 мм; C=f (свойств материала): 0,5; 1,25;
2,5; 5; 10; 30
а) макро:
F=5-rl20Krc;
б) малые нагрузки:
F<5 кгс;
в) микро:
F<1 кгс
Динамические
с
X
о.
о
а
Алмазная пирамида (ромбиче-
(ромбическая)
Алмазный боек 0,01 дюйма
=l-^5 кгс
Свободное падение бойка 2,5 гс; наимень-
наименьшая масса образца 5 кг; наименьшая тол-
толщина образца 50 мм
Примечания к рисункам. Рис. 1.321: а — сферическая лунка; б — отпечаток не вызвал де
1.323: а — нормальный отпечаток; б — отпечаток иа слишком мягком материале — слишком низкая
(только предварительное нагружеыне); б — предварительное нагружение+остальное испытательное
вения нндентора)
130
Отпечаток
Измеряемая величина
и расчетная формула
Область применения
Примечания
ды испытания
Рис. 1. 321
Рис. 1. 323
2F
я D (d- V O2-«i0
(кгс-мм-2);
Н V= 1,85 F[d*
{кгс-мм-2)
Измерение <н в Так
микрометрах;
HRC==100——;
s
HRB= 130—
tB
ед. Роквелла
0,002 мм=
=2 мкм
Низкая и/или сред
няя твердость. Пло
екая, ровная поверх
ность. Толщина об
разца не менее
2,5 мм. Полное на
гружение до задан-
заданного значения и за-
затем выдержка 10 с.
Для металлов, склон-
склонных к ползучести
30 с
Низкая средняя и
высокая твердость
Поверхностно упроч-
упрочненные тонкие слои.
Вообще тонкие об-
образцы. Выдержка
под нагрузкой 15 с.
До HV140 (мягкий
металл) — 30 с
же, как НВ, hi
кроме того, твердые
материалы, шлифо-
шлифованные поверхности
Избегать изгибаю-
изгибающих нагрузок
Метод, зависящий
от условий нагруже-
ния (толщины образ-
образца, диаметра шари-
шарика) . Экспоненциаль-
Экспоненциальный закон Мейера.
Поэтому дли значе-
значений НВ всегда ука-
указывают условия ис-
испытаний (нагруже-
ния). Значения НВ
и HV совпадают до
НВ300
Метод, не зависящий
от условий иагруже-
ния. Закон подобия
Кникше
о При
шарике: 10 кгс
предварительная на-
нагрузка +90 кгс —
остальная испыта-
испытательная нагрузка;
При конусе 10 кгс
предварительная на-
нагрузка + 140 кгс —
остальная испыта-
испытательная нагрузка
методы испытания
Рис. 1.325
Упругая деформа-
деформация
14,2F
(в кгс-мм)
Высота отскока
Л». Твердость по
Шору
Тонкие слои, поверх-
поверхностное упрочнение
Испытание без по-
повреждения материа-
материала (например, твер-
твердость поверхности
прокатных валков)
где с — константа;
, Е2 — модули
Юнга бойка и ис-
испытываемого ма-
материала
формациоиного упрочнения: в — отпечаток сопровождается деформационным упрочнением; рис.
твердость; е — материал наклепан, слишком высокая твердость; рис. 1.324: а — установка нуля
нагружеиие; е — упругое последействие при снятии испытательного груза (<в—глубина проникио-
Высота отскока —¦
мера твердости;
строят относительные
кривые, так как Нвь=
f (типа прибора)
9*
131
HV
woo
800
600
4€0
200
/
/
/
h
ft
г
0 200 WO 600 800
Puc.J.326 HB
HRC
W
80
60
40
20
0
I
/
'y
"_?
ИНВ
mo
во
60
40
20
/
/
100 300 500 700 900
Puc.1.327 Шили НУ
0 100 200 300 400
Puc.1328 HB
Рис. 1.326
1 — твердосплавный шарик; 2 — алмазный индентор; 5 — стальной шарик
Рис. 1.327
1 — НВ, определенная стальным шариком; 2 — НВ, определенная алмазным индентором,
или твердость по Виккерсу
Рис. 1.328
HSh
100
80
60
40
20
о
НВ
240
320
400
480
560
640
720
800
/
Л
/
/
Ряс. 1.329
200 400 600 800
ИВ (стальной шарик)
HSh
203040S#607080ffOiOO
50
„
70
90
110
130
150
170
190
210
230
250
270
О 10 20 30 40 50 6,0 70
то
s
s
\
I
>
\
}
V
Рис 1.330
Рис. 1.331. Схема прибора:
а—алмазная пирамидка (угол 136°); Ь—
передняя линия объектива; с — задняя ли-
линия объектива; й — пружина; е — вспомо-
вспомогательная линза; f — зеркало; g — шкала
Яагрузкн; h — линза; k, I — установленные
кольца; / — эксцентриковое кольцо; т —
гайка
1.11.2.22. Испытания
на прокаливаемость(торцовая
проба по TGL4390)
Испытания служат для определения глу-
глубины закаленного слоя, который должен
иметь определенную твердость. Измеряется
расстояние от торцовой поверхности, иа ко-
которое проникает закалка.
Прокаливаемость /=твердость : расстоя-
расстояние от торца.
Образец для торцовых испытаний прока-
ливаемости имеет длину ~ 130 мм и -.яа
132
«30 мм.- . Нормализованное состояние.
Размеры образца, по Джомини, или спе-
специальные образцы (например, по Кегелю
[11])—рис. 1.332—1.334.
Образец нагревают на температуру закал-
кн, выдерживают ~30 мин и затем пере-
переносят в приспособление, в котором торец
образца закаливается в потоке воды A5±
±10°С). По образующей зашлифовывают
плоскость, по длине которой' (начиная от
торца) проводят измерение твердости.
г. Применение испытания на прокаливае-
мость по торцовой пробе имеет смысл толь-
только тогда, когда твердость заметно разли-
различается по длине образующей для цилинд-
цилиндрического образца, что и наблюдается для
цементуемых н среднелегированных не на-
насквозь закаливающихся сталей (рис. 1.336,
1.337).
Метод неприменим для высоколегирован-
высоколегированных сталей, особенно для сталей, чувстви-
чувствительных к изменениям температуры закал-
7 —
г
3
\
S?
¦^
.— |
i
i
1
oot
1Z±1
4
Рис.1.331
ФГ2.7
Рис.1333
PucU3<t
Рис. 1.332. Образец для испытаний на торцевую прокаливаемость по Джомини:
/ — канавка для подвешивания образца; 2 — образец; 3 — высота свободного подъема воды;
4 — трубка, подводящая воду
Рис. J.333, Образец для слабопрокаливающихся сталей
Рис. 1.334. Образец с малым поперечным сечением
Некоторые замечания:
а. Понятие прокаливаемостн не следует
путать с закаливаемостью; последняя харак-
характеризует возможность достижения макси-
максимальной твердости после закалки и зави-
зависит главным образом от содержания уг-
углерода.
б. Испытание прокаливаемости возмож-
возможно также по методу Кубаста и Гроссмана.
в. Кривые прокаливаемостн по торцовой
пробе одной и той же марки стали, но раз-
различных плавок могут оказаться различны-
различными (различный ход кривых изменения твер-
твердости в зависимости от расстояния от тор-
торца), несмотря на одинаковые условия опы-
опыта. Причиной этого являются колебания
химического состава в пределах марочно-
марочного. Поэтому строят полосы разброса (рис
1.335). F
Расстояние от торца, гт ——
Рнс. 1.335
ки (инструментальные стали). В этом слу-
случае лучше применять диаграммы твер-
твердость—температура закалки.
д. Эти последние (см. п. 2) испытания
можно применять для характеристики по-
поведения стали при отпуске (устойчивости
133
против отпуска). У глубоко прокаливаю-
прокаливающихся образцов изменение поверхностной
твердости зависит от температуры отпус-
отпуска—рис. 1.338.
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
О 5 10 15 20 25 30 354045 50 55 60 65
Расстояние от закаливаемого торца, мм
Рис. 1.336. Прокаливаемость улучшаемых ста-
сталей
Расстояние от лоЗерхнос/т/, мм
\
\
1
\
\
ч
\
\
1
Ч
Ч;
ч
ч
С60>
ч
^.
,035
ч?22
¦¦^
"*¦
^ i i
%-
**¦
ЫП
я я
а я
—
-J"
42MnW'
=-
ттвшт
ft5
к—-
¦——
ЯМ
11 IU
н
U
¦¦¦¦
0
¦"¦¦¦
¦¦в
-
О 5 10 1520 25 30 35 40 455055 60 65
Расстояние от зака/юваемого торца, /у/у
Рис. 1.337. Изменение твердости по поперечному
сеченню образца Джомиии при закалке в воде 111]
Рис. 1.338
1.11.2.23. Другие методы
технологических испытаний
Испытание на «отгиб» (на загиб или на
отбортовку). Испытание ведется для обна-
обнаружения трещин в зоне гиба (см. 1.11.2.3).
Плоские полосы: длина 100 мм, ширина
40 мм, толщина 0,4—5 мм.
Применяется устройство, имеющее пуан-
пуансон и матрицу заданной формы.
Испытание на склонность к старению
(к охрупчиванию). Вначале партнн образ-
образцов подвергают гибу—-см. опыты на зат..
гиб; они не разрушаются; нет трещин. За-
Затем загнутые образцы подвергают старе-
старению 2 ч прн 250 °С и разгибают ударом в
специальном приспособлении. Не охрупчи-
вающиеся после старения образцы не раз-
разрушаются (не имеют трещин).
Испытание на расковку. Испытание про-
проводят при повышенной температуре. Плос-
Плоские шайбы диаметром 300—700 мм. После
нагрева до температуры горячей деформа-
деформации и удара в специальном (полукруглом)
штампе не должны появляться трещины.
Испытание на наматывание (на смотку).
Проводятся для проволоки и канатов; оп-
определяется склонность к разрушению или
образованию трещин при наматывании
(смотке) в специальном устройстве для ис-
испытаний. Эталонную проволоку н исследу-
исследуемую сравнивают при намотке по появле-
появлению трещин нли по разрушению.
Испытание на раздачу при насаживании
на оправку. Испытания проводят при по-
повышенной температуре. Образец с отвер-
отверстием должен иметь отношение ширины к
толщине, равное 5:1. Оправка имеет ук-
уклон 1 : 10.
Оправка прошивает (раздает) отверстие
в образце при температуре ковки (диаметр
отверстия равен двойной толщине образ-
образца); отверстие расширяется вдвое; не долж-
должны появляться трещины.
Испытания на ковкость (деформируе-
(деформируемость). Размеры образца: длина 400 мм;
отношение высоты к ширине равно I : 3.
После нагрева на температуру деформации
проводят осадку до 1,5 раз. Трещины не
должны появляться; наличие трещин ука-
указывает на склонность к красноломкости.
Испытание на растяжение клином (на
склонность к вытяжке). Исследования ве-
ведут на пластинах из легких сплавов; оце-
оценивается их способность к глубокой вы-
вытяжке; применяются специальный образец
(рис. 1.339) н специальное устройство для
данной формы образца (рис. 1.340).
Пластины нагревают 15 мин при 500 °С,
затем закаливают в воде. После растяже-
растяжения иа установке до разрушения оставшие-
-угол может быть
слегка скруглен
Рис. 1.339
134
ся части образца подвергают тем же опе-
операциям термической обработки; травление
20 % -ным раствором NaOH для выявления
структуры. Если образуется крупное зерно,
то листы из испытуемого сплава не при-
пригодны для глубокой вытяжки.
Рис. 1.340
/ — образец; О — опорная плита;
К—боковой клин; S — нагружаю-
нагружающий клин; R — прижимные винты;
D — крышка
1.11.2.24. Испытания сварных
соединений (TGL 14912; 14914;
14913)
Испытание сварных соединений и сварен-
сваренных изделий
а. Качество сварных соединений зависит
от характера (свойств) основного мате-
материала и присадочного материала; способа
сварки; предварительной и последующей
обработки: конструкции сварного соедине-
соединения. >
б. Выбор способа испытания определяет-
определяется ¦ особенностями свариваемых материалов,
профилей (конфигурации) свариваемых по-
полуфабрикатов и выбранных методов
сварки.
Способы испытаний
1. При растягивающем нагружении.
1.1. Испытание на растяжение сварных
швов, полученных стыковой сваркой оплав-
оплавлением.
а. Определение предела прочности на
растяжение сварных соединений (см.
1.11.2.1). Применяется плоский образец, а
также образец с надрезом (по Каутцу
[111) — Рис 1.341.
б. После разрушения сваренного образ-
образца или изделий выявляют дефекты сварки
Рис. 1.341
и оценивают прочность на разрыв и ха-
характер разрушения (по сварке, по основно-
основному материалу и др.).
в. Оценка деформационного поведения
сварного шва. Применяют образец с двумя
отверстиями (рис. 1.342). Разрушение об-
Рис. 1.342
разца инициируют таким образом, чтобы
оно проходило по сварному шву. Оценива-
Оценивают прочность сварного шва, а также опре-
определяют способность к деформации сварно-
сварного шва (наблюдая за деформацией про-
просверленного отверстия).
г. Определение поведения сварного шва
при деформации (по Теске и Фину [11]).
Определение удлинения при разрушении
сваренного разрывного образца с надрезом.
Рабочая длина равна диаметру полукруг-
полукруглого надреза.
Удлинение при разрыве зависит от каче-
качества сваренного соединения. Прочность на
разрыв сварного шва на надрезном образ-
образце должна находиться в таком же соответ-
соответствии с прочностью на разрыв сварного
образца без надреза, как прочность на
разрыв надрезанного образца из основного
материала и прочность на разрыв ненадре-
занного образца из основного материала
(плоский разрывной образец).
1.2. Испытание на растяжение угловых
соединений, сваренных оплавлением.
а. Крестовидный образец (см. Испытание
на горячие трещины в сварном шве);
б. Образец с накладками (рис. 1.343).
Нагружение в поперечном по отношению
ко шву направлении; оценивается прочность
при растяжении.
1.3. Испытание на срез соединений, сва-
сваренных точечной сваркой.
Применяются одно- и двухслойные образ-
образцы, используемые для испытаний на срез
при растяжении (рис. 1.344, TGL 14912).
Две пластины длиной 400 мм соединены
точечной сваркой. Размеры оказывают
влияние на характер напряженного состоя-
состояния по длине сварного соединения. Испыта-
13В
ния предназначены для контроля работы
машины для точечной сварки, текущей про-
проверки свариваемости материала, прочности
на срез при испытании на растяжение.
2. Испытание твердости (см. 1.11.2.21).
Распределение твердости по поперечному
сечению сварного соединения и определе-
Рнс. 1.343
Точечная сварка
Направление сварки -
Точечная сварка
Вырезка -
образцов
Направление сварки ¦
Рис. 1.344
ние твердости наплавленной зоны при
сварке.
3. Испытание сварных соединений при
ударном нагруженни. Испытание на удар-
ударную вязкость при изгибе на образце с над-
надрезом (см. 1.11.2.14).
Оценивается склонность к хрупкому раз-
разрушению (к охрупчнванию) основного и
наплавленного материала в результате
влияния термического цикла сварки. Кос-
Косвенно судят о газонасыщеиности — погло-
поглощении кислорода и азота, зависящем от
характера применяемого электрода, н об
уменьшении деформационной способности
в результате охрупчивания.
4. Технологические испытания.
4.1. Оценка сваренных оплавлением сты-
стыковых швов с помощью: испытаний на за-
загиб (TGL 14912; 15686); испытаний на за-
загиб образцов с надрезом; испытания на от-
отгиб (на отбортовку), испытания наплав-
наплавленного шва на глубокую вытяжку
(TGL 15218).
Определение качества сварного соедине-
соединения (наличие пустот, шлаковых включений
и др.). Оценка поведения при деформации,
склонности к деформационному упрочне-
упрочнению.
4.2. Испытание угловых сварных швов,
а. Угловой образец (рис. 1.345, TGL
Направление
удара \
60
IHllllllllfllKi
80
to
во
Рис. 1.345
80
60
ШШППШ
Направление
удара - —'^
1
Г
Рис. 1.346
14912 [11]). Образцы готовят сваркой
двух пластин одинаковой толщины (от 5
до 12 мм), а затем разрушают.
б. Образцы сваривают внахлест (рис.
1.346, TGL 14912 [11]), испытывают так
же, как угловые. Такие образцы разруша-
разрушаются (рис. 1.346, справа) путем отдирания.
в. Испытание образца со стойкой на за-
загиб (на отбортовку нли на' отгнб).
Устройство для испытаний подобно уст-
устройству для испытаний на загиб — см. вы-
выше. Стойка расположена в зоне растяже-
растяжения. Испытания ведут до образования тре-
трещины; определяют угол загиба на обеих сто-
сторонах. Получаемое среднее значение и есть
определяемая величина — рис. 1.347 по
IIW (Институт сварки).
Наряду с субъективной оценкой качества
сварного шва, можно судить о его способ-
способности к формоизменению в виде разруше-
разрушения.
Характеристика видов разрушения по
IIW [11]:
136
— без дефектов (рис. 1.348);
— 1-й вид разрушения: трещина у осно-
основания шва сварки; распространяется
внутрь зоны теплового воздействия (рис.
1.349);
— 2-й вид разрушения: трещина начина-
начинается у основания сварного соединения;
I
Поправление
Отход
~ прокат/го
t
Отход
«СЕ
Us I
//•
Образец
на изгиб
1
I
Рис. 1.347
распространяется в основной материал, а
не в шов (рис. 1.350);
— 3-й вид разрушения: неожиданное
разрушение основного материала (не шва);
большей частью разрушения начинаются
от сварного соединения (рис. 1.351).
тг
Рис. 1.348
Рис. 1.349
Рис. 1.350
Рис. 1.351
Все три типа испытания служат для оцен-
оценки качества сварки, вида и объема имею-
имеющихся дефектов на поверхности шва и на
поверхности излома (поры, трещины, шла-
шлаковые включения, дефекты собственно со-
соединения, дефекты корня шва), а также для
суждения о внешнем виде разрушения.
4.3. Испытание на «отслаивание» (на
«раздирание») сварных соединений.
Испытание на отслаивание соединений,
полученных с помощью точечной сварка
(рис. 1.352—1.354). Пластины, сваренные
внахлест точечной сваркой, отдирают одну
от другой (раздирают). Предназначено для
Рис. 1.352
Рис. 1.353
Рис. 1.354
во
Рис. 1.355
Рис. 1.356
контроля сварных соединений и сваривае-
свариваемости соединяемых материалов. При случае
указывают на необходимость выбора по-
последующей термической или другой обра-
обработки шва.
5. Испытание на горячие трещины в
сварном шве.
5.1. Крестовидный образец (рис. 1.355).
Нагружение — поперечное по отношению
ко шву. При изготовлении такого кресто-
крестовидного образца нужно обращать внима-
внимание на идентичность всех четырех угловых
швов, а также на соблюдение одинаковой
толщины швов (слишком большая толщи-
толщина шва ведет к его разрушению).
Определяется прочность на разрыв ос-
основного и присадочного материала (рис.
1.356). Горячие трещины, которые могут
возникать в основном материале при газо-
газовой и дуговой сварке, оказывают влияние
на прочность.
5.2. Испытание образца с двойным угло-
угловым швом (по Кауцу).
Существуют две формы образцов для
определения устойчивости свариваемого
материала против образования горячих
трещин (рис. 1.357. 1 358).
Пластина стойки прихватывается с тор-
торцов. Первый угловой шов (электрод диа-
диаметром 4 мм) сваривают при заданной си-
137
ле тока. Сразу же после этого сваривают
второй шов с противоположной стороны
(толщина его на 20% меньше, чем первого
шва).
Через 30 мин после охлаждения второй
шов обследуют иа наличие трещии. Если в
сварочном шве второго валика возиикаю-
20
20
Места измерении
120
Плита (основание)
Рис. 1. 357
12 ,20, ,40,4ff
шовг
Стойка
Шов!
\
80
IV
Места измерений
120
Ллита (основание)
Рнс. 1.358
щие напряжения не релаксируют, то воз-
возникают тепловые трещины.
6. Испытание усталостной прочности
IIW-образец для растяжения при пульси-
пульсирующем режиме (рис. 1.359, для сталей).
Используют от 10 до 20 образцов, так
как сильный разброс. Оценивают усталост-
усталостное поведение сварных соединений.
7. Испытание на свариваемость.
Проводят для оценки: а) пригодности
для сварки данного материала (оценива-
(оценивают путем сварки образцов и определения
прочности на разрыв); б) надежности
сварного соединения (материал должен по
возможности без последующей термичес-
термической обработки сваренной конструкции ос-
оставаться неохрупченным).
К материалам, обеспечивающим надеж-
надежность сварного соединения, предъявляют-
предъявляются высокие требования, которые соответ-
соответствуют практике использования этих сое-
соединений.
Прежде всего нужно иметь в виду испы-
испытание сварных конструкций на восприим-
восприимчивость к хрупкому разрушению.
Согласно [11]:
а) многоосное напряженное состояние
нежелательно, так как препятствует воз-
возникновению достаточных по величине ка-
касательных напряжения, необходимых для
релаксации напряжений путем деформации
скольжением;
б) при высоких скоростях нагружения на
материал могут быть наложены большие
упругие напряжения; появляется опасность
хрупкого разрушения до того, как начнет-
начнется пластическая деформация;
в) при понижении температуры умень-
уменьшается возможность релаксации напря-
напряжений деформацией скольжением, благо-
благодаря чему появляется повышенная склон-
склонность к хрупкому разрушению.
7.1. Испытание на ударный изгиб свар-
сварного образца (по Пеллини).
7.2. Испытание на изгнб сварного образ-
образца (TGL 7060).
Образец вырезают путем газовой резки.
Продольные края затем обрабатывают;
пластина имеет толщину, равную толщи-
толщине испытываемой продукции (рис. 1.360).
66+300
i 200
/
Необрабаты-
Необрабатываемая '
сторона\
Направление прокатки s=30-S0
Рве. 1.359
Рнс. 1.360
Проводят изгибное нагружение (медлен-
(медленное, равномерное). Определяют угол из-
изгиба н изучают вид излома. Трещина, рас-
расположенная на расстоянии 3 мм от края
сварного шва, обычно проникает в основной
материал.
7.3. Испытание на распространение тре-
трещины (по Робертсону).
Образец нагружают в поперечном на-
направлении и нагревают его продольную
сторону; опредепяют затухание (задерж-
(задержку) распространения трещины (рис. 1.361).
Испытания служат для оценки воспри-
восприимчивости к образованию трещин в свар-
138
ных соединениях, в том числе восприим-
восприимчивости к образованию трещин в переход-
переходной зоне.
Растягивающее
напряжение
\ \ \ \ L-" . трещины
Щр
Место надреза сильно
переохлаждено
- Mill
Нагреваемый Охла/кдаепый
конец конец
Не разрушен ¦ Температура
остановки трещины
Рнс. 1.361
1.11.3. Физические свойства
и испытания
1.11.3.1. Электропроводность
Ионная проводимость — электропровод-
электропроводность, при которой электрический заряд
переносится свободными ионами, переме-
перемещающимися в веществе под действием
электрического поля. Различают собствен-
собственную и примесную ионную проводимость.
Подвижность ионов v. Связана с коэф-
коэффициентом диффузии формулой \=ED/
/КТ, где D — коэффициент диффузии; Е —
величина заряда носителя; К ~ постоян-
постоянная Больцмана; Т — температура, °С.
Подвижность ионов в твердых телах при
низких температурах относительно мала.
В керамических веществах с ростом тем-
температуры изолирующие свойства падают.
Это имеет особое значение при высоких
температурах.:
Электронная проводимость. Обусловлена
направленным движением электронов.
Электропроводность металлов. В осно-
основе электропроводности металлов лежит
металлическая связь. Атомы располагают-
располагаются в решетке в определенных положениях,
а их электроны частично коллективизиро-
коллективизированы (электронный газ, состоящий из сво-
свободных электронов в количестве ~ 1022
см-3).
Модель потенциальной ямы. Модель ис-
исходит из представления о том, что сво-
свободные электроны при приложении элект-
электрического поля приходят в направленное
движение. Благодаря этому металлы ха-
характеризуются электронной проводимо-
проводимостью. Согласно модели потенциальной ямы,
электроны в ней находятся на постоянной
глубине (рис. 1.362) [13].
Потенциал решетки металла равен ну-
нулю. При абсолютном нуле электронные со-
состояния до уровня энергив Ферми запол-
заполнены. При возбуждении электроны пере-
переходят через уровень энергии Ферми
Электроны в потенциальной яме рас-
рассматриваются как плоские волны и опи-
описываются с помощью волновых функций.
Так как электроны находятся только в
дискретных энергетических состояниях,
каждое из них соответствует' определен-
определенной собственной функции (описание с по-
помощью уравнения Шреднигера).
?=0
Рис. 1.362. Схема расположения
энергетических уровней:
с — потенциал в вакууме; Е _ —
v г
уровень Ферми: ?—0 — потенциал
решетки металла
При абсолютном нуле электропровод-
электропроводность идеальной решетки бесконечно ве-
велика. Дефекты в реальной решетке явля-
являются причиной появления электросопро-
электросопротивления. Из теории потенциальной ямы
следует, например, объяснение таких по-
понятий, как контактное напряжение, термо-
термоэлектричество (см. 1.11.3.3) и работа вы-
выхода.
Соответствующие данные для ряда ме-
металлов и окислов приведены в табл. 42.
ТАБЛИЦА 42
Металл
или окисел
AI
Ва
РЬ
Fe
Аи
Cd
Са
Со
Си
Mg
Mo
С.
эВ
4,20
2,52
4,04
4,63
4,71
4,04
3,20
4,25
4,48
3,70
4,24
Металл
или окисел
Ni
Pt
Ag
W
Cs
Zn
Sn
BaOcP, Ni
BacW, WOS
ThcW
CscW, WO3
Д?*
С
эВ
4,91
5,36
4,70
4,54
1.94
4,27
4,39
1,0
0,30
2,63
0,001
* A?g—работа выхода.
Удельное электросопротивление р. Вклю-
Включает две независимые составляющие: фо-
нонную часть (с ростом температуры уси-
усиливаются тепловые колебания) и часть,
обусловленную дефектами решетки (эта
составляющая сопротивления не зависит
от температуры), поэтому оценку дефектов
решетки можно производить с помощью
измерения остаточного сопротивления.
Правило Маттисена, С помощью этого
правила определяется общее удельное элект-
электросопротивление (фононная+решеточная
139
составляющие) металла с дефектами решет-
решетки: р=рфОВ+Рмат, где рМат — представля-
представляет составляющую, характеризующую ма-
материал и зависящую от его кристалличес-
кристаллической и электронной структуры. Рфов с уве-
увеличением температуры растет пропорцио-
пропорционально 7.
Вследствие магнитного эффекта в фер-
ферромагнитных металлах наблюдаются от-
отклонения от этого правила.
Техника измерений и особенности
а. Основные величины:
р=Л,—•; R=pl/q, где X — электрическая
проводимость; / — длина; R — электричес-
электрическое сопротивление; д — поперечное сече-
сечение; р — удельное сопротивление.
б. Зависимость р от температуры:
рг=р0A+аДТ), а = р
Здесь а — температурный
электросопротивления. При
коэффициент
образовании
Аи,% (помассе)
Рис. 1.363. Полная рвствори-
мость в твердом состоянии
Си,% (ло массе)
Рис. 1.364. Интерметалличес-
Интерметаллические соединения
/ — отпущен, упорядочен}
// — закален, неупорядочен
твердого раствора а уменьшается. Отри-
Отрицательное значение а(—а) представляет
особый случай для С, SiC, Bi, когда с ро-
ростом температуры R уменьшается.
в. Зависимость р от направления различна
у разных типов кристаллической решетки.
Для кубической решетки имеет место
изотропия.
В сплавах необходимо различать следу-
следующие возможности:
1. А и В взаимно не растворяются (мо-
(могут быть два случая: А и В расположены
последовательно — закон Кирхгофа для
последовательного соединения и А и В рас-
расположены параллельно — закон Кирхгофа
для параллельного' соединения).
2. А и В образуют твердый раствор, ко-
который приводит к увеличению р и умень-
уменьшению а.
Примеры приведены на рис. 1.363 и 1.364.
Различные методы измерения электросо-
электросопротивления Rx:
а) простой мост Унтстона (рис. 1.365):
Rx^^RnRa/Rb'i
б) двойной мост Томсона (рис. 1.366).
Эффект Холла — появление в проводни-
проводнике или полупроводнике с током / при при-
приложении к нему перпендикулярного маг-
магнитного поля (В) разности потенциалов в
плоскости, перпендикулярной магнитному
полю (В) и току (/).
Рнс. 1.365
Рис. 1.366
Эффект Холла применяют при измерении
электропроводности по данным плотности
электронов проводимости и подвижности
электронов:
"холл = Кхолл f*o HId- *Холл =±3я/8е„.
Здесь иХоЛЛ—э. д. с. Холла; d — толщина
пластины; е — элементарный заряд; п —
концентрация носителей тока, м~3; /СхОЛл~
постоянная Холла, м3-К~*.
Схема измерения электропроводности с
помощью эффекта Холла приведена на рис.
1.367.
'/сяг
I
Рис. 1.367
Постоянная Холла для металлов B0 °С)
приведена в табл. 43.
ТАБЛИЦА 43
Металл
AI
Аи
Cd
Си
Кхолл,'
ю-"
—3,5
-7,2
+5,9
—5,2
Металл
Ра
Pt
Ag
Zn
Холл,
10-ц
—8,6
-2,0
—8,9
+6,4
140
Виды проводимости в твердых телах:
1. Электронная проводимость (металлы,
карбиды, нитриды, оксиды, селениды, суль-
сульфиды, теллуриды).
2. Ионная проводимость (стекла, соли).
3. Смешанная проводимость (полупро-
(полупроводники, галогениды щелочных металлов с
избытком электронов).
1.11.3.2. Теплопроводность
Теплопроводность — один из видов пере-
передачи тепловой энергии в твердом теле,
приводящий к выравниванию температур.
Основной закон теплопроводности выража-
выражается как: dQ/dt=7Jl(dT/dx), где dT/dx —
градиент температур; А — поверхность;
t — время; "к — удельная теплопроводность
в кал-см-'-с-'-град или Вт-см-'-град.
Теплопроводность в твердых телах зави-
зависит от состава, вида связи и структуры.
Удельная теплопроводность некоторых
материалов B0 °С) приведена ниже, калХ
Хсм-'-с-'-град-1:
Ag 1
Си 0,95
А1 0,57
Fe 0,18
Сталь типа 18-8 . . 3,9-10—2
Кварцевое стекло . . 5-10—3
Полихлорвинил . . . 3,8-10—*
Механизм теплопроводности. Причинами
теплопроводности являются:
1) перенос энергии электронами (элек-
(электронная часть теплопроводности ХЕ):
2) колебания атомов в узлах решетки
твердого тела (решеточная часть теплопро-
теплопроводности Kg).
¦ Таким образом, общая теплопроводность
составляет: Яо6щ=Хе+Хо.
Закон Видемана — Франца. Отношение
удельной теплопроводности % к удельной
электропроводности х для всех металлов
при температурах выше дебаевской прибли-
приблизительно одинаково и зависит только от
температуры:
Х/к = я? (К/е)? Т/3 = LT.
Здесь К — постоянная Больцмана; е— эле-
элементарный заряд; L — постоянная Лорен-
Лоренца, равная B,2+2,6)-Ю-8 Вт-град-2 для
чистых металлов при комнатной темпера-
температуре.
При низких температурах закон не вы-
выполняется.
Техника измерений и ее особенности. Де-
Дефекты структуры твердого тела оказывают
влияние на Кв и Хо. Они являются причи-
причиной уменьшения Я,0«щ. Поэтому твердые
растворы обычно характеризуются более
низкой теплопроводностью, чем чистые ме-
металлы (рис. 1.368). Это имеет особое зна-
значение для технологии термической обра-
обработки.
Измерение можно проводить с помощью
следующих методов [11]:
1. Стационарные методы (измерения теп-
теплопроводности обычно на пластинчатых и
стержневых образцах [11]; измерения на
цилиндрах [11]; измерения на сферах; оп-
определение теплопроводности путем сравне-
сравнения электро- и теплопроводности; опреде-
определение теплопроводности путем сравнения с
эталоном [11]). В образцах определяют
независимое от времени распределение
температур. Уравнение теплопроводности
Легирующий элепент-—
Рис. 1.368. Зависимость теплопро-
теплопроводности некоторых металлов от
содержания в них легирующих эле-
элементов
приводится' к ДГ=0. Специальные решения
этого уравнения соответствуют применяе-
применяемым методам измерения.
2. Нестационарные методы (измерения
периодических тепловых потоков — метод
Ангстрема [И]). Эти методы измерения ос-
основаны на использовании дифференциаль-
дифференциального уравнения теплопроводности. Неста-
Нестационарные методы не нашли широкого при-
применения.
Методы измерения теплопроводности при
высоких и низких температурах служат
для исследований нарушений порядка в
сплавах [11].
1.11.3.3. Термоэлектричество
Эффект Зеебека. Этот эффект выражает-
выражается в виде разности потенциалов, которая
возникает в замкнутой цепи из двух метал-
металлических проводников, образующих кон-
контакты, имеющие различную температуру.
При этом в замкнутой цепи возникает
т. э. д. с, обусловливающая термоэлектри-
термоэлектрический ток.
Т. э. д. с. зависит от материала пары, раз-
разности температур и их величины.
Абсолютная дифференциальная т. э. д. с.
Томсона. Может быть определена при низ-
низких температурах при последовательном
соединении обычного металла со сверхпро-
сверхпроводником, абсолютная т э. д. с. которого
равна нулю. Для других температурных
областей необходимо производить вычисле-
вычисление или определение коэффициента Томсо-
Томсона. При этом большое значение имеют ха-
характеристики материала.
Термоэлектрический ряд напряжений.
Этот ряд представляет интегральную
т. э. д. с- металлического элемента относи-
относительно эталонного металла (часто Pt) в ин-
интервале температур от 0 до 100 °С.
Ряд т. э. д. с. относительно Pt @ °С, Д7"=
= 100 К) приведен в табл. 44.
Возникновение т.э.д.с. (см. 1.11.3, Мо-
Модель потенциальной ямы). Так как в раз-
141
ТАБЛИЦА 44
Мате-
риал
Si
Sb
NiCr
Fe
Mo
Cd
Cu
Ag
W
Ir
Rh
Zn
T- э. д. с, мВ
+44,8
+4,74-4,86
+2,2
+1,874-1,89
+1,164-1,31
+0,854-0,92
+0,724-0,77
+0,674-0,79
+0,654-0,92
+0,654-0,68
+0,65
+0,64-0,79
Материал
Т. э. д. с, мВ
Манганин
Аи
Sn
Pb
Mg
Al
Pt
Na
Ni
Co
Констан-
тган
Bi
+0,574-0,82
+0,564-0,8
+0,414-0,46
+0,404-0,44
+0,404-0,43
+0,474-0,41
±0,00
0,21
—1,944-1,2
—1,994-1,52
—3,474-3,04
—7
Эффект Пельтье. Этот эффект обратен
эффекту Зеебека. Он состоит в том, что
при прохождении тока в цепи из различ-
различных проводников в местах контактов выде-
выделяется или поглощается некоторое количе-
количество тепла (различная работа выхода).
Эффект Пельтье лежит в основе холодиль-
холодильного эффекта.
Техника измерений и ее особенности
а. Измерение температур с помощью тер-
термоэлектрических явлений производится с
использованием термопар из различных ма-
материалов на основе уравнения Uth=a&t+
+ 6Д*2, где Uth — т. э. д. с; а, Ь — констан-
константы материала.
Чувствительность термоэлемента выра-
выражается в виде
личных металлах энергия Ферми и вслед-
вследствие этого работа выхода различны, при
контакте двух различных металлов элект-
электроны проводника с меньшей работой вы-
выхода могут переходить в проводник с боль-
большей работой выхода. Металлы при этом
будут заряжаться разноименно, а соответ-
соответствующая разность потенциале носит иа-
зваиие контактной разности потенциалов
или напряжения Вольта. При этом поток
электронов ие прекращается до тех пор,
пока энергия Ферми не достигает одинако-
одинакового уровня.
Бели температура контактов в замкнутой
цепи одинаков», то ток не идет. При нагре-
нагреве одного из контактов из-за разности тем-
температур в цепи начинает течь термоток.
ТАБЛИЦА 4S
Т. э. д. с. различных термопар (мВ) при-
приведена в табл. 45.
б. Термоэлектрические свойства метал-
металлов и сплавов. Т э. д. с. зависит от структу-
структуры проводника. Изменение структуры обус-
обусловливает перераспределение электронов в
решетке, следовательно, изменение числа
электронов проводимости.
С помощью измерения термоэлектриче-
термоэлектрических характеристик можно производить
оценку следующих характеристик мате-
материала: анизотропию термоэлектрических
свойств; фазовые превращения; содержание
легирующего элемента; деформацию об-
образца.
в. Измерение т. э. д. с.
При измерении интегральной т. э. д. с.
один спай помещают в лед @°С), другой—
в кипящую воду A00°С); измерения про-
та
CL
Й
CL
1
1
—100
—200
0
20
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
-константан
о
—5,70
—3,40
0
0,80
4,25
9,20
14,89
20,99
27,40
34,30
„и
—а-
—
^
—
-константан
i
—8,15
—4,75
0
1,05
5,37
10,96
16.55
22,15
27,84
33,66
39,72
46,23
53,15
—
Ni—Cr—ков-
ставтаи
_
—
0
1,25
5,62
П.08
19,09
26,48
34,18
41,95
50,02
57,94
65,76
—
_
__
Ni—NiCP
_
—
0
0,80
4,10
8,13
12,21
16,39
20,64
24,90
29,14
33,31
37,36
41,31
45,94
48,85
—
-Pt
—
0
0,60
3,30
7,30
11,80
16,70
21,85
27,30
32,80
38,40
44,00
40.55
55,00
60,20
—
—
—
к
а.
_
—
0
0,31
1,56
3,46
5,51
7,36
9,96
12,41
14,96
17,61
20,31
23,11
26,06
28,91
31,86
—
-PtRh
1
х:
Of,
—
0
0,12
0,29.
0,57
0,95
1,40
1,96
2,62
3,37
4,21
5,16
6,22
7,27
8,39
9,55
—
-PtRh
i
?
—
0
0,11
0,65
1,44
2,32
3,25
4,22
5,22
6,26
7,33
8,43
9,5?
10,74
11,93
13,14
14,33
15,54
16,72
142
изводят низкоомным потенциометром.
При измерении дифференциальной
т. э. д. с. разность температур &I=**Ti—Г2
соответствует определенной разности
т. э. д. с. образца и эталона.
1.11.3.4. Сверхпроводимость
Сверхпроводимостью называют свойетво
многих проводников, состоящее в том, что
их электрическое сопротивление скачком
падает до неизмеримо малой величины при
охлаждении ниже определенной критиче-
критической температуры (Тк), характерной для
данного материала. При этом магнитное
поле может разрушать состояние сверх-
сверхпроводимости.
С целью использования сверхпроводимо-
сверхпроводимости в технике проводится работа по изыс-
изысканию сверхпроводников с более высокой
Гк, которые сохраняют сверхпроводимость
как при наложении внешних магнитных
полей, так и при пропускании через них
большого тока, создающего магнитные
поля
Характеристическая температура ¦ или
критическая температура перехода в сверх-
сверхпроводящее состояние Ту.. Некоторые ве-
вещества при температурах ниже Тк являют-
являются сверхпроводниками. Критическая темпе-
температура сверхпроводимости для некоторых
материалов приведена в табл. 46.
ТАБЛИЦА 46
риал
Мате
А1
Pb
In
Cd
Nb
Hg
Та
Ti
Zn
Sn
1 14
7^26
3,37
0,54
9,22
4,17
4,38
0,53
0,79
3,69
риал
Мате
Zr
AsPb
AsPb
LiPb
PPb
NbN
NbC
Nb,N
MoN
TaC
к
t.
0,70
8,4
7,2
7,2
7,8
16
10,1
9,5
12,0
9,2
Материал
TaN
V3Si
V
NbZr
VaGe
Nb3Sn
Nbs 1
(А10.ч) )
15е
9,5
17,1
5,3
11
14,6
18,1
20,5
1.11.3.5. Диэлектрические
свойства
Дипольный момент. Эта характеристика
описывает смещение центров тяжести за-
зарядов или поляризацию (диэлектрическое
смещение), в находящихся в электрическом
поле материалах с низкой электропровод-
электропроводностью (силикаты, полимеры и т. д.).
В этих материалах направленного движе-
движения электронов не происходит. Дипольный
момент ц ориентируется под действием
внешнего электрического поля.
Диэлектрическая поляризация. Диэлек-
Диэлектрическая поляризация оценивается вели»
чиной дипольного момента единицы объ-
объема вещества-
Виды диэлектрической поляризации:
а) электронная нли атомная поляриза-
поляризация (не зависит от температуры);
б) ионная поляризация (не зависит от
температуры);
в) поляризация граничных поверхностей
(не зависит от температуры);
г) ориентацнонная поляризация (зависит
от температуры). Обозначается так же,
как параэлектричество.
Диэлектрическая проницаемость явля-
является константой материала, характеризу-
характеризующей поведение изоляторов в электроста-
электростатическом поле.
Следует различать абсолютную диэлек-
диэлектрическую проницаемость. ео, равную
8,8542-Ю-18 фарад-В-'-м-', и относи-
относительную диэлектрическую проницаемость е,
которая характеризует изменение диэлект-
диэлектрической проницаемости материала по
сравнению с вакуумом при одинаковой на-
напряженности электрического поля, зависит
от частоты электрического поля н темпера-
температуры.
Измерение диэлектрической проницаемо-
проницаемости. Используют два принципиально раз-
различных типа методов измерения диэлектри-
диэлектрической проницаемости:
а) волновые, при частотах >100 МГц
путем измерения поглощения;
б) емкостные методы, подразделяющие-
подразделяющиеся на мостовые методы (например, мосты
Нернста, Шеринга и др.), и схемы на ос-
основе колебательного контура.
Эти методы, можно применять, напри-
например, для измерения толщины пленок, для
определения диэлектрических потерь в по-
полихлорвиниле, термореактивных полимер-
полимерных материалах.
1.11.3.6. Магнитные свойства
и их исследование
Некоторые свойства материалов сущест-
существенно влияют на их магнитные характерис-
характеристики, поэтому магнитные методы исследо-
исследований, или магнитный анализ, служат для
определения, например, изменения струк-
структуры и состава металлов и сплавов.
Основные параметры магнетизма:
а. \1в — магиетон Бора. Представляет
собой магнитный момент электрона. р,в=
«0,9273- 1Q-23 А-м8; цв=Аео/4ято, гДе
h — постоянная Планка, равная 6.625Х
у 10-34 BtiC2; е0 — элементарный заряд
электрона, равный 1,602-10-'* Кулоиа;
то — масса покоя электрона, равная
9,108-Ю-31 кг.
б. Основные характеристики.
Магнитная /индукция В. Единицы измере-
измерения: гаусс, вебер, тесла. 1 Гсв=10-4В-см-2=
104 Вб!0-4 Тл:
Остаточная намагниченность Вг.
Индукция насыщения В,.
Коэрцитивная сила Я*-~-поле, которое
нужно приложить для снятия Вг (остаточ-
(остаточная намагниченность, поле протввополож-
143
ного направления). Единица измерения:
А-см-'.
Напряженность магнитного поля Н. Еди-
Единица измерения: эрстед, ампер на санти-
сантиметр. 1 Э=A0/4л) А-см-'=79,577 А-м'1.
H—lw/l, где / — сила тока; w — число
витков катушки; / — длина катушки.
Максимальная напряженность магнитно-
магнитного поля Нт.
Напряженность магнитного поля при на-
насыщении Hs.
Намагниченность /:
J = |i,oMT# — ц0Я; J = B — B0.
Намагниченность насыщения Je.
Магнитная постоянная цс- Единица из-
измерения Гн-м. цо=4я-1О~7.
Относительная магнитная проницаемость
цг- \ir—BI\iaH, где Н—напряженность поля
в материале.
в. Виды магнетизма:
— Диамагнетизм. Представляет свойство
атомов. Вследствие наличия связанных
электронов в диамагнетиках происходит
компенсация орбитального и спинового мо-
моментов. Диамагнетизм проявляется в при-
присутствии внешнего магнитного поля. При
этом магнитный момент атомов направлен
навстречу внешнему полю. Цв=0.
— Парамагнетизм (рис. 1.369). Представ-
\ In
Рис. 1.369
Рис.1.370
Рис. 1.369. Магнитные моменты атомов в парамаг-
нетике
Рис. 1.370. Магнитные моменты атомов в ферро-
ферромагнетике
ляет свойство атомов, отражающее суще-
существование магнитных моментов в отсутст-
отсутствие внешнего магнитного поля. Под дей-
действием внешнего магнитного поля в пара-
парамагнетике возникает результирующий
магнитный момент, совпадающий с направ-
направлением этого поля. '
При приложении внешнего поля дости-
достигается намагниченность насыщения (/=1),
которая сильно зависит от температуры
(с увеличением температуры падает). jxB=
— Ферромагнетизм (рис. 1.370). При
увеличении напряженности поля Н за счет
доменной структуры намагниченность уве-
увеличивается.
Условиями существования ферромагне-
ферромагнетизма являются: во-первых, атомы с неза-
незаполненными внутренними энергетическими
уровнями (например, Зй-уровни у Fe, Co,
Ni); во-вторых, расстояния между атомами
в решетке должны быть определенными;
в-третьих, ферромагнетизм существует
только при температурах ииже точки Кю-
Кюри, так как температура действует в на-
направлении разупорядочения атомных маг-
магнитных моментов.
— Антиферромагнетизм (рис. 1.371).
Проявляется в тех случаях, когда расстоя-
расстояние между ионами металла в решетке
очень мало (теория обменного взаимодей-
взаимодействия) и магнитные моменты устанавлива-
устанавливаются антипараллельно и компенсируются.
Антиферромагнетиками являются Мп и его
соединения, а также СиСЬ, FeO и др. (см.
также кривую обменного интеграла, рис.
1.375), при —А имеет место антиферромаг-
антиферромагнетизм.
Puc.U7t
раит
Рис. 1.371. Атомные магнитные моменты в анти-
ферром агнетике
Рис. 1.372. Атомные магнитные моменты в феррн-
магнетике
— Ферримагнетизм (рис. 1.372). Неском-
пенсированный антиферромагнетизм носит
название ферримагнетизма. Проявляется у
ферритов (см. распределение в ферримаг-
нетике, рис. 1.373).
На этом рисунке белые кружки — кис-
кислород; темные кружки — ионы металла в
тетраэдрических положениях; заштрихо-
заштрихованные — ионы металла в октаэдрических
положениях. Ферриты представляют соеди-
соединения окислов двух- н трехвалентных ме-
металлов типа Ма+(М2+, М3+)О4 со структу-
структурой шпинели. Их плотность лежит в преде-
пределах от 3,8 до 5 г-см~а, а удельное электро-
электросопротивление достигает величины
1010 Ом-см. Выше точки Кюри ферриты
становятся парамагнетиками.
Рис.1.373
Рис.1.370
Рис. 1.374. Схема расположения доменов:
/ — граница зерна; 2 — домен; 3 — стенка Блоха
г. Домены — элементарные области спои-
таниого намагничивания, содержащие от
10" до 1015 атомов (рис. 1.374).
д. Стенки Блоха — переходные области,
ограничивающие соседние домены. Энергия
стенки составляет от 0,1 до 10 эрг-см~2, а
толщина — от 100 до 300 атомных расстоя-
расстояний.
е. Порошковые фигуры Биттера. Выяв-
Выявление стенок Блоха с помощью рассеяния
магнитного потока на поверхности кристал-
кристалла. Ферромагнитные порошковые частицы
144
располагаются в виде порошковых фигур
Биттера.
ж. Обменный интеграл А. Обозначает
сумму действующих обменный: сил [13].
Распределение различных элементов по об-
областям обменного взаимодействия приведе-
приведено на рис. 1.375. В области +А находятся
Область
ферромагнетизма
Рнс. 1.375. Распределение эле-
элементов по областям различных
значений энергии обменного
взаимодействия
Процесс (необратимый) называют скачка-
скачками Баркгаузена (рис. 1.376).
к. Температура Кюри Тс — температура,
ниже которой спонтанно образуется состоя-
состоящая из доменов и блоховских стенок маг-
магнитная доменная структура. При этом
должны быть выполнены условия возник-
возникновения ферромагнетизма (рис. 1.377).
Рис. 1.377
Выше температуры Тс вещество пара-
парамагнитно. Намагниченность насыщения /»
зависит от температуры (рис. 1.378 для
железа).
Fe, Co, Ni, Cd и редкоземельные металлы.
При этом атомные магнитные моменты рас-
расположены параллельно друг другу. В об-
области —А находятся Мп и Сг.
a/d — отношение межатомного расстояния
а к диаметру d не полностью заполненных
внутренних электронных оболочек.
з. Коэффициент Слэтера. Отражает со-
Рис. 1.376
Н<Н, — обратимое смещение стен-
кн Блоха #.<#<#? — эффект Барк-
Баркгаузена Hs — техническое иасыще-
иие
стояние положительного обменного взаи-
взаимодействия (+А), когда реализуется опре-
определенное отношение кратчайшего расстоя-
расстояния между атомами в решетке к среднему
диаметру незаполненной оболочки эле-
элемента.
и. Эффект Баркгаузена, скачки Баркгау-
Баркгаузена. При техническом намагничивании
происходит сначала обратимое смещение
стенок доменов (при снятии внешнего маг-
магнитного поля стенки доменов возвращают-
возвращаются в исходное положение). При дальней-
дальнейшем росте намагничивания происходит,
смещение стенки и скачкообразный пропесс •
поворота магнитных моментов области.
Рис. 1.378
Температуры Кюри Тс для различных ма-
материалов — см. табл. 47.
ТАБЛИЦА 47
Материал
Fe
Со
Ni
Cd
CiijjMnAl
тс. °с
768
1127
362
17
330
Материал
Fe.Fe2Os
CoO-Fe203
NiOFe2O3
CuO-Fe2O3
MgO-Fe2O3
тс. °C
/
575
520
590
455
310
л. Кривые намагничивания
— Намагниченность диа- и парамагнит-
парамагнитных материалов характеризуется прямой
зависимостью от внешнего поля, а прони-
проницаемость является постоянной и не зависит
от напряженности поля (рис. 1.379).
Рис. 1.379
/ — диамагнитный материал; 2 —
воздух; 3 — парамагнитный мате-
материал
10—140
145
— Кривая первоначального намагничива-
намагничивания соответствует случаю, когда ферро- и
ферримагиитный материал впервые намаг-
намагничивается (рис. 1.380),
Намагниченность В зависит от внешнего
поля. При этом состояние насыщения ха-
характеризуется намагниченностью насыще-
насыщения В к и полем насыщения На.
г) формы магнитного материала н конст-
конструкции (с зазором или без него).
Для нормальной или S-образной кривой
(поликрнсталлинеские изотропные материа-
материалы; большое значение имеет отношение
Вт В, В .6,-0.5 -0.8.
Другие формы петель гистерезиса пока-
показаны на рис. 1.382—1.384.
В
н-
Рис. 1.380
/ — ферромагнитный материал;
2 — воздух
Для ферро- и фегтимагнитных материа-
материалов проницаемость нелинейно зависит от
внешнего поля, зависимость В от И ха-
характеризуется гистерезисом (рис. 1.381).
Кривая гистерезиса может иметь нормаль-
нормальную или S-образную форму.
Рис. 1.381
1-*2 — первоначальная кривая; И увеличивает-
увеличивается, В увеличивается от В—О до Bs; 2-*-3 — И
уменьшается до 0" индукция уменьшается; В —
остаточная индукция или намагничивание; 3-*4—
снятие остаточного намагничивания с помощью
наложения поля противоположного направления:
напряженность магнитного поля, соответствующая
отсутствию намагниченности коэрцитивная сила—
Ufa 5 насыщение при дальнейшем увеличении
И, достигается значение —Bs; 5-*6 — дальнейшее
уменьшение И приводит к отрицательному оста-
остаточному намагничиванию B=*Bf; ?-»Я и 6~*5—
кривые размагничивания (важны для постоянных
магнитов), 4-»5, 5->6 и 7-»2 — кривые намагничи-
намагничивания
Ширина петли гистерезиса: широкая пет-
петля гистерезиса (Ни относительно велика)
характерна для магнитнотвердых материа-
материалов; узкая (Нь сравнительно мала) — для
магнитномягких.
Форма петлн гистерезиса зависит от сле-
следующих факторов:
а) состава материала;
б) вида структуры (монокристалл, поли-
поликристалл, текстура, анизотропия) и мето-
методов воздействия на структуру (деформация,
термическая обработка);
в) максимального значения Н (Нт)\
Вт
НтН
Рис 1 382. Прямоугольная петля гистерезиса для
ячеек памяти и сердечников дросселей из феррн-
товых материалов; В r: Bs близко к единице [361
Рис. 1.383. Пермннвариая петля гистерезиса. Ин-
Инвариантная магнитная проницаемость. Прн дости-
достижении определенного значения И петля открыва-
открывается (напряженность поля, соответствующая «от-
крытню> петли) [36]
Рис. 1,384, Релеевская петля гистерезиса. Обра-
Образуется, когда максимальное значение поля мень-
меньше, чем значение поля насыщения. Используется
в сердечниках и катушках [36]
м. Различные виды магнитной проницае-
проницаемости:
— относительная проницаемость цг;
— начальная магнитная проницаемость
(относительная).
При малых значениях напряженности по-
поля предпочтение следует отдавать более
высокому начальному значению проницае-
проницаемости:
ц. = ilT1 lim (B/H);
н-о
— максимальная проницаемость; пред-
представляет максимально достижимое для
данного вещества значение магнитной про-
проницаемости;
— эффективная проницаемость:
Индуктивность катушки
h\ с сердечником
Lo Индуктивность катушки
без сердечника
\1ыфцг; Ни зависит от р.г, размера сердеч-
сердечника, числа витков катушки, положения
сердечника в катушке;
— магнитная проницаемость сердечника:
LR—\iTyiu(All)wi, где Л— эффективное по-
поперечное сечение витка; / — средняя длина
магнитной силовой линии.
Эти параметры не являются абсолютны-
абсолютными характеристиками материала.
н. Магнитные потери. Должны быть ми-
минимальными: V~ Vm+ Vfc+ Vn.
Составляющими магнитных потерь явля-
являются:
— потери на вихревые токи Vw\ Va«=
я» Kd?f2BzKlp, где /C=const; d — толщина
пластины сердечника; Vv зависит от часто-
частоты;
— потери на гистерезис Vi, в Вт-кг^1:
УА=(Л//р)-10-4, где Л—-работа перемаг-
146
ничивания, эрг/см-3; р -^ плотность, г-см~3;
f —частота, Гц (рис. 1.385);
— потери на последействие Vn; одной из
причин являются процессы термической об-
обработки; кроме того, зависят от степени
чистоты материала.
Снижение потерь возможно с помощью:
оптимального конструирования, например
Рис. 1.385. Потери на гисте-
гистерезис
путем применения тонких листов, порошков
и т. д.; изменения свойств материала (на-
(например, текстура, малая Нк, увеличение
электросопротивления); получения опти-
оптимальных магнитных характеристик. Приме-
Применение тонких листов приводит к уменьше-
уменьшению магнитных потерь.
Использование влияния на магнитные
свойства. Сознательное изменение свойств
с тем, чтобы материал наилучшим обра-
образом подходил для целей применения.
а. Основные внешние факторы, оказыва-
оказывающие влияние на магнитные свойства: ус-
условия изготовления (остаточныеизменения);
условия переработки (остаточные измене-
изменения); окружающие условия; условия экс-
эксплуатации (например, температура, давле-
давление, частота, напряженность и т. д.).
б. Некоторые важные свойства, имеющие
значение при изготовлении, переработке и
эксплуатации металлических материалов;
— Кристаллографическая магнитная
анизотропия. При приложении магнитного
поля анизотропное вещество в одном из
направлений намагничивается с меньшей
затратой энергии — направление легкого
намагничивания (например, для Fe это на-
направление [100]). Мерой этого свойства яв-
является константа кристаллографической
анизотропии К.
Влияние изменения К. При увеличении К
вещество трудно намагничивается. Для пе-
ремагничивания необходимо увеличение
напряженности внешнего поля Н. При этом
также растет Нк. Например, постоянные
магниты из сплавов' алнико. При уменьше-
уменьшении К вещество, легко намагничивается и
перемагничивается. й и йц уменьшаются.
Например, сплавы Fe—Ni — мягкие маг-
магнитные материалы.
— Магнитоупругая анизотропия. В ряде
случаев уменьшение энергии при намагни-
намагничивании связано с появлением напряжений.
Однако напряжения в материале затрудня-
затрудняют его перемагннчивание и таким образом
приводят к увеличению коэрцитивной силы,
т. е. способствуют улучшению свойств маг-
нитнотвердад веществ.
— Анизотропия формы. Способность на-
намагничиваться зависит от геометрической
формы образца.
— Ориентация зерен. Происходит при
образовании текстуры (см. 1.1; 1.10).
Техника измерений. Намагничивание за-
зависит от формы образца. При одинаковом
состоянии материала образцов длинные и
тонкие образцы могут намагничиваться в
меньших полях (рис. 1.386).
Рнс. 1.386
1 — длинные стержни, кольцо;
2 — короткий толстый образец
а. Определение температуры Кюри. Об-
Образец, являющийся сердечником транс-
трансформатора, подвергается нагреву. При пе-
переходе через температуру Кюри происхо-
происходит скачкообразное изменение индупиро-
ванного напряжения вследствие перехода
ферромагнитного состояния в парамагнит-
парамагнитное (рис. 1.387).
Рис. 1.387
б. Кривые гистерезиса. Определение с
помощью феррографа.
в. Измерение коэрцитивной силы. Нь час-
часто измеряют с помощью коэрцитиметра
(рис. 1.388).
нгн
Рис. 1.388
г. Измерение /« методом Фарадея. Из-
Измерение крутильного момента. Внешнее
равномерное магнитное поле воздействует
на цилиндрический образец.
д. Измерение /s с помощью магнитных
весов (рис. 1.389). С помощью этого ме-
147
хода получают относительные значения Js
для определения, например, точки Кюри
илн нахождения точки магнитного превра-
превращения. Измерение производят по отклоне-
вию луча или компенсационным методом
(масса образца составляет 0,1—1 г) (см.
рис. 1.389).
Рис. 1.389. Схема магнитных весов:
О — печь: Рг — образец; R — кварцевая труб-
трубка; Sp — зеркало, Sk — шкала; М — электро-
электромагнит; Th — термоэлемент
е. Магнитные методы контроля для оп-
определения трещин, например в сварных
ивах, отливках, валах, осях.
Эти методы основаны на использовании
закона преломления магнитных силовых
линий: tga,/tga2=p.i/nii.
Индексы I и II означают различные
среды.
Определение магнитного потока рассея-
рассеяния производится с помощью зондов (на-
(например, по Ферстеру), генератора Холла и
метода с использованием порошковых фи-
фигур (см. 1.11.7) — рис. 1.390 (поперечная
трещина) и рис. 1.391 (продольная трещи-
трещина) [13]. *
Рис. 1.390
Рнс. 1.391
Метод
намагничиваная
Принцип
образец
Определяемый
дефект
1
I
С ПОМОЩЬЮ
постоянного
магнита
Магнит
Поперечные
трещины
Токанет
С помощью
ярма
?
'-+77Г-'
С ПОМОЩЬЮ
/готуш/и/
Поперечные
трещины
Поперечные
трещины
I
1
I
За счет
вспомегательнои
магнитодвижущей
силы
За счет
индуцироданнай.
магнитодвижущей
силы
Продольные
трещины
Поперечные
трещины
II
За счет ярма
и собственной
магнитодвижущей
силы
Изоляция
Поперечные
и ггродольнб/е
трещины
Рнс. 1.392
148
— Метод порошковых фигур. Необходи-
Необходимы устройства для намагничивания. Изме-
Измерение не требует специального оборудова-
оборудования.
JHa рис. 1.392 приведены различные ме-
методы намагничивания [59].
Обнаружение поля рассеяния произво-
производится с помощью железного порошка (су-
хсй метод). Чаше применяют так называе-
называемый мокрый метод (в качестве несушей
жидкости используют минеральное масло и
керосин). Магнитный порошок представля-
представляет обычно магнетит или у-Ре2Оз- Кроме
того, применяют флюоресцирующие веще-
вещества, которые светятся в ультрафиолето-
ультрафиолетовом свете. С помощью порошковых фигур
могут быть определены трещины шириной
до 10~3 мм. Чувствительность метода зави-
зависит от намагниченности материала, его по-
поверхности и размера изделий. Для испы-
испытаний мелких деталей используют_ полевые
зонды (импульсное намагничивание* позво-
позволяет осуществлять быструю маркировку).
Высокая скорость испытаний достигается
с помощью прибора со взвесью порошка,
схема которого приведена на рис. 1.393.
Рис. 1.393
1 — металлический порошок во
взвешенном состоянии; 2—вой-
2—войлочная шайба; 3 — воздушная
камера; 4 — подвод сжатого
воздуха
— Зонд Ферстера. Измерительный ин-
инструмент для однородного поля
(~10~5 А-см). Два сердечника с высо-
высокой проницаемостью К\ и Кг- Первичные
обмотки, включенные навстречу друг другу,
питаются переменным током. Это обеспе-
обеспечивает однородность магнитного поля.
Рис. 1.394. Схема зонда Фер-
Ферстера:
1 — первичная обмотка; i — вто-
вторичная обмотка
При увеличении К\ и уменьшении Кг на-
напряженность переменного поля падает.
Напряжение снимается со вторичной обмот-
обмотки (рис. 1.394).
О глубине трещины судят по величине
магнитного потока рассеяния.
1.11.3.7. Измерение внутреннего
трения
Служит для определения изменений
свойств металлов.
Внутреннее трение связано с потерями
энергии при колебаниях. Следует разли-
различать: составляющую потерь энергии благо-
благодаря трению с внешней средой и составля-
составляющую потерь энергии за счет внутреннего
трения вследствие свойств материала.
Л — логарифмический декремент. Зату-
Затухание описывается логарифмическим декре-
декрементом и спадом амплитуды после г коле-
колебаний:
Л = п-1 In (ao/an).
Здесь по — исходное значение амплитуды;
ап — амплитуда после п колебаний.
Из диаграммы напряжение — относитель-
относительная деформация (см. 1.11.1.1.) следует, что
идеально упругие материалы характеризу-
характеризуются петлей гистерезиса, площадь которой
пропорциональна потерям. Потеря энергии
зависит от величины нагрузки, скорости
нагружения, амплитуды и частоты. Отсю-
Отсюда можно сделать вывод, что внутреннее
трение вызывается процессами, зависящи-
зависящими от времеви (например процессами пе-
переориентации положений атомов в решет-
решетке, ответственными за отставание во вре-
времени деформации от растяжения).
В ненагруженном кристалле: места в ре-
решетке для атомов внедрения энергетически
равноправны; в нагруженном кристалле:
атомное расстояние решетки увеличивается
в направлении растяжения, что соответст-
соответствует энергетически более благоприятным
условиям по сравнению с областями со
сжимающей нагрузкой. Следствием этого
является изменение порядка в решетке, ко-
которое зависит от времени, и дополнитель-
дополнительное удлинение.
Техника измерений
а. Измерение амплитуды свободных ко-
колебаний (см. уравнение для Л).
б. Установление определенного отноше-
отношения амплитуд и определенной частоты, оп-
определение внутреннего трения из измере-
измерений времени.
Определяются: время релаксации tB при
ао/ап=е;
время уменьшения амплитуды наполови-
наполовину tK при aolan=2.
Величина t определяется с помощью пря-
прямого измерения.
в. Определение внутреннего трения из
резонансных кривых.
Используется высокочастотный метод.
Измеряются резонансные характеристики
(максимум амплитуды колебаний или соб-
собственная частота и полуширина резонансной
149
Рис. 1. 395. Конструкция крутильного маятника
по Кб с использованием низкочастотного метода
@.1 до 25 Гц):
/ — жароупорная трубка и нагревательная обмот-
обмотка; 2 — внутренняя охлаждающая рубашка; 3 —
внешняя охлаждающая рубашка; 1 — спираль;
5 — намагничивающая катушка; 6 — асбестовая
изоляция; 7 — термоэлемент: 8 — зеркало; 9 —
инерционная система с грузиками; 10 — электро-
электромагнит: // — вязкая жидкость; А. В — зажимные
цанги; С — державка
кривой). Величина внутреннего трения Q
определяется по формуле
Полуширина резонансной кривой
Резонансная частота у 3
Значение Л только в том случае не за-
зависит от амплитуды, если петля затухания
является эллипсом. При этом внутреннее
трение описывается формулой Q-'=A/n.
г. Крутильный маятник по Ке. Проволоч-
Проволочный образец устанавливают в крутильный
маятник. Период колебаний зависит от мо-
момента инерции системы колебаний (рис.
1.395).
д. Эластомат [11]. Схема эластомата на
основе метода с применением обратной
связи приведена на рис. 1.396. Колебания
Рис. 1.396
/ — потенциометр; 2 — переменный
конденсатор; 3 — усилитель
образца происходят за счет внешнего воз-
возбуждения и самовозбуждения. Внутреннее
трение определяется из резонансной кри-
кривой (собственная частота, полуширина ре-
резонансной кривой) или по спаду амплиту-
амплитуды. Используемый высокочастотный метод
характеризуется частотой от 0,6 до 30 кГц.
-
-
-
-
ч
s
* Ш 0
> 1 sH
::v
2j
ч
км
r1
s
4,
>
л
s
^ ¦ ¦
s
\
,
к
ч
ч
Ч
г з. 5 7 io го
40 70 100 200
Время старения,
Ш 7001000 Z0OO 7000
ч
Рис. 1.397
/ — состарен с помощью встряски при 20 "С, f=50 Гц; 2 — состарен в магнитном перемен-
переменном поле. /*=*50 Гц; 3 — состарен за счет выдержки при комнатной температуре
159
Примеры применения:
а. Процесс выделения углерода из а-же-
леза, зависящий от времени старения. На
рис. 1.397 показано уменьшение содержа-
содержания растворенного углерода или величины
максимума за вычетом фона в зависимости
от времени для различно обработанных об-
образцов.
Выделения в образцах 1 и 2 начинают-
начинаются сразу в начале измерений, в образце 3—
315
225
Рис. 1.398
Л — зависимость затухания от угла де-
дефектного образца; В — стержень с трещи-
трещиной. Видны ббльшне величины затухания,
чем в случае бездефектного образца
позднее. Условия выделения углерода за-
зависят от температуры отпуска, содержания
легирующих элементов и вида знакопере-
знакопеременной нагрузки.
б. Определение дефектов. Снятие резо-
резонансной кривой или определенные измере-
измерения внутреннего трения позволяют нахо-
находить дефектные детали (рис. 1.398).
В случае образца с осевой симметрией ис-
используют вертикальные колебания (эла-
стомат) и определяют внутреннее трение,
которое зависит от расположения стержня
в колебательной системе. Следует также
учитывать угловую зависимость затуханвя.
1.11.3.8. Дилатометрия
Предметом дилатометрии является опре-
определение следующих характеристик тепло-
теплового расширения твердых материалов: из-
изменения длины и коэффициентов линейного
расширения; хода превращений в процессе
нагрева, охлаждения, при изотермической
выдержке, а также критических темпера-
температур для этих процессов.
Тепловое расширение. "Это непрерывное
обратимое удлинение в результате повы-
повышения температуры. v нему не относятся
изменения объема при фазовых превраще-
превращениях.
а. Коэффициент линейного расширения р
(град-1):
ft зависит от анизотропии материала;
Ф — заданное направление по отношению к
базисной плоскости; индекс «_1_» — перпен-
перпендикулярно оси с; индекс «II» — параллель-
параллельно оси с; величина р для различных метал-
металлов (табл. 48) зависит от того, перпенди-
ТАБЛИЦА 48
Металл
Mg
Zn
Cd
Bi
Sb
Те
Px, io-e/°c
25,6
14,1
21,4
10,4 '
8,0
27,2
P||, lO-e/°C
26,4
63,9
52,6
14,0
15,6
-1,6
кулярно или параллельно расположена рас-
рассматриваемая плоскость по отношению к
базисной.
В технике обычно используют средний
линейный коэффициент теплового расши-
расширения Он описывает относительное линей-
линейное удлинение при повышении температу-
температуры на 1 °С:
= L-1 [I,
L\ — длина при Ти
б. Коэффициент объемного расширения
у. Характеризует относительное увеличение
объема при повышении температуры на
1°С
= v-1 (Д1//АГ):
V\ —объем при 7"|.
в. Связь между коэффициентами. Для
изотропных твердых тел справедливо сле-
дуюшее грубое приближение: V=3p.
Техника измерений:
а. Определение р по [И].
Абсолютные методы: компараторные;
рентгенографические; интерферометриче-
ские.
Относительные методы: интерференцион-
интерференционный; метод трубки, или метод включений;
метод стержня: метод широкой полосы;
метод измерения удлинения с помощью
определения электросопротивления.
При этом могут применяться различные
методы снятия показаний, регистрации и
записи, причем измеряемые вепичины со-
составляют от 10~4 до 10~в мм: измерение
AL с помощью микроскопа; измерение АХ.
с помощью стрелочного индикатора; меха-
механическая регистрация; фотографическая ре-
регистрация; метод Арнульфа и Ворка; реги-
регистрация с помощью фотоэлемента- боло-
болометр; емкостный метод; индукционный ме-
метод; электоонный метод.
б. Дилатометрический анализ, дилато-
дилатометр. Превращения в материале связаны
151
с изменением его объема. Определение
температурной зависимости изменения
удельного объема заменяют изучением ли-
вейного удлинения стержня в зависимости
от температуры. Образец при этом нагре-
нагревается или охлаждается с постоянной ско-
скоростью (возможны также изотермические
измерения). Фазовые превращения и свя-
связанные с ними изменения объема отража-
отражаются на ходе кривой Д/-=/G"). Кривые уд-
удлинение — температура регистрируются
с помощью дилатометра (рис. 1.399).
F
Рис. 1.399. Схема дилатометрической установки:
Рг — образец в виде стержня; скользит в кварце-
кварцевой трубке R; откачка производится через V—
штуцер; Sf — кварцевый стержень (конец образ-
образца); Sp — зеркало; О — подвижная печь; Th —
термоэлемент; F — пружина; L — точечная лампа;
Sk — шкала для измерения отклонеинй светового
луча, соответствующих удлинению образца. Воз-
Возможно подключение самописца
в. Лазерный дилатометр [103]. В обыч-
обычных дилатометрах механические детали
вносят вклад в ошибки измерений (коэф-
(коэффициент расширения механических дета-
деталей). Это не представляется возможным
полностью устранить даже путем очень
медленного охлаждения. Поэтому получи-
получило развитие применение лазеров.
Лазерный дилатометр основан на интер-
интерференции двух световых лучей. Когерент-
Когерентный свет получают с помощью Не—Ne ла-
лазера (длина волны 0,633 мкм). Световой
луч лазера разделяется на две части. Пос-
После отражения от зеркал измерительный и
опорный лучи складываются. При этом
интерференция происходит из-за различия
оптических путей измерительного и опорно-
опорного лучей. Вследствие удлинения образца
путь измерительного луча изменяется.
Точность метода составляет '/4 длины
волны, излучаемой лазером (рис. 1.400 и
1.401).
Рис. 1.400. Схема лазерного дилатометра:
/ — печь; 2 — ващитная трубка; 3 — кварцевый
стержень; 4 — держатель; 5 — лазер; 6 — диффе-
дифференциальное сопротивление.
Рис. 1.401. Оптическая схема дилатометра:
С, А — полностью отражающее зеркало;
В — зеркало с частичным отражением; /—
измеряемый образец с зеркалом с полным
отражением; II—эталонный образец с зер-
зеркалом с полным отражением ?
Примеры
ний
дилатометрических исследова-
а. Чистое железо. При 910 "С в о. ц. к.
решетке а-железа происходит а-»Л'-превра-
шение. Скачкообразное изменение наблю-
наблюдается вследствие увеличения плотности
упаковки •у-фазы (г. ц. к.). При этом умень-
уменьшается удельный объем (~0,25% разли-
различия в длине). При понижении температуры
наблюдается обратное превращение и эф-
эффект гистерезиса (рис. 1.402).
б. Тепловое расширение при превраще-
превращениях в различных сталях [14].
1,6
\1'2
%0,в
^0,4
О Z00 400 600
Рис. I.402. Дилатометрическая кривая
для чистого железа
Тепловое расширение зависит- от темпе-
температуры AL = f (T) и при превращениях в
отдельных видах стали характеризуется
следующими данными:
— феррито-перлитная сталь с ~ 0,3 % С;
~2 % Мп; претерпевающая полное пре-
превращение; традиционное уменьшение дли-
длины при a-j-Y-превращении (рис. 1.403);
— полуферритиая сталь с 0,2 % С;
~17% Сг; 1,7% Ni, закаливаемая; слабое
укорачивание нз-за присутствия доли 6-фер-
рита (рис. 1.404).
— ферритная сталь с ~ 0,05 % С;
~4 % Si; малые коэффициенты расшире-
Ас,-
-Arj-
Рис. 1.403'
Рис. 1.404
152
ния Э или -у соответствуют слабому подъ-
подъему кривой (рис. 1.405);
— аустенитная сталь с ~0,1 % С;
~20% Сг; ~18% Ni; коэффициент удли-
удлинения несколько больше, чем у ферритных
сталей, поэтому подъем кривой более кру-
крутой (рис. 1.406).
Рис. 1.405
Рис. 1.406
при котором через определенные отрезки
времени измеряют температуру.
б. Кривая нагрева. Снимается так же,
как и кривая охлаждения.
в. Закон охлаждения Ньютона.
В процессе охлаждения следует поддер-
поддерживать скорость охлаждения, которая со-
соответствует закону охлаждения Ньютона.
При определении скорости охлаждения не-
необходимо приводить значение эталонной
температуры.
Т =Тое-<а, где Т—разность температур
между твердым телом и окружающей сре-
средой в момент времени t; То — начальная
температура при t = 0; а — постоянная ох-
охлаждения (рост а соответствует увеличе-
увеличению скорости охлаждения).
Примеры использования
а. Сплавы с заданным коэффициентом
удлинения применяются в виде биметаллов
для регулирующих элементов; в качестве
материалов для сварочных работ; в качест-
качестве материалов для измерительной техники.
б. Перегибы дилатометрической кривой
не всегда указывают на превращения. Сня-
Снятие напряжений также приводит к удлине-
удлинению или укорочению образца.
1.11.3.9. Термический анализ
Этот метод определения температур
превращений в чистых металлах и сплавах
основан на использовании кривых времен-
временной зависимости температур нагрева или
охлаждения.
Превращения связаны с тепловыми эф-
эффектами. Поэтому при превращении под-
поднимается или падает температура.
Замедление процесса проявляется на
кривой Т—t в виде:
1) остановок, соответствующих горизон-
горизонтальным областям. Превращение при Т =
= const. Кривые охлаждения (Т, t) позво-
позволяют построить диаграмму состояния;
2) точек перегиба, отражающих измене-
изменение направления нагрева. Превращения в
температурном интервале; построенная по
этим данным диаграмма состояния показа-
показана на рис. 1.407.
А* i ' \в+
ад/пернут \э8тектика
Время ——
Рис. 1.407
а. Кривая охлаждения. Снимается путем
нагрева сплава до температур, соответст-
соответствующих назначению исследования; после
нагрева, производя медленное охлаждение,
Техника измерений
а. Измерительная схема для снятия кри-
кривой охлаждения приведена на рис. 1.408.
При охлаждении расплава через опреде-
определенные интервалы времени производятся
измерения температуры.
/ 2 3
IT
4 5
y
Рис. 1.408
/ — плавильный тигель с металлом или
сплавом; 2 — защитная трубка термопары;
3 — термопара; 4 — термостат; 5 — термо-
термометр; 6 — прибор для измерения темпера-
температуры
б. Дифференциальный термический ана-
анализ (ДТА). Поскольку превращения в
твердом состоянии связаны с весьма незна-
незначительными тепловыми эффектами, для их
оценки используют чувствительный ме-
метод—ДТА (рис." 1.409) [11].
Рис. 1.409
Производится одновременное исследова-
исследование изменения температуры эталона (/) и
образца B). Различие в температурах эта-
эталона и образца указывает на наличие
превращения. Для определения чувстви-
153
тельности термических эффектов использу-
используется дифференциальная термопара. Регист-
Регистрация температуры производится автома-
автоматически.
в. Термозвукометрия. Метод, при кото-
котором измеряются шумы с помощью стетоско-
стетоскопа. Шумы возникают, например, при сдви-
сдвиге структурных элементов кристаллической
решетки подобно тому, как это происходит
при растворении включений.
При этом передача колебаний произво-
производится с помощью пьезокристалла.
г. При термическом анализе наряду с
измерениями тепловых эффектов (ДТА)
производят также измерения изменений
плотности (TG-анализ).
Примеры применения ДТА
а. Кривая ДТА для стали Х20Сг 13 приве-
приведена на рнс. 1.410. Как следует из этой
кривой, точка Кюри составляет 725 "С, а
Ас, = 820 °С; Ас3 = 880 °С. Перегибы кри-
400 500 600 700 800 900Т,"С
Рис 1.410
вой в районе температур от 820 до 880 °С
указывают на переход перлит—аустенит.
б. Кривая ДТА для a-Fe2O3 приведена
на рис. 1.411. Она представляет пример
применения ДТА для исследования магнит-
магнитной структуры антиферромагнетика. При
675 °С отмечается изгиб кривой, отвечаю-
отвечающей точке Нееля.
Экзотерма \
Зндотерма \
Рис. 1.411
1.11.4. Исследования
структуры
Эти исследования проводятся с целью
изучения кристаллической структуры при-
применительно к получению информации о
форме и величине элементарной ячейки;
числе атомов, присутствующих в элемен-
тарной ячейке; расположении атомов в
элементарной ячейке; имеющихся дефектах
решетки.
Для подобных исследований применяют
электромагнитные волны и элементарные
частицы (электроны, нейтроны) с длинами
волн порядка межатомных расстояний.
1.11.4.1. Получение
рентгеновского излучения
Рентгеновское излучение является одним
из видов электромагнитного ионизирующе-
ионизирующего излучения, характеризующегося следую-
следующими параметрами: длиной волны, равной
Ю-12 м<Х<10-8 м, и энергией 10е эВ>
>h v>102 эВ.
Здесь h — постоянная Планка; v — часто-
частота; 1 эВ = 1,6- Ю-19 Дж.
Рентгеновское излучение возникает при
взаимодействии с веществом быстрых элек-
электронов нли других ионизирующих частиц
или частиц высоких энергий. Различают
два вида спектров рентгеновского излуче-
излучения (рис. 1.412):
)
I
1
вност,
§
1
1
—
,1
Л
\
Характеристи-
^ чес кое
излучение
Спектр
тормозного
излучения
Длина волны ——
Рис. 1.412. Спектры рентгеновского излу-
излучения
а) непрерывный спектр (тормозное излу-
излучение), который возникает при взаимо-
взаимодействии падающих электронов с полем
атомного ядра;
б) линейчатый спектр (характеристичес-
(характеристическое рентгеновское излучение), возникающий
в случае, когда падающие электроны обла-
обладают достаточной энергией для того, чтобы
выбросить электроны из заполненной внут-
внутренней оболочки атома (так называемая
глубинная ионизация).
При заполнении вакансий электронами
внешних оболочек соответствующий атом
освобождает квант энергии в форме элек-
электромагнитного излучения.
/iv=?K—El, где Ек, Еь— энергия, не-
необходимая для выброса электронов из
К- или /--оболочки.
Закон Мозли. Описывает связь между
частотой характеристического рентгеновско-
рентгеновского излучения и порядковым номером эле-
элемента материала мишени Z.
164
Для излучения серии К соответствующее
уравнению имеет вид: Yk = R (Z—IJ A—
—1/п2), где R — постоянная Ридберга, рав-
равная 1,0973731-10' м-', а и = 2,3...
Рентгеновские трубки. Служат для полу-
получения рентгеновских лучей. Необходимые
электроны получаются с помощью термо-
термоэмиссионного катода. Эти электроны уско-
ускоряются до необходимых энергий за счет
наложения между расположенными в ва-
куумированной стеклянной колбе катодом
и анодом высокого напряжения.
Схема технической рентгеновской трубки
приведена на рис. 1.413.
Требования к технической рентгеновской
трубке." высокий выход излучения; высокая
безопасность от излучения; безопасность
по отношению к высоковольтному пробою.
В табл. 49 приведены длины волн УС-из-
о
лучения в А, анодное напряжение в кВ и
материалы фильтров для различных эле-
элементов, используемых в качестве анодов.
Рис. 1.413
1 — анодный стакан: 2 — термоэмиссиоииый катод; 3 — система фокуси-
фокусировки электронов; 4 — ловушка электронов и внутренняя защита от
излучения; 5 — вакуумированная стеклянная колба; 6 — окно для вы-
выхода излучения; 7 — внешняя зашита от излучения; 8 — подвод охлаж-
охлаждающей воды; 9 — штырьевой цоколь для ввода высокого напряжения
н питания подогрева катода
ТАБЛИЦА 49
Аиод
С
Fe
Со
Ni
Си
Мо
Ag
W
ХК
2,28962
1,93497
1,78890
1,65783
1,54050
0,70926
0,55941
0,20898
ХК
а,
2,29352
1,93991
1,79279
1,66168
1,55434
0,71354
0,56381
0,21380
2,2909
1,9373
1,7902
1,6591
1,5418
0,7107
0,5609
0,2106
2,08479
1,75654
1,62073
1,50008
1,39217
0,63225
0,49701
0,18436
VA
6,0
7,1
7,7
8,3
9,0
20,0
25,6
69,5
Фильтр
V
Мп
Fe
Со
Ni
Zt (Nb)
Rh (Pd)
Yb
ТАБЛИЦА SO
Кристалл
SiOa
CaCO3
NaCl
LiF
Пентаэритрит
Отражающая
плоскость
A0Ш);
О
d=3,35 A
B00);
о
d=3,04 A
B00);
о
d=2,82 A
B00);
О
d=2,01 A
@02);
о
d=4,40 A
Интенсивность
Средняя
»
Высокая
Очень высокая
То же
Механические
свойства
Хорошо подвер-
подвергается упругому
изгибу
Подвергается пла-
пластической дефор-
деформации
Пластически де-
деформируется в во-
воде
Деформируется в
теплой воде
Очень легко де-
деформируется
Примечания
Широко применя-
применяется
Высокая разре-
разрешающая способ-
способность
Гигроскопичен
Широко приме-
применяется
Для волн боль-
больших длин
155
Монохроматическое рентгеновское излу-
излучение
• Представляет излучение с определённой
длиной волны. Можно получить с помощью
фильтра и/или с помощью монохроматора.
Квазимонохроматическое рентгеновское
излучение можно получить при применении
соответствующих фильтров, которые мало
поглощают волны требуемой длины и
сильно поглощают все остальные волны.
Монохроматоры бывают плоскими и
изогнутыми.
Требования к кристаллическим монохро-
маторам: высокая отражающая способ-
способность; высокие упругие свойства; узкая зо-
зона интерференции; стойкость по отноше-
отношению к воздействию атмосферы.
Свойства кристаллов, применяемых для
монохроматоров, приведены в табл. 50.
1.11.4.2. Свойства рентгеновского
излучения
Эти свойства основаны на неупругом
взаимодействии рентгеновского излучения
с электронами атома. При этом наблюда-
наблюдаются следующие явлении:
а. Фотохимическое действие. Проявляет-
Проявляется в почернении пленок.
б. Ионизация газов (твердых тел) ис-
используется в ионизационных камерах, про-
пропорциональных счетчиках излучения, полу-
полупроводниковых детекторах, пороговых счет-
счетчиках излучения.
в. Люминесценция твердых тел. Прояв-
Проявляется в люминесценции световых экранов;
сцннтилляционные счетчики излучения.
1.11.4.3. Методы исследования
структуры с помощью
рентгеновского излучения
Уравнение Брэгга. Является основой
всех методов исследований с помощью
рентгеновского излучения. Сущность урав-
уравнения Брэгга состоит в том, что при отра-
отражении рентгеновских лучей от системы па-
параллельных кристаллографических плос-
плоскостей возникают максимумы в случае,
когда, эти лучи, отраженные разными
плоскостями, имеют разность хода, равную
целому числу длин волн.
п Я = 2d sin ¦&, где п — целое число; d —
межплоскостное расстояние; Ь — угол
между направлением падающего излучения
и отражающей плоскостью решетки.
Метод монокристалла
а. Метод Лауэ (рис. 1.414). Закреплен-
Закрепленный монокристалл исследуют в параллель-
параллельных лучах рентгеновского тормозного из-
излучения (сплошной спектр), причем можно
работать как в проходящем излучении
(тонкий монокристалл), так и в отражен-
отраженном. Направления отклонения фиксируют-
фиксируются на фотопленке.
Дифракционное отражение состоит из
пятен, положение которых позволяет опре-
определить ориентировку исследуемого кристал-
кристалла и свойства его симметрии относительно
направления луча. Отражения от плоскос-
плоскостей, которые принадлежат к одной зоне
для проходящего излучения, лежат па
эллипсах, для обратных лучей — на гипер-
гиперболах.
б. Метод вращения монокристалла. Мо-
Монокристалл равномерно вращается вокруг
— пленка; 2 — интерферен-
интерференционное пятно; 3 — монокри-
монокристалл (ие вращается); 4 —
коллиматор; 5 — полихрома-
полихроматическое рентгеновское из-
излучение; б — анод рентгенов-
рентгеновской трубки
оси, которая перпендикулярна первичному
пучку монохроматического излучения. Ди-
Дифракционная картина регистрируется на
неподвижной фотопленке, расположенной
на цилиндрической поверхности вокруг об-
образца.
В некоторых случаях отражения распо-
расположены на слоевых линиях, перпендикуляр-
перпендикулярных оси вращения. Из расстояний между
отражениями можно вычислить расстояние
между плоскостями решетки, а также опре-
определить вид и параметры элементарной
ячейки.
Методы поликристалла
а. Метод Дебая—Шеррера (рис. 1.415).
Применяется при исследовании поликрис-
/ — первичный пучок; 2—интер-
2—интерференционные линии; 3 — плен-
пленка; 4—поликристаллический об-
образец; 5 — коллиматор; € — мо-
монохроматическое рентгеновское
излучение; 7 — анод рентгенов-
рентгеновской трубки
таллических материалов (проволока, поро-
порошок) с помощью монохроматического рент-
рентгеновского излучения. Отражения регист-
регистрируются на цилиндрической пленке, раз-
размещенной вокруг образца.
156
Отражения описывают ряд конических
поверхностей, которые пересекают цилинд-
цилиндрическую пленку и образуют «кольца» Де-
бая—Шеррера. Используется при определе-
определении параметров решетки и фазовом ана-
анализе.
б. Метод плоской пленки. В основе ме-
метода лежит применение плоской пленки для
регистрации прямого или обратного ди-
дифракционного излучения. Используется
при исследовании рекристаллизации и тек-
текстуры.
в. Метод дифрактометрии. В этом мето-
методе широко используются принцип фокуси-
фокусировки по Брэггу—Брентано и регистрация
с помощью счетчиков излучения. При этом
система отражений получается от плоского
поликристаллического образца; полученные
результаты используются для определения
постоянных решетки и заключения о реаль-
реальной структуре материала образца. Резуль-
Результаты измерений могут быть также исполь-
использованы для количественного фазового ана-
анализа и определения интегральной интен-
интенсивности.
г. Рентгенографические методы исследо-
исследования используют для измерения дифрак-
дифракционной способности (интенсивности или
направления), для косвенной оценки де-
дефектов решетки, а также для обнаружения
линий и сеток дислокаций, малоугловых
границ и дефектов упаковки.
Техника исследований включает ряд ме-
методов, в числе которых метод Брэгга—
Баррета, с помощью которого получают
отображение расположенных вблизи по-
поверхности слоев компактных кристаллов,
и метод Ланга, применяемый для тонких
кристаллов, через которые могут проникать
характеристические рентгеновские лучи;
при этом представляется возможной ре-
регистрация дифракционной картины за крис-
кристаллом.
1.11.4.4. Оценка результатов
В результате применения рентгенографи-
рентгенографических методов исследований можно найти
три составляющие определяющие точность
измерения: геометрическое положение реф-
рефлексов' ширину и форму линий и интенсив-
интенсивность почернения.
В зависимости от характера исследуемых
объектов получают различные виды рент-
рентгеновских эффектов (табл. 51).
Обзор других возможностей применения:
1. Изучение текстуры. Неравномерное
распределение интенсивности вдоль колец
интерференции.
2. Определение постоянных решетки. Для
известной кристаллографической системы,
зная длину волны, можно рассчитать соот-
соответствующее межплоскостнсге расстояние d
и, определив положение линий О, постоян-
постоянные решетки.
Например, для кубической системы
а = (Vh2 + № + /2/sin ft) (Я/2).
Для тетрагональной системы необходимы
два рефлекса для определения постоянных
решетки а к с:
sin
Я
2
3. Качественный фазовый анализ (иден-
(идентификация фаз). Определение межплос-
межплоскостного расстояния для максимальной ин-
интенсивности линий; обнаружение соответст-
соответствующих веществ по этим критериям в кар-
картотеке ASTM.
ТА Б ЛИЦА 51
Объект исследования
Монокристаллы
Поликристаллы
Аморфные мате-
материалы, расплавы
Дифракционная
картина
Точечные реф-
рефлексы
Интерференцион-
Интерференционные линии
Ширина, диффу-
диффузионные интерфе-
интерференционные линии
Определяемые характе-
характеристики
Число, форма, интен-
интенсивность и располо-
расположение рефлексов
Число и положение
интерференционных
линий. Распределение
интенсивностей ин-
интерференционных ли-
линий
Радиальное распре-
распределение интенсив-
интенсивности
Применение
Определение ориентиров-
ориентировки кристалла, парамет-
параметров решетки, симметрии
решетки
Определение параметра
решетки (фазовый ана-
анализ), упругих напряже-
напряжений, текстур, размера
частиц, оценка плотности
дефектов кристаллов
Определение ближнего
порядка, получение ве-
вероятностных кривых для
оценки положения ато-
атомов-соседей
157
4. Количественный фазовый анализ. Из-
Измерение интегральной интенсивности линий'
данных веществ и сравнение этих интен-
сивностей друг с другом или со стандарт-
стандартными интенсивностями с учетом соответст-
соответствующих поправок (структурный множи-
множитель, угловой множитель и т. д.) для опре-
определения доли (по массе или объему) дан-
данной фазы в смеси фаз.
5. Определение размера зерен. Между
Ю-3 и Ю-4 — четкая интерференция. С
уменьшением размера зерен, ширина ин-
интерференционных колец увеличивается.
При дальнейшем уменьшении зерен на-
наблюдаются интерференционные пятна.
6. Определение внутренних напряжений.
Напряжения при изгибе (например, в хо-
лоднодеформированном материале) приво-
приводят к уширению линий. Растягивающе-сжи-
мающие напряжения приводят к сдвигу
линий из-за изменений межплоскостных
расстояний.
1.11.4.5. Структурные
исследования с помощью пучков
быстрых частиц
Любые частицы, движущиеся с опреде-
определенной скоростью v (пропорциональной
[энергии]1'2) и имеющие массу т, могут
быть описаны как волны длиной Я (А — по-
постоянная Планка): k~hlmv.
На этом основано применение электро-_
нов с энергиями от 103 до 10е эВ, а также'
тепловых нейтронов (энергия ~ 10~2 эВ)
для структурных исследований.
Дифракция нейтронов. Эксперименты
возможны только с пучком тепловых ней-
нейтронов реактора.
Преимущество по сравнению с дифрак-
дифракцией рентгеновских лучей и электронов
состоит в следующем:
В большинстве случаев наблюдается зна-
значительно меньшее поглощение нейтронов в
исследуемом материале. Поэтому пред-
представляется возможным исследование более
крупных образцов, а ие только областей,
лежащих вблизи поверхности (Ю-1—
—10+' мкм), или тонких образцов, как при
рентгеновском методе.
Дифракция нейтронов используется для
оценки различных характеристик структу-
структуры и свойств: определения преимуществен-
ТАБЛИЦА 62
ной ориентации, оценки внутренних напря-
напряжений и дефектов структуры компактных
образцов и исследования структуры, со-
состоящей из атомов элементов с близкими
атомными номерами (при различной рас-
рассеивающей способности нейтронов).
Электронный микроскоп. Электронный
микроскоп состоит из электронной пушки
и ряда электромагнитных линз, с помощью
которых путем использования волновых
свойств электронов представляется возмож-
возможным получение увеличенного изображения
исследуемого объекта: Я=г 150/V, где
о
Я — длина волны, А; V — ускоряющее элек-
электроны напряжение.
В основе работы электронного микроско-
микроскопа лежит получение пучка свободных элек-
электронов с помощью трехэлектродной систе-
системы (рис. 1.416 [11]).
tzl
f—W) СЕПГч
Рис. 1.416
К. — катод; W — фокусирующий
цилиндр; А — аиод; / — изоля-
изолятор
Подогреваемый катод: состоит из вольф-
вольфрама; при повышении температуры элек-
электроны начинают двигаться к аноду, а у ка-
катода образуется фокусирующее поле; в ре-
результате возникает монохроматическое
излучение.
Тлеющий разряд: представляет другую
возможность получения свободных электро-
электронов. Ускоряющее напряжение составляет
от 1 кВ до 1,5 MB, а вакуум ~ 10~4 торр.
Наблюдение конечного изображения осу-
осуществляется путем использования схемы
просвечивающего электронного микроско-
Прямые способы
Косвенные способы
Метод фольги
Реплики получают прямо с исследуе-
исследуемой поверхности. Высокая разрешаю-
разрешающая способность. Методы: оксидных
реплик; лаковых реплик; напыления;
экстракционный метод получения
реплик (экстракция малых выделе-
выделений)
Получение промежу-
промежуточной реплики (матри-
(матрицы). Разрешающая спо-
способность меньше, чем
при прямом методе
Методы: после получе-
получения матрицы изготовле-
изготовление пленки реплики как
и при прямом методе
За счет утонения тол-
толстые объекты становятся
прозрачными для пучка
электронов
Методы: Боллмана;
окон; метод с использо-
использованием шайб
158
па, рис. 1.417 [11], на люминесцентном
экране, а регистрация производится на фо-
фотопластинках
Подготовка к съемке: в зависимости от
исследуемого материала и используемого
микроскопа в качестве образцов применяют
реплики или прозрачные для электронов
фольги. В табл. 52 приведены различные
способы и методы исследования, используе-
используемые в электронной микроскопии.
Рис 1.417
/ — источник излучения; 2 —
конденсор; 3—объект; 4 —
объектив; 5—первичное про-
промежуточное изображение;
6 — вторичное промежуточ-
промежуточное изображение; 7 — проек-
проекционная лннза
электропроводящей поверхностью. Поэто-
Поэтому на изоляторы необходимо напылять ме-
металлы.
3. Эмиссионный электронный микроскоп
(рис. 1.420). Объект служит источником
электронов (катод), причем электронная
эмиссия может вызываться как путем
нагрева (термоэмиссия), так и облучением
электронами, нонами или ультрафиолето-
ультрафиолетовым излучением. Контрастность получает-
получается благодаря различию в электронной
эмиссионной способности. Разрешающая
Виды электронных микроскопов
1. Просвечивающий электронный микро-
микроскоп (рис. 1.418). Объекты, подлежащие
просвечиванию при 100 кВ: толщина со-
составляет 50<d<100 нм в зависимости от
порядкового номера элемента в периоди-
периодической системе и плотности (d уменьша-
уменьшается, когда г или р растут). При 1000 кВ
толщина просвечиваемой фольги увеличи-
увеличивается в 5—6 раз.
2. Отражательный электронный микро-
микроскоп (рис. 1.419). Применение объектов с
Рис. 1.418 Рнс. 1.419
Рис. 1.422
способность составляет от ~30 до 100 им.
4. Электронный зеркальный микроскоп
(рис. 1.421). Объектом является плоский
электрод. Характеризуется низкой разре-
разрешающей способностью. Изображение полу-
получается за счет распределения поверхност-
поверхностных зарядов.
5. Сканирующий (растровый) электрон-
электронный микроскоп (рнс. 1.422). Зондирование
образца производится с помощью острофо-
кусированного электронного луча (диаметр
10 мм). Контрастность образуется за счет
различия во вторичной электронной эмис-
эмиссии. Большая глубина резкости (см.
1.11.4.6).
6. Полевой электронный микроскоп (рис.
1.423). Объектом является - острие катода.
При наложении на катод электрического
напряжения возникает поле с высокой на-
напряженностью, которое вызывает полевую
эмиссию электронов. При этом на экране
получают сильно увеличенную картину
структуры материала острия.
Пояснения к рис. 1.418—1.423 [11]:
S — источник излучения; О — объектив;
Ои — непрозрачный объект; V — источник
ультрафиолетового излучения; V — усили-
усилитель; В— катодно-лучевые трубки; К —
конденсорная линза; Р — проекционная
линза; Л — нагревательный элемент; L —
диафрагма с отверстием; SG — сканирую-
сканирующий генератор; КЗ — заостренный катод;
Od — просвечиваемый объект; Е — конеч-
конечное изображение; / — излучатель электро-
электронов или ионов; С — диафрагма коллимато-
коллиматора; Sp — отклоняющие катушки.
159
1.11.4.6. Другие способы
изучения структуры и анализа ее
мелких составляющих
Известны способы изучения структуры
с использованием приборов, основанных на
следующих принципах:
электронные лучи; оже-спектроскопия;
ионная микроскопия; спектроскопия на ос-
основе определения энергетических потерь
электронов; мессбауэровская спектроско- .
пия.
, Электроннолучевой микрозонд. Устройст-
Устройство, в котором остросфокусированный луч
A0 нм^0^1 мкм) зондирует образец по
принципу сканирования и регистрирует
возникающие при этом сигналы, источни-
источниками которых являются: вторичные элект-
электроны; электроны обратного рассеяния; аб-
абсорбированные электроны; просвечивающие
электроны; оже-электроны; характеристиче-
характеристическое рентгеновское излучение; рентгенов-
рентгеновское тормозное излучение; люминесцентное
свечение; электрические токи (в полупро-
полупроводниках).
Прибор служит для получения изображе-
изображений и другой информации о топографии
поверхности и локальном составе областей
размером от 2 до 5 мкм.
Специальные приборы: современные элек-
электроннолучевые микрозонды представляют
собой комбинацию рентгеновского микро-
микроанализатора н электронного микроскопа.
Главные элементы этих приборов следу-
следующие: электронная оптика для получения
остросфокусированного электронного луча;
сканирующая система для зондирования
образца; столик для закрепления образца,
обеспечивающий возможность его передви-
передвижения в направлениях х, у, г, вращения и
снятия.
Пределы применимости: возможность
анализа элементов с порядковым номером
^4; относительный предел обнаружения
0,1—0,001 %; абсолютный предел обнару-
обнаружения 10~14—10~1в г; разрешающая' спо-
способность 10—103 нм.
Упомянутые приборы применяются для
исследования включений, зон микросегре-
микросегрегации, диффузионных зон, фазового анали-
анализа, поверхности излома и т. д.
Рентгеновский флюоресцентный анализ.
Относится к тому же виду исследования,
как и применение электронного микроана-
микроанализатора (рис. 1.424). При этом - вместо
электронов возбуждения применяют рент-
рентгеновское излучение. Первичное рентгенов-
рентгеновское излучение рентгеновской трубки воз-
возбуждает способность элементов к флюорес-
флюоресценции. . Флюоресцентное излучение
направляется в виде параллельного пучка
и разлагается кристаллом анализатора.
Интенсивность отдельных компонентов' из-
излучения определяется счетчиком гонио-
гониометра.
Оже-спектрометр. Специальный элек-
электроннолучевой микрозонд, который снаб-
снабжен электронным спектрометром. Дает
возможность определить элементы в об-
областях, близких к поверхности (<10 нм).
Оже-электронная спектроскопия и элек-
электронная спектроскопия в некоторых слу-
случаях позволяют получать достаточную
информацию о составе вблизи поверхности
образца, а также об энергии связи за счет
электронов, поступающих из исследуемого
материала при воздействии на него рентге-
рентгеновского излучения с постоянной энер-
энергией.
Ионные микроскопы. Представляют собой
приборы, в которых вторичные иоиы, воз-
Рис. 1.424
/—рентгеновская трубка; 2—образец: 3 — флю-
флюоресцентное излучение; 4 — кристалл; 5 — колли-
коллиматор: 6 — счетчик излучения; 7 — диаграмма;
8 — измерительная аппаратура; 9 — возбуждение;
10 — разложение излучения; // — регистрация
никающие при попадании ионного луча в
образец, анализируется с помощью масс-
спектрометра.
Известны особые случаи:
а) зондирование образца остросфокуси-
рованиым ионным лучом (диаметром от 2
до 5 мкм) для анализа распределения эле-
элементов (см. Микрозонд);
б) медленное снятие слоев с образца и
анализа имеющихся в них элементов или
изменения концентрации элемента по мере
удаления от первоначальной поверхности;
в) постепенное снятие слоев образца и
отображение распределения элемента по
месту его залегания.
Спектроскопия энергетических потерь
электронов. Анализ потерь энергии электро-
электронов при их прохождении через тонкую
фольгу. При этом можно сделать заключе-
заключение об элементах, содержащихся в фольге.
Мессбауэровская спектроскопия. Приме-
Применяется эффект Мессбауэра, заключающий-
заключающийся в резонансном поглощении vKBaHT0B
атомными ядрами. Необходимое условие
этого резонансного поглощения состоит в
том, чтобы энергия, которую квант расхо-
расходует на возбуждение ядра, была в точно-
точности равна разности внутренних энергий яд-
ядра в возбужденном и основном состояниях.
Для наблюдения поглощения у-квантов не-
необходимо искусственно увеличивать пере-
перекрытие линий испускания и поглощения с
использованием сдвига этих линий за счет
эффекта Доплера. Эффект Мессбауэра поз-
позволяет получить информацию о нарушени-
нарушениях в окрестности так называемых месс-
бауэровских атомов, а следовательно, дает
возможность изучения структуры, дефек-
дефектов структуры или ее изменений.
160
1.11.5. Структура
Области науки, которые связаны с ка-
качественным и количественным описанием
структур включают: металлографию (ме-
(металлические материалы, полупроводники);
керамографию (керамические материалы);
пластографию (высокополимерные материа-
материалы); петрографию (минералы, горные по-
породы).
таллизации (см. 1.10); фазовых превраще-
превращений (см. 1.9); электролитического осажде-
осаждения; осаждения из паровой или газовой
фазы.
Т.П.5.1. Состав структуры
Структура состоит из структурных со-
составляющих, разделенных некогерентными
границами. Характеризуется рядом пара-
параметров, среди которых: вид, определяю-
определяющийся кристаллической структурой и хи-
химическим составом; количество, размер,
форма и распределение структурных со-
составляющих.
Структурные составляющие. Различают-
Различаются по кристаллографической ориентации,
кристаллической структуре, химическому
составу.
Примеры различной структуры:
а) чистый металл (например, чистое же-
железо); зерна и границы зерен (рис. 1.425
И);
Рис. 1.425
б) сплав (Си—Zn, например, латунь);
а-латунь, 0-латунь, границы зерен, грани-
границы фаз (рис. 1.426);
РЯС. 1.427
Виды структуры
а. Классификация по времени появления
в ходе процессов производства и обработ-
обработки: первичная структура, представляющая
структуру после затвердевания (оиа зави-
зависит от условий охлаждения и зародышеоб-
разования) и вторичная структура, пред-
представляющая структуру, которая образует-
образуется в результате фазовых превращений де-
деформации или термической обработки.
б. Классификация по величине структур-
структурных составляющих: макроструктура — со-
составные части структуры, которые видны
невооруженным глазом или под лупой; на-
например в отливках и сварочных швах; мик-
микроструктура — составные части структуры
можно наблюдать только под микроскопом;
например после превращения или деформа-
деформации.
1.11.5.2. Исследование структуры
Прн исследовании структуры необходи-
необходимо изготовление шлифов, которые рассмат-
рассматривают в отраженном свете (например, ме-
металл, полупроводник, керамический мате-
материал, горная порода — рис. 1.428) или в
проходящем свете (тонкий шлиф; например,
минерал, полупроводниковый материал,
высокополимерный материал — рис. 1.429).
t
к
РисШ I
Рис.Ш9
Рис. 1.426
в) металлическая матрица и неметалли-
неметаллические включения (например, FeS, FeO) —
рис. 1.427.
Образование структуры возможно вслед-
вследствие кристаллизации (см. 1.8.1); рекрис-
Рис. 1.428. Ход лучей в отражательном микроско-
микроскопе:
/ — источник света; 2 — окуляр; 3 — стеклянная
пластина; 4— объектив; 5— шлнф
Рнс. 1.429. Ход лучей в просвечивающем микро-
микроскопе:
/ — окуляр; 2 — объектив; 3—плоскопараллельная
пластина образца; 4 — источник света
11—140
161
Выбор образцов и изготовление шлифов.
Положение образца в материале или за-
заготовке зависит от того, требуется ли нс-
следовать определенный участок или не-
необходимо систематически изучать большие
области материала.
Различают следующие виды положений
плоскости шлнфа: продольный шлиф; по-
поперечный шлиф; при этом исследование
может производиться также на плоских
шлифах нли на косых шлифах.
Продольный шлиф — плоскость шлифа
параллельна предпочтительному направле-
направлению (например, направлению прокатки
WR) и перпендикулярна поверхности за-
заготовки (например, плоскости прокатки) ¦—
рис. 1.430.
Плоский шлиф — плоскость шлифа па-
параллельна поверхности заготовки (напри-
(например, плоскости прокатки) — рис. 1.432.
Косой шлиф: применяется для изучения
образцов, имеющих поверхностный слой
измененного состава или структуры
(обезуглероживание, цементация, изотиро-
ваиие и т. д.). При этом срез может идти
перпендикулярно этому поверхностному
слою (рис. 1.433) или под углом к нему
П Рнс. 1.433
Рис. 1.434
Поперечный шлиф — плоскость шлифа
перпендикулярна предпочтительному на-
направлению (например, направлению про-
прокатки) и перпендикулярна поверхности за-
заготовки (например, плоскости прокатки) —
рис 1.431.
(рис. 1.434). Прн этом согласно рис. 1.434
имеем:
а, град 5 10 20 30 45
D/d=\/sina 11,5 5,77 2,92 2,00 1,41
На рнс. 1.433 и 1.434: 1 — поверхностный
слой; 2 — основной материал; 3 — поверх-
поверхность шлифа.
Целесообразный размер образца 15Х
X15X20 мм. Способы отбора образцов —
рис. 1.435.
Механический
Резка на
отрезном станке
Опиливание
Резка ножницами
Обточка
Вырубка I
С охлаждением
Без охлаждения
Нитевой резак I
Отрезной диск I
-I Отрезной диск I
Дорошково-лу-
чевой резак
Ультразву-
Ультразвуковой резак
Пламенная»резка
Электроэрозионный
Электрохимический
Плоский электрод I
Проволочный электрод I
Кислотная пила
Кислотная фреза I
Кислотный луч
Рис. 1.4SF
162
а. Следует отметить, что механические
способы отбора образцов весьма грубы и
не исключают возможности изменения
свойств материала.
Преимуществом подобных способов явля-
являются незначительные затраты и быстрота;
однако эти преимущества уменьшаются из-
за больших затрат на изготовление шлифа.
Нитевой резак применяется при изгетов-
ленни образцов из монокристаллов, полу-
полупроводниковых материалов, хрупких и ту-
тугоплавких металлов, интерметаллических
соединений, а также при резке очень малых
по размеру заготовок или заготовок очень
сложной формы. При этом достижима тол-
толщина реза ~0,4 мм при глубине деформи-
деформированного слоя, не превышающего 2 мкм.
Большие затраты времени компенсируются
тем, что образец сразу после резки можно
подвергать полировке.
Абразитиые отрезные диски представля-
представляют собой круги из SiC, A12O3, алмазг
(в виде порошка в связующем материале).
Различают следующие виды абразивных
отрезных дисков: мягкие, нз которых абра-
абразивные зерна легко выкрашиваются (харак-
(характеризуются высоким износом), и твердые,
из которых абразивные зерна трудно вы-
выкрашиваются (износ незначителен).
Следует иметь в виду, что при резке
твердых материалов необходимо использо-
использовать мягкие круги.
Ширина реза составляет 0,5—2,5 мм при
диаметре круга от 200 до 300 мм. Неров-
Неровности поверхности при резке с охлажде-
охлаждением составляют 4 мкм, глубина деформи-
деформированной зоны 10 мкм (минимальное зна-
значение) .
При этом в зависимости от толщины за-
заготовки затраты времени лежат в пределах
от секунд до нескольких минут.
Известен также порошково-струйный
способ резки, с помощью которого изготов-
изготовляют образцы из тонкостенных труб, лис-
листов, хрупких веществ, например Ge, Si и
керамических материалов.
При этом образуется очень хорошая,
почти недеформированная, поверхность
среза, которая нуждается только в поли-
полировке. Минимальная ширина разреза со-
составляет 0,1 мм.
б. Электроэрозионные методы снятия
материала экономически целесообразно ис-
использовать в случае твердых материалов
(например, твердых сплавов). Время рез-
резки прутков диаметром 25 см составляет,
мин:
Zn A1 Латунь Сталь Mo W
15 23 62 140 190 380
в. Электрохимические методы снятия ма-
материала пригодны для всех металлов и го-
гомогенных сплавов. При этом реализуется
очень высокое качество поверхности. Из-за
очень больших затрат времени применяют-
применяются только в особых случаях (например,
для получения слабодеформированных сре-
срезов и монокристаллов). ,
Заливка образцов
а. Необходима в следующих случаях:
— образцы малы или имеют сложную
форму;
— образцы мягкие, хрупкие, с трещина-
трещинами, ломкие или пористые;
— при исследовании нескольких образ-
образцов одновременно;
— при исследовании периферийных зон
образцов;
— если дальнейшая обработка образцов
должна производиться автоматически (на-
(например, шлифовка, полировка).
б. Крепление путем заливки и запрес-
в г
м Офазцы ШЛ Прокладки ? Державка
Рнс. 1.436. Схема закрепления шлифа
совки представляет способ фиксации образ-
образцов в соответствующем материале, с кото-
которым ои образует единое целое. Проводится
в специальных прессах или вручную.
Виды запрессовки образцов: горячая, хо-
холодная, гальваническая.
Используется закрепление в зажимах или
струбцинах, представляющих держатели
шлифов (рис. 1.436 и 1.437 [67]).. Проме-
Рнс. 1.437
/ — обойма; 2 — образец;
3 — прокладка (напри-
(например, поливинилхлорнд)
жуточные прокладки применяют для умень-
уменьшения напряжений, а в случае мягких ма-
материалов— деформации, а также для до-
достижения большей остроты кромки шлифа.
В стальном держателе промежуточную
прокладку из медного листа и образец
(например, азотированную сталь) прочно
закрепляют с промежуточной прокладкой
из полихлорвинила. Зажатый образец на-
нагревают в горячей воде и после того как
полихлорвинил размягчится, снова сильно
зажимают.
в. Материалы, используемые для заливки.
Различают: неорганические материалы
(например, сплав Вуда, гипс, цемент, стек-
стекло) и органические' материалы (природная
смола, например, пицеин); искусственная
11*
163
смола (например, эпоксидная смола с от-
вердителем).
г. Требования к материалу для заливки:
— незначительная усадка при затверде-
затвердевании, хорошая адгезия с образцом — ина-
иначе возможно образование трещин и затуп-
затупление кромки образца; скопление полиро-
полировальных и шлифовальных материалов;
— отсутствие пузырьков — иначе в пус-
пустоты увлекается полировальный материал;
— требуемая вязкость при заливке —
иначе не происходит заполнения пустот —
пор, трещин и т. д.; возможно применение
невысокого вакуума;
— отсутствие разрывов между материа-
материалом заливки и образцом — иначе нельзя ис-
исследовать кромки образцов;
— одинаковое с материалом образца
поведение при шлифовке и полировке —
мерой является твердость. В случае слиш-
слишком мягкого заливочного материала про-
Г А Б ЛИЦА 53
исходит замазывание шлифа, а при слиш-
слишком твердой — его выкрашивание;
— химическая устойчивость против воз-
воздействия всех применяющихся при после-
последующей обработке реактивов. Реакции с
образцом, например образование диффу-
диффузионных слоев, не должны происходить;
— заливка не должна оказывать влия-
влияния ^на свойства образца, например вслед-
вследствие давления и температуры;
— отсутствие реакций с обоймой и лег-
легкость извлечения образца — иначе низкие
экономические показатели (управление,
стойкость обойм, стоимость и т. д.);
— высокая электропроводность в случае'
необходимости электролитической поли-
полировки.
Маркировка образца. Возможна с по-
помощью набивкн маркировочного знака,
гравировки, надписей, маркировки при за-
заливке.
Материалы со сравнимой
твердостью
Шлифующие и полирующие ма-
материалы со сравнимой твер-
твердостью
Применение шлифующих и по-
полирующих материалов
5 апатит
6 полевой
шпат
8 топаз
9 корунд
10 алмаз
10 алмаз
Незакаленные стали
оконное стекло
Кизельгур (инфузо-
(инфузория земля)
Низкоуглеродистые
закаленные стали
Высокоуглеродистые
закаленные стали
Вольфрам, специаль-
специальные стали
Твердые сплавы
Пемза (смесь SiO2—А12О3) Мягкое шлифующее сред-
средство, например для шлифо-
шлифования серебра
Паста для первичной полировки латуни и благородных
металлов
Окись магния (MgO)
Окись железа (Ре2Оз)
Окись хрома (Сг2Оз)
Наждачный порошок E0—
70 % А12О3, остальное SiO2,
Fe2O3) и Fe2O3
Природный корунд (90—
95 % А12О3)
Искусственный или благо-
благородный корунд F0—95 %
А12Оз, остальное SiO2; т:гч¦•
Fe2O3)
Окись бериллия (ВеО)
Глинозем (А12Оз, модифика-
модификации: кубическая у и гекса-
гексагональная а)
Карбид кремния (SiC, кар-
карборунд)
Алмаз
Карбид бора (В4С)
Алмаз
Для полировки магния и
алюминия н их сплавов
Для полировки мягких ме-
металлов и сплавов
Для полировки твердых ме-
металлов и сплавов, например
хрома; сталей
Редко применяемый шли-
шлифующий и полирующий ма-
материал
Круги для грубой шлифов-
шлифовки сталей, латуни и т. д.
Один из основных шлифо-
шлифовочных материалов для из-
изготовления шлифов из ли-
литой и деформированной
стали, шлифов из спеченных
металлов, твердых сплавов
Ядовито! Применяется для
полировки твердых сплавов
Полирующий материал,
имеющий широкое примене-
применение в металлографии
Для шлифовки спеченных
металлов, бронзы, твердых
сплавов, серого чугуна
Для шлифовки.
Для шлифовки твердых
сплавов
Для шлифовки и полировки
большинства металлов, сте-
стекол и драгоценных камней
164
Шлифовка. Процесс обработки материа-
материала с целью выравнивания его поверхности.
Для уменьшения неровностей поверхности
снятие материала необходимо проводить
ступенчато. Качество шлифовки зависит от
многих факторов, включая твердость об-
обрабатываемого материала. Характеристики
полирующих материалов приведены в
табл. 53.
а. Способы шлифовки с различными ме-
механизмами удаления материала [61] —
рис. 1.438.
воды отсутствует пыль. Благодаря этому
достигается большая скорость обработки.
в. Шлифующие и полирующие материалы
и области их применения [67] приведены в
табл. 53.
г. Шлифующие материалы. Характеризу-
Характеризуются следующими параметрами [67]:
— твердостью, которая представляет со-
собой константу материала; стойкость и ре-
режущая способность тем выше, чем тверже
шлифующий материал;
— формой зерен, которая главным обра-
Механическая
шлифовка
Влажная и сухая
шлифовка
Электролитическая
шлифовка
Машинная
шлифовка
Ручная
шлифовка
Автоматическая или
полуавтоматическая
' шлифовка
Электроэрозионная
шлифовка
б. Указания по методам шлифовки:
— электроэрозионная шлифовка. Ис-
Используется тот же принцип, что и при
электроэрозионной резке. Пригодна для
изготовления тонких шлифов (~70 мкм
толщиной);
— электролитическая шлифовка. Исполь-
Используется тот же принцип, что и при электро-
электрополировке. Достижимая шероховатость от
1 до 2 мкм (в особых случаях 0,2 мкм).
Применяется для тонкой обработки твер-
твердых сплавов;
— механическая шлифовка. Основной ме-
метод. Мокрая шлифовка является предпочти-
предпочтительной по сравнению с сухой, так как при
этом нагрев образца незначителен; вследст-
вследствие непрерывной смывки абразива потоком
Рис. 1.438
зом определяется кристаллической структу-
структурой материала, частично условиями изго-
изготовления; высокие шлифующие свойства
соответствуют зернам одинаковой формы с
острыми кромками;
— размером зерен, который определяет
глубину шероховатости и деформации, а
также эффективность шлифования. Увели-
Увеличение размера зерен способствует росту
этих характеристик (TGL 12827).
Области применения металлографических
шлифующих и полирующих материалов
приведены на рис. 1.439.
д. Возможные дефекты при шлифовании:
— при механическом н электроэрознон-
ном шлифовании происходит не только вы-
выравнивание поверхности, но н деформация
Вид
шлифовки
Вид
полировки
Пемза
Кизельгур или трепел
SnO2
MgO
Fe203
Crz03
Наждак
Природный корунд
Нскусстбеннып корунд
ВеО
А1203
Si С
B4C
Апмаз
Тонкая или оконча-
окончательная попиробка
Тончайшая
шлифовка
Тонкая
полировка
Тонкая
шлифовка
Грубая или
первичная полировка
Грубая
или первичная
шлифовка
до 500 мкм
0,1 1 10
Высота микронеровностей поверхности, мкм
Рнс 1.439
100
165
материала непосредственно под шлифуемой
поверхностью. Глубина деформируемого
слоя тем меньше, чем тоньше шлифоваль-
шлифовальные диски. Поэтому необходимо продол-
продолжать шлифовку даже после получения
гладкости поверхности;
— нагрев. Может привести к химическим
изменениям в шлифуемой поверхности или
к изменениям структуры (отпуск, рекри-
рекристаллизация, фазовые превращения). По-
Поэтому нагрева следует избегать;
— механическое шлифование. Зерна шли-
шлифующего вещества могут внедряться в
шлифуемую поверхность. Они могут быть
приняты за неметаллические включения.
е. Доводка. Отличается от шлифовки
тем, что шлифующее средство не соединено
прочно связкой со шлифующей подложкой
(например, шлифовальный круг, шлифо-
шлифовальная бумага), а находится в пасте
(масло, жнры, воск), слабо связано и рав-
равномерно в ней распределено (нет связи
между шлифующими зернами). Несвязан-
Несвязанные или слабо связанные зерна шлифую-
шлифующего материала под действием приложен-
приложенного к шлифу давления меняют свои поло-
положения, так что действуют все ребра и уг-
углы этих зерен. Следствие: меньшая
истираю'щая способность, но более слабое
воздействие шлифующего средства на шли-
шлифуемый материал.
Доводку применяют поэтому в случае
чувствительных к шлифованию (хрупких)
материалов (полупроводниковые материалы
Si, Ge).
ж. Микротомные срезы. Механический
способ удаления материала с помощью
твердосплавных или алмазных ножей. При-
Применяется вместо механического шлифова-
шлифования в случае мягких! материалов (Pb, Sn,
Ag, Au, Zn, A1, Си, Mg).
Преимущество: не происходит внедрения
зерен шлифующего материала в обрабаты-
обрабатываемый материал. Очень высокая четкость
краев шлифа (важно в случае материалов
с покрытием). При применении алмазных
ножей можно избежать полировки.
Полировка. Служит для выравнивания
мелких и мельчайших неровностей. Являет-
Является более тонкой шлифовкой, причем шерс-
ховатость поверхности стремится к нулю.
а. Способы полнровкн с различными ви-
видами снятия материалов [67]—рис. 1.440.
б. Методы полировки охватывают приме-
применяемую чаще всего механическую полиров-
полировку. Ниже описаны некоторые полирующие
материалы.
— Алмазная паста или суспензия. Ис-
Используется для получения кромок с высо-
высокой резкостью; позволяет избежать выкра-
выкрашивания включений при полировке, умень-
уменьшает влияние рельефа шлифовки; меньше
время полировки по сравнению с примене-
применением глинозема. Весьма чистые поверхно-
поверхности шлифовки. Очень часто применяется
при количественном структурном анализе
(например, для чугуна, стали). Очень вы-
высокие режущие свойства.
— Глинозем. Распространенное полиру-
полирующее средство; известны три сорта:
Механическая
полировка
Химико-меха-
Химико-механическая
полировка
Промежу-
Промежуточное
травление
Полировка с
травлением
Химическая
полировка
Центробежная
полировка
Электроли-
тически-ме-
тически-механическая
полировка
Переменная
полировка
Электро-
Электрополировка
со смывкой
Электроли-
Электролитическая
полировка
Стационарные
полирующие
ячейки
Переносные
полирующие
ячейки
Машинная
полировка
Ручная
полировка
Автоматическая
или полуавто-
полуавтоматическая
полировка
Вибро-
полировкз
Электро-
Электролитическая
вибро-
виброполировка
Роторная
полировка
Метод движущейся
полировки
Рис. 1.440
166
№ 1 — для твердых материалов; № 2 —
для материалов средней твердости; № 3 —
для мягких материалов. Очень высокие ре-
режущие свойства.
— Окись магния. Используется для тон-
тонкой полировки мягких материалов.
Полирующие материалы применяются в
виде суспензий — глинозем, окись магния;
паст — глинозем, алмазный порошок; нано-
наносятся путем разбрызгивания — алмазный
порошок в виде суспензии.
Подложки для полнровкн. На твердый
диск натягивают ткани: фетр, войлок —
для стали, медн и алюмнння; вельвет — для
чугуна; бархат — для тонкой полировки
мягких материалов; биллиардное сукно —
для вибрационной полировки.
При полировке шлифуемая поверхность
и полирующая подложка движутся друг
относительно друга плоскопараллельно,
иначе кромка будет затуплена. Образец
при полировке должен постоянно передви-
передвигаться относительно круга, в противном
случае образуются линии полировки.
Давление при полировке должно быть
малым.
Чем тверже материал, тем меньше долж-
должна быть скорость вращения круга, обХ
Хмин-1:
Первичная полировка
Тонкая полировка:
глинозем ....
алмазная паста
2000—3000
150—1000
120—500
Виды полировки по характеру движения:
вращательная полировка; вибрационная по-
полировка.
Слой Билби. Шлифующие и полирующие
средства наряду с режущим воздействием
оказывают также воздействие в виде тре-
трения. Последнее проявляется при полиров-
полировке сильнее.
В результате острия профиля шерохова-
шероховатостей втираются в углубления. Таким об-
образом, выравнивание происходит не толь-
только за счет удаления материала, но и за
счет пластического течения определенных
его областей.
Этот смазочный слой носит название слоя
Билби. Он, по-видимому, состоит из мель-
мельчайших обломков кристаллов (величиной
о
5—Ю А), перемешанных с оксидами. Тол-
Толщина этого слоя составляет от 10 до
о
10000 А. Слой Билби^ накладывается на де-
деформированный слой.
Толщина слоя Билби растет, в случае
когда твердость и режущая способность
полирующих материалов уменьшаются, а
давление полирования увеличивается.
Слой Билби можно существенно умень-
уменьшить в результате согласования всех ра-
рабочих параметров [67].
¦Вращательная полировка. Производится
с помощью полирующей ткани, натянутой на
вращающийся круг.
Полирующие средства: эмульсия глинозе-
глинозема или пасты; алмазные пасты; окись маг-
магния.
Преимущества: имеет универсальное при-
применение; более простое средство, чем хи-
химическая или электрохимическая поли-
полировка.
Недостатки: высокие затраты времени;
пластическая деформация поверхности (од-
(однако может поддерживаться небольшой).
Виброполировка. Относительное движе-
движение образца и полирующей подложки вы-
вызывается особым вращательным движением
подложки. Автоматически управляемый про-
процесс.
Полирующие средства: водная эмульсия
глинозема; алмазная паста со связующей
смесью — глинозем с воском.
Время полировки: в 2—3 раза больше, чем
при обычных способах (в особых случаях
до 24 ч).
Преимущества: можно одновременно по-
полировать несколько образцов. Применяется
в случае хрупких материалов с составляю-
составляющими, сильно отличающимися по твердо-
твердости; высокая четкость краев; малая дефор-
деформация поверхности; малые размеры уста-
установки; малый расход вспомогательных ма-
материалов.
Установка — метаполан [ 142].
Химическая полировка. Образец поме-
помещают в полирующий раствор. При этом по-
поверхность выравнивается вследствие хими-
химического удаления материала.
Химико-механический способ. Представ-
Представляет сочетание химической и механической
полировки. Применяется для' U, Zr, Bi, Mg,
Ag, Zn, Cd н Mg-сплавов.
Полирующие растворы содержат почти
всегда сильные окисляющие и повышаю-
повышающие вязкость средства.
Преимущества: простота применения; ма-
малые затраты времени; отсутствие деформи-
деформированных слоев и слоев Билби.
Недостатки: более сильное воздействие
на края образца; образование поверхност-
поверхностных неровностей в крупнозернистых мате-
материалах; при применении некоторых поли-
полирующих растворов возможно нагревание.
Центробежная полировка представляет
дальнейшее развитие метода. Ускоренный
метод, прн котором не происходит нагрева
полирующего раствора и изъязвления
шлифа.
Электролитическая полировка. Электро-
Электролиты: фосфорная, серная или соляная кис-
кислоты с ионизирующими и повышающими
вязкость добавками.
Преимущества: в чистых металлах н го-
гомогенных сплавах нет деформированного
слоя и слоя Билби; малые затраты време-
времени; образец не нагревается или почти не
нагревается; на той же установке возмож-
возможно последующее травление.
Недостатки: предпочтительное снятие ма-
материала с краев; применение для гетеро-
гетерогенных сплавов затруднительно; малопри-
малопригодна для крупнозернистых материалов
(достижима глубина неровностей ~0,1 мкм).
Прибор — элиповист [142] (рис. 1.441).
Позв'оляет наблюдать за процессом поли-
полировки с помощью микроскопа.
Характеристикой процесса электролитиче-
электролитической полировки служит кривая зависимо-
зависимости плотности тока от напряжения (рис.
1.442).
В методе, сочетающем электролитиче-
167
скую и механическую полировку, объеди-
объединены их преимущества и недостатки.
Этот вид полировки успешно применяется
для приготовления образцов из благород-
благородных металлов, меди и ее сплавов, никеля,
Рнс. 1.441
1 — микроскоп отраженного света;
2 — объектив; 3 — катод; 4—катод-
4—катодное окно; 5 — образец; 6 — держа-
держатель образца; 7 — ванны с электро-
электролитом; 8 — насос, электродвига-
электродвигатель
1
I
Me
A
—m
'1
Г
Meo
.Me
U/
4
IF
гон"
+ ZH*
/©
-*-
ш
л
MeO+l
Me**+
(
нго у
Me**+2e/-
,'Ф
Ш
Hi/
1
,
+H2O+
Ш
'D
2e
Напряжение, В ¦
Рис 1.442
1 — идеальная кривая; 2 — реальная кривая при
яизком Собственном сопротивлении электролита;
3 — реальная кривая при высоком сопротивлении
электролита; /*— прямое анодное растворение;
// — косвенное анодное растворение; ///—область,
предпочтительная для полировки; IV — выделение
кислорода; V—образование поверхностной плен-
пленки; VI — травление; VII — полировка
тугоплавких металлов и сплавов, сплавов
железа, сплавов алюминия и магния, а так-
также для образцов с тонкими хрупкими по-
поверхностями и интерметаллических соеди-
соединений.
Очистка. Необходима после каждой сту-
ступени обработки, например для удаления
остатков шлифующих и полирующих мате-
материалов.
Методы очистки [67] — рис. 1.443. "
Травление. Для выявления структуры
применяют металлографическое травление.
Прн исследовании полированных поверхно-
поверхностей шлнфа с помощью микроскопа необ-
необходимо выявить элементы структуры (на-
(например, неметаллические включения и т.д.).
Это, как правило, производится путем трав-
травления шлифов.
Травление представляет избирательное
изменение различных составляющих струк-
структуры, происходящее большей частью бла-
благодаря химическим или электролитическим
реакциям между шлифом и травнтелём.
а. Электрохимические основы. Травление
происходит вследствие растворения метал-
металла (например, железа в разбавленной НС1):
Fe-»-Fe8+ + 2е— — частичная анодная
реакция;
2Н+ + 2е— -*-Н2 — частичная катодная
реакция.
При химическом травлении протекают
оба процесса, т. е. определенная часть об-
образца действует как анод, а другая как
катод.
При электролитическом травлении обрат-
обратный электрод помещают в сосуд с травите-
лем. Напряжение подается между обрат-
обратным электродом (катодом) и образцом
(анодом). Обе частичные реакции (см.
уравнения) протекают раздельно. Возник-
Возникновение потенциала при химическом трав-
травлении происходит вследствие окислительно-
восстановительной реакции, а при электро-
электрохимическом травлении — под влиянием на-
напряжения, задаваемого на ячейку.
При заданном потенциале скорость трав-
травления определяется соответствующей плот-
плотностью тока. Соотношения между потен-
потенциалом и плотностью тока приводятся в
виде диаграмм плотность тока — потенциал
[ПО]. Схематическая диаграмма плотность
тока — потенциал приведена на рис. 1.444,
аналогичная диаграмма для двухфазного
сплава — на рис. 1.445 и 1.446.
Кривая плотность тока—потенциал (мВ)
для a-Fe, карбида и у- и е-нитридов при-
Обдувка
Промывка
Ультразвуковая
очистка
Электролита¦
ческая очистка
Сушка
1 Протирка 1
Растворение
Э мульгирование
Рнс. 1.443
168
ведена на рис. 1.447 [67]. Fe3C и a-Fe об-
обработаны 10 н. NaOH.
В области потенциала Ei<.E<Ei трав-
травлению подвергается только е-нитрид. В об-
области потенциала Ег<Е<Е3 травятся
Е-нитрид и FegC (е-нитрид травится силь-
сильнее, поскольку при этом плотность тока
выше). В области потенциала ?>?з про-
происходит травление у'-нитрида и a-Fe.
Рис. 1.444
1 — измеряемая кривая зависимости плот-
плотность тока — потенциал; 2 — кривые тока
У//Ш
Фава2
Рис. 1.445
а топа
а
/
V/
/
Потенциал травления и
Рис. 1.446
103
а.
и
2,
_г»4
&*\у
4
>-о-<
- —
-•—
?
h
й
П
X I И
Т
-1200-1OODSOD-600^00-200 О 200 400600
Потенциал по отношению
к насыщенном!/ каломельному злектроду
Рис. 1.447
1 — «-железо; 2 — v-нитрид; З — Fe3C (экстра-
(экстраполированное значение); 4 — е-ннтрид с 1,18%
С и 7,95 % N
Информация о зависимости между плот-
плотностью тока и потенциалом позволяет по-
получить теоретические представления о ходе
процесса травления и производить целе-
целенаправленное травление определенных фаз.
При потенциостатическом травлении по-
потенциал поддерживается постоянным с по-
помощью потенциостата.
б. Виды процесса травления: травление в
растворах; травление с осаждением; мокрое
травление; сухое травление (газовое трав-
травление) ; микротравление; макротравление.
Критерии (соответственно): вид измене-
изменения поверхности шлифа; агрегатное состоя-
состояние травителя; применяемое увеличение
при наблюдении структуры.
в. Явления, наблюдаемые при травле-
травлении. Избирательное травление вызывает
следующие изменения поверхности шлифа:
образование рельефа; образование оксидных
нли других пленок различной толщины на
структурных составляющих; образование
ямок травления.
В табл. 54 описаны причины избиратель-
избирательного травления н связанные с ним явле-
явления [12].
ТАБЛИЦА 54
Причины избирательности
травления
Различие в ориентации
соседних зерен (кристал-
(кристаллитов); химическая не-
неоднородность в микро-
микроскопических областях,
различная концентра-
концентрация дефектов кристалли-
кристаллической структуры внутри
зерен и на границах зе-
зерен
Различная кристалло-
кристаллографическая ориентиров-
ориентировка поверхностей зерен,
расположенных в пло-
плоскости шлнфа; различ-
различный химический состав
или кристаллическая
структура различных
фаз в многофазных ма-
материалах
Физическая н химиче-
химическая неоднородности в
микроскопических или
субмикроскопическнх об-
областях
Химическая неоднород-
неоднородность в микроскопиче-
микроскопических или макроскопиче-
макроскопических областях
Явления травле-
травления
Травление гра-
границ зерен
Травление по-
поверхностей кри-
кристаллов; фигу-
фигуры травления
Травление дис-
дислокаций
Травление сег-
регатов
Рассмотрим более подробно различные
способы травления.
— Травление границ зерен. Различно
ориентированные поверхности кристаллов
характеризуются различными кривыми
плотность тока — потенциал. В результате
происходит образование локальных эле-
элементов и возникает взаимное влияние ско-
169
рости растворения в области границ зерен.
Кроме того, часто наблюдается обогащение
области границ зерен примесными атомами.
Это приводит к различным скоростям рас-
растворения поверхностей и границ зерен.
В результате виден рельеф поверхности
при наблюдении в светлом поле [рис. 1.448
— Фигуры травления. Представляют со-
собой изображения срезов между плоскостью
шлифа и определенными плоскостями кри-
кристалла. В случае металлов с кубической
структурой преимущественно выстраивают-
выстраиваются плоскости куба. Контур фигур травления
представляет собой линии среза плоскостей
Рис. 1.448
и 1.449 — схематическое изображение (раз-
(разрез, перпендикулярный плоскости шлифа)
и реальный пример травления границ зе-
зерен аустенитной стали].
— Травление поверхностей зерен. По-
Поверхности отдельных зерен представляют-
представляются светлыми различных оттенков из-за раз-
различия в их шероховатости. Разница по вы-
высоте пиков рельефа зерна связана с много-
многочисленными малыми деталями рисунка
Рнс. 1.449
травления кристалла (рис. 1.450 —рисунок
травления на поверхности зерна [67]; в
пределах одного зерна рисунок имеет оди-
одинаковый характер, но меняется от зерна к
зерну).
Рис. 1.451
{100} плоскостью шлифа (рис. 1.452, изоб-
изображающий схематически фигуры травле-
травления [67], и рис. 1.453, представляющий ре-
реальные фигуры травления в алюминии
[121]).
(гооу
art)
Рис. 1.452
Рнс. 1.450
t М I И
Форма фигур травления позволяет сде-
сделать заключение о кристаллографической
ориентации.
— Травление дислокаций. Точки выхода
группировок дислокаций на поверхность
шлифа характеризуются насыщенной тра-
Причина этого явления состоит в раз-
различной способности к растворению по раз-
разным кристаллографическим направлениям
в зависимости от их ориентировки по отно-
отношению к плоскости шлифа (рис. 1.451; мак-
макротравление слитка алюминия).
Другая возможность травления поверх-
поверхностей зерен связана с образованием на
ней оксидных пленок. Толщина этих пле-
пленок зависит от кристаллографической ори-
ориентации и химического состава кристаллита.
— Травление по границам зерен и травле:
ние поверхностей зерен. Зависит от вида
травителя, причем часто эти границы сти-
стираются.
'О;
о
Рис. 1.453
п
вимостью (рис. 1.454, ямки травления в по-
полупроводниковом соединении [121]).
170
Причина этого явления — разность потен-
потенциалов между непосредственным окруже-
окружением группировки дислокации и областью
с совершенной решеткой. Эта разность по-
потенциалов возникает за счет поля напря-
напряжений вокруг дислокаций и скопления
примесных атомов вокруг них (декорирова-
(декорирование дислокаций).
Рис. 1.454
— Травление сегрегатов. Сегрегаты (см.
1.8.1.3) можно сделать видимыми с по-
помощью специальных травителей, это пред-
представляется возможным также в случае,
когда после затвердевания протекали про-
процессы превращения или осуществлялась
деформация.
Дендритная ликвация в твердом раство-
растворе многокомпонентной цинковой бронзы
показана на рис. 1.455, а сегрегация Р и
S — в стальной заклепке на рис. 1.456.
Рис. 1.455
г. Способы и техника травления [67]:
Травление погружением. Обра-
Образец погружают в сосуд с травителем и при-
приводят в движение. Часто целесообразно ис-
использовать протирание ватным тампоном.
Рис. 1.456
Прерываемое травление, т. е. многократное
погружение, несмотря на одинаковое по
времени пребывание в растворе, дает часто
иной результат, чем однократное погруже-
погружение. Это объясняется тем, что при много-
многократном погружении кислород воздуха
вносит дополнительный вклад в процесс
травления. Травление погружением наибо-
наиболее часто применяемый способ.
Капельный метод травления.
С целью определения подходящего трави-
теля без повторной промежуточной поли-
полировки на горизонтальную поверхность шли-
шлифа наносят несколько изолированных ка-
капель различных травителей. Этот способ
применяется только при малом времени
травления и относительно больших поверх-
поверхностях шлифов.
Промывка травителем. Приме-
Применяется при очень больших поверхностях
шлифов. Для получения требуемой трави-
мости струя травителя падает сверху на
наклонную поверхность шлифа. В слу-
случае малых поверхностей шлифа этот способ
применяется, если в процессе травления на
поверхность шлифа высаживаются пузырь-
пузырьки газа.
Травление с протиркой. Приме-
Применяется при появлении нежелательного
осадка. Поверхность шлифа протирают
смоченным в травителе ватным тампоном.
В присутствии осадка существует опасность
царапин, поэтому в случае образования
осадка применяют травление с поперемен-
попеременным погружением. При этом используют
два отдельных раствора: собственно трави^
тель и раствор, обеспечивающий растворе-
растворение осадка.
Травление при полировке.
Этот способ травления не следует смеши-
смешивать с полировкой. Предварительно отпо-
отполированный образец окончательно полиру-
полируется тканью, смоченной медленно действу-
действующим полирующим средством или трави-
травителем. Последний добавляют к полирующе-
полирующему средству. При этом вероятность обра-
образования окисной вуали и нежелательных
осадков уменьшается. Этот метод травле-
травления применяется редко (например, при
травлении меди с включениями).
Анодное, или электролитиче-
электролитическое, травление. Как и при электро-
электролитической полировке, образец помещают
в электролит, и он служит анодом. Трав-
Травление происходит в области АВ кривой
плотность тока — потенциал (см. Электро-
Электролитическая полировка). Напряжение трав-
травления составляет от 1 до 6 В, а плотность
тока несколько ампер на 1 см2. Продолжи-
Продолжительность травления — от секунд до минут.
Электролит используется тот же, что и при
электролитической полировке. Прежде все-
всего травление производится сначала при
более высоком напряжении, а затем — при
меньших значениях напряжения. Травление
можно выполнять на обычных полироваль-
полировальных установках. Анодное травление гете-
гетерогенных сплавов и структур с неметалли-
неметаллическими включениями затруднено.
Ионное травление, травление
с помощью катодного распы-
распыления, катодное травление.
171
Проводится в газоразрядной трубке, где
образец, являющийся катодом, бомбарди-
бомбардируется ионами высокой энергии. При этом
происходит распыление материала, при ко-
котором проявляется структура. В качестве
-анода чаще всего используют алюминий.
Напряжение составляет 1—6 кВ, а продол-
продолжительность травления — от 2 до 30 мин.
В качестве газа-наполнителя служит Аг
или Ne. Этот способ позволяет получать
чистую от других химических примесей
поверхность. Метод имеет преимущество
яри исследовании оксидов металлов, порис-
пористых материалов, ядовитых и радиоактив-
радиоактивных веществ, плакированных металлов. Он
имеет также практическое применение для
сплавов Ag—Си, чугунов, Zn, Zr, U, спе-
спеченных оксидов U и Pt.
Травление при нагреве. Осно-
Основано иа образовании окисных пленок на
¦чистой металлической поверхности при на-
нагреве. Окисные пленки характеризуются
¦определенной плотностью, толщиной и цве-
цветами побежалости (интерференционные
цвета); зависят от химического состава, тем-
температуры, длительности нагрева и ориента-
ориентации кристалла.
Этот вид травления применяется для ста-
сталей, сплавов меди, марганцовистых бронз,
пористых литых сплавов.
Склонность к окислению раз-
различных фаз в сплавах железа
[67]. В порядке уменьшения склонности к
юкислению:
а) в нелегированных сталях — феррит,
цементит; б) в легированных сталях — фер-
феррит, цементит, карбиды, богатые Сг и W;
в) в аустенитных Сг—Ni сталях — аусте-
яит, феррит, о-фаза, карбиды; г) в чугу-
нах — феррит, цементит, стедит.
Рекомендуется предварительное легкое
химическое травление для выявления гра-
шиц отдельных кристаллитов или фаз.
При описанном виде травления образец
нагревают со стороны плоскости шлифа с
помощью нагревательной пластинки. После
.достижения требуемой температуры обра-
образец быстро охлаждается.
Следует иметь в виду, что данный спо-
способ применим только в том случае, когда
яагрев не вызывает изменений структуры.
Термическое травление. По-
Полированный образец нагревают в вакууме
или в защитной атмосфере при температу-
температуре, • равной 0,5 Т8, после чего осуществля-
осуществляют прямое наблюдение с помощью высоко-
высокотемпературного „ микроскопа без предвари-
предварительного травления образцов.
Причиной наблюдаемого выявления
структуры является избирательное перерас-
перераспределение атомов и их взаимодействие со
¦средой, обеспечивающие минимальную ве-
величину свободной энергии.
Горячее травление. Фиксация оп-
определенных структурных составляющих на
полированном шлифе при высокой темпе-
температуре с помощью газообразного или жид-
жидкого травителя. Применяется для выявле-
выявления фаз, устойчивых только при высокой
¦температуре и ие сохраняющихся даже
при резком переохлаждении до комнатной
температуры.
а 72
Двойное травление. Две последо-
последовательные операции травления, из которых
одна служит для выявления структуры в
целом, а другая — только определенной
структурной составляющей. "
Многократное травление. Слу-
Служит для идентификации отдельных струк-
структурных составляющих в сложных структу-
структурах. Маркированную область шлифа мно-
многократно обрабатывают специальными тра-
вителями, причем между отдельными
операциями травления образцы слегка по-
полируют.
Идентификационное травле-
травление. Для идентификации содержащихся
в структуре определенных фаз применяют
специальные травильные растворы, при-
причем все другие фазы не травятся. Этот вид
травления важен также в том случае, ког-
когда содержание определенной фазы по мас-
массе должно определяться с помощью авто-
автоматических устройств. Эту операцию трав-
травления удобно проводить с использованием
потенциостатических методов.
Глубокое травление. Представля-
Представляет собой метод макротравления; применя-
применяется преимущественно для выявления де-
дефектов стали (закаты, трещины, раковины).
Травитель: разбавленная серная или соля-
соляная кислоты. Продолжительность травле-
травления— до 24 ч. Оценка результатов за-
затруднительна.
Метод отпечатков. Позволяет по-
получить картину распределения элементов в
образце в натуральную величину (рис.
1.457, отпечаток по Бауману, сегрегация се-
серы в темплете стали [121]).
щ
¦II,
Рис. 1.4S7
Приготовление отпечатка серы по Бау-
Бауману: фотобумагу погружают примерно на
2 мин в 5 %-ную H2SO4. Избыточную кис-
кислоту удаляют с бумаги и к ее фоточувст-
фоточувствительной стороне в течение 2—4 мин под
давлением прикладывают отшлифованный
и обезжиренный образец. Серная кислота
реагирует с имеющейся в образце серой.
Образующийся H2S действует на AgBr фо-
фотобумаги с образованием Ag2S, вызываю-
вызывающего коричневую окраску бумаги:
FeS + H2SO4->-H2S + FeSO4;
Н^ + 2AgBr-+Ag,jS + 2HBr.
Таким образом фотографический процесс
доводится до конца. Метод отпечатков при-
Рис. L.4S8
меняют также для получения картины рас-
распределения фосфора, оксидов и свинца.
Современная техника оценки распределе-
распределения элементов использует радиографиче-
радиографический метод отпечатков. При этом радиоак-
радиоактивные изотопы либо вносят в образец,
либо в нем активируют присутствующие
элементы. Регистрация излучения с целью
определения распределения радиоактивного
элемента осуществляется с помощью спе-
специальных фотоэмульсий (ядерные эмуль-
эмульсии).
д. Различные травители (подробно опи-
описаны в [14]). Их используют для травле-
травления микрошлифов железа, стали, чугуна;
меди и ее сплавов; цинка и его сплавов;
свинца и его сплавов; алюминия и его
сплавов, а также таких металлов, как Sb,
Be, Аи, Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, Та, W, Sn.
1.11.5.3. Исследование структуры
с помощью оптических методов
Основные понятия оптики, элементы кон-
конструкций и оснастка аппаратуры.
а. Перечень приборов, используемых в
оптической микроскопии и их основные ха-
характеристики приведены на рис. 1.458 [76].
б. Оптическая микроскопия , подразделя-
подразделяется на микроскопию в проходящем све-
свете — получение изображения с помощью
света, проходящего через объект (необхо-
(необходим тонкий шлиф), и микроскопию в отра-
отраженном свете — получение изображения
при отражении света от объекта (необхо-
(необходим аншлиф).
Основные элементы оптического микро-
микроскопа «Эпигност»: окуляр — система лииз,
обращенная к глазам; объектив — система
линз, обращенная к объекту; штатив — по
сути своей корпус микроскопа без оптиче-
ческой системы; конденсор — система линз
в микроскопе, используемая для освещения
рассматриваемого или проецируемого пред-
предмета; конструкция конденсора тем сложнее,
чем больше его апертура; тубус — предназ-
предназначен для осуществления механической свя-
связи объектива и окуляра; в своей средней
части тубус соединен со штативом; в верх-
верхней части тубуса расположен окуляр; в
нижней части — объектив; зеркало служит
для поворота освещающего пучка лучей и
перевода его в пучок, дающий изображение;
диафрагмы — все виды калиброванных от-
отверстий, обеспечивающие регламентирован-
регламентированный выход пучков лучей.
5
2
РисШО
Рис. 1.459—1.461. Схема хода лучей в микро-
микроскопе без тубуса A.459), с тубусом A.460), с
тубусом и системой для микрофотографии
(рис. 1.461):
I — окуляр; 2 — объектив; 3 — проекционное
устройство (проектив); 4 — фотоокуляр; 5 —
система тубуса
173
Кроме того, имеются: предметный столик,
ручка поворота столика; осветительное уст-
устройство.
Схема хода лучей в микроскопе дана на
рис. 1.459—1.461. Объект у расположен в
фокальной плоскости объектива; последний
дает первичное промежуточное изображение
у' в бесконечности. Тубусиая система на-
находится в фокальной плоскости объектива
и преобразует у' в • другое промежуточное
изображение у", которое лежит в фокаль-
фокальной плоскости тубусной системы. Плос-
Плоскость изображения тубусной системы сов-
совпадает с фокальной плоскостью окуляра,
так что окуляр дает увеличенную картину
у" в бесконечности. Окончательное изобра-
изображение фиксируется на сетчатке глаза.
В этом случае возможно только субъектив-
субъективное наблюдение.
Для получения фотоснимков и проекции
на матовое стекло окончательное изображе-
изображение должно быть на определенном расстоя-
расстоянии от системы линз. Для зтого- окуляр
сдвигают таким образом, чтобы промежу-
промежуточное изображение находилось между
одинарным и двойным фокусными расстоя-
расстояниями окуляра. Окончательное изображе-
изображение у'" получается за двойным фокусным
расстоянием окуляра. В этом случае ис-
используют фотоокуляр или проекционный
объектив (проектив), причем фокусное рас-
ность равномерного освещения объекта, а
также возможность изменения апертуры
освещения путем изменения степени откры-
открытия диафрагмы. Поле освещения диаф-
диафрагмы LB с помощью Ь1г и объектива Об
передается на объекты (плоскость шлифа).
Таким образом, изменяя диафрагму, можно
согласовать величину освещенного поля
объекта и видимой в микроскопе части объ-
объекта, а рассеяние и блики подавить.
Некоторые обозначения: М — масштаб
изображения; представляет отношение ве-
величины изображения у' к величине объек-
объекта у; М=у'1у задается, например, М= 100:1;
V — увеличение.
Мнимый размер объекта является функ-
функцией угла поля зрения, под которым на-
наблюдается объект (рис. 1.463 [43]):
где <р — угол поля зрения; g — расстояние
до объекта; у — величина объекта; г\ — ве-
величина изображения, получаемого на сет-
сетчатке.
Мнимая величина может быть представ-
представлена только в угловых единицах.
С оптико-геометрической точки зрения
назначение микроскопа состоит в увеличе-
увеличении угла зрения:
V=tgiJ)/tgp.
КО
Рис. 1.462
/ — тубус; 2 — объектив
стояние для окуляра составляет бесконеч-
бесконечность.
Для проектива фокусное расстояние —
величина конечная. Принцип освещения по
Кёлеру (дуговой лампой, рис. 1.462 [112])
должен удовлетворять следующим требо-
требованиям: обеспечивать равномерное и доста-
достаточно сильное освещение объекта; отсутст-
отсутствие рассеяния света и отражений; обеспе-
обеспечивать оптимальное согласование направле-
направления падающего излучения освещенной
цифровой апертуры с управлением и пучка
лучей с объективом и окуляром.
Согласно схеме на рис. 1.462 собиратель-
собирательная линза КО отображает источник све-
света L на апертурной диафрагме. Линзы Li,
и Ы2 после отражения дают изображение
апертуриого отверстия в фокусной плоско-
плоскости объектива F^ на стеклянной пластине
Р1. Благодаря этому реализуется возмож-
Умикроскопа представляет собой отношение
угла поля зрения ф при наличии микроско-
микроскопа к углу поля зрения р без микроскопа
или отношение двух угловых величин (угол
зрения или мнимые размеры объекта):
Мнимый размер объекта при наблюде-
наблюдении с помощью микроскопа
V —¦
Мнимый размер объекта при наблюде-
наблюдении 1еЕссружекньщ глазом
Рис. 1.463
174
V—отношение линейных размеров пред-
предмета, полученных на сетчатке с примене-
применением микроскопа и без него. Это так назы-
называемое субъективное увеличение:
У г)' tgtf Y' g
^~~ tgp = gY ~
При визуальном наблюдении увеличива-
увеличивающее действие микроскопа однозначно оп-
определяется увеличением V. При проециро-
проецировании на матовое стекло или микрофото-
микрофотографировании размер изображения по от-
отношению к размеру объекта определяется
масштабом изображения М.
Vb — наблюдаемое увеличение. Мнимый
размер изображения на матовой пластине
также зависит от угла поля зрения и рас-
расстояния от наблюдаемого предмета. От-
Отсюда можно определить наблюдаемое уве-
увеличение:
V =Л
в W
250
W
Здесь Ор — угол поля зрения при любом
удалении предмета; @р)о— угол поля зре-
зрения при наблюдении на стандартном рас-
расстоянии В?о=25О мм. W — расстояние от
точки наблюдения.
tg (cp )„ =
= У/250.
Ve — окончательное увеличение; харак-
характеризует изображение, которое наблюда-
наблюдатель видит на матовом стекле микроскопа:
YIWn или
V =-
VeM — с учетом масштаба, когда изо-
изображение на матовом стекле наблюдается
при стандартном расстоянии 250 мм.
Уравнения для расчета V и М
Увеличение при субъективном наблюде-
наблюдении:
/ — фокусное расстояние реальной систе-
системы линз.
250 fiub 250
fob 250 foh '
v = vobvtubvok,
где Vob — увеличение объектива (выграви-
(выгравировано на оправе объектива, например,
ЮХ); Vt-иь — тубусный коэффициент (вы-
(выгравирован на верхней части тубуса, на-
например 2Х; будет равен 1, если фокусное
расстояние тубусиой системы 250 мм);
Уоь — увеличение окуляра (выгравировано
на оправке окуляра).
Масштаб изображения при применении
проектива (при получении проекции на
матовое стекло) и неизменном расстоянии
между плоскостью изображения и проек-
тивом (длина камеры):
Л1Роьз—масштаб изображения проекци-
проекционного проектива (выгравирован на опра-
оправе).
Масштаб изображения при применении
проектива и камеры переменной длины:
M=*VobVtubVohKf250=V(K/250), где К —
оптическая длина камеры (может изменять-
изменяться при растяжении гармошки).
Максимальное увеличение, которое мож-
можно получить в видимом свете, составляет
около 2000.
Длины волны видимого света лежат в
пределах от 790 до 390 нм и составляют
для различных цветов:
3
«С
О
r? t* а: у м
p, o. » 5 о |
W О R m u, e
790—630 .. .580 .. .560 .. .480 .. .420 .. .390
Цифровая апертура равна .A=nsin0,
где п — коэффициент преломления среды
между предметом и передней лиизой обь-
ектива; 0 — половина угла раствора свето-
светового пучка, попадающего в объектив.
Разрешающая способность микроскопа:
d — К/ А = К/п sin a,
она характеризуется наименьшим рассто-
расстоянием d, иа котором еще можно различать
два предмета на изображении. Чем мень-
меньше d, тем больше разрешающая способ-
способность. Последняя увеличивается с умень-
уменьшением длины волны, поскольку d пропор-
пропорционально длине волны. Уменьшить длину
волны можно путем применения фильтров.
Увеличить апертуру можно путем исполь-
использования иммерсионной системы (вместо
сухой).
Сухая система представляет среду меж-
между передней лиизой объектива и предметом
И ЯВЛЯеТСЯ ВОЗДУХОМ; Лтах^О.Эб.
Иммерсионная система представляет сре-
среду между передней лиизой объектива и
окуляром в виде иммерсионной жидкости
(например, кедровое масло с п=1,51);
Amax=«l,60.
^опт.микроскопа составляет около 0,25 мкм
при d = I/A = 400 нм/1,6 = 250 им.
— Закон Аббе. Границы остроты зрения
человеческого глаза лежат в пределах 2—
4'. Под таким углом зрения следует рас-
рассматривать наименьшие детали объекта,
чтобы их можно было видеть раздельно.
При этом, согласно Аббе, находят так на-
называемое полезное увеличение, которое в
500—1000 раз больше цифровой апертуры.
Для Я-=0,55 мкм V=264,5Ae, где е —
угол поля зрения.в радианах.
Возможны: слабое увеличение, когда
увеличение объектива используется не пол-
полностью; сильное увеличение, иногда назы-
называемое холостым; сверхсильное увеличе-
увеличение, при котором дополнительные детали
объекта видиы ие будут. Однако такое
увеличение применяется для облегчения
175
измерения [112]. Глубина резкости Az=
=Л/Л2.
— Дефекты изображения, вносимые лин-
линзами. В практике получения изображения
используются различные углы раствора
пучков лучей, а следовательно, их различ-
различный иаклои к оптической оси.. При прохож-
прохождении света через линзу ие происходит
объединения лучей в одну-точку на плос-
плоскости изображения, перпендикулярной к
оптической оси. Поэтому вместо точки по-
получаются так называемые фигуры рассея-
рассеяния, что приводит к различным дефектам
изображений.
Монохроматическая аберра-
аберрация зависит от длины волны %. К ней от-
относится сферическая аберрация. Лучи, па-
параллельные оси собирательной линзы, пос-
после прохождения через нее будут иметь гем
меньшее фокусное расстояние, чем дальше
они были удалены от оптической оси.
Кривизна растра. Точки изобра-
изображения плоского объекта попадают на ис-
искривленную плоскость, характеризующегося
симметрией вращения относительно опти-
оптической оси. Вследствие этого при наводке
на резкость середины изображения нерез-
нерезкость в направлении к краю изображения
увеличивается.
Дисторсия. Искажение изображения
в результате изменения масштабов изо-
изображения в различных его областях. В се-
середине изображения нарушение равно ну-
нулю, а в направлении к краям изображения
увеличивается.
Хроматическая аберрация за-
зависит от длины волиы и уменьшается с уве-
увеличением К. Искажения проявляются в. ви-
виде так называемых различий в хроматиче-
хроматическом увеличении при применении полихро-
полихроматического света.
— Объективы микроскопа. Отличитель-
Отличительные признаки выгравированы на оправе
объектива.. Важнейшей характеристикой
объектива является степень его коррекции.
Известны следующие виды объективов:
Ахроматы. Наилучшая коррекция мо-
монохроматических и хроматических дефек-
дефектов изображения соответствующей зелено-
желтой области видимого света. Поэтому
нужно применять с соответствующими
фильтрами.
В случае сильных ахроматов нет разли-
различия в хроматическом увеличении; поэтому
применяют с окулярами без компенсации.
Сферическая аберрация ие устраняется.
Апохроматы. Коррекция монохро-
монохроматических и хроматических дефектов изо-
изображения для всего диапазона видимого
света. Более совершенное устранение де-
дефектов. Однако остается хроматическое
различие в увеличениях. Поэтому приме-
применяют вместе с компенсирующим окуляром.
Благодаря лучшей коррекции при равном
увеличении их изготовляют с большей кор-
корректурой, чем ахроматы. Сферическая
аберрация ие устраняется.
Планобъективы (планхроматы,
планапохроматы). В планобъективах сфери-
сферическая аберрация устранена.. Планхроматы
характеризуются хроматическим различием
в увеличениях. Поэтому их применяют в
паре с компенсирующими окулярами (РК-
окуляры). Пяаиапохроматы также приме-
применяются с компенсирующими окулярами.
Объективы высшего качества. Из всех объ-
объективов наиболее подходят для цветной
микрофотографии.
Объективы для специального
применения [47]:
а) с сегментом для универсального по-
поворотного столика;
б) с большим рабочим промежутком. Ис-
Используется, например, как зеркальный объ-
объектив;
в) для ультрафиолетового или инфра-
инфракрасного света;
г) для фотографии с увеличением и об-
¦ зора широкого поля;
д) для поляризации, фазового контраста,
темного поля.
Окуляры и проективы (проек-
(проекционные объективы). Необходимые
данные выгравированы на оправе окуляра
(например, степень коррекции, увеличение).
Окуляры с различной степенью коррек-
коррекции, выпускаемые «VEB Carl Zeiss», йена
[47]: А-окуляры — окуляры общего типа
без хроматического различия в увеличении;
АК-окуляры — окуляры общего типа с ком-
компенсирующим действием, которые служат
для компенсации хроматической аберрации
объектива; РК-окуляры — планокуляры с
компенсационным действием, особенно под-
подходят для планобъективов, которые харак-
характеризуются хроматической аберрацией.
Проективы (проекционные о б-
е к т и в ы). Применяются для микрофото-
микрофотографии и микропроекции, например на ма-
матовую пластину. Скорректированы для оп-
определенного расстояния между предметом
и изображением.
— Источник света [47], табл. 55.
ТАБЛИЦА 55
Вид
Низковольт-
Низковольтные лампы со-
сопротивления
с постоянным
или перемен-
переменным напряже-
напряжением 6, 8 или
12 В ....
Улучшенная
форма (гало-
(галогенные лампы)
Угольные ду-
гов"ые лампы;
разрядные
лампы; ксено-
новые лампы
высокого дав-
давления ....
Ртутные лам-
лампы высокого
давления....
Яркость,
кд-см~~г
1000—3000
10000—40000
20000—10000
Длительность
службы, ч
50—100
100—200
100—500
ГГ-150
176
— Светофильтры. Представляют собой
оптические приспособления, ослабляющие
излучение во всех диапзонах длин волн
(серый фильтр) или излучение в опреде-
определенном диапазоне длин волн (селективный
фильтр) [47].
Виды светофильтров [47]:
A. Контрастные фильтры. Слу-
Служат для увеличения или уменьшения отно-
относительного различия в интенсивности отра-
отражения от различно окрашенных частей объ-
объекта. Для целесообразного выбора свето-
светофильтра необходимо, чтобы объект,
окраска которого совпадает с областью
спектра, пропускаемой фильтром, казался
светлым, а в случае дополнительных цве-
цветов — темным.
Б. Компенсационные фильтры.
Служат для приведения в соответствие
цветовой температуры источника света и
требуемой для специальных методов ис-
исследования цветовой температуры, напри-
например подгонка дневного света к искусствен-
искусственному свету или наоборот. Снижение плот-
плотности отраженного от объекта светового
потока с помощью нейтрального фильтра,
который обладает в видимой части спект-
спектра по возможности одинаковой поглощаю-
поглощающей способностью для всех длин волн.
B. Селективные фильтры. Слу-
Служат для выделения необходимой части
спектра из непрерывного спектра источника
света; например, так называемый тепловой
защитный фильтр, который поглощает ин-
инфракрасное излучение.
Способы освещения в отражательном
микроскопе и их применение.
а. Светлопольное освещение. Изображе-
Изображение получается в результате зеркального от-
отражения части света (рис. 1.464 [43] —
У///////////////'/-
б 6
Рис. 1.464. Виды отражения света:
а — диффузное; б — зеркальное; в — смешан-
смешанное
виды отражения). Способы применения
светопольиого освещения приведены на
рис. 1.465. Наблюдения структуры в свет-
светлом поле нашли широкое применение в ме-
металлографии.
а
i 6
Рис. 1.465
/ _ образец; 2 — предметный столик; 3 — стек-
стеклянная пластинка; 4 — объектив; 5 — призма
12—140
б. Темнопольное * освещение. Изображе-
Изображение получается вследствие диффузного от-
отражения света (см. рис. 1.466, 1.467
[112]) — способы получения темиопольного
освещения.
Рис. 1.466—1.467
1 — образец; 2 — предметный столик; 3 —
объектив; 4 — зеркало; 5—конденсор с во-
вогнутым зеркалом; 6 — кольцевое зеркало
Темиопольное освещение используется при
наблюдении небольших областей, дающих
диффузное отражение (трещины, ямки,
поры, включения); в светлом поле при
этом получаются феолы. Наблюдается уве-
увеличение контраста в случае, когда после
полировки возник рельеф и в светлом поле
особенности структуры плохо различимы.
Использование темнопольного освещения
является чувствительным способом обна-
обнаружения мельчайших царапин иа шлифе,
а также получения видимой структуры с
помощью высокотемпературного микроско-
микроскопа. Оно применяется также при наблюде-
наблюдении частиц порошка.
в. Сопоставление светло- и темнопольно-
темнопольного освещения. При светлопольиом освеще-
освещении на поверхности зерен попадает
зеркально отражаемая часть света, создаю-
создающая изображение. Поверхности зерен пред-
представляются светлыми, а отражение от гра-
границ зерен является диффузным. При этом
интенсивность отражеииого света невелика,
границы зереи представляются темными
(рис. 1.468).
i
j
Z
-—-—"
¦
Рис.1. Ш
Рис.1ЛВ9
Рис. 1.468
I _ объектив; 2 — плоскость шлифа; 3 — граница
зерна
Рис. 1.469
1 — объектив; 2 — плоскость шлифа; 3 — граница
зериа
177
При темнопольном освещении свет зер-
зеркального отражения от поверхностей зерен
ие позволяет получить изображение. По-
Поверхности зерен темные, на границах зе-
зерен — диффузное отражение. Только диф-
фузноотраженные компоненты светового
излучения позволяют • получить изображе-
изображение. При этом границы зерен светлые
(рис. 1.469).
г. Метод фазового контраста. Использу-
Используется явление сдвига фаз отраженных све-
световых волн определенными элементами
структуры (например, выделившиеся фа-
фазы), которые отличаются этим от окружаю-
окружающей матрицы.
С помощью специального дополнитель-
дополнительного устройства (фазовоконтрастного) это
различие между фазами фиксируется от-
отражениями от выделений и матрицы, а раз-
различие в амплитудах глаз воспринимает как
различие в освещенности.
Таким образом, этот метод допускает во
многих случаях наблюдение структуры с
помощью оптических приборов без предва-
предварительного травления образца. Фазовокон-
трастные устройства входят в комплект
некоторых типов микроскопов (Неофот,
Вертиваль).
Они эффективнее при различии в высоте
о
от 10 до 50 А, когда изображение можно
сделать контрастным, и используются при
определении карбидов в углеродистых ста-
сталях, а также 0-фазы в ферритных хромис-
хромистых сталях и аустените. С помощью это-
этого способа можно также сделать видимы-
видимыми двойники и проводить структурные ис-
исследования гальванически осажденных пле-
пленок и твердых сплавов (рис. 1.470 н 1.471
зываемому методу полос равной толщины.
Все отклонения от идеально плоской по-
поверхности будут видны в виде искривлений
интерференционных полос. Измеряя вели-
величину отклонений полос, можно рассчитать
глубину шероховатостей. Наименьшие не-
Рис. 1.471
ровности, которые при этом можно опре-
определить, составляют ~0,03 мкм (рис 1.472
[121]).
Отклонения в ходе интерференционных
полос на границах зерен или границах пе-
перехода феррита в перлит позволяют хоро-
хорошо различить рельеф шлифа.
Рис. 1.472
Рис. 1.470
[44] — алюминиевая многокомпонентная
бронза в светлом поле и при использова-
использовании фазовоконтрастного способа соответст-
соответственно; Х80).
д. Интерференционная микроскопия. Про-
Происходит не зависящее от объекта расщеп-
расщепление хода лучей и затем его объединение.
После объединения лучей происходит ин-
интерференция обоих ранее разделенных лу-
лучей. В зависимости от разности хода мож-
можно решить две различные задачи.
Измерение разности хода, вызванной объ-
объектом, используют, например, для измере-
измерения глубины шероховатости по так на-
Контрастирование объекта. Области
применения: идентификация карбидов в
быстрорежущих сталях; исследование • ту-
тугоплавких металлов и интерметаллических
соединений; исследование твердых спла-
сплавов; повышение коистрастности отпечатков
микротвердости, обнаружение линий сколь-
скольжения и двойников на поверхности дефор-
деформированных материалов; повышение конт-
контрастности границ зерен, которые очень сла-
слабо видны после травления (см. рис. 1.473
[12]). ' _ .
— Поляризационная микроскопия. Лииеи-
нополяризованиый свет при отражении от
оптически анизотропных объектов разлага-
разлагается на естественные и поляризованные лу-
лучи, лежащие во взаимно перпендикулярных
плоскостях. При отражении от непрозрач-
непрозрачных кристаллов вследствие различия в от-
отражении и преломлении этих лучей возни-
возникает разность фаз. Поставленный иа пути
хода лучей анализатор переводит упомя-
упомянутые лучи в одну плоскость колебаний и
цуг-волиы может интерферировать.
17S
Вследствие этого при применении белого
света получается характерная, зависящая
от ориентировки окраска кристалла, а смо-
смотря по обстоятельствам при повороте ана-
анализатора на 90°, происходит изменение цве-
цветов на дополнительные.
Рис. 1.473. Двойники и линии скольжения на
поверхности деформированного образца маг-
магния ^jj
ответственно, а в поляризованном свете —
на рис. 1.475 и 1.477. Увеличение Х20 для
фосфида Zn—Si и Х200 для титана.
Поляризационная микроскопия применя-
применяется также для наблюдения доменной
структуры [67] и определения металлогра-
металлографической ориентировки (рис. 1.478 и 1.479
[115]).
Этот эффект, связанный с анизотропией,
применяют при исследований структуры
анизотропных объектов. Оптически анизо-
анизотропны все металлы с некубической решет-
решеткой, неметаллические соединения и т. д.
Упомянутое явление тем сильнее выраже-
выражено, чем сильнее анизотропия. Слабый эф-
эффект анизотропии может быть усилен со-
соответствующим режимом травления (по-
(получение анизотропных осадков на поверх-
поверхности образца).
В случае изотропных кристаллов эффект
поляризационного окрашивания можно по-
получить с помощью анизотропных тонких
пленок (например, травление латуни в
сульфате натрия; анодное окисление алю-
алюминия). Известны также другие сферы
применения поляризационной микроскопии:
среди них идентификация оптически ани-
анизотропных неметаллических включений на
основе их окраски или использование ха-
характеристических эффектов анизотропии
[67].
Микрофотографии шлифов фосфида
Zn — Si и титана при светлопольном осве-
освещении приведены на рис. 1.474 и 1.476 со-
Рис. 1.476
Рис. 1.477
Рис. L.474
Рис. 1.475
Наряду с эффектом анизотропии в кри-
кристаллах со слабым отражением и поглоще-
поглощением, в которых свет проникает на извест-
известную глубину, может применяться так на-
называемое внутреннее отражение. При этом
отражение происходит на трещинах или
включениях внутри материала.
е. Флуоресцентная микроскопия. Под
флуоресценцией понимают явление, заклю-
заключающееся в том, что определенные веще-
вещества начинают светиться под действием
возбуждающего облучения (длина волны
собственного излучения больше, чем дли-
длина волны возбуждающего излучения).
Это явление используется в специальных
люминесцентных микроскопах, преимуще-
преимущественно в области применения просвечива-
просвечивающей микроскопии, а также для иденти-
идентификации определенных неметаллических
включений.
ж. Высокотемпературная микроскопия.
Служит для прямого наблюдения за изме-
изменениями структуры при повышенных темпе-
температурах, при нагреве н охлаждении. При-
Применяется для излучения процессов превра-
превращения, выделения, роста зерен, для опре-
определения температуры затвердевания и т. д.
Исследования должны проводиться в ва-
вакууме или очень чистой защитной атмо-
атмосфере, чтобы избежать окисления металла.
Эксперименты требуют относительно высо-
высоких затрат. При этом используются высо-
высокотемпературные микроскопы или допол-
дополнительно приставки [например, см. рис
1.480 [116], специальная вакуумная каме-
камера нагрева к отражательному микроскопу
(MeF)]. Применение этого метода ограни-
ограничено из-за того, что условия на поверхно-
поверхности образца часто не характеризуют про-
процессы, протекающие в его объеме. Это обу-
обусловлено предпочтительным протеканием
поверхностной диффузии, избирательным
179
Рис. 1.478. Микроструктура магния (растяжение 2,2 %).Х100
1
L
•
Рис. 1.479. Микроструктура того же образца при повороте на 901
испарением легирующих элементов и т. д.
Фотографирование структуры и микрофо-
микрофотография. Для изготовления фотоснимков
структуры применяют микроскопы больших
размеров с пластиночным фотоаппаратом,
а также такие небольшие устройства, как
Вертиваль [142], представляющий собой
обычный отражательный микроскоп, в ко-
Рис. 1.480. Вакуумная камера иагрева для отра-
отражательного микроскопа:
/ — нижняя часть корпуса; 2 — верхняя часть кор-
корпуса; 3 — образец; 4 — окно для наблюдений
(кварц); 5 — кольцо из кварцевого стекла; 6 —
нагревающий элемент (W, Мо, Та); 7 — штуцер
для откачкн; 8 — трубка для измерения вакуума
или смотровое окно; 9 — выводы для тока; 10 —
токоподводы; // — вакуумный клапан; 12 — под-
подвод охлаждающей воды
.180
тором предметный столик располагается
ниже объектива, а образец лежит на пред-
предметном столике шлифованной поверхностью
вверх, или Эпитип [142] — обратный отра-
отражательный микроскоп, в котором предмет-
предметный столик находится над объективом.
При этом поверхность шлифа располага-
располагается на этом столике. Преимущество этих
микроскопов — наличие во всех случаях
плоской опоры для образца. Для прове-
проведения экспертизы поверхностей излома сле-
следует применять стереомикроскопы (напри-
(например, Техниваль [142]).
Используемые масштабы изображения
[14]: 1:1; 2:1; 5:1; 10:1; 20:1; 50:1;
10 : 1; 200 : 1; 500 : 1; 1000 : 1; 1500 : 1.
Размеры снимков [14]—полезная пло-
площадь изображения, мм, при форматах: ма-
малом 41X57; основном 57X81; большом
«1ХП4; сверх формате 1 114X162 и сверх
•формате 2 162X224.
1.11.5.4. Определение свойств
и идентификация
отдельных структурных
составляющих
Для этого используются различные при-
приборы, например зонды (остросфокусиро-
.ванные световые или электронные лучи,
механические зонды), характеризующиеся
малой эффективной поверхностью, сравни-
сравнимой с размерами измеряемых структурных
¦составляющих.
Микротвердость (см. 1.11.2.21).
Микрофотометрия (измерение микроот-
микроотражения). Измеряется отражающая спо-
способность отдельных структурных составля-
составляющих. При этом с помощью измерительной
диафрагмы отбирают излучение очень ма-
малой области поверхности образца, в кото-
которой располагается только одна представ-
представляющая интерес составляющая структуры.
Интенсивность отраженного излучения
измеряется с помощью фотоэлектронного
умножителя (рис. 1.481 [121], схематичес-
схематическое изображение).
Микрофотометрия применяется для иден-
идентификации неметаллических включений и
других фаз, для определения состава твер-
твердых растворов, а также для обнаружения
изменений в их составе. Для использова-
использования мнкрофотометрин необходимо иметь
эталонные препараты. Результаты измере-
измерений зависят от состояния поверхности об-
1
- 1
• z
ш
-/
Рис. 1.482
/ — образец; 2 — вольфрамовая игла;
3 — нагреватель
Рис. 1.481
./ — образец; 2 — система линз микроскопа;
.3 — фотоумножитель (ФЭУ); 4 — усили-
усилитель; 5 — измерительное устройство
разца. На основе поляризационного микро-
микроскопа получили применение фотометры с
микроскопом для наблюдения в отражен-
отраженном свете. Используются также растровые
микроскопы с фотометром.
Микрозонды (см. 1.11.4.6).
Измерения микро т. з. д. с. Идентифика-
Идентификация отдельных структурных составляющих
возможна с помощью измерения т. э. д. с.
(см. 1.11.3.3)—рис. 1.482 [121].
До настоящего времени применяются
только в особых случаях.
1.11.5.5. Количественная
металлография
( стереометаллография )
Количественная металлография имеет
целью характеризовать количественно
трехмерную структуру на основе измере-
измерений, производимых на изображениях эле-
элементов структуры [66]. При этом-должны
быть получены данные о числе, количестве,
протяженности, форме и расположении
структурных составляющих, а также о дру-
других параметрах, с помощью которых могут
быть описаны структурные превращения и
установлена связь структуры и свойств ма-
материалов.
Роль различных параметров структуры
Объемная доля фаз. Ее необхо-
необходимо знать при построении диаграмм со-
состояния, исследованиях фазовых превра-
превращений в твердом состоянии (получение
термокинетических диаграмм)—см. 1.9.6.1,
процессов рекристализации (см. 1.10), диф-
диффузии и спекания. С помощью этого пара-
параметра можно оценивать прочность и вяз-
вязкость сплавов.
181
Размер зерна однофазного
материала. Влияет на предел текуче-
текучести (зависимость Холла — Петча — см.
1.11.1), твердость, прочность при растяже-
растяжении, сопротивление ползучести и критиче-
критическую температуру хрупкости металличес-
металлических материалов. С ним также связывают
магнитные, диэлектрические, пьезоэлектри-
пьезоэлектрические свойства (см. 1.11) спеченных ок-
оксидных материалов и магнитную прони-
проницаемость магнитных материалов.
Средний размер частиц вто-
второй фазы и расстояние между
ними. Определяет степень взаимодейст-
взаимодействия движущихся дислокаций с частицами
(барьерный эффект), степень деформацион-
деформационного упрочнения. С размером частиц также
связаны предел текучести и твердость, фи-
физические свойства (см. 1.11).
Удельная величина протяжен-
протяженности поверхностей раздела.
Имеет значение для оценки потенциальных
мест зарождения фаз, препятствий для
движения дислокаций и границ магнитных
доменов. С этой величиной связывают
прочность, коэрцитивную силу, внутреннее
трение, сопротивление ползучести и корро-
коррозионную стойкость. Она определяет усло-
условия протекания процессов спекания, роста
зерен и частиц.
Распределение размеров зе-
зерен, частиц выделений и т. д.
Влияет на механические и физические свой-
свойства и используется для изучения кинети-
кинетики процессов роста и растворения выделе-
выделений, спекания и др., применяется как ха-
характеристика неметаллических включений в
сталях.
Основные методы исследования
при количественном металлографическом
анализе
а. Сравнение с эталонами. Исследуемую
структуру сравнивают со схематическими
изображениями структур, последователь-
последовательные изменения которых связаны с измене-
изменением некоторого параметра, например раз-
размера зерна, и характеризуются определен-
определенными числами — баллами. Реальной струк-
структуре приписывается такой балл, который
имеет схематическая структура из стан-
стандартного ряда, соответствующая реальной.
Между ¦ размером зерна KG и баллом
KN в стандарте TGL 12827 принята сле-
следующая зависимость между площадями се-
сечений зерна (в квадратных микрометрах):
KG=500 -2<8-к*>.
Для определения размеров зерен при-
применяется также американский эталонный
ряд ASTM. В этом случае между баллом
N и числом Z сечений зерен на одном квад-
квадратном дюйме увеличенного в 100 раз изо-
изображения принято соотношение Z—2N~l.
Возможны и другие эталонные ряды стан-
стандартных структур, предназначенных для
производственного контроля.
Преимущества: быстрые, эффективные
способы оценки структуры, удобные для
изготовителя и потребителя.
Недостатки: оценка является субъектив-
субъективной, поэтому возможны большие ошибки.
Можно улучшить качество оценки путем
использования вспомогательных средств,
например приставки с эталонными структу-
?ами производства «VEB Carl Ziess»
Иена).
В перспективе в связи с повышающимися
требованиями к качеству материалов и
дальнейшим развитием автоматизированно-
автоматизированного структурного анализа сравнение с эта-
эталонными структурами будет производиться
автоматически.
б. Анализ площадей: (ареальный), ли-
линейный и точечный Г118, 121, 1221—рис
1.483—1.488.
А а
А
Г
кх
1
J3
РисШ5
i
а
i i
a fi
РисШб
а
Рис.1М7
7 а
Рис.1 М8
Определяемые величны:
— при ареальном анализе, оценивают
площади сечений А\г частиц различных
фаз в виде суммарной площади сечений
частиц каждой из фаз или путем класси-
классификации размеров сечений частиц каждой
фазы; число сечений частиц данной фазы
на единице площади измерения;
— при линейном анализе определяют дли-
длины хорд 1а , отсекаемые на случайной се-
секущей границами изображений частиц ис-
исследуемых фаз; распределение размеров
хорд; числа точек пересечения секущей с
границами сечений зерен: Л'аа(<), Л/рр(-);
числа точек пересечения случайной прямой
с сечениями межфазных границ: JVpa(x),
182
ЛГаЛ(х); общую длину секущих Ln; сум-
суммарные длины хорд в сечениях отдельных
фаз:
п п
— /I 'i
at»
i=\
, = Л, /,,
— при точечном анализе находят числа
попаданий точек на сечения фаз: а:
^(•).Y:PpM-
Структурные параметры, определяемые
( + ) и не определяемые (—) перечислен-
перечисленными методами — табл. 56.
ТАБЛИЦА 56
Параметр структуры
Объемная доля . .
Средний размер зе-
зерен и частиц . . .
Среднее свободное
расстояние ....
Удельная поверх-
поверхность границ зерен и
<Ьаз .
Распределение раз-
размеров зерен и частиц
Степень ориенти-
ориентировки
Степень контакта . .
еаль-
й ана-
3
а3а
+
+
—
—
• та
се в:
с) та
?*= м
+
+
+
(-)-)
-4—
+
течный
злиз
О и
Ь га
+
—
—
—
Примечание. (+) — требуется знание
или задание формы микрочастиц.
Dp=.
Средний линейный размер частиц выде-
выделений (см. рис. 1.486 и 1.487):
у f —
О &У
Среднее свободное расстояние в матрице
между частицами (см. рис. L487)
NayM/2
для двухфазных
материалов
3. т) —^аиизометрия. При линейном ана-
анализе т]=?)ц /С _,_.
4. S — удельная (по отношению к объе-
объему сплава) поверхность границ зерен или
фаз (при линейном анализе).
Изометрическая структура однофазные
материалы (см. рис. 1.484)
многофазные материалы (см. рис. 1.485):
Основные формулы и понятия [118, 121,
122]
1. V — объемная доля:
Vy= Ay/А (ареальный анализ);
Vy = Ly/L (линейный анализ);
Vy=py/P (точечный анализ).
2. D — средний линейный размер зерен
или частиц; w—среднее свободное расстоя-
расстояние. При линейном анализе — однофазные
материалы: средний линейный (по Гейну)
размер зериа (см. рис. 1.484) Da=
=L/(NaaM); многофазные материалы: сред-
средний линейный размер частиц а- или |3-фа-
зы (см. рис. 1.485):
— NnR\M
Nn
М
Oon
Удельная (по отношению к объему
сплава) поверхность границ между а- и
Y-фазами (см. рис. 1.486 и 1.487):
Удельная (по отношению к объему у-фа-
зы) поверхность границ между фазами a
и у:
Ориентированная структура, например
линейная ориентировка, возникающая пос-
после волочения (оценка на продольном шли-
шлифе).-
Удельная поверхность границ зерен:
SaaLin=
+..«(*-??),•
183
5. d — степень ориентировки; при линей-
линейном анализе:
а) число сечений зерен в углах прямо-
прямоугольника: пЕ=4(+);
6. С — степень контакта (доля контакт-
контактной поверхности); Р — доля межфазной
поверхности. При линейном анализе Са=
Обозначение символов:
А» — суммарная площадь сечения и микро-
микрочастиц, например у-фазы;
А — общая площадь измерения;
М — масштаб изображения;
индекс «-1_> — измерения производились
перпендикулярно к преимущественному на-
направлению (например, направлению дефор-
деформации) ;
индекс «||» — измерения производились
параллельно преимущественному направ-
направлению.
в. Определение парметров и возможности
описания пространственной структуры
A18, 121)..
. Объемная доля — доля объема
материала, занимаемая частицами некото-
некоторой фазы а.
Средний линейный размер зерен (размер
зерна по Гейну) — средняя длина хорд, от-
отсекаемых на случайной прямой сечениями
микрочастиц (например, зерен, выделений,
включений), позволяет получить информа-
информацию о размерах сечений частиц на плоско-
плоскости шлифа, дает смещенную оценку прост-
пространственной структуры.
Среднее свободное расстояние между ча-
частицами— средние длины случайных хорд
в матрице между выделениями, включения-
включениями, порами; дает оценку пространственной
структуры.
Удельная (по отношению к объему ма-
материала) поверхность границ зерен или
границ между фазами — отношение поверх-
поверхности зерен в квадратных миллиметрах к
объему материала в кубических миллимет-
миллиметрах — характеризует пространственную
структуру.
Удельная (по отношению к объему фазы
поверхность) межфазных границ, например
между выделениями и матрицей, — мера
дисперсности выделившихся фаз и включе-
включений; характеризует пространственную струк-
структуру.
Степень ориентации — отношение доли
ориентированной удельной поверхности
границ зерен или фаз ко всей удельной
поверхности зерен или межфазных границ.
Доля межфазной поверхности [66]:
pap=Sap/Sa> Pa,y=SavlSa- параметр, ко-
который отражает условия окружения сосе-
соседями структурных составляющих в много-
многофазных (a+^+Y)-сплавах (рис. 1.489)
[66]. Частицы a-фазы окружены у-Фаз°й-
Среднюю площадь сечений зерен [121]
характеризует число сечений зерен, находя-
находящихся на площади базового прямоугольни-
прямоугольника (см. рис. 1.490) [121]:
Рис. 1.489
Рис. 1.490
б) число сечений зерен, которые пере-
пересечены сторонами прямоугольника: ns(x);
в) число сечений зерен, полностью лежа-
лежащих внутри прямоугольника: п, (•).
Средняя площадь сечений зерен вычисля-
вычисляется по формуле
А =
,5 ns + 0,25nE).
Часто в качестве характеристики размера
зерен используют: 1= VА; однако она
характеризует только сечения, но не прост-
пространственную структуру.
Недостатки по сравнению с использова-
использованием линейного размера зерна состоят в
следующем: А и L не являются однозначно
связанными с удельной поверхностью гра-
границ зерен, неприменимы при ориентирован-
ориентированных структурах; не позволяют сделать за-
заключение о протяженности зерен. Трудо-
Трудоемкость определений выше, чем в случае
линейного анализа.
г, Распределения размеров зерен и час-
частиц определяют (при сферической форме
частиц) на основании данных о размерах
сечений: площадей диаметров или случай-
случайных хорд.
Для этого измеряемые величины разби-
разбивают на интервалы в виде:
— арифметического ряда с разностью Д:
Д, 2Д, ЗД, ..., ХД;
184
— геометрического ряда с модулем а*,
а с i от 0 до К: а, ас, а2а, а3а, ..., aha.
Число интервалов обычно составляет от
7 до 12.
В металлографии для оценки распреде-
распределения размеров сечений частиц довольно
часто применяют геометрические ряды с
модулем а= V 2.
Распределение по размерам обычно пред-
представляют в виде дифференциальной кривой
(гистограммы) или в виде кумулятивной
кривой (рис. 1.491 и 1.492) [60].
Рис. 1.491
Разпер зерна {частит лиуу—
Рис. 1.492
Размер зерна /частиц), ют-—
В зависимости от выбора (арифметичес-
(арифметического или геометрического) разбиения на
интервалы масштаб диаграммы по оси абс-
абсцисс будет линейным или логарифмичес-
логарифмическим..
В случае логарифмически нормального
распределения график суммарных частос-
тей (кумулятивных кривых) в логарифми-
логарифмическом масштабе дает прямую. Она может
однозначно характеризоваться медианным
значением L>so (соответствует размеру зер-
зерна или частицы с частотой повторения
50 %) и дисперсией а:
F^g) = In (D84A/D50).
Логарифмически нормальное распределе-
распределение сечений зерен наблюдается во многих
металлографических объектах. Следует
иметь в виду, что если действительно рас-
распределение пространственных размеров вы-
выражается логарифмическим нормальным
распределением, то распределение длин
случайных хорд может отличаться от него
(рис. 1.493) [60].
д. Некоторые методы пересчета.
А. Метод Шайля — Шварца — Салтыкова
A). Пересчет распределения диаметров
круглых сечений в распределение диамет-
диаметров сфер. Уравнения:
Wi = А-1 (Аг пг — А2 п2 —.
N2 = Д-i
Д = DmRX/k;
n2 — А3 п3
nh);
...— Ah nh);
— Ah nft);
Б. Логарифмическое распределение диа-
диаметров no Салтыкову B). Предмет пере-
пересчета — распределение диаметров сечеиий в
распределение диаметров сфер.
Уравнения:
— 0,1162nft_2 — 0,0415nft_3 —0,0173яй_4—
— 0,0079nft_5 — 0,0038nft_e —
— 0,0018nft_7 — 0,001nft_8 —
— 0,0003rtfe_8 — 0,0002nft_10 —
а =10-°-1 = 0,79433.
В. Метод Бокштигеля — Салтыкова C).
Распределение размеров хорд на сечении
в распределение диаметров сфер.
Уравнения:
общее
N.. 1 =—I
а =
7 п \Si-4-i П+\->
при геометрической классификации
s io го
Диаметр зерна и длины
секущих, мкм
Рис. 1.493
при геометрическом ряде с
T
l+
упрощенная формула
упрощенная формула для
расчета частостей
185
2 ^
1=1
В приведенных формулах:
Nt — число сфер в интервале размеров i;
r\i,nt—число диаметров сечений (методы
1 а 2) или число хорд (метод 3) в
i-том интервале;
k —число интервалов;
Д —ширина размерного интервала;
Апах —максимальный диаметр сферы;
Ai —геометрико-вероятные коэффициен-
коэффициенты сведены в таблицу [118];
ND —число сфер в единице объема об-
образца;
а —модуль геометрического ряда;
I; —длина хорды в 1-той группе;
С — константа.
Полное числа частиц в единице объема
получается как сумма чисел частиц в от-
отдельных размерных группах.
— К способу 1.
При равномерном разбиении (арифмети-
(арифметический ряд) сферическиие микрочастицы
разделяются на интервалы в соответствии
с верхней границей:
?>max/tf; 2Dmax/K; KDmax/K.
— К способу 2.
Если распределение размеров сфер пред-
предполагается логарифмически нормальным,
то разделение на интервалы соответствует
геометрическому ряду, причем Di=Dmsx;
а-10-"'1/),; Ю-01 А; К)-"-2 А,...
Таким образом, в обоих способах прини-
принимают, что наблюдаемое на шлифе наиболь-
наибольшее сечение зериа представляет собой диа-
диаметральное сечение сферы, относящейся к
интервалу самых больших размеров.
— К способу 3.
В противоположность способам 1 и 2
исходит не из диаметра окружности сече-
сечения, а из длин хорд. В способах 1 и 2 ин-
индекс 1 обозначает интервал наибольших
размеров, а в способе 3 — интервал наи-
наименьших размеров.
Вспомогательные устройства и приборы
а. Вспомогательные средства для ручного
измерения. Окулярные измерительные ли-
линейки используются (рис. 1.494 [47]) для
измерений длин.
Для измерений линейных величин с боль-
большей степенью точности, чем окулярные ли-
линейки, применяется микрометрический оку-
окуляр, а для измерения площадей — окуляр-
окулярная измерительная сетка; она применима
при проведении точечного анализа (рис.
1.495 [47]). Механический интегрирующий
столик используется для линейного и то-
точечного анализа.
б. Автоматические анализаторы изобра-
изображения структуры (ААИ). Работают по
принципу сканирования световым или элек-
электронным пучком. Сумма измеряемых зна-
значений дает тем более точное описание объ-
объекта, чем тоньше применяемый растр. Уп-
Рис. 1.495
рощенная блок-схема ААИ приведена на
рис. 1.496 [118].
Оптический сигнал, полученный, напри-
например, с помощью светового микроскопа, пре-
превращается с помощью преобразователя сиг-
Рис 1.494
Рис. 1.496
/ — Эпиквант; 2 — например, система Кваитимета;
3 — сканирующая система; 4— монитор для конт-
контроля; 5 — электронное сканирование; 6 — дискри-
дискриминатор; 7 — логический элемент (счетчик, запо-
запоминающее устройство, счетное устройство, про-
программирование) ; 8 — получение и обработка сиг-
сигнала; 9 — выдача данных; 10 — устройство для
получения изображения (микроскоп, микрозоид,
растровый электронный микроскоп); //—образец;
12 — блок управления движением объекта; 13 —
механическая развертка
налов (например, ФЭУ, телевизионная
трубка) в электрический сигнал. Преобра-
Преобразование происходит раздельно для каждой
точки растра, на которые было разложено
изображение. Сканирование может проис-
происходить либо электронным способом (раз-
(развертка типа телевизионной реализуется,
например, в приборах серии Квантимет),
186
либо механическим способом (за счет дви-
движения объектного стола микроскопа с по-
помощью шаговых двигателей, которые ис-
используются в анализаторах типа Эпиквант).
Сигнал от каждой точки растра переда-
передается на дискриминатор, который из подво-
подводимых импульсов выделяет сигналы, соот-
соответствующие определенным элементам
структуры или ее изображения. Затем об-
обрабатываются специальными логическими
схемами с целью получения информации об
определенных параметрах структуры.
Измерительная
диафрагма Л
Направление
измерения
Пороговое
значение
Аналоговый сигнал
Цифровой
сигнал
Измеряемый
импульс
Цифровой
сигнал
Измеряемый
импульс
Цифровой
сигнал
Измеряемый
импульс
Рис. 1.497
В качестве примера описания принципа
действия ААИ рассмотрен процесс изме-
измерений с помощью прибора Эпиквант, «VEB
Karl Zeiss», Иена (рис. 1.497 [121]).
Развертка изображения в растр произ-
производится путем программированного переме-
перемещения объектного стола с образцом отно-
относительно измерительной диафрагмы, кото-
которая на поверхности шлифа выделяет учас-
участок, лежащий на оптической оси микроско-
микроскопа. Полупроводниковый датчик преобразу-
преобразует свет, отраженный от этого участка, в
электрический сигнал, который через дис-
дискриминатор передается в логические схемы.
Если в рассматриваемый участок попала
«белая» фаза, то селективная логическая
схема открывает канал С, предназначенный
для белой фазы (сигнал С). Командные
импульсы регистрируются в этом канале.
Когда белые зерна прошли измерительную
диафрагму, то логический избирательный
элемент реагирует на значительно более
низкий сигнал А от черных зерен. Канал С
закрывается и открывается канал А. Счет
импульсов в канале А происходит до тех
пор, пока снова не откроется каиал С или
канал В и т. д.
Данные измерений представляют наборы
чисел и длин хорд, с помощью которых
путем линейного анализа можно рассчи-
рассчитать рассмотренные выше параметры
структуры.
Квантиметом фирмы «Cambridge Instru-
Instruments» (Великобритания) возможна авто-
автоматическая фокусировка микроскопа, клас-
классификация диаметров, периметров и пло-
площадей сечения зерен, подсчет выбранных
элементов структуры, распознавание фор-
формы и т. д.
Для применения ААИ необходимо вос-
воспроизводимое, равномерное, контрастное
травление различных составных частей
структуры.. Это в настоящее время пред-
представляет значительные затруднения.
1.11.6 Методы
ультразвуковой
дефектоскопии материалов
Звук распространяется почти во всех
твердых и жидких веществах, однако от-
отражается на неоднородностях, что позво-
позволяет получать информацию о некоторых
видах дефектов материалов.
Ультразвук — это упругие колебания с
частотой 20—106 кГц (<20 Гц —инфра-
—инфразвук, >1 ГГц — гиперзвук).
Ультразвуковую дефектоскопию материа-
материалов обычно проводят при частоте 0,2—
15 МГц.
а. Колебания. Периодически повторяю-
повторяющиеся изменения состояния. Материальная
точка движется периодически около свое-
своего положения покоя. Для распространения
колебаний необходима среда (газ, жид-
жидкость, твердое тело). Волиы характеризуют
Рис. 1.498
пространственно-временной периодический
процесс. С помощью волны происходит
передача энергии.
б. Виды звуковых волн. Зависят от ча-
частоты, характера среды и условий возбуж-
возбуждения.
— Продольные волны (?-волны). Части-
Частицы колеблются вдоль направления распро-
распространения волны (рис.. 1.498). Распростра-
Распространяются в веществах в любом агрегатном
состоянии.
— Поперечные волны (Г-волны). Направ-
Направление колебаний частиц перпендикулярно
направлению распространения волны. По-
187
перечные волны распространяются только в
твердых телах (рис. 1.499).
— Поверхностные волны (вибрационные
волны в машиностроении [59] —рис. 1.500).
— Волиы в ограниченных средах: симме-
симметричные (волны растяжения [59] — рис.
1.501); асимметричные (изгибные волны
[59]—рис. 1.502).
и Л j
г* ¦*¦{
1
Рис. 1.499
Поверхность
' Ьеталл
миния); Е— модуль Юнга, Па; 1)т =
= V E/2p(\+v)=VG/p, где G — модуль-
сдвига; Vt — скорость распространения зву-
звуковых Г-волн.
Скорость звука в некоторых материалах
приводится в табл. 57.
ТАБЛИЦА 57
¦
Материал
Сталь . .
Алюминий
Медь . .
Латунь .
Полиак-
Полиакрил . . .
Фарфор .
Вода
B0 °С) .
1
а. с
7,7
1,7
8,9
8,1
1,18
2,4
1,0
Скорость звука, м • с 1
VL
5950
6320
4700
3830
2730
5600—
6200
1483,1
VT
3220
3130
2260
2050
1430
3500—
3700
"~—
Волновое
сопротив-
сопротивление
10'' кг-
• м-2, с
45
17
42
31
3,2
~13
1,5
Примечание. »j примерно вдвое боль-
больvl; при 2 МГц длина L волны для стали
мм.
Рис. 1.500
Поверхности
Рис. 1.501
Поверхность
''.'.''.мёщлл
'-?&'::'
Рис. 1.602
в. Частота., ]—Т~х, где Т — период коле-
колебаний, с.
г. Скорость звука: v—%T-1=f%.
Скорость звука зависит от периода коле-
колебаний и длины волны:
vL=E(\— v)/p(l+v)(l—2v), где vL —
скорость распространения ?-волны, м-с~';
р — плотность, кг-м~8; v-—^коэффициент
Пуассона @,28 для стали; 0,34 для алю-
188
Зная Vl, Vt и р, можно определить мо-
модуль Юнга и механические характеристики
материала (ев для чугуна).
Скорость звука и длина волны в различ-
различных материалах приведены в работе [92].
д. Звуковое поле. Интерференционная
способность звуковых воли указывает на
то, что передатчик звука обладает опреде-
определенной направленностью, которая зависит
от диаметра вибратора и длины волны в
прозвучиваемой среде (рис. 1.503 [59]).
Вибратор
Рис. 1.503
Звуковое поле — часть среды, в которой
распространяются звуковые волны.
Различают:
— ближнее поле (при дисковом вибрато-
вибраторе форма поля цилиндрическая), его про-
протяженность l=*D2/4%, где D — диаметр
вибратора;
¦—дальнее поле (примыкает к ближнему
полю и представляет собой поле расходя-
расходящихся звуковых волн). По мере удаления
от вибратора звуковое давление уменьша-
уменьшается. Разъединяющее поле начинается при
©«31°.
При дефектоскопии материалов ¦&**2+2(Р.
е. Переменное звуковое давление, звуко-
звуковое давление. P=pva>A, где Р — звуковое
давление, Па (главная характеристика зву-
нового поля); со — частота колебаний, Гц
Bnf); А — амплитуда, м.
ж. Сила звука, его интенсивность и ра-
работа: /=2Гш2Л2/2. Измеряется в ваттах на
квадратный метр (при испытаниях матери-
материалов /<10 Вт-см-2); Z— волновое сопро-
тивленяе звука, кг-м~2-с-' {Z=pvL).
з. Коэффициент отражения (R). Коэф-
Коэффициент пропускания или коэффициент
прозрачности (?>) (при перпендикулярном
падении волны — рис. 1.504 и 1.505).
Подающая
волнас Ре
Проходящая
волна с Ро
Среда 7
zt=P,v,
Отраженная
волна с Ря
CpedaZ
Рис. 1.505
Z\ — волновое сопротивление вещества /.
Индексы Е, R соответствуют падающей
и отраженной волнам с определенным зву-
звуковым давлением.
Размеры (толщина) полостей, при кото-
которых может быть получена достаточная для
их оценки компонента отражения, в случае
стали и алюминия составляют 10~4—
10~6 мм при условии, что эти полости за-
заполнены воздухом. Если же эти полости
заполнены жидкостью их толщина увели-
увеличивается до 10~3.
Важное значение имеет определение R:
Последнее уравнение применяют для оп-
определения минимальной толщины полости
(d), при которой еще возможно отраже-
отражение. При падении звуковой волны под уг-
углом а (см. рис. 1.504 [95]) на поверхность
раздела сред, скорость звука в которых
различна, величины R и D зависят не толь-
только от волнового сопротивления сред, но и
от угла падения:
I 1 \«
т— —
\ т )
sin*
2nd
1 +
1 / 1 у
ТГ7)
sin2-
2nd
где
т = ZJZ2 = рх v1/p2 vs-
Направления отраженной и прошедшей
волн определяются законом преломления
Снелиуса (у — угол преломления).
При «косом» падении L-волны на грани-
границу раздела может возникнуть Г-волна
(угловая искательная головка).
и. Ослабление ультразвуковых волн
вследствие рассеяния и поглощения. Про-
Проходя через среду звуковая волна теряет
энергию, т. е. происходит ослабление зву-
звука, которое зависит от поглощения и рас-
рассеяния.
Ослабление звука описывается экспонен-
экспоненциальной функцией: P=PBe~as'2d, где s —
путь, пройденный звуковой волной; d —
толщина образца; Н — сила эхо; а — коэф-
коэффициент ослабления, дБ; 1 flB=20Ig(#i/
/Я2):
I d= B0/2d) lg (PJP) = B0/2d) lg {HJH).
Для нахождения точного значения а не-
необходимо учитывать потери энергии в из-
измерительных устройствах и соединитель-
соединительных трактах. Пересчет отношения Н\1Н2 в
децибеллы [92] приведен в табл. 58. Яв-
Явление ослабления звука в материале слу-
служит основой неразрушающего структурно-
структурного анализа с помощью ультразвука. Коэф-
фипиент ослабления L-волн в различных
материалах — см. в табл. 59 [92].
ТАБ Л
1,00
1,06
,12
1,19
,26
,33
,41
,50
1,59
1,68
И ЦА
а
0,00
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
58
а|
1,78
2,00
2,24
2,51
2,82
3,16
3,98
5,01
6,31
7,94
«
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
НУ1Нг
10,00
31,62
100,00
316,23
1000,00
3162,30
10000,00
31623,00
100000,00
дв
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
Получение ультразвуковых волн и техни-
техника измерений
а. Получение и прием ультразвуковых
волн. Механическая деформация некоторых
веществ (растяжением или сжатием) при-
приводит к возникновению на их противопо-
противоположных поверхностях электрических заря-
зарядов разного знака. Величина зарядов про-
пропорциональна величине деформации. Это
явление названо пьезоэлектрическим эф-
189
ТАБЛИЦА
а. КГ-'дБ.мм"
1—10
(малый)
> 10—100
(средний)
>100
(большой)
59
Материал
А1 литой, Mg литой и низколегированный; деформированные
сталь, А1 и Mg; стекло; фарфор
Неметаллы, пластмассы (поглощение); литая низколегирован-
низколегированная сталь, чугун; деформированные Zn, РЬ, латуни (рассея-
(рассеяние)
Пластмассы (поглощение); литая высоколегированная сталь;
керамика; минералы
Определяемая
толщина, м
1—10
0,1—1
0,0—0,1
по согла-
соглашению
фектом. Пьезоэлектрический эффект мо-
может быть прямым (применяется для реги-
регистрации интенсивности ультразвуковых
волн) и обратным (применяется для полу-
получения ультразвуковых волн).
К пьезоэлектрическим материалам отно-
Рис. 1.506
Рис. 1.507
сятся: кварц, титанат бария, сульфат ли-
лития и др. Из этих материалов изготовляют
пластины определенных размеров и толщи-
толщины. Верхнюю н нижнюю поверхность пла-
пластины металлизируют. Прн приложении
напряжения происходит утолщение или су-
сужение пластины. При приложении знакопе-
знакопеременного напряжения пластина колеблет-
колеблется с частотой этого напряжения. Механи-
Механические колебания передаются окружающей
среде в виде волн давления или звуковых
волн. Пластина колеблется наиболее силь-
сильно при возбуждении ее собственной часто-
частоты (резонанс).
б. Методы^ ультразвуковой дефектоско-
дефектоскопии. Наиболее широко применяются три
метода.
1. Импульсный эхо-метод (рис. 1.506
[39]). Импульсный эхо-прибор посылает
ультразвуковые импульсы определенной
частоты. Отраженные эхо-импульсы при-
принимаются искательной головкой.
В импульсном эхо-методе используется
только одна искательная головка. Поэтому
испытуемое изделие может иметь доступ
только с одной стороны. Приемное устрой-
устройство регистрирует время между прохож-
прохождением прямых и отраженных имгГульсов
или расстояние до места отражения сиг-
сигнала..
Преимущества метода: обнаружение
очень малых неоднородностей; получение
Рис. 1.508
изображения места отражения на элект-
электроннолучевой трубке в виде пиков импуль-
импульсов на экране и возможность измерения
времени пробега импульса,
2. Метод прозвучивания (рис. 1.507). Из-
Измеряется ослабление звуковых волн при
прохождении через заготовку. При этом
используют излучающую и приемную ис-
искательные головки, установленные друг
против друга. При отсутствии дефектов
сигнал не ослабляется, дефекты уменьша-
уменьшают его интенсивность.
Преимущества метода: возможен конт-
контроль тонких листов и полос, а также за-
заготовок при малом ослаблении.
Недостатки: нельзя определить глубину
залегания дефектов, контролируемое изде-
изделие должно быть доступно с двух сторон.
3. Резонансный метод (рис. 1.508). На
контролируемом объекте устанавливают
ультразвуковой передатчик, собственная
частота которого изменяется до тех пор,
пока стенка объекта не начнет колебаться
в резонансе. Метод используют для изме-
измерения толщины изделий пластинчатой фор-
формы.
в. Искательные головки. Назначение —
преобразование полученных от излучателя
электрических колебаний в механические.
Далее эти колебания подводятся к испы-
испытуемому изделию, а отраженные сигналы
преобразуются в электрические колебания.
Последние служат предметом измерения.
Некоторые виды искательных головок:
— Нормальная искательная головка (рис.
1.509)—в такой головке ось звукового
поля продольных волн перпендикулярна
поверхности испытуемого изделия. При этом
собственная частота зависит от свойств ма-
190
териала и толщины пластины излучателя.
При резонансной частоте (fjs) к. п. д.
имеет максимальное значение fE=v/2d.
Искательные головки для частот 0,1—
14 МГц имеют диаметр излучателя от 5 до
34 мм. С увеличением диаметра излучателя
чувствительность головки повышается.
Рис. 1.509
/ — катушка настройки; 2 —
корпус; 3 — поглощающий
материал; 4 — вибратор; 5 — '-Чь
защитный слой
Приемо-передающая искательная голов-
головка обладает собственными экранированны-
экранированными системами передачи и приема сигналов,
размещенными в общем кожухе. В прин-
принципе здесь используются две объединенные
искательные головки (рис. 1.510).
Рнс. I.5I0
Звуковой пучок падает на материал под
острым углом. При этом используются
Т-волны. Угол преломления составляет для
стали 35; 45; 60; 70 и 80°. Искательные го-
головки применяют для контроля сварных
швов и внутренних нарушений сплошности.
•— Угловые искательные головки (с непре-
непрерывным изменением угла излучения). Зву-
Рнс. -.511
/ — катушка настройки; 2 — вибра-
вибратор; 3 — корпус; 4 — клин из пиак-
рила; 5 — поглощающий материал;
А — точка выхода звуковых волн;
Тг— угол облучения
ковой пучок падает под острым углом на
поверхность контролируемого изделия (см.
рис. 1.511). Угол облучения для стали ле-
лежит в пределах 35—80° (в этой области
эффективны только Г-волны).
Недостатком подобных головок можно
считать их меньшую мощность. Угловые ис-
искательные головки применяются для конт-
контроля тонких пластин.
Техника ультразвуковой дефектоскопии
а. Общие положения. Перед проведени-
проведением ультразвукового контроля необходимо
изучить режимы работы прибора на изде-
изделиях простой формы (призмы и цилинд-
цилиндры) из материала с хорошей звукопрони-
звукопроницаемостью.
— Подготовка образца. Поверхность об-
образца должна обеспечивать достаточное
прохождение звуковых волн (чистая по-
поверхность с небольшой степенью шерохо-
шероховатости). Прочный тонкий слой краски и
тонкие слои окалины не препятствуют
ультразвуковому контролю.
— Соединение головки с образцом. Ис-
Искательная головка должна излучать на об-
образец как можно больше звуковой энер-
энергии. Для этого необходима передающая
среда с высоким сопротивлением звуковым
волнам. Промежуточной фазой могут слу-
служить жидкости (вода, машинное масло,
глицерин); соединительные пасты; фольги.
Для обнаружения трещин используются
зонды и техника окунания; при этом обра-
образуется жидкостная подушка или применя-
применяется поток жидкости.
— Выбор области контроля. Зависит от
толщины испытуемого образца. Эту об-
область выбирают так, чтобы была пол-
полностью использована величина экрана, на
котором рассматривается изображение.
— Рабочая частотая. Выбор частоты для
контроля (зависит от прозвучиваемости
изделия и величины наименьшего различи-
различимого дефекта). Стандартная частота ис-
испытаний 2 и 4 МГц.
С увеличением частоты испытаний рас-
растут: разрешающая способность; чувстви-
чувствительность определения дефектов; глубина
проникновения ультразвуковых волн.
С ростом диаметра излучателя возрас-
возрастают: глубина проникновения ультразву-
ультразвуковых волн; длина ближнего поля; фоку-
фокусировка.
— Настройка прибора на максимальную
мощность. С увеличением мощности излу-
излучателя или усиления приема растет чув-
чувствительность прибора. В современных при-
приборах мощность излучателя изменяется
ступенчато. Регулятор, градуированный в
децибелах, позволяет при постоянной мощ-
мощности излучателя осуществлять усиление в
строгих пределах.
Настройка прибора (юстировка, регули-
регулировка чувствительности, установка предель-
предельного значения) проводится по контрольно-
контрольному образцу.
— Ближнее эхо. Затрудняет контроль;
проявляется при контроле образцов, у ко-
которых длина намного больше диаметра.
Примеры применения, результаты конт-
контроля и их использование. Результаты уль-
ультразвукового контроля зависят от чувстви-
чувствительности и точности ультразвукового ре-
регистрирующего прибора, вида регистрации
показаний и соблюдения режима контроля.
191
а. Массивные поковки. Контроль на фло-
кены; ликвационные трещины; неметалли-
неметаллические включения; ковочные трещины; по-
посторонние тела. Контроль должен произво-
производиться на кованых заготовках, а не на
литых. Рабочая частота 0,5—2 МГц. Конт-
Контроль перед окончательной обработкой за-
затруднен.
б. Обработанные детали машин. Обычно
определяют дефекты, возникшие при изго-
изготовлении, и дефекты, возникающие в про-
процессе эксплуатации (коленчатые валы —
первичные трещины между шейкой колен-
коленчатого вала и его щекой; винты и болты—
трещины между витками резьбы и первич-
первичные трещины у головки винта).
в. Оси. Контроль на трещины в зоне прес-
прессовой посадки (под колесами) с помощью
угловой искательной головки. Угол про-
звучивания зависит от геометрической фор-
формы оси.
г. Колеса. Контроль зубчатых венцов ко-
колес и дисков зубчатых колес проводят уг-
угловой искательной головкой (угол озвучи-
озвучивания 70°).
д. Рельсы. Контроль на трещины: ис-
используют специальный испытательный ва-
вагой. Так как расположение дефектов может
быть различным, применяют нормальную
(рабочая частота 2—6 МГц) и угловую
искательные головки (рабочая частота 2—
4 МГц).
е. Листы. Контроль на расслоение.
В случае толстых листов используют эхо-
метод (нормальная искательная головка).
Возникает многократное отражение, причем
расстояние между эхо-сигналами соответст-
соответствует толщине листа (рис. 1.512—1.514).
Рис. 1.512. Лист Оез расслоения
ж. Тонкие листы. Контроль на расслое-
расслоение. Проводится с помощью пластинчатых
волн. Трещины выявляют предпочтительно
с помощью /.-волн. Условия для возбужде-
Рис. 1.514. Лист с расслоением
большим, чем диаметр' излучателя.
Многократное эхо
ния получают из диаграммы для пластин-
пластинчатых волн. Угол прозвучивания зависит от
скорости звука в испытуемом материале,
толщины пластины и частоты.
з. Сварные швы. Контроль их — наибо-
наиболее важная область применения ультра-
ультразвуковой дефектоскопии. Чувствительность
метода достаточно высока, а результаты
поступают быстро. Контроль проводят с
помощью угловых искательных головок.
— Стыковые сварные швы. Угловую ис-
искательную головку размещают рядом со
сварным швом и осуществляют возвратно-
поступательное перемещение ее между по-
половиной и целым шаговым расстоянием S.
Кроме того, при этом искательную го-
головку покачивают, чтобы звук подавался
гтч
Рис. 1.513. Лист с расслоением. От-
Отраженный и промежуточный эхо-
сигнал
Рис. 1.515
192
под разными углами (рис. 1.515). Рабочая
частота 2 и 4 МГц:
где d—толщина листа; Р—угол прозвучи-
вания; S — путь звуковой волны; t — глу-
глубина дефекта; а — размер дефекта.
Виды дефектов: боковые; продольные;
дефекты в корне шва; трещины; шлаковые
включения; поры; высекание при проварах.
Угол падения зависит от толщины изде-
изделия.
Толщина изде-
изделия, мм . . .2-15 10-30 20-50 >40
Угол прозвучи-
вания, град . . 80 70 60 45
— Угловые сварные швы. Контроль уг-
угловых швов методами ультразвуковой де-
дефектоскопии возможен только, если шов
¦ полностью проварен непроверенные облас-
области будут проявляться как дефекты.
— Точечная сварка. Контроль произво-
производится с помощью нормальной искательной
головки.
и. Контроль литья. Методы ультразвуко-
ультразвукового контроля часто совмещаются с дру-
другими методами неразрушающего контроля,
так как оценка только с помощью ультра-
ультразвука затруднительна.
— Стальное литье. Аустенитные литей-
литейные сплавы отличаются низкой звукопрони-
звукопроницаемостью (крупное зерио, карбиды по
границам зерен), что сильно затрудняет
контроль.
— Чугунное литье. Определяется иего-
могенность (локальная ликвация), контро-
контролируется качество.
— Литье из легких металлов. Контроль
качества.
к. Измерение толщины. Возможно с по-
помощью импульсного эхо-метода (метод
многократного эхо) и резонансного метода.
В первом случае наименьшая измеряемая
толщина при 4 МГц ~4 мм (для стали
ошибка около 2,5 %. С ростом толщины
стенок ошибка уменьшается). Во втором
случае наименьшая измеряемая толщина
0,1 мм. Ошибка измерений 0,1—2,0 %.
При измерении времени прохождения
звука в материале контролируемого объек-
объекта необходимы данные о его скорости.
1.11.7 Магнитные методы
контроля
Старейшие методы неразрушающего
контроля. Исследуемое изделие вносится в
переменное магнитное поле контрольной
катушки. При этом характеристики поля в
катушке изменяются. По изменению харак-
характеристик поля оцениваются свойства изде-
изделия.
¦Магнитные методы контроля используют
ЩЛя определения состава ферромагнитных
iti неферромагнитных сплавов, их структу-
fpii, а также наличия в них трещин. Мето-
Метода служат и для определения толщины из-
изделий и покрытий.
а. Физические основы магнетизма—см.
см. 1.11.3.6.
б. Магнитоиндукциоиный контроль. Кон-
Контролируемый образец с известными разме-
размерами, определенной электропроводностью
и магнитной проницаемостью помещают в
переменное магнитное поле контрольной
Рис. 1.516
Я, Ом
катушки. В образце индуцируют вихревые
токи, которые вызывают появление магнит-
магнитного поля, направление которого противо-
противоположно направлению первоначального по-
поля катушки (правило Ленца). При этом
оценивается влияние образца иа изменение
характеристик магнитных полей.
в. Противодействие' полей. Как указы-
указывалось выше, в процессе контроля проис-
происходит взаимодействие поля образца и кон-
контрольной катушки. При этом изменяется
реактивное сопротивление системы. Ком-
Компоненты импеданса контрольной катушки
представлены на рис. 1.516.
Если характеристика контрольной ка-
катушки без образца Ро. Ro, «L, а контроль-
контрольной катушки с образцом Pb-*-P(Ri (uL), to
РВР, а представляют собой изменение пол-
полного сопротивления по величине и направ-
направлению под действием внесенного в катуш-
катушку образца и зависят от условий измере-
измерения (частоты переменного поля в кон-
контрольной катушке, ее размеров и формы,
величины зазора между катушкой и образ-
образцом). При этом имеют значение свойства
образца (электропроводность, магнитная
проницаемость), геометрические размеры и
наличие дефектов' (например, трещин).
Таким образом, по изменению полного
сопротивления контрольной катушки с об-
образцом можно определить его электропро-
электропроводность и магнитную проницаемость.
Кроме того, можно получить информацию
о материале (состав, твердость, прочность,
состояние после термической обработки,
после деформации); о размерах образцов
(диаметры стержней, труб и толщина по-
покрытий); о дефектах материала (трещины,
их длина и положение).
Некоторые проблемные задачи при кон-
контроле могут быть количественно оценены.
При этом возможно применение модельных
измерений.
Техника измерений
а. Методы измерений. В зависимости от
вида контрольных катушек различают ме-
13—140
193
тод манипулирующей катушки (вихревого
тока) и метод проходной катушки.
— Метод манипулирующей катушки. По
измерительной катушке, помещенной на по-
поверхность образца, пропускают переменный
ток частотой /. При этом измеряют обрат-
обратное действие на поле манипулирующей ка-
катушки {Нр) вторичного переменного поля
(#„)> индуцированного в образце (рис.
1.517).
Рис. 1.517
— Метод проходной катушки. Цилин-
Цилиндрический образец вносится в катушку, по
которой течет переменный ток. Нр — пер-
первичное поле пустой катушки. Н, — напря-
напряженность вторичного магнитного поля, ин-
индуцированного в образце (рис. 1.518).
"б"
Рис. 1.518
-J—
г"
)
VJ KJ W \J
—f
Образец
б. Виды контрольных катушек. В зави-
зависимости от назначения контроля и формы
образца используют следующие виды кон-
контрольных катушек:
— Проходные катушки (рис. 1.519). Об-
Образец является сердечником катушки. Ре-
Рис. 1.519
/ — намагничивающая обмотка;
2 — образец; 3 — измерительная
обмотка
зультат измерений зависит от свойств об-
образца, числа витков и размеров катушки,
размеров и положения образца. Диаметр
контрольной катушки следует выбирать та-
таким образом, чтобы образец почти полно-
194
стью заполнял ее. Коэффициент заполне-
заполнения — отношение площади поперечного
сечения образца к площади поперечного
сечения катушки. При увеличении коэффи-
коэффициента заполнения изменение характерис-
характеристик катушки и чувствительность метода
существенно возрастают.
— Внутренняя контрольная катушка (рис.
1.520). Допускает отклонения до 4 % от
1
I
fr
2
(
1
-
Рис. 1.520
1 — образец; 2—внутренняя катуш-
катушка
направления движения. Применяется для
контроля полых изделий (например, встро-
встроенных труб, внутренних стенок толстостен-
толстостенных труб или отверстий в массивных изде-
изделиях). Катушку вводят в трубку или от'-'
верстие. По своей эффективности внутрен-
внутренняя катушка соответствует проходной.
Следует учитывать, что на результаты
контроля влияет только диаметр отверстия
или внутренний диаметр трубы. Если тол-
толщина стенок трубы меньше глубины про-
проникновения магнитного поля, то результат
измерений зависит от толщины стенок.
— Манипулирующая (накладная) ка-
катушка (рис. 1.521). Используется для кон-
¦ . 1/—
2
Рнс, 1.521 Рис. 1.522
1 — образец; 2 — возбуждающая
катушка; 3 — измерительная ка--
тушка
троля крупных изделий. Катушку помещав
ют на поверхность изделия. Результат кон-
контроля зависит от физических свойств ма-
материала, дефектов, формы и качества по-
поверхности изделий, их толщины и зазора
между манипулирующей катушкой и об-
образцом (эффект отрыва). Эффект отрыва
можно успешно подавлять с помощью элек-
электронных средств. Преимущество манипули-
манипулирующей контрольной катушки—эффектна^
ность при определении трещин.
— Вильчатая контрольная катушка (puft
1.552). Возбуждающая и измерительна»
обмотки этой контрольной катушки отделе*-
ны одна от другой. Испытуемое изделие
помещают между обмотками. Результат
контроля зависит от зазора между катуш-
катушками, толщины помещенного между ними
изделия и физических свойств материала
изделия. Этот внд контроля широко при-
применяют для лент.
в. Размещение контрольных катушек.
— Абсолютный метод. Измерение абсо-
абсолютных значений полного (кажущегося)
сопротивления контрольной катушки или
индуцированного в измерительной катушке
напряжения. Расположение катушек и век-
векторную диаграмму для абсолютного мето-
метода контроля см. на рис. 1.523 и 1.524, а
!
кг
Ро
А
В,-
'2
Г
т
Pf
Рис. 1.523
о и,
Рис. 1.524
для абсолютного метода с катушкой срав-
сравнения—на рис. 1.525 и 1.526.
— Метод сравнения с эталоном. Приме-
Применяются две одинаковые измерительные ка-
J
——
/
/
Рнс. 1.525
0
Рис. 1.526
тушки (расположение см. на рис. 1.527).
В первой размещен эталон (образец с из-
известными параметрами), а во второй (ис-
(испытательной) — контролируемый образец.
Векторная диаграмма — рис, 1.528. Срав-
Сравнительный метод точнее абсолютного.
— Метод самосравнения. Применяется
ири дефектоскопии длинных изделий (стер-
(стержни, трубки). Расположение катушек (рис.
4,529) такое же, как и в случае метода с
13*
катушкой сравнения, однако расстояние
между ними очень мало. Недостатком ме-
метода является его неприменимость для вы-
выявления дефектов по всей длине образца.
J
i
V
я
Рас. 1.527
О * № действг
Рис. 1.528
г. Принципиальная схема расположения
контрольных приборов (рис. 1.530). Возни-
Возникающие на измерительных катушках вто-
вторичные напряжения или изменения их ха-
характеристик регистрируются различными
способами: по показаниям приборов; по
изображению на электроннолучевой трубке
(линия, эллипс, точка).
Ряс. 1.529
•>R,coL
Области применения магнитных методов
контроля можно разделить на три группы:
1. Контроль качества—оценка характе-
характеристик, определяющих качество (состав,
структура, свойства). Контролируемые па-
параметры: магнитная проницаемость; намаг-
намагниченность насыщения; форма петли гисте-
гистерезиса; электрическая проводимость.
2. Выявление скрытых дефектов — обна-
обнаружение дефектов в изделиях. Контроль
проводят на больших сериях. Объекты кон-
контроля—прутки, проволока, трубы, мелкие
детали.
3. Контроль размеров — определение раз-
размеров изделий с помощью магнитоиндукци-
онных приборов (например, диаметров, тол-
толщины стенок). Из экономических сообра-
соображений контроль проводят на больших се-
сериях (высокая стоимость подготовительных
операций).
Пример контроля на содержание легиру-
легирующих элементов.
— Метод используется для корректиров-
корректировки состава шихты, а также для количест-
195
Измерительное
устройство
-
Настройка
Генератор
—
-
Усилитель и
преобразователь
Показывающее
устройство
—
Распредели-
Распределительное
устройство
Система питания
Рис. 1.530
венного анализа содержания легирующего
элемента и т. д. При этом необходимо вы-
выбрать измерительные устройства, остано-
остановиться на определенном методе измерения
и виде катушек, а также определить способ
оценки результатов.
— Поскольку углерод наиболее сильно
влияет иа величину магнитной проницае-
проницаемости, то, измеряя ее, можно установить
содержание углерода в углеродистых ста-
сталях (рис. 1.531).
О.67ХС
0,08
Рис. 1.531. Зависимость магнит-
магнитной проницаемости от содержа-
содержания углерода в стали
1.11.8. Рентгеновская
дефектоскопия
Метод иеразрушающего контроля, по-
позволяющий обнаруживать микроскопичес-
микроскопические дефекты (поры, раковины, неметалли-
неметаллические включения и т. д.) с помощью рент-
рентгеновского излучения. Тормозное излуче-
излучение <0,1 нм генерируется рентгеновскими
трубками (ускоряющее напряжение 50 и
400 кВ). Можно просвечивать стальные из-
изделия толщиной <130 мм. Для контроля
изделий больших толщин (~500 мм) при-
применяют у"излУчение (см. 1.11.11) или ис-
используют бетатрон.
а. Ослабление рентгеновских лучей при
прохождении через вещество. Проходя че-
через газообразные, жидкие и твердые веще-
вещества, рентгеновские лучи теряют энергию.
Процесс ослабления описывается законом:
/,=/0.е •**'*, где /о — интенсивность излу-
излучения до входа в образец; Л—то же, пос-
после выхода из образца; d—толщина образ-
образца; (i—коэффициент ослабления (зависит
от длины волны излучения, химического со-
состава образца).
Причинами ослабления энергии рентге-
рентгеновского излучения при прохождении через
материал являются: фотоабсорбция, рассе-
рассеяние, образование пар.
б. Детекторы. Способы регистрации ин-
интенсивности рентгеновского излучения осно-
основаны на его свойстве значительно увеличи-
увеличивать электропроводность воздуха и других
газов (за счет ионизации) или восстанав-
восстанавливать бромистое серебро фотоэмульсии
(AgBr до Ag); используется и способность
к рентгеиолюмииесценции некоторых ве-
веществ. Изменение энергии рентгеновского
излучения, вызванное дефектами материа-
материала, может регистрироваться с помощью
различных устройств:
— люминесцентный экран —поглощает
коротковолновое излучение и испускает
видимое излучение;
— фотопленка (степень почернения
эмульсии является мерой интенсивности
излучения);
— ионизапионные камеры (см. 1.11.11);
— счетчики (см. 1.11.11);
— ФЭУ (см. 1.11.11);
— кристаллические сцинтилляционные
счетчики — полупроводниковый детектор
излучения (см. 2.0; 1.11.11);
в. Почернение, контраст. Кривая почер-
почернения описывается зависимостью S—f (lg Л),
где S=lg(/0//i), S**It*.
Почернение пленки S определяют с помо-
помощью фотометра; зависит оно от интенсив-
интенсивности падающего иа пленку излучения и
продолжительности облучения t.
Для рентгеновского излучения показа-
показатель степени почернения р равен единице.
Кривая почернения (рис. 1.532) служит для
Рис. 1.532
определения экспозиции. Правильная экс-
экспозиция рентгеновской пленки должна со-
соответствовать прямолинейному участку
кривой почернения. При этом S изменяет-
изменяется от 1,0 до 1,5. Контрастность зависит от
длины волны излучения, плотности и тол-
толщины просвечиваемого материала и рассе-
рассеянного излучения. Оно уменьшается при
увеличении жесткости излучения. Мягкое.
196
излучение позволяет получить более высо-
высокую четкость изображения деталей.
г. Качество изображения зависит от чет-
четкости изображения и контрастности. Кон-
Контролируется по изображению проволочных
«перегородок». Поле с проволочными «пе-
«перегородками» (см. TGL 10646) представля-
представляет собой набор гибких резиновых пласти-
пластинок, в которые помещены проволочки раз-
различной известной толщины. Диаметр самой
толстой проволоки 3,20 мм. Каждая после-
последующая проволочка иа 20 % тоньше пре-
предыдущей (рис. 1.533, TGL 10646).
Рис. 1.533
§6
s §&§
о cc о
Хеше
1—7
6-12
10—16
b
70
60
50
li
50
—
50
25
I,
19
17
IS
h
115
105
90
65
/mnV;.
W
\
различимость дефектов даже выше, чем
при применении метода сквозного просве-
просвечивания.
— Техника просвечивания. Поверхность
образца должна быть достаточно ровной,
причем пленка непосредственно накладыва-
накладывается на образец.
Поле для уменьшения
Рис. 1.Б34. Схема просвечивания относительно не-
небольшого дефекта:
/ — источник излучения: 2 — дефект в материале;
3 — образец: 4 — рентгеновская пленка; D — диа-
диаметр фокусного пятиа; U „— геометрическая не-
нерезкость: SFA — расстояние между излучателем
и пленкой (оптимальное расстояние) зависит от
толщины материала ft; О. — внутренняя нерез-
нерезкость снимка 0,02—0.06 мм; 1)„ — и., SFA — (,D+
+ V.)d/U. S '
д. Показатель качества изображения. Со-
Соответствует номеру самой тонкой проволо-
проволоки из проволочной «перегородки» (табл.
60), различимой на пленке (TGL 10646).
TAB
Номер
проволо-
1
2
3
4
5
6
7
8
ЛИЦА
Диаметр
проволо-
проволоки, ММ
3,20
2,50
2,00
1,60
1,25
1,00
0,80
0,63
60
Допусти-
Допустимые отк-
отклонения,
мм
+0
+0
03
02
Номер
проволо-
проволоки
9
10
11
12
13
14
15
16
Диамето
0,
о,
о,
0,
оо
0,
о,
проволо-
проволоки, мм
50
40
32
25
20
16
125
10
Допусти-
Допустимые ОТК-
+0
+0
лоиения,
мм
,01
,005
е. Классы качества изображения. Зави-
Зависят от вида и величины определяемых де-
деталей изображения.
Различают два класса качества: класс
1 — высокая степень различимости деталей
изображений; класс 2 — снимки с помощью
Y-излучения, обычный уровень различимо-
различимости деталей изображения.
Схемы съемки при просвечивании пред-
представлены на рис. 1.534 и 1.535. Распределе-
Распределение интенсивности прошедшего через обра-
образец излучения определяется с помощью со-
соответствующих детекторов.
При наличии пустот излучение ослабля-
ослабляется меньше, так как меньше толщина са-
самого образца (см. рис. 1.535). При этом
— Оценка снимка на пленке производит-
производится в соответствии с TGL. Например, оцен-
оценка дефектов сварных швов стандартизиро-
стандартизирована (TGL 10646); условные обозначения
и пояснения к ним приведены ниже:
Рис. 1.535
Л — газовые включения;
Аа — круглые газовые поры;
АЪ — трубчатые газовые поры;
Ас — цепочка пор в корне шва;
В— шлаковые и металлические включе-
включения;
Ва — шлаковые включения различной
формы и ориентировки;
ВЬ — шлаковые строчки;
Вс — линзовидные шлаковые включения;
Bd — металлические включения;
С — непровар;
D — дефекты в корне шва;
Da — вогнутый корень шва без надрезов
с односторонней приваркой;
Db — дефект в корне шва, действующий
подобно надрезу, с односторонней привар-
приваркой;
197
Dc — дефект в корне шва с надрезом при
двусторонней сварке;
Е— трещины;
Еа — продольные трещины;
ЕЪ — поперечные трещины;
Ее — лучевидные трещины;
F— дефекты поверхности;
Fa — излишний наплавленный металл;
Fb — неравномерная поверхность шва;
I
Ступень: t
i
i
/
/
/
/
/ •
/
/
г
г
/
/
3
012345678
Размерь/ дефектов, мн
Рис. 1.536
в. Рентгеновская дефектоскопия отливок.
Используется для контроля опасных сече-
сечений крупных дорогостоящих отливок (TGL
14897). Облучение преимущественно произ-
производится с помощью бетатрона.
— Ксерорадиография. Метод регистра-
регистрации рентгеновского излучения, при котором
рентгеновская пленка заменяется ксерора-
диографической пластинкой из проводяще-
проводящего металла с напыленным полупроводни-
полупроводником (аморфный Se).
— Бетатрон (рис. 1.541). Используется
при контроле изделий с толщиной сте-
Fc — подрезы.
Размеры дефектов X и ступени размеров
дефектов (рис. 1.536) определяются соглас-
согласно TGL 10646 в процентах от толщины об-
образца.
Ступень 1: не более 10 % (максимум
3 мм).
Ступень 2: 10—20 % (максимум 5 мм).
Ступень 3: 20—30 % (максимум 7 мм).
Ступень 4: больше 30 %.
Примеры
а. Контроль стыковых швов. Излучение
направляют в центр сварного шва (рис.
1.537 и 1.538). Для непроваров (рис. 1.539
1-шов
Рнс. 1.537
U-шов
Рис. 1.538
и 1.540) просвечивание осуществляют в на-
направлении наибольшей глубины.
б. Контроль "стыковых швов круглого се-
сечения. Выравнивание толщины производит-
производится с помощью накладок, паст или металли-
металлических порошков.
\1
ГЖЗ Ctl
V-шод
Рис. 1.539
Рас. 1.540
Рис. 1.541
/ — рентгеновское излучение: 2 —
равновесная орбита; 3 — инжектор
(катод); 4 — орбита 1; Ь — орбита
2; 6 — анод
нок > 160 мм. С помощью включения по
каскадной схеме элементарные частицы ус-
ускоряются и проникают через стенки боль-
большей толщины. Бетатрон, илн циклический
ускоритель, работает по принципу транс-
трансформатора.
1.11.9. Контроль
химического состава
Этот вид контроля предназначен для ко-
количественного определения содержания
элементов, присутствующих в материалах
[11]. Возможности методов приведены в
табл. 61.
Наиболее часто применяются следующие
методы химического анализа материалов.
1. Гравиметрический (весовой). Раство-
Растворенная составляющая образца переводится
в труднорастворимую. Определение массы.
2. Объемный анализ. Масса растворен-
растворенного вещества устанавливается с помощью
применения определенных объемных раст-
растворов реактивов. Добавка индикатора.
Отдельные методики объемного анализа:
2.1. Ацидиметрия.
2.2. Алкалиметрия.
2.3. Перманганатометрия.
2.4. Иодометрня.
2.5. Церийметрия.
2.6. Аргентометрия.
2.7. Объемный газовый анализ.
2.8. Комплексометрия.
2.9. Титанометрия.
3. Электроанализ. Процессы на электро-
электродах или между электродами, зависящие от
198
ТАБЛИЦА 61
Методы анализа металлов
Влажные химические
(фотометрия)
Электрохимические ана-
аналитические
Оптический и микрохи-
микрохимический спектральный
Рентгенофлуоресцент-
ный
Масс-спектроскопия или
активационный
Электроннозондовый
Наименьшая
масса образ-
образца, г
Ю_3_10_4
—
~ю-в
~ю-7
10-W
10—1*
Наименьший
размер ана-
анализируемой
области, мм
—
~ю-2—
in—з
1U
ю-3
ю-*
Достижимое для
определения содер-
содержания элемент а
10—х мкг/мл или
10—3—10—4 %
^10—з мкг/мл пли
>ю-в%
> 10—3 мкг
(на электрод)
>10~6мкг
10-2—Ю-* мкг/г
или до 10—Б мкг/г
> 10-6мкг/мкм2
Нижняя возможная
граница примени-
применимости
10~7 (молярные
растворы)
ю-9—ю-"
(молярные раство-
растворы)
10-12—Ю-"
(металл)
Ю—13 (металл)
Ю-1*— Ю-"
(металл)
- Ю-1*—10"
(металл)
ТАБЛИЦА 62
Эле-
Элемент
С
Si
Мп
Р
S
Сг
V
Си
А1
Ni
Со
Мо
W
Ti
Nb/Ta
As
Sb
Sn
В
Mg
Pb
Ce
Zr
В
H
О
N
Fe
Zn
Cd
Ag
Be
Железо и его сплавы
2.7; 3.4; 3.6; 1; 5.4
1; 2; 6.1; 5.4
2.3; 6.1; 3.1; 5.4
1; 2; 6.1; 7.1; 5.4
2.4; 2.3; 3.6; 3.4;
5.4
3.1; 6.1-5.4
3.1; 6.1; 7.1; 5.4
1; S.I; 3.2; 3.3; 5.1
1; 2.8; 6.1; 7.4; 5-1
1; 3.1; 6.1; 3.2; 5,4
1; 3.1; 6.1; 3.2; 5,4
1; 2.3; 6.1; 5.4
1; 6.1; 5.4
1; 6.1; 5,4
1; 6.1; 5,4
7,5; 2; 6.1
7.1; 7.5; 6.1
3.2; 6.1; 7,5; 2
7,5; 6.1; 2
5.1; 2.8
1; 7.1; 6.1; 3,2
1; 6.1
1; 6-1
7.1; 6.1
2.7; 7,2
7.1; 3.4
7.1; 7.5; 2.9; 6.1;
7.2
6.2
6.2
—
—
AI и его
сплавы
1; 6-1
2.3; 3.1; 6.1
6.1; 2; 1
—
2.6; 6.1
2.3; 3.1; 6.1
1; 6.1
—
—
—
6.1; 2
—
—
7.1;7,5;6.1
3,2
—
1" 2
6.1; 3,2
—
—
—
7.1
—
2.3; 2.9; 6.1
1; 3.3; 2.8
3.1; 6.1; 3.2
6-1; 7.1
—
—~
Mg и его
сплавы
1; 6.1
2.3; 6.1
6.1
1; 2.8; 6.1
—
—
—
6,1
—
—
—
—
—
2.9; 6,1
1;3.1
—
—
Си и его
сплавы
1
1; 2; 6.1
2.4
—
3.3; 2.4;
5.4
1; 6.7
1:6.1
—
7.5; 2; 6.1
1;2
—
—
3.3; 1; 2.8
—
—
—
7,1
2.3; 2.9;
6.1
3,3; 1;2
—
—
2
6.1
о
? га
3.1; 1
—
2; 6.1
2
2.4
—
—
1; 28
—
—
—
—
—
6.1
33;
6.1
—
3.2
—
я g
2; 6 1
3.3
—
—
7.5;
61
2
2
—
—
1; 2.4;
3,2
—
—
6.1
—
—
о
S И
с с
М о
,
3.1; 6.1
3.3; 3.2
1;2.8
—
3.2; 6,1
—
1
1; 3.2
—
_
—
6.1; 2.9
2
—
—
О 3
<у m
_
.
3.3
—
—
—
—
_
—
—
—
—
—
—
—
.—
—
_
1;2.8
—
1; 2; 3.1
—
199
потенциала, силы тока, количества элек-
электричества и емкости. Электродные реакции,
неэлектродиые реакции. Явления двойного
слоя.
Отдельные методики электроанализа:
3.1. Потенциометрия.
3.2. Вольтаметрия.
3.3. Электрогравиметрия.
3.4. Кулонометрия.
3.5. Полярография в переменном токе.
3.6. Кондуктометрия.
3.7. Декаметрия.
3.8. Тензометрия.
4. Термометрия. Измерение энтальпии
реакции в ходе определенных реакций меж-
между образцом и реактивом. Термистор.
5. Атомная спектроскопия. Явления взаи-
взаимодействия между электромагнитным излу-
излучением и атомами или молекулами иссле-
исследуемых образцов.
5.1. Спектрография.
5.2. Спектрометрия.
5.3. Абсорбционная атомная спектромет-
спектрометрия.
5.4. Рентгеновская флуоресцентная спек-
спектрометрия.
6. Оптическая спектроскопия. Применение
в аналитической химии закона поглощения
Ламберта. Получение ионов из паровой
фазы.
6.1. Фотометрия.
6.2. Масс-спектрометрия.
7. Методы разделения. Маркировка ме-
мешающих компонентов или образование мно-
многофазной смеси.
7.1. Экстракция.
7.2. Хроматография.
7.3. Ионный обмен.
7.4. Hg-электролиз.
7.5. Дистилляция.
Методы, применяемые для количествен-
количественного определения элементов в металлах и
сплава-х, приведены в табл. 62, а в рудах и
металургических шлаках — в табл. 63 (но-
(номера соответствуют вышеприведенным).
Методы контроля состава подразделяют
на производственный и арбитражный ана-
анализы.
Количества основных компонентов и при-
примесей в твердых образцах определяются в
процентах по массе и молярных процентах,
в жидкостях и газах — в процентах по объ-
объему или в молях на литр. Следовые концен-
концентрации измеряются в миллионных долях
(млн.~4).
1.11.10. Коррозионные
испытания
В основе коррозии лежат начинающиеся
на поверхности самопроизволъные химичес-
химические или электрохимические реакции мате-
ТАБЛИЦА
Компоненты
Н2О
со2
Мп
р
S
SiO2
А12О3
TiO2
СаО
MgO
ВаО
Си
Fe2O3
Мп2О3
Сг2О3
v2o3
т-
Zn
Sb
As
Sn
Bi
Cd
Ag/Au
FeO
Fe(металл)
Ni
Co
63
Руда
1
1;2.7
—
—
—
—
—
—
—
—
Железная руда
—
2.3; 2.9; 6.1; 2,8
2.3;6 1;2.8;2,3
6.1; 2; 1
7.1; 2.4; 1
1; 6.1; 4; 2
6.1; 2.8
6.1
2.3: 5.3; 2.8; 7,3
1; 5.3; 6.1; 2,8
1; 2.8
6.1
2.3; 3.1; 6.1
2.3; 6.1; 3.1
6.1; 3,2
6.1; 7.1
6.1; 7.5; 3.1
—
2
2
6,1
6.1
Марганцевая руда
—
2.3:2.9,6.1
2.3; 6.1; 2.8
6.1; 2; 1
7,1; 2.4; 1
1" 6,1
6.1; 2.8
ai
2,3; 5,3; 2.8
2.8; 5.3; 6.1
1; 2.8
6.1
—
6.1; 3.1
6.1; 3.1
6.1; 3.2
6.1; 7.1
6.1; 7,5; 3.1
—
—
—
—
—
6,1
6.1
Боксит
(AI)
—
1
1
1; 3.1; 2.8
6.1
2.3
1
2.3
6.1
6.1
6.1
—
—
—
—
—
—
Магнезит
(Mg)
Доломит
—
6,1
1
1
2.8; 2.3
2.8; 1
1
2
—
—
—
—
Cu—Pb—Zn
РУДа
—
1
—
7.1; 1; 2.4
1
—
1
3.3; 1; 2.4; 3.1;
3.2; 6.1
1
—
—
1; 3,3; 2.8; 3,2
2; 2.8; 3.2
2; 7.5; 6.1; 3.1
2,4
7.1; 6.1
3.2; 3.3
1
—
—
—
200
риалов с окружающей средой. При этих ре-
реакциях происходит изменение материала и
его разрушение. Стандарты: TGL 18701;
9199; 12780; 18751; 18853; 18754; 18755;
ГОСТ 16785—71.
Виды коррозии
Очаг коррозии — область на поверхности
металла, в которой начинается коррозия.
Пятнистая коррозия (рис. 1.542) —по-
—поверхность металла, подвергнутая в отдель-
Рис. 1.542
Рис. 1.543
ных местах агрессивному воздействию без
заметного проникновения в глубину. Кор-
Коррозионное пятно представляет местное про-
проявление пятнистой коррозии.
Коррозионная язва (рис. 1.543) —мест-
—местное коррозионное разрушение, имеющее
вид отдельной раковины.
Рис. 1.544
Рис. 1.545
Точечная коррозия (рис. 1.544)—местная
коррозия, проникающая в глубь металла.
Имеет вид тонких кратеровидных углубле-
углублений. В конечном счете возможны сквозные
отверстия.
Коррозия под поверхностью (рис. 1.545)—
начинается на поверхности металла, но за-
затем преимущественно распространяется
под поверхностью.
Рис. 1.546
Рис. 1.547
Избирательная коррозия (рис. 1.546) —
преимущественно действует на определен-
определенные элементы структуры или легирующие
элементы.
Послойная коррозия, или коррозионное
расслаивание (рис. 1.547, слева)— происхо-
происходит преимущественно параллельно направ-
направлению деформации.
Межкристаллитная коррозия (рис.
1.547, справа) — происходит преимущест-
преимущественно вдоль границ зерен.
Коррозионные трещины и коррозионное
разрушение (рис. 1.548)—трещины и из-
излом являются результатом коррозии под
напряжением или коррозии при вибраци-
вибрационных нагрузках.
Коррозионно-усталостиое разрушение —
межкристаллитные коррозионные трещи-
трещины (рис. 1.549, слева) проходят по грани-
границам зерен; внутрикристаллитные (справа)—
по телу зерна.
Рис. 1.548
Рис. 1.549
&: Некоторые понятия (см. TGL 18701),
¦— Коррозия металлов (смГвыше).
— Износ (см. TGL 0-50320).
— Эрозия — нежелательное разрушение
поверхности материалов из-за механиче-
механического воздействия.
— Кавитация — образование пустот
вследствие дегазации или образования па-
пара в текущих жидкостях из-за понижения
давления.
— Коррозионная среда — среда, в кон-
контакте с которой металлические материа-
материалы корродируют.
— Продукты коррозии — химические со-
соединения, образующиеся в результате ре-
реакции коррозионных сред с металлически-
металлическими материалами.
б. Формы проявления коррозии металлов.
Равномерная коррозия представляет
сплошную коррозию, протекающую с одина-
одинаковой скоростью по всей поверхности ме-
металла.
Неравномерная коррозия — коррозия,
скорость которой в различных областях
поверхности металла различна.
в. Электрохимическая коррозия — это
коррозия металла в присутствии электро-
электролита. Полная реакция включает по мень-
меньшей мере две промежуточные реакции, ко-
которые протекают одновременно.
Поскольку в них участвуют носители за-
. ряда, различают: анодные промежуточные
реакции (анодный процесс) и катодные про-
промежуточные реакции (катодный процесс).
— Типы катодных процессов коррозии:
водородная деполяризация (в результате
реакция образуется Н2) и кислородная де-
деполяризация (в результате реакции обра-
образуются ионы ОН или вода).
— Электроды. Представляют сочетание
металл — электролит. Обмен электронами
или ионами происходит на границе фаз.
Электродный потенциал — см. 1.3.2.9.
Стационарный потенциал — электродный
потенциал в электролите без воздействия
внешних токов.
Поляризация — отклонение потенциала
под влиянием внешнего тока.
Кривая плотность тока — потенциал —
см. 1.3.2.9.
Коррозионный потенциал •— электродный
потенциал, который устанавливается в
электролите при коррозии металла.
Плотность коррозионного тока — плот-
плотность тока частичной реакции при опреде-
20 Г
леином катодном потенциале. Выражается
так же, как скорость коррозии (в электри-
электрических единицах измерения).
Коррозионный элемент — электрохими-
электрохимический элемент (сочетание анода и катода,
соединенных друг с другом с помощью
проводящей среды); появляется прн корро-
коррозии металлов.
Анод и катод коррозионного элемента
могут возникать благодаря следующим об-
обстоятельствам:
а) наличию различных металлов;
б) присутствию гетерогенных областей
в одном металле или на его поверхности
(структурные составляющие, покровные
слои);
в) гетерогенности электролита (различ-
(различному содержанию кислорода);
г) различию в физических условиях
(температура и др.).
Примеры коррозионных элементов (кор-
(коррозионных пар)
Анод в коррозионном элементе: область
поверхности металла; ионы металла посту-
поступают в электролит.
Катод в коррозионном элементе: область
поверхности; протекают реакции с обменом
электронов (восстановление Н2).
Макрокоррозионный элемент: величина
поверхности анода или катода видна не-
невооруженным глазом.
Микрокоррозионный элемент: электро-
электроды микроскопически малы.
Концентрационный элемент: коррозион-
коррозионный элемент, в котором анод и катод об-
образуются из-за различия в концентрациях
составных частей электролита, принимаю-
принимающих участие в электродных реакциях, в раз-
различных областях поверхности металла.
Термогальванический элемент: коррози-
коррозионный элемент, в котором катод и анод об-
образуются за счет различия температур на
поверхности металла. При этом область с бо-
более высокой температурой является ано-
анодом.
Контактный коррозионный элемент* кор-
коррозионный элемент, в котором анод и ка-
катод образуются из двух различных метал-
металлов, причем неблагородный металл являет-
является анодом.
Кислородный элемент (пара): анод и
катод образуются из-за различия в кон-
концентрации растворенного кислорода в элек-
электролитах в различных областях поверхно-
поверхности металла.
Область с пониженным содержанием кис-
кислорода является анодом.
Пассивность. Состояние поверхности ме-
металла, характеризующееся повышенной кор-
коррозионной стойкостью. Прн этом происхо-
происходит замедление анодного растворения ме-
металла за счет образования пассивирован-
пассивированного слоя.
Пассивация — процсс перехода поверх-
поверхности металла из активного в пассивное
состояние.
Пассивирующее средство (пассиватор) —
вещество, обеспечивающее пассивацию по-
поверхности металла.
Потенциал пассивации — возникает при
переходе электродного потенциала в на-
направлении анодной поляризации.
Плотность пассивирующего тока — плот-
плотность тока, соответствующая потенциалу
пассивации.
Плотность пассивирующего тока — анод-
анодная часть плотности тока металла в пас-
пассивном состоянии.
Потенпиал точечной коррозии — элект-
электродный потенциал, при превышении кото->
рого наступает точечная (сквозная) корро-
коррозия.
Потенциал активации — электродный по-
потенциал, ниже которого пассивность от-
отсутствует (металл активируется).
Активирующее средство — вещество,
способствующее переходу в активное со-
состояние.
г. Химическая коррозия металлов. Про-
Проявляется в плохо электропроводящих или
в неэлектропроводящих средах (например,
сухих газах). Окисление и восстановление
происходит в едином процессе.
При высокотемпературной коррозии (хи-
(химическая коррозия металлов в газе при
повышенных температурах) принято разли-'
чать: высокотемпературное окисление —
реакция металлов с окисляющим газом при
повышенной температуре (может происхо-
происходить одновременно с электрохимической
коррозией) и внутреннее окисление —
образование окислов внутри металлов
(диффузия кислорода вдоль границ зерен,
а также в зоны дефектов кристаллической
решетки).
д. Виды электрохимической коррозии.
— Равномерная (поверхностная) корро-
коррозия. Различают: атмосферную коррозию,
которая происходит в атмосфере, и корро-
коррозию при точке росы и в дымовых газах —
под воздействием газообразных продуктов
горения.
— Неравномерная (точечная или язвен-
язвенная) коррозия. Возможны:
контактная коррозия, возникающая за
счет электропроводящего соединения ме-
металлов с различными электродными потен-
потенциалами;
коррозия при соприкосновении различ-
различных металлических материалов или метал-
металлов и неметаллов (коррозия в местах от-
отложений посторонних частиц) за счет об-
образования коррозионных пар;
коррозия под осадком при осаждении
неметаллических веществ на металлах;
щелевая коррозия — местная коррозия
за счет образования элемента дифферен-
дифференциальной аэрации в наполненной электро-
электролитом щели;
коррозия по границам фаз •— местная
коррозия, происходит под поверхностью
жидкости, когда металл не полиостью вы-
высушен (образование элемента дифференци-
дифференциальной аэрации);
коррозия во время простоев '— местная
коррозия, происходит при простое обору-
оборудования;
коррозия при конденсации влаги эа счет
осаждения воды на поверхность металла
при достижении точки росы;
термогальваническая коррозия за счет
различной температуры на поверхности од-
одного и того же металла, находящегося в
электролите;
202
филигранная коррозия, проявляется в уг-
углублениях под защитными слоями орга-
органики;
коррозия, вызванная блуждающими то-
токами; происходит на местах выхода блуж-
блуждающих токов;
почвенная коррозия — коррозия метал-
металлов, находящихся в земле;
микробиологическая коррозия, происхо-
происходит под влиянием микроорганизмов (про-
(продукты распада, обмен веществ).
— Селективная (избирательная) корро-
коррозия. Различаются:
ножевая коррозия — вид межкристал-
литной коррозии, появляется в сварных
швах в зонах, подверженных нагреву;
обесцинкование — избирательная корро-
коррозия латуни;
губчатая коррозия — избирательная кор-
коррозия серого чугуна.
— Коррозия в сочетании с механически-
механическими напряжениями, коррозия под напря-
напряжением. Представляет собой вид коррозии,
которая происходит при одновременном
воздействии коррозионной среды и меха-
механических напряжений. Различаются:
коррозионное растрескивание под на-
напряжением, происходит под воздействием
коррозионной среды, а также внутренних
и внешних напряжений; следствием явля-
является образование межкристаллитных и
внутрикристаллитных трещин;
коррозионное растрескивание при вибра-
вибрации, происходит под воздействием корро-
коррозионной среды и знакопеременных растя-
растягивающих напряжений. Следствием явля-
является образование транскристаллитных тре-
трещин с усталостным разрушением;
водородное охрупчивание, происходит
разрушение вследствие внедрения атомар-
атомарного водорода в структуру.
— Коррозия при износе. Разрушение, на-
начинающееся на поверхности вследствие хи-
химических и электрохимических реакций.
Поверхность в результате износа приобре-
приобретает склонность к коррозии. Различаются:
коррозионная эрозия — одновременное
протекание эрозии и коррозии при истира-
истирающем воздействии другого твердого тела;
коррозионная кавитация — одновремен-
одновременное протекание кавитационной эрозии и
коррозии;
фреттинг-коррозия (коррозия при тре-
трении) местная коррозия в атмосфере, содер-
содержащей кислород.
е. Продукты коррозии.
Ржавчина — продукт коррозии материа-
материалов на основе железа краснокоричневого
цвета, представляет собой гидроокись же-
железа.
«Белая ржавчина» — продукт коррозии
цинка и его сплавов. Образуется при кор-
розин за -счет конденсации влаги. Белого
цвета, пористая.
Патина — продукт атмосферной корро-
коррозии медных сплавов. Представляет собой
основную соль CuSO4, а также основные
карбонат и хлорид меди.
Ярь — медянка. Основной ацетат меди.
Образуется при воздействии на медь и ее
сплавы уксусной кислоты.
Окалина — продукт реакции окисления,
появляющийся на поверхности металла при
повышенной температуре (рис. 1.550).
ж. Правило поверхностей. Коррозия тем
сильнее, чем меньше анодная область по
отношению к окружающей катодной по-
поверхности, так как величина коррозии со-
соответствует появляющейся плотности кор-
коррозионного тока.
з. Количественные характеристики. По-
Потеря вещества ДО или потеря массы Дт.
Коррозионные потери К=кт/А. Измеря-
Измеряются в граммах на квадратный дециметр
или в миллиграммах на квадратный деци-
дециметр; А — поверхность образца.
Ржавчина
1. 1
Посторонняя ржавчина
Отложение ржавчины,
которая возникла
в другом месте
\
Налет ржавчины
Легко удаляемый слой
ржавчины. Образуется
в начальной фазе
атмосферной коррозии
сплавов на основе
железа
Посадочная ржавчина
Образуется на поса-
посадочных поверхностях;
при фреттин!-коррозии
1
Выцветание окалины
Местные увеличения
наростов окалины
Окалииа
1
Сернистые язвы
Образование окалины с
высоким содержанием серы
Рис. 1.550
203
Величину К нельзя использовать для ме-
металлов с очень неравномерной плотностью.
В этом случае используют линейный снос
металла (изменение линейных размеров):
L=K/p. Измеряется в миллиметрах или
микрометрах.
Коррозионное сопротивление W соот-
соответствует обратной величине линейного
сиоса 1л W=L~i.
Скорость коррозии Окор = K/t. Измеря-
Измеряется в следующих единицах: г-м-2-ч-', или
г-дм-2-сут-', или в мм-год-'; t — время
в часах (ч), сутках, годах.
Образцы для коррозионных испытаний
должны быть по своим свойствам близки
к реальным изделиям, особенно по таким
параметрам, как тип материала, защитный
слой, состояние поверхности, форма, струк-
структура, способ соединения, сочетание мате-
материалов, предварительная обработка (грун-
(грунтовка), степень шероховатости грунтовки,
строение и толщина защитного слоя, спо-
способ получения защитного слоя. Поверхность
образца ~20 см2, размеры 150X100 или
100x50 мм. (В других стандартах могут
быть разрешены отклонения в соответствии
со специальным предписанием.)
Следует избегать холодной деформапии
и действия нагрева. Образцы перед испы-
испытаниями необходимо обезжиривать.
Испытания, измерительная техника
а. Общие указания. Коррозионные факто-
факторы, справедливые для всех видов коррозии:
поверхность материала (чем выше шеро-
шероховатость, тем интенсивнее коррозия);
структура материала (чем выше неодно-
неоднородность, т. е. выделения, сегрегации,
включения,'тем интенсивнее коррозия);
электролиты как коррозионная среда (вы-
(высокая влажность ведет к интенсивной кор-
коррозии).
Характеристики коррозионной стойкости,
служащие для оценки поведения матери-
материала при коррозии (табл. 64).
б. Задача коррозионных испытаний —
определение коррозионной стойкости об-
образцов с целью выбора наиболее подходя-
подходящего метода защиты от коррозии. Корро-
Коррозионные испытания состоят из собственно
ТАБЛИЦА 64
экспериментов и их оценки. Коррозионные
испытания предпочтительно проводить в ви-
виде сравнительных опытов.
в. Классификация коррозионных испыта-
испытаний. Различают следующие виды испыта-
испытаний:
Испытания в эксплуатационных услови-
условиях — эксперимент проводят непосредствен-
непосредственно в заданной среде и испытания в лабо-
лабораторных условиях — эксперимент прово-
проводят в большинстве случаев в искусственно
созданных условиях.
Длительные коррозионные испытания. Ус-
Условия, близкие к эксплуатационным. Высо-
Высокая надежность прогнозов действенности
защиты от коррозии.
Кратковременные коррозионные испы-
испытания. Условия более жесткие, чем при
длительных испытаниях. Цель этих испы-
испытаний — дать сравнительную оценку кор-
коррозионной стойкости различных материа-
материалов.
Ускоренные коррозионные испытания
служат для контроля качества. При этом
применяются быстродействующие коррози-
коррозионные среды.
г. Химическая коррозия. Реакция с газо-
газообразными и твердыми компонентами ре-
реакции при повышенных температурах и
действие безводных коррозионных сред. В
присутствии воды и водных электролитов
происходит переход к электрохимической
коррозии.
Коррозионные среды и их действие
[11] — табл. 65.
д. Электрохимическая коррозия (рис.
1.551). Выбор измерительной ячейки, а
также техники получения вольт-амперной
характеристики производится, исходя из
поставленной при измерении задачи. Пара-
Параметры, которые могут быть определены при
этом способе испытаний: плотность корро-
коррозионного тока в активном состоянии, элек-
электрохимические параметры для характери-
характеристики пассивации, стойкость материала к
сквозной коррозии, склонность к межкрис-
таллитной коррозии, коррозионному рас-
растрескиванию под напряжением и' при ви-
вибрации.
Оценочная характеристика
материала
1а. Коррозионно проч-
прочный
16. Стойкий, очень хо-
хорош для применения , .
1в. Стойкий, хорош для
применения .....
2. Достаточно стоек,
может применяться . .
3. Малостойкий, услов-
условно применим
4. Очень малостойкий,
Скорость коррозии
тяжелых металлов,
г-м-^-сут""
<0,021
0,021—0,21
0,21—2,1
21—63
63—210
>210
Скорость коррозии лег-
легких металлов,
г.м~2-сут"~1
<0,007
0,007—0,07
0,07—0,7
0,7—7
7—21
21—70
. >70
Скорость
коррозии,
мм-год~~1
<0,001
0,001—0,01
0,01—0,1
0,1—1,0
1—3
3—10
>ю
Коррози-
Коррозионное
число
0
1
2
3
3,5
4
5
204
ТАБЛИЦА 65
Окисление, образование цветов побежалости, об-
образование окалины
Окисление горячим паром
Обезуглероживание, трещины за счет напряже-
напряжений, хрупкое разрушение
Азотирование, охрупчивание
Науглероживание, образование карбонилов, воз-
возникновение трещин
Сульфидироваиие, образование трещин за счет на-
напряжений, разрушение
Коррозия в отходящих газах (совместно с корро-
коррозионной эрозией)
Коррозия за счет золы жидкого топлива
Коррозия при конденсации влаги
Коррозия при точке росы н в кислой среде
ТАБЛИЦА 66
-воздух, кислород
-горячий пар
-водород
-аммиак
-окись углерода
-сероводород
-окись серы
I
-соединения Na—К
t
-конденсаты
t "
I
-конденсаты с кислотами
Виды коррозии и формы проявления
Коррозионные среды и особые условия
Атмосферная коррозия
Равномерная коррозия
Пассивация
Активация и сквозная коррозия
Контактная коррозия
Межкристаллитная коррозия
Обесцннкование
Коррозия в-феррита
Коррозия под влиянием блуждающих
токов
Коррозионное растрескивание, внутри-
кристаллитная коррозия, межкристал-
межкристаллитная коррозия
Катодная коррозия с растрескивани-
растрескиванием под напряжением
Коррозионное растрескивание при
вибрации
Атмосфера, воздух, загрязнение воздуха
Технические электролиты, влажные газы, почвы,
пары. Пассивация в толстых покрытиях за счет
плотных продуктов коррозии
Невидимые плотные окисные пленки
Частичное покрытие, недостаток кислорода, влия-
влияние хлоридов, недостаточное пассивирующее дей-
действие
Материалы с различным потенциалом в присутст-
присутствии хорошо проводящих электролитов
(См. выше)
В латунн (см. выше)
Избирательная коррозия 6-феррита в феррите
аустенитных сталей
См. выше
Происходит при растягивающих и собственных
напряжениях в материале и под воздействием
коррозионной среды
Происходит за счет диффузии атомарного водо-
водорода в кислой среде в присутствии ионов сульфи-
сульфидов
Знакопеременное нагружеиие (при медленном из-
изменении нагрузки) и коррозионная среда; потеря
усталостной прочности
Газ
Обзор видов коррозии [11] — табл. 66.
е. Испытания при определенных видах
коррозии.
— Поверхностная коррозия. Для оценки
используют лабораторные и натурные ис-
испытания.
Натурные испытания. Испытания на- воз-
воздействие атмосферы (рис. 1.552). Прово-
Рис. 1.SS1
/ — вспомогательный электрод для установки по-
постоянного катодного потенциала; 2 — коррозион-
коррозионная среда; 3 — магнитная мешалка; 4 — капилляр;
5 — образец (аиод); 6 — измерительная цепь; 7—
. электрод сравнения; 8 — цепь-тока электролиза
205
дятся длительные испытания в различных
местностях с различными климатическими
условиями. Применяют специальные испы-
испытательные стенды.
Испытания в пресной или морской воде.
Различают: 1) длительные испытания под
водой на глубине 300—1000 мм от мини-
Рис. 1.552
мального уровня воды; 2) испытания при
периодическом погружении образцов; воз-
возможно использование приливов и отливов;
испытания не должны проводиться у устья
реки (солоноватая вода); формы образцов
такие же, как и при Испытаниях на растя-
растяжение (см. 1.11.2.1); 3) испытания в поч-
почве; применяются образцы с поверхностью
300 см2 или стержневые образцы длиной
1 м, причем коррозионные испытания про-
проводят .в присутствии почвенных токов.
Лабораторные испытания. Подразделя-
Подразделяются на кратковременные климатические
испытания (определение климатической
пригодности; определение воздействия
климата по категориям: I — открытые ис-
испытания; II —испытания под крышей; III—
испытания в закрытом помещении; IV —
испытания в условиях искусственного кли-
климата и кратковременные испытания в раст-
растворах. (В основном пять видов: испытания
при длительном погружении или стендовые
испытания; испытания при перемешивании
раствора; испытания в потоке жидкости;
испытания в кипящей жидкости; испытания
в сосуде высокого давления.)
ТАБЛИЦА 67
Вид агрессивного .ao3fl&flof.
ВИЯ
Материал
Испытательная среда и условия
Интеркристаллитная
коррозия
То же
Коррозионное растрес-
растрескивание под напряжени-
напряжением, межкристаллитная
коррозия
То же
Коррозионное растрес-
растрескивание под напряжени-
напряжением, внутрикристаллитная
коррозия
Коррозионное растрес-
растрескивание под напряжени-
напряжением, меж- и внутрикри-
внутрикристаллитная коррозия
То же
Нержавеющая
сталь
Сплавы Ni—Mo
Ni—Cr—Mo
Сплавы Си
Сплавы At
Нелегированные
низколегирован-
низколегированные стали
Сплавы Си
Сплавы благород-
благородных металлов
Сплавы А1
Нержавеющие
стали
Сплавы Си
Благородные
таллы
Сплавы Mg
ме-
Испытание по Штраусу в кипящем сульфа-
сульфате меди
Испытание по Хейю — кипячение в азотной
кислоте
Испытание по ASTM (свариваемые аусте-
нитные стали)
Кипячение в растворе серной кислоты с
сульфатом железа; в случае Ni—Mo спла-
сплавов — в соляной кислоте
Серная или азотная кислота с добавкой
NaCl
То же, но с перемешиванием при комнат-
комнатной температуре
Испытание в нитратах кальция (применяет-
(применяется также для легированных сталей при
определении склонности к межкрнсталлит-
ной и внутрикристаллитной коррозии)
Испытания с использованием нитрата ртути
Испытания в хлориде меди и хлориде же-
железа при комнатной температуре
Испытание при перемешивании и периоди-
периодическом погружении при комнатной темпера-
температуре с добавками NaCl и Н2Ог. Контроль
рН. Испытания в искусственной морской
воде
Испытания в хлориде магния
Раствор для погружения — аммиачный рас-
раствор карбоната Си
Добавка азотной кислоты к аммиачному
раствору карбоната меди (коррозионное
растрескивание под напряжением)
Раствор NaCl и КгСгО4
206
Указания о дополнительной
классификации климатических
испытаний. Кроме описанных выше
климатических испытаний, применяют так-
также другие виды испытаний: ASMS — реко-
рекомендации, DIN 50015, 10019 — коррозион-
коррозионное испытание при выдержке в камере с
повышенной влажностью (TGIi 9206) и ис-
испытание в конденсированной воде (DIN
50017).
— Местная керрозия. Для ее оценки
проводят главным образом «лабораторные
испытания и электрохимические пробы. Ме-
Методы испытания в случае местной корро-
коррозии [11]—табл. 67.
В зависимости от вида агрессивного воз-
воздействия и назначения испытаний опреде-
определяют: изменение массы и размера, измене-
изменение механических свойств, изменение по-
поверхностных свойств и внешнего вида, глу-
глубину агрессивного воздействия при нерав-
неравномерной коррозии, изменение структуры,
исходные данные для оценки избиратель-
избирательной коррозии, изменение состава испыта-
испытательной среды.
1.11.11. Применение
изотопов и методы
исследования с помощью
меченых атомов [15]
1.11.11.1. Основные положения
Различие между радиоактивными и ста-
стабильными изотопами определяется различ-
различным числом нейтронов в ядре, конечной
скоростью распада и выходом радиоактив-
радиоактивного излучения при переходе в стабильное
состояние.
Естественной радиоактивностью облада-
обладают изотопы элементов с порядковыми но-
номерами 83—92.
Искусственную радиоактивность с помо-
помощью нейтронного облучения можно полу-
получить у всех элементов (радиоактивные изо-
изотопы).
Полезными для практики свойствами
изотопов является возможность техннчес-
ТАБЛИЦА 68
Излуча-
Излучатель
Замкну-
Замкнутый
Заэкра-
нирован-
нированный
То же
»
Откры-
Открытый
То же
»
Применение
Получение
данных о рас-
распределении
массы
Обнаружение
дефектов
Химико- ана-
аналитический ана-
анализ инактивных
образцов
То же
Мечеиие изде-
изделий и деталей
Мечение
Мечение эле-
элементов
Химический
анализ инак-
инактивных образ-
образцов
То же
Пример
Измерения тол-
толщины полос
фольг, слоев
высоты шихты
в доменной пе-
печи, определение
уровней, со-
содержания эле-
McfllUB
Дефектоско-
Дефектоскопия сварных
швов, отливок
Измерение
влажности, оп-
определение В и
Li
Радиоактива-
пионный ана-
анализ (диспер-
(дисперсия энергии)
Испытания на
нзнос и корро-
коррозионную стой-
стойкость
Определение
переноса и рас-
переделения
зещества
Исследования
эаспределення
Активацион-
ный анализ
Изотопный
анализ с раз-
разбавлением
Вид
излу-
излучения
?
р
(а)
(I)
п
V
Y
Р
Y
Р
У
Р
1
У
р
Используемый
принцип
Измерение по-
поглощения, об-
обратного рас-
рассеяния и флуо-
флуоресценции
Радиография
Торможение —
п, абсорбция —
п
Характеристи-
Характеристическое излуче-
излучение
—
Изотоп дви-
движется с мече-
меченой фазой
Статистичес-
Статистическое распреде-
распределение в смеси
изотопов
Активация ней-
нейтронами
Увеличение
активности
Источник
излучения
wKr,
187Cs,
eoCo,
?4»Am
»32Ir,
"•Со,
170Tm
2«Am,
252Cf
2«Am,
B5Fe
—
—
—
—
—
Индикатор
_
—
—
Собственный
и чужеродный
Чужеродные
изотопные ин-
индикаторы (ме-
(меченые атомы)
Собственные
изотопы
—.
Собственные
изотопы
207
кого использования их радиоактивного из-
излучения и одинаковых физических и хими-
химических свойств в условиях статистического
распределения изотопов одного элемента в
их смеси.
Преимуществами применения радиоактив-
радиоактивных изотопов являются: высокая чувстви-
чувствительность обнаружения (например, можно
обнаружить Ю-16 г S2P), возможность на-
наблюдения кинетических процессов между
атомами одного и того же элемента (на-
(например, самодиффузии Fe в Fe), возмож-
возможность использования в неразрушающем и
непрерывном контроле измеряемых и регу-
регулируемых параметров.
Примеры применения в металлургии
[15]—табл. 68.
Основные понятия
а. Радиоактивность зависит от свойств
атомного ядра.
б. Типы ядерных превращений: Р-распад,
а-распад.
Y-излучение—сопутствующее явление при
а- или Р-распаде; уизлУчателями являют-
являются ядра изомеров, которые переходят из
возбужденного состояния в состояние с
меньшей энергией.
в. Энергетическая диаграмма — рис, 1.553.
f7Co
1 N>
_ — —4_
| 4
27 Л
Ряс. 1.653
2b
?
МЭВ
0,83
1,17
1,33
i
5,3a
<fOns
Излучение может действовать на элек-
электронную оболочку атома (рис. 1.554). При
этом наблюдается рассеяние излучения,
т. е. столкновение частиц излучения н
Се) Ионизация
Упругое
рассеяние
Рис. 1.554
Отклонение
электронов, изменение направления частиц
без потерь энергии, а также возбуждение
и ионизация.
В результате действия излучения на яд-
ядро может происходить упругое соударение,
Рис. 1.555
рассеяние, неупругий удар и превращение
ядра вследствие захвата частицы. Поле за-
заряда ядра может вызывать торможение и
отклонение частиц.
г. Закон радиоактивного распада. Ско-
Скорость распада dN/dt зависит от числа ра-
радиоактивных атомов:
dN/dt =— JUV; Nt = No e~%t;
Здесь N — число радиоактивных атомов;
Nt — то же, в момент t (t в секундах); ,Vo—
то же, при <=0; X—постоянная распада,
T'/j —период полураспада.
Взаимодействие излучения с веществом.
При прохождении радиоактивного излуче-
излучения через массу вещества происходит вза-
взаимодействие, при котором частицы рассеи-
рассеиваются, или происходят превращения энер-
энергии.
Известны следующие виды взаимодейст-
взаимодействия.
Рис. 1.556
Виды и свойства излучений — см. табл.
69.
Энергетические спектры — рис. 1.555 и
1.556.
Р-излучение состоит из Р-частиц разной
энергии (электронов). Наличие фотопика
характерно для действующего источника у-
излучения.
208
I
я
га
m
a
a. a.
i§g
III III!
со » a Aeae H
)= О- О О А ^ °
О ни сА в с
gSBg
« 2 « &•¦-
и о 5 Ё о .в
¦His
8°ооЯ
tq
m
14—140
209
1.11.11.2. Техника измерений
Измерительная блок-схема при примене-
применении метода меченых атомов приведена на
рис. 1.557.
Измерительный зонд (датчик) — детектор
излучения, который превращает образую-
образующиеся при распаде частицы в отдельные
импульсы (U, I).
ток, которые определяют число импульсов,
образующихся в единицу времени,
Детекторы
Газоразрядные детекторы — ионизацион-
ионизационные камеры, пропорциональные счетчики,
разрядные счетчики (счетчики Гейгера ¦—¦
Мюллера).
Измерю
зонд (j
i
гельный
датчик)
Устройство для
автоматической
смены образцов
Усилитель
Анализатор
Измеритель
скорости
счета
Счетчик
Спектромет-
Спектрометрическая
автоматика
Самописец
Печатающее
устройство
¦
Перфоратор
Рис. I.S57
Усилитель — осуществляет усиления им-
импульса до величины, соответствующей
входной чувствительности счетчика. Уси-
Усиление / (входная чувствительность счетчика
и высота импульса).
Устройство для автоматической смены
образцов — устройство, обеспечивающее
высокую пропускную способность при про-
прохождении образцов.
Анализатор — применение: раздельное оп-
определение импульсов и снятие энергетичес-
энергетических спектров. Виды анализаторов: однока-
нальные (разделение от 2 до 3 элементов)
н многоканальные (одновременное измере-
измерение числа импульсов во многих каналах),
например активационный анализ (рис
1.558).
f
1
верхний уровень налряже-,
нияна дискриминаторе
Нижний ypo0e//i
А
Рис. 1.558
/ — совпадение импульсов—счет отсут-
отсутствует: // — совпадение Импульсов не
регистрируется: /// — совпадение им-
импульсов — счет отсутствует
Счетчик с преобразователем импульсов—
для превращения импульсов в равномерные
одинаковые сигналы, обеспечивающие воз-
возможность их разделения. Разрешающая
способность 10е—10" имп-с-1.
Измеритель скорости счета — конденса-
конденсатор или протекающий через сопротивление
210
Твердотельные детекторы —сцинтилляци-
онные счетчики, полупроводниковые детек-
детекторы, фотоэмульсии, твердотельные детек-
детекторы для определения очень малых содер-
содержаний радиоактивного индикатора.
Принцип действия газоразрядного детек-
детектора — рис. 1.559. Поступающие радиоак-
радиоактивные частицы порождают электроны и
-=и-
Рис. 1.559
ионы. Последние движутся под действием
приложенного напряжения к электродам и
создают импульсы тока.
Известны следующие виды детекторов:
— ионизационная камера; величина им-
импульса зависит от энергии частиц;
— пропорциональный счетчик; импульс-
импульсная ионизация ограничена A0s+107); ве-
величина импульса пропорциональна энергии
частиц;
¦ШВ-
Рис. 1.560
— газоразрядные счетчики; высокая им-
импульсная ионизация; величина импульса не
зависит от энергии частиц.
А. Счетчик Гейгера-Мюллера. Для не-
«? п?„аККрШ: а) пеРвичная ионизация;
б) импульсная ионизация; в) газовые раз-
разряды; г) срыв газовых разрядов- д) впемя
запаздывания (рис. 1.560, 1.&61) Р
усиления ФЭУ зависит от приложенного
напряжения. Высота импульсаР со™ ™
вует высоте напряжения и пропорциональ-
пропорциональна энергии частицы или кванта. Время за-
запаздывания составляет Н)-* с лГ=106
U, U.
Рис. 1.561
Uв — приложенное напряжение; l/g —
стартовый потенциал; U, О, — лливя
плато, 300 В: UА - рабочее напряже
ние; UA =UF+m В; / - плато Гейге-
Гейгера
Продолжительность службы трубки Гей-
Гейгера—Мюллера при органическом гашении
iu импульсов, в дальнейшем гасящие мо-
молекулы разрушаются.
Счетчики могут храниться длительное
время. Для галогенных счетчиков продол-
продолжительность службы более 10»2 импульсов
Однако из-за коррозии они не подлежат
длительному хранению.
Время запаздывания 10~4с- /тах=105
импульсов.мин-1. Вероятность 'срабатыва-
'срабатывания проникающего излучения а и В—ЮО^-
у-излучения<1 %. р /0>
Область энергии должна соответствовать
наименьшей энергии, которая обеспечивает
прохождение излучения через стеику де-
детектора.
Колпачковый счетчик. Окно-
1,7-ь2 мг-см-*; ?р>40кэВ;?а>3000 кэВ.
Чашечный счетчик. Стенки: 25-5-
-*-40 мг-см-2; ?р>200 кэВ.
Нульэффект: излучение фона + случай-
случайный разряд «30—70 импульсов-мин-1
Преимущества: надежная конструкция-
возможность обнаружения излучения низ-
низкой энергии.
Недостатки: напряжение импульса зави-
зависит от энергии; большое время запазды-
1 Л™ с«ИНТИЛЛЯВДГОНИые счетчики (рис.
1.562). Для регистрации а-частиц применя-
применяют znb. Для регистрации Р-частиц—пласт-
Р-частиц—пластмассы, твердые и жидкие. Для регистрации
Y-излучения используют монокристаллы
?N3.1 И 11.
Назначение световодов—уменьшить све-
световые потери за счет преломления. При
этом находит применение силиконовое
масло.
Фотокатод и фотоэлектронный умножи-
умножитель (ФЭУ). Преобразователь световой
вспышки в электрический сигнал. Степень
Рис. 1.562
/ — кристалл- 2 — световод- S — Аптп.
катод; 4-ФЭУ: 5-усилитель- °-
анализатор; 7 _ покавьщающий Ьпр„йОр
импульсмин-* Вероятность порогового
срабатывания 5-25 % для уизлучения и
зависит от энергии. Тепловой шум вызыва-
вызывается высокой термической собственной под-
подвижностью электронов, выходящих из фо-
фотокатода. Срок службы -неограниченный,
ь. Полупроводниковые детекторы излу-
излучения (рис. 1.563). Излучение приводит к
All Si/U
Рис. 1.563
I — запирающий слой
созданию носителей заряда в запирающем
слое за счет ионизации. Благодаря этому
реализуется высокая степень разрешения
энергии.
Г. Фотоэмульсии. Высокая чувствитель-
чувствительность различения частиц, небольшие затра-
затраты на аппаратуру. Галоген-серебряная
эмульсия характеризуется следующей чув-
чувствительностью к различным частицам- а—
очень высокая; р—высокая; у—неудовлет-
у—неудовлетворительная.
Д. Твердотельный детектор для обнару-
обнаружения очень малых содержаний частиц
Пластмассы (например, ацетат целлюлозы)
могут служить для обнаружения следов
тяжелых заряженных частиц. Служат так-
также для обнаружения а-частиц. Применя-
Применяют, например, для определения бора в
стали.
1.11.11.3. Получение
искусственных радиоактивных
изотопов
Основано на вынужденном превращении
ядра при его бомбардировке частицами вы-
высоких энергий (р, п. а, е, у).
Протекание процесса. Захват частицы
бомбардяруемым ядром->-освобождение
энергии связи (-8 МэВ на нуклон) -*воз-
211
стабильное
ядро
промежу-
промежуточное
ядро
Рис. 1.564
«Zn
активный
активный
активный
активный
f|Cu+d
Анализируемый образец
Стандартный образец
а. = ?
Активация
I
Результаты
неразрушающего
контроля
I Химическое разделение I
Добавка неактивного носителя
Групповое разделение
Разделение на химически
чистые фракции
Спектрометрия,
кривые затухания,
измерение поглощения
Чистые взмерения
активации
Результат
буждение промежуточного ядра -^переход
промежуточного ядра в дочернее ядро с ис-
испусканием частицы. Пример бомбардиров-
бомбардировки 64Zn нейтронами различной энергии
(рис. 1.564).
При активационном нейтронном анализе
активируется весь объем.
Активация тонких слоев. Заряженные
частицы проникают в облучаемый матери-
материал на незначительную глубину (поверхност-
Рис. 1.565
ная активация). Применяется при испыта-
испытаниях на износ и коррозионных испытаниях.
1.11.11.4. Примеры применения
Измерение поглощения у-лучей. Контроль
за сохранением заданных размеров гото-
готовых изделий. Измерение уровня заполнения
бункеров. Радиография, Дефектоскопия
(сварные швы).
212
Измерение поглощения ^-излучения. Из-
Измерение толщин фольг.
Измерение флуоресцентного излучения.
Измерение толщин фольг легких металлов.
Измерение влажности с помощью опре-
определения торможения нейтронов. Использу-
Используется высокий тормозной эффект нейтронов
на ядерах равной массы.
Определение бора с помощью нейтронной
реакции. Используется большое эффектив-
эффективное сечение захвата бора (В10~4000 барн).
Обнаружение а-частиц с помощью твердо-
твердотельного детектора, обеспечивающего опре-
определение очень малых содержаний бора
(следов).
Бездифракционная RF-техника. Исполь-
Используется при непрерывном контроле содер-
содержания металла в концентратах при обо-
обогащения руд.
Применение радиоактивных изотопов в
качестве открытых источников излучения.
В шахтных печах: износ кладки, скорость
перемещения шихты. В печах для рафини-
рафинирования: перемещение материала, опреде-
определение количества (например, шлака). В ко-
кокильном литье — для исследования процес-
процессов кристаллизации при затвердевании. Ис-
Исследование пор: очистка, введение приме-
примесей, разделение. Диффузия — определение
коэффициентов самодиффузии. Износ, кор-
коррозия, отгонка материала, образование
окалины, окисление.
Использование в аналитической химии.
В аналитической химии испол.ьзуют инди-
индикаторный анализ, активационный анализ,
анализ с применением разбавленных изо-
изотопов.
а. Индикаторный анализ. Метод меченых
атомов — смешение неактивных элементов
с их активными изотопами. Используется
техника измерения активности. Недостаток:
высокие затраты на защиту от излучения,
но несмотря на это применяется очень
часто.
б. Активационный анализ. Образец облу-
облучается частицами (л), которые вызывают
превращения ядер подлежащего определе-
определению элемента. Появляются изотопы. Изме-
Измеряемая величина — активность возникаю-
возникающих изотопов. Можно использовать при оп-
определении чистоты полупроводников (см.
схему метода на рис. 1.565).
в. Анализ с применением разбавленных
изотопов. Метод для определения извлече-
извлечения.
Вид точной оценки химического раз-
разделения (не всегда количественный), опре-
определение К в растворах. Добавка материала
с определенной активностью А\ изотопа
'2К. Осаждение К в виде КС1О4. Взвеши-
Взвешивание чистого КСЮ< (масса т2) и опреде-
определение активности Аг. Определение содер-
содержания К (масса mi): mi=^i/^)
2. НЕКОТОРЫЕ
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
Ниже приведены некоторые материалы,
применяемые в металлургической промыш-
промышленности:
1. Металлические материалы—сплавы на
основе железа, алюминия, меди, свинца,
цинка, олова, никеля и магния.
2. Металлургические полуфабрикаты и
заготовки — слитки, слябы, трубы, листы.
3. Сырье — исходные материалы (руды,
агломерат, гранулят); флюсы (известь, со-
сода, боксит); присадки (ферросплавы); ма-
материалы для покрытий (металлические, ор-
органические, неорганические).
4. Вспомогательные материалы — топли-
топливо, реакционные газы, рафинирующие до-
добавки, огнеупорные материалы.
5. Отходы —шлаки, пыль, шлам, ока-
окалина.
Далее будут рассматриваться преимуще-
преимущественно металлические материалы и метал-
* лургические полуфабрикаты и заготовки.
2.2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
2.2.1. Сплавы железа
2.2.1.1. Общие сведения
Существует несколько вариантов класси-
классификации сплавов железа.
а. Расширеннаи классификация: стали
(деформируемые сплавы); чугуны (литей-
(литейные сплавы).
б. Классификация сталей по степени чис-
чистоты:
1. Стали массового производства — стро-
строительные общего назначения, низколегиро-
низколегированные строительные, стали для цепей, для
заклепок, для горячей и холодной штам-
штамповки гаек, для катания, углеродистая лис-
листовая, котельная листовая, трубная, арма-
арматурная.
2. Качественные и высококачественные
стали — низкоуглеродистые (обычно для
холодной штамповки), улучшенные конст-
конструкционные, цементуемые, хромируемые,
азотируемые, высокопрочные конструкцион-
конструкционные, пружинные, для сварочной проволоки
213
ТА БЛИЦА 78
Сплавь)
Литейный чугун
Литейный чугун с пластинчатым графитом (серый чугун)
Литейный чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чу-
чугун)
Легированный литейный чугун
Нелегированный отбеленный чугун
Легированный отбеленный чугун
Ковкий чугун
Белосердечный
Чериосердечный
Перлитный
Литейные стали
Нелегированные (углеродистые)
Жаропрочные
Жаростойкие и окалнностойкие
Нержавеющие и кислотостойкие
Легированные для машиностроения, строительства
Для точного литья по выплавляемым моделям в ряде отрас-
отраслей техники
Условное
обозначение
GGL
GGG
GH
GH
GTW
GTS .
GTP
GS
GS
GS
GS
GS
GS
TGL
14400
8189
14414
10327
14315
7458
10414
14394
14395
14415
(электродов), нержавеющие и кислотостой-
кислотостойкие, жаростойкие (окалиностойкие), водо-
родоустойчивые, жаропрочные, клапанные,
для турбинных лопаток, динамные и транс-
трансформаторные, износостойкие, подшипнико-
подшипниковые, углеродистые инструментальные, леги-
легированные инструментальные для холодных
и Горячих штампов, быстрорежущие, авто-
автоматные, для крупных поковок, для глубокой
вытяжки, немагнитные.
в. Классификация по температуре полу-
получения сталей (очень редко применяемая):
литая сталь (при температуре >7"„); сва-
сварочная сталь (при температуре <Гв).
г. Классификация по типу сталеплавиль-
сталеплавильного агрегата:
— мартеновская сталь — мартеновский
процесс;
— электросталь — плавка в электродуго-
электродуговых или электроиндукционных печах;
— томасовская сталь — томасовский про-
процесс;
— бессемеровская сталь — бессемеров-
бессемеровский процесс;
— конверторная сталь — конверторный
процесс;
— кислородно-конверторная сталь — про-
продувка конвертора кислородом.
д. Классификация по виду конечной про-
продукции:
— листовая (полосовая);
— трубная;
— проволочная;
— профильная;
— широколистовая (полосовая).
е. Классификация по основным легирую-
легирующим элементам:
— углеродистая
— хромистая;
— марганцовистая.
ж. Классификация по степени легирова-
легирования:
— углеродистые;
— низколегированные;
— среднелегированные;
— высоколегированные.
Классификация литейных сплавов на ос-
основе железа представлена в табл. 70.
2.2.1.2. Принципы обозначения
сплавов железа
Сплавы железа обозначаются символами
(буквы, цифры). Обозначение состоит из
«основы» (центрального характеризующе-
характеризующего символа) и во многих случаях (для ста-
сталей) кратких начальной и конечной вспо-
вспомогательных приставок.
Обзор основных обозначений сплавов же-
железа:
1. Стали. Основные символы St, С, X.
Перед основным символом указывают наз-
назначение нли особые свойства, после симво-
символа — минимальное временное сопротивле-
сопротивление (для углеродистых, конструкционных и
строительных сталей) или химический со-
состав (для углеродистых, низколегирован-
низколегированных или легированных сталей). Последние
индексы марки — гарантированное времен-
временное сопротивление или вид обработки.
2. Литейный чугун. Основные символы
GGL и GGG. После ннх указывают мини-
минимальное временное сопротивление (нелеги-
(нелегированный чугун) или химический состав
(легированный чугун).
3. Отбеленный чугун. Основные символы
GH и GHK. После иих указывают мини-
минимальную твердость НВ, HV (для нелегиро-
нелегированного) или химический состав (для леги-'
рованного).
4. Ковкий чугун. Основные символы
GTW, GTS, GTP. После них указывают ми-
иимальиое временное сопротивление.
214
5. Литейные стали. Основной символ QS,
после него указывают: минимальное вре-
временное сопротивление (для нелегированных
сталей); химический состав (для легиро-
легированных). Последние индексы — гарантиро-
гарантированное временное сопротивление или вид
обработки.
2.2.1.3. Обозначение сплавов
железа
2.2.1.3.1. Обозначения сталей
Для углеродистых строительных сталей
(St) указывают минимальное значение вре-
временного сопротивления: St38 (Овт1п =
¦=38 кгс-мм-г).
Для углеродистых машиностроительных
(конструкционных сталей) (С) указывают
содержание углерода (%-100): С 45
@,45 % С).
Для низколегированных сталей основной
символ отсутствует. Приводят содержание
углерода (%-100), затем химические сим-
символы основных легирующих элементов, рас-
расположенные в порядке убывания содержа-
содержания. Содержание указывается в пересчет-
пересчетных коэффициентах: 13CrV5.3 @,13 % С;
1,25 % От; 0,13 % V).
Легированные стали (X) обозначаются
так же, как и нелегированные, но содер-
содержание легирующих элементов указывается
в процентах: X8Cr№Ti 18.10[0,08 % С;
18% О, Ю%№; (>5-%C)Ti].
2.2.1.3.2. Вспомагательные буквенные и
цифровые обозначения1
Вспомогательные обозначения подразде-
подразделяются нг четыре группы.
а. Характеризующие способ производст-
производства стали: В — бессемеровскаи; Е — электро-
электросталь, выплавленная в дуговых печах; I —
электросталь, выплавленная в индукционных
печах; М — мартеновская; Т — томасов-
ская; Ti — тигельная; W — конверторная.
При необходимости может быть указано:
В — основная; Y — кислая; b — спокойная;
hb — полуспокойная; и — кипящая.
б. Характеризующие особые свойства, не-
необходимые для дальнейшей обработки и ис-
использования стали (в группах а и б ста-
ставятся перед осноиным): А — стойкая про-
против старения; К — высококачественная (по-
(пониженное содержание Р и S); L — стойкая
против щелочной хрупкости; Р — для сзар-
ки давлением; Q — для холодной высадки;
S — специальная^ Z— для волочения; X —
высоколегированная качественная; TZ —
сталь для глубокой вытяжки.
в. Характеризующие гарантируемые .свой-
.свойства (располагаются после основного):
временное сопротивление — без индекса;
1 — предел текучести; 2—проба на- загиб
или осадку; 3 — ударная вязкость; 4 — пре-
предел текучести и проба на загиб и осадку;
5 — ударная вязкость и проба на загиб и
осадку; 6 — предел текучести и ударная
Ставятся до н после основного.
вязкость; 7 — предел текучести, ударная
вязкость и проба на загиб и осадку; 8 —
жаропрочность или длительная прочность;
9 — электрические или магнитные свойства,
г. Характеризующие состояние после
термической обработки (располагаются
после основного): А — отпущенная; В—с
обработкой для наилучшей обрабатываемо-
обрабатываемости; Е — цементованная и термически обра-
обработанная; G — отожженная, Н — закален-
закаленная; К — холоднодеформированная (накле-
(наклепанная); N — нормализованная, S — после
отжига для снятия напряжений; U — без
термической обработки; V — улучшенная;
Z — после отжига на максимальную вяз-
вязкость.
2.2.1.3.3. Пересчетные коэффициенты
для обозначения легирующих элементов
в низколегированных сталях
Для определения среднего содержания
легирующих элементов в низколегирован-
низколегированных сталях (основное обозначение не со-
содержит символов X, St или С) следует
данные, приведенные в соответствующей
марке стали, разделить на следующие ко-
коэффициенты:
4 — для Сг Со, Мп, Ni, Si, W;
10 —для Al, Be, Pb, В, Си, Mo, Nb, Та,
Ti, V, Zr;
100 —дляР, S, N, Се.
Например, для 13CrV5.3 : С = 13 : 100=
=0,13%; Сг=5:4=1,25%; V=3:10=0,3 %.
2.2.1.3.4. Обозначение литейных чугунов
Для нелегированного чугуна (GGL; GGG)
указывают минимальное значение времен-
временного сопротивления: GGL-35
(Ов(т1п)=35 КГС-ММ-2); GGG-40 (Ojj<ml.i) =
=40 кгс-мм-2).
Для легированного бейнитного чугуна
(GGG) указывают содержание углерода
(%-100); далее следуют основные легиру-
юшие элементы (обозначают, как в низко-
низколегированных сталях):
GGG-300NiMo59C% С; 1,25% Ni; 0,9% Mo).
Для легированного аустеннтного чугуна
(GGG-X; GGL-X) указывают содержание
углерода (% • 100), далее следуют основные
легирующие элементы (обозначают, как в
легированных сталях): GGG-X280NiCuCrl4-6
B,8% С; 14 % Ni; 6 % Си).
2.2.1.3.5. Обозначение отбеленного чугуна
Для нелегированного чугуна с индексом
GH указывают минимальное значение твер-
твердости НВ, для чугуна GHK — минималь-
минимальное значение твердости HV: GH-200
(НВ>200 кгсмм-2), GHK-400 (HV>
>400 кгсмм-2).
Для легированного чугуна GH-X обозна-
обозначение то же, что и для легированных ста-
сталей: GH-X 300 Cr Ni 95.
2.2.1.3.6. Обозначение ковкого чугуна
Для черносердечного (GTS), белосер-
дечного (GTW) н перлитного (GTP) чугу-
чугунов указывают минимальное значение вре-
временного сопротивления: GTS-30; GTW-35 и
GTP-45.
215
2.2.1.3.7. Обозначение литейных сталей
Для нелегированных литейных сталей
(GS) указывают среднее значение времен-
временного сопротивления:С58-45 (ов = 45 кгсХ
Хмм~2). Для легированных литейных ста-
сталей (GS-; GS-X) обозначения те же, что и
для легированных сталей: GS-22 СгМо 54;
GS-X20Crl5.
2.2:1.4. Строительные стали
общего назначения
Углеродистые стали, применяемые не-
непосредственно после прокатки, в некоторых
случаях после последующей нормализации,
для которых гарантируются только предел
текучести и временное сопротивление.
Стандарт TGL 7960.
Укрупненная классификация:
Группа качества 1. Минимальные требо-
требования по чистоте (Р, S, N); содержание
Si и Мп не гарантируется; обычно томасов-
ская сталь.
К этой группе относятся: St 33, St 34,
St38, St38, St42, St50, St60,St70.
Группа качества 2. Стали, к которым
предъявляются несколько более высокие
требования, обычно или мартеновские, или
выплавленные в кислородном конверторе,
или дополнительно обработанные (синте-
(синтетические шлаки, рафинирование) конвер-
конверторные стали. Повышенные требования по
чистоте в отношении Р, S, N; гарантирован-
гарантированные значения ударной вязкости при 20 °С.
К этим сталям относятся, например:
St34u-2; St34hb-2; Sl34b-2; St38u-2;
St38hb-2; St38b-2- St 42u-2; St42hb-2;
St42b-2; St50-2, S160-2; St 70-2.
Группа качества 3. Стали, к которым
предъявляются специальные требования и
которые используются для изделий слож-
сложной конфигурации, сложно нагруженных
сооружений, особых условий эксплуатации.
У этих сталей предполагается повышенная
опасность хрупкого разрушения. Поэтому
наряду с высокой чистотой по Р, S, N, Си,
Cr, Ni должны быть гарантированы значе-
значения ударной вязкости до температуры
—40 СС. Для получения нестареющей и к
тому же мелкозернистой стали необходимо
специальное раскисление (например, алю-
алюминием).
К этим сталям относятся: St34-3; St38-3;
St42-3; St52-3.
Стали получают обычными сталеплавиль-
сталеплавильными процессами; составы сталей см.
2.2.1.52.
Технические характеристики строитель-
строительных сталей общего назначения
а. Механические свойства. Приведенные
в табл. 71 данные относятся ко всем видам
сталеплавильных процессов и способам
раскисления, а также ко всем группам ка-
качества.
б. Свариваемость. Свариваемость строи-
строительных сталей общего назначения ограни-
ограничивается содержанием углерода, которое
должно быть <;0,22 % (по анализу плав-
плавки). При более высоком содержании угле-
углерода требуются специальные мероприятия
ТАБЛИЦА 71
Марка
стали
St33
St34
St38
St42
St50.
St52
St60
St70
V
КГС • MM 2
33
34—42
38—44
42—49
50—58
52—62
60—68
70—75
2
КГС • MM
22
24
26
28
36
32
37
66(min)' %
22
31
25
23
19
22
14
10
(например, подогрев),» так как при сварке
вследствие повышения твердости в резуль-
результате подкаливания может возникнуть по- •
вышенная опасность хрупкого разрушения
строительных сталей.
Термическая обработка строительных
сталей общего назначения: нормализация в
интервале 820—920 СС (в зависимости от
содержания углерода); отжиг (нагрев) для
снятия напряжений прн 600—650 СС.
Применение.
Группа качества 1. Клепаные и закреп-
закрепленные на винтах (болтах) конструкции.
Статически нагруженные сварные конструк-
конструкции.
Группа качества 2. Кипящая сталь для
сварных конструкций (температура экс-
эксплуатации >—25 °С). Стыковые соедине-
соединения материала толщиной ^12 мм. Угловые
сварные швы (в зависимости от степени их
ответственности и температуры эксплуата-
эксплуатации). Полуспокойная сталь при толщине
материала ^20 мм (когда эту сталь ис-
используют вместо спокойной стали).
Спокойная сталь — для всех остальных
конструкций, если не предписано примене-
Группа качества 3. Для гнутых конструк-
конструкций с большой степенью холодной деформа-
деформации, которые при температуре эксплуата-
эксплуатации ~25СС испытывают динамические на-
нагрузки. Для конструкций, эксплуатируемых
с высокой скоростью нагружения. Для всех
динамически нагружаемых сварных конст-
конструкций при толщине материала <;40 мм.
2.2.1.5. Низколегированные
строительные стали
Низколегированные строительные стали
в отлнчие от аналогичных сталей общего
назначения содержат повышенные коли-
количества таких легирующих элементов, как
Si, Мп, Сг, н применяются в горячедефор-
мированном или нормализованном состоя-
состояниях (в зависимости от требуемых значе-
значений временного сопротивления н предела
текучести). Стали имеют повышенныеЗо
прочностные характеристики при огранитяе
ценной свариваемости. -qn
К низколегированным. строительным ста?ед.
лям относятся стали, легированные Mni
19МпЗ; 9Мп6; 14Мп6; Мп и Si:
216
18MnSi6; 25MnSi6; Mn, Si и Cr:
14MnCrSi4 30MnCrSi6.
Выплавляются обычными методами (по
выбору изготовителя).
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Стандартом TQL14509 гарантируются
Минимальные значения механических
свойств (в зависимости от толщины про-
проката), приведенные в табл. 72.
ТА Б ЛИЦА
Марка стали
19МПЗ
9Мп6
14Мп6
18Мп6
18MnSi6
25MnSi6
14MnCrSi4
30MnCrSi6
72
1
47
46—48
47—48
52
60
60
50
90
2
н
30
30—34
33—34
34—36
40
40
34—35
60
«Б. %
_
21—22
14
14
6
о
VI
к*
_
3
3
3
—
3
б. Свариваемость. Для сталей, содержа-
содержащих несколько легирующих элементов
(Mn, Si и/или Mn, Si, Cr), сварка плавле-
плавлением применима только после подогрева.
2.2.1.6. Стали для цепей
Стали для круглозвеиных или якорных
цепей с распорками в звеньях. К качеству
поверхности исходного проката предъявля-
предъявляются особые требования. При изготовлении
звенья цепн подвергают холодному или го-
горячему изгибу н сваривают различными
методами. Стандарт TGL6544.
К сталям для цепей относятся стали, ме-
механические свойства которых приведены в
табл. 73. Выплавляются в мартеновских или
электропечах. Состав — см. 2.2.1.52.
ТАБЛИЦА 73
Марка стали
Mukl2*
М15*
18Мп4А1
St52-3**
16MnCr5**
20МпСг5**
V
о кгс.мм *
35—42
38—47
45—55
52—62
52—78
55—84
V
—2
КГС -JIM
19
22
28
—
«5. %
30
38
22
—
• После горячей прокаткн.
•• После нормализации.
Сортовую сталь и катанку для цепей
обычно подвергают (при изготовлении
звеньев) холодному изгибу. При толщине
проката >26 мм целесообразно произво-
производить горячий изгиб при ~900°С.
Стали для цепей можно подвергать кон-
контактной стыковой сварке и сварке с плав-
плавлением. Стали трех последних марок из
приведенных в разделе 2.2.1.52 перед свар-
сваркой оплавлением должны быть подогреты.
Термическая обработка. Для получения
хорошей деформируемости прокат подвер-
подвергают смягчающему отжигу или нормализа-
нормализации с последующим отпуском или без не-
него. После холодного изгиба сваренные цепи
нормализуют, а цепи повышенной проч-
прочности улучшают.
2.2.1.7. Стали для заклепок
Горячекатаные, термически не обрабо-
обработанные стали для заклепок с поверхностью
хорошего качества, что позволяет осу-
осуществлять холодную или горячую высадку.
В случае изготовления заклёпок холодной
высадкой стали должны обладать высокой
деформируемостью в холодном состоянии.
Стандарт TGL6545.
К сталям для заклепок относится сле-
следующие углеродистые стали. Ми 8 (может
быть использована для холодной высадки),
Mull, Mb 15, MSt44. Выплавляют обыч-
обычными методами (по выбору изготовителя).
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Кроме
обычно проверяемых свойств, для заклепок
особенно важны прочность на срез и де-
деформируемость в холодном состоянии (оп-
(определяется прн испытании на осадку) —
табл. 74.
ТАБЛИЦА 74
Марка
стали
Mu8
Mull
МЫ5
MSt44
2
A
32—40
34—42
38—47
44—52
>31
>30
>28
>27
Прочность
на срез,
кгсммГ
25—36
28—40
36—48
h:h, при
осадке*
хо-
лод-
лодной
5.2
2:1
2:1
горя-
горячей
3:1
3:1
3:1
• Образцы, высотой ft, равной удвоенной ве-
величине диаметра образца, осаживают до высоты
fti- При этом образование трещин при указанном
отношении ft : fti не допускается (см. 1.11.2.8).
Термическая обработка. Возникающее
при холодной высадке деформационное уп-
упрочнение устраняется нормализацией.
Применение. Сталь Ми 8 — для закле-
заклепок, получаемых холодной высадкой;
Ми 11 и Mb 15 — для заклепок, получаемых
холодной и горячей высадкой; St 44 — для
заклепок, получаемых горячей высадкой.
2.2.1.8. Метизные стали
для холодной и горячей
штамповки гаек
Стали для холодной штамповки га-
гаек — легированные серой горячекатаные
низкоуглеродистые. Вследствие повышенно-
повышенного содержания серы хорошо обрабатыва-
обрабатываются резанием и в то же время пригодны
для холодной штамповки и высадки.
217
Стали для горячей штамповки гаек —
легированные фосфором горячекатаные,
мягкие. Вследствие повышенного содержа-
содержания фосфора хорошо обрабатываются ре-
резанием и пригодны для горячей штамповки
и высадки.
Стандарт TQL3083.
Предусматривается следующая класси-
классификация:
— стали для холодной штамповки гаек
GS20; 12S20;);
— стали для горячей штамповки гаек
FР15; 9Р20; 9Р30).
Выплавка в конверторе нли в мартенов-
мартеновской печи. Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Важнейшие
свойства сталей для горячей и холодной
штамповки гаек — способность подвергать-
подвергаться деформации штамповкой и/или высад-
высадкой, а также нарезке резьбы. Стандарт не
содержит гарантирующих требовании к
механическим и технологическим свойствам.
Термическая обработка. Стали для горя-
горячей штамповки гаек перед штамповкой
должны быть медленно и равномерно по
всему сечеиию нагреты до 1200 "С. Темпе-
Температура начала горячей штамповки 1150 "С.
Температура окончания штамповки
~ 1000 °С.
2.2.1.9. Стали для изготовления
катанки
Катанка, как правило, проволока (прут-
(прутки) круглого сечения, которую изготавли-
изготавливают методом горячей прокатки и горячей
сматывают в бунты.
Стандарты: TGL 8663 — катанка из угле-
углеродистой стали обыкновенного качества;
TGL 6774 — катанка из углеродистой ка-
честв'енной стали; TGL 15151—катанка из
строительной стали общего назначения.
Классификация по группам стали пред-
представлена в табл. 75.
При сравниваемых содержаниях С, Si и
Мп упомянутые три типа стали различают-
различаются главным образом степенью нх чистоты
по Р, S, Си, Сг (табл. 76).
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Значения вре-
временного сопротивления и относительного
удлинения гарантируются только для ка-
катанки из углеродистых строительных ста-
сталей общего назначения.
б. Технологические характеристики. Для
дальнейшей обработки катанки большое
значение имеет состояние поверхности, ко-
которая должна содержать малое количество
дефектов. Для катанки малого диаметра
из углеродистых обыкновенных или качест-
качественных сталей характеристикой качества
ТАБЛИЦА 75
Группа
Углеродистые
обыкновенного
качества
Кипящие
Кипящие
Спокойные
Углеродистые ка-
качественные, груп-
группа А
То же, группа В
Строительные об-
общего назначения
Марка стали
Т5, Т7, Т9, М5*
М7, М10
М14, М20, М26, М35
М45, М55, М65, М75,
М85, М95
Мк45, Мк53, Мк58,
МкбЗ, Мк68, Мк73,
Мк78
Мк67, Мк82, Мк87,
Мк92, Мк97, МкЮ2,
Мк110
По TGL 7960. группы
качества 1 и 2
Способ выплавки
Томасовский (Th)
Мартеновский (М)
Электропечь (Е)
Конвертор с кисло-
кислородным дутьем (О2)
Электропечь (Е)
Мартеновский
(SM)
Мартеновский
(SM), конвертор с
кислородным дуть-
дутьем
' Применение
Пружинная проволока,
TGL 14193
Класс А и В
Канатная проволока, тя-
тянутая, TGL 9536
—
Пружинная проволока,
TGL 14193. Класс С и D
Канатная проволока для
подъемных устройств,
TGL 18078
Стальная проволока для
последующего волоче-
волочения (TGL0-117)
• Т5, Т7 н ТЭ с 1.1.1976 исключены в связи с изданием новой редакции TGL8663; это отно-
относится (Маркам М14, М26. М95, Мк53. Мк67, Мк97. МкЮ2, Мк110.
ТАБЛИЦА 76
Примесн
Р, %, не более
S, %, не более
Си+Сг, % ие более
Углеродистые качест
венные стали
А
0,035
0,035
0,30
в
0,025
0,025
0,30
Углеродистые стали обык-
обыкновенного качества
кипящие
0,070
0,060
0,42
спокойные
0,040
0,040
0,42
Строительные стали общего
назначения, группы качества
1
0,080
0,060
0,70
2
о.обо.'"':
0,055,,;;
0,70 4
218
поверхности служат результаты испытаний
на скручивание A.11.2.10) или на гиб (с
перегибом) до разрушения (см. 1.11.2.9);
для более толстой . проволоки — также и
испытание на осадку A.11.2.8). Согласно
нормам образцы должны выдерживать без
разрушения 4—5 скручиваний и/или осад-
осадку (по существующим нормам испытания)
без образования трещин.
Термическая обработка. Производится
перед волочением или между проходами; в
большинстве случаев — патеитирование
(нагрев до 850—Ю50сС, изотермическая
закалка в свинцовой ванне при 400—
500СС); иногда после аустеиитизации про-
проводит охлаждение иа воздухе (см. 5.0).
Цель термической обработки — достижение
хорошей деформируемости при волочении
(возможность значительного уменьшения
поперечного сечения при протяжке) и вы-
высокой прочности после волочения при хо-
хорошей пластичности и вязкости. Поставлен-
Поставленная цель достигается при получении после
термической обработки тонкой сорбитной
структуры (см. 1.9.6.3).
Применение. Катанка прежде всего слу-
служит для последующего изготовления мето-
методом холодного волочении пружинной, ката-
катаной (для подъемных устройств) и других
видов стальной проволоки. Каждому виду
холоднотянутых проволок соответствует
определенная сталь (Классификацию см. вы-
выше на с. 219).
; Применение холоднотянутой проволоки.
а. Пружинная стальная проволока
(TGL 14193). Для изготовления винтовых
(спиральных) пружин (работающих на
сжатие, растяжение) и/или запорных пру-
пружин, а также других видов пружин, нави-
навиваемых в холодном состоянии.
б. Канатная проволока для подъемных
механизмов (TGL 18078). Для проволочных
канатов, которые должны соответствовать
требованиям предписаний горнотехнической
инспекции, для тяговых и направляющих
канатов канатных дорог в соответствии с
требованиями «Положения по технике без-
безопасности» (ASAO) и других видов про-
проволочных канатов из этого вида проволоки.
.. в. Канатная проволока тянутая (TGL
9536). Для всех канатов, не подлежащих
-приемке по правилам горнотехнической ин-
инспекции и правилам «Положения по тех-
технике безопасности» для подъемных кана-
канатов.
¦ г. Стальная проволока общего назначе-
назначения (TGL 0-177).
2.2.1.10. Холоднокатаная лента
и тонкие листы
из низкоуглеродистой стали
Холоднокатаную ленту толщиной ^4 мм
получают после холодной чистовой прокат-
прокатки в виде полос или мотков с обрезанными
или необрезанными кромками.
—Тонкий лист толщиной <4 мм получают
холодной или горячей прокаткой; листы
имеют произвольную, чаще прямоугольную,
форму с обрезанными или необрезанными
кромками.
Стандарты: TGL 9559; TGL 9553.
Классификация — по способности к хо-
холодной деформации при собственно прокат-
прокатке, к деформируемости при последующей
штамповке; к глубокой вытяжке и особо
глубокой вытяжке (табл. 77).
Выплавка в томасовском конверторе,
мартеновской печи, в конверторе с кисло-
кислородным дутьем.
Состав — см. 2.2 1.52.
Технические характеристики. К тонким
листам и холоднокатаным лентам из низ-
коуглеордистых сталей предъявляются вы-
высокие требования и отношении их дефор-
деформируемости в холодном состоянии (см.
1.112 13) при штамповке, гибке (см.
1.11.23), а также к состоянию (чистоте)
поверхности и качеству близлежащих к
поверхности слоев. Последнее необходимо
в связи с последующей отделочной обра-
обработкой поверхности (металлизация погру-
погружением, гальванические или электролити-
электролитические покрытия, эмалирование и лакирс-
вание) (см. 5 0).
Для оценки деформируемости в холод-
холодном состоянии служат следующие харак-
характеристики: временное сопротивление ов',
относительное удлинение е, глубина вы-
вытяжки по Эриксону; данные испытаний на
изгиб и загиб; коэффициент анизотропии/?
(см. 1.1); экспонента деформационного уп-
упрочнения п.
Значения ав в отожженном состоянии в
зависимости от сорта листа находятся в
пределах от 28 до 40 кгс-мм~г относитель-
относительное удлинение е от 28—35 %. Как и удли-
удлинение, глубина вытяжки зависит от толщи-
толщины листа и увеличивается при переходе от
листов торгового сорта (G) к листам для
особо глубокой вытяжки (SZ) от 4 до
12 мм. При последующей холодной прокат-
прокатке можно достигнуть следующих категорий
прочности:
Категория
прочности К32 К40 К50 К60 К70
Временное
сопротив-
сопротивление,
кгс-мм-2 32-46 40-55 50-65 60-75 >70
Коэффициент анизотропии R характери-
характеризует сопротивление листа утоньшению, ко-
которое может привести к локальным пере-
пережимам и, наконец, к разрыву листа при
глубокой вытяжке. Экспонента деформа-
деформационного упрочнения п характеризует темп
повышения прочности при наклепе после
определенной степени деформации.
Состояние поверхности оговаривается
стандартом (табл. 78).
Металлизация поверхности погружением,
а также методы электролитического и галь-
гальванического покрытий в большей мере при-
пригодны для кипящих сталей, так как эти
стали имеют более чистый поверхностный
слой. За счет деформационного старения
(см. 1.7.3.1) в результате холодной дефор-
деформации могут появляться складки и линии
(следы) текучести. Отсутствие подобных
дефектов в результате деформационного
старения гарантируется изготовителем толь-
219
ТАБЛИЦА
Сорт
G, торговый
(общего наз-
назначения)
Z, для
штамповки
TZ, для глу-
глубокой вы-
вытяжки
SZ, для осо-
особо глубокой
вытяжки
77
Марка
стали
StQ
StCu
StZu
StZb
StTZu
StTZb
StSZu
StSZb
Способ выплавки
Томасовский,
мартеновский
процессы или
специальные
методы
Мартеновский
Мартеновский
Мартеновский
Вид разливки
Спокойная
или кипящая
Кипящая
Кипящая
Спокойная
Кипяшая
Спокойная
. Кипящая
Спокойная
Характерис-
Характеристика поверх-
поверхности
После темного отжи-
отжига (А4)
После светлого от-
отжига (A3)
После темного отжи-
отжига (А4); после свет-
светлого отжига (A3);
поверхность без ри-
рисок, пор и других де-
дефектов (А2)
После темного отжи-
отжига (A3); после свет-
светлого отжига (A3);
поверхность без рисок,
пор и других дефек-
дефектов (А2); особо чи-
чистая поверхность без
царапин, рисок, пор;
блестящая (А1)
После темного отжи-
отжига' (А4); после свет-
светлого отжига (A3);
поверхности без ца-
царапин, рисок, пор
и др. (А2); особо чи-
чистая поверхность, без
царапин, рисок, пор,
блестящая fAl)
Деформируе-
Деформируемость
Незначитель-
Незначительная деформи-
деформируемость
Средняя де-
деформируемость
Высркая спо-
способность к де-
деформируемости
Очень высокая
способность к
деформируе-
деформируемости
ТАБЛИЦА 78
Метод обработки по-
поверхности
Лакировка ....
Лакировка распылением .
Цинкование ......
Освинцовывание
Гальваническое или элек-
электролитическое покрытие . .
Получение блестящей по-
Сварка оплавлением ... -
Точечная и роликовая свар-
сварка
Сорт листа
G
х
х
X
X
X
X
X
—
Z
х
X
X
X
X
X
X
X
X
X
TZ
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
SZ
х
X
х
X
X
х
X
х
X
X
Требуемое состояние поверхности
А1
х
X
х
X
X
х
X
х-
X
X
А2
х
X
X
X
X
X
X
х
X
X
A3
X
X
X
X
X
X
X
X
А4
X
X
X
X
X
X
—
220
ко иа срок до 6 мес после поставки и толь-
только для стабилизированных алюминием сор-
сортов листа SZb.
2.2.1.11. Листовая котельная,
сталь
Листы из углеродистых и легированных
сталей, которые предназначены для изготов-
изготовления паровых котлов, резервуаров, свар-
сварных котельных труб и аналогичных • уст-
устройств, работающих под давлением прн по-
повышенных температурах.
Стандарт TGL 14507.
Классификация — см. табл. 79.
ТАБЛИЦА 79
Стали
Углеродистая
Марганцови-
Марганцовистая
Молибденовая
Хромомолиб-
деновая
Марка стали
МЫЗ; МЫ6;
Mh 1Q
4V1U 1^7
17Мп4;
19Мп5
15МоЗ
13СгМо4.4;
ЮСгМоЭ.Ю
Макси-
Максимальная
темпера-
температура эксп-
эксплуатации.
?С
~400
-~400
~530
~~580
Выплавка в мартеновской печи, электро-
электропечи или в кислородном конверторе.
Состав — см. 2.2.1.52.
К листам предъявляются очень высокие
требования, поскольку установки работа-
работают под давлением и в условиях повышен-
повышенных температур. Особенно важны следу-
следующие характеристики:
а. Временное сопротивление. Согласно
стандарту Ов должно составлять 30—
60 кгс-мм~2 в зависимости от марки стали.
Важными являются нормативные значения
предела длительной прочности (см.
1.11.2.19) для 10000 и 100000 ч при темпе-
температурах 380—580 °С.
б. Предел текучести при растяжении.
Стандарт предусматривает следующие тем-
температуры испытания: 20, 200, 250, 300, 350,
400, 450 и 500 °С. От 20 до 450 °С предел
текучести для стали МЫЗ уменьшается с
23 до 8 кгс-мм-2, а для стали ЮСгМоЭХ
ХЮ-с 26 до 17,5 кгс-мм-2. Кроме того,
оговариваются нормативные значения пре-
предела ползучести для 1 %-ного удлинения
за 10000 и 100000 ч при 380 и 580 °С (см.
1.11.2.19).
в. Относительное удлинение. Минималь-
Минимальные значения в зависимости от марки ста-
стали составляют 19—24 %.
г. Ударная вязкость. Гарантированные
минимальные значения в нормализованном
состоянии от 6 до 8 кгс-м-см-2, после де-
деформационного старения от 3 до 4 кгсХ
м-см~2 A0 %-ная холодная деформация и
отпуск при 250 СС, 1 ч).
д. Свариваемость. Для всех сталей га-
гарантируется возможность сварки с рас-
расплавлением.
Термическая обработка. Стали, легиро-
легированные хромом и молибденом, проходят
нормализацию и отпуск. Все другие стали
подвергаются нормализации. Температуры
нормализации приведены в TGL 14507.
Примеры применения некоторых котель-
котельных сталей приведены в табл. 80.
ТАБЛИЦА
Марка стали
17МП4
19МП5
15МоЗ
13СгМо4.4
ЮСгМоЭЛО
so
котель-
котельные лис-
листы
X
X
X
X
Эбласть
коллек-
коллекторы
X
X
X
к
X
применения
котель-
котельные тру-
трубы
X
X
X
паропро-
паропроводные
трубы
X
X
X
2.2.1.12. Трубные стали для
обычных и прецизионных труб
(бесшовных и сварных)
Бесшовные трубы. Горячекатаные трубы,
изготовленные различными специальными'
способами прокатки из трубной заготовки
(гильз). Длина труб sg|30 м.
Бесшовные прецизионные трубы повышен-
повышенного качества. Изготовляются методами
холодной деформации (холоднокатаные
или холоднотянутые), отличаются от горя-
горячекатаных более высоким качеством по-
поверхности и точными размерами.
Стальные трубы с продольным сварным
швом (продольносварные трубы). Горяче-
Горячекатаные или холоднокатаные листы или
полосы, свернутые в горячем или холодном
состоянии в так называемую шлицевую
трубу, т. е. в трубную заготовку с прорезью,
которую затем сваривают различными спо-
способами.
Прецизионные трубы с продольным свар-
сварным швом. Стальные трубы с продольным
сварным швом, качество которых улучша-
улучшается путем холодной деформации (обычно
заключительной); характеризуются более
высоким по сравнению с исходными тру-
трубами качеством поверхности и более точ-
точными -размерами.
Сварные трубы со спиральным швом.
Имеют диаметр 10—2000 мм; толщина стен-
стенки от 0,2—10 мм. Изготовляют из сталь-
стальных листов или полос путем винтообраз-
винтообразного навивания и последующей сварки по
прорези (шлицу).
Стандарты. TGL 9413; TGL 9414;
TGL 13873; TGL 14183; TGL 18245;
TGL 23292; TGL 101-21211.
Стальные трубы классифицируют по на-
назначению, по маркам стали и по стандар-
стандарту (TGL).
Выплавка: обычными способами.
Состав —см. 2.2.1.52.
. Технические характеристики. В зависимо-
зависимости от того, используются ли трубы в ка-
221
честве трубопроводов, работающих к тому
же при повышенных давлениях и темпера-
температурах, или для элементов конструкций, име-
имеют значение различные механические и/или
технологические характеристики, особенно
деформируемость (главным образом в хо-
холодном состоянии).
а. Временное сопротивление. Для преци-
прецизионных стальных труб в зависимости от
режима отжига Ов лежит в пределах 25—
45 кгс-мм-". Для углеродистых сталей
временное сопротивление прежде всего за-
зависит от содержания углерода и составля-
составляет в холоднодеформйрованном состоянии
33—65 кгс-мм-. Для легированных сталей
в зависимости от режима термической об-
обработки и содержания легирующих эле-
элементов временное сопротивление составля-
составляет 35—120 кгс-мм-г.
б. Предел текучести. Эта важная харак-
характеристика сталей для труб, используемых
при строительстве трубопроводов (в хими-
химическом производстве и/или при работе в
условиях высокого и сверхвысокого дав-
давления). В зависимости от состава стали и
термической обработки значения предела
текучести составляют 22—90 кгс-мм-2.
большое значение предел текучести имеет,
для труб из жаропрочных сталей, для ко-
которых величина предела текучести при 20—
500 "С оговаривается соответствующими
стандартами.
в. Относительное удлинение. Значения,
приведенные в стандарте, лежат между 5
(холоднотянутые, неотожженные трубы) и
45 % (отожженное состояние).
г. Ударная вязкость. Гарантированные
значения приводятся только для труб вы-
высокого и сверхвысокого давления.
д. Испытание иа внутреннее давление.
Важно для определения герметичности
трубы.
е. Испытание на отбортовку. 'Дает ин-
информацию о способности трубы выдержи-
иать отбортовку (например, при соедине-
соединении труб) — см. 1.11.2.23.
ж. Испытание кольца на расклеп. Слу-
Служит для обнаружения расслоев, складок,
трещин, скопления неметаллических вклю-
включений, охрупчивания в результате старения
и дефектов термической обработки
A.11.2.23).
ТАБЛИЦА 81
з. Испытание кольца на растяжение. До-
Дополнение к испытаниям кольца на расклеп
с аналогичными результатами для труб
больших диаметров A.11.2.11).
и. Испытание на поперечный плоский из-
изгиб. Устанавливают, выдерживает лн труба
сжатие без образования трещин A.11.2.7).
к. Испытание трубы на загиб. Позволяет
определить минимальный радиус оправки,
вокруг которой можно согнуть трубу без
образования трещины A.11.2.11).
л. Испытание на межкристаллитную кор-
коррозию. Применяется преимущественно для
труб, используемых в химическом произ-
производстве (см. 1.11.10).
м. Испытание на свободный проход. Про-
Проверяется соответствие диаметра трубы га-
рантированному по всей длине. Испытание
проводится путем прокатывания по трубам
калиброванных шаров.
н. Испытания на свариваемость. В боль-
большинстве случаев гарантируется возмож-
возможность использования газовой, дуговой свар-
сварки и стыковой сварки давлением (исключе-
(исключение стали St33 и St54). Номера стандартов
(TGL) и гарантируемые ими свойства при-
приведены в табл. 81.
Термическая обработка. Все виды труб,
за исключением труб для газопроводов,
водопроводных, а также бесшовных труб
из углеродистой стали, подвергаются тер-
термической обработке на заводе-изготовителе.
В последнее время сварные трубы для
газопроводов большого диаметра, проло-
проложенные в северных районах, изготовляют из
термомеханически обработанных листов,
прошедших контролируемую прокатку на
листовых станах.
Ниже приведены номера стандартов
(TGL) н требования к термической обработ-
обработке стальных труб (в состоянии поставки):
TGL9414 —WG+E, N, WBG, NBG.
TGL 13873 — N.
TGL14183 —N, As+A.
TGL 18245—WG + E, N, WGB, NBG.
TGL 23292 — N. V, As.
TGL 101-21211— G, V, Z, As.
Обозначения: WG — смягчающий отжиг;
E — удаление окалины; N — нормализация;
WBG — смягчающий светлый отжиг; NBG—
нормализация светлая; AS — аустенитиза-
ция; А — отпуск; V — улучшение; G — от-
Гарантнруемые технические харак-
характеристики
9413
X
X
X
—
X
—
X
—
X
—
—
—
X
9414
X
X
X
—-
X
—
X
—
X
X
—
—
X
13873
X
X
• х
—
X
X
X
—
X
—
—
—
—
14183
X
X
X
—
X
X
—
X
X
—
—
—
X
14514
—
—
X
—
X
—.
X
—
—
X
18245
X
X
—
X
—
X
—
X
X
—
—
X
23292
X
X
X
X
X
—
—
—
X
_
X
X
—
101-21211
Ов . - . ¦
Ов
65
ан
Герметичность . . . . . .
Отбортовка
Развальцовка труб
Развальцовка колец . . . .
Поперечный плоский изгиб . .
Загиб . . .
Межкристаллитная коррозия .
Свободный проход
Свариваемость
X
X
X
X
X
X
X
222
ТАБЛИЦА 82
Назначение о?руб и/или класс сталей
Марки стали
Бесшовные трубы
Углеродистая сталь
Для газо- и водопроводов
Стали с гарантированной теплостой-
теплостойкостью (для котлостроения)
Для установок высокого и сверхвы-
сверхвысокого давления химической промыш-
промышленности
Нержавеющие, кислотостойкие, жаро-
жаропрочные и окалиностойкие стали
9413
14514
14183
23292
101-21211
St33; St54; St35hb; St35; St45; St45b:
St52-3; St55
St35hb; St35b
S135-5; St45-5; 15Mo3; 13CrMo4.4:
10CrMo9.10
St35-5; St45-5; ЮСгМоЭ.Ю;
17CrMoV10; 20CrMol3,5;
21CrVMoWll; 30CrMoV9;
X8CrNiMoTil8; X8CrNiMoTil8.11
X10Crl3; X20Crl3; X40Crl3; X8Q-17;
X8CrTil7;X8CrMoTil7;.X5CrNil8.10,
8XCrNiTil8.10; X5CrNiMol8.11;
X8CrNiMoTi 18.11; X5CrNiMo 17.13;
X10CrA17; ХЮСгАИЗ; X10CrA118;
X10CrA124; X15CrNiSi20.l3;
X15CrNiSi25.20
Углеродистые стали
Бесшовные прецизионные трубы
9414 St35hb; St35b; St55
Трубы с продольным сварным швом
-Для газо- и водопроводов
Кипятильные трубки (из углероди-
углеродистых сталей)
Нержавеющие, кислотостойкие, жа-
жаропрочные и окалиностойкие стали
14514
13873
101-21211
St35hb; St35b
St35; St35hb
См. соответствующие марки сталей
для бесшовных труб
Прецизионные трубы с продольным сварным швом
Углеродистые стали
18245 St35hb; St35S; St35u; St32
жиг; Z — отжиг. Для повышения вязкости
(кратковременный отжиг ферритных хро-
хромистых сталей при 750—850 ЬС с последу-
последующим быстрым охлаждением на воздухе
или в воде).
Классификация стальных труб по их ти-
типу, назначению и/или классу трубных ста-
сталей приведена в табл. 82.
2.2.1.13. Арматурная сталь
для железобетонных конструкций
а. Арматурная сталь (обычная). Гладкие
или профилированные прутки с различной
прочностью, используемые в горячекатаном,
холоднотянутом или улучшенном состоянии
для железобетонных конструкций повышен-
повышенной прочности, железобетонных строитель-
строительных деталей.
б. Сталь для предварительно напряжен-
напряженной арматуры. Горячекатаные круглые- или
с поперечным рифлением прутки, применя-
применяемые в напряженном состоянии: вначале
создаются напряжения, составляющие
~ 80 % от предела текучести, а затем про-
проводится бетонирование.
Стандарт TGL 12530:
Лист 1. Сталь арматурная горячекатаная.
Лист. 2. Сталь арматурная, калиброван-
калиброванная.
Лист 8. Сталь арматурная, горячеката-
горячекатаная, упрочненная термической обработкой.
Лист 5. Сталь для предварительно напря-
напряженной арматуры St60/90.
Лист 6. Сталь для предварительно напря-
напряженной арматуры Stl40/l60.
Классификация по маркам стали
Арматурная сталь, горя-
горячекатаная StA-O; StA-I;
StA-III
То же, калиброванная .
То же, горячекатаная,
улучшенная путем тер-
термической обработки . .
StB-III;
StB-IV
StT-Ш;
StT-IV
То же, для предвари-
предварительно напряженной- ар-
арматуры ..>•••¦ St60/90;
Stl20/160
Классификация по группам прочности (по
пределу текучести): группа 0— >22 кгсХ
Хмм~2; группа I—>24 кгс-мм-2; груп-
группа III—>40 кгс-мм-2; группа IV —
>50 кгс-мм-2.
223
Сталь для предварительно напряженной
арматуры должна выплавляться в марте-
мартеновской печи. Для других арматурных
сталей способ выплавки не оговаривается.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Бетон имеет
высокую прочность при сжатии и низкую
прочность при растяжении. Использование
стальной арматуры, особенно предваритель-
предварительно напряженной, позволяет железобетон-
железобетонным изделиям воспринимать определенные
по величине растягивающие напряжения, а
также изгиб без разрушения.
Важные свойства арматурных сталей,
определяющие их применение: временное
сопротивление, предел текучести, относи-
относительное удлинение и предел ползучести
(для предварительно напряженной армату-
арматуры)— см. 1.11.2. Достаточно высокое со-
сопротивление ползучести обеспечивает ста-
стабильность заданных характеристик при
длительной эксплуатации. Минимальные
значения перечисленных свойств (TGL
12520) приведены в табл. 83.
ТАБЛИЦА
Мас1ка стали
StA-0
StA-I
StA-III
StB-III
StB-IV
StT-III
StT-lV
St60-90
Stl40-160
I
?
и
&
22
24
40
40
50
40
50
60
140
S3
1
КГС-МК
$
33
38
57
45
55
57
57
90
160
¦i
22
25
14
8
8
14
10
12
8
6
U
(-
к:
.о*
_
—
—
—
—
—
50
ПО
Состояние
поставки
Горячекатаная
»
»
Калиброван-
Калиброванная
То же
Улучшенная
»
Горячекатаная
Улучшенная
Рис. 2.1
1 — круглая сталь: 2 — трехпрядная
сталь; 3 — торсталь; 4 — ребристая
сталь; 5 — нори-сталь; 6 — холодно-
деформированная ребристая сталь
Для стали, идущей на изготовление пред-
предварительно напряженной арматуры, гаран-
гарантируется усталостная прочность . (см.
1.11.2.20) в области максимальных пульси-
пульсирующих растягивающих напряжений; соот-
соответствующие значения приведены в TGL
12530. Кроме того, важны результаты испы-
испытаний на загиб (см. 1.11.2.7), знакопере-
знакопеременный изгиб (см. 1.11.2.9) (только для
сталей 140/160) и свариваемость (TGL
12530)..
Профилирование арматурной стали обес-
обеспечивает лучшее сцепление с бетоном. Ви-
Виды профилированных арматурных сталей
приведены на рис. 2.1.
Термическая обработка. Сталь поставля-
поставляют в горячекатаном, холоднотянутом кали-
калиброванном или улучшенном состоянии.
Сталь марки SH40-160 обычно подвер-
подвергают аустенитизации в проходной печи при
850 °С, закалке в масле и отпуску при
400—600 СС в свинцовой вание.
2.2.1.14. Высокопрочные
свариваемые строительные стали
Высокопрочные свариваемые мелкозерни-
мелкозернистые стали в горячекатаном и нормализо-
нормализованном состояниях, применяемые в виде
труб, листов или прутков вместо обычных
строительных сталей. Применение высоко-
высокопрочных строительных сталей позволяет об-
облегчить конструкции и экономить металл.
Стандарт TGL 101-014 (с 1.1.1976 заме-
заменен на TGL 22426).
Классификация: St45/60A — легирован-
легированная титаном. Для профилей толщиной (диа-
(диаметром) s?|8 мм в прокатанном состоинии;
St45/60B — легированная титаном. Для
труб, прутков и листов толщиной (диамет-
(диаметром) ^;6 мм; St45/60C — легированная ва-
ванадием и азотом. Для толстых листов тол-
шиной <50 мм.
Новые марки сталей с 1.1.1976: Н45-2;
Н45-3; Н52-3; Н52-3; Н55-3; НВ60-3;
Н60-3; HS60-3.
Выплавка в мартеновской печи или в
электропечи.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Оговарива-
Оговариваются следующие свойства:
а. Временное сопротивление 57—
70 кгс-мм~2 в зависимости от состояния
при поставке и марки стали.
б. Предел текучести 43—45 кгс-мм~* в
.зависимости от толщины (диаметра) для
всего сортамента.
в. Удлинение — в пределах от 18 до 20 %•
г. Испытания на загиб. Образпы, ото-
отобранные от всего сортамента, должны вы-
выдерживать изгиб на 180° вокруг оправки,
имеющей двойной диаметр (толщину), без
образования трещин.
д. Способность к загибу кромки (отбор-
товке); Гарантируется для толстых листов.
е. Ударная вязкость. В TGL приводятся
гарантированные минимальные значения
для стальных прутков и листа при темпе-
температурах от ,+20 до —60 °С, составляющие^
в зависимости от марки стали и вида тер-'
мической обработки 3,0—7,0 кгс-м-см~2.
224
ж. Жаропрочность. Для толстого листа
из St45/60C гарантируется предел текуче-
текучести при температурах от 100 до 400 °С 25—
39 кгс-мм-2.
з. Свариваемость. Стали должны быть
пригодны для сварки оплавлением, для
стыковой, контактной сварки.
Термическая обработка. Стальные трубы
и прутки из сталей St45/60B и С поставля-
поставляются в отожженном состоянии; профили из
стали St45/60A — после горячей прокатки.
Применение — мосты; опоры; грузоподъ-
грузоподъемные устройства; шахтные вагонетки;
подъемные механизмы; транспортные уст-
устройства; цистерны; трубопроводы; сельско-
сельскохозяйственные машины; строительные кон-
конструкции.
2.2.1.14.1. Коррозионностойкие
строительные стали
Низколегированные свариваемые строи-
строительные стали с повышенной стойкостью
против атмосферной коррозии.
Стандарт TGL 28182 (с 1.1.1976).
Классификация: КТ45-2; КТ45-3; КТ50-2;
КТ52-3.
Выплавка в мартеновской печи, электро-
электропечи или в кислородном конверторе. Стали
групп качества 1 и 2 разливаются как спо-
спокойные, стали группы качества 3 — как осо-
особо спокойные, нестареющие, мелкозерни-
мелкозернистые.
Технические характеристики
а. Стойкость против коррозии. На по-
поверхности коррозионностойких сталей при
определенных атмосферно-климатических
условиях должны образовываться защит-
защитные пленки определенного состава, прочно
связанные с основным металлом.
б. Механические свойства. В зависимости
от состава стали и размеров профилей пре-
предусматриваются следующие предельные
значения: 0в=28-ь36 кгс-мм-2; 0в=45-~
4-65 кгс-мм~2; 6б=20ч-22 %; диаметр оп-
оправки d при испытаниях на загиб 2S (S —
толщина образца); ан для состаренной ста-
стали 3—4 кгс-м-см~2 при 20'С, для стали,
не подвергавшейся старению, 5—8 кгсХ
Хм-см-2 при 20°С, 4—6 при — 20°С и 3—
5 при —40 °С.
в. Деформируемость. Стали не должны
обнаруживать ни хладноломкости, ни крас-
красноломкости. Испытание на плоский изгиб
проводится на продольных и поперечных
образцах при комнатной и повышенной
температурах.
Термическая обработка: нормализация
при 920—950 °С; смягчающий отжиг при
690—720 °С; отжиг для снятия- напряжений
при 550—620 °С.
Применение: строительные детали, стои-
стоимость первичной и периодически повторяе-
повторяемых окрасок которых (для уменьшения
окисления) значительна. Может быть при-
применена неокрашенная коррозионностойкая
сталь (например, для несущих балок, эле-
элементов фасада).
15—'140
2.2.1 Л 5. Мягкая сталь
и магнитномягкие материалы
для реле
а. Мягкая сталь — углеродистая сталь
высокой степени чистоты с малым содер-
содержанием примесей, сопутствующих железу.
Сталь характеризуется хорошей деформи-
деформируемостью в холодном состоянии, повы-
повышенной химической стойкостью в распла-
расплавах солей и металлов и высокой электри-
электрической проводимостью.
б. Магиитномягкие материалы для ре-
реле — материалы с малой коэрцитивной си-
силой и высокой намагниченностью (см.
1.11.3.6).
Стандарт TGL 101-18499 (мягкая сталь);
TGL 15193 (магнитномягкие материалы для
реле)..
Классификация:
1) кипящая мягкая сталь (МикЗ, Ми4);
спокойная мягкая сталь (Mk3AI, Mbk5);
2) иелегироваиные железные сплавы для
реле (от RFe20 до RFeHO). Состав спла-
сплавов специально не оговаривается (по ус-
усмотрению изготовителя);
3) кремнистые сплавы для реле (RSi24;
RSi48);
4) никелевые сплавы для реле (от R№2
до RNi24).
Способ выплавки не регламентируется.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Мягкая сталь. Основное свойство —
хорошая деформируемость в холодном со-
• стоянии. Механические свойства 0s=15-s-
-И7 кгс-мм-2; 0в=26-г-42 кгс-мм-2; б=
=25-=-30 %; г|)=55-5-60 %, глубина вытяжки
по Эриксену 9—11 мм. Высокая химичес-
химическая стойкость в расплавах цинка, олова,
свинца, а также в солевых расплавах. Мяг-
Мягкая сталь пригодна для сварки оплавлени-
оплавлением (см. 2.11.2.24) и давлением. Обработка
резанием часто затруднена из-за налипа-
налипания стружки (сталь слишком мягкая); по-
поэтому такую обработку резанием часто вы-
выполняют в холодиодеформированном со-
состоянии. При протяжке и других видах
холодной деформации имеет склонность к
образованию линий (следов) течения и' ря-
рябизны на поверхности (в случае крупного
зерна образуется «апельсиновая корка»),
б. Релейная сталь. Требуется высокая
индукция насыщения (см. 1.11.3.6) (хоро-
(хорошая намагниченность), гарантирующая вы-
высокую индукцию в воздушном зазоре ре-
реле. Требуется также низкая коэрцитивная
сила, чтобы якорь реле после отключения
тока не «прилипал». Коэрцитивная сила
после старения не должна увеличиваться
больше чем на 5—10 %¦ Гарантированные
значения коэрцитивной силы для нелеги-
нелегированных железных сплавов 0,20 ч-
ч-1,40 А/см; для кремнистых железных
сплавов 0,24-^0,48 А/см. Обработка реза-
резанием нелегированных железных сплавов
,для реле производится аналогично обра-
обработке мягкой стали. Поскольку обработка
резаннем сопровождается наклепом, что
ухудшает магнитные свойства, готовые из-
225
делия подвергают соответствующему отжи-
отжигу (для снятия наклепа).
Термическая обработка: мягкая сталь
для улучшения обрабатываемости применя-
применяют нормализацию при 930—950 °С (укруп-
(укрупнение зерен); релейная сталь —отжиг го-
готовых изделий (обычно проводится на за-
заводе—изготовителе реле) при 820 42 во
влажном водороде, далее медленное ох-
охлаждение до 500 °С.
Применение. Мягкая сталь используется
для глубокой вытяжки; холодной штампов-
штамповки профилей; материала уплотнителей-
компенсирующих проводов термопар- в хи-
химической промышленности; для типограф-
типографских машин; для сборных электрических
шин; ванн для цинкования; для изготовле-
изготовления железного порошка.
Релейная сталь служит для автоматичес-
автоматических телефонных искателей; регуляторов
тока и напряжения; установок дистанцион-
дистанционного контроля; электромагнитных тормо-
3аЖИМНЫХ устройств; громкоговорите-
2.2.1.16. Стали для холодной
высадки
Углеродистые и легированные стали —
обычно в виде горячекатаных заготовок
или холоднотянутой проволоки — благода-
благодаря химическому составу и высокой степени
чистоты характеризуются повышенной
способностью к холодной деформации и1
пригодны ко всем ее видам; после оконча-
окончательной обработки изделия приобретают
достаточные механические и другие свой-
свойства (например, стойкость против корро-
коррозии).
Стандарт TGL 14195, стали для холод-
холодной деформации.
Классификация:
Углеродистые— M7Q; M8Q- Mbk5Q-
Mk3Al; C10Q; C15Q; C25Q; C35Q; C45Q-'
CklOAlQ; Ckl5AlQ; Ck22AlQ.
Хромистые (коррозионностойкие) —
l5Cr3Q; 34Cr4Q; 35Cr2Q; 40Cr4O-
42Cr2Q; X8Crl7Q V
Хромомолибденовые — 25CrMo4O;
34CrMo4Q; 42CrMo4Q.
Хромованадиевая — 50OV4Q.
Хромоникелевая (коррозионностойкие)
Хромоникельмолибденовая (коррозион-
ностойкая) — X5CrNiMol 8.11.
Марганцевохромистая — 16МпСг5О;
20MnCr5Q. *
Марганцовистая с бором — 20MnB4Q.
Способ выплавки не регламентируется.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Пластичность в холодном состоянии.
Важнейшее свойство. Пластичность ухуд-
ухудшается под влиянием следующих факторов:
повышения содержания углерода (особен-
но>0,50 %); повышения содержания леги-
легирующих элементов; повышения содержания
неметаллических включений; увеличения
склонности стали к образованию строчеч-
строчечной структуры; увеличения числа поверх-
поверхностных дефектов (подкорковые пузыри,
226
включения, пережимы, риски, поверхностное
обезуглероживание); увеличения доли
пластинчатого перлита (вместо сферическо-
сферического цементита); слишком крупного зерна
(определяющего охрупчивание); слишком
мелкого зерна (определяющего повышен-
повышенную прочность).
Пластичность в холодном состоянии оце-
оценивается по данным относительного суже-
сужения при разрыве, которое должно состав-
составлять >50—60 %, но лучше >60 %. Для
уменьшения износа инструмента временное
сопротивление стали для холодной высад-
высадки не должно превышать 60 кгс-мм-2, од-
однако даже стали с временным сопротивле-
650
50
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
С, % (по массе)
Рис. 2.2. Температуры отжига сталей для холод-
холодной обработки давлением в зависимости от содер-
содержания углерода. Заштрихована область темпера-
температур отжига
нием 100 кгс-мм-2 при использовании оп-
определенных технологических приемов без
особых трудностей поддаются холодной
высадке.
б. Стойкость против коррозии. Углеродис-
Углеродистые и легированные стали для холодной
высадки имеют относительно низкую стой-
стойкость против коррозии, поэтому в ответст-
ответственных изделиях следует применять корро-
зионностойкую сталь или наносить корро-
коррозионностойкие покрытия.
Термическая обработка. Смягчающий от-
отжиг (отжиг на сферический цементит) —
см. рис. 2.2. При повышенных требованиях
к прочности и вязкости после холодной де-
деформации проводят улучшение. Рекристал-
лизационный отжиг — обычно промежуточ-
промежуточная обработка между процессами холодной
деформации.
Применение. Для изготовления винтов,
болтов, гаек, заклепок; точных холоднодё-
формироваиных профилей для последующей
обработки- резанием.
2.2.1.17. Цементуемые стали
Углеродистые и легированные конструк-
конструкционные стали, у которых после формооб-
формообразования с получением деталей поверхно-
поверхностный слой науглероживается, а в некото-
некоторых случаях одновременно насыщается
азотом, после чего производят закалку.
Цель — повышение износостойкости и
усталостной прочности (см. 1.11.2.20) в ре-
вультате повышения поверхностной твердо-
твердости деталей. Требуемая прочность сердце-
сердцевины достигается подбором соответствую-
соответствующей стали и режима термической обра-
обработки.
Стандарт TGL 6546.
Классификация: углеродистые—СЮ, С15;
хромистая — 15СгЗ; марганцевохромис-
тые — 16МпСг5, 20МпСг5; хромоникеле-
вая—18Сг№8, молибденохромистая —
20МоСг5, закалка с температуры цемента-
цементации; хромомарганцевая с титаном —
18CrMnTi5, закалка с температуры цемен-
цементации.
Выплавка в мартеновских печах и элек-
электропечах.
Технические характеристики. Стали пос-
после цементации обладают повышенной изно-
износостойкостью при высокой вязкости серд-
сердцевины, высокой прочностью при статичес-
статических и динамических нагрузках. При цемен-
цементации на поверхности возникают напряже-
напряжения сжатия, способствующие повышению
усталостной прочности (при знакоперемен-
знакопеременном изгибе, кручении или растяжении).
После контрольной («слепой») закалки об-
образцов, не подвергавшихся цементации, в
зависимости от марки стали, выбранной
закалочной среды и диаметра образца по-
поставщик гарантирует следующие минималь-
минимальные значения механических свойств сердце-
сердцевины:
Твердость-НВ
Предел текучести, кгс-мм~2
Временное сопротивление,
КГС-ММ"
Относительное удлинение, %
Поперечное сужение, % . .
143—433
30—80
50—145
7—15
35—45
Цементованная поверхность не должна
иметь мягких пятен (см. 1.7.3.2) и поверх-
поверхностных дефектов (трещин, пор, отслоев и
т. д.). Склонность к росту зерна при це-
цементации уменьшается при легировании мо-
молибденом B0МоСч5) и титаном A8CrMnTi5)
Обе эти стали применяют для цементации
при температурах <:1000°С.
Термическая обработка. В зависимости
от назначения и требований к поверхностно-
поверхностному слою и сердцевине прутков потребители
выбирают различные режимы термической
обработки.
а. Закалка с температуры цементации.
Экономичный процесс, получающий все бо-
более широкое распространение, однако фазо-
фазовые превращения проходят при. относитель-
относительно крупном исходном зерне аустенита
(кроме сталей 20МоСг5 и 18CrMnTi5).
б. Однократная закалка. Медленное ох-
охлаждение после цементации, повторный на-
нагрев до температуры закалки, являющейся
промежуточной между температурами за-
закалки поверхностного слоя и сердцевины
(обычно значительно ниже температуры
цементации), и закалка.
в. Двукратная закалка. Медленное ох-
охлаждение после цементации с последующей
закалкой при температуре, соответствую-
соответствующей нижнему уровню содержания углерода
в сердцевине. После этого проводится вто-
вторая закалка при температуре, соответству-
соответствующей содержанию углерода в поверхиост-
15*
ном слое. Двукратная закалка применяется
все реже, поскольку этот процесс относи-
относительно дорог. Подробные данные по терми-
термической обработке цементуемых сталей
приведены в стандарте TGL6546. Стали по-
поставляются потребителю в горячекатаном
или отожженном (смягчающий отжиг, нор-
нормализация, отпуск) состояния.
Применение
ClO, C15—мелкие штампованные из лис-
листа детали.
15СгЗ — более крупные, но не сильно
нагруженные в сердцевине детали с твер-
твердой поверхностью (поршни, болты, ролики,
шпиндели, зубчатые колеса).
16МпСг5; ЮМпСгб — детали с твердой
поверхностью и высоконагружениой серд-
сердцевиной (конические колеса, малые шес-
шестерни, зубчатые колеса, валы).
20МоСг4 — твердая поверхность, высоко-
нагруженная сердцевина, большая прока-
ливаемость (крупные детали).
18Сг№8—детали больших размеров с
твердой поверхностью и предельно высоко-
нагруженной сердцевиной (зубчатые коле-
колеса, шестерни, конические колеса, валы).
2.2.1.18. Улучшаемые стали
Углеродистые и легированные конструк-
конструкционные стали, имеющие после закалки и
отпуска в зависимости от химического со-
состава, размеров изделий и температуры от-
отпуска требуемые техническими условиями
значения предела текучести, временного со-
сопротивления, пластичности и вязкости. Не-
Некоторые улучшаемые стали пригодны для
поверхностной закалкя (пламенной и ин-
индукционной).
Стандарт TGL 6547.
Классификация — см. табл. 84.
Выплавка в мартеновской печи и элек-
электропечи.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Основное
свойство — прокаливаемость (см. 1.11.2.22),
зависит от химического состава стали. Из-
Изделие должно полностью прокаливаться
насквозь (сквозное улучшение). Стали с
малой способностью к сквозному улучше-
улучшению пригодны для изделий с небольшим
поперечным сечением. Другое важное свой-
свойство—предел текучести (после улучшения).
На рис. 2.3 приведена классификация ста-
сталей по требуемым значениям предела теку-
текучести в Зависимости от диаметра заготовки
(минимальный предел текучести в зависи-
зависимости от марки стали и диаметра изделия).
После улучшения гарантируются следую-
следующие (кроме предела текучести) свойства:
0в=55-*-15О кгс-мм-2; 6B=6-s-50 %; ф=
Важное значение имеет чувствительность
к перегреву (склонность к укрупнению зе-
зерен) при аустенитизации (см. 1.9.6.4),
склонность к обезуглероживанию поверхно-
поверхности и склонность к отпускной хрупкости
(см. 5.0).
Изменение значений Ов, Ов, 6 и ф в за-
зависимости от температуры отпуска иллюст-
227
1100
1051
. 1000
S50
900
I
ggg —\ 40СГ4 {
750
^700
i
i
650
I
600 —[
?550
500
450
400
350
300
58trV4 |_|"зОСгМоУ9 I
50CrV4
50CrMo4
58CrV4
42MnCr4
38CrSi6
42CrMo4
36CrNiM04
S0CrV4
50СГММ
58CrV4
30CrMoV9
50MnSW
37MnSi5
37MnV7
34СГ4
34CrMc4
4ZMnV7
38CrSi6
42СГМ04
36CrNiM04
50СГМ04
3OCrMoV9
58СГУ4
25СГМ04
—| 40МП4
40СГ4
50 linS i4
37MnSi5
37MnV7
34СГ4
34СГМ04
4ZMnV7
38CrSi6
50 CrU
42CrM04
36CrNiM04
5flCrM04
S8CrV4
3OCrMoV9
25СГИ04
40Cr4
—| C60
—|C55, Cf 55
40МП4
30МП5
50MnSi4
37MnSi5
37MnV7
40Cr4
34СГМ04
38CrSi6
5GCrV4
42СГМ04
36CrNiM04
50CrMo4 \-
4ZMnV7
C60
—] C45, Cf 45
C55,Cf55
_4 C35
C45,Cf45
С6О,4ОМЛ4
30МП5
25СГМ04
C55, Cf 55
37MnSi5
40СГ4
34СГМО4
37МПЯ5
40СГ4
38CrSi6
50CrV4
42CrMo4
38CrNiMo4
4ZMnV7
37MnV7
34СГМ04
—f C25
C45, Cf45
С 35
<J6
> 78-40
> 40-100
'100-160
>16O-250
Диаметры, мм
Рнс. 2.3. Диаметры, при которых у приведенных марок сталей после улучшения достига-
достигается примерно одинаковая прочность по поперечному сечению
рируется «диаграммами улучшения», одиа
из которых для примера приведена на рис.
2.4.
При поверхностной закалке обычно дос-
достигают следующих значений глубины зака-
закаленного слоя; пламенная закалка — 1,5—
228
4 мм у углеродистой стали и 2,0—50 мм у
легированной; индукционная закалка 0,6—
1,5 мм (высокочастотная, . 450000 Гц),
1,5—50 мм (машинный генератор, 3000 Гц)
и 5—50 мм (промышленная частота, 50 Гц).
Детали с твердыми закаленными поверх-
ТАБЛИЦА 84
Вид стали
Марка стали
Примечание
Углеродистые
Марганцовистые
Марганцевокремни-
стые
Марганцевованадиевые
Хромистые, хромокрем-
нистые, хромованадие-
вые, хромомолибденовые
и хромомолибденована-
циевые
Хромоникелемолибде-
новые
С25, С35*, С45*, Cf45*
С55*, С60, Ck53
40Мп4, ЗОМпб
50MnSi4, 37MnSi5*
37MnV7*, 42MnV7*
34Сг4*, 40Сг4*
36CrNiMo4
Для деталей небольшого сечения,
слабо нагруженных
С повышенной прокаливаемостью
(сквозное улучшение); средний раз-
размер зерна
То же
Ванадий препятствует росту зерна,
мелкозернистые стали
Повышенная прокаливаемость (сквоз-
(сквозное улучшение), ванадий препятству-
препятствует росту зерна; благодаря молибдену
лучшая устойчивость против отпу-
отпуска; уменьшается отпускная хруп-
хрупкость
Особенно высокая прокаливаемость
(сквозное улучшение). Для высоко-
нагруженных деталей с большим по-
поперечным сечением
Примечание. Звездочкой отмечены стали, пригодные для поверхностной закалки.
ностными слоями имеют повышенную стой-
стойкость к изнашиванию и высокую усталост-
усталостную прочность (см. 1.11.2.20); твердость на
поверхности достигает HRC65.
Термическая обработка. Стали поставли-
ются потребителю в горячекатаном (неотож-
женном) илн нормализованном состоя-
состоянии. После обработки до окончательных
размеров и получения деталей проводится
улучшение или поверхностная закалка.
В стандарте TGL 6547 приводятся режимы
объемной закалки и отпуска при улучше-
улучшении. Температура нагрева под закалку
обычно 800—870 °С.
МПа
Рис. 2.4. Зависимость ме-
механических свойств улуч-
улучшаемых сталей от тем-
температуры отпуска
74UU
1200
1000
800
600
400
200
л
-ч* -
- ^ ^ч
-
- _!--—-
- 6-
1 1 1
140
-120
100
А 80
60
40
-Л 20
О
450 550 650
Температура
отпуска, "С
2.2.1.19. Азотируемые стали
Легированные улучшаемые стали, содер-
содержащие элементы, образующие с adOTOM спе-
специальные нитриды требуемой формы и ве-
величины. Образование нитридов после азо-
азотирования определяет повышенное сопро-
сопротивление износу поверхности (нитриды име-
имеют весьма высокую твердость) и повышен-
повышенную усталостную прочность (после азоти-
азотирования создаются сжимающие напряже-
напряжения).
Стандарт TGL 4391.
Марки стали: 35СгА16; 32А1Мо4;
30CrMoV9.
Выплавка в электропечи или специаль-
специальные методы плавки (многокамерная элек-
электроннолучевая печь, электрошлаковый пе-
переплав, см. 4.0).
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Стали при-
пригодны для изготовления деталей, эксплуа-
эксплуатируемых в условиях повышенных темпера-
температур— до 500 "С. Для азотированных де-
деталей характерна высокая усталостная
прочность: вследствие растворения азота и
связанного с этим увеличения объема воз-
возникают напряжения сжатия в поверхност-
поверхностном слое. Азотированные поверхности име-
имеют высокую твердость (HV900 для стали,
легированной алюминием,; HV750 для ста-
стали 30CrMoV9), высокую износостойкость,
хорошие антифрикционные свойства — по-
последние после азотирования и шлифовки,
а также повышенную коррозионную стой-
стойкость.
В TGL 4391 приводятся гарантируемые
механические свойства для азотируемых
сталей. После улучшения достигаются сле-
следующие минимальные значения: аБ =
=75кгс-мм-2, 0в=П5 кгс-мм-2, 65=13%.
Термическая обработка. Смягчающий от-
отжиг при 680—720 "С (для лучшей обраба-
обрабатываемости); закалка с 850—950СС; отпуск
при 580—650 °С; газовое азотирование при
500—520 "С; жидкостное азотирование при
560—580 °С (последние две операции —
одна или другая).
Применение. Детали арматуры паропро-
паропроводов; шпиндели шлифовальных и фрезер-
229
иых станков; измерительный инструмент;
плунжеры; поршневые штоки; гильзы ци-
цилиндров двигателей внутреннего сгорания,
тяжелойагружеиные шестерни и валы.
2.2.1.20. Пружинные стали
Стали, обладающие высоким техничес-
техническим пределом упругости, используемые для
изготовления всех видов пружин и рессор.
а. Обычные пружинные стали. Горячека-
Горячекатаные легированные конструкционные ста-
стали, из которых с помощью горячей или хо-
холодной деформации изготовляют пружины
или пружинные детали, а затем в результа-
результате последующего улучшения сообщают из-
изделиям требуемые свойства.
б. Жаропрочные пружинные стали. Горя-
Горячекатаные или холоднотянутые (калибро-
(калиброванные) легированные стали, применяемые
для изготовления пружин и пружинных де-
деталей, работающих в условиях повышен-
повышенных температур; стали характеризуются
высоким пределом упругости, хорошей ус-
усталостной прочностью и достаточной плас-
пластичностью при температуре эксплуатации.
в. Нержавеющие и кислотостойкие пру-
пружинные стали. Качественные стали, которые
в виде холоднокатаной ленты или холодно-
холоднотянутой проволоки используются для изго-
изготовления пружин и пружинных деталей, ра-
работающих в коррозионных средах.
Стандарты: TGL 13789 (стали для пру-
пружин, горячакатаные); TGL 13872 (жаро-
(жаропрочные стали для пружин); TGL 14187
(нержавеющие и кислотостойкие стали для
пружии).
Классификация
Обычные — 50SiMn7; 55SiMn7; 6CSiMn7;
65SiMn7; 62SiCr5; 50CrMn4; 50CrV4.
Жаропрочные — 62SiCr5; 50CrV4;
42CrMoV6.7; 21CrMoV5.11.
Нержавеющие и кислотостойкие—.X20Crl3;
Х35СгМо17; Х12Сг№17.7; X5CrNiMol8.ll;
X8CrNiMoTi 18.11.
По характеру легирования стали разде-
разделяются на Si—Mn, Si—Сг, Сг—Мп, Сг—V,
Сг—Мо—(V) и высоколегированные Сг,
Сг—Ni и Сг—Ni—Mo— (Ti) стали.
Нержавеющие и кислотостойкие стали
выплавляют в электропечах, все осталь-
остальные — в мартеновской печи или в электро-
электропечах.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. После сня-
снятия нагрузки Пружины должны без оста-
остаточного изменения формы (осадки) возвра-
возвращаться в исходное положение. Технический
предел упругости (см. 1.11.2.1)—это такое
наибольшее напряжение, до которого не
наступает макроскопическая остаточная де-
деформация. Способность выдерживать нагруз-
нагрузку, после снятия которой отсутствует оста-
остаточная деформация, прямо зависит от ве-
величины модуля упругости (см. 1.11.1.1) (в
случае нормальных напряжений) или моду-
модуля сдвига (в случае преимущественных ка-
касательных напряжений) (см. 1.11.1.1). По
сравнению с аустенитными пружинными
сталями (не имеющими полиморфных пре-
превращений) закаливаемые (улучшаемые)
стали имеют более высокий модуль упру-
упругости или модуль сдвига.
Пружинные стали должны обладать сле-
следующими свойствами:
а — достаточно широкой областью упру-
упругой деформации;
б — достаточно высокой способностью к
деформируемости (для придания требуемой
формы пружинам или пружинным деталям
без разрушения);
в — достаточным сроком службы (отсут-
(отсутствие поломок, остаточной деформации при
заневоливании, отсутствие осадки при эк-
эксплуатации) ;
г — достаточной коррозионной стойкостью
в агрессивных средах.
Требуемые свойства достигаются за счет
выбора оптимального химического состава
и режима обработки (способность к улуч-
улучшению, к деформационному упрочнению
и т. д.).
Дефекты поверхности (трещины, риски,
следы коррозии, обезуглероживание) недо-
недопустимы, так как они сильно снижают уста-
усталостную прочность. Этим объясняются вы-
высокие требования к качеству поверхности
пружинной проволоки и ленты. Поверхность
пружин, работающих в тяжелых эксплуата-
эксплуатационных условиях, обрабатывается обточ-
обточкой, бесцентровой шлифовкой или полиров-
полировкой. Ряд пружин подвергают цементации
или азотированию поверхности.
В действующих стандартах (TGL) приве-
приведены гарантированные минимальные значе-
значения механических свойств (при комнатной
температуре) в зависимости от режима
термической обработки, а также значения
0s при температурах от 20 до 500°С (для
жаропрочных пружинных сталей после
улучшения).
Термическая обработка. В зависимости
от состава пружинных сталей и назначения
пружин применяют: смягчающий отжиг при
640—860 "С; нормализацию при 830—
880 °С; закалку с 830—970 °С в масле или
воде; отпуск обычных пружинных сталей
при 430—520 °С, жаропрочных пружинных
сталей при 470—650 °С, нержавеющих и
кислотостойких сталей после холодной де-
деформации (упрочнения) при 250—450 °С;
аустенитизацию при 960—И 00 "С, отпуск
после аустенитизации при 580—720 "С.
2.2.1.21. Хромируемые стали
Стали, содержащие <0,1 % С и пяти-
пятикратное по отношению к углероду количе-
количество титана, на поверхности которых в ре-
результате диффузионного хромирования,
длящегося в течение многих часов при
температуре 1000 °С, осаждаются парообраз-
парообразные соединения хрома, образуя диффузион-
диффузионный слой толщиной до —0,15 мм с макси-
максимальным содержанием хрома 32 %. Благо-
Благодаря такой обработке образуется защитный
слой (главным образом из Сг2О3), опреде-
определяющий хорошую стойкость стали против
коррозии и окалннообразования до рабочих
температур ~800°С.
Сталь 5Ti5 (не стандартизована); вы-
выплавка в электропечах; состав: -<0,10 % С;
0 25—0,40 % Si; 0,40—0,60 % Мп; «0,030
% Р; <0,030 % S; E- % С<0,60) % Ti. .
230
Технические характеристики
а. Механические свойства. В исходном
нормализованном состоянии: ав—
= 18 кгс.мм~2; Св=40 кгсмм~2; 65=
=36 7о; Ол=20 кгс-м-см-2. За исключени-
исключением ударной вязкости, которая уменьшается
вследствие роста зерен при хромировании
до величины 3 кгсм.см-2, приведенные
характеристики в результате хромирования
почти ие изменяются. Малоуглеродистая
хромированная сталь имеет низкую твер-
твердость и небольшое сопротивление изнаши-
изнашиванию.
б. Стойкость против коррозии. После
хромирования поверхность стали ведет се-
себя подобно стали с высоким содержанием
хрома. Содержание хрома резко убывает в
направлении к сердцевине. При 13 % Сг
достигается известный предел устойчивости
для коррозионностойких хромистых сталей.
Применение. Детали, от которых требу-
требуется высокая коррозионная стойкость при
невысокой прочности (шпиндели и втулки,
работающие в активных средах). Часто
используется для замены цветных металлов.
2.2.1.22. Стали для сварочной
проволоки (для электродов)
Холоднотянутая или горячекатаная, и
смотанная в бунты проволока для изготов-
изготовления не покрытых или покрытых обмаз-
обмазкой электродов для сварки стали. Электро-
Электроды в процессе сварки расплавляются и
вступают во взаимодействие с материалом
обмазки и свариваемым металлом; одно-
одновременно происходит взаимодействие с ок-
окружающей атмосферой. После затвердева-
затвердевания образуется прочное соединение.
Стандарт TGL 7253.
Классификация
, Углеродистые — Muk 2 S, Muk 9, Mbk 10,
Mbk 10 S.
Низколегированные—10Si4, 10Mn4,
8Mn6, ЮМпб, 10Мп6А1, 10Мп8, 10Мп8А1,
10MnSi6, 6MnSiCuNi5, 6MnCuNi5, lONiMo-
•V5.4, 10NiMoSi4.4, 10MnSi8, 12MnSiTi8,
9Mn№4, 9Mn№4, 9MnNi4.4, 17MnNi4,
20MnCrNi7, 25CrMnTi8, 30MnCrTi5, 50Mn-
•CrTi4, 70MnCrTi8, 105Cr4, 110MnCrTi8.
Жаропрочные — 9MnMo4.5, 9MnMoSi4.5
9CrMo4.5, 7CrMo9.10, 7CrMoSi9.10, 12CrMo-
•V10.5, 20WCrV17.10, 8CrMo25.
Нержавеющие и кислотостойкие —
X6Crl4, X8Crl8, X8CrTil8, X5CrNil9.9, X2Cr-
•№20.10, X5CrNiNb20, X6Cr№Mol9.11,
Jf2CrNiMol9.13, X5CrNiMoNbl9.11, ffiCr-
• №25.13, X5CrNiNb25.13, X5NiCrMoCu-
Nb20.18.
Жаростойкие (окалиностойкие) —Х8Сг9,
A'8Crl5, X8Cr30, X12CrNi25.4, АЧ2Сг№22.12,
Al2Cr№26.20, X12Cr№Mnl9.9, X8Cr№30.10,
45CrSi34.
Метод выплавки—по усмотрению изго-
изготовителя.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Важной ха-
характеристикой являются свойства получен-
полученного с помощью сварочной проволоки на-
! плавленного металла, зависящие от соста-
состава электрода, состава обмазки, способа и
технологии сварки. Временное сопротивле-
сопротивление холоднотянутой сварочной проволоки
зависит от ее диаметра. Примерные значе-
значения после волочения: для аустенитных
сталей 80—140 кгс-мм~2; для всех осталь-
остальных сталей 80—ПО кгс-мм~2.
После смягчающего отжига в бунтах
ов составляет 50—105 кгс-мм-2 в зависи-
зависимости от химического состава.
Особое внимание уделяется очистке по-
поверхности, так как ржавчина, следы масла,
смазки, краски вредно влияют иа процесс
сварки. Во многих случаях сварочная про-
проволока омедняется (^0,15 % Си от об-
общей массы проволоки).
Термическая обработка. Изготовитель
стали может подвергать холоднотянутую
сварочную проволоку аустенитизации и
закалке. Круглая сталь (преволока) в бун-
бунтах поставляется без термической обработ-
обработки или после смягчающего отжига.
Применение. В TGL 7253 содержатся
подробные данные об использовании все-
всевозможных видов сварочной проволоки для
различных видов сварки (TGL14904,
лист 2).
2.2.1.23. Нержавеющие
и кислотостойкие стали
Высоколегированные стали с содержани-
содержанием хрома ^12 %, весьма стойкие к воздей-
воздействию атмосферы и различных органических
и неорганических кислот, щелочей и раст-
растворов солей. Преимущественно хромонике-
левые стали, которые для улучшения опре-
определенных эксплуатационных свойств могут
содержать также другие легирующие до-
добавки.
Стандарт TGL 7143.
Классификация
а. По структуре:
— Ферритные: Х7Сг14 (ферриТ+пер-
лит), ХЮСтХЗ (феррит+перлит), Х8СтП,
A8CrTil7 и Х8СгМоТИ7 (феррит).
— Перлито-мартенситные: ,Х20Сг13 (сор-
бит+троостит), Х40Сг13 (мартенсит),
Я22Сг№17 (сорбит+троостит), Х90СгМо-
•V18 (мартенсит), X12CrMoS17 (феррит+
+троостит), Х20СгМо13иА'35СгМо17 .(сор-
.(сорбит+троостит).
— Аустенитные: АЧ2Сг№17.7, XlOCrNi-
-18.9, ХЗСг№18.10, ХбСгМШО, X8CrNi-
-ТП8.10, A'SCrNiMoiail, *8CrNiMoTil8.11,
Х8Сг№12.12, Х12МпСг18.Г2, XlOCrMnNi-
N17.9.4 (в сталях всех марок—аустенит).
б. По основным легирующим элементам:
— Хромистые (возможны добавки Ti).
— Хромомолибденовые (возможны до-
добавки Ti, V или S).
— Хромоиикелевые (возможны добавки
Мо или Ti).
— Хромомарганцовистые (возможны до-
добавки № и N).
Стали выплавляются в электропечах.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Коррозионная стойкость. Стойкость
против равномерной или неравномерной
потери массы с поверхности (контактной,
щелевой, сквозной коррозии, коррозионно-
231
го растрескивания и межкристаллитной
коррозии) обусловлена главным образом
содержанием хрома, образующего пассиви-
пассивирующую пленку. Добавки № и Мо допол-
дополнительно повышают коррозионную стой-
стойкость в некоторых средах. Сопротивление
коррозии ферритиых и перлитных сталей в
большой степени зависит от состояния по-
поверхности, которая должна быть по воз-
возможности полированной (малая шерохова-
шероховатость и меньше поверхность соприкоснове-
соприкосновения со средой). Аустенитные стали имеют
уже в состоянии поставки пассивированную
поверхность после проведения у изготовите-
изготовителя специального травления. Коррозионную
. стойкость лучше всего испытывать в произ-
производственных условиях (или в условиях,
приближенных к производственным) на
сваренных образцах. В результате сварки
и/или деформации в горячем (или холод-
холодном) состоянии, или аналогичного воздей-
воздействия склонность к межкристаллитной кор-
коррозии может увеличиваться (устраняется
добавкой Ti).
б. Механические свойства. В зависимости
от марки стали и вида термической обра-
обработки TGL7143 гарантирует следующие
значения механических свойств: твердость
НВ 150 н-275; os = 20+60 кгс-мм-2; ав =
= 50ч-95 КГС-.ММ-2; fi5 = 12+50 %, ак =
= 4+25 кгс-м/см2.
в. Способность к холодной деформации.
Аустенитные стали лучше поддаются хо-
холодной деформации, чем углеродистые лис-
листовые стали, в том числе стали для глубо-
глубокой вытяжки, а ферритные стали имеют
худшую деформируемость. Перлито-мартен-
ситные стали для холодной деформации не
пригодны. Разупрочнение аустенитных ста-
сталей производится при проведении терми-
термической обработки: нагрев на 1000—1100°С
с последующей закалкой; для ферритных
сталей — нагрев на 740—760 "С. Способ-
Способность ферритной стали к холодной дефор-
деформации значительно улучшается также при
нагреве ее до 300 °С.
д. Свариваемость. Стали могут свари-
ваться газовой или другой сваркой (с при-
применением защитного газа — обычно арго-
аргона — или без него) и контактной сваркой.
Подробные данные о методах сварки, со-
соответствующих флюсах и термической об-
обработке после сварки приведены в
TGL 7143.
Термическая обработка
а. Ферритиые стали — нагрев до 750—
850 "С, охлаждение на воздухе или в воде.
б. Аустенитные стали — аустенитизация
при 1000—1100сС, закалка в воде или ох-
охлаждение на воздухе (для тонких изде-
изделий).
в. Перлито-мартенситные стали—¦ отжиг
750—850 °С, закалка с 950—1050 "С, охлаж-
охлаждение в масле, отпуск при различных тем-
температурах.
Подробные данные о температурах тер-
термической обработки приведены в TGL 7143.
В этом же стандарте приведены примеры
применения нержавеющих и кислотостой-
кислотостойких сталей.
2.2.1.24. Жаростойкие
(окалиностойкие) стали
Жаростойкими считаются высоколегиро-
высоколегированные стали, сохраняющие требуемые ме-
механические свойства при температуре
>600сС и благодаря образованию защит-
защитного слоя (пленки), имеющие повышенную
окалиностойкость при нагреве на воздухе,
в среде. горючих газов и продуктов их го-
горения, а также при действии других хими-
химических веществ. При многократном нагре-
нагреве и охлаждении свойства сталей практи-
практически не изменяются.
Окалиностойкими считаются стали, кото-
которые при температуре Х°С характеризуются
тем, что перешедшая в окалину масса ме-
металла при длительности нагрева 120 ч с
четырьмя промежуточными циклами ох-
охлаждения составляет 1 г-м~2-ч~1, а при
температуре (Я+50) °С<2 г-м-2-ч->.
Стандарт TGL 7061.
Классификация
— Ферритные (Сг—А1): Х10СгА17,
АЮСгАИЗ, Х10СгА118, Х10СгА124.
— Аустенитные (Сг—Ni—Ti): .XBCrNi-
Til810
[Сг—Ni—Si (Ti)]: X15CrNiSi20.13, X15Ct-
•NiSi25.20, X20CrNiSi25.4, X12CrNiSi36.16.
Выплавка — в электропечах.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Основные
требования — хорошая окалиностойкость и
достаточная жаропрочность; кроме того,
хорошая свариваемость, достаточная де-
деформируемость в холодном и горячем со-
состояниях, а также хорошая корррзионная
стойкость при воздействии различных печ-
печных атмосфер (например, серусодержа-
щих).
Эксплуатационные характеристики жаро-
жаростойких и окалиностойких сталей приведе-
приведены на рис. 2.5. Ферритные стали хуже де-
деформируются в холодном состоянии, менее
пригодны для глубокой вытяжки и обла-
обладают значительно худшей свариваемостью
по сравнению с аустенитными сталями.
Способность к обработке резанием у фер-
ферритных и аустенитных сталей примерно
одинаковая. Стойкость против серусодер-
жащих газов у ферритных сталей выше, а
против азотсодержащих и науглерожива-
науглероживающих газов ниже, чем у аустенитных "ста-
"сталей.
Возможны следующие виды охрупчива-
ния — табл. 85.
Механические свойства. TGL7061 содер-
содержит данные о нормах прочности при ком-
комнатной температуре и температурах 600—
1200сС, в том числе данные о пределе пол-
ползучести за 1000 ч при удлинении ^1 %,
являющиеся отправными для оценки жаро-
жаропрочности.
Термическая обработка. Ферритные хро-
хромистые стали подвергают специальным ви-
видам нагрева (см. выше) для увеличения
вязкости (устранения охрупчивания). Ча-
Чаще всего применяют кратковременный
нагрев выше 750—850 °С с последующим
быстрым охлаждением на воздухе или в
воде для устранения охрупчивания. Аусте-
232
О/пгхмостой/гость на воздухе
1200
two
1000
900
. 800
700
Ферратные стала
?2 S5
Аустенитмые стала
П
з-
х;
Оо~рад~атываемость
очень хорошая
хорошая
средняя
ллохая
(определяется
-
-
' D
1
|
к \
¦_
I I 7
:
- 1 Т
; 1
Холодная деформация
Глцбшя вытяжка
г
1
1
:
'г
ГТ
\ \
;
;
Обрабатываемость резанием
Свариваемость
Стайность против атмосферы new
очень хорошая
средняя
плохая
> очень плохая
I
LJ Стойкость против серусодержщихояисли/лельншгазоб
п
и Стойкость лрод/иб восстановительных eaeoff
I Стойкость против' азотсодержащих, науглероживающих газов
Рис. 2.S
ТАБЛИЦА 85
Вид охрупчнвання
Охрупчивание при,
475 °С
Образование о-фазы при
600—850 °С
Тоже
Выделение карбидов
при 500—850 °С
Рост зерен
Сталь
Ферритные хромистые
стали с 5==13 % Сг
То же, с 5*20 % Сг
Аустенитные стали
> »
Ферритные хромистые
стали с >12 %С
Термическая обработка для устранения
хрупкости
Кратковременный отжиг при темпе-
температуре >900°С
Нагреб >900°С, затем быстрое ох-
охлаждение
Нагрев >1000°С с быстрым охлаж-
охлаждением
То же
Хрупкость не устраняется
нитные стали закаливают с 1000—1100 °С Величина а8 при различных температурах,
В ВОДе. кгг.им-2-
Применение. В промышленной теплотех-
теплотехнике, для химической промышленности.
кгс-мм
20° С
18-55
300° С
14-52
350° С
13,5-50
400° С 425° С
13-46 >28
450° С
>42
2.2.1.25. Водородоустойчивые
стали
Легированные конструкционные стали,
обладающие в активных водородсодержа-
водородсодержащих средах требуемыми механическими
свойствами: временным сопротивлением,
пределом текучести, вязкостью, достаточной
жаропрочностью. Особый химический со-
состав сталей позволяет им при высоких тем-
температурах и давлениях сохранять некоторую
условную или абсолютную стойкость про-
против воздействия водорода. Водород реаги-
реагирует с углеродом, содержащимся в карби-
карбиде железа, с образованием метана; в ре-
результате происходит охрупчивание, падение
прочности (в том числе когезивной, межзе-
ренной), н прн одновременно действующей
растягивающей нагрузке может произойти
катастрофическое разрушение. Обычно для
ограничения таких явлений проводится
легирование хромом, образующим более
стойкие карг иды, в меньшей степени
взаимодействующие с водородом.
Стандарт TGL6918.
Классификация
— Хромистые: 16Сг9, ЮСгП.
— Хромомолибденовые: ЮСгМоЭЛО,
13СгМо5 4, 16СгМо9.3, 20СгМо9, 24СгМо9,
12СгМо20.5
— Хромомолибденованадиевые: 17 СгМо •
•V 10, 20 CrMoV 13.5.
— Хромомолибденовольфрамовые: 17 Сг-
• MoW, 21CrMoWll.
— Прочие: Ck22Ti, 24МпСг5.
Выплавка в мартеновской печи или элек-
электропечи.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Гарантиро-
Гарантированные предельные значения механических
свойств (TGL6918) различных сталей (пос-
(после улучшения толщина ^100 мм) следу-
следующие: Gb = 45-5-95 кгс-мм-2; 6s = 14-5-
-5-26%; as = 4 кгс-м-см-2 на продольных
образцах и 6 кгс-м-см на поперечных.
Кроме того, в TGL6918 даны нормативы
для 1 %-ного предела ползучести (см.
1.11.2.19) и длительной прочности за
10 000 и 100 000 ч при температурах от
450 до 580 "С.
б. Свариваемость. Все стали могут под-
подвергаться газовой и/нли электросварке. Для
сталей с повышенным содержанием хрома
необходим медленный подогрев и также
медленное охлаждение.
Термическая обработка. Стали поставля-
поставляются изготовителем в горячекатаном нор-
нормализованном или улучшенном состоянии.
Применяются онн (у потребителя) всегда
после улучшения. В зависимости от марки
стали, назначения и размеров изделия за-
закалка производится с охлаждением в мас-
масле илн на воздухе. Для получения необхо-
необходимой стойкости против действия водорода
высокого давления важным является ка-
качественное проведение полного (сквозного
по сечению) улучшения и достаточно дли-
длительного заключительного отпуска при высо-
высоких температурах. В зависимости от марки
стали применяются следующие режимы тер-
термической обработки: нормализация при
890—1050°С; смягчающий отжиг при
680—730 °С; закалка с 910—1050 °С; отпуск
при 600—740 °С.
Стали применяются в установках для
синтеза топлива, метанола, аммиака и т. д.
при давлении обычно >200 кгс-см-2 и тем-
температурах 480—580 °С.
Указания о применении соответствующих
марок стали даны в TGL6918.
2.2.1.26. Жаропрочные стали
общего назначения
(теплоустойчивые)
и жаропрочные аустенитные стали
Углеродистые и легированные феррито-
перлитные стали, которые в улучшенном,
или нормализованном состоянии могут быть
использованы при рабочих температурах
от 400 до 475 °С; характеризуются доста-
234
ТАБЛИЦА SS
Стали
Углеродистые и низ-
низколегированные
Легированные фер-
рито-перлитные
«0,3 %Сг; <1,0%
Мо; <0,6 % V)
Легированные фер-
рито-перлитные A2—
13 % Сг)
Легированные жаро-
жаропрочные аустенит-
ные
Макси-
Максимальная
рабочая
темпера-
температура. °С
400
400
400
400-580
400-580
400-580
400-580
400-580
400-580
600
600
650-750
Марка стали
С35
С45
19Мп5
15МоЗ
13СгМо4.4
ЮСгМоЭ.Ю
• 24СгМо5
24СгМо5.5
21CrMoV5.ll
X22CrMoV12.1
Х20СгМо13
X10CrNiWVTil8.9,
X8CrNiNbl6.13,
X8CrNiMoNbl6.16,
URX10NiCrWTi36.h5 -
Сварива-
Свариваемость
Условная
Хорошая
»
»
»
Условная
»
»
Условная
»
—
Критерий оценки
Предел текучести при
повышенных темпе-
температурах
Длительная проч-
прочность и предел пол-
ползучести
То же
точными жаропрочностью и окалиностой-
костью.
Стандарты TGL7961, TGL 28185.
Классификация По виду стали и темпе-
температуре применения — см. табл. 86.
Выплавка в мартеновской печи или элек-
электропечи.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. До 400 °С оп-
определяющим является предел текучести
при повышенных температурах; >400°С в
результате усиливающейся релаксации
(см. 1.11.1.4) определяющими являются
длительная прочность (см. 1.11.2.19) или
предел ползучести для 10 000 или 100 000 ч
эксплуатации (например, при применении
в паросиловых установках). В TGL 7961
приведены следующие, зависящие от соста-
состава предельные значения механических
свойств для различных сталей в улучшен-
улучшенном состоянии: Ов = 44-н95 кгс-мм~2; 65 =
= 14-^-22%; aft = 5-f-8 кгс-м-см-2; вели-
величины as при различных температурах,
кгс-мм~2:
20° С 200° е 250° С
27-60 22-55 21-52
Продолжение
300° С 350" С 400° С 450" С
19-50 17-47 15-45 42
Кроме того, в TGL 7961 приведены зна-
значения пределов ползучести и длительной
прочности для 400—600 °С. В табл. 87 при-
приведены значения предела текучести {в за-
зависимости от марки стали) по TGL 28185.
б. Окалиностойкость. Приведенные в
разделе «Классификация» максимальные
рабочие температуры для четырех типов
стилей определяют также нх достаточную
окалиностойкость; выше приведенных пре-
предельных температур окалиностойкость не
гарантируется.
ТАБЛИЦА 87
W 9С
20
200
300
400
500
550
600
o0i2, кгс-мм"
21—40
16—39
14—38
13—38
12—38
12—38
11—38
"l,o, КГС-ММ "
25—44
19—42
17—41
16—41
15—41
15—41
14—41
Термическая обработка. Стали поставля-
поставляются в различном состоянии; без термичес-
термической обработки, после нормализации, смяг-
смягчающего отжига, улучшения, аустенизации
или после дисперсионного твердения. При-
Применяются (у потребителя) только после
улучшения, закалки с охлаждением на воз-
воздухе или в масле, нормализации или аусте-
иизации и дисперсионного твердения.
В зависимости от марки стали использу-
используются следующие режимы термической об-
обработки: для аустенитных сталей — аусте-
низация при 1050—1120°С (охлаждение
на воздухе или в воде) и дисперсионное
твердение при 670—790 °С (охлаждение на
воздухе); для феррито-перлитиых ста-
сталей— смягчающий отжиг при 600—800 °С,
нормализация с 840—960 °С, закалка с
830—1050 °С, отпуск при 650—780 °С (ох-
(охлаждение на воздухе или в масле).
Применение. Нагруженные элементы па-
паровых котлов, двигателей, емкости, рабо-
работающие в условиях высоких температур и
давлений; трубы для химической промыш-
промышленности; детали атомных реакторов, рабо-'
тающих под давлением. Жаропрочные
аустенитные стали — болты, гайки, лопат-
лопатки и другие элементы паровых турбин.
235
2.2.1.27. Клапанные стали
Стали, сочетающие жаропрочность, изно-
износостойкость, усталостную прочность, ока-
линостойкость, стойкость к термоцнклиро-
ванию, коррозионную стойкость в среде
выхлопных газов (в том числе свинцовых
соединений), что позволяет применять их
для изготовления клапанов и клапанных
колец двигателей внутреннего сгорания.
Стандарт TGL 13870. ¦
Классификация
— Углеродистые и низколегированные
улучшаемые; С45, 40 Сг 4.
— Хромокремнистая улучшаемая: 45 Сг-
•Si 34.
— Хромокремнистая феррито-карбидная:
X80Cr№Si20.
— Аустенито-карбидные хромоникелевые:
X45CrNiW18.9, X50CrMnNiW22.9.
— Легированная деформационно-упроч-
няемая: 210Сг46.
Выплавка в мартеновской или электро-
электропечи.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Ниже приво-
приводятся значения механических свойств при
комнатной температуре в зависимости от
термической обработки и марки стали, га-
гарантированные TGL 13870: HRC 45-4-63;
as = 35+70 кгс-мм-2; ав = 80-5-130 кгсХ
Хми-2; 65 = 6+30 %; г|з = 10+40 %.
Величина ов при повышенных темпера-
повышенных температурах:
t, °C 500 600 700
аБ, кгс-мм-2. 40—70 20—60 6—30
Для хорошей обрабатываемости резани-
резанием твердость после смягчающего отжига
должна быть ^НВ 310.
б. Коррозионная стойкость клапанов.
Улучшается алитированием.
в. Антифрикционная способность стерж-
стержня клапана. Улучшается после азотирова-
азотирования, обкатки (холодной деформации) или
твердого хромирования.
г. Износостойкость конца стержня кла-
клапана. Увеличивается закалкой, приваркой
высокопрочных участков, навариванием
бронированного слоя.
д. Износостойкость и коррозионная стой-
стойкость поверхности седла клапана. Улуч-
Улучшается путем наплавки стеллитом или дру-
другими подходящими сплавами.
Термическая обработка. Сталь может
поставляться €ез термической обработки,
после смягчающего отжига, нормализация,
улучшения нли в состоянии после закалки
и старения (дисперсионного твердения).
Термическая обработка с целью повышения
прочности часто производится потребите-
потребителем после обработки резанием.
В зависимости от марки стали и закалоч-
закалочной среды выбирают следующие интервалы
температур термической обработки, °С:
Смягчающий отжиг 780—860
Закалка 930—1070
Отпуск 700—750
Дисперсионное твердение:
закалка 1020-1180
старение 720—750
236
Применение. Клапаны различной степени
нагруженностн для двигателей внутреннего
сгорания.
2.2.1.28. Теплоустойчивые
стали для турбинных лопаток
Низколегированные, среднелегнрованные
и высоколегированные феррито-перлитные
конструкционные стали такого химического
состава, который после термической обра-
обработки позволяет получить прочность, жаро-
жаропрочность и коррозионную стойкость, не-
необходимые для изготовления турбинных
лопаток.
Стандарт TGL 13147.
Классификация. По системам легирова-
легирования — табл. 88.
ТАБЛИЦА 88
Система
легирования
Сг—Мо—V
(Сг<1,50%)
Сг—V—Mo—W
(Сг<3,0%)
Сг— или Сг—
Мо—V
A2-13%Сг)
Марка стали
24CrMoV5.5-
21CrMoV5.ll
21CrVMoWll*
Х20О-13**
X22CrMoV12.1
Макси-
Максимальная
рабочая
темпера-
температура, °С
540
500
475
600
* Водородоустойчнвая.
•• Нержавеющая.
Выплавка в электропечах.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Вследствие
высоких эксплуатационных напряжений в
интервале температур 350—600 СС особен-
особенно важны предел текучести при повышен-
повышенных температурах, предел ползучести @,2
и 1 %)—см. 1.11.2.19. и длительная проч-
прочность. Требуемые значения этих характе-
характеристик определены TGL13147 для срока
службы 1000, 10 000 и 100 000 ч. При ком-
комнатной температуре гарантируются сле-
следующие (в зависимости от марки стали)
механические свойства после улучшения:
НВ 30 = 205+285; as = 55+65 кгс-мм-2;
Gв=70-^95 кгс-мм-2; 65=14-=-17%; ak =
=5ч-8 кгс-м-см-2 (на продольных образцах).
б. Свариваемость. Условная. В большинст-
большинстве случаев необходим предварительный
подогрев. После сварки все изделие подвер-
подвергают вторичному улучшению, а места
сварки отпуску.
Термическая обработка. Стали поставля-
поставляются после смягчающего отжига нли улуч-
улучшения. Используются потребителем только
после улучшения. В зависимости от соста-
pa стали применяются следующие пример-
примерные температуры термической обработ-
обработки, °С:
Смягчающий отжиг 600—700
Закалка (в масле) 900—1050
Отпуск 650—640
данные приведены в
Подробные
TGL 13147.
Применение. Направляющие и рабочие
лопатки паровых турбин, конструкционные
элементы компрессоров, детали газовых
турбин.
2.2.1.29. Динамные
и трансформаторные стали
(горячекатаные листы)
Низкоуглеродистые, обычно легирован-
легированные кремнием @,5—4,5 %) стали, сочета-
сочетание химического состава и термической об-
обработки которых определяют низкие поте-
потери на перемагннчивание (см. 1.11.3.6) и
высокую намагниченность. Применяются в
электрических машинах, трансформаторах
и приборах..
Стандарты: TGL 101-041 (листовые заго-
заготовки горячекатаной дииамной и трансфор-
трансформаторной стали), TGL10475 (горячеката-
(горячекатаные листы из динамной и трансформатор-
трансформаторной стали).
В приведенном ниже ряду сталей после-
последовательно увеличивается содержание Si и
уменьшается содержание С: 8 Si 3; 8 Si 4;
8 Si 8; 8 Si 10; 5 Si 11; 5 Si 13; 5 Si 14;
5 Si 15; 5 Si 16; 5 Si 17.
Низкокремнистые стали (8 Si 3—8 Si 8)
чаще всего используют в качестве «динам-
ных листов» для электродвигателей.
Выплавка — по усмотрению изготовителя.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Магнитные свойства. В зависимости
от назначения требуются различные значе-
значения максимальных потерь на перемагничи-
вание (V 1,0 и V 1,5 [см. 1.11.3.6]) и мини-
минимальных значений намагниченности (В10
до В100). С увеличением содержания крем-
кремния намагниченность и потери на перемаг-
ничивание уменьшаются, но возрастает
стоимость листов. В TGL 10475 приводятся
следующие пределы значений указанных
характеристик:
Потери на перемагничива-
нне, Вт/кг:
V1.0 ........ 0,9—8,0
V1.5 2,4—19,0
Магнитная индукция,
Вб-м-2:
В10 1,32—1,37
В25 1,44—1,53
В50 1,55^-1,63
В100 1,69—1,73
В300 1,89—1,98
Изменение значений VI,5 в
результате старения, % . • 4—9
б. Механические свойства. Значение име-
имеет только число гибов, характеризующее
деформируемость, в зависимости от содер-
жания кремния и термической обработки
оно составляет 1—10 (испытание на знако-
знакопеременный изгиб, см. 1.11.2.9).
в. Технологические характеристики. Важ-
Важны обрабатываемость резанием (отсутствие
изломов по кромке среза), плоскостность
(отсутствие волнистости) н коэффициент
пакетирования (отношение массы в едини-
единице объема спрессованного пакета к плот-
плотности компактного материала), который
должен составлять не менее 89-^90 %.
Термическая обработка. Листы использу-
используют в рекристаллизованном отожженном
состоянии. Отжиг производится у изгото-
изготовителя, обычно в пакетах при ~800°С
(охлаждение медленное). Высокотемпера-
Высокотемпературный отжиг при 1050—1150 °С имеет
смысл тогда, когда требуется дополнитель-
дополнительное обезуглероживание. Во избежание
влияния, кромок среза на магнитные свойст-
свойства отжиг для снятия напряжений в наре-
нарезанных заготовках из дорогостоящих лис-
листов производится у потребителя.
Применение. Листы для изготовления
статоров и роторов электрических машии
(электродвигателей); железные сердечники
трансформаторов и электроприборов,
2.2.1.30. Износостойкие стали
Стали с особым химическим составом и
структурой, характеризующиеся повышен-
повышенной износостойкостью, применяются как в
деформированном, так и в литом состоя-
состоянии.
Стандарт TGL 14102.
Классификация сталей — см. табл. 89.
Кроме того, применяются не содержа-
содержащиеся в TGL14102 стали (например,
St 80/Ю Т): литые хромистые стали с до-
добавками W и V и высоким содержанием
карбидов, а также литые (или кованые)
ледебуритные . карбидные стали (упроч-
(упрочняемые с помощью цементации, азотирова-
азотирования, пламенной или индукционной закалки,
наплавки, плакирования, хромирования
или специального эмалирования).
Выплавка в мартеновской или электро-
электропечи.
Состав. большинства сталей — по
TGL 14102; см. 2.2.1.52. StO9 пока не стан-
.дартизирована.
Технические характеристики
а. Износостойкость. В результате слож-
сложного напряженного состояния при износе
трудно определить основной параметр из-
износостойкости. В зависимости от вида из-
износа, температуры эксплуатации, воздейст-
воздействия коррозионной среды и т.д. выбор ма-
материала производится на основании данных
эмпирических испытаний, приближенных к
практике. Углеродистые и низколегирован-
низколегированные износостойкие стали обладают во мно-
многих случаях достаточным сопротивлением
износу при скольжении и качении. Высо-
Высокомарганцовистая аустенитная сталь имеет
максимальную износостойкость в тех слу-
случаях, когда наряду с истиранием она ис-
испытывает ударную или сжимающую на-
нагрузку, достаточную по величине для де-
деформационного упрочнения поверхности;
237
ТАБЛИЦА 89
Марка стали
Основные признаки, обусловливающие
применение
Примеры применения
М66
40МпСг4
55SiMn7
StO9
120Мп50
Углеродистые и низколегированные стали
Хорошая износостойкость,
свариваемость
низкая
Хорошая износостойкость, хорошая
вязкость, хорошая свариваемость
Высокая
вязкость
износостойкость, хорошая
Высокая износостойкость
Боковые вкладыши для форм при
прессовании брикетов (например,
бурого угля)
Ножи ковшей экскаваторов, шкивы
с канавками для канатной передачи
Направляющие цепей ковшей экска-
экскаваторов, колеса для бегунов, изнаши-
изнашиваемые листы, боковые вкладыши,
захватывающие зубья
Шары для шаровых мельниц, боко-
боковые вкладыши форм для прессова-
прессования брикетов, направляющие цепей
ковшей экскаваторов
Аустенитная (марганцовистая) сталь
Только для подвергающихся износу
деталей, которые при эксплуатации
подвергаются деформационному уп-
упрочнению
Нагруженные элементы обогатитель-
обогатительных установок, кольцевые втулки,
воздушный и центробежный грохот
для просеивания цемента, гусеничные
траки, зубья ковшей экскаваторов,
работающих по скальным породам
при отсутствии этих условий сталь имеет
небольшое сопротивление износу.
б. Механические свойства. В TGL 14102
приводятся только минимальные значения
твердости в состоянии поставки (НВ 240-ь
-;270).
в. Структура. Для углеродистых и низко-
низколегированных сталей оптимальна структу-
структура мелкодисперсного перлита (троостита).
Марганцовистая сталь должна иметь одно-
однородную аустенитную структуру.
г. Обрабатываемость. Высокомарганцо-
Высокомарганцовистая сталь плохо обрабатывается реза-
резанием; углеродистые н низколегированные
износостойкие стали обрабатываются зна-
значительно лучше, однако несколько хуже
обычных конструкционных сталей.
д. Свариваемость. Высокомарганцовис-
Высокомарганцовистая сталь хорошо сваривается; углеро-
углеродистые и низколегированные износостойкие
стали свариваются встык контактной свар-
сваркой. Дуговая сварка применяется ограни-
ограниченно (подогрев, медленное охлаждение).
Термическая обработка. Марганцовистая
сталь используется после закалки на аусте-
нит. Другие приведенные в TGL 14102 ста-
стали применяются в упрочненном состоянии.
2.2.1.31. Стали для
качения
подшипников
Стали, которые после закалки и низкого
отпуска способны воспринимать в подшип-
подшипниках качения (шариковых, роликовых и
игольчатых) высокие локальные (контакт-
(контактные) напряжения растяжения, сжатия,
сдвига, а также контактно-усталостные на-
напряжения и износ. К этим сталям предъяв-
предъявляются особые требования в отношении
чистоты, особенно по неметаллическим
включениям, однородности структуры, об-
обрабатываемости, прокаливаемости и спо-
способности сохранять размеры при эксплуата-
эксплуатации.
Стандарт TGL 2783; лист 1.
Марки стали: 105 Сг 4, 100 Сг 6,
100 СгМп 6.
Выплавка в мартеновской или электропе-
электропечи, а также специальными методами (мно-
(многокамерная электроннолучевая печь, элек-
электрошлаковый переплав).
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Стали обычно
поставляют после смягчающего отжига
(для получения необходимой обрабатывае-
обрабатываемости) со следующими механическими
свойствами: Ов — 60-4-80 кгс-мм~2; 65 =
= 20-=-25 %; НВ 30 = 170+207 (в калибро-
калиброванном состоянии НВ 30 = 230). После
закалки и низкого отпуска окончательно
обработанных изделий (у потребителя)
твердость подшипниковых сталей HRC 59—
65.
б. Неметаллические включения. В резуль-
результате действия высоких локальных контакт-
контактных напряжений включения, расположен-
расположенные вблизи рабочей поверхности подшип-
подшипников качения, могут привести к
образованию очаговых трещин, местному
усталостному разрушению или выкраши-
выкрашиванию. Оценка количества, формы и рас-
расположения неметаллических включений по
системе Диргартена (см. 1.11.5) дана в
TGL 12289. Существенное уменьшение со-
содержания неметаллических включений и
особенно снижение числа опасных крупных
включений за счет увеличения количества
очень мелких, менее опасных включений
достигается применением специальных про-
процессов (электрошлакового переплава).
238
в. Карбидная строчечность. См. 1.11.5.
Сегрегация карбидов также может при-
привести к образованию трещин при закалке
и локальному контактно-усталостному раз-
разрушению готовых подшипников качения.
Уменьшение подобной неоднородности
структуры возможно в процессе выплавки
стали. Оценка производится согласно ме-
методикам, приведенным в TGL 12828.
г. Цементитная сетка. См. 1.7.3.1. Делает
сталь хрупкой. Закаленные детали с силь-
ис выраженной цементитной сеткой склон-
склонны к разрушению даже при небольшой
ударной нагрузке и толчках. Избежать
этого можно, снизив температуру послед-
последних проходов при прокатке, применив спе-
пиальное охлаждение после горячей дефор-
деформации. Цементитная сетка оценивается по
методикам TGL 12929.
д. Обезуглероживание поверхности. Мо-
Может привести к образованию трещин прн
закалке и неудовлетворительной закали-
закаливаемости. Предотвращение прн проведении
нагревов в условиях, исключающих обез-
обезуглероживание. Прн окончательной обра-
обработке обезуглероженный слой удаляют об-
обточкой на токарном станке или шлифовкой.
Допустимые значения глубины обезуглеро-
женного слоя приведены в TGL 2783:1.
е. Обрабатываемость. Обработка резани-
резанием и холодная деформация возможны
только после смягчающего отжига. При
безукоризненной структуре после смягчаю-
смягчающего отжига (мелкозернистый глобуляр-
глобулярный цементит) без пластинчатой перлитной
составляющей (см. 1.7.3.1) обработка ста-
сталей не составляет трудностей. Прокаливае-
мость растет с увеличением содержания Сг
и Мп в следующей последовательности:
105 Сг 4, 100 Сг 6, ЮОСгМпб. Поэтому для
колец с толщиной стенки ^14 мм исполь-
используют сталь 100 Сг 6, а для более толстых
колец 100 СгМп 6.
ж. Стабильность размеров. После закалки
остаточный аустеиит (см. 1.9.6.3) постепен-
постепенно превращается в мартенсит и вызывает
недопустимые изменения объема. Этого
можно избежать с помощью длительного
низкого отпуска и/или глубокого охлажде-
охлаждения после закалки с последующим длитель-
длительным низким отпуском.
Температуры термической обработки, "С:
Нормализация 850—900
Смягчающий отжиг 740—820
Отжиг для снятия напряжений 600—650
Закалка в воде 780—820
» » масле ...... 820—870
Отпуск 150—170
Применение. 105 Сг 4 — для шариков, ро-
роликов и колец из катаной стали диаметром
10—17 мм; 100 Сг 6 — для шариков и роли-
роликов всех размеров, а также колец и вкла-
вкладышей с толщиной стенки ^14 мм;
ЮОСгМпб — для колец с толщиной стен-
стенки >14 мм.
2.2.1.32. Углеродистые
инструментальные стали
Углеродистые стали с содержанием угле-
углерода 0,5—1,14 %, которые отличаются по-
повышенной металлургической чистотой и од-
однородностью конечной структуры, опреде-
определяющей равномерность распределения
твердости по поверхности. Применяются
преимущественно для изготовления инстру-
инструмента для холодной обработки, который
наряду с высокой твердостью поверхности
должен обладать вязкой сердцевиной.
Стандарт TGL 4392.
Классификация. По группам качества в
соответствии с максимально допустимым
содержанием примесей — табл. 90.
Выплавка в мартеновской печи, в элек-
электропечах или специальными методами.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Характерная структура. После закалки
и отпуска создается твердый износостойкий
поверхностный слой толщиной 2—6 мм
(HRC 62—65) н вязкая сердцевина. В со-
состоянии поставки твердость <:НВ 170—
210 (для обеспечения обрабатываемости).
б. Поведение при закалке. Толщина про-
прокаливаемого слоя (глубина закалки) при
заданной скорости закалочного охлажде-
охлаждения с увеличением содержания Si и Мп (от
группы качества 1 к группе качества 3)
увеличивается. Одновременно растет чувст-
чувствительность к перегреву.
ТАБЛИЦА 90
Группа
качества
1
2
5
Марка стали
C100Wl;C110Wl .
C70W2;C80W2;
C90W2; C100W2;
C110W2;C130W2
C60W3;C75W3
C55W5
C85W5
Максимальное содержание
добавок, %
Мп
0,25
0,35
0,80
0,50
0,70
Si
0,30
0,35
0,50
0,15
0,40
р
0,020
0,030
0,035
0,030
s
0,020
0,030
0,035
0,030
Толщина закален-
закаленного слоя (про-
каливаемость), мм
вода
10
12
20
10
20
масло
2
2,5
10
7
239
в. Свариваемость. Для сталей, содержа-
содержащих ^0,6 % С, возможна сварка давлени-
давлением. Сварка расплавлением легко проводит-
проводится при всех содержаниях углерода, одна-
однако при концентрации i>0,2r-0,3 % С воз-
возникает опасность, подкаливания сварного
шва и охрупчивания места сварки.
Термическая обработка. Стали поставля-
поставляются после горячей прокатки, смягчающего
отжига или нормализации. После изготов-
изготовления инструмента проводят закалку (при
содержании <:0,5 % Мп и =5:0,6 % С в во-
воде, при более высоком содержании Мп и
С в масле, иногда применяют ступенчатую
закалку). После закалки во избежание об-
образования трещин производят отпуск
(обычно низкий). Температуры термичес-
термической обработки зависят от состава стали и
лежат в следующих интервалах, °С:
Нормализация 800—820
Смягчающий отжиг . . . • . . 680—740
Закалка (в воде) ..... 760—810
Закалка (в масле) ..... 780—830
Применение. Сверла, фрезы, ножи, пилы,
иглы, напильники,, штампы, преесформы.
2.2.1.33. Легированные
инструментальные стали
Инструментальные стали, легированные
элементами, улучшающими прокаливае-
мость, способность противостоять высоким
контактным напряжениям сжатия и повы-
повышающим износостойкость инструмента.
Применяются для изготовления инструмен-
инструмента, применяемого прн деформировании и
обработке резанием, а также измельчении
материалов в холодном состоянии и для
изготовления. ответственных измерительных
инструментов и деталей приборов.
Стандарт TGL4393
Классификация (укрупненная) по назна-
назначению
Преесформы для пластмасс: 6СгМо18.5,
13NiCrl2, 13NiCrl8, 22CrMo4.
Гаечные ключи: 31CrV3.
Горячие штампы, подвергающиеся сжи-
сжимающим, ударным, импульсным нагрузкам
с высоким сопротивлением износу:
40NiCrMol5, X40Crl3, 45CrSiV6, 45WCrV7,
50NiCrl3, 60WcRV7, 67SiCr5, 75NiCr2.
Режущий инструмент: 80CrV3, 80WCrV8,
85Crl, 85WSiMo5, 85CrMo7.2, 90MnV8,
90SiCr5, X90CrMoV18, ЮОСгб, 100V3,
105WCr6, 105MnCr4, 110Cr2, 110WCrV5,
100MoV5, 115CrV3, 115W8, 120WV4, 125Crl,
125CrSi5, X125WMo6.5, 135WV4, 140Cr2,
142WV13, 145CrV, 165CrMoWV46, 210Cr46,
210CrW46.
Выплавка в мартеновской печн, в элек-
электропечах или специальными методами.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Грубая и весь-
весьма приблизительная оценка износостойко-
износостойкости или, например, способности противо-
противостоять длительным нагрузкам производится
преимущественно по результатам измере-
измерения твердости после закалкн н низкого от-
отпуска (в зависимости от марки стали и
термической обработки эта величина лежит
в пределах от HRC 53—64. Величины а.в и
as обычно не определяют. Результаты ис-
испытаний на статический изгиб (см. 1.11.2.3)
и статическое кручение (см. 1.11.2.4) позво-
позволяют сделать заключение о запасе вязко-
вязкости в закаленном и низкоотпущеином со-
состоянии. В состоянии поставки твердость
^НВ230 (для лучшей обрабатываемости).
б. .Ковкость. Важна для ручного инстру-
инструмента и сельскохозяйственного инвентаря.
Падает с увеличением содержания угле-
углерода.
в. Деформируемость в холодном состоя-
состоянии. Волочение и холодная штамповка за-
затруднена (см. химический состав сталей).
Часто может быть осуществлена только
после промежуточных смягчающих нагре-
нагревов.
г. Изменение размеров. Желательно,
чтобы изменение размеров после закалки
было равномерным по всей детали. Поэто-
Поэтому необходима сквозная прокаливаемость.
Путем особо тщательного проведения за-
закалки можно избежать нежелательного ко-
коробления.
д. Свариваемость. При содержании угле-
углерода s^0,6 % сварку давлением можно
производить без сварочного флюса, при бо-
более высоком содержании углерода свароч-
сварочный флюс необходим. При восстановлении
инструмента и наплавке твердых сплавов
применяют сварку плавлением. Возможна
стыковая сварка легированных инструмен-
инструментальных сталей для холодной обработки
с державками из углеродистой стали.
е. Теплопроводность. Падает с увеличе-
увеличением содержания легирующих элементов,
поэтому необходим медленный нагрев при
термической обработке и подогрев при
сварке. В случае быстрого нагрева иа ра-
рабочих плоскостях инструмента могут по-
появиться трещины. /
Термическая обработка. Стали подверга-
подвергают смягчающему отжигу, нормализации
или поставляют' без термической обработ-
обработки. После изготовления инструмента про-
производят закалку в воде, масле или на воз-
воздухе; непосредственно после закалки сле-
следует низкий илн средний отпуск. Стали с
содержанием <0,22 % С чаще всего на-
науглероживаются и закаливаются (упрочня-
(упрочняются цементацией).
Примерные температуры термической
обработки, °С:
Нормализация 800—860
Смягчающий отжиг 620—860
Науглероживание 880—950
Закалка (в воде) 770—880
» (в масле) 780—1080
Отпуск 100—400
Подробные данные о температурах тер-
термической обработки для разных марок ста-
стали приведены в TGL 4393.
Применение
а. Режущий инструмент для обработки
металла, дерева, пластмассы и т. д. (на-
пильннкн, зубила для насечки напильников,
пилы, инструмент для обработки дерева,
резцы).
б. Инструмент, используемый при обра-
обработке без снятия стружки (для резки и
240
вырубки, холодного прессования и штам-
повли, протяжной инструмент, валки для
холодной прокатки, прессформы для пласт-
пластмасс) ;
в. Инструменты для холодной обработки
(инструмент для обработки и измельчения
породы применяемый в горной промыш-
промышленности, для дробления пневматического
прессования; инструменты для сельского
хозяйства; измерительные инструменты).
2.2.1.34. Инструментальные
стали для горячих штампов
Инструментальные стали, легированные
элементами, способствующими повышению
стойкости против отпуска, жаропрочности,
Твердость после смягчающего отжига
<(НВ265).
б. Стойкость против отпуска. Температу-
Температура эксплуатации должна быть ниже тем-
температуры отпуска, но даже в этом случае
при длительной работе (более 100 ч) воз-
возможно значительное уменьшение прочно-
прочности и твердости. Поэтому необходимо кон-
контролировать максимально допустимую
температуру использования штампов и про-
проводить текущий контроль в ходе их экс-
эксплуатации.
в. Склонность к тепловым трещинам от
теплосмен (термическая усталость). Резуль-
Результат воздействия напряжений, возникающих
при резких колебаниях температуры от со-
соприкосновения с горячим материалом.
Можно избежать путем выбора оптималь-
ТАБЛИЦА S1
Система
легирования
W—Сг—V
¦
Сг—Мо—V
Ni—Сг—Мо
Сг—Мо—Мп
Марка стали
30WCrCoV34.10, 30WCrV34.ll,
30WCrV17.9, 30WCrV15
28CrMoV1128, 37CrMoWV20.15,
38CrMoV21.14, 45CrMoV6.7,
46CrVMoW5.8
40NiCrMol5, 55№CrMoV6,
56NiCrMoV7.4
40CrMnMo7
Основные виды применения
Инструмент для прессования, литей-
литейные прессформы (кокили), пробивные
пуансоны, ножницы для горячей рез-
резки
Ударные нагрузки и высокие давле-
давления — ковочные и прессовые штампы,
прессштемпели
Средние штампы
прокаливаемости и сопротивления сжимаю-
сжимающим нагрузкам; стали предназначены для
изготовления инструментов (штампов), ис-
используемых главным образом для дефор-
деформирования материалов, нагретых >300°С,
когда рабочие поверхности инструмента
подвергаются сильному нагреву, частым пе-
перепадам температур, значительному износу.
Стандарт TGL 7746.
Классификация — по системам легирова-
легирования и назначению, табл. 91.
Выплавка в электропечах.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. В качестве
ориентировочных данных для оценки
свойств стали используют твердость по
Роквеллу и временное сопротивление при
комнатной температуре и в интервале тем-
температур 500—700 °С. TGL7746 содержит
нормативные данные для различных марок
стали — табл. 92.
ТАБЛИЦА 92
'иен- °С
20
500
600
650
700
HRC
46—56
43—50
35—51
31—47
31—39
Og, кгс-мм
150—220
135—160
llv,—175
100—160
100—120
ного состава стали и с помощью специаль-
специальных технологических мероприятий.
г. Склонность к налипанию. Нежелатель-
Нежелательное сцепление горячей заготовки с инстру-
инструментом. Можно уменьшить хромированием,
азотированием или сульфонитрированием
инструмента.
д. Теплопроводность. Важна для предот-
предотвращения тепловых трещин (трещии от теп-
теплосмен) вследствие напряжений, вызванных
резкими колебаниями температуры. Наи-
Наиболее стойки против образования этих де-
дефектов хромомолибденованадиевые стали.
е. Вязкость. Имеет важное значение при
ударных нагрузках, которым подвержены
штампы. Благоприятными являются Ni—
Сг—Мо стали.
Термическая обработка. Стали поставля-
поставляют после смягчающего отжига, нормализа-
нормализации или без термической обработки. После
изготовления инструмента производят за-
закалку в масле, воде илн на воздухе и по-
последующий отпуск. Данные о режимах
термической обработки приведены в TGL
7746.
Применение. Кузнечный инструмент и
прессформы; инструмент для штамповки
болтов, заклепок, гаек; ножницы для го-
горячей резки; инструмент для выдавливания
металлических труб и профилей; прессфор-
прессформы для литья под давлением; инструмент
для горячей прокатки; оправки пилигри-
мового стана.
16—140
241
2.2.1.35. Быстрорежущие стали
Высоколегированные инструментальные
стали с высокой износостойкостью, особен-
особенно пригодные для изготовления режущих
инструментов, работающих с большими ско-
скоростями резания прн высоких тепловых
нагрузках (до темно-красного каления).
Пригодность стали определяется ее устой-
устойчивостью против падения твердости при от-
отпуске вплоть до ~600сС.
Стандарт TGL7571 (с 1.7.1975 также
TGL 7571/01)
Классификация
а. По работоспособности:
— нормальной работоспособности; ABC
III, ABC II, ABC II/E, B18;
— высокой работоспособности: D; DMo5;
— наивысшей работоспособности — чер-
черновая обработка (обдирка); Е18Со5,
E18ColO, EMo5Co5, EV4Co; чистовая обра-
обработка: EV4, EV4Co.
б. По основным системам легирования:
— с высоким содержанием W: В18,
Е18Со5, Е18СоЮ;
— со средним содержанием W: ABC II,
D, EV4, EV4Co;
— легированные Мо и W: ABC III, ABC
II/E, DMo5.
в. Стандартизованным маркам быстроре-
быстрорежущих сталей соответствуют следующие их
группы:
X97WMo3.3 — ABC III; X82WV9.2 — ABC
И; X100WCo5.3* — ABC II/E; X74WV18.1*—
B18; X86WV12.2*—D; X82WMo6.5 — DMo5;
X125WV12.4 — EV4; X133WCol2.5*—EV4Co;
X79WCol8.5 — EV18Co5; X85WMoCo6.5.5 —
EMo5Co5; X76WCol8.10* —EI8C0IO.
Выплавка в электропечах.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Режущая стойкость. Зависит от соста-
состава н термической обработки стали и опре-
определяется специальными испытаниями соот-
соответствующих инструментов.
б. Механические свойства. Определяющее
свойство — твердость в закаленном и отпу-
отпущенном состоянии (HRC 63—70); для об-
обрабатываемости — твердость после смягча-
смягчающего отжига (НВ 200—300).
в. Обрабатываемость резанием. В отож-
отожженном состоянии возможна без особых
затруднений.
г. Шлифовка. Вследствие плохой тепло-
теплопроводности и высокой твердости могут
образовываться шлифовочные трещины, не-
необходимо интенсивное охлаждение при
шлифовке н малые подачи.
д. Свариваемость. Применяется наварка
или напайка предварительно изготовлен-
изготовленных режущих пластин нз быстрорежущей
стали на державки из углеродистой инст-
инструментальной стали; возможна стыковая
контактная сварка; применяется также на-
наварка быстрорежущей сталью. Соответст-
Соответствующие указания приведены в TGL7571.
* Стали, которые в переработанных с
1.7.1975 TGL больше не содержатся; ре-
рекомендованы X100WMo6.5, X105WMoCo6.5.5,
Х\ 10МоСо9.8
Термическая обработка
1. Смягчающий отжиг при 770—820 °С—
медленный нагрев, охлаждение с печью, из-
избегать обезуглероживания.
2. Закалка с 1180—1300 СС —температу-
—температуру выбирают в зависимости от марки ста-
стали, нагрев обычно ступенчатый, при рез-
резком нагреве могут появиться термические
трещины, закалка в масле, горячей среде
E00—550 СС) или обдув сжатым возду-
воздухом. •
3. Отпуск при 530—580 °С — температу-
температура в зависимости от марки стали, медлен-
медленный нагрев; для получения высокой твер-
твердости, хорошей вязкости и красностойкости
необходим многократный отпуск.
Применение. Товарные резцы, фрезы,
резьбонарезной инструмент, разметочные
иглы, отрезные фрезы, сверла, отрезные но-
ножи и многие другие виды инструмента.
2.2.1.36. Автоматные стали
Стали, которые особенно пригодны при
интенсивных режимах обработки резаннем
на станках-автоматах; хорошая обрабаты-
обрабатываемость резанием сочетается с хорошей
ломкостью стружки. Это достигается за
счет повышенного содержания в автомат-
автоматных сталях серы, фосфора, а также свинца
и других элементов (Те, Se). Для холодно-
холодного деформирования без снятия стружки
(высадка, накатка и др.) эти стали пригод-
пригодны только условно.
Стандарт TGL 12529.
Классификация
1. Автоматная кипящая (для скоростных
автоматов): 9S20.
2. Автоматные цементуемые стали:
9SMn28, 9SMnP28, 9SMn36, 9SMnP36,
10S20, 15S20.
3. Автоматные улучшаемые стали: 25S20,
35S20, 45S20, 60S20.
Выплавка в мартеновской печи, электро-
электропечи, томасовском конверторе.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики. Применение
автоматных сталей позволяет при одинако-
одинаковом износе инструмента использовать зна-
значительно более высокие скорости резания
по сравнению с другими сталями, имеющи-
имеющими такое же временное сопротивление. По-
Поверхность получается гладкой (даже и при
малых скоростях резания). Из-за высокого
содержания серы стали имеют низкие зна-
значения вязкости (особенно в поперечном на-
направлении), плохую свариваемость и де-
деформируемость в холодном состоянии. Для
определенных случаев применения эти не-
недостатки не имеют большого значения (на-
(например, для массового приборостроения); в
этих случаях определяющее значение име-
имеет высокопроизводительная обработка ре-
резанием. Минимальные гаранатируемые зна-
значения механических свойств в зависимости
от марки стали, термической обработки и
состояния поставки приведены в табл. 93..,
Термическая обработка. Перед обработ-';
кой резанием стали, содержащие <0,18 %
С, подвергают нормализации; стали с более
высоким содержанием углерода — смягча-' '
ющему отжигу при 650—710 °С. Уже изго-
изготовленные детали из автоматных цементу-
2А2
ТАБЛИЦА 93
Обработка
Горячекатаная
или нормализо-
нормализованная * ....
Холоднотянутая .
Улучшенная . . .
\
из
о
37—90
40—90
45—78
%
Я
О
ё
со
с
18—37
30—50
24—43
г?
во*
8—25
5—10
13-22
* Твердость Горячекатаной или нормализован-
нормализованной стали НВ 155—243.
емых сталей науглероживают при темпера-
температурах 850—930 °С и подвергают закалке с
температуры цементации, закалке сердце-
сердцевины или поверхностного слоя; заключи-
заключительной операцией является низкий отпуск.
Температура закалки при улучшении дол-
должна соответствовать содержанию углеро-
углерода: отпуск — при 530—680 °С.
Применение
а. Кипящая автоматная сталь — для об-
обтачиваемых деталей массового изготовле-
изготовления, к которым не предъявляются особые
требования по прочности, особенно в по-
поперечном направлении (ганки);
б. Автоматные цементуемые стали — для
всех обтачиваемых цементуемых деталей
(включая тонкостенные);
в. Автоматные улучшаемые стали — для
обтачиваемых деталей массового изготов-
изготовления, подлежащих улучшению (болты,
гайки, мелкие детали велосипедов, швейных
и счетных машин, а также мелкие изделия
для электропромышленности и приборо-
приборостроения).
2.2.1.37. Стали для крупных
поковок
Улучшаемые стали, которые прн диамет-
диаметре (толщине) поковки >100 мм после тер-
термической обработки должны иметь почти
однородную структуру по всему попереч-
поперечному сечению и благодаря этому равномер-
равномерное распределение свойств. Стали пригод-
пригодны для изготовления крупных поковок диа-
диаметром или толщиной > 100 мм методом
свободной ковкн и штамповки.
Стандарт TGL 151198.
Классификация. По системам легирования:
— углеродистые: С25, С35, С45, С60,
Ск25, Ск35, Ск45, СкбО;
— легированные Мп: 20Мп5, 36Мп5;
— легированные Мп—Si и Мп—V:
38MnSi4, 46MnSi4, 53MnV7;
— легированные Сг—Mo и Сг—Мо—V:
24СгМо5, 35СгМо4, 42СгМо4, ЗОСг—MoV9,
16CrMo4.4, 22CrMo4.4, 24CrMoV5.5,
21CrMoV5.11, 32CrMol2.4;
— легированные Мо и Мо—V: 22Мо4,
21MoV5.3, 17MoV8.4;
— легированные Сг—№—Мо: 36Сг№Мо4,
28CrMo4, 34CrNiMo6, 28CrNiMo7.4,
28CrNiMo4.4.
Выплавка в мартеновских или электропе-
электропечах.
Состав — см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Имеют перво-
первостепенное значение. Для обработки резани-
резанием поковки после смягчающего отжига в
зависимости от марки стали должны иметь
твердость не выше НВ 200—250. Кроме то-
того, TGL 1598 предусматривает следующие,
зависящие от марки стали и размера поко-
поковок предельные значения прочностных ха-
характеристик:
as,
°в>
6*
аь.
кгс
кгс
°/
кгс
• мм—? .
•мм? . .
•м-см~ а
Нормализация
23—40
32—90 ,
8 24
3—8
Улучшение
27—80
50—110
7—22
3—7
Гарантируются следующие, также зави-
зависящие от марки стали и диаметра предель-
предельные значения жаропрочности (as при
20°С 27+80 кгс-мм-2).
t, °С 200 250 300
as, кгс-мм—2
t, °С . . . .
os, кгс-мм—?
24—72 23—67 21—62
Продолжение
350 400 450
19—59 24—55 20—41
В TGL1598 приведены нормативные по-
показатели таких характеристик длительной
жаропрочности, как предел ползучести для
10000 и 100000 ч и длительной прочности
(см. 1.11.2.19) при той же продолжитель-
продолжительности испытаний при температурах 350—
550°С (в зависимости от марки стали).
Термическая обработка. Поставка поко-
поковок изготовителем чаще всего производит-
производится после смягчающего отжига или норма-
нормализации. Готовые изделия применяются
главным образом после улучшения. В за-
зависимости от марки стали рекомендуются
следующие температуры термической обра-
обработкой, °С:
Смягчающий отжиг . . . 650—720
Нормализация 860—980
Закалка в воде 830—960
Закалка с охлаждением на
воздухе 850—980
Закалка в масле 850—970
Отпуск. 550—690
Нагрев для снятия напря-
напряжений 530—650
2.2.1.38. Хладостойкие
(криогенные) стали
Стали, которые благодаря своему соста-
составу и термической обработке имеют струк-
структуру, определяющую высокую ударную вяз-
вязкость при низких температурах эксплуата-
эксплуатации, и поэтому могут быть использованы
для нагружаемых конструкционных деталей,
работающих от —40 до —200 °С.
16*
243
ТАБЛИЦА 94
Стали
Ферритные низ-
колегирован-
колегированные
Ферритные ле-
легированные ни-
никелем
Аустенитные
as , при
+20 СС
кгс-мм 2
24—45
40—55
25—28
+20
8—12
13—16
15—16
0
7,5-
11
13—15
15—16
О^, КГСМСМ 2, I
—20
6,5—
10
13—14
15
—60
3—7
11,5—
12,5
13—15
1ри температурах, СС
—100
3
8—11
11—14,5
—140
_
5—8
9—13,5
—180
_
3—4
7—12
—200
—
6—11
Классификация (по типу структуры)
1. Ферритные (мартенситные) стали:
— углеродистые, марки С15А1, 18Мп5А1,
17MnSiV5; рабочие температуры до—60 =С;
— низколегированные, марка 25СгМо4;
рабочие температуры до —80 °С;
— легированные никелем, марки 12Nil9,
10Ni36; рабочие температуры до —180 °С.
2. Аустенитные стали:
— легированные хромом и марганцем,
марка Х40МпСг22.4; рабочие температуры
до— 200 °С;
— легированные хромом и никелем, мар-
марка X8CrNiTil8.10; рабочие температуры до
—200°С.
Выплавка в мартеновской печи или элек-
электропечах.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Первостепен-
Первостепенное значение имеет чувствительность к
хрупкому разрушению (см. 1.11.15), кото-
которая характеризуется температурной зави-
зависимостью ударной вязкости. Кривая этой
зависимости (см. 1.11.2.14) для феррито-
перлитных сталей имеет крутой ход; для
аустенитных сталей падение ударной вяз-
вязкости при низких температурах меньше (см.
табл. из TGL 15198). Поэтому для очень
низких температур применяют аустенитные
стали.(см. классификацию).
В TGL 13871 содержатся гарантирован-
гарантированные минимальные значения свойств для
температур испытания от +20 до —200 °С.
В зависимости от характера легирования
их предельные значения приведены в
табл. 94.
Термическая обработка
а. Феррнтные (мартенситные) стали —
применяются -преимущественно после нор-
нормализации или улучшения, особенно угле-
углеродистые стали или стали С15А1, 25СгМо4.
б. Аустенитные стали — аустенитнзация
при 1020—1070 "С, закалка в воде или на
воздухе.
Применение. Цистерны, сосуды, трубы,
конструкционные детали криогенной техни-
техники.
2.2.1.39. Немагнитные стали
Высоколегированные аустенитные стали
с ярко выраженными парамагнитными
свойствами (см. 1.11.3.6), применяемые для
изготовления конструкционных элементов
в энергомашиностроении; эти элементы не
должны создавать помех или экранировать
действие магнитного поля. Повышение
прочности достигается за счет холодной
деформации, при этом, однако, в некоторой
степени повышается склонность к проявле-
проявлению ферромагнитных свойств.
Стандарт TGL 18248.
Классификация (по коррозионной стой-
стойкости)
Нержавеющие: X12MnCrl8.12, XlOCrMn-
•№N17.9.4, X15CrNiMnl2.10, X8CrNil2.12,
X5CrM18.10, X10CrNil8.12, X4CrNil&.13.
Корродирующие на воздухе: 120Мп50,
X40MnCrl8.4, X40MnCrNil8.4, X42MnCr-
- N118.4.
Выплавка — в электропечах.
Состав —см. 2.2.1.52.
Технические характеристики
а. Магнитные свойства. Мера оценки —
относительная проницаемость цг (см.
1.11.3.6). Немагнитные стали отличаются
тем, что они обеспечивают в магнитном по-
поле плотность силовых линий, не намного
отличающихся от плотности силовых линий
в безвоздушном пространстве (цг =1).
В закаленном состоянии относительная
проницаемость этих сталей ^— 1,01 и может
в результате частичного превращения
аустенита при отпуске (старение), холод-
холодной деформации или при глубоком охлаж-
охлаждении увеличиваться до 1,08. Соответству-
Соответствующие данные приведены в TGL 1828.
б. Механические свойства. Сильно зави-
зависят от обработки и марки стали.
В TGL18248 приведены следующие пре-
предельные значения механических свойств
(табл. 95).
ТАБЛИЦА 95
Состояние
Закаленная сталь
Закаленная и хо-
лоднодеформиро-
ванная сталь . . .
1
О
1ч
20-35
45-125
i
и
50—100
75—170
в"
40—55
4—40
1
О
Ё
о
пЬ
15—2Б
7—8
в. Обрабатываемость резанием. Большие
затруднения из-за склонности аустенита к
деформационному упрочнению. Лучше
244
всего обрабатываются резанием стали, ле-
легированные хромом и никелем.
г. Свариваемость. Все стали можно сва-
сваривать электродуговой и контактной свар-
сваркой.
Термическая обработка. Закалка с
1000—1100°С на воздухе при толщине
<2 мм, в воде при толщине ~>2 мм. Мар-
Марки дисперсионно твердеющих сталей в
TGL 18248 не приводятся.
Применение, Высокопрочные детали элек-
электрических машин, ¦ не образующие парал-
параллельный магнитный контур (капы, изнаши-
изнашиваемые пластины электромагнитов); дета-
детали, не нагревающиеся за счет вихревых то-
токов (болты и пластины трансформаторов);
детали, на которые не должно влиять маг-
магнитное поле земли.
2.2.1.40. Литейный чугун. Обзор
(см. 5.1)
Сплавы Fe—С, содержащие 2—4 % С,
кремний и другие легирующие элементы.
Сплавы предназначены для получения пу-
путем отливки в формы; возможна последу-
последующая обработка резанием. Холодная и го-
горячая деформация литейного чугуна невоз-
невозможна. В табл. 96 приведены стандарты
на литейные чугуны.
Классификация
1. По форме графита: с пластинчатым и
шаровидным графитом.
2. По виду излома: серый чугун (излом
серый из-за включений графита), белый
чугун (поверхности излома белые, включе-
включения графита отсутствуют).
3. По способу получения: чугун, выплав-
выплавленный в доменной печи, чугун, переплав-
переплавленный в вагранке из металлической шихты
ТАБЛИЦА 96
Чугун
С пластинчатым
графитом (серый
чугун)
С шаровидным
графитом
Легированный
Нелегнрованный
отбеленный чу-
чугун, легирован-
легированный отбеленный
чугуи
Обозначение
GGL
GGG (К)*
—
GH (К)*
TGL
14400
8189
14414
14316
* Кокильное литье.
(доменный чугун+литейный лом+стальной
скрап).
Выплавка в вагранке или в доменной
печи.
Состав чугуна приведен в табл. 97.
Образование структуры (белый, серый,
половинчатый) зависит от режима затвер-
затвердевания, в свою очередь большое влияние
оказывает содержание кремния и углерода;
воздействие этих элементов на структуру
чугуна иллюстрируется рис. 2.6 [14].
Механические свойства. Графит создает
концентрацию напряжений (действует как
надрез), поэтому форма, в которой он при-
присутствует, оказывает значительное влияние
на механические характеристики. Пластинки
графита, определяющие падение прочности,
кроме того, сильно уменьшают несущее
сечение, что также уменьшает прочность;
напротив, графит шаровидной формы в
ТАБЛИЦА 97
Элемент
С
Si
Мп
Р
S
Ni
Сг
Си
Содержание, %
2—4
0,3—3,0
0,3—1,2
0,1—0,6
<0,12
3—6
0,3-30
<2
Влияние на свойства литейного чугуна
Определяет характер затвердевания и свойства литей-
литейного чугуна. Согласно равновесной системе углерод в
сплаве находится в виде графита в форме пластин; при
использовании специальных технологических мероприя-
мероприятий графит может выделяться в шарообразной форме
Сдвигает эвтектическую точку в сторону более низкого
содержания углерода, затрудняет его растворение, уси-
усиливает графитообразование
Воздействие противоположно воздействию Si, усиливает
графитообразование
5=0,6 °/о улучшает износостойкость и жидкотекучесть ме-
металла
Практически безвредна, поскольку связывается в MnS
Действует как графитообразователь, но стабилизирует
перлит; уменьшает критическую скорость охлаждения,
оказывает благоприятное влияние на образование струк-
структуры в закаленном состоянии
Повышает стабильность перлита и благодаря этому
твердость; создает высокую кислотостойкость и окали-
ностойкость
Благоприятно влияет на образование перлита, повыша-
повышает коррозионную стойкость
245
меньшей мере снижает прочность.
Термическая обработка. Имеет первосте-
первостепенное значение для достижения особых
свойств легированного чугуна и чугуна с
шаровидным графитом.
4
3
2
i
А
Чу
-
\l#/7 I
Й
Si, % tno'массе)
Рис. 2.6
/ — половинчатый чугун; 2 — серый чугун; /-
отбеленный чугун; //—перлитный чугун; III—
ферритный чугун
2.2.1.41. Чугун с пластинчатым
графитом
Литейный Fe—С сплав, в котором угле-
углерод находится преимущественно в виде
пластинок графита и в который для полу-
получения специальных свойств легирующие
элементы не добавляются.
Стандарты: TGL 14400. Литейный чугун
с пластинчатым графитом, нелегированный.
TGL 13660. Литейный чугун с пластинча-
пластинчатым графитом. Кокильное литье.
Классификация по временному сопротив-
сопротивлению приведена в табл. 98.
ТАБЛИЦА 98
Марка*
GGL-00
GGL-15
GGL-20
GGL-25
GGL-30
CGL-35
Og , КГС-ММ~2
НВ 5/750
Данные испытаний не
регламентиру ются
15
20
25
30
35
210
215
245
260
275
* Обозначение марок ведется по значению
временного сопротивления «основного» (базового)
образца — стержня диаметром 30 мм, охлажден-
охлажденного с такой же скоростью, что и испытуемый
образец.
Состав по TGL14400 и 13600, предпи-
предписания отсутствуют.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Сильно зависят
от ряда технологических факторов. Реша-
Решающее значение имеет скорость охлаждения
во время и после затвердевания.
С уменьшением толщины стенки отливки
увеличиваются скорость охлаждения, вре-
временное сопротивление, твердость и доля
перлита в металлической матрице.
С увеличением толщины стенки происхо-
происходят обратные явления.
На рис. 2.7 приведены типичные значе-
значения временного сопротивления и твердости
Отношение поверхности
коЛему, см~г
2М 1,5 10 0,8 0,60,50,4 Q3Q25"
0 270
20 30 45 60 90 120
Диаметр черновой' отлибни
цилиндрическихобразцов, мм
Толщина стенни отлиощ мм
-15мм Щ~35мм | 0мм
= = и/Толее
Рнс. 2.7
отливок из чугуна с пластинчатым графи-
графитом в зависимости от их размеров.
Важная характеристика чугуна с пла-
пластинчатым графитом — временное сопротив-
сопротивление. Удлинение обычно составляет <:1 %.
Временное сопротивление при температу-
температурах до 400 °С мало отличается от значений,
полученных при комнатной температуре.
б. Другие свойства (нормативные пока-
показатели) : '
Предел прочности на сжатие
Предел прочности при изги-
изгибе ...
Предел прочности на срез .
Длительная прочность . .
Модуль упругости (эффек-
(эффективный) при растяжении .
Модуль упругости при сжа-
сжатии, КГС-ММ
Ударная вязкость,
кгс-м-см-2
Демпфирующая способ-,
ность » ,
Плотность, г/см3 ....
Теплопроводность,
кал-см-1-с-град-1 . . .
Удельная теплоемкость от О
до 100°С, кал-г-1-град-1 .
Og-4
св-Ч
-5-0,6)
Зависит от
растягиваю-
растягивающей нагрузки
5000—15 500
~1
Очень'
хорошая
7,1—7,4
0,11—0,16
0,13
246
Продолжение
Удельное электросопротив-
электросопротивление, Ом-мм^м . . . 0,7—1,5
Коэффициент теплового рас-
расширения, град-1 ..... (9—14) • 10—в
Усадка, % ~1
Термическая обработка. Только в особых
случаях.
2.2.1.42. Литейный чугун
с шаровидным графитом
Литейный Fe—С сплав, в котором почти
весь находящийся в виде графита углерод
имеет шаровидную форму.
Стандарт TGL 8189.
Классификация — по минимальному зна-
значению временного сопротивления: GGG-40,
GGG-45, GGG-50, GGG-60, GGG-70 (циф-
(цифры соответствуют нормированным мини-
минимальным значениям ов)-
Выплавка обычными методами (чаще
всего в вагранке).
По TGL8189 состав не регламентиро-
регламентирован.
Технические характеристики
а. Механические свойства. В отличие от
чугуна с пластинчатым графитом концен-
концентрация напряжений от действия надреза в
местах несплошностей металлической осно-
основы благодаря шаровидной форме графита
значительно уменьшена. Этим объясняются
повышенные значения временного сопро-
сопротивления при ярко выраженном пределе
текучести и значительных значениях удли-
удлинения при разрыве. В TGL8189 приведены
Т АБЛ И
Марка
GGG-40
GGG-45
GGG-50
GGG-60
GGG-70
ЦА 99
о
к;
ё
40
45
50
60
70
\
к
ь
28
35
35
42
50
г?
«?
12
5
2
2
Твер-
Твердость
НВ
150-190
160-240
180-240
220-300
220-300
Структура
Преимущест-
Преимущественно фер-
ритная
Феррито-
перлитная
Преимущест-
Преимущественно пер-
перлитная
Перлитная
минимальные значения соответствующих
свойств для различных марок чугуна с ша-
шаровидным графитом (табл. 99).
б. Другие свойства (нормативные пока-
показатели) ;
Предел прочности при сжа-
сжатии, кгс-мм~2 70—130
Предел прочности при изги-
изгибе, кгс-мм-2 75—120
Предел усталости при зна-
знакопеременном изгибе с сим-
симметричным циклом ....
Модуль упругости, кгс-мм~
@,35-г
-^0,50) ав
16 500—
18 500
Ударная вязкость (при из-
изгибе), кгс-м-см .... -2—10
Усадка (при охлаждении
отливки), % 2
Термическая обработка. Для устранения
внутренних напряжений в отливке и для
правки температура нагрева должна быть
^550 °С. Исходные перлитная, ферритная,
феррито-перлитная и ледебуритная струк-
структуры путем последуюшей термической об-
обработки могут быть значительно изменены.
2.2.1.43. Легированный чугун
Литейный сплав Fe—С, в котором угле-
углерод находится преимущественно в форме
либо пластинчатого, либо шаровидного гра-
графита и в который для достижения особых
свойств добавляют такие легирующие эле-
элементы, как Cr, Ni, Mo, Си (один или не-
несколько элементов одновременно).
Стандарт —TGL 14414.
Классификация
а. По форме выделений графита — на
GGG и GGL.
б. По виду структуры — на классы чугу-
чугуна (табл. 100).
в. По назначению — на легированные чу-
гуны с особыми свойствами, работающие в
условиях механической нагрузки, термиче-
термического воздействия, химического воздейст-
воздействия. В TGL 14414 приведены соответствую-
соответствующие марки чугуна (включая данные по тол-
толщине стенки изделия и примеры примене-
применения) [73] (см. Технические характеристики,
п. д).
Выплавляют обычными методами (пре-
(преимущественно в электропечах и в вагРан-
ках).
Состав —см. 2.2.1.53.
ТАБЛИЦА 100
Бейнитный
GGG-300NiMo5.9
GGG-300NiMo.8.9
GGG-300NiMoCrl0.9
GGG-300NiMoCrl3.9
GGG-300NiMoCrl6.9
GGG-330NiMo7.4
GGG-330NiMoll.7
GGG-330NiMol4.8
Аустеиитный
GGL-X280NiCuCrl4.6
GGL-X290NH8
GGL-X270NiCrI9
GGG-X270NiCuCr8 3
GGG-X230NiSiCrl9.4
Феррито- перлитный
Все остальные марки чу-
чугуна noTGL14414
247
ТАБЛИЦА 101
Нагрузка
Механическая
Термическая
Химическая
Сорт
GGL
GGG
GGL
GGG
GGL
GGG
Og , КГС'ММ
35-60
20-35
20-42
Og, кгс-мм—2
22-28
50-80
15-43
40-50
¦ 15-30
40-60
б», %
1-2
2-15
2-15
НВ 5/750
не более
Г40 280
300-350
220-450
200-300
200-260
180-300
ТАБЛИЦА 102
Марка
GGL-300Cr
GGL-320O-
GGL-300Cr2
GGL-320Q-2
GGL-320NiCr2
GGL-300Cu8
GGL-320Cu8
GGL-340Cu8
GGL-300Cul2
GGL-320Cul2
GGL-340Cul2
GGL-300CuCrl2
GGL-320CuCrl2
GGL-340CuCrl2
GGL-300CuCr20.2
GGL-320CuCr20.2
GGL-340CuCr20.2
GGL-320CuMo8.4
GGL-340CuMo8.4
GGL-360CuMo8.4
GGL-320CuMoCrl2.4
GGL-340CuMoCrl2.4
GGL-360CuMoCrl2.4
GGL-340Cul2
GGL-360Cul8
GGL-300NiMo5.9
GGL-300NiMo89
GGL-300NiMoCrl0.9
GGL-300NiMoCrl3.9
GGL-300NiMoCrl6.9
GGG-330NiMo7.4
GGG-330NiMo11.7
GGG-330N iMol4.8
Толщина стенки, мм
30—150
20—100
50—200
30—150
10—50
15—80
10—50
4—30
15—100
10—80
4—50
15—150
10—100
4—80
25—200
15—150
8—100
10—80
8—50
4—30
10—100
8—80
4—50
10—50
10—100
10—40
40—60
60—100
100—200
200—250
10—50
50—80
>150
Примечание
Толстостенные отливки с высокой износо-
износостойкостью
Цилиндрические опорные втулки с высокой
износостойкостью
Отливки с большим различием по толщине
стенок; высокая износостойкость толсто-
толстостенных отливок, хорошая обрабатывае-
обрабатываемость резанием тонкостенных отливок за
счет уменьшения влияния толщины стенки
на дисперсность структуры. Отливки для
станков, насосов, компрессоров, цилиндров,
двигателей внутреннего сгорания
Для отливок с малой и средней толщиной
стенок; для получения высокой прочности
и износостойкости; очень малая чувстви-
чувствительность к влиянию толщины стенки. При-
Пригодны для поверхностной закалки и изотер-
изотермической (ступенчатой) обработки
Для отливок, работающих в условиях из-
износа с большим различием в толщине стенок,
например отливки для транспортных средств,
станков, сельскохозяйственных машин
Для отливок, испытывающих очень большие
механические нагрузки, к тому же в усло-
условиях износа; например для коленчатых ва-
• лов, распределительных валов, цилиндров,
зубчатых колес, матриц, пуансонов
Для литых валков
Технические характеристики
а. Механические свойства легированного
чугуна с особыми свойствами, зависящие
от сорта чугуна и вида термической обра-
обработки, приведены в TGL 14414 (табл. 101).
б. Рост чугуна. Остаточное увеличение
объема, которое возникает при повышенных
температурах, главным образом в резуль-
результате превращения перлитной составляющей
в графит, а также за счет внутреннего
248
окисления элементов, входящих в состав
чугуна. Чучун с пластинчатым графитом
при температурах выше 450 °С склонен к
сильному росту; чугун с шаровидным гра-
графитом в ферритной матрице склонен к рос-
росту только выше 800 °С. Склонность к росту
можно уменьшить добавкой соответствую-
соответствующих легирующих элементов.
в. Окалиностойкость. Чугун с шаровид-
шаровидным графитом окалиностоек на воздухе
вплоть до 650 "С. Дополнительным легиро-
легированием Ст, Si и А1 можно значительно уве-
увеличить окалиностойкость и GGG-, GGL-чу-
гунов.
Г. Коррозионная стойкость нелегирован-
нелегированных литых чугунов в атмосфере воздуха, в
почве и морской воде весьма высока. Для
повышения коррозионной стойкости в рас-
растворах кислот и щелочей чугуны легируют
Si, Си, Сг и NL
д. Общие указания [73] о применении
легированных чугунов при различных слу-
случаях воздействия механической нагрузки
приведены в табл. 102, в условиях теплово-
теплового воздействия — в табл. 103, в условиях
химического воздействия — в табл. 104.
Термическая обработка, обычная для не-
нелегированного и легированного чугуна
[731.
Применение — см. Классификацию^
ТАБЛИЦА ЮЗ
Марка чугуна
GGL-320Cr2
GGL-320Cr3
GGL-320SiCrl2.3
GGL-320SiCrl6.7
GGL-300NiCr3
GGL-320NiCr3
GGL-430NiCr3
GGL-360NiCr3
GGL-340MoCr4
GGL-360MoCr4
GGL-300MoCr8
GGL-320MoCr8
GGL-340MoCr8
GGL-300NiMoCr3.8
GGL-320NiMoCr3.8
GGL-340NiMoCr3.8
GGL-360NiMoCr3.8
GGL-300NiMoCr3.8.2
GGL-320NiMoCr3.8.2
GGL-340NiMoCr3.8.2
GGL-360NiMoCr3.8.2
GGL-300NiMoCr2.3
GGL-320NiMoCr2.3
GGG-330NiMoCr2.3
Толщина
стенки, мм
20—100
20—150
20—150
30—200
25—150
15—100
10—50
4—20
10-50
6—30
25—150
15—100
10—30
25-150
15—100
10—50
4—30
25—200
15—100
10—50
4—30
25—100
10—50
15—100
'max* °c
500
600
650
700
500
500
500
500
550
550
600
600
600
650
650
650
650
700
700
700
700
650
650
800
Применение
Повышение стойкости против роста за
счет торможения распада цементита;
для топочных устройств и форм дл»
стекла (отливки трудно обрабатываются
и чувствительны к ударным нагрузкам)
Повышенная стойкость против роста, со-
сопротивление теплосменам; для блоков и
головок дизельных цилиндров, штампов,
корпусов паровых турбин, цилиндров
паровых машин
Жаропрочные материалы с улучшенной
износостойкостью при повышенных тем-
температурах; высокое сопротивление внеш-
внешним нагрузкам при теплосменах; для
блоков и головок дизельных цилиндров,
штампов, корпусов паровых турбин, ци-
цилиндров паровых машин
Высокая стойкость против роста и хоро-
хорошее сопротивление теплосменам; хоро-
хорошие литейные свойства, малая чувстви-
чувствительность к толщине стенок в отливках
(с большим различием в толщинах сте-
стенок)
Высокие механические свойства
249
Продолжение
Марка чугуна
GGL-X300Si4
GGL-X270Si5
GGL-X240Si6
GGG-X290Si4
GGG-X290Si5
GGG-X270Si6
GGL-X280NiCuCrl4.6
GGG-X290Nil8
GGG-X270NiCrl9
GGG-X270NiCuCrl8.3
GGG-X230NiSiCrl9.4
Толщина
стеики, мм
6—100
6—100
6—100
40—100
40—100
10—100
6—150
10—100
10—100
10—100
10—100
w °c
750
800
850
850
900
1000
850
900
900
900
900
Применение
Повышенные окалиностойкость и стой-
стойкость против роста; отливки для топоч-
топочных устройств, таких как дверцы, рамы
дверец, тигли для спекания и отжига,
формы для стекла, трубы рекуперато-
рекуператоров, плавильные тигли для легких ме-
металлов
Высокая жаростойкость и коррозионная
стойкость; для выхлопных коллекторов,
корпусов турбокомпрессоров, паропро-
паропроводов, турбин, высоконагруженных го-
головок цилиндров
ТАБЛИЦА 104
Марка чугуна
GGL-X280NiCuCrl4.6
GGG-X290NH8
GGG-X270NiCrl9
GGG-X270NiCuCrl8.3
GGG-X230NiCuCrl9.4
GGL-320NiCr7.2
GGL-340NiCr7.2
GGL-320NiCrl2 3
GGL-340NiCrl2.3
GGG-330Ni7
GGG-330NH2
Толщина стенки, мм
6—100
10—100
10—100
10—100
10—100
25—150
10—50
25—150
10—50
10—100
10—100
Применение
Коррозионная стойкость против окислите-
окислителей, неорганических кислот, щелочей, рас-
растворов солей. Отливки используют в хими-
химической, автомобильной, судостроительной и
нефтяной промышленности; в пищевой про-
промышленности применяют сплавы без меди
Существенно повышенная стойкость против
щелочей и водных растворов щелочей; для
смесительных котлов с разбавленными и
концентрированными щелочными раство-
растворами
Вакуумные концентраторы для едких ще-
щелочей, плавильные тигли для свинца, цинка
и алюминия
2.2.1.44. Нелегированный
отбеленный чугун
Нелегированный отбеленный чугуи — ли-
литейный чугун с содержанием более 1,7 % С
и соответствующего количества Si и Мл
без дополнительных легирующих элементов.,
который полностью (отливка из сплошь от-
отбеленного чугуна) или частично (кокиль-
(кокильная отливка из отбеленного чугуна) затвер-
затвердевает согласно метастабильной диаграмме
состояния Fe—Fe3C (см. 1.7.3.1).
Стандарт TGL 14316.
Классификация — по структурному со-
состоянию.
Сплошь отбеленный чугун GH-200;
GH-300. Поверхность излома по всему по-
поперечному сечению имеет цвет от белого
до бело-серого (белая с серыми вкрапле-
вкраплениями) .
Кокильное литье из отбеленного чугуна
250
GHk-400; GHk-500. Вид излома в направ-
направлении от поверхности: чисто белый, перехо-
переходящий в белый с серыми вкраплениями, а
затем в серый цвет в сердцевине.
Способ выплавки—по усмотрению изго-
изготовителя.
Состав — по усмотрению изготовителя.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Твердость как
основной показатель механических свойств
приведена ниже:
GH-200 GH-300 GH-40O GH-500
НВ . 200—300
HV . -
300 — —
_ 400—480 480
б. Усадка. В зависимости от глубины
отбеленной зоны от 1 до 2 % (другие дан-
данные см. разд. 2.2.1.45). :
Термическая обработка. Нелегированный
чугун чаще всего применяют без термиче-
термической обработки (табл. 105).
>РАБОТКИ Ч
К-1
о
к
Г)
й
а
3"
а.
-
4МЫ
R
S;
Е-
Я
S
те
о.
о
Цель
R С
га >,
X ь
о а.
°
Иная
гура
Исхо;
струк.'
а«
O.S
S&
о;
га
Охл
5 выдержки
рем;
га
°
О.
>>
те
О.
0J
С
о
Н
3
бот*
га
&
Вид
О) Я
5
ОТЛИВ!
m
а
разм
«3&I
I
фер-
перлит
Перлит/
рит или
2
>.
о
?
>,
и
н
о
>
га
&
и
о
ОО
О О
СМ Ч
О"
ОО
см
о
°3 Я
а
ю
Is1?
s g
i
с; х
Отжиг
внутре!
О О 1
а °я ej t*-
S «г» га
3 а ^
а ш ^"В"
и с§>" а§ ге "^
гиро
5-5
леги
5—6
сть
0 гр;
О) «2 ОО1 ОО
В
1
аты-
обраб
чшен»
^
я
CU
е
ием;
ости
1ТИВ-
нии;
я
резан
тверд
сопрс
стяже
инени:
га г;
О ^ ^
CU О "*"
ills!
фер-
перлит,
ит от-
гт
ь-
я
ч
а
<ц
-НЭП
CU
га
Б
га
а
S
§&>•
Я УО ™
су о
i- Ч ?
ач S?
га
я
а
е
1та,
о
1
? -
,,100
МИН — 1 Ч
ю
¦ф
>s
3
S
a
га
ю
odi
Е
CU
g
g
Смягча
каждые
лм толщи-
гаю 3
в см в
с
га
а
в§
3
я а
ф ¦
Ю 4^
Q.S
о
с>
о
То же
о
о
о
о
(-
га
а
мал:
в
Ч
CU
а
о
То же,
cu
ч
s
в SS
Oi
га
темпер
аты-
ием;
ости
тив-
обраб
резан
тверд
сопро
О
CU О
<U в В
а в я S
^ га Я
Ръ ю >> я
f-
я
а
If
мен-
мента и
^ К cfl
га \о
а ? ч
о
д/ч
2 га
<u °
с О
ч+1 ч на
1ые 25 мм
1ЯНЫ
7«ч
1 га о
— si t-
О
ID
т
I
s
s
ю
a
0 >>
To же,
темпер
в
В №
стяже
инени!
га ч
ач
>»
s ш
ав
ч >,
|||
а о ^
с я S
g
3 Ч в" «
m o.t- в
о cu о а
»—. га о си
U h U S
S
K/j
я
" ч
а
CU
С
фер-
феррит,
нт от-
!Т
Перлит/
рит,
ледебур]
сутствус
-эхэ/
га
СЗ
Q. а
ухе
8
о
га
на каждые
м толщины
vS
ю
— см
о
о
00
ЦИЯ
га
m
в
Норма,
251
о
о
о.
в
3 •=
аз ™
CO
и
ip
и Я в
« к s
RH M QJ s
UO « CO H
«in
° cu о
BiB.il
1 -68
В h о в
о.
ш
с
о.
It
I
о.
a
о.
cl
с
a
мас-
масса
я
га
ГО
я
б
воде
ш
S
в
0)
ч
Is
III
С га m
о, га <и
га t- н
s «J о
г о >>
g о § «
о
S
rt
i
§
СЗ
§
, ш ч а I flisg
Р* О S О Ч К *5
кою to rt cj ^>
см о,-^ и ' - - - - -
I
I
-ss;
и
о
о
1С
00
1
I
га
со
252
ё|1
К ф Я
« а «
Ill
Ill
В
>¦
6
2.2.1.4S. Легированный
отбеленный чугун
Литейный чугун с содержанием более
1,7 % С, соответствующим содержанием Si
и Мл и добавками таких легирующих эле-
элементов, как Ni, Cr и Мо. Эти элементы до-
добавляют для повышения износостойкости и
твердости. Этот чугун полностью (сплошь
отбеленный чугун) или частично (кокиль-
(кокильное литье из отбеленного чугуна) затвер-
затвердевает согласно метастабильной диаграмме
состояния Fe—Fe3C (см. 1.7.3.1).
Классификация. Наиболее часто приме-
применяют марки отбеленного чугуна:
GH-X330NiCr42; GH-X290NiCr42; GH-
X300Cr№35.
Получение по усмотрению изготовителя.
Состав — примерные данные см. 2.2.1.53.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Кокильное
литье из отбеленного чугуна следует рас-
рассматривать как комбинированный (двух-
(двухслойный) материал, свойства которого оп-
определяются толщиной, составом и твердо-
твердостью отдельных его составляющих (белая
зона, переходная серо-белая зона и серая
сердцевина); поэтому свойства могут из-
изменяться в широких пределах.
В отливках с отбеленной поверхностной
зоной возможно наличие следующих видов
структуры: в белой зоне феррит+перлит
или бейнит или мартенсит (возможно с ос-
остаточным аустенитом), в бело-серой пере-
переходной зоне то же, что и в белой зоне; но
углерод частично в виде карбида, частично
в виде графита; в серой сердцевине то же,
что и в белой зоне, но углерод преимущест-
преимущественно в виде графита.
Временное сопротивление при растяже-
растяжении и изгибе белого слоя при феррито-пер-
литной основе составляет от 20 до
40 кп>мм~2. Для легированного отбелен-
отбеленного чугуна, структура которого в основ-
основном состоит из мартенсита, эти величины
чаще всего значительно выше.
б. Усадка. Уменьшается при увеличении
содержания углерода; в зависимости от
содержания углерода, скорости охлажде-
ТАБЛИЦА 106
иия, размеров и формы отливки составля-
составляет 1—3 %. Усадка при затвердевании бело-
белого чугуна в три раза выше, чем при за-
затвердевании серого чугуна.
в. Теплопроводность белого опасного
слоя хуже, чем серой сердцевины Вследст-
Вследствие различной усадки и теплопроводности
поверхностного слоя и сердцевины после
затвердевания имеют место значительные
внутренние напряжения, поэтому часто не-
необходимо проводить последующую термо-
термообработку.
г. Износостойкость. Нелегированный от-
отбеленный чугун характеризуется особенно
хорошей износостойкостью против скольже-
скольжения и движения потока и в меньшей сте-
степени износостойкостью против износа в аб-
абразивных условиях.
д. Обрабатываемость. Вследствие высо-
высокой твердости обработка резанием возмож-
возможна только с помощью твердосплавного ин-
инструмента или шлифованием.
Термическая обработка. Применяется от-
отжиг для снятия напряжения при -~275°С
н отжиг^ для повышения вязкости; темпе-
температура зависит от состава чугуна (см. так-
также табл. 105).
Применение. Легированный отбеленный
чугун применяют при работе в условиях
износа в основных отраслях тяжелой про-
промышленности, а также в других отраслях
промышленности. Легированный отбелен-
отбеленный чугун имеет во, много раз больший
срок службы по сравнению с конструкци-
конструкционными сталями, поэтому, несмотря на по-
повышенную стоимость, его применение мо-
может быть экономически целесообразным.
2.2.1.46. Ковкий чугун
К ковким чугунам относят литейные
Fe—С сплавы, состав которых (особенно
содержание С и Si) позволяет обеспечить
после затвердевания отсутствие графита
(неотожженный ковкий чугун). Весь содер-
содержащийся в этом сплаве углерод находится
главным образом в виде карбида железа.
С помощью последующего отжига карбиды
ледебурита распадаются, образуется угле-
Ковкий
чугун
Белосер-
дечный
GTW
Перлит-
Перлитный GTP
Черносер-
дечный
,GTS
Цвет взлома
От сереб-
ристо-серого-
до темно-
серого
От черного
до серого
Черный
Зависимость
структуры
от толщины
стенки
Имеется
Отсутствует
»
Структура
по-
верх-
верхности
Фер-
Феррит
переходной
зоны
Перлит+
+феррит+
+углерод
отжига
Перлнт+углерод
t
Феррит+углерод
сердцеви-
сердцевины
i
Перлит
(+Ф'ер-
рит)+уг-
лерод
отжига
отжига
отжига
Отжиг
Обезуг-
лерожи-
лероживающий
Ней-
Нейтральный
»
Применяемые
марки*
GTW-35,
GTW-40,
GTW-S-38
GTR-45,
GTP-55,
GTP-65,
GTP-60,
prpn 7П
Llj P-/U
GTS-30,
GTS-35,
GTS-36
* Цифры указывают значение временного сопротивления при растяжении.
253
род отжига (графит). В зависимости от ат-
атмосферы отжига, температуры и продол-
продолжительности может произойти развиваю-
развивающееся с поверхности обезуглероживание, в
результате которого образуются белые
(обезуглерожениые) поверхностные слои
различной толщины.
Стандарт TGL 10327.
Классификация — по характеру струк-
структуры, виду излома и режиму отжига —
табл. 106.
В TGL 10327 отсутствуют предписания о
способе выплавки. Чаще всего белосердеч-
ный ковкий чугун плавится непосредствен-
непосредственно в вагранках, черносердечный ковкий чу-
чугун — с помощью дуплекс-процесса (ваг-
(вагранка— отражательная печь, вращающаяся
печь или электропечь).
Состав —см. 2.2.1.53.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Благодаря
шаровидной форме выделений углерода от-
отжига ковкий чугун характеризуется отно-
относительно высокой вязкостью и достаточным
сопротивлением ударам. Поэтому он при
сравнительно хороших литейных свойствах
обладает более высокими механическими
характеристиками, чем чугун с пластинча-
пластинчатым графитом (см. 1.7.3.1). Эксплуатаци-
Эксплуатационные свойства ковкого чугуна близки к
свойствам стального литья.
В TGL10327 приведены предельные
значения прочностных свойств, зависящие
от сорта ковкого чугуна и диаметра образ-
образца (табл. 107).
ТАБЛИЦА
Сорт чугуна
Белосердеч-
Белосердечный ковкнй .
Черносердеч-
Черносердечный ковкий .
Перлитный
ковкий ....
107
7
1
* о
С *
34-42
30-36
45-70
1
* о
с а
22-24
22
30—55
г?
•о
3-15
6-12
2-7
«8
и§
200-220
170-190
150-270
га"
>>
1-2
0-1
0,5-1.5
б. Обрабатываемость. Особенно хорошо
обрабатывается резанием черносердечный
ковкий чугун. Для приблизительной оцен-
оценки обрабатываемости можно использовать
величины твердости. При сравнимых вели-
величинах твердости перлитный ковкий чугун
обрабатывается резанием труднее, чем дру-
другие сорта ковкого чугуна.
в. Свариваемость. Для надежной сварки
без последующей термической обработки
пригоден только чугуи GTW-S-38.
г. Пайка. Возможна пайка мягкими при-
припоями всех видов ковкого чугуна. Для
пайки твердыми припоями пригоден только
белосердечный ковкий чугуи.
д. Способность к холодной деформации.
Возможна последующая правка и калиб-
калибровка отливок (с небольшими деформация-
деформациями).
Термическая обработка
а. Черносердечный ковкий чугун. Отжиг
при 950 °С в присутствии необезуглерожи-
вающей атмосферы (азот, засыпка деталей
254
песком, печь герметизируется), при этом
карбиды ледебурита распадаются с обра-
образованием углерода отжига. Формирование
структуры и механические свойства опре-
определяются режимом последующего охлаж-
охлаждения (табл. 108).
ТАБЛИЦА 108
Режим
охлаждения
Медленное
C—5 °С меж-
между 760 и
680 °С)
Охлаждение на
воздухе и от-
пуск
Закалка в мас-
масле и отпуск
Структура
Феррит+угле-
род отжига
То же
Мартенсит+
+углерод от-
отжига
Прочность
Низкая
Средняя
Высокая
б. Белосердечный ковкий чугуи. Отжиг
при 980—1060 °С. Одновременно протекаю-
протекающие реакции — распад карбидов ледебури-
ледебурита с образованием углерода отжига; обез-
обезуглероживание за счет диффузии атомов
углерода к границе раздела металл — ат-
атмосфера печи и реакция с кислородом с об-
образованием СО. Поступление достаточного
количества кислорода достигается помеще-
помещением отливок в отжиговые печи с засыпкой
из руды или продувка смесью воздуха и
водяного пара. Охлаждение с печью или
охлаждение на воздухе или в масле.
Применение. Для деталей грузовых ав-
автомобилей, таких как тормозные барабаны,
втулки колес, коробки дифференциала, под-
подвески осей, распределительные и коленча-
коленчатые валы, или для фитингов, звеньев цепи,
ключей и т. д.
2.2.1.47. Стальное литье (GS)
Стальное литье — литейные сплавы Fe—С
с содержанием до 2 % С, формообразо-
формообразование заготовок из которых производится
путем литья, чаще всего в формы из гли-
глины, песка, шамота или других огнеупорных
матервалов; реже — в постоянные формы
из металла или графита:
Нелегированное стальное
литье TGL 14 315
Жаропрочное стальное
литье TGL 7458
Жаростойкое и окалино-
стойкое стальное литье . TGL 10 414
Коррозионностойкое и кис-
кислотостойкое стальное литье TGL 14394
Легированное стальное
литье общего назначения . TGL 14 395
Точное стальное литье . . TGL 14415
Классификация
а. По виду плавки — на мартеновскую
литейную сталь, сталь для отливок, кон-
конверторную литейную сталь.
б. По содержанию легирующих элемен-
элементов — на нелегированное стальное литье
@,1—0,7 % С, 0,3—0,5 % Si, 0,4—0,8 % Мп);
низколегированное и высоколегированное
стальное литье (>0,5 % Si; >0,8 Мп, Сг,
Ni и другие элементы).
в. По назначению — см. соответствую-
соответствующий стандарт.
Выплавка в электропечах, мартеновской
печи, бессемеровском и кислородном кон-
конверторе.
Технические характеристики
а. Механические свойства. После терми-
термической обработки стальное литье, может
иметь почти такие же прочностные свойст-
свойства и пластичность, как и некоторые нетер-
мообработанные горячедеформированные
стали близкого состава. Применение сталь-
стального литья дает преимущества в тех слу-
случаях, когда холодная или горячая обра-
обработка стали затруднена, например когда
изготавливают изделия сложной формы,
получение которых с помощью обработки
резанием представляет серьезные трудно-
трудности, а изготовление литых изделий дешевле
(к тому же меньше отходов).
В стальном литье наблюдается склон-
склонность к образованию усадочных раковии
(см. 1.8.1.3). Ее можно существенно умень-
уменьшить при соответствующем расположении
и определенных размерах прибылей. Усад-
Усадка в продольном направлении, которая мо-
может достигать 2,2 %, также может быть
уменьшена с помощью специальных техно-
технологических мероприятий.
Усадка и усадочные раковины могут
привести к образованию усадочных трещин.
б. Свариваемость. Большинство видов
стального литья легко свариваются. Свар-
Сварка при ремонтных работах (устранение де-
дефектов поверхности, нежелательных иедо-
ливов, окон и др.), как правило, произво-
. дится до термообработки. Сварку часто
применяют при монтажных работах, когда
требуется соединить отдельные литые дета-
детали одинакового или различного состава
или при соединении стального литья с ка-
катаной сталью.
Термическая обработка
' а. Нормализация — нагрев до темпера-
1 туры на 30—50 СС выше точки Лсз, охлаж-
охлаждение на воздухе. Нормализацию проводят
'главным образом для устранения крупно-
*¦ кристаллической нежелательной структуры
(измельчение зерна за счет фазовой пере-
перекристаллизации) и для снятия внутренних
напряжений в отливках. Применима для
всех сортов нелегированного и легирован-
легированного стального литья (кроме литейной
стали аустенитного класса).
б. Улучшение — нагрев до температуры
на 30—50 °С выше точки Acs и закалка с
охлаждением на воздухе или в масло.
Улучшение проводят с целью повышения
механических свойств. Применяется для не-
нелегированного и главным образом низко-
низколегированного стального литья.
в. Обработка на твердый раствор — на-
нагрев до температур 1000—1100сС и закал-
закалка в воду. Применяется для всех сортов
аустеиитного стального литья.
г. Отжиг для снятия внутренних напря-
напряжений — 550—680 °С для неаустенитного
стального литья; 180—250 °С для аустенит-
аустенитного и закаленного износостойкого сталь-
стального литья.
2.2.1.48. Нелегированное
стальное литье
Нелегированная литейная сталь исполь-
используется для изготовления отливок; заливка
производится в металлические и неметал-
неметаллические формы; чаще всего отливки ис-
используют в термообработанном на задан-
заданную прочность состоянии. Механические
свойства гарантируются в области темпе-
температур 10—250 X.
Стандарт TGL 14315.
Классификация — по группам прочности
(табл. 109).
ТАБЛИЦА 109
кгс-мм 2
40
45
50
60
Марка стального литья
GS-40; GS-40.1; GS-40.2; GS-40.3;
GS-40.5; GS-40.9
GS-45; GS-45.1; GS-45.2;
GS-45.3; GS-45.5, GS-45.9
GS-50; GS-50.1; GS-50.2;
GS-50.3; GS-50.5
GS-60; GS-60.1
Получают плавкой в мартеновских печах,
электропечах или в бессемеровском конвер-
конверторе.
Состав —см. 2.2.1.53.
Технические характеристики
а. Механические свойства. TGL 14315 га-
гарантирует следующие предельные значения
механических свойств в зависимости от
марки стального литья: ов=40-^60 кгсХ
Хмм-2; <js*=20-^32 кгс-мм-2; 65=8-^25%;
Са=Зн-5 кгс-м-см~2; при испытании на за-
загиб при угле загиба а =180° ?)=2е-=-4а, где
D — диаметр оправки, а — толщина образца.
Объем гарантированных стандартом зна-
значений механических свойств индексируется
с помощью дополнительных цифр, напри-
например GS-40.1 или GS-40.9. Эти цифры по
стандарту TGL 14315 обозначают следую-
следующие гарантируемые свойства (табл. 110).
ТА БЛИЦА
Цифра
1
2
3
5
9
°в
+
_]_
_j-
-j-
+
по
OS
-
_|_
-j-
-(-
+
Л.
+
_(-
-|-
+
—
.
—
—
-(-
_|-
—
—
—
+
* F — испытание на загиб; / — магнитная ин-
индукция.
255
2.2.1.52. Химический
Марка стали
1
5Sill
5Sil3
5Sil4
5Sil5
5Sil6
5SI17
6CrMol8,5
6P15
6P20
7S10
8Si3
8Si4
8Si8
8SilO
9Mn6
9P30
10СП1
10CrMo9.10
10Ni36
12CrMo20.5
12NH9
12S10
13CrMo44
13CrMoSi4
13NiCrl2
13NiCrl8
14Mn6
14MnCrSi4
15Cr3
15Mo3
16Cr9
16CrMo4.4
16CrMo9.3
16MnCr5
16MnSiTi5
17CrMoV10
17CrMoWll
17Mn4
17MoV8.4
18CrNi8
18CrMnTi5
18Mn6
18Mn4Al
18Mn5Al
18MnSi6
18MnSiPi6
18MnSiVN6
19Mn3
19Mn5
состав стали
TGL
2
101—041
101—041
101—041
101—041
101—041
101—041
4393
3083
3083
3083
101—041
101—041
101—041
101—041
14 503
3083
6918
15089,
14 183, 7961,
6918
13871
6918
13871
3083
15089,
14183, 7961
6918
4 393
4393
14 509.
14 509
6546
7961, 14183,
14 507,
15089
6918
15298
6918
6544, 6546
101—014
6 918
6918
14 507
15197
6546
6546
14509
6544
13871
14509
101—014
101—014
14 509
7961, 14507
с
3
<0,07
<0,07
<0,07
<0,07
<0,07
<0,07
0,04—0,07
<0,09
<0,09
<0,10
<0,10
<0,10
<0,10
<0,08
<0,12
0,06—0,12
0,08—0,12
0,07—0,15
0,07—0,15
<0,13
0,08—0,15
0,07—0,15
0,08—0,16
0,10—0,18
0,10—0,18
0,11—0,17
0,11—0,17
0,12—0,18
0,11—0,17
0,12—0,18
0,12—0,20
0,12—0,20
0,13—0,20
0,12—0,20
0,14-0,19
0,14—0,18
0,15—0,20
0,15—0,20
0,14—0,20
0,14—0,22
0,15—0,20
0,17—0,23
0,14—0,20
0,14—0,19
0,14—0,20
0,14—0,35
0,15—0,20
0,15—0,20
0,16—0,22
0,17—0,23
si
4
2,40—3,00
3,00—3,50
3,30—3,80
3,60—3,90
3,90—4,15
4,14—4,50
<0,15
Следы
0,50—0,80
0,80—1,20
1,80—2,00
2,00—2,40
0,20—0,40
<0,20
0,20—0,40
0,20—0,50
0,20—0,50
0,20—0,40
0,30—0,50
0,20—0,40
0,15—0,35
0,17—0,37
0,20—0,40
0,17—0,35
0,20—0,40
0,20—0,40
0,40—0,70
0,17—0,37
0,17—0,37
0,20—0,40
0,17—0,37
0,20—0,40
0,17—0,37
0,40—0,60
0,20—0,40
0,20—0,40
0,25—0,50
0,17—0,37
0,17—0,37
0,17—0,37
<0,55
<0,30
0,40—0,55
0,60—0,90
0,40—0,60
0,40—0,60
0,20—0,40
0,40—0,60
Mn
5
<0,30
<0,30
0,10—0,25
0,10—0,25
0,10—0,20
0,10—0,20
0,20—40
0,20—50
0,20—50
0,40—90
0,20—40
0,20—40
0,20—0,40
0,25—0,35
1,40—1,80
0,25-0,55
0,30—0,50
0,40—0,70
0,40—0,70
0,50—0,90
0,30—0,60
0,30—0,60
0,60—0,90
0,40—0r70
0,40—0,70
0,30—0,60
0,30—0,50
1,20—1,60
0,90—1,30
0,40—0,60
0,50—0,80
0,30—0,50
0,50—0,80
0,30—0,50
1,00—1,30
1,20—1,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,90—1,30
0,50—0,80
0,40—0,60
0,80—1,10
1,20—1,60
0,90—1,20
2,20—1,50
1,20—1,60
1,35—1,65
1,35—1,65
0,70—1,00
1,00—1,30
''mai
6
0,030
0,030
0,035
0,025
0,020
0,020
0,030
0,12—0,20
0,15—0,25
0,08
0,050
0,050
0,050
0,050
0,040
0,20—0,40
0,035
0,040
0,040
0,040
0,035
0,040
0,06
0,040
0,035
0,035
0,030
0,040
0,040
0,035
0,040
0,035
0,035
0,035
0,035
0,040
0,035
,0,035
0,045
0,035
0,035
0,035
0,040
0,040
0,040
0,050
0,040
0,040
0,040
0,045
256
Содержание. %
Sma
Сг
Ni
Мо
w
прочие
8
10
12
13
<0,030
<0,030
<0,025
<0,025
0,020
0,010
0,030
0,05
0,05
0,08—0,15
0,060
0,060
0,050
0,050
0,040
0,06
<0,15
<0,15
<0,15
<0>15
<0,12
<0,10
4,50—5,00
0,20
0,20
0,20
0,20
0,30
0,40—0,60
0,07—0,12
0,30
<0,50Си
<0,50Си
<0,50Си
<0,50Си
<0,50Си
<0,30Си
0,50Си
0,50Си
0,50Си
0 50Си
О.ЗОСи
0,035
0,040
0,040
0,030
0,035
0,040
.0,08—0,15
0,040
0,035
0,030
0,030
0,040
0,040
0,035
0,040
0,035
0,035
0,035
0,035
0,040
0,035
0,035
0,045
0,035
0,035
0,035
0,040
0,040
0,040
0,050
0,040
0,040
0,040
0,045
2,70—3,00
2,00—2,50
2,00—2,50
4,50—5,50
0,70—1,00
0,90—1,20
0,60—0,90
0,90—1,30
<0,30
0,50—0,80
0,50—0,80
2,20—2,50
0,90—1,20
2,20—2,50
0,80—1,10
2,50—2,80
2,70—3,00
<0,30
0,20—0,40
1,80—2,10
1,00—1,30
<0,30
<0,30
0,12—0,25
<0,30
<0,30
8,50—9,50
4,50—5,50
2,75—3,25
4,75—4,75
0,30
0,30
0,30
<0,40
<0,30
<0,30
1,80—2,00
<0,30
<0,30
<0,30
0,90—1,10
0,45—0,55
0,40—0,50
0,40—0,50
0,25—0,35
0,40—0,50
0,30—0,40
0,20—0,30
0,50—0,60
0,80—1,00
0,05—0,12
0,05—0,12
0,10—0,20
0,05—0,12
0,30—0,40
0,05/0,65
0,12—0,18
О.ЗОСи
О.ЗОСи
0,06—0,12Ti
<0,30Си
0,06—0,12Ti
< О.ЗОСи
0.02А1
< О.ЗОСи
0,010—
0.018N
<0,30Си
17—140
257
Марка с*8ЯЙ
1
20МпО9
20CrMnV13.5
20МП5
20MnCr5
20МоСг5
20CrMoV5.ll
21CrVMoWll
21MoV5.3
22CrMo4
22СгМо4.4
22Мо4
24СгМо5
24СгМо9
24CrMoV5.5
24МпСг5
25СгМо4
25MnSi6
28CrNiMo4
28CrNiMo4.4
28CrMoV11.2
28NiCrMo7.4
30CrMoV9
30WCrV15
30Mn5
30MnCrSi6
30WCrV17.9
30WCrV34.11
30WCrCoV34.10
31CrV3
32CrAlMo4
32CrMol2.4
34Cr4
34CrMo4
34CrNiMo6
35CrA16
36CrNiMo4
36Mn5
37CrMoWV20.I5
37MnSi5
37MnV7
38CrMoV21.14
38CrSi6
38MnSi4
40Cr4
40CrMnMo7
40Mn4
40MnCr4
40NiCrMol5
42CrMo4
42MnV7
45CrMoV6.7
45CrSi34
45CrSiV6
45CrVMoW5.8
45WCrV7
46MnSi4
TQL
2
6918
6918
15198
6544, 6546
6546
7961, 13147,
13872, 15198
6918, 13147
15198
4393
15198
15198
7961, 15089,
15198
6918
7961, 13147,
15089
6918
6547, 13781
14 509
15198
15198
7746
15198
4391, 15198
7746
6547
14 509
7746
7746
7746
4393
4391
15198
6547
6547, 15198
15198
4391
6547, 15198
15198
7746
6547
6547, 15198
7746
6547
15198
6547, 13870
7746
6547
14102
4393, 7746
6547, 15198
6547
7746, 13872
13 870
4393
7746
4393
15198
с
3
0,16--0,24
0,17—0,23
0,17—0,23
0,17—0,22
0,17—0,22
0,17—0,25
0,18—0,25
0,17—0,25
0,19—0,26
0,19—0,26
0,18—0,25
0,20—0,28
0,20—0,28
0,20—0,28
0,18—0,28
0,22—0,29
0,20—0,29
0,24—0,32
0,24—0,32
0,24—0,32
0,24—0,32
0,26—0,34
0,25—0,35
0,27—0,35
0,26—0,35
0,25—0,35
0,25—0,35
0,26—0,34
0,28—0,35
0,30—0,35
0,28—0,36
0,31—0,38
0,30—0,37
0,38—0,38
0,31—0,39
0,32—0,40
0,32—0,40
0,32—0,42
0,31—0,39
0,33—0,43
0,34—0,42
0,34—0,42
0,38—0,44
0,35—0,45
0,36—0,44
0,37—0,47
0,35—0,45
0,38—0,45
0,38—0,45
0,40—0,50
0,40—0,50
0,40—0,50
0,40—0,50
0,40—0,50
0,42—0,50
Si
4
0,20—0,40
0,20—0,40
0,45—0,65
0,17—0,37
0,17—0,37
0,30—0,60
0,20—0,40
0,17--0,37
0,20—0,40
0,17—0,37
0,17--0,37
0,17—0,37
0,20—0,40
0,17--0,37
0,30—0,60
0,17—0,37
0,40—0,90
0,17—0,37
0,17—0,37
0,20—0,40
0,17—0,37
0,17—0,37
0,70—1,00
0,17—0,37
0,60—0,90
0,15—0,35
0,15—0,35
0,15--0,35
0,20—0,40
0,17—0,37
0,17—0,37
0,17—0,37
0,17—0,37
0,17—0,37
0,17--0,37
0,17—0,37
0,17—0,37
0,70—1,00
1,10—1,40
0,70—1,00
1,00—1,30
0,70—0,90
0,17—0,37
0,15—0,35
0,17—0,37
0,17—0,37
0,15—0,35
0,17—0,37
0,17—0,37
0,15—0,35
3,00—3,50
1,20—1,50
0,50—0,70
0,80—1,00
0,70—0,90
Mn
5
0,30—0,50
0,30—0,50
1,00—1,30
1,10—1,40
0,50—0,80
0,30—0,50
0,30—0,50
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,40—0,70
0,40—0,70
0,50—0,80
0,30—0,60
0,90—1,50
0,50—0,80
1,20—1,60
0,30--0,50
0,30—0,50
0,20—0,40
0,30—0,50
0,40—0,70
0,30—0,50
1,20—1,60
1,20—1,60
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,40—0,60
0,50—0,70
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,40—0,70
0,35—0,60
0,50—0,80
1,20—1,50
0,40—0,60
i, 10—1,40
0,40—0,60
0,30—0,60
0,90—1,20
0,50—0,80
1,10—1,50
0,80—1,10
0,90—1,20
0,30-0,50
0,50—0,80
1,60—1,90
0,60—0,80
0,30—0,50
0,50—0,70
0,30—0,50
0,20—0,40
0,90—0,20
Pmax
6
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035 .
0,040
0,035
0,050
0,035
0,035
0,030
0,035
0,035
0,035
0,035
0,050 ¦
0,030
0,030
0,030
0,035 .
0,025
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,030
0,035
0,030
0,035
0,035
0,035
0,030
0*035
0,035
0,030
0,035
0,035
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,035 i
I
258
Продолжение табл. 2.2.1.52
„
Содержание, "/
smax
7
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,036
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
О.ОЙ
6,040
0,035
0,050
6,035
0,035
0,030
0,035
0,035
0,030
0,035
0,050
0,030
0,030
0,030
0,035
0,025
0,035
0,035
0,035
0/035
0,035
0,035
0,035
0,030
0,035
0,030
0,035
0,035
0,035
0,030
0,035
0,035
0,030
0,035
0,035
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,035
Сг
8
2,20—2,50
3,00—3,50
1,00—1,30
0,20—0,40
1,20—1,50
2,70—3,00
0,20—0,40
0,90—1,20
0,90—1,20
<о,зо
1,00—1,30
2,20—2,50
1,20—1,50
0,35—0,55
0,90—1,20
<0,30
1,00—1,30
1,00—1,30
2,60—3,00
1,10—1,40
2,30^2,70
0,90—1,20
0,60—0,90
2,20—2,70
2,20—2,70
2,20—2,70
0,50—0,70
1,00—1,20
2,70—3,00
0,80—1,10
0,90—1,20
1,40—1,70
1,35—1,65
0,90—1,20
.
4,50—5,00
—
5,00—5,50
1,30—1,60
—
0,80—1,00
1,70-2,00
0,90—1,20
1,10—1,40
0,90-1,20
1,30—1,50
8,00—9,00
1,20—1,50
1,20—1,50
0,90—1,20
0
0
1
1
1
1,
0,
3,
Ni
9
,50—0,80
—
.—
—
—
<0,30
—
<0,60
—
—
50—0,80
—
<0,30
00—1,30
00—1,30
80-2,00
<0,30
<0,60
—
40—1,70
90—1,20
—
—
.
50—4,00
Мо
10
0,25—0,35
0,50—0,60
.—.
—
0,46—0,55
1,20—1,50
0,35—0,45
0,45—0,55
0,20-^0,30
0,40—0,50
0,30—0,40
0,20—0,30
0,20—0,30
0,50—0,60
0,15—0,25
0,20—0,30
0,40—0,50
2,60—2,90
0,30—0,40
0,15—0,26
—
0,15—0,25
0,35—0,45
0,15—0,25
0,15—0,25
0,15—0,25
^_
1,30—1,60
—
1,20—1,50
—
0,15—0,25
.
0,15—0,25
0,15—0,25
0,65—0,75
0,40—0,60
V
11
_
0,45—0,55
:
—
0,25—0,36
0,75—0,85
0,25—0,35
—
—
—
—
0,15—0,25
—
—
0,45—0,55
—
0,10—0,20
0,10—0,20
0,45—0,60
0,30—0,45
0,25—0,35
0,07-0,12
—
—
—
0,20—0,30
—
0,30—0,45
—
—
_
—
—
—
—
0,07—0,12
0,35—0,45
—
0,07—0,12
0,70—0,85
0,15—0,20
0
3
3
7
7
1
0,
1,
W
12
—
—
—
—
,30—0
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—.
—
_
,50-4
—
80—4
50-9
50-9
—
—
—
.—
—.
—
—
—
20—1
—
—
—
_
—
—
—
—
—
—
—
—
—
40—0,
70—2,
,45
00
50
00
00
50
50
00
прочие
13
—
—
—
—
—
—
—
—
<0,30 Си
—
—
.—
—
_
—
<0,30 Си
—
1,80—2,00Со
—
0,70—1,10 А1
—
—
—
0,70—1,10 А1
—
—
—
—
—
_
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
17*
259
Марка стали
1
TQL
2
С
3
SJ
4
Мп
5
ртах
6
50СгМп4
50СгМо4
50CrV4
50MnSi4
50NiCrl3
50SiMo7
51CrV4
53MnSi4
55NiCrMoV6
55NiCrMoV7.4
55SiMn7
58CrV4
13789
6547
6547
6547
4393
13789
101-060
15198
7746
7746
13 789
6547
0,46—0,54
0,46-^0,54
0,46—0,54
0,45—0,53
0,45—0,55
0,47—0,55
0,46—0,54
0,50—0,54
0,50—0,60
0,52—0,60
0,52—0,60
0,55—0,62
0,17—0,37
0,17—0,37
0,17—0,37
0,70—0,90
0,20—0,40
1,50—2,00
0,17—0,37
0,80—1,00
0,15—0,35
0,15—0,35
1,50—2,00
0,17—0,37
0,80—1,00
0,50—0,80
0,50—0,80
0,90—1,20
0,40—0,60
0,50—0,80
0,50—0,80
0,80—1,20
0,50—0,70
0,60--0,80
0,50—0,80
0,80—1,10
0,035
0,035
0,035
0,035
0,030
0,045
0,030
0,035
0,030
0,030
0,045
0,035
60SiMn7
60WCrV7
62SiCr5
65SiMn7
67SiCr5
13789
4393
13 789,13872
13 789,14 515
4393
0,57—0,65
0,55—0,65
0,55—0,65
0,60—0,70
0,62—0,72
1,50—2,00
0,50—0,70
1,00—1,30
1,50—2,00
1,20—1,40
0,70—1,00
0,20—0,40
0,90—1,10
0,70—1,00
0,40—0,60
0,045
0,030
0,035
0,045
0,030
70SiMn7
75NiCr2
14192,14 515
4393
0,65—0,75
0,70—0,80
1,50—1,80
0,15—0,35
0,60—0,80
0,30—0,50
0,035
0,030
80CrV3
80WCrV8
85Crl
85CrMo7.2
85WSiMo
4393
4393
4393
4393
4393
0,75—0,85
0,75—0,85
0,80—0,90
0,80—0,90
0,80—0,90
0,15—0,35
0,40—0,60
0,30—0,50
0,15—0,35
0,80—1,10
0,20—0,40
0,30—0,50
0,50—0,70
0,25—0,50
0,20—0,40
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
90MnV8
90SiCr5
4393
4393
0,85—0,95
0,85—0,95
0,15—0,35
1,20—1,60
1,80—2,00
0,35—0,60
0,030
0,030
ЮОСгб
100V3
105MnCr4
105WCr6
4393
4393
4393
4393
0,95—1,05
1,00—1,10
0,95—1,05
0,15—0,35
0,15—0,30
0,15—0,35
0,20—0,40
1,00—1,20
0,80—1,10
0,030
0,030
0,030
110Cr2
110MoV5
110WCrV5
115CrV3
115W8
4393
4393
4393
¦4393
4393
,05—1,15
,05—1,15
,05—1,15
,10—1,25
,10—1,20
0,15—0,30
0,15—0,30
0,15—0,30
0,15—0,30
0,15—0,30
0,20—0,45
0,30—0,40
0,30—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,025
0,030
0,030
0,030
0,030
120Mn50
120WV4
125Q1
125CrSi5
14 102,18 248
4393
4393
4393
,10—1,30
,15-1,25
,20—1,30
,20—1,30
0,25—0,50
0,15—0,30
0,15—0,30
1,05—1,25
1,15—1,35
0,20—0,35
0,25—0,40
0,60—0,80
0,100
0,030
0,030
0,030
135WV4
4393
,30—1,40
0,15—0,30
0,25—0,40
0,030
140Cr2
142WV13
145O-V6
4393
4393
4393
,35—1,45
,35—1,50
,40—1,50
0,20—0,35
0,15—0,35
0,15—0,30
0,25—0,40
0,20—0,40
0,45—0,70
0,030
0,030
0,030
165CrMoWV46
4393
1,55—1,75
0,20—0,40
0,20—0,40
0,030
210Cr46
210CrW46
CIO
C15
260
4393, 13870
4393
6546
6546
2,00—2,20
2,00—2,20
0,07—0,14
0,12—0,19
0,20—0,40
0,20—0,40
0,17—0,37
0,17—0,37
0,20—0,40
0,20—0,40
0,35—0,65
0,35—0,65
0,030
0,030
0,040
0,040
Продолжение табл. 2.2.1.52
Содержание,
! smax
7
0,035
0,035
0,035
0,035
0,030
0,045
0,025
0,035
0,030
0,030
0,045
0,035
0,045
0,030
0,035
0,045
0,030
0,035
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
s 0,030
0,030
0,020
0,030
0,030
0,030
0,030
0,040
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
...0,030
0,030
0,030
0,040
1 0,040
Сг
8
0,90—1,20
0,90—1,20
0,80—1,10
—
0,90—1,20
0,35
0,80—1,10
—
0,60—0,80
1,00—1,20
<0,35
0,90—1,20
<0,35
0,90—1,20
0,40—0,60
<0,35
0,40—0с 60
_
0,20—0,30
0,50—0,80
1,00—1,30
0,30—0,45
1,60—2,00
—
0,95—1,25
—
0,70—1,00
0,90—1,20
0,40—0,70
1,10—1,30
0,50—0 80
0,15—0,25
0,20—0,35
1,10—1,30
0,30—0,50
0,40—0,60
0,20—0,50
1,30—1,60
11,0—12,0
11,0—12 0
11,0—12,0
3
1,
1,
о,
о.
N1
9
—
—
00—3
—
45—1
60—1
_
__
45—0,
_
15—0,
—
—
—
—
_
—
—
—
_
—
—
_
—
,50
75
90
60
25
0
0
0
0,
0,
0,
0
Мо
10
,15—0
—
—
—
—
—
,20—0
,50—0
—
.
—
—:
—
—
30—0
__
—
25—0,
—
—
45—0,
—
—
—
——
—
_
—
50—0
—
,25
,30
,60
50
35
55
ВО
0
0
0
ь
0
0
0
0
0,
о,
о.
0,
0,
о,
0,
о,
о,
V
11
—
,07—0
—
—
,07—0
—
,07—0
,07—0
,07—0
,15—0
—
—
,15—0
,25—0
—
—
07—0,
—
—
—
—
15—0,
15—0,
07—0,
—
15—0,
—
20—0,
20—0,
08—0,
20—0,
_
—
,20
,20
,12
,12
,12
,20
30
35
12
20
20
12
25
30
30
15
30
1
1
1
1
1
0
0,
0,
3
0,
о.
W
12
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
,70—2
—
—
—
—
,80—2
—
00—1
—
—
—
20-1
—
15—1
—
70-2
85—0,
—
80—1,
_
00-3,
—
40—0,
_
60—0,
—
,00
,00
,40
60
45
00
15
10
50
60
80
прочие
13
—
—
—
—
.
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
_
—
—
—
_
261
Марка стали
1
С20
С25
С35
С45
С55
C55WS
С60
C60W3
C70W2
C75WS
C75W3
C80W2
C85WS
C90W2
C100W1
C100W2
C110W1
C110W2
C130W2
Cf45
Cf55
Ск15Л1
Ск22Ц
Ск25
Ск35
Ск45
Ск53
Ск55
СкбО
Ск67
М5
М7
М1О
М14
М15
М20
М26
М35
М45
М55
М65
М66
М75
TGL
2
15089
6547, 15 198
6547, 7961,
15 089, 15 198
6547, 7961,
13 870, 15198
6547
4392
6547, 15 198
4392
4392
101—060
4392
4392
4392
4392
4392
4392
4392
4392
4392
6547
6547
13871
6918
15198
15 198
15198
6547
14 192,14 515
15198
4 192,14 515
8663
8663
8663
8663
6544
8663
8663
8663
8663
8663
8663
14 102
8663
с
3
0,17—0,24
0,22—0,30
0,32—0,40
0,42—0,50
0,52—0,60
0,50—0,60
0,57—0,65
0,55—0,65
0,65—0,74
0,70—0,80
0,70—0,80
0,75—0,84
0,80—0,90
0,85—0,94
0,95—1,04
0,95—1,04
1,05—1,14
1,05—1,14
1,25—1,45
0,44—0,48
0,52—0,58
0,12—0 18
0,18—0,25
0,22—0,30
0,32—0,40
0,42—0,50
0,50—0,56
0,52—0,60
0,57—0,65
0,65—0,72
0,06
0,08
0,12
0,12—0,17
0,12—0,18
0,18—0,23
0,24—0,29
0,30—0,39
0,40—0,49
0,50—0,59
0,60—0,69
0,62—0,70
0,70—0,79
0
0
-0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
Si
4
,17—0
,17—0
,17—0
,17—0
,17—0
,08—0
,17—0
,25—0
,15—0
,25—0
,25—0
,15—0
,25—0
,15—0
,15—0
15—0
15—0
15—0
15—0
17—0
17—0
10—0,
17—0,
17—0,
17—0,
17—0,
10—0,
17—0,
17-0,
25—0,
10—0,
15—0,
10—0,
10—0,
10—0,
10—0,
10—0,
10—0,
25—0,
10—0,
,37
,37
,37
,37
,37
,15
,37
,50
,35
,50
,50
,35
,40
,35
30
35
30
35
35
37
37
22
45
37
37
37
20
37
37
50
30
30
30
30
30
30
30
30
45
30
Мп
5
0,35—0,65
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,30—0,50
0,50—0,80
0,60—0,80
0,15—0,35
0,60—0,80
0,60—0,80
0,15-0,35
0,50—0,70
0,15—0,35
0,15—0,25
0,15—0,35
0,15—0,25
0,15—0,35
0,15—0,35
0,40—0,60
0,40—0,60
0,40—0,65
0,35—0,70
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,20
0,50—0,80
0,50—0,80
0,60—0,80
0,25—0,40
0,25—0,45
0,25—0,50
0,30—0,60
0,40—0,70
0,30—0,60
0,30—0,60
0,30—0,60
0,30—0,60
0,30—0,70
0,30—0,70
0,70—1,00
0,30—0,70
Р1ШХ
6
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,030
0,040
0,035
0,030
0,025
0,035
0,030
0,030
0,030
0,020
0,030
0,020 '
0,030
0,030
0,040
0,040
0,035
0,035
0,040
0,040
0,040
0,035
0,035
0,040
0,035
0,040
0,040
0,050
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040 ]
0,045
0,040 s
262
Продолжение табл. 2.2.1.52
Содержание, %
<
smax
7
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,030
0,040
0,035
0,030
0,025
0,035
0,030
0,030
0,030
0,020
0,030
0,020
0,030
0,030
0,040
0,040
0,035
0,035
0,040
0,040
0,040
0,035
0,035
0,040
0,035
0,040
0,040
0,050
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,045
0,040
Cr
8
—
—
<0,20
<0,25
<0,20
<0,25
<0,25
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
—
—
<0,20
—
Ni
g
—
., —
—
<0,25
<0,25
<0,25
<0,25
<0,25
<0,20
<0,25
<0,20
<0,25
<0,25
<0,25
—
—
<0,20
—
Mo
10
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
V
11
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
W
12
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
прочие
13
—
—
0,20 Ni
—
—
—
—
—
—
Al
0,50—0,15 Ti
0,04-0,12 Ti
—
263
Марка стали
1
М85
М95
МЬК5
МЫЗ
МЫ5
МЫ6
МЫ9
МКЗА1
МК45
МК53
МК58
МК63
МК68
МК73
МК75
МК78
МКЮ1
MSt44
Mu4"
Mu8
Mull
МиКЗ
MuK12
StO9
St33
St33
St34
St34-3
St34b-2
St34hb-2
St34u-2
St35b
St35-5
St35-S
St35u
St38
St38-3
St38b-2
St38hb-2
St38S
St38u-2
St42
St42-3
St42b-2
St42hb-2
St42u-2
St45-5
St45b
St45bh
St45/60A
TOL
2
8663
8663
101-18 499
14507
6 545
14507
14 507
101-18 499
6774
6774
6774
6774
6774
6774
14 192,14 515
6774
14192,14 515
6545
101-18 499
6545
6545
101-18 499
6544
14102
9 413
7 960
7960
s 7960
7960
7 960
7 960
9413, 9414,
13 873
14 183
18245
13 873,
18245
7960
7 960
7 960
7 960
7 960
7 960
7 960
7 960
7 960
7 960
7 960
14183
9 413
9 413
101—014
С
3
0,80—0,89
0,90—0,99
<0,06
0,08—0,16
0,12—0,18
0,12—0,20
0,14—0,20
<0,04
0,42—0,46
0,50—0,54
0,55—0,59
0,60—0,64
0,65—0,69
0,70—0,74
0,70—0,80
0,75—0,79
0,98—1,05
0,10—0,18
<0,05
0,06—0,10
0,09—0,15
<0,04
0,10—0,16
He гаран-
гарантируется
To же
He регламен-
регламентируется
<0,15
0,09—0,15
0,09—0,15
6,09-0,15
0,09—0,15
<0,16
<0,18
0,06—0,10
<0,18
<0,20
0,12—0,18
0,12—0,20
0,12—0,20
<0,20
0,12—0,20
<0,24
0,15—0,22
0,17—0,24
0,17—0,24
0,17—0,24
0,17—0,23
0,17—0,23
0,17—0,23
0,14—0,18
Si
4
0,10—0,30
0,10—0,30
<0,15
0,15—0,35
' 0,20—0,30
0,15—0,35
0,15—0,35
<0,10
0,20—0,30
0,20—0,30
0,20—0,30
0,20—0,30
0,20—0,30
0,20—0,30
0,15—0,25
0,20—0,30
0,15—0,25
0,25—0,50
Следы
Следы
<0,06
—
—
—
He регламен-
регламентируется
0,12—0,30
0,17—0,37
<0,17
Следы
0,17—0,37
0,37
Следы
»
Hie регламен-
регламентируется
0,12—0,30
0,17—0,37
0,17
rfe регламен-
регламентируется
Следы
He регламен-
регламентируется
0,12—0,30
0,17—0,37
0,17
Следы
0,17—0,37
0,17
0,17—0,37
0,40—0,60
Мп
5
0,30—0,70
0,30—0,70
0,20—0,30
0,40
0,40—0,65
0,45
0,55—0,85
<0,25
0,45—0,65
0,45—0,65
0,45—0,70
0,45—0,70
0,45—0,70
0,45—0,70
0,40—0,60
0,45—0,70
0,30—0,45
0,60—0,80
<0,28
0,25—0,40
0,30—0,50
<0,15
0,35—0,55
—
—
—
Не регламен-
регламентируется
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30
0,25—0,50
0,35—0,65
0,35—0,65
0,35—0,65
0,35—0,65
Hie регламен-
регламентируется
0,40—0,65
0,40—0,65
0,40
0,30
0,30—0,60
-fe регламен-
регламентируется
0,45—0,70
0,45—0,70
0,45
0,40—0,70
0,40—0,65
0,40—0,65
0,40—0,65
1,20—1,50
Ртах
6
0,040
0,040
0,020
0,045
0,040
0,045
0,045
0,020
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,050
0,040
0,040
0,050
0,020
0,040
— ;
—
—
0,080
0,045
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,040
0,050
0,080
0,045
0,050
0,050
0,060
0,050
0,080
0,045
0,050
0,050
0,050 ,
0,050 1
0,050 |
0,050 s
0,040 !
264
Продолжение табл. 2.2.t.52
Содержание. '
Smax
7
0,040
0,040
0,030
0,045
0,045
0,045
0,045
0,030
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,050
0,040
t),040
0,045
0,030
0,040
0,060
0,045
0,055
0,055
0,055
0,050
0,050
0,040
0,050
0,060
0,045
0,055
0,055
0,060
0,055
0,060
0,045
0,055
0,055
0,055
0,050
0,050
0,040
0,040
Сг
8
—
—
0,30
0,30
0,30
_
.
—
—
—
—
—
—
—
—
_
—
—-
—
_
—
_
—
—
Ni
9
0,30
—
0,30
0,30
—
—
—
_
—
—
—
—
—
—
_
—
—
Mo
10
—
—
—
.
—
—
—
—
_
—
—
— ¦
—
—
_
—
—
_
—
V
и
—
—
—
_
—
—
—
—
—
—
_
—
_
—
W
12
.
—
—
—
—
—
—
—
—
—
_
—
—
—
прочие
13
_
<0,03А1
<0,30Си
<0,30Си
<0,30Си
0,020—
0,150 А]
—
—
—
—
—
_
—
—
—
_
—
_
—
—
265
Марка стали
i
St45/60B
St45/60C
St50
St50-2
St52-3
St54
St55
St60
St60-2
St60/90
St70
St70-2
StG
StGb
StGu
StSZb
StSZu
StTZb
StTZu
StZb
StZu
T5
T7
T9
UR6CrMol8.5
UR13NiCrl8
UR22CrMo4
UR40NiCrMol5
UR40Crl3
UR50NiCrl3
UR60WCrV7
UR85CrMo7.2
UR90MnV8
UR100Cr6
UR105MnCr4
UR105WCr6
UR142WV13
UR145CrV6
UR165CrMoWV46
UR210Cr46
UR210CrW46
X3CrNil8.10
X4CrKTil8.13
X5CrNil8.10
X5CrNiMol7.13
X5CrNiMol8.11
X5CrNiN21.5
X5CrNiMoCuTil8.18
X7Crl4
X8Crl7
X8CrMoTil7
X8CrNil2.12
X8CrNiTil8.10
X8Cr№MoTil8.11
TOL
2
101—014
101—014
7960
7960
7960, 6544
9413
9413, 9414
7960
7960
6 477
7 960
7960
21212
21212
21212
21212
21212
21212
21212
21212
21212
8 663
8 663
8 663
4 393
4393
4 393
4 393
4 393
4393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
4 393
7143
18 248
|7143. 18 248
13 795
7143
13 795
13795
7 143
7143
7143
7143, 18 248
7 143
7143
С
8
0,15—0,20
0,15—0,20
~0,32
0,28—0,37
0,14—0,20
He
0,30—0,38
~0,44
0,38—0,49
0,58—0,67
~0,55
0,50—0,62
<0,15
<0,12
<0,12
<0,08
<0,08
<0,09
<0,09
<0,10
<0,10
<0,06
<0,08
<0,10
0,04—0,08
0,12—0,18
0,20—0,27
0,37—0,47
0,35—0,44
0,47—0,57
0,57—0,67
0,80—0,90
0,85—0,95
0,95—1,10
1,00—1,10
0,95—1,05
1,40—1,55
1,40—1,50
1,62—1,82
2,07—2,27
2,07—2,27
<0,40
<0,05
<0,07
<0,06
<0,07
<0,06
<0,07
<0,08
<0,10
<0,10
<0,10
<0,10
<0,10
Si
4
0,40—0,60
0,40—0,60
He регламен-
регламентируется
0,17/0,37
0,40/0,55
Mn
5
1,35—1,55
1,35—1,65
He регламен-
регламентируется
0,50—0,80
1,20—1,50
регламентир уется
0,20—0,35
He регламен-
регламентируется
0,17—0,37
0,90—1,20
He регламен-
регламентируется
0,17-0,37
<0,15
<0,12
<0,10
<0,10
—
<0,12
_
—
<0,12
0,22—0,42
0,22—0,42
0,18—0,38
<0,60
0,22—0,42
0,55—0,75
0,70—0,90
0,15—0,35
0,15—0,35
0,15—0,30
0,15—0,30
0,18—0,38
0,15—0,30
0,22—0,42
0,22—0,42
0,22—0,42
<0,80
<1,00
<0,80
<l,0
<0,80
<l,0
<i,o-
<0,60
<0,80
<0,80
<0,80
<0,80
<0,80
0,40—0,70
He регламен-
регламентируется
0,50—0,80
1,00—1,20
He регламен-
регламентируется
0,50—0,80
0,20—0,50
0,20—0,50
0,20—0,50
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,45
0,20—0,45
0,20—0,45
0,25—0,40
0,25—0,45
0,25—0,50
<0,12
<0,50
<0,80
<0,50
<0,60
<0,60
<0,40
<0,50
1,20—2,00
<0,40
1,00—1,20
0,80—1,10
<0,40
0,45—0,70
<0,40
<0,40
<0,40
1,0—2,0
1,0—2,0
1,0—2,0
<2,0
1,0—2,0
<2,0
<2,0
<0,60
<l,0
<l,0
1,0—2,0
1,0—2,0
1,0—2,0
Praax
6
0,040
0,040
0,080
0,050
0,040
0,050
0,080
0,050
0,045
0,080
0,050
0,060
0,060
0,060
0,035
0,035
0,040
0,050
Q.050
0,050
0,050
0,060
0,070
0,020
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,025
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040 .
0,040
0,040
0,040
266
Продолжение табл. 2.S.1.S2
Содержание,
W
7
0,040.
0,040
0,060
0,055
0,040
0,050
0,060
0,055
0,045
0,060
0,055
0,060
0,060
0,060
0,040
0,040
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,060
0,020
0,020
0,020
0.020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,020
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
4,
0,
о,
1,
12
о,
0,
1,
1,
о,
о,
о,
1,
10
10
10
17
16
17
16
16
20
16
23
16
16
11
0,
16
Cr
8
—
—
—
—
_
—
_
—
—
—
—
20—4,
75—1,
80—1,
00—1,
,0—14
75—1,
80
15
10
30
,0
05
75-1,05.
60—2,
30—1,
70—1,
90—1,
20—0,
30-1,
,2-11
,2^11
,2—11
,0—19
,5—18
,0—19
,0—18
,5—18
,0—22
,5—18
,0—15
,0—18
,0—18
,5—13
17—0,
,5—18
00
65
00
20
50
60
,3
,5
,5
,0
,5
,0
,0
,5
,0
,5
,0
,0
,0
,5
19
,5
4,
3,
2,
9
12
9
12
10
5
19
9
10
Ni
9
—
—
—
- —
_
—
—
_
25—4,
50—4,
0,50
00—3,
—
—
—
—
—
—
,0—11
,0—14
,0—11
,5—14
,5—12
,0—7,
,0—21
—
,0—U
,5—12
75
00
50
,0
,0
,0
,5
,5
0
,0.
,0
,5
0,
0,
0,
0,
0,
4
2
2
1
2
Mo
10
—
—
—
—
_
—
_
50—0
—
20—0
15—0
—
30—0
55—0
—
—
,0—5,
,0—2,
,0-2,
,5-2,
,0—2,
,75
30
25
40
85.
0
5
5
5
5
V
и
0,12—0,18
—
—
—
_
—
_
—
_
—
.
—
_
0,15—0,20
0,10—0,20
0,07—0,12
0,20—0,30
0,08—0,15
0,20—0,30
—
1
I
3
0
0
w
IS
—
—
—
—
—
—
_
—
—
.
,80—2,
—
.*
,20—1,
,00-3,
,45-0,
,65—0,
—~
10
60
60
65
85
прочие
13
0,06—0,12Ti
0,12-0,25Ti
0,010—
0,018Ц
я
—
—
,
—
—
—
—
_
—
—
—
_
_
—
—
—
—
0,15—0.20N
1,8—2,2Cu
Ti>7X %C
Ti>7X%C
Ti>5X%C
Ti>5X%C
267
Марка стали
1
Х8СгТП7
X8CrNiTil8.10
ХЮСМЗ
Х10СгА17
ХЮСгАНЗ
X10CrAU8
Х10СгА124
X10CrMnNiN17.94
X10CrNil8.9
X10Cr№18.12
X12CrMoS17
X12CrNil7.7
X12MnCrl8.12
X12NiCrSi36.16
X15CrNiMnl2.10
X15CrNiSi20.13
X15CrNiSi25.20
X20Crl3
X20CrMol3
X20CrNiSi25-4
X22CrMoV12.1
X22CrNil7
X35CrMol7
Х40СПЗ
X40MnCrl8.4
X40MnCr22.4
X40MnCrNil8.4
X42MnCrNil8.4
X42MnCrNil8.4
X45CrNiWl8.9
X50CrMnK422.9
X74WV18.1
X76WCol8.10
X79WCol8.5
X80CrNiSi20
X82WV9.2
X82WMo6.5
X85WMoCo6.5.5
X86WV12.2
X90CrMoV18
X97WMo3.3
X100WCo5.3
X125WV12.4
X133WCol2.5
TQL
,-J
'2
7 143
7061, 13 871
7 143
7061
7061
7061
7061
7 143
7 143
18248
7 143
7 143
7143, 18 248
7061
18248
7061
7061
7143, 13 147
7143, 7961
7061
7961, 13 147
7 143
7143
7143, 4393
15 199,
18 248
13 871
15 199,
18248
15 199,
18248
15 199,
18248
13 870
13 870
7571
7 571
7 571
13870
7 571
7571
7571
7 571
7143, 4393
7 571
7 571
7 571
7571
с
3
<0,10
<0,10
0,09—0,15
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
0,10—0,17
<0,15
<0,15
<0,15
0,10—0,20
<0,20
<0,20
0,16—0,24
0,16—0,24
0,15—0,25
0,18—0,25
0,15—0,20
0,30—0,40
0,35—0,44
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,35—0,50
0,35—0,50
0,40—0,50
0,45—0,55
0,70—0,80
0,72—0,82
0,75—0,85
0,75—0,85
0,77—0,87
0,78—0,88
0,82—0,90
0,80—0,90
0,85—0,95
0,92—1,02
0,95—1,05
1,20—1,30
1,25—1,40
Si
4
<0,80
<0,80
<0,60
1,20—1,80
1,20—1,80
1,20—1,80
1,20—1,80
<0,80
<0,80
<l,00
<l,0
<0,80
' <0,80
1,5-2,0
<0,60
2,0—2,5
2,0—2,5
<0,60
<0,60
0,8-1,3
0,30—0,50
<0,80
<0,80
<0,60
<l,0
0,30—0,80
<l,0
<l,0
<l,0
2,00—2,50
<0,50
<о,зо-
<0,30
<0,30
1,80—2,40
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,80
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
Mn
6
<l,0
1,0—2,0
<0,60
<0,50
<0,50
<0,50
<0,50
8,0—10,5
1,0—2,0
1,0—2,0
<l,0
1,0—2,0
17,0—19,0
<2,0
5,5—6,5
<l,50
<l,30
<0,60
<0,60
2,0
0,20—0,40
<0,80
<0,80
<0,60
0,17—0,19
21,0—24,0
17,0—19,0
17,0—19,0
17,0—19,0
0,80—1,20
8,00—10,0
<0,45
<0f45
<0,45
0,20—0,50
<0,45
<0,45
<0,45
<0,45
<0,80
<0,45 •
<0,45
<0,45
<0,45
Pmax
6
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,050
0,040
0,040
0,040
0,040
0,080
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040 .
0,030
0,040
0,040
0,040
0,130
0,100
0,130
0,130
0,130
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030 ;
0,040 '
0,030
0,030
0,030
0,030
б. Магнитная индукция. Гарантирован-
Гарантированные минимальные значения для сортов
GS-40.9 и GS-45.9:
Напряженность
поля, А-см-1 . . 25 50 .100
Индукция, Вб-м-2 1,45 1,60 1,75
в. Качество отливок. На отливке не дол-
должно быть остатков (пригара) формовочно-
формовочного песка, окалины, ошлакованных участков
и т. д. Прибыли и литники должны быть
удалены.
Термическая обработка. Для улучшения
пластических свойств и' для снятия имею-
имеющихся напряжений нелегированное сталь-
стальное литье чаще всего подвергается отжигу
для снятия внутренних напряжений или
нормализации.
2.2.1.49. Жаропрочное стальное
литье
Нелегированные или легированные фер-
рито-перлитные сорта стального литья, ко-
которые благодаря своей жаропрочности в
улучшенном или нормализованном состоя-
состоянии могут быть использованы при темпера-
температурах 250—540 СС; при этих температурах
они имеют не только достаточную проч-
268
Продолжение табл. 2.2.t.52
•
Содержание, •
smax
7
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,15—0,25
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,050
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
0,030
/о
Сг
8
16,0—18,0
17,0—19,0
12,0—14,0
5,5—7,0 ,
12,0—14,0
17,0—20,0
23,0—25,0
16,0—18,0
17,0—19,0
16,5—18,5
15,5—18,0
16,0—18,0
11,0—13,0
15,0—17,0
10,5—12,5
19,0—22,0
24,0—26,0
12,0—14,0
12,0—14,0
24,0—26,0
11,5—12,5
16,0—18,0
15,5—18,0
12,0—14,0
3,0—5,0
3,00—5,00
3,0—5,0
1,6-1.8
17,0—19,0
21,0—23,0
—
3,80—4,50
3,80—4,50
3,80—4,50
19,0—21,0
3,80—4,50
3,80—4,50
3,80—4,50
3,80—4,50
17,0—19,0
3,80—4,50
3,80—4,50
3,80—4,50
3,80—4,50
Ni
9
0,6
.—.
—
11,0—13,0
7,0—8,0
1,5—2,5
.34,0—37,0
0,0—11,0
12,0—14,0
19,0—21,0
<0,5
<1,0
3,00—4,50
1,0—2,5
<1,0
<0,5
—
—
—
8,50—9,50
3,50—4,50
1,5-2,0
.
<0,5
—
Мо
10
_
9,0—11,0
—
—
—
—
—
—
—
—
0,2—0,3
—
0,3—0,8
—
—
—
—
—
1,0—1,3
—
0,90—1,10
1,0—1,3
—
—
—
—
—
—
—
<0,30
0,50—0,80
0,50—0,80
—
2,50—2,80
4,80—5,30
4,80—5,30
0,70—1,00
1,0—3,0
2,50—2,80
2,70—3,00
0,70—1,00
0,70—1,00
V
и
_
—
—
—
—
—
—
—
—.
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
0,25—0,35
—
—
—
—
—
—
—
—
1,00—1,20
1,40—1,70
1,40—1,70
—
2,20—2,50
1,70—2,00
2,00—2,30
2,30—2,60
0,07—0,12
2,20—2,50
2,50—2,80
3,50—4,00
3,50—4,00
W
12
ц
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—•
—
—
—
—
—
—
—
—
—
0,80—1,20
—
—
—
17,5—18,5
17,5—18,5
17,5—18,5
—
2,50—3,00
6,00—6,70
6,00—6,70
11,5—12,5
2,50—3,00
4,50—5,00
11,5—12,5
11,5—12,5
прочие
13
Ti>7X%C
Ti>5X%C
—
0,70—1.10А1
1,00—1.80А1
0,70—1.20А1
1,20—1.70А1
0,15—0.25А1
—
—
—
—
—
—
—.
—
—
—
—
—
—.
—
—
—
—
0,08—0.12N
—
0,40—0.60N
—
—
—
9,0—Ю.ОСо
4,5—5,0Co
—
—
4,50—5,00Co
—
2,70—3,20Co
4,50—5,00Co
ность, но и окалиностойкость.
Стандарт TGL 7458.
Классификация — по характеру
вания:
легиро-
Нелегированное . GS-C-25
Легированное Mo GS-22Mo4
Легированное Мо
и V GS-20MOV53;
GS-20MoV84:
Легированное Сг
и Мо GS-22CrMo54
Получают плавкой в электропечах и мар-
мартеновской печи.
Состав —см. 2.2.1.53.
Технические характеристики
а. Механические свойства. В зависимости
от сорта стального литья TGL7458 гаран-
гарантирует следующие свойства (предельные
значения): 0В=45-*-8О кгс-мм-2; 0s при
температурах 20, 200, 300, 350, 400 °С рав-
равно 25—40, 22—35, 17—32, 15—31, 13—
29 кгс-мм-2 соответственно, б5=15н-22%;
flfc=4-r-5 кгс-м-см-2.
Кроме того, в TGL7458 приведены нор-
нормативные значения жаропрочности A%-ный
предел ползучести и длительная прочность
на 10000 и 100000 ч).
269
2.2.1.53. Химический состав чугунов
Марка
I
GGG40
GGG45
GGG50
GGQ60
GGG70
GGG-30NiMo74
GGG-330NiMoll7
GGG-330NiMol48
GGG-330NiMoCr23
GGG-350№7
GGG-370Nil2
GGG-370Cul2
GGG-370Cul8
GGG-X230NiSiCrl94
GGG-X270NiCrl9
GGG-X270NiCuCrl83
GGG-X270Si6
GGG-X290Nil8
GGG-X290Si4
GGG-X290Si5
GGL-ЗООСг
GGL-300Cr2
GGL-300Cu8
GGL-300Cul2
GGb-300CuCrl2
GGL-300CuCr202
GGb-300MoCr8
GGb-300NiCr3
GGL-300NiMo59
GGL-300NiMo89
GGL-300NiMoCr23
GGb-300NiMoCr38
GGL-300NiMoCrl09
GGL-300NiMoCrl39
GGL-300NiMoCrl69
GGb300NiMoCr382
GGL-320Cr
GGL-320Cr2
GGL-320Cr3
GGL-320Cu8
GGL-320Cul2 .
GGL-320CuCrl2
GGL-320CuCr202
GGL-320CuMo8.4
GGb-320CuMoCrI24
GGl,-320MoCr8
GGL-320NiCr2
GGL-320NiCr3
GGL-320NiCr72
GGL-320NiCrl23
GGb-320NiMoCr23
GGL-320NiMoCr38
GGL-320NiMoCr382
GGL-320SiCrl2.5
GGI>320SiCrl6.7
TGL
2
14 414
14 414
14414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14414
14 4Ц
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14414
14 414
14 4H
14414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
С
3
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,10—3,50
3,10—3,50
3,10—3,50
3,10—3,50
3,30—3,70
3,30—3,70
3,50—3,90
3,50—3,90
2,10—2,50
2,50—2,90
2,50—2,90
2,50—2,90
2,70—3,10
2,70—3,10
2,70—3,10
2,80—3,00
2,50—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
2,80—3,20
3,00-3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40.
3,00^=3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
3,00—3,40
SI
4
2,20—2,60
2,20—2,80
2,20—2,60
2,20—2,60
2,20—2,60
2,20-2,60
2,00—2,60
1,00—1,60
2,10—2,50
2,00—2,40
2,00—2,40
1,80—2,40
1,80—2,30
4,00—5,00
2,40—3,00
2,10—2,50
5,50—6,50
2,00—2,40
3,50—4,50
4,50—5,50
1,20—2,00
1,20—2,00
1,20—2,00
1,00—1,80
1,00—1,80
1,00—1,80
1,60—2,40
1,20—2,00
2,00—2,60
1,80—2,40
1,40—2,20
1,40—2,20
1,80—2,60
1,60—2,40
1,40—2,20
1,60—2,40
1,40—2,20
1,40—2,20
2,00—2,80
1,40—2,20
1,20—2,00
1.2Q—2.0Q
1,40—2,20
1,40—2,20
1,40—2,20
1,60—2,40
1,40—1,20
1,40—2,20
1,00—1,40
0,80—1,20
1,40—2,20
1,40—2,20
1,60—2,40
2,80—3,60
3,40—4,20
Mn
5
0,40
0,40—0,80
0,40—0,80
0,60—1,00
0,60—1,00
0,20—0,30
0,30-0,50
0,80—2,00
1,5,0—1,70
0,30—0,50
0,60-0,80
0,10—0,30
0,10—0,30
1,50—2,00
0,70—1,00
1,50—2,00
0,30—0,50
1,38—1,50
0,20—0,40
0.30-O.50
0,50—1,00
0,50—1,00
0,80—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,90—1,20
1,50—1,70
0,50—1,00
0,90—1,20
0,90—1,20
0,90—1,20
0,60—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—0,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,60—1,00
0,60—1,00
1,50-1,70
0,50—1,00
0,60—1,00
0,50—0,80
0,50—0,80
p
max
6
<0,080
<0,20
<0,12
<0,12
<0,10
<0,04
<0,04
<0,04
<0,10
<Q,10
<O,10
<0,10
<0,10
<0,08
<0,08
<0,08
<0,05
<0,08
<0,05
<0,90
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
<0,20
<0,30
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
<0,20
0,40
0,40
0,30
0,40
0,40
0,40
0,20
0,20
0,20
0,20
0,40
0,30
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
279
Содержание, %
smax
7
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
<0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
.0,12
0,12
Сг
8
<10
0,30—0,50
0,90—1,50
1,00—2,00
0,80—1,10
<0,05
0,20—0,40
0,40—0,60
0,20—0,40
0,40—0,60
0,20—0,40
0,20—0,40
0,30—0,50
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,40—0,60
0,40—0,60
0,20—0,40
0,40—0,60
0,60—1,00
0,20—0,40
0,40—0,60
0,30—0,60
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,40—0,60
0,60—1,00
0,30—0,50
0,20—0,40
0,40—0,60
1,00—1,50
1,50—2,00
Ni
9
1,50—2,00
2,50—3,00
3,00—4,00
0,40—0,60
1,50—2,00
2,50—3,50
18,0—20,0
18,0—20,0
17,0—19,0
17,0—19,0
0,60—1,0
1,00—1,40
1,80—2,20
0,40—0,60
0,60—1,00
2,40—2 80
3,00—3,30
. 3,60—4,50
0,60—1,00
0,40—0,60
0,60—1,00
1,50—2,00
2,50—3,50
0,40—0,60
0,60—1,00
0,60—1 00
Мо
10
0,30—0,50
0 50—0,80
0,60—1,00
0,20—0,40
0,60—1,00
0,80—1,00
0,80—1,00
0,20—0,40
0,60—1,00
0,80—1,00
0,80—1,00
0,80—1,00
0,60—1,00
0,30—0,60
0,60—1,00
0,20—0 40
0,60—1,00
0,60—1,00
V
И
—
—
—
W
12
—
—
прочие
13
1,0—1,5Си
1,5—2,0Си
<0,4Си
2,30—2,50Си
0,6—1,0Си
1,0—1.5Си
1,0—1,ЗСи
1,7—2,ЗСц
0,6—l.OCu
1,0— l,5Cu
1,0—l,3Cu
1,7—2,3Cu
o,e—i.ocu
1,0—l,5Cu
27t
Марка
1
GGL-340Cu8
GGL-340Cul2
GGL-340CuCr20.2
GGL-340CuMo8.4
GGL-340CuMoCrl2.4
GGL-340CuMoCrl2.8
GGL-340MoCr4
GGL-340NiCr3
GGL-340NiCr72
GGL-340NiCrl2.3
GGL-340NiMoCr38
GGL-340NiMoCr382
GGL-360CuMo84
GGL-360CuMol24
GGL-360CuMoCrl28
GGL-36MoCr4
GGL-360NiCr3
GGL-360NiMoCr38
GGL-360NiMoCr382
GLKK-25
GGL-X240Sib
GGL-X260NiCuCrl4
GGL-X270Si5
GGL-X280NiCuCrl46
GGL-X300Si4
GH-200
GH-300
GHK-400
GHK-500
GH-X29042
GH-X30095
GH-X33042
GS-16MnCr5.4
GS-20CrMoNiy5.ll
GS-20Mn6
GS-20MoV5.3
GS-20MoV8.4
GS-22CrMo44
GS-22CrMo54
GS-22Mo4
GS-30CrMo4
GS-30CrNiMo6
GS-30MnSi5
GS-35CfMn4
GS-35Mn6
GS-35MnCrSi5
GS-37MnSi5
GS-4O
GS-4DCr4
TGL
2
14 414
14414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14 414
14414
14316
14 316
14 316
14 316
—
14 415
14 415
14 395
7 458
7 458
14 415
7 458
7 458
14 395
14 395
14 395
14 395
14 395
14 395
14 395
14 315
14 415
с
3
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,20—3,60
3,40—3,80
3,40—3,80
3,40—3,80
3,40—3,80
3,40—3,80
3,40—3,80
3,40—3,80
3,40—3,60
2,20—2,60
2,60—3,00
2,50—2,90
2,60—3,00
2,80—3,20
—
—
2 9
2,60—3,20
3,00—3,60
0,14—0,20
0,15—0,25
0,15—0,25
0,16—0,23
0,16—0,23
0,18—0,25
0,18—0,25
0,18-0,25
0,25—0,35
0,25—0,35
0,25—0,35
0,30—0,40
0,30—0,40
0,30—0,40
0,33—0,42
0,12—0,22
0,35—0,45
Si
4
1,40—2,20
1,40—2,20
•1,40—2,20
• 1,40—2,20
1,40—2,20
1,40—2,20
1,60—2,40
1,40—2,40
1,00—1,40
0,80—1,20
1,40—2,20
1,60—2,40
1,40—2,20
1,40—2,20
1,60—2,40
1,60—2,40
1,40—2,20
1,40—2,20
1,60—2,40
1,60—1,80
5,50—6,50
1,40—2,00
4,50—5,50
1,40—2,00
3,50—4,50
—
—
0,40—0,80
1,80—2,00
0,40—0,80
0,20—0,40
0,30—0,50
0,20—0,40
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,20—0,40
0,20—0,40
0,60—0,80
0,20—0,40
0,20—0,40
0,60—0,80
1,10—1,40
0,30—0,50
0,20—0,40
Mn
5
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,60—1,00
0,60—1,00
0,50—1,00
0,60—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,50—1,00
0,90—1,00
0,90—1,10
0,30—0,60
0,50—1,50
0,30—0,60
0,50—1,50
0,30—0,60
—
—
0,30—1,00
0,40—0,60
0,30—1,00
1,00—1,30
0,30—0,50
1,20—1,60
0,70—0,90
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,50—0,80
0,20—0,70
0,40—0,70
1,10—1,40
0,50—0,80
0,50—0,80
1,00—1,30
1,10—1,40
0,40—0,80
0,50—0,80
p
*max
6
0,50
0,50
0,30
0,20
0,20
0,20
0,20
0,30
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,20
0,30
0,20
0,40
0,40
0,20
0,20
0,20
0,20
0,40
0,40
0,40
0,40
0,30
0,30
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,10
0,040
272
Продолжение табл. 2.2.1.S3
Содержание, '
smax
7
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,12
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,040
0,040
0,040
—
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,12
0,040
/о
Сг .
8
—
0,40—0,60
—
0,20—0,40
0,40—0,60
0,20—0,40
0,20—0,40
0,40—0,60
0,60—1,00
0,20—0,40
0,40—0,60
_
0,20—0,40
0,40—0,60
0,20—0,40
0,20—0,40
0,20—0,40
0,40—0,60
—
1,50—4,00
—
1,50—4,00
—
—
1,40—2,40
8,00—9,00
1,50—2,00
0,80—1,00
1,10—1,30
<0,30
<0,30
0,80—1,10
0,80—1,10
<0,30
0,80—1,20
1,30—1,60
<0,30
—
0,90—1,20
<0,30
0,60—0,90
<0,30
—
N1
9
_
—
—
—
—
0,60—1,00
1,50—2,00
2,50—3,00
0,60—1,00
0,60—1,00
_
—
0,60—1,00
0,60—1,00
0,60—1,00
—
_
13,0—15,0
13,0—15,0
—
—
3,30—5,00
5,00—6,00
3,30—4,80
0,50—0,70
—
—
<0,30
1,20—1,60
<0,30
—
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
—
Мо
10
—
—
0,30—0,60
0,30—0,60
0,60—1,00
0,30—0,60
—
—
0,60—1,00
0,60—1,00
0,30—0,60
0,30—0,60
0,60—1,00
0,30—0,60
0,60—1,00
0,60—1,00
—
—
—
—
0,4
0?4
1,00—1,20
0,45—0,55
0,80—0,90
0,40—0,50
0,40—0,50
0,35—0,45
0,20—0,40
—
—
—
—
—
—
V
И
_
—
—
—
—
—
¦"
_
—
—
—
—
—
_
—
—
—
—
—
0,25—0,35
—
0,25—0,35
0,35—0,45
—
—
—
.—
—
—
—
w
12
—
—
—
—
—
,
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
прочие
13
0,6— l.OCu
1,0—l,5Cu
1,7—2,3Cu
0,6—l.OCu
1,0—l,5Cu
1,0— l,5Cu
0,6—1,0Си
1,0— l,5Cu
1,0—l,5Cu
—
—
_
5,0—7,0
<5,0—7,0Cu
—
—
—
<0,30Cu
—
—
—
<0,30Cu
<0,30Cu
<0,30Cu
—
<0,30Cu
<0,30Cu
<0,30Cu
<0,30Cu
—
18—140
273
Марка
1
TGL
2
С
3
Si
4
Mn
5
p
max
6
GS-40Q-4
OS-4GCrMn9.4
GS-40MnCrSK
GS-40MnV7
GS-40NiCr5
GS-45
GS-45Mn4
GS-50
GS-60
GS-100Q6
GS-130WCrV13.4
GS-C25
G5-X5CrNiMo!7.!3
GS-X5CrNiMol8.10
GS-X10Crl3
GS-X10CrNiMoNbl8.10
GS-XlOCrNiNbl8.9
GS-X10Cr№WVTal8.9
GS-X12CrNil8.9
GS-X12CrNiMol8.10
GS-X12CrNiMoTil8.10
GS-X12CrNiTil8.9
GS-X15Cr}3
GS-X15CrNiSil9.10
GS-X15CrNiSi24.19
GS-X20CrlS
GS-X22CrNil7
GS-X25Crl4
GS-X25CrA113
GS-X25CrNi20.14
GS-X26CrNi244
GS-X30CrSi6
GS-X40&13
GS-X40Crl7
GS-X40Cr22
GS-X40Q29
GS-X40CrMo29.2
GS-X40CrNi27.4
GS-X40CrNiSi22.lO
GS-X40CrNiSi25.20
GS-X40CrNiSi26.14
GS-X40CrSil3
GS-X40NiCrSi36.16
GS-X45CrNi24.4
GS-X60Cr29
GS-X80CrSi21.3
GS-X80WCoCrVMo 18.5
GS-X120CrMo29.2
GS-X130Cr29
14 395
14 395
14 395
14 395
14 395
14 315,
14 415
14 395
14 315
14 315
14 415
14 415
7 458
14 394
14 394
14 394
14 394
14 394
14 415
14 394
14 415
14 394
14 394
14 394
14 394
14 415
10 414
10 414
10 415
10 414
14 394
14 394
10 414
10 414
10 414
10 414
14 415
10 414
10 414
14 394
14 394
10 414
10 414
10 414
10 414
10 414
10 414
10 414
14 394
10 414
10 414
10 415
14 394
10 394,
10 414
0,35—0,45
0,35—0,45
0,35—0,45
0,35—0,45
0,35—0,45
0,20—0,30
0,40—0,50
0,30—0,40
0,40—0,50
0,95—1,10
1,25-1,35
0,18—0,25
<0,07
<0,07
<0,12
<0,12
<0,12
<D,12
<0,16
<0,16
<0,16
<0,16
0,12—0,20
0,10—0,20
0,10—0,20
0,15—0,25
0,18—0,25
0,20—0,30
0,20—0,30
0,20—0,30
0,20—0,30
0,25—0,35
0,35—0,45
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,30—0,50
0,40—0,50
0,50—0,70
0,70—1,00
0,75—0,85
1,10—1,30
1,20—1,40
0,20—0,40
0,25—0,50
0,50—0,75
'0,20—0,40
0,20—0,40
0,30—0,50
0,30—0,40
0,30—0,50
0,30—0,50
0,15—0,35
0,15—0,30
0,30—0,50
<l,50
<1,00
<0,70
<l,00
<1,00
0,30—0,50
<l,50
<l,50
<l,50
<l,50
<0,70
1,50—2,50
1,50—2,50
<0,20
0,20—0,40
0,20—0,40
2,00—3,00
<2,00
<1,5
1,50—2,50
0,30—0,50
<2,00
<2,00
<l,50
<l,50
<l,50
1,50—2,50
1,50—2,00
1,50—2,50
2,00—3,00
1,00—1,50
<l,50
<2,00
2,50—3,50
<0,25
1,00—1,50
<2,00
0,40—0,70
0,80—1,20
0,60—0,90
1,60—1,90
0,40—0,70
0,40—0,80
0,80—1,20
0,40—0,80
0,40—0,80
0,20—0,40
0,20—0,40
0,50—0,80
<l,50
<l,50
<0,60
<2,00
<2,00
0,30—0,50
<l,00
<l,50
<l,50
<l,50
<0,60
<l,50
<l,50
<1,00
<0,60
<0,60
<l,00
<l,00
<1,5
<l,0
0,20—0,40
<1,00
«1,00
<l,00
<l,00
<l,50
«1,50
<l,50
«1,50
<1,00
<l,00
<l,50
<1,00
«0,80
<0,25
0,30—0,50
<1,00
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,10
0,040
0,10
0,10
0,040
0,040
—
0,045
0,045
0,045
0,045
0,045
0,040
0,045
0,040
0,045
0,045
0,045
0,050
0,050
0,050
0,045
0,045
0,050
0,050
0,050
0,050
0,040
0,050
0,050
0,045
0,045
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,045
¦ 0,050
0,040
0,045
0,045
274
Продолжение табл. 2.2.1.53
Содержание, %
Сг
Ni
Мо
W
прочие
8
10
12
13
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,12
0,040
0,12
0,12
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0.Q4Q
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
6,040
0,040
0,040
0,040
0.04Q
0,040
0,040
0,640
0,040
0,040
0,040
0.Q4Q
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,640
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,80—1,10
0,80—1,10
2,00—2,50
0,50—0,80
<0,30
0.Б0—0,80
<0,30
1,30—1,65
0,80—1,10
<0,30
16,0—18,0
17,0—19,0
12,0—14,0
17,0—19,0
17,0—19,0
17,0-19,9
17,0—19,0
17,0—19,0
17,0—19,0
17,0—19,0
12,0—14,0
18,0^20,0.
23,0—25,0
14,0—16,0
16,0—18,0
13,0—15,0
12,0—14,0
19,0—21,0
23,0—25,0
6,0—7,0
12,0—14,0
16,0—18,0
21,0—23,0
28,0—30,0
27,0—31,0
26,0—28,0
21,0—23,0
24,0—26,0
25,0—27,0
12,0-14,0
15,0—17,0
23,0—25,0
28,0—30,0
20,0—22,0
4,00-4,50
27,0—31,0
28,0—30,0
<0,30
<0,30
<0,30
<0,30
1,00—1,50
<0,3Q
12,5—14,5
9,0—11,0
<1,0
9,0-Ц.О
8,0—10,0
8,5—9,50
8,0—10,0
8,5—11,0
9,0—11,0
8,0—10,0
<1,00
9,0—11,0
18,0—20,0
1,00—2,00
<1,00
13,0—15,0
8,5—4,5
3,50—4,5.0
9,0—11,0
19,0—21,0
13,5-15,5
35,0—37,0
3,0—5,0.
<0,30Си
<0,30Си
<0,30Cu
<0,30Cu
<0,30Cu
<0,30Cu
0,20—0,30
3,00—3,50
4,0—5,0
2,0—2,5
2,0—2,5
0,80—1,00
1,50—1,80
1,80—2,20
1,80—2,20
Nt»8X % С
Nb>8X % С
Ta/Nb =
= 10X%G4-
+0,3
Ti>4X % С
Ti>4X % С
0,8—1,1
0,50—0,80
1,80—2,20
1,40—1,70
17,5—18,5
18*
4,5-5,5Со
276
б. Модуль . упругости (см. l.ll.l.t)
уменьшается с ростом температуры от
21000 кгс-мм-2 B0°С) до 15500 (при
600 °С).
Термическая обработка. Отливки из
GS-C25 подвергаются нормализации или
улучшению; отливки из всех других марок
используются после улучшения. В зависи-
зависимости от сорта стального литья применя-
применяются следующие предельные температуры
термообработки, °С:
Нормализация .... 900—980
Закалка 900—980
Отпуск 620—700
Отжиг для снятия внут-
внутренних напряжений . . 600 (охлаждение
с печью)
Применение (см. 2.2.1.26. Жаропрочные
стали общего назначения).
2.2.1.50. Жаростойкое
(окалиностойкое) стальное литье
Литейная сталь, которая благодаря
своему химическому составу образует при
температурах выше 600 °С защитные плен-
пленки, сообщающие отливкам высокую окали-
ностойкость при воздействии воздуха, го-
горючих газов, продуктов их горения и дру-
других химических веществ; при этом отливки
имеют достаточно удовлетворительные ме-
механические свойства.
Стандарт TGL 10414.
Классификация
а. По характеру легирования:
— Хромистые — GS-X20Crl5; GS-
Х40Сг17; GS-X40Cr22.
— Хромоалюминиевые — GS-X60Cr29;
GS-X130Cr29.
— Хромокремниевые — GS-X30CrSi6;
GS-X40CrSil3; GS-X80CrSi21.3.
— Хромоникелевые — GS-X26CrN124.4;
GS-X40CrNi27.4; GS-X25CrNi20.!4; GS-
X45CrNi24.4.
Хромоникелекремнистые — GS-X15CrNi-
Si 19.10; GS-X40CrNiSi22.10; GS-X40CrNi-
Si26.14; GS-X15CrNiSi24.19; GS-X40CrNiSi-
25.20; GS-X40CrNiSi36.16.
б. По структуре после термической обра-
обработки:
— Аустенитные (сорта, легированные
Сг—Ni—Si) — GS-X25CrNi20.14.
— Феррито-перлитные — GS-X30CrSi6;
GS-X25CrA113; GS-X40CrSil3.
— Феррито-аустенитные — GS-X25CrNi-
24.4; GS-X40CrNi27.4; GS-X45CrNi24.4.
— Феррито-карбидные — все остальные
сорта стального литья согласно TGL 10414.
Выплавка преимущественно в электропечах.
Состав — см. 2.2.1.53.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Гарантируе-
Гарантируемые TGL свойства при комнатной темпера-
температуре (предельные значения в зависимости
от состава и термообработки): ов=25-н
4-40 кгс-мм-2; Ов=40-г-65 кгс-мм-2; 65=
==1-ь40 % ; 0в при изгибе=50-ь75 кгс-мм-2;
прогиб=6-5-30 мм; твердость — 170—
330 кгс-мм-2.
Для надежной эксплуатации имеет значе-
значение изменение прочности при повышенных
температурах. В TGL имеются норматив-
нормативные данные для 1 %-ного предела ползу-
ползучести при 1000 ч в интервале температур
600—1200 °С. Значение предела ползучести
уменьшается с 3—10 кгс-мм~2 F00 °С) до
0,03—0,6 A100°С).
б. Жаростойкость (окалиностойкость).
Все сорта стального литья устойчивы прн
нагреве на воздухе до определенной темпе-
температуры, зависящей от состава стали. Мак-
Максимальная температура устойчивости
~!!50°С. Устойчивость легированных
Сг—Ni—Si аустенитных отливок лежит
вблизи этой температуры. Стойкость сталь-
стального литья по отношению к окислительным
и восстановительным серусодержащим га-
газом, азотсодержащим газам, а также га-
газам с малым содержанием кислорода и на-
науглероживающим газам в сильной степени
зависит от состава стали и состояния
структуры. Ориентировочные данные при-
приведены в TGL 10414.
в. Величина усадки. Зависит от состава
и лежит в пределах от 1,5 до 2,5 %.
г. Охрупчивание (см. .2.2.1.24).
Термическая обработка. Жаростойкое и
окалиностойкое стальное литье, как прави-
правило, применяется после термообработки.
Феррито-карбидные и 'феррито-перлитные
стали чаще всего нормализуются и улучша-
улучшаются, а аустенитные подвергаются обработ-
обработке на твердый раствор с закалкой в воду.
При этом в зависимости от состава норма-
нормализацию осуществляют на воздухе при
700—900 °С, а обработку на твердый рас-
раствор—при 1050—1100 СС в воде.
Применение. В промышленной теплотех-
теплотехнике, в химическом аппаратостроении.
2.2.1.51. Коррозионностойкое
и кислотостойкое стальное литье
Высоколегированное стальное литье с со-
содержанием не менее 12 % Сг и другие до-
добавки, такие как Ni, Mo, Ti и Nb; весьма
устойчиво против коррозии не только в ат-
атмосфере воздуха, но и в различных органи-
органических и неорганических кислотах, щелочах
и растворах солей.
Стандарт TGL 14394.
Классификация
а. По структуре после термической обра-
обработки:
— ферритные (F — феррит, К — карбид):
GS-X10Crl3(F); GS-X15Crl3(F); GS-
X25Crl4(F+K); GS-X22CrNil7(F+K)*;
GS-X40Cr29 (F+K); GS-X130Cr29 (F+K);
GS-X40CrMo29.2(F+K); GS-X120CrMo29.2
(F+K);
—¦ перлитные (Т — троостит, S — сорбит):
GS-X25Crl4(T+S); GS-X22CrNil7*2(T+ S);
— аустенитные (A — аустенит): GS-
X12CrNil8.9(A); GS-X5Cr№Mo!8.!0(A);
GS-X12CrNiMol8.10(A); GS-X12CrNi-
Til8.9*3(A); GS-X!0CrNiNb!8.9*3 (A); GS-
X5CrNiMol7.13*3 (A); GS-X12CrNiMoTi-
18.10*3 (A); GS-X10CrNiMoNbl8.10*3 (A).
б. По характеру легирования: легирова-
легирование Сг; легирование Сг и Мо; легирование
Сг и Ni (возможно с добавками Mo, Ti, Nb).
* Охлаждение с печью.
*2 Закалка в масле или на воздухе.
*3 Стальное литье особого назначения.
276
в. По применению: стальное литье обще-
общего назначения; стальное литье особого на-
назначения (например, стойкое против меж-
кристаллитной коррозии) — см. l.i i.10.
Выплавка в электропечах.
Состав — см. 2.2.1.53.
Технические характеристики
а. Коррозионная стойкость. Сделать за-
заключение о достаточной коррозионной стой-
стойкости часто представляет определенные
трудности, так как результаты лаборатор-
лабораторных испытаний лишь в небольшой степени
отражают реальные условия эксплуатации.
Нанесение или удаление каких-то веществ
может значительно ускорять или замед-
замедлять коррозию. Поверхность отливки долж-
должна быть блестящей (удаление слоев ока-
окалины, цветов побежалости и возможно ли-
литейной корки с помощью пескоструйной и
абразивной очистки, травление, обдирка,
обработка резанием). Стальные отливки,
легированные хромом, должны по возмож-
возможности иметь шлифованную или полирован-
полированную поверхность. Отливки других соста-
составов должны иметь чистую, без царапин
(рифления), поверхность.
б. Механические свойства. Согласно
TGL14394 предельные значения при ком-
комнатной температуре в зависимости от мар-
марки стали и структурного состояния после
термической обработки: Св=40-§-70 кгсХ
Хмм-2; 0S=18-4-45 кгс-мм-2; 6=6+25%;
НВ 130-f-330. Кроме того, нормируется пре-
предел текучести при повышенных температу-
температурах от 100 до 400 °С.
в. Свариваемость при сварке оплавлени-
оплавлением. У всех сортов отливок из аустенитных
сталей — хорошая, у всех прочих — только
условная.
г. Стойкость против межкристаллитной
коррозии. Гарантируется только для сталь-
стального литья особого назначения.
Термическая обработка (см. 1.1.1.23, кор-
розионностойкие и кислотостойкие стали,
TGL 14394).
Применение — см. TGL 14394.
2.2.1.52 —см. с. 256.
2.2.1.53 —см. с. 270.
2.2.2 Цветные металлы и их
сплавы
2.2.2.1. Общие сведения
Медь и медные сплавы — см. 1.7.3.3.
Алюминий и алюминиевые сплавы — см.
1.7.3.3.
Свинец и свинцовые сплавы —см. 1.7.3.3.
Магний и магниевые сплавы — см 1.7.3.3.
Олово и оловянные сплавы — см. 1.7.3.3.
Никель и никелевые сплавы — см. 1.7.3.3.
2.2.2.2. Система обозначений
цветных металлов и сплавов
а. Условные обозначения для химическо-
'го состава:
— Нелегированные металлы — химиче-
химический символ+численное значение степени
чистоты, % (по массе). Например Sn99,9
(олово с максимальным содержанием 0,1 %
примесей).
— Металлы высокой чистоты — химиче-
химический символ+численное значение степени
чистоты, выражающее число девяток. На-
Например In5N (индий со степенью чистоты
99,999).
— Сплавы — химический символ+хими-
символ+химические символы основных легирующих эле-
элементов с указанием их среднего содержа-
содержания (в порядке убывания). Например AlMgl
(сплав со средним содержанием: 99 % А1,
1 % Mg), AlMg3Si (сплав со средним со-
содержанием: 96 % А1, 3 % Mg, 0,7 % Si).
б. Буквы, стоящие перед химическим сим-
символом, обозначают назначение сплава:
Е — указывает сорта Си, А1 и благород-
благородных металлов со специально оговоренной
электропроводностью; например Е—AL
S — сплав применяется исключительно в ка-
качестве присадочного материала при сварке,
например S—CuAg. L — сплав применяет-
применяется исключительно как припой, например
L—CuP8. G — сплав применяется исключи-
исключительно для фасонного литья, например
G—CuSniO. GD — сплав применяется ис-
исключительно для литья под давлением, на-
например GD—ZnA114. GV — сплав применя-
применяется исключительно в качестве лигатуры,
например GV—СиРЮ.
в. Прочность обозначается буквой F и
следует за химическим символом; напри-
например CuZn40Pb2F44—латунь с минималь-
минимальным временным сопротивлением разрыву
44 кгс-мм.
г. Твердость по Виккерсу обозначается
HV и следует за химическим символом; на-
например CuSn6HV160 — оловянная бронза с
твердостью HV160.
д. Обозначение состояния поставки и
размера располагается перед химическим
символом; например 4ktlO— квадратный
(четырехгранный) пруток с длиной грани
10 мм, Rd30— круглый пруток диаметром
30 мм, F15X8 — плоский пруток размером
5X8 мм, Bd — лента, В1 — лист.
е. Обозначение качества поверхности сле-
следует за химическим символом: bk — глад-
гладкая поверхность; gb — травленая поверх-
поверхность; например Е—Cu99,99gb.
2.2.2.3. Медь и медные сплавы.
Общие сведения
Классификация
— Чистая медь — TGL 14708.
— Деформируемые медные сплавы: мед-
ноцинковые (латунь) — TGL 0-17660; мед-
ноцииковые (специальные латуни) — TGL
0-17661; меднооловянистые (оловянистая
бронза) — TGL 0-17662; медь — никель
цинк (нейзильбер)—TGL 0-17663; медь —
никель —TGL 0-17664; медь — алюминий
(алюминиевая бронза) — TGL 0-17665;
медь — бериллий (бериллиевая бронза) —
TGL 14763.
— Литейные медные сплавы: оловяни-
оловянистая бронза и многокомпонентная оловяни-
оловянистая бронза; свинцовистая бронза и много-
многокомпонентная свинцовистая бронза —
277
TGL8110; многокомпонентная алюминиевая
и многокомпонентная марганцовистая брон-
бронза; многокомпонентная кремнистая бронза,
латунь и специальная латунь; меднохро-
мистые сплавы — TGL 14755.
2.2.2.4. Чистая медь
Медь, не содержащая легирующих эле-
элементов и содержащая <1 % примесей.
Стандарт TGL 14708.
Классификация:
Электролитическая бес-
бескислородная медь . . .
Рафинированная
раскисленная . .
медь,
Кислородсодержащая
медь
SE-Cu 99,97;
SE-Cu 99,95
DR -Си 99,9;
DR-Cu 99,7;
DR-Cu 99,5
E-Cu99,9;
R-Си 99,7?
R-Cu99,5;
R-Cu99
Получение—см. 3.4.
Состав — см. 2.2.2.14.
Технические характеристики — см. 1.7.8.3.
а. Электропроводность. Очень хорошая;
наиболее высокая у чистой отожженной
меди (например, 60 мОм^'-мм-* у меди,
полученной зонной плавкой). Электропро-
Электропроводность уменьшается при увеличении ко-
количества примесей; а также при повыше-
повышении температуры и в результате деформа-
деформационного упрочнения.
б. Механические свойства:
°>
os,
б,
ф,
, кгс-мм—*
кгс-мм—*
%
/0 • • • •
Смягчающий
отжиг
20—24
4—7
40
70—90
Холодная
деформация
32—36
29—32
8—10
70—80
Э. Коррозионная стойкость. При выдерж-
выдержке в атмосферных условиях образуется па-
патина (окисная пленка на меди). При от-
отжиге при температуре выше 300 °С в окис-
окислительной атмосфере образуется слой за-
закиси меди (СщО) и возможно возникнове-
возникновение газовой коррозии по границам зереи в
результате проникновения О2. При отжиге
в водородсодержащих атмосферах или при
газовой сварке Э рреде, содержащей водо-
водород или ацетилен, в кислородсодержащих
сортах меди в результате образования во-
водяного пара внутри материала возникают
пузыри, которые при последующей дефор-
деформации способствуют образованию трещин
по границам зерен (водородное охрупчива-
ние). Плохая стойкость против воздействия
серы и ее соединений, аммиака, окисляю-
окисляющих кислот. Медь склонна к коррозионно-
коррозионному растрескиванию.
г. Охрупчивание. При содержании более
0,64 % Си2О, что соответствует 0,06 % О2,
медь становится хладноломкой (охрупчива-
(охрупчивание в связи с выделениями по границам зе-
зерен, трещины при хеледной деформации).
д. Способность к соединению с помощью
пайки и горячей сварки очень хорошая.
Применение. Вследствие высокой элек-
электрической проводимости для изготовления
проволоки, шин, кабелей, лент н многопро-
¦волочиых проводов- для электрических ли-
линий.
2.2.2.5. Медноцинковые
деформируемые сплавы (латуни)
Латуни — это сплавы, содержащие 56—
97 % Си, от 3 до 40 % Zn и в некоторых
случаях до 3,8 % РЬ.
Стандарт TGL 0-15660.
Классификация (табл. 111),
ТАБЛИЦА 111
Структура
Гетеро-
Гетерогенная
(а+Р)
Гомрген-
ная (а)
Обозначение
принятое
CuZn40Pb2
CuZn40
CuZn39Pb
CuZn37
CuZn38Pb
CuZn30
CuZn20
CuZn!5
CuZnlO
CuZn4
прежнее
Ms58
Ms60
Ms60Pb
Ms63
Ms63Pb
Ms70
Ms80
Ms85
Ms90
Деформи-
Деформируемость
Очень
хорошо
деформи*
руется в
горячем
состоянии
Исключи-
Исключительно
хорошо
деформи-
деформируется в
холодном
состоянии
Получение — см. 3.4.
Состав — см. 2.2.2.14.
Технические характеристики — см. 1.7.3.3.
а. Механические свойства. Временное со-
сопротивление на разрыв увеличивается с
ростом содержания цинка (от 37 до
68 кгс-мм-2). Твердость по Бринеллю уве-
увеличивается с увеличением степени холод-
холодной деформации (от НВ60 до 170). Отно-
Относительное удлинение при разрыве увеличи-
увеличивается с увеличением содержания цинка и
уменьшается с увеличением степени холод-
холодной деформации (величина удлинения от 2
до 45%).
б. Деформируемость. Гомогенная а-ла-
тунь характеризуется отличной деформи-
деформируемостью в холодном состоянии: гетеро-
гетерогенные сплавы очень хорошо поддаются
горячей деформации, но только ограничен-
ограниченно холодной.
в. Коррозионная стойкость. Высокая
стойкость гомогенных а-латуней против кор-
коррозионного растрескивания в присутствии
аммиака. Коррозия за счет «обезцинкова-
ния»: у сплавов с содержанием Zn более
20 % (а-твердый раствор частично распа-
распадается); в (а+Р)-сплавах медь высажива-,
ется в виде губчатой массы на поверхности..
г. Обрабатываемость резанием. Очень,,
хорошая обрабатываемость резанием до-
достигается при добавке свинца до 3,5 %
(автоматная латунь).
378
Термическая обработка. Рекристаллиза-
ционный отжиг при 500—600 °С; отжиг для
снятия внутренних напряжений при 200—
300 °С (для уменьшения склонности к кор-
коррозионному растрескиванию).
Применение. В зависимости от состава—
для изготовления труб, гильз, проволоки,
винтов, деталей часов.
2.2.2.6. Медноццнковые
деформируемые сплавы
(специальные латуни)
Медноцииковые сплавы с добавками А1,
Ni, Mn, Sn, As, P, Si, Fe для улучшения
прочности, коррозионной стойкости, анти-
антифрикционных свойств; кроме того, при та-
таком легировании уменьшается склонность к
образованию крупного зерна при нагреве.
Стандарт TGL 0-17661.
Классификация — табл. 112.
ТАБЛИЦА 112
Система
легирова-
легирования
А1
А1 и Fe
Al и Ni
Mn и Pb
Обозначение
принятое
CuZn40AH
CuZn29Al
CuZn21A12
CuZn40A12Fel
QuZn35AllNi
CuZn40MnPb
прежнее
SoMs58All
SoMs70
SoMs76
SoMs58A12
SoMs59
SoMs58Pb
ТАБЛИЦА 113
мации в стандарте TGL 0-17661 приводят-
приводятся следующие предельные значения прочно-
прочностных характеристик: 0o,2=2O-s-5O кгс-мм-2;
Ов=37-н65 кгс-мм-2; е5=5-^50 %; НВ=
= 75-И 70.
Термическая обработка — см.-латунь.
Применение. В качестве антифрикционных
материалов, материалов для пружин, конст-
конструкционных материалов для судостроения,
для конденсаторных труб и теплообменни-
теплообменников.
2.2.2.7. Меднооловянные
деформируемые сплавы
(оловянистая бронза)
Медные сплавы с содержанием не более
9 % Sn (олово частично может быть замеще-
замещено цинком).
Стандарт TGL 0-17662.
Классификация — табл. 113.
Поскольку горячая деформация осуще-
осуществляется, с трудом, полуфабрикаты полу-
получают путем холодной деформации исход-
исходного литого материала после гомогениза-
гомогенизации при 620 °С. Проволоку изготовляют
непрерывной разливкой с последующей
протяжкой (метод Unicast-Verfahren, см.
4.0).
Состав—см. 2.2.2.14.
Технические характеристики
а. Высокая коррозионная стойкость.
б. Механические свойства. Характерна
высокая прочность. Для холоднокатаной
оловянистой бронзы в TGL 0-17670 приве-
приведены в зависимости от состава и степени
Система легирования
Си—Sn
Си—Sn—Zn
Си—Sn—Zn—Pb
Обозначение
принятое
' CuSn2
Cu$n3
CuSn4
CuSn6
CuSn8
CuSnZn3
CuSb6Zn6
CuSn4Zn4Pb
прежнее
SnBz2
SnBz3
SnBz4
SnBz6
SnBz8
MSnBz4
MSnBz6
4MSnBz4Pb
Примеры применения
Болты, пружины, метал-
металлические рукава
Проволока для оплетки
Болты, детали для хими-
химической промышленности
Пружины, мембраны,
веберная проволока
Детали с повышенной
износостойкостью
Пружины
Пружины, мембраны
Втулки
Выплавка в индукционной печи (про-
(промышленная частота) щи в тигельной печи.
Состав — см. 2.2.2.14.
Технические характеристики
а. Общие сведения. Добавки А1 и Ni по-
повышают прочностные свойства; А1, Мп и Sn
улучшают общую коррозионную стойкость;
As а Р — стойкость против обезцинкования
и сквозной коррозии; Sn, Si и Mn при оп-
определенных содержаниях улучшают анти-
антифрикционные свойства; Fe способствует об-
образованию мелкого рекристаллизационного
зерна.
б. Механические свойства. В зависимо-
зависимости от сестава и степени холодной дефор-
обжатия при холодной прокатке следую-
следующие предельные значения: oB=26-f-70 кгсХ
2 6З52% НВ55215
Применение — см. классификацию.
2.2.2.8. Медьникельцинковуе
деформируемые сплавы
(нейзильбер)
Сплав, содержащий 54—69% Си; 11—
26 % Ni; 17—33 % Zn н до 2 % Pb, облада-
обладающий хорошей деформируемостью и высо-
высокой коррозионной стойкостью.
279
Стандарт TGL 0-17663.
Классификация — табл. 114.
Т А Б Л И Ц А 114
Система
легирования
Cu-Ni-Zn
Cu-Ni-Zn-Pb
Обозначение
принятое
CuNi25Znl5
CuNi!8Zn20
CuNH2Zn24
CuNi25Zn!7Pb
CuNil8Znl9Pb
CuNil3Zn2IPb
CuNi!2Zn24Pb
CuNil2Zn30Pb
прежнее
Ns6025
Ns6218
№6512
Ns5525Pb
Ns6218Pb
Ns6512Pb
Ns6212Pb
Ns5712Pb
Получение—см. 3.4.
Состав —см. 2.2.2.14.
Технические характеристики — см. 1.7.3.3.
а. Стойкость против побежалости высо-
высокая, особенно при содержании Ni>18%.
б. Обрабатываемость резанием. Очень
хорошая для всех сортов, особенно для ле-
легированных свинцом.
ТАБЛИЦА 115
приятии общественного питания,, пружин,
мембран и т. д.
2.2.2.9. Медноникелевые
деформируемые сплавы
Сплавы, содержащие 4—46 % Ni, ^ 1 %
Fe и 0,3—21 % Мп.
Стандарт TGL 0-17664.
Классификация — табл. 115.
Получение — см. 3.4.
Состав — см. табл. 2.2.2.14.
Технические характеристики (см. 1.2.3.3).
а. Деформируемость. Очень хорошая в
горячем и холодном состояниях.
б. Стойкость против коррозии. Сплавы на
основе Си—Ni—Fe особенно стойки к воз-
воздействию морской воды и против. коррози-
коррозионного растрескивания в ней.
Термическая обработка. Смягчающий от-
отжиг при температурах 600—850 °С.
Применение — см. Классификацию.
2.2.2.10. Медноалюминевые
деформируемые сплавы
(алюминевая бронза)
Медные сплавы, содержащие 4—11 % А1
и при необходимости sg:2 % Мп, <4 % Fe.
Система легирования
Си—№
Си—Ni—Fe
Си—Ni—Мп
Обозначение
CuNi5
CuNi7
CuNi44
CuNi45
CuNilOFe
CuNi20Fe
CuNi30Fe
CuNi20Mn20
Примеры применения
Монтажный материал для электронных
трубок
Для электросопротивлений (костантан), в
качестве проволоки для термопар
Монтажный материал
Конденсатные трубы, трубы теплообменни-
теплообменников; в судостроении для установок по оп-
опреснению морской воды
Для неискрящих и немагнитных инструмен-
инструментов
в. Механические свойства. В зависимо-
зависимости от состава и степени холодной дефор-
деформации в TGL 0-17663 приведены следующие
предельные значения: cb=35-j-62 кгсХ
Хмм-а; 610=2-И0%; НВ=80-М80.
Применение. Для предметов украшения,
столовых приборов и оборудования пред-
Стандарт TGL0-17665.
Классификация — табл. 116.
Выплавка из катодной меди с добавкой
MnCu-лигатуры для раскисления; разливка
по методу Дюрваля. Горячая деформация
при 800—900 °С.
Состав —см. 2.2.2.14.
ТАБЛИЦА 116
Система
легирования
Си—А1
Си—А1—Fe—Мп
Обозначение
прияятое
CuA15
CuAU0Fe3Mnl
прежнее
AlBz5
AlBzlOFe
Структура
Гомогенная
(а)
Гетерогенная
Примечание
Хорошая деформируемость в
холодном состоянии; не тер-
мообрабатываемая
Плохо поддается холодной де-
деформации, хорошо — горячей;
может подвергаться термо1(Й>-
работке
280
Технические характеристики
а. Механические свойства. Сплавы ха-
характеризуются хорошей прочностью, высо-
высокой жаропрочностью, хорошей коррозион-
коррозионной стойкостью и стойкостью против окис-
окисления, а также высокой износостойкостью.
Согласно TGL 0-17665. для листов, лент и
полос из алюминиевой бронзы СиА15, зна-
значения механических свойств изменяются в
следующих пределах: 0в=32-М5 кгсХ
Хмм~2; 00 2=10-^25 кгс-мм; б5=14-5-
-=-45%; НВ=075-М25.
б. Деформируемость. В горячем состоя-
состоянии для всех технических медноалюминие-
вых сплавов очень хорошая. Деформируе-
Деформируемость в холодном состоянии сплавов, со-
содержащих более 7,5 % А1, затруднена из-за
гетерогенной структуры (а+р).
в. Свойства после термической обработ-
обработки. В результате закалки алюминиевой
бронзы с содержанием от 10 до 12 % А1 из
Р-области образуется мартенситная струк-
структура с высокой прочностью. В результате
отпуска с нагревом в (а+Р)-область мож-
можно значительно увеличить пластичность и
вязкость (без практически заметного из-
изменения прочности).
¦ Применение
а. СиА114 — для химической промышлен-
промышленности, горного дела, в производстве калий-
калийных удобрений, конденсатных труб, тормоз-
тормозных лент.
б. CulOAHOFeMnl — для конструкцион-
конструкционных и крепежных деталей (валов, шпинде-
шпинделей, болтов, винтов, гаек) и изнашиваемых
деталей (высоконагруженные детали меха-
механизмов передачи, подшипников, теплоустой-
теплоустойчивые, детали клапанов, отопительная аппа-
аппаратура).
2.2.2.11. Меднобериллиевые
деформируемые сплавы
(бериллиевая бронза)
Термически обрабатываемые (дисперси-
(дисперсионно твердеющие) сплавы, содержащие
1,6—2,3 % Be и добавки Со, Ni и Ti; ха-
характеризуются высокой износостойкостью,
хорошими антифрикционными свойствами,
высокой стойкостью против атмосферной
коррозии, а также относительно высокой
электропроводностью. Эти сплавы немаг-
немагнитны.
Классификация по составу: СиВегСо;
CuBe2Ni(Co); CuBei,7NiTi.
Выплавка на СиВе-лигатуре, содержащей
~4 % Be, с добавлением электрической ме-
меди в вакууме или в защитной атмосфере
(для уменьшения угара бериллия). Отжиг
бериллиевых броиз также проводят в за-
защитной атмосфере.
Состав — см. 2.2.2.14.
Технические характеристики
а. Способность к дисперсионному тверде-
твердению. Важное свойство, обусловленное уве-
увеличением растворимости бериллия в меди
ростом температуры. При закалке обра-
тся пересыщенный раствор, распад ко-
которого при последующем умеренном нагре-
нагреве — старении, приводит к дисперсионному
твердению. Максимум прочности и твердо-
твердости определяется выбранными условиями
термообработки, особенно старения. Элек-
Электропроводность увеличивается непрерывно
с увеличением времени старения, а удлине-
удлинение — только после перехода через макси-
максимум прочности (см. рис. 2.8 [37], где при-
приведено изменение некоторых свойств берил-
лиевой бронзы в зависимости от продол-
продолжительности старения).
б. Механические свойства. После диспер-
дисперсионного твердения и в ряде случаев по-
6,i«cnir2HV
ZOOr 400
J50
50
^ О
0,1 f 10 WO
Продолжительность старения, Ч
Рис. 2.8
следующей холодной деформации могут
быть достигнуты следующие предельные
значения свойств: 0s=65-s-!25 кгс-мм-2;
0B=!!O-s-!4O кгс-мм-2; HV354-f-400; fis=
=2ч-8 %.
в. Свариваемость; способность к пайке.
Возможна контактная и дуговая сварка.
Гарантируется получение требуемых меха-
механических свойств после сварки и пайки
твердыми припоями за счет эффекта дис-
дисперсионного твердения. При пайке твер-
твердым припоем используется серебряный при-
припой, а при пайке мягкими припоями — оло-
вянносвинцовые припои.
г. Деформируемость. Возможна горячая
деформация (при 650—800 °С) и холодная
деформация (прокатка, волочение, штам-
штамповка, холодная чеканка, гибка) Дефор-
Деформация производится до старения, когда ме-
металл еще мягкий. Промежуточный нагрев
при холодной деформации представляет
собой обработку на твердый раствор с по-
последующей закалкой в воде.
Термическая обработка:
Си-Бе Си-Ве-Со
Закалка (обработка на
твердый раствор), °С .720—780 920—960
Старение (дисперсионное
твердение), °С . . . . 325 450
Применение. Контактные пружины и ре-
реле, немагнитные детали часов, подшипни-
подшипники, пружины, мембраны для месдоз, ин-
инструмент для работы на взрывоопасных
установках.
2.2.2.12. Литейные медные сплавы
Сплавы на основе меди с добавкой од-
одного или нескольких легирующих элемен-
элементов (литейные бронзы и многокомпонент-
многокомпонентные литейные бронзы).
281
ТАБЛИЦА 117
Вид
Оловянистые бронзы и
многокомпонентные оло-
оловянистые бронзы
Свинцовистые бронзы и
многокомпонентные
свинцовистые бронзы
Многокомпонентные алю-
алюминиевые бронзы
Многокомпонентные
марганцовистые бронзы
Многокомпонентные
кремнистые бронзы
Латуни и специальные
латуни
Марка
G-CuSnl4
G-CuSnlO
G-CuSnlOP!
G-CuSnlOZn3
G-CuSn6Zn7Pb4
G-CuPblOSnlO
G-CuPbl5Sn7
G-CuPb22Sn5
G-CuPb25
G-CuAl!0Fe3Mn2
G-CuA19NTi4Fe3Mn2
G-CuMnlOZn8A16NiFe
G-CuMnlOZn9A16Fe
G-CuSi3Zn5
G-CuSi3Znl5
G-CuZn33Pb2
G-CuZn38Al
G-CuZn37Mn3AlFe
G-CuZn37Mn3Al
°0,2,
КГС • MM 2
8—15
8—10
15—20
25
10
6—16
КГС • MM 2
15—25
16—18
43—50
55—60
30
lix—50
e6, %
3—16
8—10
10—17
15—19
25
10—15
HB
60—85
27—80
100—120
135—145
80
50—110
Стандарт TGL8110.
Классификация — табл. 117.
Состав —см. 2.2.2.14.
Технические характеристики — см. 1.7.3.3.
Сплавы отличаются благоприятным сочета-
сочетанием прочностных свойств (см. Классифи-
Классификация) при высокой коррозионной стойко-
стойкости, в частности против воздействия мор-
морской воды.
Применение. Зависит от состава и экс-
эксплуатационных требований. Благодаря хо-
хорошим антифрикционным свойствам многие
сплавы используются для подшипников
скольжения, зубчатых передач, червяков и
зубчатых колес, даже при наличии высоких
контактных давлений, а также для корро-
зионностойкой арматуры и конструкцион-
конструкционных деталей в судостроении и химической
промышленности.
2.2.2.13. Меднохромистые сплавы
Дисперсионно твердеющие медные спла-
сплавы, содержащие ~ 1 % Сг, обладают вы-
высокой твердостью, высокой электрической
проводимостью и теплопроводностью, хоро-
хорошей деформируемостью в- горячем и хо-
холодном состояниях; могут быть использо-
использованы как литейные и как деформируемые
сплавы.
Стандарт TGL 14755.
Классификация: меднохромистые литей-
литейные сплавы (G-CuCrl) и меднохромистые
деформируемые сплавы (CuCrl).
Выплавляются из катодной меди с добав-
добавлением CuCr-лигатуры.
Состав —см. 2.2.2.14.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3).
В TGL приводятся следующие значения
некоторых свойств после обработки на Дис-
Дисперсионное твердение:
G-CuCrl CuCrl
HB 2,5/62,5—30, не бо-
более
и20°С,при м-Ом-'-мм-Э
ев, кгс*мм~2 ....
120
45
35
ю-15
120-150*
45
40-45*
10-15*
' Зависит от поперечного сечения.
Термическая обработка. Обработка на
твердый раствор: нагрев на 1000—1050 СС,
по возможности кратковременная выдержка,
например 15 мин, затем закалка в воду;
старение: 400—500 °С в течение несколь-
нескольких часов.
Применение. Благодаря высокой прочно-
прочности и высокой электропроводности и теп-
теплопроводности используются, например, в
качестве электродов при контактной свар-
сварке (при изготовлении труб с продольным
сварным швом), для токопроводящих пру-
пружин и контактов, а также для фасонных
отливок.
2.2.2.14 — см. с. 284.
282
2.2.2.15. Алюминий
и алюминиевые сплавы. Общие
сведения
Классификация
— Чистый алюминий (алюминий высокой
чистоты и первичный алюминий) —
TGL 14712.
— Алюминий для раскисления и алю-
алюминотермии— TGL 14712.
— Алюминиевые деформируемые сплавы:
дисперсионно твердеющие (старею-
(стареющие) — TGL 14725.
недисперсионно твердеющие (нестарею-
(нестареющие) — TGL 14725.
— Алюминиевые литейные сплавы —
TGL 6556.
— Поршневые литейные сплавы —
TGL 4886.
2.2.2.16. Алюминий высокой
чистоты, чистый и первичный
алюминий
'-¦ Алюминий высокой чистоты получают
непосредственно из первичного или воз-
возвратного алюминия с помощью специаль-
специального (трехслойного) электролитического
рафинирования (см. 3.4). При этом степень
чистоты алюминия составляет от 99,9 до
99,99. Первичный алюминий получают
электролизом глинозема (см. 3.4). По срав-
сравнению с алюминием высокой чистоты чис-
тота первичного алюминия ниже и состав-
составляет от 97,0 до 99,8. Чистый алюминий со
¦степенью чистоты от 99,0 до 99,9 получают
путем переработки чушкового алюминия
ТАБЛИЦА 118
высокой чистоты или первичного алюминия
достаточной чистоты.
Классификация — табл. 118.
Выплавка — см. выше; разливка в чуш-
чушки или в прутковые полуфабрикаты мето-
методом непрерывной разливки; изготовление
заготовок с помощью горячей или холодной
деформации.
Состав—см. 2.2.2.21.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Электропроводность. Составляет око-
около 60% электропроводности меди. За счет
меньшей по сравнению с медью плотности
алюминия при использовании его для пере-
передачи равного количества электричества
расходуется в два раза меньше (по массе)
алюминия.
Электропроводность алюминия при на-
наличии растворенных в нем элементов зна-
значительно уменьшается, даже при относи-
относительно малых содержаниях примесей (рис
2.9) [46]. Нерастворимые в алюминии эле-
0,2 0,4 ОД
Легирующие .элементы. %(аонассе)
Рнс. 2.9
TQL
14712, лист 1
(чушки)
14712, лист 1
(чушки)
t
14712, лист 2
(профили. и заго-
заготовки)
¦и
MV
Сорт
Алюминий высокой чистоты
Первичный алюминий
Алюминий для электротехнической
промышленности (для проводов)
Алюминий высокой чистоты
Чистый алюминий
Алюминий для электротехнической
промышленности (для проводов)
Обозначение
A199.99R; A199.95R;
A199.9R
А199.8; А199.7; А199.5;
А199.4; А199,0; А198;
А197
Е-А1
A199.98R; A199.95R; A199.9R
А199.8; А199.7; А199.5;
А199.0
Е-А1'
Е-А1,~
* Электропроводность в отожженном состоянии не менее 35,7 мОм мм
*• Электропроводность после холодной деформации не менее 35,4 мОм -мм . '
283
2.2.2.14. Химический
Обозначение
TGL
состав меди, и
Легирующие
Си | РЬ
медных
элементы
1 гп
сплавов
|Sn
-
Максимальное содержание
Bi Sb As
SE-Cu99,97
SE-Cu99,95
DR-CU99.9
DR-Cu99,7
DR-Cu99,5
E-Cu99 9
R-Cu99,7
R-Cu99,5
R-Cu99
CuZn40Pb2
CuZn40
CuZn39Pb
CuZn37
CuZn36Pbl
CuZn30
CuZn20
CuZnl5
CuZnlO
CuZn4
14708
14708
14708
0-17660
99,97
99, S5
99,9
92,7
99,5
99,9
99,7
99,5
99,0
1,0—60,0
59,0—62,0
59,0—62,0
62,0—65,0
62,0—65,0
69,0—72,0
78,0—81,0
84,0—86,0
89,0—91,0
95,0—97,0
Электролитическая
_
—
_
—-.
_
—
0
0
,0003
,0008
0
0
,001
,001
0
0
,002
,002
0
0
,002
,002
Рафинированная медь,
__
—
_
—
—
_
—
0,001
0,002
0,003
0,002
0,005
0,05
0,002
0,01
0,05
Кислородсо
0,04
0,08
о.ю
О'06
0,001
0,002
0,003
0,02
0,002
0,005
0,05
0,05
0,002
0,01
0,05
0,05
Си—Zn деформируемые
1,0—3,5
0,5—2,5
— ¦
0,2—3.0
—
—
—
—
Ост.
S
S
9
S
S
S
S
»
»
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
—
—
_
—
—
—
'—
Обозначение
TGL
Легирующие
Си
РЬ
Zn
Sn
Ni
Al
Fe
CuZn40MnPb
CuZn40All
CuZn40A12Fel
CuZn35AllNi
CuZn29Al
CuZn21A12
CuSn2
CuSn3
CuSn4
CuSn6
CuSn8
CuSn4Zn3
0-17661
0-17662
Многокомпонентные деформируемые сплавы меди
56—61
56—61
56—61
57—62
67—71
76—79
1.0-
2,0
—
—
Ост.
»
—
—
—
— 2,0—3,0
Ост.
2
S
S
»
S
2 7
4То
1,0—2,0
2,0—3,5
3,5—4,5
5,5—7,0
7,0—9,0
3,5—4,5
1,0—1,5
1,0—2,5
0.3—1,5
0,5—2,0
1,8—2,5
0,5—1,5
Деформируемые сплавы меди
284
допустимых примесей
Sn
N1
Fe
Pb
Zn
Ag
P | Al | Mn | Si | Mg | Sn+Pb| всего
бескислородная медь
0,002
0,002
0,002
0,002
0,005 0,003
0,005H,0005
0,002
0,003
0,005
0,005
0,005
0,002
0,002
раскисленная
0
0
0
,002
,05
,05
0
0
0
,002
,2
,4
0,
0,
0,
005
05
05
0,
0.
0,
005
01
03
0
,005
—
0
0
0
,005
,01
.01
0
,005
—
0
0
,04
,04
—
—
—
—
—
—
—
—
держащая медь
0,002
0,05
0,05
—
0,002
0,2
0,4
0.4
0,005
0,05
0,05
0,005
0,01
0,05
0.1
0,005
_
—
0,005
0,01
0,01
0,02
0,003
—
—
—
—
—
—¦
—
—
—
—
—
—
—.
—
—
—
—
—
.—
—
—
сплавы
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,
0,
0,
0.
0.1
(латунь)
_
—
—
—
0,5
0.2
0,3
0.2
0,2
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,3
0.2
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
¦
—
—
—
—
—
—
—
—
—
. —
—
—
—
—
—
_
—
—
,
—.
—
—
—
—
—
—
о,
о,
0,
о,
о,
0,1
0,1
0,1
о0;!
0,2
0,2
0,2
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—¦
—
—
—
—
—
1,2
1,0
0,5
0,5
0,4
0,3
0,3
0,3
0,2
0,2
Продолжение табл.
элементы
Мп
Р
прочие
Sn
Ni
Максимальное содержание
Fe
Pb
Zn
S
P
допустимых примесей
Al
Mn
Si
Sn+Pb
С
всего
с цинком (специальные латуни)
0,4—2,0
1,5—2,2
0,2—3,0
1,5—2,5
—
_
.
—
SiO,3—
0,7
0,03—
0,05
As+P
0.2
0,2
0,1
0,1
0,2
0,05
—
0,6
1.0
0,5
0,5
0,10
—
1,0
0,8
0,5
0,02
0,07
—
— .
—
—
—
—
0,8
—
—
—
—
—
1,0
0,1
0,5
0,5
0,3
0,05
—
0,05
—
—
—
—
— — 1,5
2,0
1.0
1.0
1,0
— — 0,3
с оловом (оловянистые бронзы)
0—0,1
0—0,4
0—0,4
0—0,4
0—0,4
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,
о,
0,
о,
о,
0,
05
05
05
05
05
05
0,3
0,3
0,3
0,03
0,03
—
0,05
285
Обозначение
•CuSn6Zn6
CuSn4Zn4Pb4
TGL
0-17662
Легирующие
Си
Ост.
»
Pb
3,0—
5,0
Zn
5,0
7,0
3,0
5,0
Sn
5,0—7,0
3,0—5, 0
Ni
—
Al
—
Fe
—
CuNi5
CuNilOFe
CuNi20Fe
CuNi30Fe
CuNi44
CuNi20Mn20
0-17664
Oct.
Деформируемые Медно
6,7—i,5
0,4—1,0
0,4—1,0
4,0—6,0
9,0—11,0
20,0—22,0
29,0—32,0
43,5—45,5
19,5—21,5
—
Обозначение
TGL
ЛегнрукнДие
Си
Pb
Zn
Sn
Ni
CuA15
CuA110Fe3Mnl
CuNi25Znl7Pb
CuNi25Znl5
CuNil8Znl9Pb
CuNil8Zn20
CuNii3Zn21Pb
CuNil2Zn24
CuNil2Zn24Pb
CuNil2Zn30Pb
G-CuSnl4
G-CuSnlO
G-CuSnlOPl "
G-CuSnlOZn3
G-CuSn6Zn7Pb4
G-CuPbl0Snl0
G-CuPbl5Sn7
G-CuPb22Sn5
G-CuPb25
0-17665
0-17663
8110
Oct.
54,5—56
68,0—62,0
59,0—63,0
60s 0—64,0
64,5—65,5
62,0—66,0
61,0—63,0
55,0—59,0
Oct.
Деформируемые медно
Деформируемые сплавы меди
1,0—1,2
1,5—2,0
0,5—1,0
1,0—1,5
1,0—2,5
0,5-1,0
Oct.
»
»
»
»
»
литейш
—
—
1,0—
4*0
5,5—
9,0
.
—
lie сплавы —
13,0—15,0
9,0—11,0
9,0—11,0
8,5—11,0
5,0—7,0
24,0—26,0
24,0—26,0
17,0—19,0
17*0—19,0
12,0—13,0
11,0—13,0
11,0—13,0
11,0—13,0
оловянистые
—
—
—
—
Медные литейные сплавы — оловянистые бронзы и многокомпонентные
8110
Ост.
8,0—11,0
13,0—17,0
18,0—27,0
18,0—27,0
9,0—11,0
6,0—8,0
4,0—6,5
286
Продолжение табл.
элемейты
Мп
—
Р
—
прочие
—
Максимальное содержание допустимых примесей
Sn
—
Ni
Fe
0.05
0,05
Pb
0,05
Zn
—
s
—
p
0,10
0,05
Al
—
Mn
Si
—
Sn+Pb
_
С
всего
—
никелевые сплавы
1
_
0,3—0,8
0,4-0.7
0,5—1,5
1,4-1,8
19,5—21,0
_
—
—
—
_
—
—
_
—
—
_
—
0,20
0,5
0,3
—
0,005
0,30
0,20
0,50
0,20
—
0,03
0,03
—
—
—
_
—
0,3
—
—
•
—
0,005
0,005
0,05
0,05
0,02
—
0,03
0,05
0,2
0,5
0,5
0,5
0,6
0,5
0,8
•элементы
•
Al
Fe
Продолжение табл.
Максимальное содержание допустимых примесей
Мп
Р
Bi
Sb
As
Sn
Ni
Fe
Pb
Zn
s
p
Mn
Si
всего
алюминиевые сплавы
4,0—6,0
9,0—11,0
_
2,0-
4,0
_
1,0-
2,0
_
_
—
_
—
_
—
—
_
—
0,5
0,03
0,03
0,3
0,5
_
—
0,01
0,01
0,5
—
0,2
0,4
с никелем и цинком (нейзильбер)
—
—
—
—
—
¦ч
—
—
—
—
—
—
.
_
—
—
__
—
—
—
—
—
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,5
0,5
0,
0,
0,
03
03
05
—
—
—
—
—
—
—
.
—
0,7
0,7
0,7
0,7
0,5
0,5
0,5
0,5
—
—
бронзы и многокомпонентные оловянистые бронзы
—
—
—
—
—
—
0; 5-
i i
—
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,3
0,25
0,3
0,3
0,3
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
——
—
—
0,5
1,0
1,0
0,5
1,0
ооо
"(О "(О "(О
0,3
0,4
1,0
1.0
0,3
1.5
—
0,5
0,5
1.0
—
—
0,07
0,07
0,07
0,07
0,07
0,1
0,1
0,1
0,1
0,2
0,2
0,2
0.2
0,2
—
—
свинцовистые бронзы, (литье в песчаные формы и кокильное
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,5
1.5
1,9
2,0
1,3
J
I
0,3
0,5
2,0
0,5
0.15
0,15
0,15
0,15
—
2,0
1.5
1.5
1,5
1.5
0,2
0.3
0,2
0,7
—
—¦
0*5
3,0
3,0
3,0
0,07
0,07
0,07
0,07
0,05
0,05
0,05
0,05
0,2
0.2
0,2
0.2
_
—
—¦
1,7
3,0
3,7
4,0
287
Обозначение
TGL
Легирующие
Си
Pb
Zn
Sn
Ni
Медные литейные сплавы — многокомпонентные
G-CuA110Fe3Mn2
G-CuA19Ni4Fe3Mn2
G-CuMnlOZn8
G-CuMnlOZn9
8110
Ост.
»
»
—
_
—
—
—
7.1—
9,2
7,5—
10.0
—
—
—
—
3,0—5,0
1,0—3,5
Обозначение
TGL
Легирующие элементы
Cu
Pb
Zn
Sn
Ni
Al
Fe
G-CuSi3Zn5
G-CuSi3Znl5
G-CuZn33Pb2
G-CuZn38Al
G-CuZn37Mn3
G-CuZn37Mn3Al
S-Cu
S-Ni
S-Ns
S-SnBz6
8110
0-1733
0,5—
3,0
L-Ms85
L-Ms63
L-Ms48
L-Ms32
L-CuP8
0-1733
Oct.
63—67
58—62
55—61
55—61
98
45
92
84—86 —
62—64
47—49
41—43
Oct.
4,0—6,0
14,0—16,0
Oct.
Медные литейные сплавы — мно
Медные литейные сплавы — ла
0,1-1,0
0,8—1,5
0,8—1,5
Твердые
0,7-
1,5
Oct.
—
_
Ag + Mn + Ni
—
40
~
13
35
40
56
5,0-7,0
—
+ P
98
6,0—11,0
—
Сварочные приса
менты почти не ухудшают электропровод-
электропроводность. С помощью дополнительного легиро-
легирования бором такие элементы, к«»к Ti, Сг и
V, связываются в соединения, выходят из
раствора алюминия и благодаря этому не
оказывают вредного воздействия. С пони-
понижением температуры электросопротивле-
электросопротивление алюминия резко падает.
б. Механические свойства. Чистый алю-
алюминий обладает очень небольшой проч-
прочностью и высокой пластичностью. Увели-
288
чения прочности можно достичь следую-
следующими путями: регулированием размера
зерна в результате контролируемой рекри-
рекристаллизации; переводом легирующих эле-
элементов и примесей в твердый раствор; вы-
выделением упречняющих фаз; деформацион-
деформационным упрочнением при наклепе.
Катаные листы и ленты из алюминия вьи
сокой чистоты и чистого алюминия быщ-
ют в зависимости от состава и состоянц§
поставки твердыми, полутвердыми и мят-
Продолжение табл.
элементы
А1
Fe
Максимальное содержание допустимых примесей
Мп
Р
Bi
Sb
As
Sn.
Ni
Fe
Pb
Zn
S
P
Mn
Si
1 всего
алюминиевые и марганцовистые бронзы
8,5—11,0
8,0—10,0
5,0—6,5
5.0—6,5
2,0-
4,0
3,0—
5,0
1,5-
3,0
1,0-
3,5
1,0-
3,0
1,0—
3,0
9,0—
11,5
9,0—
11,5
—
—
—
„
—
—
—
—
—
0.2
0,2
0.1
0,2
1,0
—
—
0,1
—
—
0,2
0,2
0,1
0,1
1,0
1,0
—
—
—
—
—
—
—
—
0.2
0,2
0.2
0,1
2.0
1,4
0,4
1,4
Продолжение
Допустимые примеси
Мп
прочие
Bi
Sb
Sn
N1
Fe
Pb
P
Al
Mn
SI
Mg
Sn+Pb
еокомпонентные кремнистые бронзы
Si 2,0—4,0
Si 2,0—4,0
туни и специальные латуни
2,0—4,0
1,0—4,0
припои
Ост.
»
»
0,5
дочные материалы
Si 0,2—0,4
0,2—0,4
0,2-0,4
0,005
0,005
0,005
0,005
0,1
0,1
1,0
0,7
1.0
1,0
0,1
0,1
0,50,7
0.50,7
0,5
0,50,7
0,1
0,1
1,5
0,3
0,3
0,050,05 1,5 — 0,
0,05|0,05|l,5 — |0,
,05
,05
0,05
0,2
0,5
0,05
0,2
0,2
0,2
2,0
2,0
1,3
0,35
0,35
1,7
2,3
1,0
1,7
кими. Согласно TGL 147Д5 они должны
иметь следующие предельные свойства:
Алюминий *
0О,2. КГС'ММ~г
Ов, КГС-ММ-2
6-5, % ...
«10.
нв
высокой
чистоты
1—8
4—10
5—33
4—28
15—25
чистый
1—11
4—13
5—38
4—32
15—35
Надо, однако, отметить, что легирован-
легированные дисперсионно твердеющие сплавы
алюминия могут иметь значения прочности,
близкие к прочности некоторых сталей.
в. Коррозионные свойства. В присутст-
присутствии кислорода на алюминии образуется
тонкая (~0,7 мкм) плотная водонепро-
водонепроницаемая окисная пленка с хорошей адге-
адгезией (к основному материалу), которая
предохраняет металл от дальнейшего окис-
окисления и действия других агрессивных сред.
19—140
289
Этим объясняется стойкость алюминия про-
против воздействия атмосферы и многих хи-
химических и пищевых продуктов. С помощью
анодирования (см. 1.11.10) на поверхности
материала получают окисные пленки ино-
иного состава толщиной от 10 до 40 мкм. Бла-
Благодаря большой толщине, твердости и плот-
плотности эти слои обладают еще более высо-
высокой коррозионной стойкостью и они к тому
же могут быть дополнительно окрашены
в различные цвета.
г. Деформируемость. Очень хорошая, по-
поэтому часто применяют такие виды обра-
обработки давлением, как глубокая вытяжка,
штамповка выдавливанием, экструзия и
ДР-
Термическая обработка:
Алюминий
Полигониза-
ция, "С . .
Рекристалли-
Рекристаллизация, °С . .
высокой
чистоты
150—230
290—310
чистый
170—270
340—380
Применение
а. Чистый алюминий применяется для из-
изготовления предметов домашнего обихода
(кухонная посуда), в химической и пище-
пищевой промышленности (аппараты, емкости,
сосуды), в электротехнической промышлен-
промышленности (проводящий материал, оболочки
кабелей), в строительстве (кровельное по-
покрытие, стояки, желоба крыш) и для упа-
упаковки (фольги, банки, тюбики).
б. Алюминий высокой чистоты приме-
применяется для некоторых деталей транспорт-
транспортных средств, деталей часов, ювелирных из-
изделий, рефлекторов, конденсаторной фоль-
фольги, ценной посуды, для химических аппара-
аппаратов.
2.2.2.17. Алюминий для
раскисления и алюминотермии
Сорта алюминия различной степени чи-
чистоты в виде чушек и крупки, которые при-
применяются для раскисления жидкой стали
(чушки) или используются при алюмино-
термических процессах (крупка),
ТА БЛИЦА 119
Классификация. На Red A198, RedA192,
Red A190, Red Al 88 и Red AI 86.
Состав — no TGL 14712 — см. табл. 119.
2.2.2.18. Алюминиевые
деформируемые сплавы
Дисперсионно твердеющие (стареющие) и
недисперсионнр твердеющие (нестарею-
(нестареющие) алюминиевые сплавы типа Al—Mg,
Al—Mg—Si, Al—Cu—Mg, Al—Zn—Си—
Mg, которые пригодны для горячей и хо-
холодной деформации.
Стандарты: TGL 14725 (сортамент, со-
состав); TGL 14745 (листы и ленты, механи-
механические свойства); TGL 14747 (прутки и про-
проволока, механические свойства).
Классификация — табл. 120.
Получение. Плавка чаще всего в низко-
низкочастотной индукционной печи с железным
сердечником или в подовых печах. Содер-
Содержание такой вредной примеси, как Н5, в
расплаве уменьшается путем вакуумирова-
ния или введением азота или хлора. Уда-
Удаление окислов производится с помощью их
связывания флюсующими добавками или
вымыванием потоком рафинирующего га-
газа.
Состав — см. 2.2.2.21.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3).
а. Механические свойства. По сравнению
с алюминием высокой частоты и чистым
алюминием нестареющие алюминиевые де-
деформируемые сплавы характеризуются
значительно более высокой прочностью.
С помощью добавок легирующих элементов
и увеличения степени холодной деформации
временное сопротивление разрыву может
быть увеличено до 30 кгс-мм-2, а предел
текучести до 24 кгс-мм~2. Термическая об-
обработка приведенных в TGL 14745 и 14747
стареющих сплавов позволяет получить
временное сопротивление разрыву до 50 кгсХ
Хмм-2. В TGL 14745 и 14747 приведены
следующие предельные значения механичес-
механических свойств в зависимости от состава и
степени холодной деформации (табл. 121).
С увеличением температуры прочностные
характеристики алюминиевых деформируе-
деформируемых сплавов, находящихся под нагрузкой,
резко падают и увеличивается склонность к
ползучести. Поэтому температура эксплуа-
эксплуатации не должна превышать 100 °С.
б. Коррозионная стойкость — табл. 122.
Обозначение
RedA198
RedA192
RedA190
RedA188
RedA186
Al+Mg,
%, не
менее
98,0
92,0
90,0
88,0
86,0
Допустимые примеси*
Mg
0,2
3,0
3,0
3,0
3,0
Си
0,2
2,5
3,0
3,0
3,0
Zn
0,2
0,7
1,0
3,0
4,0
Pb
0,1
0,3
0,5
1,0
1,0
Sn
0,2-
0,2
0,5
0,5
Zn-fPb+Sn
0,3
0,8
1,5
4,0
5,0
• Si+Fe+Ni+Mn+Ti+Co+Cr — остальное.
290
ТА БЛИЦА 120
Характеристи-
Характеристика сплава
Нестареющие
Стареющие
Тнп сплава
Al—Mg
Al—Mg—Sf
Al—Cu—Mg
Al—Zn—Mg—Си
Марка
A199MgO,5; A199Mgl»; A195MgO,5; A195Mgl;
A190Mg0,5; A190Mgl
AJMgl; AlMg2i AlMg3** AlMg4; AlMg5;
AlMg5(S) 7
AlMgSiO,5; AlMgSil**
AlCu4MgI; AlCu4Mg2**; AlCu3Mg
AlZnMgCuO,5
• Полученные из алюминия высокой чистоты.
•* Полученные из первичного алюминия.
ТАБЛИЦА 121
Сплав
Нестареющие сплавы
высокой чистоты
Нестареющие сплавы
Стареющие сплавы .
из
из
алюминия
первичного
°о,2 • кгсХ
Хмм~~?
3—4
4—24
10—43
Од < КГС -ММ
7—16
10—32
15—50
<v %
3—20
4—20
9—18
нв
33—50
30—80
60—100
ТА БЛ И ЦА 122
Тип сплава
Коррозионная стойкость
Al—Mg
Al—MgSi
Al—Cu—Mg
Al—Zn—Mg—Си
Повышенная стойкость против действия морской воды. С увеличени-
увеличением содержания Mg увеличивается стойкость против коррозионного
растрескивания и интеркристаллитной коррозии A.11.10)
Высокая коррозионная стойкость
Чувствительны к коррозии, поэтому часто плакируются чистым алю-
алюминием
Несколько лучшая, чем у А1—Си—Mg*; часто плакируются Al—Zn
сплавами, не чувствительными к коррозионному растрескиванию
* См. Термическая обработка.
Термическая обработка — табл. 123.
После обработки иа твердый раствор сле-
следует закалка, чаще всего в воде комнатной
температуры, однако в особых случаях за-
закалка может производиться в горячей во-
воде или в масле E0—100 °С).
Применение
А1—Mg-сплавы и низколегированные —
в тех же областях, что и чистый алюминий.
А1 —Mg-сплавы — среднелегированные —
для деталей транспортных средств, в
судостроении, гражданском строительстве,
архитектуре.
А1 — Mg—Si-сплавы — для механически
нагруженных деталей в качестве конструк-
конструкционного Материала, для трвнспортиых
средств, судов, емкостей, различной хими-
химической аппаратуры, для деталей точного
машиностроения и электротехники.
А1 — Си — Mg-сплавы — для конструк-
конструкционных деталей в самолетостроении, на
транспорте, в различных отраслях машино-
19*
291
ТАБЛИЦА 123
Вид обработки
Температуры обработки, СС, для сплавов
Al-Mg
480—520
150
350—150
—
Al—Mg—Si •
—
150
330—400
500—540
140—160
К.т.
Al—Cu—Mg
470—500
150
360—400
480—505
He приме-
применяется
К.т.
Al—Zn—Mg—
Cu
460—480
150
420—450
450—470
120—140
К.т.
Гомогенизация, °С ........
Снятие внутренних напряжений, разу-
разупрочнение, °С . . . . :
Смягчающий отжиг для рекристалли-
рекристаллизации, °С
Обработка на твердый раствор (за-
(закалка), СС
Искусственное старение, ^С . . , .
Естественное старение, °С . . . .
Примечание. К. т. — комнатная температура.
строения (высокопрочные штампованные
детали).
А1 — Zn — Mg — Cu-сплавы — для кон-
конструкционных деталей, испытывающих вы-
высокие нагрузки; в авиастроении, машино-
машиностроении, горном деле.
2.2.2.19. Литейные алюминиевые
сплавы
Стареющие и нестареющие алюминие-
алюминиевые сплавы (отливаемые в песчаные
формы, кокили, литье под давлением) ти-
типа А1 — Mg, Al—Si, Al—Si—Mg и Al —
Si—Cu с содержанием более 88 % Al.
К этим сплавам предъявляются особые тре-
требования в отношении литейных свойств, по-
поведения при затвердевании и механических
свойств, а также обрабатываемости в ли-
литом состоянии.
ТАБЛИЦА 124
Тип сплава
Al—Mg*2
Al—Si*2
Al—Si—Cu*3
Марка
G-AlMg3
G-AlMg3dek
G-AlMg5
G-AlMg9
G-AlSil
<j-AlSi2
G-AlSi5Mg9
G-AlSi7Mg
G-AlSilOMg
G-AlSi6
G-AlSi7Cul
G-AlSi7Cu2
G-AlSi8Cu3
G-AlSi9Cul
Условное
обозначе-
обозначение*1
Mg3
Mg3dek
Mg5
Mg9
Sil
Si2
Si50
Si70
Si 10
Si6
Si710
Si711
Si83
Si91
Состав — TGL 6556 (Алюминиевые ли-
литейные сплавы. Лист 1 — чушки; лист 2—
механические свойства).
Классификация — табл. 124.
Первичные сплавы выплавляют нз пер-
первичного алюминия в индукционных или по-
подовых печах. Плавка вторичных сплавов
(из такого вторичного сырья, как скрап)
в барабанных печах или в присутствии же-
железа в шахтных или подовых печах. Довод-
Доводка и легирование расплава производится в
индукционных печах или миксерах. Во из-
избежание образования неблагоприятной
структуры литья, содержащей крупные за-
застывающие в первую очередь кристаллы
кремния, производится модифицирование
расплава (обработка металлическим нат-
натрием или солями, при разложении которых
выделяется натрий). Разливка в песчаные
формы, кокили или литье под давлением.
Состав — см. 2.2.2.21.
Технические характеристики
а. Механические свойства. Аналогично
алюминиевым деформируемым сплавам
некоторые алюминиевые литейные сплавы
являются дисперсионно твердеющими (ста-
(стареющими) (А1—Mg, Al—Si — Mg, Al —
Si—Cu). В TGL 6566 приводятся следую-
следующие предельные (не менее) значения ме-
механических свойств, зависящие от состава,
состояния поставки (литье в песчаные фор-
формы, кокильное литье, литье под давлением)
и обработки после выплавки (нетермооб-
работанное лнтье, подвергнутое искусст-
искусственному старению, ' естественному старе-
старению):
•¦ Условные обозназначеиия для маркировки
отливок.
•2 Первичные сплавы.
•3 Вторичные сплавы.
Несоста-
рениое
14—21
7—6
0,6—4,0
45—80
6,9
б. Прочие свойства! Лучшими литейны-
литейными свойствами отличаются Al—Si сплавы;
хорошие литейные свойства у сплавов А1—
Si—Си и несколько худшие—у сплавов А1—
После
старения
ав, кгс-мм-2 . . 17—24
0О2, кгс-мм-2 . . 13—20
б"', % 0,3—0,4
НВ ...;... 50—120
7,5-11
292
Mg. Коррозионная стойкость сплавов, не
содержащих меди, высокая и ухудшается с
увеличением содержания меди. Al—Mg
сплавы очень хорошо полируются.
Термическая обработка:
G-AlSi5Mg G-AlSilOMg G-AlMg3
Обработ-
Обработка на
твердый
раствор,
°С
С.
Старение,
°С ...
520—530 520—530 560—570
20
160—165 160—165
2.2.2.20. Алюминиевые
поршневые сплавы
Высококремнистые алюминиевые спла-
сплавы, содержащие 11,5—23 % Si и добавки
Си, Ni, Mg, Mn и Ti, которые благодаря
своему химическому составу и структуре
характеризуются повышенной жаропрочно-
жаропрочностью, высокой износостойкостью и обладают
малым различием теплового расширения
материала поршней и стальных цилинд-
цилиндров и втулок цилиндров. Применяются для
изготовления поршней, цилиндров и голо-
головок цилиндров.
Стандарт TGL 4886 (алюминииевые ли-
литейные поршневые сплавы в чушках).
Классификация — табл. 125.
ТАБЛИЦА 125
Система легирования
Al—Si—Си—Ni
Корректирующее
легирование *
G-AlSil2CulNil
G-AlSil8Cu3Ni
G-AlSi20CuNi
GV-AlCuNi
K120
K18
K20
КО
. • Служит для точной корректировки состава
по креминю при шихтовке в литейном производ-
производстве.
Перед разливкой плавку обрабатывают
смесью фосфорсодержащих солей. При этом
в расплаве образуется фосфид алюминия
(А1Р), который определяет образования
мелких, затвердевающих в первую очередь
кристаллов кремния (улучшается обраба-
обрабатываемость резанием и уменьшается склон-
склонность к растрескиванию и охрупчиванию по
сравнению со сплавом, в котором кремний
кристаллизуется, в виде крупных пл'астин-
чатых кристаллов).
Состав — см. 2.2.2.21.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Тепловое, расширение. Уменьшается с
ростом содержания кремния в сплавах и
таким образом приближается к тепловому
расширению стали (от 10 до 12-10—в
град-1), так что в паре материалов алюми-
алюминиевый поршневой сплав — сталь умень-
уменьшает опасность задирания при нагреве
и теплосменах (рис. 2.10).
б.- Механические свойства. С увеличени-
увеличением содержания кремния растет износо-
износостойкость; добавки никеля и меди (до
10 %) приводят к увеличению жаропрочно-
жаропрочности.
2.2.2.21—см. с. 294.
s to 15 го
si,% (по'масса
Рис. 2Л0
2.2.2.22. Свинец и свинцовые
сплавы. Общие сведения
Классификация
Чистый свинец: свинец особой чистоты,
черновой свинец TGL 14719.
Свинцовые сплавы: свинцовосурьмянис-
тые сплавы (гартблей), TGL I4728; свин-
цовосурьмянистооловянные сплавы (типо-
(типографские сплавы), TGL 13820; подшипни-
подшипниковые сплавы на основе свинца и олова
(баббиты), TGL 14703; свинцовые сплавы
для литья под давлением, TGL 0-1741.
2.2.2.23. Чистый свинец
Свинец с содержанием примесей до
0,008—0,10 %, отличающийся небольшой
прочностью, высокой пластичностью и хо-
хорошей кислотостойкостью, применяемый
преимущественно для получения свинцовых
сплавов для аккумуляторов, в химическом
аппаратостроении, для оболочек кабелей и
для получения некоторых видов химических
соединений свинца (антидетонаторные
средства, краски).
Стандарт TGL 14719.
Классификация — табл. 126.
Получение — см. 3.4.
Состав — см. 2.2.2.28.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Механические свойства. Временное со*
противление разрыву чернового свинца
равно 1—2 кгс-мм-2 (при комнатной тем-
температуре); относительное удлинение при
разрыве — 20—80 %. Увеличение темпера-
температуры испытания до 200 °С приводит к
уменьшению значений ов до менее 0,5
кгс-мм-2. Поскольку температура рекрис-
рекристаллизации, как правило, ниже комнатной,
деформационное упрочнение при наклепе
невозможно. Чистый свинец уже при ма-
малых нагрузках склонен к ползучести (см.
2.2.2.21. Химический состав
Обозначение
G-AlMg3
G-AlMg3Mk
G-AlMg5
G-AlMg9
G-AlSil
G-A!Si2
G-AlSi5Mg
G-AlSi6Cu
G-AlSi7Mg
G-AlSi7Cul
G-AlSi7Cu2
G-AlSi8Cu3
G-AlSi9Cul
G-AlSilOMg
G-AlSilOMg(Cu)
G-AlSil2CuNi
G-AlSi20CuNi
G-AlSi26CuNi
A199.99R
A199.95R
A199.9R
A199.8R
A199.7R
A199.5R
A199.4R
A199.0R
E-Al
A199MgO5
A199Mg
A190Mg0,5
A190Mgl
AlMgl
AlMg2
AlMg3
AlMg4
AlMg5
AlMg3Si
AlMgSiO,5
AlMglSil
AlCu4Mgl
AlCu4Mg2
AlCu3Mg
AlZ»MgCuO,5
Легирующие
Mg
2,0—4,0
2,0—4,0
3,5—5,5
7,0—10,0
—
0,35—0,60
0,25—0,55
0,25—0,50
0,2—0,6
0,2—0,7
0,2—0,55
0,2—0,7
0,2—0,4
0,2—0,4
1,0—1,5
0,6—0,9
0,6—0,9
_
—
—
—
—
0,4—0,7
0,8-1,2
0,4—0,7
0,8—1,2
0,7—1,2
1,8—2,4
2,7—3,3
3,8—4,5
4,3—5,5
2,3—3,5
0,4—0,9
0,7-r-l,5
0,4-1,1
1,2—1,8
0,6^-1,3
2,4—3,8
Si
Мп
Си
Сплавы алюминие
0,5—1,3
0,5
0,5—1,3
0,2—0,5
1,0—1,5
2,0—2,5
4,5—6,0
5,5—7,0
6,5—8,0
6,5—8,0
6,5—8,0
7,0—9,0
8,0—11,0
8,5—10,5
8,5—11,0
11,5—13,5
20,0—23,0
24,5—27,5
—
—
Сплав
—
—
—
—
—
0,5-0,8
0,05—0,5
0,05—0,5
0,05—0,5
0,2—0,5
- —
—
0,15—0,5
0,2—0,5
0,15—0,5
0,2—0,5
0,2—0,5
0,2—0,5
0,2—0,5
0,15—0,5
0,2—0,5
0,3—0,5
0,1—0,5
0,1—0,3
Алюминий 6
,
—
—
ы алюминиевые
_
—
—
—
0,2—0,6
0,2—0,6
0,3—0,8
Сплавы алюминиевые
0,3—0,7
0,7-1,5
0,2—0,7
—
0,5—1,0
0,4—1,0
0,4—1,1
0,3—1,0
0,1—0,6
_
—
—
—
—
1,0—2,0
—
1,0—2,0
1,0—2,0
2,5—4,0
0,5—2,0
—
Сплавы алюми
1,0—1,5
1,1—1,6
0,8—1,1
ысокой чистоты
,
—
—
деформируемые
_
—
—
—
—
деформируемые
—
3,5—4,8
3,9—4,9
2,8—3,5 '
0,4—1,0
294
алюминия и алюминиевых сплавов
элементы, %
Ni
Сг
Максимальное содержание допустимых примесей, %
Si
Си
Мп
Fe
Zn
TI
NI
Pb+Sn
прочие
вые литейные
—
—
.—
—
—
—
—
—
—
•—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
0,05
0,05
0,05
0,10
0,05
0,05
0,05
—
0,05
—
—
0,05
0,5
_
—
—
—
_
—
—
—
—
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,6
0,5
0,8
0,9
1,1
1,2
0,5
0,6
0,10
0,10
0,10
0,10
0,10
0,10
0,10
0,5
0,10
1,0
1,2
1,0
1,2
0,10
0,5
_
—
0,20
0,20
0,05
0,05
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,2
0,4M
0,3
0,3
0,3
0,3
0,05
0,3
0,05
0,05
0.05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,1
0,05
0,3
0,3
0,3
0,3
0,05
0,2
ниевые поршневые
и первичный алюминий
(недисперсионно твердеющие) — TGL14725
(дисперсионно твердеющие) — TGL 14725
0,15
0,15
0,15
0,16
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,16
0,15
0,15
0,15
0,15
0,8-1,1
0,8-1,1
0,8-1,1
—
0,4—0,6.
—
_
—
—•
0,8
0,5
0,5
0,3
0,3
0,3
0,05—2,0
0,2
0,2
—
- — 0,001
—
0,005
0,020
0,04
0,10
0,16
0,30
0,30
0,40
0,10
0,003
0,015
0,03
0,01
0,01
0,02
0,02
0,02
0,02
0,010
0,005
0,025
0,05
0,12
0,16
0,40
0,50
0,60
0,40
0,005
0,005
0,005
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,040
0,002
0,005
0,01
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
—
—
—
—
—
0,01
0,01
0,04
0,04
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,01
0,01
0,03
0,03
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,10
0,3
0,6
0,6
—
0,008
0,008
0,05
0,05
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,5
0,01
0,01
0,05
0,05
0,2
0,2
0,2
0,1
0,2
0,2
_
0,01
0,01
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
—
¦
—
—
—
_
—
—
—
—
0,001
0,003
0,003
0,01
0,01
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
i
—
—
.—
—
—
—
—
—
—
0,5
0,6
0,5
0,05
0,10
—
—
0,10
—
,
—
0,4
0,5
0,7
0,5
0,3
0,5
0,2
0.2
0,3
0,3
0,6
—
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,1
—
—
—
—
—
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
295
ТАБЛИЦА 126
Вид свинца
Свинец особой
чистоты
Черновой сви-
свинец
Сорт
Pb99,99Z
РЬ99,99
Pbc9,98S
РЬ99,97
РЬ99,95
РЬ99,9
Примеры применения
Для решеток особо ответственных аккумуляторов (ле-
(легированный Sb); для получения некоторых окислов
свинца; для получения активной массы свинцовых акку-
аккумуляторов
Для специальных 'пелей химического аппаратостроения
Для кислотостойких листов и труб в химическом аппа-
ратостроении
Для облицовки кислотостойких устройств; для труб и
оболочек кабелей
1.11.1.4); при этом часто возникают недо-
недопустимые изменения формы или разруше-
разрушение. При комнатной температуре 1 %-ный
предел ползучести (см. 1.11.2.19) уменьша-
уменьшается с увеличением продолжительности пре-
пребывания под нагрузкой до величины менее
0,3 кгс-мм-2, а с ростом температуры ис-
испытания становится менее 0,1 кгс-мм~2.
б. Коррозионные свойства. При действии
таких агрессивных сред, как промышленная
атмосфера, вода или некоторые специаль-
специальные химикаты, свинец покрывается плот-
плотным защитным слоем с хорошей адгезией
с основным металлом, который защищает
металл от дальнейшего коррозионного воз-
воздействия среды. Поскольку растворимость
этих защитных слоев в некоторых агрес-
агрессивных средах незначительна, коррозион-
коррозионная стойкость свинца в этих средах очень
ТАБЛИЦА 127
высока (например, в 60 %-ной серной кис-
кислоте, сернистой кислоте, хромистой и фос-
фосфорной кислотах). С увеличением темпера-
температуры и концентрации агрессивных веществ
коррозионная стойкость свинца может рез-
резко падать. Независимо от температуры и
концентрации свинец мало устойчив против
действия соляной кислоты, плавиковой ки-
кислоты и щелочных растворов.
Термическая обработка. Чистый свинец,
как правило, используется без термической
обработки.
Применение — см. Классификация.
2.2.2.24. Свинцовосурьмяные
сплавы (гартблей)
Свинцовые сплавы с различным (ступен-
(ступенчатым) содержанием сурьмы между 0,1
и 13 % ив некоторых случаях с добавками
Сорт сплава
Гартблей 1
Гартблей 4
Гартблей 5
Гартблей 6
Гартблей 8
Аккумуляторный гарт-
гартблей 9
Аккумуляторный гарт-
гартблей 9к
Аккумуляторный гарт-
Анодиый гартблей 10
Гартблей 12
Кабельный гартблей 0,1
Кабельный гартблей 0,5
Свинец для труб
Свинцовая дробь
Покровный свинец
Обозначение
PbSbl
PbSb4
PbSb5
PbSb6
PbSb8
PbSb9
PbSn9k
PbSn9,5
PbSblO
PbSbl2
KbPbSbOl
KbPbSbO,5
RPb
PbSbAs
PbSb
Примеры применения
Трубопроводы и облицовки химических установок
Арматуры, остальное — как и для гартблей 1
Для арматуры, деталей центробежных насосов,
форсунок
Для свинцовых аккумуляторов
Аноды для ванн хромирования, при изготовлении
некоторых сплавов цветных металлов
Для оболочек кабелей, которые испытывают силь-
сильные сотрясения; железнодорожных кабелей, мо-
мостовых и телефонных кабелей
Трубы для питьевой воды
Для получения твердой дроби
Для горячего освинцовывания
296
As и Sn. Благодаря своему химическому
составу сплавы могут быть подвергнуты
дисперсионному тверденнию (старению)
(см. 1.7.3.3), что приводит к значительному
увеличению их твердости, прочности при
растяжении, усталостной и длительной
прочности. Они используются главным об-
образом для трубопроводов, арматуры, ак-
аккумуляторов, оболочек кабелей и пр.
Стандарт TGL 14728.
Классификация — табл. 127.
Получение — см. 3.4.
Состав — см. 2.2.2.28.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3).
2.2.2.25. Свинцовосурьмянисто-
оловянные (типографские)
сплавы
Содержат 2,5—16% Sn, 3,5—29% Sb;
благодаря своему химическому составу и
структуре сплавы имеют хорошие литейные
свойства (в данном случае хорошую спо-
способность заполнять формы для точного вос-
воспроизведения тонких контуров), имеют к
тому же достаточную твердость и проч-
прочность и в связи с этим удовлетворяют тре-
требованиям полиграфического производства.
Стандарт TGL 13820.
Классификация—табл. 129.
ТА БЛИЦА 128
Сорт сплава
Черновой свинец @,02 % Sb)
Гартблей 1 % Sb (профильное прессование) . . .
Гартблей 4 % Sb (несостаренный) . . -
Гартблей 4 % Sb (состаренный)
Гартблей 6 % Sb (обработка неизвестна) ....
°В, кгс-мм ?
1.2-2,2
1.9-2,8
2,8
8,2
4,8—10,8
•
е. %
20—80
37
48
6
нв
«и
24
а. Механические свойства. Как следует
из приведенных ниже данных по TGL 14728,
временное сопротивление разрыву подвер-
подвергнутых старению Pb—Sb сплавов превы-
превышает в пять раз соответствующие данные
для чистого свинца (табл. 128). s
Длительная прочность в результате ста-
старения также заметно увеличивается.
Термическая обработка. При достаточно
быстром охлаждении отливок или горяче-
прессованных деталей закалка осуществля-
осуществляется как бы автоматически; в дальнейшем
старение происходит так же самопроизволь-
самопроизвольно, как при комнатной температуре. По-
Поэтому специальной термической обработки
как бы не производят. Пример целенаправ-
целенаправленной термической обработки на диспер-
дисперсионное твердение: обработка на твердый
раствор при 235 °С с закалкой в воду +
+старение при комнатной температуре.
Применение — см. Классификация.
ТАБЛИЦА 129
2.2.2.26. Подшипниковые сплавы
на основе свинца и олова
(баббиты)
Свинцовые сплавы с добавками Sn, Си и
Sb (в некоторых случаях также дополни-
дополнительно легированные Cd, As и Ni), а так-
также оловянные сплавы с добавками Си, Sb,
Pb (в некоторых случаях дополнительно ле-
легированные Cd, As, Ni); благодаря своему
химическому составу и структуре сплавы
соответствуют требованиям, предъявляе-
предъявляемым к подшипникам скольжения (малое
трение, высокая теплопроводность, доста-
достаточная износостойкость, малая склонность
к заеданию и задирам, хорошая прираба-
тываемость и устойчивость при авариях).
Вследствие малой механической прочности
баббиты используются в комбинированных
подшипниках (стальной упорный или дру-
другой основной подшипник и заливаемый
Сплав
Для гальваностегии
Типографский
Линотипный
Стереотипный
Реглетный
Монотипный
Для форм матрицирова-
матрицирования
Шрифтолитейные
Типографский для нот
Лигатура
Условное
обозначение
PbSn3Sb4
PbSn3Sbl2
PbSn6Sbl2
PbSn4Sbl5
PbSn6Sbl5
PbSn8Sbl0
PbSn8Sbi8
PbSnl0Sb20
PbSn5Sb28
PbSn8Sb28
PbSnl5Sb4
PbSn30Sb6
1 Применение
Гальваностегия
Для наборных машин
Для строкоотливных наборных машин
Для отливки стереотипов
Для отливки реглетов (шпон)
Для отливки набора на монотипе
Отливка пластин для матриц
Для отливки универсальных шрифтов
Для гравированных нотных клише
Для легирования
297
ТАБЛИЦА 130
Сорт
Баббит 5
Баббит 10
Безмедистый баббит
Кадмийсодержащий
баббит
Баббит 80
Безмедистый баб-
баббит 80
Кадмийсодержащий
баббит
Условиое
обозначение
LGPbSn5
LGPbSnlO
LGPbSn9Cd
LGSn80
LGSn80Sbl8
LGSn80Cd
Примеры применения
Для подшипников железнодорожного подвижио-
го состава; брикетных прессов; в общем машино-
машиностроении
Для подшипников, периодически работающих В
атмосфере NH3
Для подшипников, используемых в механизмах,
работающих в карьерах (вагонетки), подшипни-
подшипников ударных мельниц, поршневых компрессоров
При давлении до РСтат—300 кгс-мм-2
Для подшипников, периодически работающих в
атмосфере NH3 при давлении до Рстат=
=300 кгс-мм-2
Для подшипников дизельных двигателей
вкладыш толщиной от одного До несколь-
нескольких миллиметров).
Стандарт TGL 14703.
Классификация — табл. 130.
Получение. Путем заливки или наплавки
на стальные подшипниковые обоймы (коль-
(кольца).
Состав — см. 2.2.2.28.
Технические характеристики. Свойства
баббитов при комнатной температуре (в ли-
литом состоянии) [46] — табл. 131.
Применение — см. Классификация.
ТАБЛИЦА 131
Механические
и физические
свойства
Си, КГС-ММ-2
(при растяже-
растяжении) ....
во 2. КГС-ММ-2 .
б, % . ...
Модуль упру-
упругости, кгс-мм-2
о в, кгс-мм-2
(при сжатии) .
Условный пре-
предел текучести
при сжатии.
Odo.01, КГС-ММ
Относительное
сжатие, % • •
Твердость НВ,
кгс-мм-2 . . .
Плотность,
г-см~3 . .
Сплавы
с малым
содержа-
содержанием Sn
без допол-
дополнительных
добавок
7
3
1—4
3000
11
7
23—45
22—23
9,7—10,1
с малым
содержа-
содержанием Sn с
дополни-
дополнительными
Добавками
—
5,3
0,5
5500
15—18
7,5
30—40
26—28
9,7—9,8
в Is
ill
0 0 (Л
8
7
0,6
5000
12—16
9
35
27
7,5
2.2.2.27. Свинцовые сплавы,
отливаемые под давлением
Сплавы, содержащие 4—41 % Sn, 2—
14 % Sb и 1,5—3,5 % Си, которые благода-
благодаря своему химическому составу хорошо от-
отливаются и используются для получения
отливок литьем под давлением; изготавли-
изготавливаются из этих сплавов маховые весы, ма-
маятники, детали измерительных приборов, а
также шрифты.
Стандарт TGL 0-1741.
Классификация:
Свинцовый сплав
литья под давлением
для
97
87
85
59
46
GDPb
GDPb
GDPb
GDPb
GDPb
97
87
85
59
46
2.2.2.29. Магний и магниевые
сплавы. Общие сведения
Классификация: чистый магний (черно-
(черновой магний) — TGL 14711; магниевые де-
деформируемые сплавы — TGL 14729.
2.2.2.30. Чистый магний
Черновой магний с максимальным содерГт*
жаиием примесей до 0,2 %; получают *С
помощью электролиза или термическими ме-
методами.
Стандарт TGL 14711.
Классификация:. Mg 99,9H; Mg 99.8H.
Выплавка й разливка магний и его сплавов
цолжны производиться в условиях защи-
защиты от окисления кислородом воздуха
(плавка под слоем расплава солей, разлив-
разливка в атмосфере SO2).
Состав — см. 2.2.2.32.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Механические свойства. Чистый магний
имеет небольшую прочность при относи-
относительно малом удлинении. В зависимости от
состояния после. обработки (литой, прессо-
прессованный, катаный) значения механических
свойств следующие (ие менее): Со.ог^
«2 кгс-мм-2; Oi»8 кгс-мм-2;. 6io=4:lJ
-f-9%; HB=30-^-40 кгс-мм-2.
б. Коррозионная стойкость. Высокая-
стойкость против действия щелочных сред;
очень высокая стойкость по отношению :К
плавиковой кислоте, низкая стойкость про-
298
a
О
м
ев
и
2
8
и
8
с
8
Е
X
об
OOO-OWIO
I !
! I
I I I I I I I I II I I I
I I I I II I II I I I I
о oo oo
! I
MM
I I I
со ggcogco
I I
I I
88SS00 I I° I 000
о ooo _To
Ц.ЧЧЧЧЧ I II I I I I II II I I I
OOOOOO __^___^^^^_^_^^______
«*^иэю*й щ 10us i *л I
о о О О w о , ~^ , ¦—< •* ~^ ¦¦¦•I ^ I cD 1
00S000 I |o |ooo I I I I е^Я.о - |
OOOOOO o" OOO ' o"°—Г*"
808808 I I о ,ggS I I I I I I I
OOOOOO 00 ® OOO
- ; сч —" •¦— ———— .i —
§§8888 1 2 |5| 000 1 1 1 1 1 1 1
OOOOOO j ° OOO
— -и irsinusin О
°s||||1 7 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1
OOOOOO ^^
«I1I1IIIII'S'III ''''' ' !
21 ^.~_esc5c4 J^ SS oooo<n
^ 888888 I f I§J°°§ Mill I I
? о ooo
CO COCOCOCOCO
о о*о o"o"o"
I I
I I
I I
s
3
I I
I I
g in minus in о
|f та
I I
о ino^omo
ooc
ЮЮИЮО
Г
11 11 1 ITTTTTT 77777 7 T 17 77777
^j in ^Э ^Э US СЧ f^ ^Э ^Э ^^ ^P US CO СЧ SJ US 1П 1П 1П 1П t~~'
Щ
А
>O>OlClS>O
об
CD
Оз ф № О5 О? Об
ОТ 0* С« СП СП СП
ININlOOOoO
=г и S в
к к да оа
к к S о
8 8
Ц
f- S- Й Е
О О @,0,
S S ф О
1а
is a
са са
о о
=к п
о я
ш ч-
о с
t <u
0.0.
« явяя»! г
Cf
1
С
299
ТАБЛИЦА 132
Обозначение
G-MgA116Zn3
G-MgA19Zn
G-MgMn2
MgA13Znl
MgA18Zn
MgMn2
Форма поставки
Литье в песчаные формы
То же; кокильное литье
Литье в песчаные формы
Прессованные заготовки
То же
»
(Тоа, кгс-мм ?
8—12
14—19
1—4
16—23
• 18—27
14—25
Од, КГС ¦ ММ 2
16—22
23—30
7—13
24—30
29—35
21—31
6, %
3—9
7—15
3—9
10—21
8-17
1—11
тив разбавленных кислот, растворов солей,
морской воды; увеличение коррозионной
стойкости может быть достигнуто путем
обработки (методом окунания) в раство-
растворах, образующих слой бихромата. Приме-
са Мп повышают, а примеси Si, Си и Fe
понижают коррозионную стойкость маг-
магния.
Применение. Вследствие малой прочности
по сравнению с чистым алюминием и худ-
худшей коррозионной стойкости чистый маг-
иий почти ие применяется. Он используется
только для получения магниевых сплавов, а
также для термохимических реакций в ка-
качестве восстановителя, рафинирования ме-
металлических расплавов, для расплавляемых
анодов, как легирующая добавка к дру-
другим сплавам.
2.2.2.31. Магниевые сплавы
Магниевые сплавы — это сплавы на ос-
основе магния с различным содержанием А1,
Zn и Мп или Сг, Th и Zr; благодаря свое-
своему химическому составу и структуре имеют
улучшенные технологические свойства по
сравнению с чистым Mg.
Стандарт. TGL' 14729 (содержит только
сплавы типа MgA13Zn и MgA16Zn).
Классификация охватывает сплавы си-
систем Mg—A1—Zn и Mg—Мп (табл. 132),
Получение — см. Чистый магний.
Состав — см. 2.2i2.32.
Технические характеристики
а. Механические свойства. По сравнению
с чистым магнием литые и деформируемые
сплавы магния имеют более высокие ме-
механические свойства (см. классификацию).
б. Обрабатываемость. Магниевые спла-
сплавы хорошо отливаются и исключительно хо-
хорошо поддаются обработке резанием. Они
вполне пригодны для литья под давлением
и при высокой точности отливки мало изна-
изнашивают формы. Поэтому высокая по срав-
сравнению с алюминием стоимость материала
компенсируется меньшими затратами на
обработку.
Термическая обработка. Режимы приве-
приведены ниже:
Отливки
Отжиг для снятия внутренних
напряжений, °С 260
Правка, °С 250—300
Обработка на твердый рас-
раствор, °С (закалка иа воздухе) 390—410
Искусственное старение, °С . 160—200
Деформируемые сплавы
Нагрев перед горячей деформа-
деформацией, °С 250—400
Обработка на твердый раствор,
°С 390—410
Старение, СС 160—200
Применение. Для деталей моторов и кор-
корпусов редукторов, а также для некоторых
несущих деталей автомобилей, мотоцик-
мотоциклов. Сплавы с церием, торием и цирконием
применяются в самолетостроении и произ-
производстве реактивных двигателей.
2.2.2.32. Химический состав магния и магниевых сплавов
ЧЕРНОВОЙ МАГНИЙ (TCL 14711)
Обозначение
Mg99,9H
Mg99,8H
Максимальное содержание допустимых примесей, %
А1
0,02
0,05
Си
0,005
0,02
Fe
0,04
0,05
Мп
0,04
0,1
N1
0,001
0,002
St
0,01
0,05
всего
0,1
0,2
Обозначение
MgA13Zn
MgA16Zn
Al
2,5—3
5,5-7
,3
0
МАГНИЕВЫЕ
СПЛАВЫ
Легирующие элементы, %
Zn
0,5-1,5
0,5—1,5
Мп
0,05—0,
0,05—0,
(TQL
1
4
4
14729)
Mg
Ост.
»
Максимальное содержание
допустимых примесей, %
Si
0,20
0,20
Си 1 прочие
0,05
0,05
0,10
0.1О
300
2.2.2.33. Олово и оловянные сплавы
Чистое олово — TGL 14704; мягкие при-
припои — TGL 14908, лист 2.
2.2.2.34. Чистое олово
Олово с максимальным содержанием при-
примесей 2,2%; вследствие своей малой проч-
прочности практически не используется. По-
Поскольку олово не токсично и отличается вы-
высокой коррозионной стойкостью, его при-
применяют для покрытия стали (белая жесть)
и в качестве легирующего элемента в при-
припоях, бронзах и подшипниковых сплавах.
Стандарт TGL 14704.
Классификация: Sn99,9; Sn 99,75;
Sn 99,565; Sn99; Sn98.
Получение — см. 3.4.
Состав — см. 2.2.2.36.
Технические характеристики—см. 1.7.3.3.
а. Механические свойства. Очень низкая
прочность (os=l,3 кгс-мм-2; Ов=1,5кгсХ
Хмм~2; при высокой пластичности 6 ~60%).
б. Коррозионные свойства. Очень хоро-
хорошая коррозионная стойкость против дей-
ТАБЛИЦА 133
ствия атмосферы и воды благодаря обра-
образованию плотного защитного окисногослоя
с хорошей адгезией с основным металлом,
а также высокая стойкость против воздей-
воздействия разбавленных органических и неор-
неорганических кислот (кроме фосфорной кис-
кислоты). Вследствие этого покрытия из оло-
олова особенно пригодны при производстве
белой жести (консервные банки).
Коррозионная стойкость олова против ки-
кислот с более высокой концентрацией и го-
горячих кислот, а также против концентриро-
концентрированных щелочных растворов существенно
меньше.
2.2.2.35. Мягкие припои
Металлические присадочные материалы
с температурой плавления ниже 450 СС; ис-
используются для получения методом пайки
прочного соединения двух металлических
деталей с более высокой температурой
плавления.
Стандарт TGL 14908, лист 2.
Классификация — табл. 133.
Состав—см. 2.2.2,36.
Применение — см. Классификация.
Тип
Сурьмянистые
оловянные припои
Низкосурьмяни-
Низкосурьмянистые оловянные
припои
Бессурьмянистые
оловянные припои
Обозначение
LSn25Sb
LSn30Sb
LSn33Sb
LSn40Sb
LSn50Sb
LSn60Sb
LSn8 (Sb)
LSn30 (Sb)
LSn33 (Sb)
LSn40 (Sb)
LSn50 (Sb)
LSn60 (Sb)
LSn90 (Sb)
LSn2
LSn50
LSn60
LSn63
Способ пайки
F, T
F, T
F, T, К
F, К
F, T, К
T
Применение
Производство радиаторов, пастооб-
пастообразные припои
Припой для жести, радиаторов
Упаковка из тонких листов, жестя-
жестяные работы
Производство радиаторов, пайка цин-
цинковых листов
Пастообразные припои
Пайка цинковых листов
Лужение
Прецизионная пайка
Упаковка в тонкие листы; электро-
электротехника
Печатные схемы
Примечание. F — газопламенная пайка; Т — пайка погружением; К — пайка под давлением.
2.2.2.36. Химический состав олова и оловянных сплавов
ОЛОВО (TGL W04)
Марка
Sn99,9
Sn99,-75
Sn99,565
Sn99
Sn98
Максимальное содержание допустимых примесей, %
Fe
0,015
0,015
0,020
0,025
0,025
РЬ
0,04
0,25
0,25
1,00
2,00
Си
0,025
0,050
0,030
0,150
0,200
, Sb
0,11
0,20
0,05
0,35
0,65
В1
0,025
0,11
0,05
0,35
0,40
As
0,025
0,050
0,015
0,15
0,20
s
0,01
0,02
всего
0,15
0,30
0,435
1,10
2,20
301
ОЛОВЯННЫЕ ПРИПОИ (TGL 14908)
Марка
Химический состав, %
Sn
Sb
РЬ
Fe
Bi
Сурьмянистые припои
LSn25Sb
LSn30Sb
LSn33Sb
LSn40Sb
LSn50Sb
LSn60Sb
LSn8 (Sb)
LSn30 (Sb)
LSn33 (Sb)
LSn40 (Sb)
LSn50 (Sb)
LSn60 (Sb)
LSn90 (Sb)
24,5—25,5
29,5—30,5
32,5—33,5
49,5—50,5
59,5—60,5
0,2—1,7
0,5—2,0
0,5—2,0
0,5—2,0
0,5—2,0
0,5—2,0
Ост.
Низкосурьмянистые припои
7,5—8,5
29,5—30,5
32,5—33,5
39,5—40,5
49,5—50,5
59,5—60,5
89,5—90,5
0,12—0,5
0,12—0,5
0,12—0,5
0,12—0,5
0,12—0,5
0,12—0,5
0,12—0,5
Ост.
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,10
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
Бессурьмянистые припои
LSn2
LSn50
LSn60
LSn63
1,5—2,5
49,5—50,5
59,5—60,5
62,5—63,5
0,12
0,12
0,12
0,12
Ост.
»
»
»
0,05
0,05
0,05
0,05
0,20
0,20
0,20
0,20
2.2.2.37. Цинк и цинковые сплавы.
Общие сведения
Классификация
Чистый цинк (рафинированный цинк,
черновой цинк, переплав цинка) — TGL
14706.
Цинковые литейные рафинированные
сплавы (рафинированные цинковые спла-
сплавы для литья под давлением; рафини-
рафинированные литейные цинковые сплавы
(литье в кокиль или песчаные формы) —
TGL0-1743.
2.2.2.38. Чистый цинк
Рафинированный цинк с содержанием
^98,7 % Zn (полученный путем дистилля-
дистилляция или электролиза первичного цинка);
черновой цинк, содержащий ^97,5 % Zn
(полученный с помощью дистилляции или
восстановления первичного цинка); пере-
переплав цинка, содержащий > 96 % Zn (по-
(полученный путем переплава лома и отходов
цинка). Эти сорта цинка используют преи-
преимущественно для цинкования стали, для
получения цинковых сплавов, для литья
под давлением, для изготовления полуфаб-
полуфабрикатов из цинка, латуни, а также для по-
получения цинковых соединений.
Стандарт TGL 14706, цинк в чушках и
пластинах; TGL 4714, листы и ленты из
цинка.
Классификация
Черновой цинк .
Переплав цинка
Продолжение
Zn98,5; Zn97,5
U-Zn96,0
Получение—см. 3.4.
Состав—см. 2.2.2.40.
Технические, характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Механические свойства по TGL 4714:
кгЛм
Рафинированный
цинк >12 >50
Черновой цинк 19—26 14—23
НВ
~30
45—48
Рафинированный цинк
Zn99,995;
Zn99,99;
Zn99,97S;
Zn99,95;
Zn99,9; Zn98,7
Вследствие низких температур возврата
и полигонизации (см. 1.10) (комнатная тем-
температура) и рекристаллизации E0—100°С)
эффект деформационного упрочнения при
наклепе ие достигается. Прочность при
повышенных температурах и длительная
прочность цинка мала; прочностные свой-
свойства сильно зависят от температуры. При
температуре ниже 0сС наблюдается охруп-
чивание.
б. Деформируемость. Чистый цинк при
комнатной температуре относительно хру-
хрупок; пластичность заметно повышается с
увеличением, температуры (появляется хо-
хорошая деформируемость). У текстурирован-
ных листов деформируемость зависит от
направления (сильная анизотропия).
в. Коррозионная стойкость. Благодаря
образованию плотного поверхностного слоя •
карбоната цинка коррозионная стойкость
цинка в атмосфере и в аэрированной воде,
высокая. Сопротивление химическому воз-
воздействию в различных средах при рН от 7
до 12,5 также высокое.
В кислых и сильно щелочных средах кор-
коррозия происходит главным образом под
действием водорода. Другие коррозионные
302
ТА БЛИЦА 134
Название
Цинковые рафинированные
сплавы для литья под давле-
давлением
Цинковые литейные рафиниро-
рафинированные сплавы
То же
Марка
GDZnA14
GDZnAl4Cul
GZnA14Cul
GkZnA14Cul
GZnAl6Cul
GkZnA16Cul
Примеры применения
Отливки всех видов, особенно при
повышенных требованиях к постоян-
постоянству размеров
Отливки всех видов, подшипники,
червячные колеса и другие детали,
работающие в условиях трения
скольжения
То же
Изделия сложной формы, отливка
которых из других сплавов представ-
представляет трудности
явления: точечная (сквозная) коррозия
при контакте с благородными металлами;
интеркристаллитная коррозия при одно-
одновременном присутствии двух или нескольких
примесных элементов таких, как А1, РЬ,
Cd, Sn, Bi.
Применение. Рафинированный цинк —
для холодного выдавливания, обработки
давлением, вытяжки и чеканки. Черновой
цинк — для жестяных работ, обработки
давлением и простой вытяжки.
2.2.2.39. Цинковые литейные
рафинированные сплавы
Сплавы на основе цинка, содержащие
3,5—6,0 % А1, максимально 1,6 % Си и
0,05 % Mg; благодаря такому химическому
составу исключительно пригодны для литья
под давлением. Они также пригодны для
отливки в кокиль или песчаные формы.
Стандарт TGL 0-1743.
Классификация — табл. 134.
Получение. Плавка в печах с газовым и
мазутным нагревом и в индукционных пе-
печах при точном контроле температуры, в
условиях безокислительной атмосферы пе-
печи. Возможна покровная защита жидкого
металла слоем хлористого аммония.
Состав — см. 2.2.2.40.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Механические свойства приведены в
TGL 0-1743 (предельные значения) —табл.
135.
ТАБЛИЦА 135
Сплавы
Рафинирован-
Рафинированные для литья
под давлением
Литейные ра-
рафинированные
кгс-мм '
23-27
18-22
б. %
1,5-2,0
1,0-1.5
НВ,
КГС-ММ "
70-80
70-80
б. Способность к литью под давлением
исключительно хорошая; из этих сплавов
можно получать очень точные по размерам
со сложным очертанием контуров отливки
с толщиной стенки порядка 0,6 мм.
в. Коррозионные свойства — см. Чистый
цинк.
Применение — см. Классификация.
Для изготовления мелких деталей в ав-
автомобилестроении, других отраслях маши-
машиностроения и аппаратостроения, для кото-
которых требования по прочности не превыша-
превышают значений, приведенных выше. Высокая
экономичность благодаря отсутствию необ-
необходимости в окончательной обработке
(точное литье, хорошая поверхность, хоро-
хорошая воспроизводимость размеров, соосность
отверстий, легкость нанесения резьбы); вы-
высокая степень использования форм (малая
их изнашиваемость)-.
2.2.2.40. Химический состав цинка и цинковых сплавов
Марка
Легирующие элементы, %
А1
Си
Zn
Максимальное содержание допустимых примесей.
Pb
Sn
Fe |pb+Cd| Mg | Cd | Cu
Цинк (TGL 14706)
Zn99,995
Zn99,99.
Zfi99,975
Zri99,95
Zn99,9
Zn98,7-
Zn98,5
Zn97,5
Al—Zn96,0
—
—
—
—
—
—
—
—-
_
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
-—
>99,995
>99,99
>99,975
>99,95
>99,9
>98,7
>98,5
>97,5
>96,0
0,003
0,005
0,015
0,02
0,05
1,2
1,4
2,3
1,8
0,001
0,001
0,001
0,001
0,002
0,005
0,005
0,1
1,0
0,002
0,003
0,007
0,015
0,04
0,05
0,05
0,10
0,40
—
—
_
—
—
—
0,002
0,003
0,005
0,014
0,02
0,20
0,20
0,20
0,30
0,001
0,001
0,001
0,002
0,002
0,005
0,020
0,05
0,5
303
Продолжение
Марка
GD-ZnA14
GD-ZnA14Cul
G-ZnA14Cul
GK-ZnA14Cul
G-ZnA16Cul
GK-ZnA16Cul
Легирующие
Al
3,5—
-4,3
3,5—
-4,3
5,6—
—6,0
Си |
элементы, %
Mg | Zn
Сплавы цинковые j
0-0,6
0,6—
-1,0
1,2-
-1,6
0,02—
—0,05
0,02—
—0,05
Ост.
*
Максимальное
Pb
Su
содержание допустимых примесей, %
Fe
Pb+Cd
питейные (TGL 0-1743)
—
0,001
O'.OOl
0,001
0,075
0,075
0,075
0,011
0,011
0,008
Mg |
—
0,005
Cd | Cu
—
—
2.2.2.41. Никель и никелевые
сплавы
Классификация ¦
Чистый никель:
а) электролитический (электролитический
никель высокой чистоты), TGL 10409;
б) никелевые аноды для гальванотехни-
гальванотехники — катаные, электролитические, TGL
10257;
в) чистый никель для электронных ламп
и ламп накаливания, TGL 8251.
Никелевые сплавы
а) коррозионностойкие и жаростойкие;
б) для электронных ламп и ламп накали-
накаливания, TGL 8251;
в) специального назначения TGL 1062.
2.2.2.42. Чистый никель
Сорта никеля, чаще всего содержащие бо-
более 99 % Ni; благодаря высокой степени
чистоты используются в электронных лам-
лампах и лампах накаливания, в гальванотех-
гальванотехнике, в качестве легирующих добавок для
высококачественных сталей и в высокова-
высоковакуумной технике.
Классификация — табл. 136.
Получение — см. 3.4.
Состав — см. 2.2.2.44.
Технические характеристики (см. 1.7.3.3)
а. Прочность при растяжении. В отож-
отожженном состоянии равна примерно 40
кгс-мм~2; возможно сильное деформацион-
деформационное упрочнение в результате холодного на-
наклепа.
б. Деформируемость. Горячая деформа-
деформация в результате образования по границам
зерен жидкой эвтектики Ni—S часто вызы-
вызывает затруднения (красноломкость); на хо-
холодную деформацию неблагоприятно вли-
влияет образующаяся в процессе металлурги-
металлургического передела окись никеля, располага-
располагающаяся по границам зерен. Улучшение де-
деформируемости достигается введением в
плавку никеля малых количеств Mg, Mn,
Ti, Се или Si (образование тугоплавких
сульфидов и окислов, рафинирование ни-
никеля от серы и кислорода).
в. Коррозионная стойкость. Чистый ни-
никель стоек против неокисляющих, не очень
сильных кислот, растворов солей, едких
щелочей, слабой соляной кислоты, хлорсо-
держащих химикатов и некоторых раство-
растворителей.
Термическая обработка — смягчающий
отжиг при температуре выше 600 °С.
Применение — см. Классификация.
ТА БЛИЦА 136
Сорт
Электролитический никель вы-
высокой чистоты
Другие сорта электролитиче-
электролитического никеля
Никелевые аноды для гальва-
гальванических электролитов катаные
То же, электролитические
Чистый никель для электрон-
электронных ламп и ламп накаливания
Обозначение
Е-№99,99
E-Ni99,9
Е-№99,8
E-Ni99,8Co
Ni99,2;
Ni99,2SiC
E-Ni99,8Co
№99,99; №99,9
№99
Применение
Высоковакуумная техника
То же, и стали для реакторов
Качественные стали, реакторные ста-
стали, гальванотехника
Легированные стали и сплавы, галь-
гальванотехника -
Для никелирования деталей
То же
Пассивный материал, катоды для
специальных ламп
Ножки электронных ламп, детали и
электроды ламп накаливания, детали
вакуумной техники
304
ТА БЛИЦА 1ST
Сорт
Коррозионностойкие
и жаропрочные сплавы
Никелевые сплавы для
электронных ламп и
ламп накаливании
Никелевые сплавы спе-
специального назначения
Марка сплава
NiCu30Fe
NiMo30Fe
NiMol8Crl6Fe
NiCr20
№Crl5Fe
NiCr35
NiCr20TiAl
NiMgO,03;
Применение
Нефтехимические установки, серная кислота
Химические установки, соляная, серная,
плавиковая, фосфорная кислоты
Химические установки, хромовая и плави-
плавиковая кислоты, растворы отбеливателей и
хлорида железа
Окислительные среды, электронагреватели
(сплавы типа нихром)
Нефтехимические установки, окалиностой-
кие сплавы, электроды для печных соляных
ванн
Стойкие против азотной кислоты
Высокая жаропрочность, в частности высо-
высокая длительная прочность до 800 °С
NiMgO,O5, NiMg0,07; NiMgO, 10: NiMgO,03m;
NiMg0,05m; NiMg0,07m; NiMgO.lOm; NiMgO,05Co;
NiMgO, lOCo;
NiMnO,7
NiMn4
NiCu32
NiMnl, NiMn2; NiW2Zr; NiW4Zr, NiW4; NiW7;
NiA10,50; NiSiO,25
Для зубопротезирования
Электроды для свечей зажигания
Сварочная электродная проволока
2.2.2.43. Никелевые сплавы
Сплавы, содержащие обычно более 60—
70 % Ni, в которые с целью получения вы-
высокой коррозионной стойкости, окалиностой-
кости, жаропрочности и большего срока
службы электронных ламп введены различ-
различные количества Сг, Mo, Fe, Cu, Mn, Si, Mg,
Ti_ Al, W и других элементов.
Классификация — табл. 137.
Состав — см. 2.2.2.44.
Технические характеристики (см.
1.7.3.3). .
а. Механические свойства. Для жаропроч-
жаропрочных и коррозионностойких сплавов в зави-
зависимости от обработки и химического соста-
состава достигаются следующие предельные зна-
значения (при комнатной температуре) меха-
мехач при
нических свойств (по Бейеру): <7о,2=16-г-80
кгс-мм-2; 0в=4О-н115 кгс-мм~2; ак=
= 2-=-11 кгс-м-см-г; Одл за 1000
800°С=9*13 кгсмм-2.
При соответствующих добавках Ti и А1
никель и никельхромовые сплавы становят-
становятся дисперсионно твердеющими (сплавы ти-
типа нимоник).
б. Окалиностойкость и коррозионная
стойкость. Сплавы Ni—Сг, содержащие бо-
более 15 % Сг, в результате образования
плотных (с хорошей адгезией) слоев
Сг2О3 являются окалиностойкими до 1200 СС
и коррозионностойкими в окислительных
средах. Сплавы Ni—Mo и Ni—Сг—Mo из-
за выделений интерметаллических фаз по
границам зерен имеют склонность к меж-
кристаллитной коррозии (см. 1.11.10).
2.2.2.44. Химический состав никеля и никелевых сплавов
Электролитический никель по TGL 10409
Обозначение
E-Ni99,99
E-Ni99,93
E-Ni99,8
Ni, %
>99,99
»99,93
>99,8
Максимальное содержание допустимых примесей, %
Со
0,005
0,10
0,1
с
0,005
0,01
И.о.
Mg
0,001
0,001
И.о.
А>'
0,001
И.о.
»
Si
0,001
0.002
Н.о.
р
0,001
0,001
И.о.
S
0,001
0,001
0,005
Мп
0,001
Н.о.
»
Обозначение
Е-№99,99
Е-№99,93
Е-№99,8
Fe
0,002
0,01
0,05
0
0
0
Си
,001
,02
,02
0
0
0
Zn
,001
,001
,04
As
0,0011
0,001
Н.о.
0
0
Си
,0003
,001
Н.о.
0
0
Sn
,0003
,001
И.о.
Sb
0,0003
0,001
И.о.
Продолжение
Pb
0,0003
0,001
0,02
Bi
0,0003
0,001
И.о.
Примечание. Н. о. — не определяется.
20—140
305
Некоторые коррозионпостойкие и жаропрочные никелевые сплавы
Обозначение
NiCu30Fe
NiMo30Fe
NiMol8Crl6Fe
NiCr20
NiCrl5Fe
NiCr35
NiCi20TiAl
Ni
63—70
Oct.
»
»
»
»
»
Cr
15—17
19—21
14—17
35—37
19—21
Mo
26—30
16—18
*
3-4
Fe
2,5
4—7
4—7
1
6—10
0,5
0,5
Cu
Oct.
¦ —
1.0
Mn
1.5
1,0
1,0
0.5
—
si
0,5
1,0
1,0
1.0
1 " '
w
_
4.0
—
6,0
Ti
—
—
—
2,5
Al
_
—
—
—
—
—
1,5
2.3. ДОМЕННЫЙ (ПЕРЕДЕЛЬНЫЙ)
ЧУГУН
Продукт доменной плавки, содержащий
93—95 % Fe, 3,5—4,5 % С и большое число
других металлических и неметаллических
сопутствующих элементов.
Подавляющая часть доменного чугуна
перерабатывается (с помощью различных
методов рафинирования) в сталь. Доменный
чугун является также шихтовым материа-
материалом при получении литейного чугуна (см.
5.0).
Классификация, применение
— Мартеновский передельный чугун —
для производства стали, например при мар-
мартеновском, процессе или LD-процессе (кон-
(конверторный процесс с верхним кислородным
дутьем).
— Томасовский передельный чугун — для
производства стали, например при томасов-
ском, LDAC-, Калдо- QEK-процессах.
— Бессемеровский передельный чугун —
для производства стали в бессемеровском
конвекторе. ;
— Гематитовый передельный чугун —
для получения литейного чугуна.
— Литейный передельный чугун — для
получения литейного чугуна.
— Зеркальный чугун — в качестве леги-
легирующей добавки (содержит Mnl), например
при томасовском процессе.
— Состав — данные для различных сор-
сортов передельного чугуна — см. в работе
[77] и табл. 138.
Сорта передельного чугуна, стандартизи-
стандартизированные в ГДР, приведены .в табл. 139,
ТА БЛИЦА 138
Сорт чугуна
Томасовский пе-
передельный
Мартеновский пе-
передельный
Бессемеровский
передельный
Гематитный пере-
передельный
Литейный пере-
передельный:
сорт А
» 1
» 2
» 3
» 4
» 5
Зеркальный
Вид излома
Белый
»
Серый
»
Серый
»
»
»
3
3
3
3,
3,
3,
3,
3,
3,
3,
4,
с
2—3
8—4
5—4
5—4
2-4
1-4,
1-4,
1-4,
1-4,
1-4,
0—5,
,0
,5
0
2
2
2
2
2
2
2
0
0
0
2
3
2,
2
1
1.
Si
,3-0
,6-1,
<1,5
,0-2,
3,75
2—3,
7—3,
2-2,
7-2,
2-1,
1,0
Содержание
5
2
5
7
2
7
2
7
0
2
0
0,
о,
о,
о,
о,
о,
6,
Мп
,8-1
.0—5
<1,0
7—1
5-1
5-1
5-1
5-1
5-1
5-1,
0—3(
% (по массе)
,2
,0
,5
5
5
5
5
5
5
),0
1
0,
0,
0
0
0
0
0
0
0
р
,8-2
08—0
,0
,2
<0,09
08—0
,1-1
,1-1,
,1-1,
,1-1,
,1-1.
,1-1,
,1-0,
12
2
2
2
2
2
2
15
0
0
0
0
0
о
о
о,
S
,05—0,08
,03—0,05
<0,05
<0,04
04—0,06
04—0,06
04—0,06
04—0,06
04—0,06
04—0.06
<0,04
306
еэ
О
со
ев
о
X -
IP
It
It
55 u
?Q О '
I:
В I
S
S ¦._
4 I
^ S
еч С:
20*
I I
OO
1 ' S
К
!l
о"
о
I
I I
ю
о
ю
о
8
i i i
ю
о
ю
о
ю
о
ю
о
i i i
i i i
i i
f
<N
о
i i ?
I I
СО
о
« « :
СО
о
1 « i
2 2
ю ю
со" (О
3 I
о
in
о
СО
о
in
о о
—. «О —'
<N CN
ю «л оо об
1Л
о о
Т I
о
о о
о о
1 Л о i
оо оо
ill
ill
S
ю
ОО
Л ю
о
оо
3
1
VI арка
! I II 1°-
Ю I ЛО ОО
о" осо о5е>Г
сч с^
оо
Г- Г".
оо
оо
ю
<NCO
оо-
— _
оо
«NCN
ОО
оо
оо
сою
оо
SB
оо
CNtN
оо
feo
оо
ою
NO
sg
Оо
о-о- "II
юю юю ющ
оо оо оо
1 1
ою юю юю
— о —— ——
«NCO
сГо о о оо"
fit *s fit fit fit
OO OO
(Nl-T
I I I I
о о o_o
ocTco oo"oo
Tim
~ i -о О
™ « ™осГ о"
I I I I I
ою оо о
oTob" a'to cs
8Й Я
оо 212 сч"л
^й о?ё аё
3 3 3 3 3 3
оо оо оо
307
ТАБЛИЦА 139
Сорт передельного
чугуна
Мартеновский пе-
передельный чугун
TGL7977
Литейный пере-
передельный чугун
TGL 14319
Специальный пе-
передельный чугун
для литейного
производства
TLG 1873
Условное
обозначе-
обозначение
Ml
М2
GR0
GRI
GR2
GR3
GR4
GR5
SRM0*i
SRM1**
SRM2**
SRM3**
SRM4**
SRM5*i
SRCg*2
SRCw*s
SRHg**
SRHw*S
Химический состав,
Si
0,76-1,25
0,75
>3,75
2,26-3,75
2,76-3,25
2,26-2,75
1,76-2,25
1,26-1,75
3,75
3,25-3,75
2,75-3,25
2,25-2,75
1,75-2,25
1,25-1,75
1,25-1,75
0,3-0,8
1,5-2,0
<0,5
Mn
группа 1
<0,50
<0,50
<0,50
<0,50
<0,50
<0,50
<0,50
<0,50
1,50-2,50
1,50-2,50
1,50-2,50
1,50-2,50
1,50-2,50
1,50-2,50
0,5-1,0
0,5-1,0
0,2-0,4
0,2-0,4
группа 2
0,51-1,06
0,51-1,06
0,51-1,00
0,51-1,00
0,51-1,00
0.5Ы.00
0,51-1,00
0,51-1,00
2,50-3,50
2,50-3,50
2,50-3,50
2,50-3,50
2,50-3,50
2,50-3,50
1,0-1,5
1,0-1,5
0,4-0,8
<0,5
группа 3
1,03-1,75
1,03-1,75
1,01-1,50
1,01-1,50
1,01-1,50
1,01-1,50
1,01-1,50
1,01-1,50
3,50-4,50
3,50-4,50
3,50-4,50
3,50-4,50
3,50-4,50
3,50-4,50
—
группа 1
<0,15
<0,15
0,11-0,15
0,11-0,15
0,11-0,15
0,11-0,15
0,11-0,15
0,11-0,15
<0,15
<0,15
<0,15
<0,15
<0,15
<0,15
<0,06
<0,06
—
—
•• Мелкозернистый чугун с высоким содержанием Mn(SRM).
м Ннзкоуглеродистый специальный передельный чугун, серый (SRCg),
•' Ннзкоуглеродистый специальный передельный чугун, белый (SRCw).
•* Высокоуглеродистый специальный передельный чугун, серый (SRHg).
•s Высокоуглеродистый специальный передельный чугун, белый (SRHw).
2.4. ФЕРРОСПЛАВЫ И ЛЕГИРУЮЩИЕ
ДОБАВКИ (ЭЛЕМЕНТЫ)
Соединения легирующих элементов с же-
железом, чистые легирующие элементы и их
соединения, которые получают из соответ-
соответствующих руд или концентратов путем вос-
восстановления углеродом, кремнием и алю-
алюминием или электролизом и которые при-
применяются главным образом при произвол-,
стве легированных сталей с улучшенными
свойствами и.для рафинирующей обработ-
обработки при выплавке стали. Ферросплавы и ле-
легирующие добавки применяют и при полу-
получении литейных чугунов и цветных металлов.
Классификация
Ферросплавы: ферросилиций, ферромар-
ферромарганец, феррохром, ферроникель, ферроволь-
ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, фер-
ротитан, ферроцирконий, феррониобий,
ферробор, феррофосфор, ферроалюминий,
феррокобальт.
Легирующие и рафинирующие добавки:
силикокальций, силикохром, силикомарга-
нец, силикоалюминнй, снликоцирконий, ме-
металлический кремний, металлический марга-
марганец, металлический хром, алюминий, сили-
комедь.
Стандарт TGL 6782 «Ферросплавы».
Ферросплавы и легирующие добавки вы-
выплавляют главным образом из их окисных
соединений с помощью следующих методов:
1) восстановление углеродом в шахтных
"печах — восстановление руды в шахтных
печах (например, в доменной) с помощью
кокса. Например, получение FeSi с макси-
максимальным содержанием 15 % Si или FeMn
в доменной печи;
2) восстановление углеродом в электро-
электропечах — восстановление руды в электропе-
электропечи с помощью кокса, например получение
углеродистого FeCr или углеродистого
FeMn;
3) силикоэлектротермия — восстановление
руды, в электропечи с помощью Si (в виде
соединений SiCr, SiMn), например получе-
получение малоуглеродистого или безуглеродисто-
безуглеродистого FeMn;
4) алюминотермия — восстановление ру-
руды в тигле одноразового применения (сго-
(сгораемом) с помощью алюминиевой крупки,
например для получения FeCr или металли-
металлического хрома;
5) электролиз — выделение металла из
водного раствора (например, Ми) или из
расплава (например, А1).
308
% (по массе)
F
группа 2
<0.20
<0,20
0s16-0,30
0,16-0.30
0,16-0,30
0,16-0,30
0,16-0,30
0,16-0,30
0,15-0,20
0,15-0,20
0,15-0,20
0,15-0,20
0,15-0,20
0,15-0,20
0,06-0,15
0,06-0,15
0,06-0,15
<O,15
группа 3
<0,30
<0,30
0,31-0,70
0,31-0,70
0,31-0,70
0,31-0,70
0,31-0,70
0,31-0,70
0,20-0,25
0,20-0,25
0,20-0,25
0,20-0,25
0,20-0,25
0,20-0,25
0,15-0,30
—
группа 4
_
—
0,71-
1,20
0,71-
1,20
0,71-
1,20
0,71-
1,20
0,71-
1,20
0,71-
1,20
—
S
группа 1
<0,030
<0,030
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
группа 2
<0,050
<0,050
<0,06
<0,06
<0,06
<0,06
<0,06
<0,06
—
группа 3
<0,055
<0,055
—
—
—
группа 4
<0,060
<0,060
—
грунпа 5
<0,070
<0,070
—
С
группа 1
_
—
3,10-3,50
3,10-3,50
3,10-3,50
3,10-3,50
3,10-3,50
3,10-3,50
2,80-3,40
2,80-3,40
2,80-3,40
2,80-3,40
2,80-3,40
2,80-3,40
2,4-2.8
2,4-2,8
3,8-4,2
3,8-4,2
группа 2
_
—
3-51-
4,20
3,51-
4,20
3,51-
4,20
3,51-
4,20
3,51-
4,20
3,51-
4,20
—
—
—
—
—
—
2.4.1. Ферросилиций
и металлический кремний
Стандарт TGL 6782, лист 2.
Классификация и состав — табл. 140.
Применение. Ферросилиций применяется в
сталеплавильном производстве в качестве
раскислителя и дегазирующего средства, а
также для довосстановления шлака; в ка-
качестве легирующего элемента для получе-
получения высококремнистых сталей (например,
электротехнических); при плавке'литейного
чугуна для получения серой макрострукту-
макроструктуры; для легирования сталей и сплавов с
целью повышения их жаростойкости и кор-
коррозионной стойкости.
ТА БЛИЦА 140
2.4.2. Ферромарганец
Стандарт TGL 6782, лист 3.
Классификация и состав — табл. 141.
Применение. В качестве раскислителя и
для легировании марганецсодержащих ста-
сталей.
2.4.3. Феррохром
и металлический хром
Стандарт TGL 6782, лист 4.
Классификация и состав — табл. 142.
Применение. FeCr углеродистый — для
легирования нержавеющих сталей; FeCr
Марка
Si98 (Si—металличес-
(Si—металлический)
FeSi95
FeSi90
FeSi75-0,5
FeSi75-l,8
FeSi75-3,0
FeSi45-0,5
FeSi45-l,3
Si
>96,01
94—96
87—94
72—78
72—78
72—78
40—47
40—47
Mn
«0,1
«0,1
«0,5
<0,8
«0,8
«0,8
<1 0
<1.0
Содержание, % (по массе)
Al
<1,5
«1,5
<2,5
«0,5
«1,8
<3,0
<0,5
<1,3
Cr
—
«0,20
«0,50
<0,50
<0,50
<0,60
<0,60
p
—
<0,04
<0,05
«0,05
<0,05
<0,05
«0,05
s
—
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
<0,04
Fe
<2,8
Oct.
»
*
309
ТАБЛИЦА 141
Сорт
FeMn углеро-
углеродистый
FeMn средне-
углеродистый
FeMn безугле-
безуглеродистый
Марка
FeMnC7A
FeMnC7B
FeMnC2
FeMnCl,5
FeMnCl,3
FeMnC0,5
FeMnC0,2
Содержание, % (по массе)
Mn
>70
>73
>80
>75
>80
>80
>90
с
5—7
5-7
<2,0
<1,5
<1,3
<0,5
<0,2
si
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0 '
<2,0
<1,5
Cr
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,b
p
<0,5
<0,5
<0,35
<0,35
<0,18
<0,2
<0,05
s
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,04
Fe
Oct.
»
»
»
»
»
»
ТА БЛИЦА
Сорт
Металличес-
Металлический хром
FeCr безут-
леродистый
FeCr средне-
углеродис-
углеродистый
FeCr углеро-
углеродистый
Для литья
Силикохром
142
Марка
Сг98
Сг97
FeCr
СО, 02
С0.04
СО/05
СО, 06
С0.08
СО, 10
СО, 12
СО, 15
СО, 20
СО, 30
СО, 60
FeCr
С1.0
С1.5
С2,0
С4.0
FeCr
С6.5
С8.0
С10.0
FeCr
Si 10
SiCr
С0.1
Содержание*, % (no массе)
Cr
>97,5
>96,5
>60
>60
>60
>60
>60
>60
>60
>60
>60
>60
>60
»6Q
>60
>60
>60
>eo
>60
>60
>58
>28
с
<0,03
<0,06
<0,02
<0,04
0,04—0,05
0,05—0,06
0,06—0,08
0,08—0,10
0,10—0,12
0,13—0,15
0,16—0,20
0,21—0,30
0,31—0,50
0,51—1,0
1,01—1,50
1,51—2,00
2,01—4,0
4,01—6,50
6,51—8,00
8,01—10,0
4,0-8,5
<0,10
Si
<0,5
<0,5
<2,0
<2,5
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
<2,0
—
—
Mn
<0,5
<0,5
<0,8
<0.8
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<0,5
<4,0
<2,5
Ai ~
<0,8
<1,5
<0,8
<0,8
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
<0,15
p
<0,03
<0,05
<0,03
<0,035
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
s
<0,03
<0,05
<0,010
<0,07
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,03
<0,10
<0,10
<0,10
<0,10
<0,10
<0,08
<0,08
<0,08
<0,02
• Остальное Ее.
среднеуглеродистый и безуглеродистый —
для легирования конструкционных ста-
сталей, быстрорежущих сталей, сталей для
горячих штампов, подшипниковых, некото-
некоторых нержавеющих и жаростойких сталей;
силикохром — для довосстановления хром-
содержащих шлаков; металлический хром—
для сплавов с малым содержанием железа;
FeCr для литейных целей — для легирова-
легирования чугуна.
2.4.4. Ферротитан
Стандарт TGL 6782, лист 5.
Состав — табл. 143.
Применение. Главным образом для леги-
легирования аустенитных нержавеющих Сг—
Ni сталей с целью уменьшения склонности
к межкристаллитной коррозии и образова-
образованию сварочных трещин; в литейных чугу-
нах — для улучшения механических
свойств.
310
ТА БЛИЦА 143
Марка
FeTi40
FeTi35
FeTi30
FeTi25
FeTi20
Содержание, % (по массе)
Ti
>40
>35
>30
>25
>20
с
<0,15
<0,15
<0,15
<0,15
<9,20
Si
<4,0
<5,0
<5,0
<3,5
<6,0
• Al
<9,0
<8,0
<8,0
<8,0
<8,0
p
hhhhh
ppooo
oooiSS
s
ОООЮО
©"o'o'o'o
V V V V V
Cu
<3,0
<3,0
<3,0
<3,0
<3,0
Fe
Oct.
2.4.5. Ферровольфрам
Стандарт TGL 6782, лист 6.
Состав — табл. 144.
та, повышение коррозионной стойкости);
магнитных сплавов; конструкционных ста-
сталей; высоколегированных презицнонных
сплавов.
ТА БЛИЦА
Марка
FeW80A
FeW80B
FeW70A
FeW70B
FeW65
144
w
>80
>80
>70
>70
>65
Mn
<0,5
<0,7
<0,2
<0,5
<0,2
Si
<0,3
<0,8
<0,4
<l,0
<0,4
с
<0,2
<l,0
<0,2
<0,7
<0,l
Содержание*, % (nc
P
<0,03
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
s
<0,05
<0,1
<0,08
<0,10
<0,08
массе)
Cu
<0,10
<0,25
<0,15
<0,20
<0,25
As
<0,05
<0,08
<0,05
<0,08
<0,05
Sn
<0,10
<0,10
<0,10
<0,15
<0,10
Al
<0,1
<0,1
<0,5
<0,8
<0,8
• Остальное Fe.
Применение. Для легирования специаль-
специальных сталей с целью образования стабиль-
стабильных карбидов (быстрорежущие, инструмен-
инструментальные магнитные стали); в чугунах для
повышения прочностных свойств.
2.4.6. Ферроникель
Стандарт TGL 6782, лист 7.
Состав — табл. 145.
Применение. Преимущественно для леги-
легирования при производстве нержавеющих и
жаропрочных сталей (образование аустени-
ТАБЛИЦА 145
2А.7. Силикомедь
(кремнистая медь)
Стандарт TGL 6782, лист 8.
Состав — табл. 146.
ТА БЛИЦА 146
Марка
CuSilO
CuSilOA
CuSilOB
Содержание, % (no массе)
Cu
>10
Cu+Si
>98
>95
>93
Fe
<2J5
<3,5
Al
<0,5
<0,8
Ca
moo m
o"o"—
VVV
Марка
FeNi50
FeNi30
Содержание, % (по массе)
Ni+Co
>48
>28
с
<0,015
<0,015
Cu
СЯСЯ
oo*
V/V/
s 1
<0,2
<0,2
Fe
Oct.
2.4.8. Силикомарганец
Стандарт TGL 6782, лист 9.
Состав—табл. 147.
Применение. Раскислитель в сталепла-
сталеплавильном производстве; при его применении
образуются легкоплавкие продукты раскис-
раскисления.
ТАБЛИЦА 147
Марка
SiMnCl
SiMnCl, 75
SiMnC2,5
Mn
hi
Si \
20—24 -
17—19,9
14—16,9
Содержание*, % (по массе)
С
<1J5
<2,5
Cr
hhh
ooo
СЛСЛСЛ
p
<0,'2
S
<0,03
<0,03
<0,03
* Остальное Fe.
311
2.49. Феррофосфор
Стандарт TGL 6782, лист 10.
Состав — табл. 148.
Применение. Прн изготовлении сложных
отливок из литейного чугуна (повышенные
требования к прочностным свойствам), для
повышения жидкотекучести.
ТА БЛИЦА
Марка
FePIS—3
FeP15—10
FeP20—3
FeP20—10
MS
Содержание*, %
P
»15
>15
>20
>20
с
<1,5
<1,5
<1,5
<1,5
Si
<3
<10
<3
<10
(по массе)
Mn
<5
<5
<5
<5
s
<0,3
<0,3
<0,3
<0,3
• Остальное Fe.
2.4.10. Феррованадий
Стандарт TGL 6782, лист 11.
Состав—табл. 149.
Применение. При выплавке быстрорежу-
быстрорежущих, конструкционных, инструментальных
сталей (измельчение зерна, улучшение вяз-
вязкости и получение более дисперсной струк-
структуры).
2.4.12. Ферромолибден
Стандарт TGL 6782, лист 13.
Состав — табл. 151.
Применение. Легирование при выплавке
быстрорежущих, инструментальных, не-
нержавеющих сталей (улучшается прокали-
ваемость, жаропрочность, длительная проч-
прочность, а также коррозионная стойкость Сг
и Cr—Ni сталей).
ТАБЛИЦА 151
Марка
FeMo50-l
FeMo50-0,5
Содержание*,«
С | Си
<0,2
<0,1
<2,0
<0,8
/0 (по массе)
А1
<1,5
<0,8
S1
<1,0
<0,5
Продолжение табл. 151
Марка
FeMo50-l
FeMo50-0,5
Содержание*, "
Р
<0,1
<0,1
Sb
<1
<0,05
/„ (по массе)
Sn
<1
<0,05
s
<0,5
<0,1
*> Б0 % Мо; остальное Fe.
ТА БЛИЦА
Марка
FeV75A
FeV75B
FeV60
FeV50A
FeV50B
FeV40
149
Содержание*, % (по массе)
V
»75
»75
>60
>50
>50
>40
с
<0,10
<0,15
<0,20
<0,50
<0,50
<0,75
Mn
<0,4
<0,6
<0,4
<0,2
<0,2
<0,6
Si
<0,8
<o,m
<0,12
<2,0
<1,5
<2,5
Cu
<0,l
<0,l
<0,2
<0,2
<0,2
<0,3
As
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
<0,05
Al
<2,0
<2,5
<2,5
<2,5
<0,5
<0,5
p
<0,05
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
s
<0,05
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
Sn
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
<0,l
* Остальное Fe.
2.4.11. Силикокальций
Стандарт TGL 6782, лист 12.
Состав — табл. 150.
Применение. Раскислитель в сталепла-
сталеплавильном производстве; образует легкоплав-
легкоплавкие продукты раскисления.
ТА БЛИЦА 150
Марка
CaSi20
CaSi25
Содержание*, % (по массе)
Са
>20
>25
Ca+Si
>75
>85
AI
<3,0
<2,5
р
<0,05
<0,05
S
<0,04
<0,04
• Остальное Fe.
2.4.13. Металлический
марганец
(азотированный)
Стандарт TGL 6782, лист 15.
Состав Мп—А, % (по массе): ^6,0 N;
<;0,10 С; <0,10 S; ^0,10 Р; примеси
^0,30; Мп остальное.
Применение. При производстве азотсо-
азотсодержащих сталей.
2.4.14. Металлический
марганец
Стандарт TGL 6782, лист 16.
Состав — табл 152.
Применение. В сталеплавильном произ-
производстве (см, 2A3.),
312
ТА БЛИЦА
Марка
Мп-00
Мп-0
Мп-0
Мп-0
752
Мп
>99,95
>99,70
»95,00
»93,00
Si
<0,80
<1,80
Содержание, % (по
С
<0,02
<0,Ю
<0,Ю
<0,20
р
<0,005
<0,010
<0,050
<0,070
массе)
S
<0,01
<0,10
<0,05
<0,05
Fe
<2,50
<3,00
Евредных
элементов
<0,50
<0,30
<5,0
<7,00
2.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
2.5.1. Общий обзор
(см. рис. 2.11)
Полупроводник
1
1
Электронные
полупроводники
i
Электронно-нонные
полупроводники
Проводники с
собственной проводимостью
(i -проводимость)
Ионные
полупроводники
\
Полупроводники
с примесной проводимостью
1
Полупроводники
с избытком электронов
(и-проводимость)
Полупроводники с
недостатком электронов
(р-проводимость)
Рис. 2.11
2.5.2. Возможная
классификация по основным
принципам применения
1. Объемные полупроводниковые элемен-
элементы (используется весь объем полупровод-
полупроводника).
2. Полупроводниковые элементы с запи-
запирающим слоем (используется запирающий
слой).
ТАБЛИЦА 153
2.5.3. Некоторые
полупроводниковые
элементы и физические
эффекты, определяющие
их применение (табл. 153)
Полупроводниковый элемент
Сопротивление, зависящее
от магнитного поля
Генератор Холла
Тензодатчик
Фотосопротивление
Микроволновой усилитель
Материал
lnSb
InSb, InAs
Ge, Si
CdSe, CdS
GaAs
Используемый эффект
Эффект Холла
То же
Пьезосопротивление
Внутренний фотоэффект
Эффект Ганна
Структура полу-
полупроводника
Без р—п-пере-
хода
313
Продолжение табл. 153
Полупроводниковый элемент
Выпрямитель
Точечный диод
Диод Зенера
Туннельный диод
Емкостной варакторный
диод
Фотодиод
Элемент солнечной батарей
Световой диод
Лазер
Преобразователь энергии
Охлаждающий элемент
Транзистор
Полевой транзистор
Металлооксидный транзи-
транзистор (МОП)
Оптотранзистор
Диод Шокли
Четырехслойиый выпрями-
выпрямитель
Управляемый выпрямитель
Многослойный выпрямитель
Диод Шоттки
Транзистор с металлической
базой
Материал
Ge, Si
Ge, Si
Ge, Si
Ge, GaAs
Si.GaAs
Si, Ge
Si
GaAs, GaP, SiC
GaAs.InAs.IP
Bij,Tes, PbTe
Bi2Te^
Ge, Si
Ge, Si
Si.Ge
GaAs
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Используемый эффект
Эффект выпрямления
» »
Электрический пробой
Туннельный эффект
Зависимость емкости от на-
напряжения
Фотоэффект
Фотоэффект
Электролюминесценция
Вынужденная излучающая
рекомбинация
Термоэлектрический эф-
эффект
Эффект Пельтье
Транзисторный эффект
Полевой эффект
Полевой эффект
Сочетание излучательной
рекомбинации и фотоэф-
фотоэффекта
—
—¦
—
—
Горячие электроны
» »
Структура полу-
полупроводника
Один .р—п-пе
реход
Два р—п-пе
рехода
Три р—п-пе-
рехода
Четыре р—п-
перехода
Металл — по-
полупроводник
2.5.4. Некоторые
полупроводниковые
материалы и их параметры
А. Полупроводники с собственной про-
проводимостью (/-проводимость). Германий и
кремний; оба элемента — диамагнитны.
Легирующие элементы создают различ-
различные типы проводимости: Р, As, Sb — n-про-
водимость; В, Al, Ga, In — Р-проводимость.
Основные свойства Ge и Si приведены
ниже:
Продолжение
Работа выхода, эВ . 4,55 4,8
Собственная концент-
концентрация носителей, см~3 2,4-Ю13 1,5-Ю10
Ge
Si
Относительная масса
атома
Плотность, г-см~3 .
Температура плавле-
плавления, °С
Энергия активации,
зВ
72,6
5,35
936
0,67
(при
28,0
2,33
1420
1,11
300 К)
(при 300 К)
Подвижность элект-
электронов, см2/(В-с) . . 3900 1350
Подвижность дырок,
см2/(В-с) 1900 480
Б. Соединения AInBv. Соединения ме-
между элементами III и V групп периодиче-
периодической системы элементов; решетки типа ал-
алмазной с переменным замещением узлов
атомами обоих видов. Ионная связь.
Примесная проводимость при избытке
одного из компонентов, введении примесей.
Основные свойства соединений АШВУ
представлены в табл. 154.
Комбинируя полупроводники с прямыми
и непрямыми переходами, можно полунить
прямые (излучающие) переходы в видимой
области света.
314
ТАБЛИЦА 154
Соеди-
Соединение
AlSb
A1N
А1Р
AlAs
GaSb
GaN
GaP
GaAs
InSb
InN
InP
InAs
BN
BP
BAs
Темпе-
Температура
плавле-
плавления, °C
1060
2150
>1500
>1600
750
~1500
1465
1240
523
1070
940
~3000
~3000
—
E,
эВ
1,49
3,8
3,0
2,16
0,68
3,3
2,25
1,38
0,17
2,5
1,27
0,36
4,6
6,0
5,0
Подвижность
электронов.
см2
(В. с)
400-900
—
3500
1200
5000-6000
300
8000-8600
70000-80000
4000-5300
30000-330000
—
Под-
Подвижность
дырок,
см2
(В. с)
460
—
—
200
1000
—
150
250-400
200-450
—
100-700
200-450
—
—
Полупроводники с прямыми переходами.
Минимальное расстояние, между максиму-
максимумом валентной зоны и низшим минимумом
зоны проводимости при одинаковом К-век-
торе (излучающая рекомбинация). InSb,
InAs, GaSb, InP, GaAs.
Полупроводники с непрямыми перехода-
переходами. Благодаря фононной эмиссии доля из-
излучающей рекомбинации увеличивается.
Излучение видимого света. AlSb, AlAs,
GaP, A1P.
В. Соединения A"BVI. Основные свойст-
свойства соединений AnBVI приведены в табл. 155.
ТАБЛИЦА 1ББ
Соедине-
Соединение
ZnO
ZnS
ZnSe
ZnTe
CdO
CdS
CdSe
CdTe
HgS
HgSe
HgTe
Температура
плавления
~2000
1850
1515
1238
Сублимация
1750
1252
1038
1450
800
670
E, эВ
3,2
3,58
2,67
2,26
2,2
2,59
1,7
1,5
2,0
0,6
0,025
Подвижность
электронов.
cms/(B-c)
1000
120
530
630
100
340
600
700
—
18500
22000
Г. Соединения AIVBV1. Основные свойст-
свойства соединений A1VBVI приведены в табл. 156.
ТАБЛИЦА 1Б6
Соединение
PbS
PbSe
PbTe
Е, эВ
0,37
0,26
0,29
Подвижность
электронов,
сма/(В-с)
600
900
1700
Подвижность
Дырок,
смг/(В.с)
400
500
500
Д. Соединения А^Щ1 . Основные свой-
свойства соединений типа А, В^ приведены
ниже:
Соединение Bi2Tes Sb2Teg
Е, Эв 0,15 0,2
Подвижность электро-
электронов, см2/(В-с) .... 1250 15
Подвижность дырок,
см2/(В-с) 550 45
Е. Объемные полупроводники.
а. Термисторные материалы: термисторы
на основе системы Fe2O3—TiO2; полупро-
полупроводниковые холодильники на основе ВаТЮз.
б. Варисторные материалы: в основном
SiC.
Температура плавления . . . ~26ОО
?, Эв 2,8
Подвижность электронов,
см2/(В-с) 100
Подвижность дырок, см2/(В-с) 20
Присадка А1 создает р-проводимость,
Fe — п-проводимость.
в. Материалы для фотосопротивлений
(фоторезисторов). Пригодность определяет-
определяется двумя условиями:
— показатель преломления >2;
— кристаллическое неорганическое соеди-
соединение; З^-уровень катиона должен быть за-
заполнен электронами.
Условия выполняются . для: Cu+, Zn2+
Ag+. Hg2+, Pb2+, Sb»+ Cd2+, Ba2Jv
Практически применяются. CdS и CdSe,
излучающие в видимой области. Чувстви-
Чувствительность 0,65 и 0,7 мкм соответственно;
а также PbSe и InSb, излучающие в ин-
инфракрасной области (чувствительность
2,5—3,5 и 6,0 мкм соответственно).
г. Материалы для датчиков Холла. Осно-
Основа: соединения AInBv.
InAs
102
InSb
Постоянная Холла,
А'4,7.102
Удельное электросопро-
электросопротивление, Ом -см , . . 2,5-10-? 7-10--3
д. Материалы для диодов Ганна: GaAs,
InP, GaTe, ZnSe (в виде монокристаллов);
концентрации носителей заряда ~ 1015 см~3.-
е. Полупроводники с запирающим слоем:
— Материалы для диодов с запирающим
слоем и транзисторов: Ge, Si, GaAs, Cu2O.
Основные свойства [114]—табл. 157.
— Материалы для световых, емкостных
и туннельных диодов GaAsi_*P,:, где х от
О до 1.
GaAs при 1,4 эВ — инфракрасное излу-
излучение; GaP при 2,3 эВ — излучение зелено-
зеленого света.
При соответствующем составе — желтый
свет.
— Материалы для фотоэлементов (и сол-
солнечных батарей); Si (в виде монокристал-
монокристалла); Se (Cd—Se или комбинация материа-
материалов AggSe—Se).
Проводимость; Se-э-р-проводимость; селе-
ниды->-я-проводимость.
315
ТАБЛИЦА 157
Полупроводник
Средняя плотность тока, А-см~2 . . .
Запирающее напряжение (эффективное
напряжение), В
Коэффициент полезного действия ¦. . .
Температура запирающего слоя (макси-
Коэффициент ослабления тока при:
35°С ....
45СС , . ,
55СС .....
CusO
0,04—0,08
3,8
0,78
70
1
0,5
0,2
0,25
Se
0,1—0,2
20—30
0,92
85
1
0,86
0,65
0,5
Ge
80—100
120
0,985
60—70
1
0,72
0,45
0,35
si
100—200
320
0,996
150
1
0,95
0,9
0,7
Величины фототоков при облучении све-
световым потоком в 1 лм, возникающих в раз-
различных полупроводниковых элементах
[114], приведены ниже, мА/лм:
10
10—40
0,5
(Si) ... 1,0
Фотодиод (Ge)- • • • 30—60
Фототранзистор (Ge) , 1000—3000
Фоторезистор (TiS) .
(PbS) .
Фотоэлемент (Se) . .
Si) . .
— Материалы для контактов металл —
полупроводник.
Желательно получить невыпрямляющий,
т.е. омический контакт.
Получают с помощью: контактирующих
материалов (п-ВаТЮз—Cd, p-NiO—Ag,
n-Ge—Al); постепенного перехода металл—
полупроводник; высокого легирования по-
поверхности полупроводника.
3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
СИМВОЛИЧЕСКОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ
ФАЗ:
{G} — водород или другой газ в газовой
фазе;
(RO) — окисел, растворенный в шлаковой
фазе;
[Me] —металл в жидкой металлической
фазе.
Химические равновесия металлургических
реакций. Равновесие химической реакции
достигается, если между реагентами взаи-
взаимодействия больше ие происходит превра-
превращения исходных веществ в продукты реак-
реакции. В металлургии, как правило, ие до-
достигается состояния равновесия. Записан-
Записанная в виде уравнения реакция, которая
может идти в обоих направлениях, опре-
определяет превращение веществ и энергии
при установлении равновесия. Выводы, сде-
сделанные на основании такого уравнения, не
полностью характеризуют течение реакции
в технологическом процессе, однако вы-
выражают ее конечную цель в виде тенден-
тенденции. Расположение фаз при металлургиче-
металлургических реакциях показано на рис. 3.1.
Признаки истинного химического равно-
равновесия:
а) равновесие устанавливается в обеих
частях уравнения;
б) химическое равновесие зависит от из-
изменения р и Г;
Рис. 3.1
/ — газовая фаза; // — шлаковая
фаза; /// — жидкая металлическая
фаза
в) константа равновесия зависит от тем-
температуры и соотношения концентраций ре-
реагирующих веществ.
Химическое равновесие представляет а>
бой состояние, описывающее направление
и конечный результат реакции, но не дает
316
информации о ходе реакции во времени.
Пример 1. Реакция с фосфором.
Изменение содержания фосфора в рас-
расплаве железа обусловливает в случае рав-
равновесия изменение концентрации Р2О5 в
FeO-шлаке:
2 [Р] + 5 (FeO) = (Р2ОБ) + 5 [Fe].
Пример 2. Принцип Ле-Шателье.
При внешнем воздействии на равновес-
равновесную систему равновесие смещается, проти-
противодействуя этому воздействию.
Увеличение р приводит к уменьшению
V(N2+3H24±2NH3); уменьшение р приво-
приводит к увеличению VBSO2+O24±2SO3).
Увеличение Q приводит к потреблению
тепла:
Охлаждение приводит к выделению тепла
(Hj>+O2=s*2H2O+Q).
Увеличение с приводит к превращениям
подводимых веществ (синтез аммиака).
Уменьшение с приводит к дополнительно-
дополнительному образованию отводимого вещества (по-
(получение хлористого водорода).
Неравновесное состояние. В металлургии
лишь в редких случаях достигается полная
степень превращения реагирующих ве-
веществ, соответствующая условиям равно- .
весия (слишком большой ряд реакций), по-
поэтому часто приходится учитывать отсутст-
отсутствие равновесия.
Характеристики теплового состояния. Ха-
Характеристики теплового состояния опреде-
определенного количества данного вещества зави-
зависят от р, Т, V.
Основные характеристики:
а) закон действия масс в состоянии рав-
равновесия;
б) уравнение состояния;
) ф Гбб
) ур
в) правило фаз Гиббса;
г)
)
) удельные теплоты;
д) другие термодинамические константы.
1. Равновесие реакции. Практически важ-
важные характеристики: равновесные концен-
концентрации реагентов, зависящие от давления
и температуры; смещение равновесия при
изменении внешних условий.
2. Константа равновесия. Служит для
описания равновесия, если известны актив-
активности веществ, участвующих в реакции:
Величина k зависит от температуры, дав-
давления и концентрации веществ А, В, С, D;
а — термодинамическая активность.
3. Активности по Раулю и Геири.
Активность по Раулю характеризует .со-
.соответствующее чистое вещество:
Щ[<] _ -AG° •
4.575Г '
Igk
Здесь .а — активность по Раулю, равная
a=faX; fa — коэффициент активности
(обозначается также через у); X — моляр-
молярная доля; AG° — свободная энтальпия реак-
реакции превращения веществ А, В, С, D.
В идеальных растворах (при неограни-
неограниченной взаимной растворимости, например,
FeO—МпО) вместо а можно вводить не-
непосредственно X. Для веществ в газообраз-
газообразном состоянии используются парциальные
давления.
Активность по Генри относится к веще-
веществу, находящемуся в разбавленном рас-
растворе:
Здесь ан% — активность по Генри элемен-
элемента, растворенного в расплаве, aw^=fa
[% растворенного элемента]; С° — сво-
свободная энтальпия реакции (отнесенная к
стандартному состоянию бесконечно раз-
разбавленного раствора).
В сильно разбавленных растворах (на-
(например, один элемент в расплаве железа)
/о«*1. Тогда вместо а можно непосред-
непосредственно использовать концентрацию.
Определение раулевских активностей для
сопутствующих элементов в расплаве же-
железа связано с большим объемом расчетов
н поэтому часто используют активности по
Генри.
Основная реакция: окислительио-восста-
новительная.
Разложение окислов (а также сульфи-
сульфидов) металлов, подлежащих восстановле-
восстановлению:
восстановление
2Ме О^=- ^ 2Ме + О2; k ==po .
окисление Р 3
Окисление восстановителя R:
восстановление
•2ЯО; *р=
Реакция окисления. Если давле-
давление кислорода, образующегося при диссо-
диссоциации окисла восстановителя больше, чем
при диссоциации окисла металла, то металл
окисляется, а восстановитель восстанавли-
восстанавливается: рОг ЩеО) <рОг (RO): Ме->-МеО
или RO-+R.'
Пример: ошлаковываиие . нежелатель-
нежелательных примесей.
Реакция восстановления. Если
давление кислорода при диссоциации окис-
окисла восстановителя меньше, чем при диссо-
диссоциации окисла металла, то металл восста-
восстанавливается, а восстановитель окисляется:
ро2 (МеО) >рОг (RO) : МеО-^Ме или R-*-
Пример: ступенчатое восстановление
-*#О,
окислов или раскисление.
Окислительяо-восстановительные процес-
процессы могут быть оценены по величине парци-
парциального давления кислорода.
Парциальное давление кислорода Для не-
некоторых окислов — см. табл. 158.
Кислородный потенциал. Величина
RT In ро называется кислородным потен-
потенциалом и является мерой устойчивости
окисла. Для реакции: 2МеО-+-2Ме+О2 име-
имеем hG°T=—RT\nkv; AG°T =—RTlnpOi!.
Температурная зависимость устойчивос-
817
ТАБЛИЦА IBS
Окисел
CaO
A12OS
SiO2
MnO
FeO
0 A ат)
AgiO
Давление кислорода, ат.
при температуре, °С
727
Ю-66
Ю-47
10-зв
10-33
Ю-21
ю-?*
Ю-3
1727
Ю-23
Ю-19
Ю-13
10-W
ш-8
10-1*
—
ти чистых окислов: с увеличением темпе-
температуры устойчивость окислов понижается;
устойчивость СО с повышением температу-
температуры увеличивается (устойчивость СО2 не за-
зависит от температуры). Температурные за-
зависимости кислородных потенциалов неко-
некоторых окислов приведены на рис. 3.2 [134].
-250
500
Рис. 3.2
fOOO 1500
Температура, "С
Реакции окисления являются экзотерми-
экзотермическими. Значения энтропии образования
окислов могут быть положительными или
отрицательными в зависимости от того,
упорядочено или иеупорядочено нх состоя-
состояние (табл. I59).
ТАБЛИЦА 159
Реакция
Si+O2->-
2Ре -f- о, —>¦
2С + О2 -»-
с+а--
2СО + О2->
2Н2 + О2-^
SiO2
2/зА12О3
2FeO
2СО
со2
-2СО2
2Н2О
О
—217 000
—257 500
—111250
—53 400
—94 200
—135 100
—118000
+48,8
+44,4
+21,7
—49,9
—0,2
+41,5
+26,7
Н — энтальпия; S — энтропия.
Уравнения Гиббса—Гельмгольца Для неко-
некоторых реакций A600 °С, AG в кал-моль-1
кислорода).
Кислородный потенциал газовых смесей.
RT\npOi зависит от соотношения, парци-
парциальных давлений отдельных газов и ие за-
зависит от суммарного (общего) давления
газовой смесн. На рис. 3.3 [134] представ-
-240
о
Рис. 3.3
500 1000 1500
Температура, ft
2000
лена температурная зависимость кислород-
кислородного потенциала смесей СО/СО3.
С целью приведения металлических рас-
расплавов в состояние равновесия при опреде-
определенных потенциалах О, N, S, С и др. ис-
используются различные газовые смеси.
Получение газовых смесей. С помощью
изменения Тир устанавливается потенци-
потенциал, который приводится в равновесие с ме-
металлическим расплавом. Действие этих
смесей проявляется в окислении, восста-
восстановлении, науглероживании, обезуглерожи-
обезуглероживании, деазотированни, десульфурации, на-
насыщении серой и т. д.
Для установления равновесия использу-
используются также; S-потенциал (RT In pSj ),
смесь Hsj/HgS BH2+S2=?=2H2S); давление
N(pNj ), смесь H2/NH3 CH2+N2=2NHS);
давление О (рОг), смесь СО/СО2 BСО+
+О2«=2СО2); смесь Н^/НгО: 2Н2+О2=
=2Н2О; активность С (ас), смесь Н2/СН4
BН2+[С]=СН4); смесь СО/СО2 (СО8+
+[С]=2СО).
3.2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Обзор основных процессов. Исходные
материалы: железная руда, кокс, добавки.
Реакции: восстановление Fe из руды; на-
науглероживание Fe углеродом кокса, вос-
восстановление сопутствующих элементов.
Конечные продукты: жидкий чугун (со-
(содержит 3,5—4,5 % С, Si, Mn, P, S и другие
прнмесн), шлак н доменный (колошнико-
(колошниковый) газ.
318
Восстановление окислов. Восстанавлива-
Восстанавливаются практически полностью Fe*Ov; окис-
окислы Р, As, Ni, Cu.
Восстанавливаются частично: SiOg, TiO2,
V2O3, МпжОу, Сг2О3.
Не восстанавливаются: CaO, MgO, AI2O3.
Эти процессы определяются давлением
кислорода и СО (восстановитель):
PodMeO) > Ро^КО)-
В горне доменной печи парциальное дав-
давление СО составляет 0,5—1,5 атм.
Растворимость. Практически нераствори-
нерастворимы в железе: щелочные металлы, щелочно-
щелочноземельные металлы; Ag, Hg, Pb, Bi.
Растворимы в железе: С, Si, Mn, P, S,
Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Cu, В, As, О, N, H.
3.2.1. Реакции между газами
и твердым углеродом
Основные функции твердого углерода
(см. 3.2.4): топливо для нагрева; восста-
восстановитель при высоких температурах.
Реакции с кислородом или воздухом.
В зависимости от содержания кислорода
идут следующие реакции:
2С + О8->-2СО — 55220 кал -моль-^ЮОО °С);
С + О2->-СО2 — 95410 кал-моль-1
(полное сгорание);
2СО + О2->2СО2 — 135600 кал-моль-1 (вы-
(высокое содержание О).
Реакция с водородом
С + Н2О-*СО + На + 30190 калХ
X моль—i (> 1800 °С, вблизи фурм).
,. Реакция с двуокисью углерода
СО2 + С-»2СО + 40200 кал • моль-1
известна как реакция Будуара. Константа
равновесия k прн заданной температуре и
активности углерода сс = 1 может быть
определена из соотношения газовых ком-
компонентов:
kc = pIo/pco, «с; te kc = 884°т +
+ 9,11F00— 1000 °С).
Состав газовой смеси СО/СО2, находя-
находящийся в равновесии с твердым углеродом
прн различных температурах, представлен
на рис. 3.4 [135].
Равновесие реакции зависит также от
давления. Уменьшение давления благопри-
благоприятствует образованию СО.
Распад окиси углерода и влияние ката-
катализатора. Реакция Белла — превращение
СО в СО2 и выделение углерода — описы-
описывается уравнением:
2СО-*СО2 + С — 40200 кал-моль-1.
При понижении температуры согласно ус-
условиям равновесия по реакции Будуара
отношение СО к СО2 сдвигается в сторону
выделения СО2. Избыточное количество СО
диссоциирует по приведенной реакции до
тех пор, пока состав смеси СО/СО2 не ста-
становится равновесным. Катализатором этой
реакции служит образовавшееся при вос-
восстановлении руды железо. СО диссоцииру-
диссоциирует очень быстро. Расщепление СО при нор-
нормальном ходе доменного процесса незна-
незначительно.
сэ
о
g
s
CD
CO
|zco-c+coZj
tgam I
1 1
Гг
(I
1 /в/п
1
1
[ C+C0^-2CO
Рис. 3.4
3.2.2. Восстановление
окислов железа
Стабильными твердыми фазами в системе
Fe—О являются: вюстит Fei_j,O; магиетнт
FesO4; гематит Fe2O3.
В зависимости от содержания кислорода
в окислах его парциальное давление уве-
увеличивается в следующей последовательно-
последовательности:
Ниже 570 °С вюстит термодинамически
нестабилен. Он также не имеет определен-
определенного стехиометрнческого состава (содер-
(содержит 23,1—25,6 % О).
Восстановление окисью углерода
Прн температурах >570°С:
3Fe2O3 + CO-^FeiA + СО2 — АН;
Fe3O4 + CO-*3FeO+ CO2 — ДЯ;
FeO + CO-^Fe + CO2 — ДЯ,
Прн температурах <570 °С:
3Fe2O3 + CO-*2Fe3O4 + СО2 — ДЯ;
Fe3O4 + 4CO-*3Fe + 4CO2 — ДЯ.
Константа равновесия этих реакций для
чистых веществ и а—\: ?=РсоУРсо-
Равновесие реакции восстановления FeKOB
смесью СО/СО2 не зависит от давления,
так как число молей газа в обеих частях
уравнения одинаково. Экспериментальное
определение условий равновесия реакции
восстановления осуществляется по Бау-
ру—Глеснеру (рис. 3.5) [135].
Линии равновесия делят поле диаграммы
на три области: магнетит, вюстит и же-
железо.
Граница области Fe2O3 практически сов-
совпадает с осью температур, так как самого
малого содержания СО достаточно для
восстановления Fe2O3 до Fe3O4.
Если, кроме восстанавливаемого окисла,
в системе имеются другие вещества (аФ\),
319
то может происходить либо уменьшение
давления кислорода окисла (окисел обра-
образует с другими имеющимися веществами
истинные химические соединения; концен-
концентрация СО при восстановлении увеличива-
увеличивается), либо увеличение давления кислорода
окисла (продукт восстановления и другие
присутствующие вещества вступают в хи-
8
«о
§so
Ms -
зоо боо 900 tm
Температура, "С
3Fe+4C0a/
Fe3o4
Fe
^^
Вюстит
(FeOJ
i .
Рис. 3.5
мическую связь или растворимы друг в дру-
друге; тогда концентрация СО уменьшается).
Восстановление твердым углеродом. Прн
восстановлении в газовой фазе СО окисля-
окисляется до СОа- При этом на ход реакции ока-
оказывает влияние твердый углерод, который
всегда имеется в доменной печи. На рис.
3.6 представлены кривые равновесия реак-
реакций Будуара и Баура — Глеснера [135].
Рис. 3.6
Если Рсо+Рсог~1 а™> то восстановле-
восстановление окислов FeiOB углеродом происходит
следующим образом: прн температурах вы-
выше 705 СС углерод восстанавливает FeiOB
до железа,- при температурах 705—650 °С
углерод восстанавливает FeKOB до FeO;
ниже 650 СС — до Fe3O4.
Восстановление водородом
При температуре >570°С:
3Fe2Os + H2-*-2Fe3O4 + Н2О — ДЯ;
Fe3O4 + H2-v3FeO + H2O + ДЯ;
FeO + H2-*-Fe + Н2О + Д#.
При температуре <570°С:
Fe3O4 + 4H2-»-3Fe + 4H2O + ДЯ.
Условия равновесия этих реакций для
чистых фаз не зависят от р, ио зависят от
Т и определяются соотношением: Н2О/Н2j
320
На рис. 3.7 [1351 показано восстановле-
восстановление окислов Fe газовыми смесями НгО/Н2
(сплошные линии) и СО/СО2. Для смеси
вюстнт — Fe при 7"<800°С восстанови-
восстановительная способность Н2О/Н2 меньше, чем
СО/СО2, а при Г> 800 °С —больше.
Восстановление водородом имеет мень-
меньшее значение в доменном процессе по срав-
сравнению с восстановлением посредством СО,
так как содержание водорода в газовой
фазе меньше, чем СО.
ШГ 900 1200
Температура, "С
Рис. 3.7
3.2.3. Реакции в доменной
печи (рис. 3.8)
3.2.3.1. Общие представления
Шихта высушивается. Влага в виде па-
пара удаляется с колошниковым газом. Боль-
Большая часть имеющихся в шихте гидратов
разлагается. В интервале температур 400—
950°С происходит разложение карбонатов
в следующей последовательности: FeCOs
D50—500 °С); МпСО3 E20—550 °С); MgCO3
F00—650°С); СаСОз G00-900 °С).
Косвенное восстановление происходит в
следующей последовательности:
Мп имеет большее сродство к кислоро-
кислороду, чем Fe, и поэтому восстанавливается
только до МпОз
Реакции прямого восстановления — эндо-
эндотермические и проходят при прямом кон-
контакте окислов с твердым углеродом.
Образование шлака начинается в шахте.
Первичный шлак образуется из легкоплав-
легкоплавких компонентов сырья (SiO2> MnO, FeO).
В процессе прямого восстановления обра-
образуется конечный шлак.
Доменная печь работает по принципу
противотока. Время прохождения составля-
составляет от 7 до 9 ч в зависимости от размеров
печи и количества дутья.
I
t
Разложение гидратов:
Fe2Oj-xH2O
Разложение /гардЪнатов:
FeC03 — РеО + СОг
MnCOj МпО+СОг
МдМ3
CoCOj
Косвенное восстановление железа:
3Fe2O3+CO 2Ре3О,+С0г
Ре,О4+СО «- 3FeO + C02
FeO+CO — Fe+CO2
Косвенное восстановление марганца:
2Мп02 + С0 -Мпг03+С02
ЗМпг03
Мп3О4 +
Науглероживание железа:
3Fe + 2C0 -Fe3C+CO2
w. (*
кокс "чугун
Реакции пряного весс/пановлетя,
FeO+ С — Fe+CO
Рг05+5С -2Р+5С0
SiO2 + 2C -& + 2С0
МпО + С Мп + СО
Образование шлапа:
Газификация углерова:
2С + Ог 2С0
С + Н*О -СО+Нг
Десульфурация:
FeS + CaO + C •- CflS+Fe+CO
¦ten
II
• I
I
~woo°c
|
- Шлак ~15ОО"С |
-Чугун~14ОО°С "*¦
Рис. 3.8
3.2.3.2. Диаграмма
восстановления [135] (рис. 3.9)
Содержание СО/СО2 зависит от высоты
над уровнем фурм и температуры газа и
шихты. На рис. 3 9: I — зона прямого вос-
восстановления; II — зона косвенного восста-
восстановления; III — зона работы шахты.
Прямое восстановление
FeO + C-*Fe + CO.
Восстановление окислов твердым углеро-
углеродом. Доля прямого восстановления FeO
должна составлять 20—25 %, так как оно
связано с большим расходом тепла (увели-
(увеличивается расход кокса!). Проходит глав-
главным образом в области заплечиков и рас-
распара печи.
Косвенное восстановление
СО2 + С-»-2СО;
Восстановление окислов с помошью СО.
Эта реакция должна протекать в возможно
большей степени до образования железа, ис-
исходя из требований минимальных затрат
тепла. Косвенное восстановление предпоч-
предпочтительнее прямого. Проходит главным об-
21—140
321
разом в шахте и распаре (<1000°С). До-
Доля косвенного восстановления окислов со-
составляет 55—60 %.
На косвенное восстановление влияют
следующие факторы.
— Качество руды. Восстанавливаемость
уменьшается в такой последовательности:
бурый железняк—*сидерит-*красный же-
€ «10800120016000 8 16
Температура,^ %С02
Рис. 3.9
лезняк—*магиетит (магнитный железняк).
— Величина кусков руды. Куски разме-
размерами более 50 мм и менее 5 мм затрудня-
затрудняют косвенное восстановление.
— Размягчаемость руды. Легкоплавкие
руды ухудшают косвенное восстановление.
— Количество газа на 1 т чугуна.
— Содержание водорода в газовой фазе.
При >800°С косвенное восстановление в
присутствии Н2 происходит лучше (диф-
(диффузия).
— Продолжительность пребывания газа
в печн. Чем больше времени перемешива-
перемешивается смесь газ —руда, тем полнее проис-
происходит косвенное восстановление.
— Реакционная способность кокса. При
уменьшении реакционной способности кок-
кокса (реакционно инертный кокс) зона кос-
косвенного восстановления расширяется.
Работа шахты. Удаление влаги из ших-
шихты и разложение гидратов и карбонатов
разделяется на несколько этапов по темпе-
температуре:
а) <700СС, газовая фаза термодинами-
термодинамически нестабильна, СО почти не диссоции-
диссоциирует;
б) ~800°С, восстановление Fe^Oj, тер-
термодинамически возможно, но скорость ре-
реакции слишком мала, соотношение СО/СО2
изменяется (разложение карбонатов);
в) 800—1000 °С, соотношение СО/СО2
уменьшается в процессе косвенного восста-
восстановления;
г) >1000°С, соотношение СО/СО2 при-
приближается к равновесному для реакции
Будуара
3.2.4. Материальный
и тепловой баланс
Материальный и тепловой баланс состав-
составляется в расчете на 1 т выплавленного чу-
чугуна. При этом определяются удельные
322
расходы шихты (смеси руд и добавок, при-
пригодной для металлургической обработки),
кокса и т. д.
Материальный баланс. При составлении
материального баланса учитывают:
— Расход шихты. Удельный расход ру-
руды тем ниже, чем выше содержание Fe в
руде. Зависит также от состава пустой
породы и известняка. Повышение содержа-
содержания Fe в шихте ведет к снижению расхода
кокса.
— Потребность в коксе для нагрева и
косвенного восстановления. Использование
теплоты газов (косвенное восстановление)
ведет к сокращению расхода кокса.
— Количество шлака. Зависит от каче-
качества шихты. Прн повышении содержания
Fe в шихте количество шлака уменьшается.
— Количество дутья н колошникового
газа. Определяется количеством кокса (вы-
(вычисляется на 1 т кокса).
1. Исходные продукты (приход): руда,
агломерат, известняк, кокс, дутье (влаж-
(влажное).
2. Конечные продукты (расход): чугун,
шлак, колошниковая пыль, колошниковый
газ (влажный).
Тепловой баланс. Основной источник теп-
тепла— кокс, выполняет следующие функции
C.2.1): поступление тепла для металлур-
металлургического процесса; восстановление руды;
науглероживание Fe; разрыхление столба
шихты (газопроинцаемость).
Кокс должен содержать ^ 1 % S, обра-
образовывать <10% золы (содержание влаги
з?8%, фосфора s?0,05%). Температура
воспламенения — в пределах 600—750 СС.
I. Источники тепла (приход):
горение кокса с образованием СО перед
фурмами; тепло, вносимое горячим дутьем.
II. Расход тепла (расход):
— работа шахты (испарение гндратной
влаги и разложение карбонатов);
— прямое восстановление;
— нагрев, плавление, перегрев чугуна и
шлака от температуры загрузки до темпе-
температуры выпуска;
— тепло доменного газа;
— потери тепла всех видов.
Тепловой коэффициент полезного дейст-
действия I. При учете сгорания кокса с образо-
образованием СО используется ~75 % тепла.
Тепловой коэффициент полезного дейст-
действия II. Прн учете полного сгорания С с об-
образованием СО2 используется ~30—35 %
тепла.
3.2.5. Процессы горения
Диаграмма горения. Ранее предполага-
предполагалось, что горение кокса происходит в слое.
Согласно Бардину (рис. ЗЛО) [135], перед
фурмами возникает сферическая полость,
образуемая выходящей из фурм струей
дутья. Часть фурменных газов участвует в
вихревой циркуляции. При этом куски кок-
кокса растрескиваются, дробятся и сгорают.
Скорость движения шихты составляет 2—
15 м-с-1. При горении образуется СО, ко-
который вместе с другими фурменными газа-
газами движется по направлению к колошнику.
Температура горения. Теоретическая тем-
температура горения при неполном сгораний
углерода — важный фактор расчета мате-
материального и теплового баланса. Расчет ве-
ведут на 1 кг сгоревшего углерода при по-
подогретом сухом дутье
'горейя
= псЕ
dt
горения,
где п — количество фурменного газа в ки-
ломолях на 1 кг углерода; ср — средняя
О 200 Ш 600 800 ЮО01200
Расстояние от глаза фурмы, им
Рис. 3.10
У — промежуточный слой; 2—ось потока дутья;
3 — ось движения трубы; 4 — ось фурмы
удельная теплоемкость фурменного газа;
Горения — теоретическая температура горе-
горения.
Эта температура, по данным расчета, со-
составляет 2100 °С. Фактическая температура
горения на 200—300 °С ниже из-за потерь
на излучение. .
На температуру горения влияют следу-
следующие факторы: повышение температуры
дутья и содержания в нем О2 позволяет
уменьшить расход дутья, массу фурменных
газов и затраты тепла на их нагрев, т. е.
повысить температуру горения; увеличение
влажности дутья и недостаточная степень
восстановления шихтовых материалов над
уровнем фурм снижает температуру юрения.
Частичная замена кокса. Можно заменять
до 15 % кокса другими видами топлива:
газами (природный, коксовый газ); нефте-
нефтепродуктами (легкие нефтепродукты, мазут,
смол"а); мелкодисперсным углем (угольная
пыль).
Добавка топлива производится через
фурмы.
Замена более чем 15 % кокса другими
видами топлива в настоящее вреМя невоз-
невозможна, так как:
1) в нефтепродуктах и газах углерод со-
содержится в виде углеводородов, на разло-
разложение которых требуется дополнительное
тепло( кроме того, топливо-заменитель по-
подается неподогретым;
2) дополнительное топливо вводится с
большой скоростью, поэтому часть его не
используется и уходит с колошниковым
газом:
3) уменьшение доли кокса снижает газо-
газопроницаемость слоя; что можно скомпенси-
скомпенсировать только использованием высококачй'
ственной (и дорогой) шихты.
3.2.6. Поведение основных
сопутствующих железу
элементов в доменной печи
Углерод. Науглероживает чугун (см.
диаграмму Fe—С, в a-Fe до 0,018 %, в
Y-Fe~2,l%C). На рис. 3.11 [1351 пред-
представлены равновесные концентрации угле-
углерода в Y"Fe ПРИ различных температурах
и составах газовой смеси СО/СО2 (Рсо"Ь
+Рсо2 = 1 ат)-
Пояснения к рисунку.
а. В левой части дниаграммы газовая
фаза термодинамически нестабильна. При
100
iso
8 40
Fe,C ^-Z.
вточке1:Ш~1,1%
500 600 700 800 900
Температура, "С
1000
Рис. З.П
/ — кривая Баура—Глеснера: 2 — кривая Буду-
Будуара
высокой концентрации СО ее углеродный
потенциал выше, чем у чистого углерода.
"Теоретически возможно науглероживание
Fe до насыщения 3Fe+2CO-^Fe3C-l-CO2.
Скорость науглероживания низка, так как
малы температура и скорость диффузии.
б. В правой части диаграммы углерод-
углеродный потенциал газовой фазы ниже, чем у
углерода, поэтому науглероживание до на-
насыщения невозможно. В реальных услови-
условиях равновесие нарушается. Концентрация
СО2 превышает значение, соответствующее
равновесию с твердым углеродом. Макси-
21*
323
мяльная степень науглероживания состав-
составляет 1 %. Дальнейшее науглероживание
происходит после плавления и определяет-
определяется реакциями, протекающими в распаре и
заплечиках СКОкса-»-Счугуна.
Растворимость углерода в чугуне можно
вычислить по формуле [135]: Ст«=1,3+
+0,00257*—0,317Si—D.33P+0,027Мп, где
t — температура чугуиа, °С; Si, Mn, P —
содержание соответствующих элементов, %
(по массе). .
Растворимость углерода в чугуие растет
при увеличении температуры и содержания
Мп и падает при увеличении содержания Si
и Р.
Кремний. SiO2 + 2С -9- Si + 2CO +
+ 153000 ккал-моль-1. SiO2 восстанавлива-
восстанавливается из руды и коксовой золы. Вследствие
сильного сродства Si к кислороду он вос-
восстанавливается лишь частично. При равно-
равновесии: /CSt =flsi'['cc/csioi!a2c (зависит от
температуры); lg Ksi i—37224/7419,21
для 1400—1750 °С).
При ас — 1 и температурах >1100°С
восстановление SiO2 усиливается в случае
повышения температуры, уменьшения пар-
парциального давления СО и основности
шлака.
Растворимость Si в Fe: Fe+Si-»-FeSi —
—19200 кал-моль-1..
Марганец. Окислы МпхОи восстанавли-
восстанавливаются косвенно до МпО. Дальнейшее вос-
восстановление возможно только при прямом
воздействии твердого углерода:
МпО + C-t-Mn + СО + 65000 кал -моль-1.
Восстановление Мп начинается при
1000 °С. Катализатором этой реакции явля-
является Fe. В первичных шлаках активность
МпО низка. Большая часть Мп растворяет-
растворяется в Fe только после образования основно-
основного шлака из СаО (известняк).
Извлечение Мп растет при увеличении
температуры в горне и повышении основ-
основности шлака.
Фосфор. Р2О5 + 5С -*2Р + 5СО +
+221950 кал-моль-1.
Окислы фосфора из фосфата кальция,
руды и коксовой золы восстанавливаются
почти полиостью, так как сродство Р к кис-
кислороду по порядку величины такое же, как
у Fe. Поэтому содержание Р в Fe может
быть снижено только при использовании
высококачественной руды:
3Fe + P-
— 43000 кал • моль-*.
Сера. Попадает в Fe из кокса (~ 90 %)
и через газы и образует растворимое в чу-
чугуне соединение FeS. Сера — вредная при-
примесь, ее следует удалять. Для этого необ-
необходим основной шлак.
S .распределяется между чугуном н
шлаком:
[FeS] = (FeS); (FeS)/[FeS] =•
= L (зависит от температуры),
где /. — коэффициент распределения (см.
3.1).
(FeS) необходимо превратить в сульфид,
нерастворимый в железе, что достигается
при помощи входящего в шлак компонента
СаО:
(FeS) + (CaO)-*(CaS) + (FeO).
Константа равновесия Ks (Ks =
==0<cas)c(FeO)/c[Fesia(CaO)) определяет на-
направление процесса десульфурации.
Десульфурация ускоряется:
1) при увеличении содержания СаО в
шлаке, т. е. повышении его основности
(CaO)/(SiO2)<l,5. Дальнейшее повышение
основности требует увеличения количества
шлака и кокса, что невозможно технически
н экономически. Обычно придерживаются
основности несколько меньшей 1,5;
2) в восстановительной атмосфере. Сни-
Снижается содержание FeO и при наличии до-
достаточного количества углерода проходит
реакция: [FeS] + (СаО) + [С]-» (CaS) +
+[Fe]+{CO}.
Перевод 95 % серы в виде (CaS) в до-
доменный шлак возможен при выполнении
следующих условий: основность шлака
(CaO)/SiO2>l; снижение содержания
(FeO)<l %; повышение температуры в
горне печи.
Если содержание S в чугуне еще велико,
проводится дополнительная десульфурация
вне доменной печи. Причинами высокого
содержания серы в чугуне могут быть: вы-
высокое содержание S в коксе; малое удель-
удельное количество шлака.
Применяются следующие методы виедо-
менной десульфурации:
— десульфурация содой: [FeS] +
+ Na2CO3+2[C]-*(Na2S)+Fe+3CO. Na2S
при температуре >-900°С испаряется. Кро-
Кроме того, шлак, содержащий Na2S, может
растворять больше FeS, чем следует из
уравнения реакции;
— десульфурация марганцем: [FeS] +
+ [Mn]-^(MnS) +Fe. Реакция протекает
при ~1300°С. (MnS) почти не растворя-
растворяется в жидком Fe и собирается в шлако-
шлаковой фазе.
Применяется также метод, при кото-
котором через чугун продувается азот, несу-
несущий мелкодроблениую известь:
[FeS] + (СаО) ->- (CaS) + (FeO).
Другие реакции. Приведенные ниже
реакции подчеркивают значение Si в до-
мениом процессе (Si — восстановитель,
SiO2 — окислитель):
2 (FeO) + [Si]->-2Fe+ (SiO2);
2 (МпО) + [Si]-* 2[Mn] + (SiO2);
2 [FeS] + 2 (CaO) + [Si]->-2Fe +
+ 2(CaS) + (SiO2).
Для этих реакций устанавливается при-
приближенное равновесие A—2 % S в шлаке,
чугун насыщен углеродом и содержит
<4 % Si, <3 % Мп), которое математи-
математически может быть описано характеристиче-
характеристическими параметрами (ие являются истинно
равновесными величинами):
lg (KFe,Si) = lg (Fe) 1/W=- [1,06 -
— 0,07 (А12О2)] X
324
* S^T + °0 - °'025 <AI Ai);
=—[1,61 —0,013(A12OS)] X
(CaO)
+ 1,91— 0,034 (A12O3);
.s )= 1В-У" 1ЛЫ1 — 1,89 X
Характеристические параметры в интер-
интервале 1400—1600 °С не зависят от темпера-
температуры.
Из выражений для характеристических
параметров реакций следует: повышение со-
содержания Si и основности шлака ведет к
интенсификации процессов восстановления
железа, марганца и удаления серы.
3.3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ
Сущность процесса производства стали
а. Металлическая шихта и присадочные
материалы расплавляются под воздействи-
воздействием теплоты, подводимой извне или образу-
образующейся при окислении примесей железа
(см. 3.3.1).
б. Концентрация примесей, содержащих-
содержащихся в сырье и добавляемых в процессе про-
производства, снижается до требуемого уров-
уровня (см. 2.0). При необходимости для до-
достижения определенных свойств стали вво-
вводятся легирующие элементы.
в. Температурный режим обеспечивает
плавление металла (нагрев выше темпера-
температуры ликвидуса согласно диаграмме Fe—С)
и компенсирует потери тепла.
г. Образование активного жидкого шла-
шлака (см. 3.5) для поглощения продуктов
реакции при фришеваиии (см. обзор 3.3.1).
д. Разливка жидкой стали для получе-
получения конечного продукта (слитки) или по-
полуфабриката для дальнейшей обработки
(см. 5.0).
Основные процессы при производстве
стали приведены в табл. 160.
ТАБЛИЦА 160
3-3.1. Окислительный период
(фришевание)
Происходит избирательное окисление и
удаление примесей из расплава. В этот пе-
период необходимо поддерживать следующие
условия: высокое содержание растворенно-
растворенного О (высокое pOs ); преимущественное
окисление элементов, подлежащих удале-
удалению; прочные соединения продуктов реак-
реакции в шлаке (СО — исключение) н интен-
интенсивное удаление нерастворимых продуктов
реакции из расплава.
Обзор важнейших окислительных реак-
реакций
Углерод [С] образует газообразный
продукт окисления СО. Дальнейшее окис-
окисление до СО2 происходит экзотермически
вне расплава. Поэтому отдача тепла про-
происходит главным образом вне плавильных
агрегатов (см. 3.3.1.1).
Кремний [Si] окисляется до S1O2 до-
достаточно быстро уже в начале окислитель-
окислительного процесса или при расплавлении твер-
твердой шихты до содержания Si 0,05 % (ос-
(основная печь, наличие извести). SiOj связы-
связывается с СаО и образует ортосиликат Са
(экзотермический процесс) (см. 3.3.1.2).
Марганец [Мп], окисленный до МпО,
растворяется в шлаке. Возврат Мп (с эко-
экономических позиций) происходит за счет
изменения состава шлака и температуры.
Выделение тепла при окислении и ошлако-
вывании Мп меньше по сравнению с Si и Р
(см. 3.3.1.3).
Фосфор [Р1 удаляется из расплава в
результате окисления и ошлаковываиия.
Образуется трикальцнйфосфат. Сильно эк-
экзотермическая реакция (см. 3.3.1.4).
Сера [S] при помощи окисления уда-
удаляется весьма трудно. Удаление ее проис-
происходит в результате реакции между метал-
металлом и шлаком (добавка извести) (см.
3.3.1.5).
В основном процессе производства шла-
шлаки окислительного периода подразделяются
на известковосиликатиый (см. 3.5) и извест-
ковофосфатиый и содержат:
Основные компоненты: СаО, SiO2, FeO,
МпО и CaS.
Прочие компоненты: присадки к шлако-
образующим материалам (CaF2, AI2O3); за-
грязиеиия; расплавленный материал футе-
футеровки печи.
Процесс
Исходные материалы
Реакции
Конечные продукты
Расплавление и
окисление
(фришеваиие)
Раскисление
расплава
Твердый или жидкий
чугун; скрап; кисло-
кислород или воздух
Расплав железа по-
после фришевания; рас-
кислители
Плавление твердой ших-
шихты и окисление большей
части примесей кислоро-
кислородом воздуха или чистым
О2
Уменьшение содержания
[О] с помощью добавки
раскислителей
Жидкое железо
(~ 1600°С), содержащее
0,1 % [О] и малое коли-
количество примесей
Жидкая сталь
(~1600°С), содержа-
содержащая 0,001—0,01 % [О],
сопутствующие и легиру-
легирующие элементы
326
Растворимость кислорода е жидком же-
железе. Кислород растворяется в жидком Fe
в виде окислов, состав которых близок к
стехиометрическому составу FeO. Насыще-
Насыщение кислородом чистого железа, находяще-
находящегося под шлаком из FeO без примесей, за-
зависит от температуры.
Формула Тейлора и Чипмена: lg[O] =
=—6320/7+2,734.
Отсюда вытекает следующее соотно-
соотношение:
Температура, °С . 1550 1600 1650
Содержание кис-
кислорода, % ... 0,16 0,229 0,3380
Металлургические шлаки (см. 3.5) Шла-
Шлаки разбавлены СаО, S1O2, P2O5, МпО и
другими веществами, поэтому концентра-
концентрация FeO не достигает насыщения; FeO рас-
распределяется между шлаком и жидким ме-
металлом по правилу Нернста:
f'FeO = c(FeO) /c[FeO] '
где L — коэффициент распределения.
Если содержание кислорода в жидком
железе <0,1 %, то
°[FeO]
Соответственно устанавливаются следу-
следующие максимальные содержания кислоро-
кислорода, % (по массе), в чистом Fe при 1600 °С
и шлаках различного состава:
Жидкое железо под чистым FeO-
шлаком 0,23
Жидкое железо под FeO-шлаком,
насыщенным доломитом . . . .0,11
То же, насыщенным SiO2 . . . 0,098
То же, насыщенным СаО . . . 0,092
Жидкое железо под производст-
производственным известково-силикатным
шлаком A5% FeO, 12% SiO2,
50 % СаО) 0,07
3.3.1.1. Поведение углерода
Активность углерода. При содержании
1 % С в жидком Fe можно для практиче-
практических целей (вычисление констант равнове-
равновесия) считать, что коэффициент активности
углерода /с=1. Тогда в расчетах вместо
активности можно использовать концентра-
концентрацию углерода.
Равновесная реакция
а. Основная реакция. Протекает при
окислении углерода или обезуглерожива-
обезуглероживании металла. Ее особенность — образова-
образование газообразного продукта реакции (СО):
[С]+[О]-*СО. Растворимость СО в жидком
Fe мала. Равновесная концентрация СО,
растворенного в Fe, составляет 0,0026 %
при 1600 °С и парциальном давлении СО
1 атм.
В газовой фазе устанавливается равно-
равновесие: [СО] = {СО}. Суммарная реакция
равновесия углерод — кислород:
б. Температурная зависимость равнове-
равновесия реакции в интервале 1450—1650 °С ма-
мала: \gk=—- г-2,07.
При повышении температуры скорость
установления равновесия реакции обезугле-
обезуглероживания увеличивается.
в. Зависимость равновесия от давления.
Определяется различием числа молей газа
в левой и правой частях уравнения. Ис-
Используется при вакуумной обработке стали.
г. Произведение [С]-[О].
Из расчета равновесия реакции следует,
что при fc =1, fo =1, рсо=1 а™> 7"=const
произведение [% С]-[% О] величина по-
постоянная: т=[С]-[0]. В настоящее время
¦для m принято значение 0,0020 A600°С,
1 атм) (рис. 3.12) [54].
Ct%
Чем сильнее обезуглероживается расплав
(снижается содержание углерода), тем вы-
выше концентрация кислорода в ием. пг зави-
зависит от концентрации углерода: при ГС1<
<0,1% ([О]<0,1%, рсо=1 атм, Г=
= 1600 С)
[С] + [О]-*СО, k =
Рсо
(зависит от тем-
ас °о пературы).
а при [С]>0,1 % (рсо =1атм, Г=1600°С)
[С]-[О]=0,0020.
Реакция обезуглероживания
а. Ступени процесса обезуглероживания:
растворение кислорода в расплаве (FeO)-»-
-¦[FeO]; диффузия С и О к месту реак-
реакции; химическая реакция в гомогенной фа-
фазе (расплаве). Образование зародышей
[FeO]+[CMFe]+[CO]; переход СО в га-
вую фазу [СО]->-{СО}.
б. Скорость обезуглероживания. Обезуг-
Обезуглероживание ускоряется при повышении
температуры, концентрации FeO в шлаке и
тем самым в ванне (прямое ускорение),
дополнительном подводе кислорода (кос-
(косвенное ускорение).
в. Кипение. Окисление углерода сопро-
сопровождается кипением расплава (возникнове-
(возникновение и выделение пузырьков СО), которое
приводит к:
326
— усилению перемешивания расплава
(гомогенизация);
— увеличению площади контакта между
шлаком и металлом;
— лучшему распределению температуры
в обеих фазах;
0,001
0,02 0,05 0,10 0,20 0,60 1,00
Рис. 3.13
/ — область практических составов жидко-
жидкого железа; // — процесс окисления
ТАБЛИЦА 161
— ускорению процесса окисления (и по-
поглощения О2 из газовой фазы);
— ускорению вымывания газов (напри-
(например, Н2) и удаления окислов из расплава.
Окислители. Для проведения реакции
окисления необходимо введение окислите-
окислителей (О2).
Классификация.
1. Свободный кислород. Дутье (воздух
с ~21%О2), обогащенное дутье (~35%
О2), кислород с 80—95%О2 и >99 % О2
(для конверторной плавки). В особых слу-
случаях Н2О+О2.
2. Связанный кислород (твердые окис-
окислители): железная руда (<|30 % Ог), про-
прокатная окалина, спеченая окись железа.
Окислители могут отдавать кислород:
прямо (в расплаве железа); косвенно (че-
(через шлак прн увеличении- концентрации
FeO).
а. Углерод снижает растворимость кис-
кислорода (или FeO) в Fe (рис. 3.13, кривые
равновесия С и О) [9].
б. При снижении содержания С в рас-
расплаве содержание О2 растет (см. рис. 3.13):
/ — перед расплавлением шихты; • 2 — вы-
выпуск готовой плавки. При вакуумной обра-
обработке и выплавке достигается меньшее ко-
конечное содержание О. ,
в. При повышении температуры и по-
постоянном содержании С+О процесс кипе-
кипения усиливается.
г. Окисление углерода на различных эта-
этапах проходит различным образом [9].
Реакция
ДС, кал-моль
Температурная зависимость
0,5О2=[О]
Fe+ — O2=(FeO)*
Fe + [О] = (FeO)*
[С] + [О] = СО
+ (FeO) =
[С] + О2 = СО2
со + —о2=со2
—27 930— 0, 577
—56 850+11,947*
—28900+12,577
—8500 — 7,517*
—36 430—8,097
—20390 — 20,037
—103930+12,667*
—67 500 + 20,757
[О] 6100
lg-4-= ^" + 0,1245
— 2,62
lg-
Pco
7960
+ 1,77
, Pco 4450 , ,
lg7cTw=—+4'39
_Pco^=_22i50_
g [С]РОг Т
Pco,
lg—^^—
„ „0,5
PcoPo,
14 750
У —4,53
* Низкое содержание Р.
327
1. В подовых процессах:
— цри расплавлении углерод окисляется
на поверхности кусковой шихты и границах
раздела фаз;
— при высоком содержании углерода —
на поверхности раздела металл — шлак,
что приводит к вспениванию шлака;
— при повышении температуры н умень-
уменьшении вязкости расплава зона окисления
углерода смещается от поверхности разде-
раздела металл — шлак к поду печи.
(FeOKCO3+Fe—J
i I С+Ш—CO ! /
\ \ Si+2ra-SiO2 •
i <- ¦¦ I
Рис. 3.14
/ — газовая фаза; 2 — шлаковая фаза; 3 — расплав
2. В конверторах. Окисление углерода
проходит в пятне горения на поверхности
контакта струи кислорода с металлом и на
границе раздела фаз.
д. Термодинамические данные.
В табл. 161 приведены уравнения реак-
реакций и термодинамические потенциалы
(AG°) [91].
1. Данные в скобках [1 и () приводятся
в процентах.
2. Уравнения выведены на основе моле-
молекулярной теории.
3. аМпОсоответствует (МпО).
Реакция обезуглероживания в мартенов-
мартеновском процессе
1. Стадии. Схематическое изображение
стадий окисления [63] дано на рис. 3.14.
2. Значения концентрации [О] должны
лежать выше изотерм равновесия (см.
3.3.1.1, равновесная реакция, п. г), иначе
процесс обезуглероживания прекратится.
3. Скорость обезуглероживания. Опреде-
Определяется скоростью перехода кислорода из
атмосферы печи в расплав и при работе
на смеси скрапа и чугуна составляет 0,2—
0,4%С-ч-'. *
4. Роль пузырьков СО (см. реакция обез-
обезуглероживания — кипение). При увеличе-
увеличении объема СО, образующегося в единицу
времени, возрастают интенсивность кипе-
кипения и скорость обезуглероживания.
Образование пузырьков СО (только у
пода печи) оказывает решающее влияние
на процесс плавления и качество выплав-
выплавляемой стали.
Реакции обезуглероживания в дуговой
печи. Поглощение кислорода из атмосферы
печи мало (отсутствует горящий газ1). Ис-
Источники кислорода — окисленная руда и
газообразный кислород. Образование пу-
пузырьков СО имеет такое же значение, как
и в мартеновском процессе.
Реакции обезуглероживания в конверторе
А. Окисление углерода [9] в конверторе
протекает в несколько стадий.
1. Окисление на границе раздела ме-
металл—газ. Кислород полностью расходует-
расходуется на окисление углерода. Скорость окис-
окисления растет пропорционально количеству
кислорода, а концентрация кислорода в
расплаве остается примерно постоянной.
Рнс. 3.15
2. При окислении Fe на поверхности рас-
расплава образуется слой окислов. Концентра-
Концентрация кислорода в расплаве превышает рав-
равновесное длн реакции с С.
3. Окисление углерода. Образование за-
зародышей газовой фазы.
4. Снижается скорость окисления угле-
углерода при малой его концентрации в метал-
металле. Увеличивается скорость окисления Fe и
степень окисленности расплава.
При продувке сверху обезуглероживание
также проходит в несколько стадий. Во
всех случаях выгорание С в начальной
стадии процесса незначительно, так как
температура металла не велика —1350—
1400 °С.
Б. Скорость обезуглероживания. Зависит
от концентрации углерода (рис. 3.15, реак-
реакция обезуглероживания в вакууме) [9].
Протекает по известной реакции обезуг-
обезуглероживания. Влияние оказывает парциаль-
парциальное давление СО.
Теоретически достижимые содержания
кислорода зависят от рсо при остаточном
содержании Св (рис. 3.16) [63] и состав-
12
ляют Сц = [С] — —— [О], где Св — теоре-
100 200 300 400 500 600 700 800
Парциальноедавления№(PCB),rmpm.cm
Рнс. 3.16
328
тнческое остаточное содержание углерода
при условии, что весь содержащийся в Fe
кислород выделен в виде СО. Отсюда сле-
следует: Св=О, если кислород и углерод на-
находятся в стехиометрическом соотношении;
Св>0, если соотношение концентрации
углерода и кислорода превышает стехио-
метрическое. Содержание кислорода мож-
можно понизить вакуумной обработкой. Как
правило, задается условие Св>0, однако
содержание [О] не снижается до равновес-
равновесного значения. Это объясняется тем, что
фактически действующее на пузырек газа
СО давление р выше, чем заданный в печи
вакуум и складывается из трех составляю-
составляющих р=ре+Рф+Рк, где ре — барометриче-
барометрическое; рф — ферростатическое (давление
столба железа); рк — капиллярное давле-
давление.
Давление зависит от поверхностного на-
натяжения железа и радиуса пузырька СО.
3.3.1.2. Поведение кремния
Поведение Si в расплаве железа (см.
1.7.3.1). В периодической системе элемен-
элементов Si и С стоят рядом н следует ожидать,
что они проявляют примерно аналогичные
свойства. Атомы Fe с незаполненной
Зй-оболочкой ионизируют кремний. Часть
его присутствует в виде ионов Si*+. Связь
Fe—Si — ковалентная [9].
Окисление кремния
А. Основная реакция [Si]+2[O]->-
-»-(SiO2)—АЯ. Кремний начинает окис-
окисляться во время плавления железа н обра-
образует нерастворимый окисел SiO2. Источни-
Источники кислорода — ржавчина и окалина. Ре-
Реакция окисления экзотермическая и начи-
начинается уже при низких температурах.
Б. Образование силикатов железа
(SiO2)+2(FeO)->-BFeO-SiO2). Часть сили-
силикатов плавится, другая часть находится в
ТАБЛИЦА 162
ванне в твердом состоянии. Прн основном
процессе производства стали под действи-
действием имеющегося в шлаке СаО они переходят
в силикаты кальция, так как СаО проявля-
проявляет большее сродство к SiO2, чем FeO:
BFeO-SiO2) + 2 (СаО)->2 (СаО X
XSiO2) + 2(FeO).
Окисление кремния в мартеновском про-
процессе. При основном мартеновском процес-
процессе нежелательно высокое содержание Si
(^:l% Si в чугуне), так как иначе необхо-
необходимо увеличить количество добавляемой
СаО, т. е. количество шлака и стоимость
плавки.
Окисление кремния в дуговой печи (см.
мартеновский процесс).
Окисление кремния в конверторах. Име-
Имеет большое значение в начальный период
продувки, так как низкая температура рас-
расплава и окисление Si позволяют экономить
тепло. С другой стороны, высокое содер-
содержание Si имеет свои недостатки (см. мар-
мартеновский процесс).
Выводы (см. 3.3.1.1, п. д). Некоторые
термодинамические данные и реакции окис-
окисления кремния приведены в табл. 162.
3.3.1.3. Поведение марганца
Поведение Мп в расплаве железа. Атом-
Атомные и ионные радиусы Fe и Мп почти оди-
одинаковы, поэтому они неограниченно рас-
растворимы друг в друге (образуют непре-
непрерывный ряд твердых растворов).
Окисление и восстановление марганца
А. Основная реакция, протекающая в пе-
период окисления: [Мп] + [О]->-(МпО)—АЯ.
Возможны и следующие реакции с Мп:
окисление (ошлаковывание) марганца
[Mn]+(FeO)=»*(MnO)-f[Fe] (реакция эк-
Реакция
ДС°, кал-моль"
Температурная зависимость
Si] + 2[O]->(SiO2)
Si] + 2[O]-4SiO2)
(Si] + O2-»-SiO2
[Si] + 2 (FeOH-(SiO2) +
+ 2Fe*
—129 440 + 48,447
—143 000 + 55,67*
—196 200 + 52,347*
—71640 + 23,427*
lg
Ig
lg
lg-
°sioa
[Si] [О]*
flSiO3
(SiO2)
asio3
28300
T
31300
7*
42 890
7*
15 650
— 10,6
— 12,15
— 11,44
— 5,12
lg [Si] (FeOJ = — 18200Г + 10,62 '
* При низком содержании фосфора.
** Для шлаков, насыщенных SiOs-
329
зотермическая); равновесные реакции меж-
между (МпО) н (FeO): Кш [Мп] = (МпО)/
/(FeO); зависят от температуры; восста-
восстановление Мп и переход его' в расплав
(МпО) + [Fe]=f*[Mn] + (FeO); [МпО] +
+ [Fe]**=[Mn]+[FeO] (реакция эндотерми-
эндотермическая).
Б. Температурная зависимость. Констан-
Константа равновесия (/Сдоп) зависит от темпера-
температуры (рис. 3.17 [63]), при снижении тем-
температуры усиливается окисление (ошлако-
вывание) Мп, а при повышении — восста-
восстановление и извлечение Мп.
300
too
О
(MnO)+Fe — CMn3+(FeO)
(Восстановлете №J
(МпШ+Fe
(Окисление Мп)
i [
1550 1650 1750 1850 1950 2050
Температура, °С
ванны; формы, в которой вводится Мп.
Поведение марганца в мартеновском про-
процессе.
А. Условия ошлаковывания. Имеющийся
в ванне углерод препятствует переходу Мп
в шлак (рис. 3.19) [9]: 1 — равновесные со-
0 0.2 0,4 0,6 0,8 -1,0 1,2
Рнс. 3.17
Рис. 3.19
Извлечение Мп. Определяется коэффи-
коэффициентами распределения или ошлаковыва-
ошлаковывания Мп: 1=(МпО)/[Мп]; Чмп=(Мп)/
/[Мп].
Кроме того, константа равновесия Кмп
зависит от основности шлака. Влияет на
нее и степень раскисления. Коэффициент
извлечения Мп определяется как отноше-
отношение: масса марганца, находящегося в рас-
расплаве (кг), к массе марганца в шихте (кг)
(см. рис. 3.18).
Извлечение марганца зависит от следую-
следующих факторов: содержания Мп в шнхте;
количества и состава шлака; температуры
10 h
I
О 4 8 12 16 20 24 28 32
Коэффициент ошлатвысдния (Мп)ДМй
Рнс. 3.18
330
отношения кислорода и углерода; 2 — рав-
равновесные соотношения кислорода и маргаи-
ца в системе Fe—Мп—О (равновесная кон-
концентрация Мп, характерная для мартенов-
мартеновского процесса при 1550, 1600 и 1650 °С —
до 0,4 %); 3 — равновесное содержание
кислорода в основных мартеновских шла-
шлаках; 4 — равновесное содержание кислоро-
кислорода в производственных плавках; 5 — равно-
равновесное соотношение кислорода и марганца
в расплавах железа (основные шлаки).
Б. Раскисляющее действие. Если содер-
содержание С составляет ~0,15 %, то Мп в
количестве 0,2—0,4 % не оказывает раскис-
раскисляющего действия.
В. Извлечение Мп в основных печах
-55 %.
Поведение марганца в дуговых печах.
Благодаря эффекту восстановления извле-
извлекается до 90—95 % Мп.
Поведение марганца в конверторном про-
производстве
А. Роль Мп в процессе продувки. Слиш-
Слишком высокое содержание Мп нежелательно,
так как вызывает усиление угара; уменьша-
уменьшает извлечения; снижает степень дефосфора-
ции, особенно при низких концентрациях Р.
Б. Окисление Мп. Возможно в течение от-
отдельных периодов продувки. В начале про-
продувки (прн низкой температуре) равновес-
равновесное (относительно Мп) содержание кисло-
кислорода оказывается ниже, чем равновесное
содержание его относительно углерода.
В конце периода продувки также создают-
создаются благоприятные условия окисления из-за
низкого содержания углерода (рис. 3.20)
[9]. На этом рисунке / — изотерма равно-
равновесия; 2 — изотерма равновесия по Эллио-
Эллиоту; 3 — содержание [О] при мартеновской
плавке (для сравнения); 4 — содержание
[О] прн конверторном процессе (продувка
ТАБЛИЦА 1Ю
Реакция
ДС, кал-моль
Температурная зависимость
[Mn]
+ 0,5O2;i(MnO)
[Mn] + (FeO)^(MnO) +
+ Fe
58 400 + 25.92Г
—86 330 + 25,417*
—29 500+13.47T
lg
cMnO
Ig
12 760
[Мп][О] ~ Т
йМпО 18 800
Ig
(MnO)
T
6440
[Mn] [FeO]
-5,684
— 5,56
-2,96
сверху); 5 — содержание [О], находящееся
в равновесии с Мп.
Выводы (см. 3.3.1.1). Некоторые реак-
реакции и термодинамические характеристики
приведены в табл. 163.
0,1
0,01
Q002
azs%t
WO'C
0,284
In tS70'
—А—
fe
(МП
Cp-\
Hi.
Ш
V
4
2%
we
Mn
3
'/
s
[^
5"
2
4
^\
40°/M
V/
%Mn
T
t280°°C
0,1 0,2
Рнс. 3.20
6810
3.3.1.4. Поведение фосфора
Поведение Р в расплаве железа. Обра-
Образование фосфидов железа (FeeP, FejP, FeP,
FeP2). В системах Fe—Р—О и Fe—С—Р—О
(с малым содержанием углерода) фосфор
обычно слабо раскислен. Особое значение Р
в производстве стали определяется следую-
следующими факторами:
— Р, как правило, нежелательная при-
примесь;
— дефосфорация всей шихты возможна
только в процессе выплавки стали;
— Р служит источником тепла при то-
масовском н LDAC процессах.
Источники фосфора в шихте.
1. Чугун:
а) томасовский чугун содержит 1,7—
2,2 % Р (для томасовского и LDAC про-
процессов) ;
б) передельный мартеновский чугун со-
содержит 0,15—0,25 % Р (для плавки в подо-
подовых печах и конверторах LD),
2. Окисленная руда.
¦ 3. Ферросплавы.
Реакции с участием фосфора.
А. Основная реакция. Экзотермическая,
протекает в окислительный период плавки.
Образующийся трифосфат растворим в
шлаке: 2[Р] + 5[OJ + 3(FeO) =f* CFeO X
2[Р]
25)
Б. Исследование равновесия — рис. 3.21
[63].
Распределение фосфата между расплавом
Fe (при 1600 °С) и:
Рис. 3.21
а —чистым FeO-шлаком. В технике не
применяется (высокие затраты тепла и
большого количества шлака);
б — FeO-шлаком, насыщенным известью.
Эффективное удаление фосфора вплоть до
низкого его содержании.
При использовании известковых шлаков,
содержащих FeO, дефосфорация протекает
следующим образом: реакция I 2[Р]+
+5[O]+(FeO)=t*CFeO-P2O5); реакция II
CFeO-P2Os) + 4(CaO) =f* DCaO-P2Os) +
+ (FeO); суммарная реакция 2[Р1+5[О]+
+4(СаО)**DСаО-Р2О6)
сDСаО-Р3О6)
Л = Г т~~. (зависит от температу-
[P]2[O]VCaO ры).
Требования к процессу дефосфорации.
Повышение кислородного потенциала в
шлаке и расплаве; высокая реакционная
способность [Р] и СаО (активный шлак);
суммарная реакция дефосфорацин экзотер-
мична, а с ростом температуры равновесие
сдвигается в сторону повышения содержа-
содержания Р, поэтому дефосфорацию проводят
при низких температурах.
Реакции с участием фосфора в мартенов-
мартеновском процессе
A. «fl-ush-off-practice» (метод скачивания
шлака). Основная мартеновская печь и
331
рудный процесс. Предварительная дефос-
форация проходит при малоизвестковом
шлаке уже в процессе заливки жидкого
шлака (при этом происходит и ошлаковы-
вание Si).
Б. Основность. В основной мартеновской
печи и при скрап-рудном процессе дефос-
форация частично осуществляется при плав-
плавлении шихты в начале окислительного пе-
периода (низкая температура!). При основно-
основности 2,6 к концу процесса плавления оста-
остаточное содержание [Р] достигает ~ 0,020 %.
В. Скорость окисления фосфора. Пример-
Примерно равна скорости окисления углерода.
Определяющий фактор — интенсивность
подвода кислорода к границе раздела ме-
металл—шлак. Необходимо присутствие вы-
высокоосновных шлаков (см. Б. Основность).
Г. Вторичная фосфорация. Происходит
при следующих условиях: повышение тем-
температуры (поэтому при дефосфорации
поддерживают низкую температуру); до-
добавление легирующих элементов (восста-
(восстановление Р2О5 из шлака); снижение основ-
основности за счет продуктов раскисления в
процессе разливки при большом количест-
количестве шлака; уменьшение содержания FeO.
Реакции с участием фосфора в дуговых
печах
Основная реакция протекает так же, как
описано выше. Благоприятные условия
для удаления фосфора: высокий кислород-
кислородный потенциал; высокая концентрация
СаО; умеренная температура.
Реакции с участием фосфора в конвер-
конверторном процессе
А. Содержание фосфора. При низких
содержаниях фосфора в чугуне дефосфо-
ТвнлсовсииИ процесс
Рис. 3.22
S 20 40 60 80 /Off
Время от начала продувки, %
О 5 10 iS
время an мчала пяодудщпия
рация проходит так же, как и в основной
мартеновской печи.
При томасовском и LDAC процессах тре-
требуется шихта с высоким содержанием
фосфора, так как экзотермический процесс
окисления фосфора необходим для поддер-
поддержания теплового баланса при продувке.
Б. Кривые окисления. В различных про-
процессах ошлаковывание происходит по-раз-
иому. На рис. 3.22 и 3.23 [63, 54] сопостав-
Процесс LUAC
Рис. 3.23
О 20 40 60 80 ЮО
Время от начала продувпи, %
i i t i i i
О 5 10 JS 20 2S
Время от начала npodijB/ai, мин
лены кривые окисления С, Si, P (для пол-
полноты картины также и поведение N) при
томасовском и LDAC процессах. Дефосфо-
рация при томасовском процессе происхо-
происходит только после окисления углерода («пе-
(«переход»), так как сначала должны образо-
образоваться высокоактивные основные шлаки.
Кремний ошлаковывается уже в начале
процесса продувки. Повышение концентра-
концентрации азота в конце продувки обусловлено
его присутствием в дутье. При LDAC про-
процессе окисление углерода и фосфора про-
происходит почти одновременно и для сни-
снижения концентрации Р в металлической
фазе необходима смена шлака.
Реакции протекают различно, так как в
процессе LDAC наряду с кислородом од-
одновременно вдувается известковая пыль,
высокоактивный шлак образуется сразу.
В. Требования к процессу дефосфорации.
Реакции ошлаковывания 2ГР]+5[О]+
+3(FeO)->-CFeO-P2Os) и 2[P]+3Fe+
+8[Ol-^-CFeO-P2O5) возможны при высо-
высокой концентрации Р н очень низкой С. По-
Поэтому характер реакции окисления Р опре-
определяется [9]: степенью приближения к
332
идеальным условиям контакта между га-
газом-окислителем и расплавом; несовершен-
несовершенством контакта между шлаком СаО—FeO
и расплавом.
По модельным исследованиям можно
приближенно представить условия окисле-
окисления (ход окисления) железа и примесных
элементов (рис. 3.24) [9]:
Рис. 3.24
/ — каплн; 2 — поток; 3 — отраженный
поток; 4 — жидкость
1. При повышении скорости потока кис-
кислорода увеличивается коническое углубле-
углубление, создаваемое потоком в жидком ме-
металле, а значит, и время пребывания ка-
капель жидкого металла в потоке кислоро-
кислорода — улучшаются условия окисления.
2. При уменьшении скорости потока
кислорода происходит преимущественное
окисление железа, образование железосо-
ТАБЛИЦА 164
держащего шлака (условия, близки к мар-
мартеновскому процессу).
Выводы. Некоторые реакции и их термо-
термодинамические характеристики приведены в
табл. 164. (см. 3.3.1.1, Выводы, п. д.).
3.3.1.5. Поведение серы
Поведение серы в расплаве железа. Сера
почти неограниченно растворима в жидком
железе. Вблизи ГПл и в твердой фазе рас-
растворимость S мала [9].
В расплавах Fe и Fe—С сера — поверх-
поверхностно активный элемент.
S является нежелательной примесью и в
зависимости от марки стали ее концентра-
концентрацию снижают до < 0,060 % (рядовая сталь)
и <0,035 % (высококачественная сталь).
Исключение составляют только автомат-
автоматные стали (см. 2.2.1.36) с высоким содер-
содержанием серы.
Реакции с участием серы
А. Основная реакция. Десульфурация,
как правило, проходит не путем окисления
серы, растворенной в расплаве железа, а
при соединении ее с СаО, содержащейся в
шлаке:
[FeS] + (CaO)-4CaS) + (FeO).
Обозначение [FeS] в этом уравнении
идеализировано.
Б. Равновесие. Реакция слабо экзотер-
мична и мало зависит от температуры:
—aCaS"
a
CaO •
Реакция
ДС°, кал^моль"
Температурная зависимость
2 [Р] + 8 [О]
84200
[P]a[Of
0,8 [P] +
г!0,4 (Р2ОБ) + 2Fe*
2 [Fe3PJ + 5 (FeO) + 4 (CaO)
JDCaO-P2OB)+llFe*
-119000 +45,0Г
-91940 + 40.66Г
-147 800+41,87'
-34 140+15.64T
-160 000 + 44,857"
-160000+44.85Г
CFeO-PA) _ 26000
(Р2ОБH'4 20400
— 8,91
lg
(PA)"'4 32300
T
7450
— 9,15
(PAH'4 =^_342
[P]°'8(FeO)a T
CCaO-PA) _35000_07
g [PP [O]§ (CaO)8 7"
DQP-PA) _ 73600 _
[P]? [О]6 (СаО)* Т
• Низкая концентрация Р.
*• Высокая концентрация Р.
333
Исследование условий равновесия пока-
показывает, что десульфурацня происходит при
достаточно высокой активности fFeS] и
(СаО) и слабом окислительном действии
шлака (низкой концентрации FeO).
Десульфурация эффективнее проходит в
доменной печи (см. 3.2.6), поскольку под
воздействием С, Si, P возрастает cs.
Из равновесной реакции коэффициент
распределения L=(S)/[S]. Lma*=14 при
чистом СаО—S1O2—FeO-шлаке (насыщен-
(насыщенном СаО); L—8—10 при использовании ре-
реальных шлаковых систем; L>10 при ис-
использовании шлаковых систем СаО—РгО^—
FeO.
Реакции с участием серы в мартенов-
мартеновском процессе
А. Сульфурация. Возможна вследствие
постоянного поступления S из топлива. Се-
Сера поглощается главным образом в период
расплавления, когда твердая шихта не пол-
полностью покрыта слоем шлака {SO2} + Fe->-
->{FeS]-)-2[Ol. При равновесной концентра-
концентрации 2-10"-e%SO2 (по объему) в газовой
фазе соответствует содержание 0,05 % S
в Fe.
Б. Десульфурация. Десульфурацию мож-
можно ускорить следующими мерами: повыше-
повышением температуры (увеличивается актив-
активность шлака и растворимость СаО); уве-
увеличением присадки CaFj, что снижает вяз-
вязкость и повышает основность шлака (рас-
(растворимость СаО).
Расчет степени десульфурации [S] =
( щ- где fsl -оконча-
тельное содержание S, %; [SB]—содержа-
[SB]—содержание S к началу окислительного периода
(первая проба); L — коэффициент распре-
распределения серы или коэффициент ошлаковы-
вания; m — масса шлака, % от массы рас-
расплава.
Реакция с участием серы в конверторах
А. Томасовскнй процесс. Значительная
часть десульфурации протекает только в
конце периода продувки, поэтому необхо-
необходимо использовать низкосернистое сырье.
С серой связывается та часть извести (так
называемая свободная известь), которая
остается после ошлаковывания Р2О5 и SiO2.
Десульфурация происходит слабее, чем
при мартеновском процессе.
Б. Процесс с верхним кислородным
дутьем. Десульфурация происходит быст
ТАБЛИЦА 165
рее и более полно, так как уже в начале
процесса образуется активный шлак. Кро-
Кроме большей длительности протекания ре-
реакции, положительное воздействие оказы-
оказывает также кислород, который окисляет до
15 % S:
(CaS) + 3/2 {Ог}-ЧСаО) + {SO8}.
Более высокая степень десульфурацни
достигается после смены шлака. Всего
удаляется 50—55 % S.
Реакции с участием серы в дуговых пе-
печах. Благоприятные условия для десуль-
десульфурации создаются при работе с восста-
восстановленными шлаками F5 % СаО, 10 % CaF2,
20 % SiO2) и при высокой температуре
[FeS]+ (СаО) +C->-(CaS) +[Fe]+ {CO}.
Возрастает эффективность процесса и
остаточное содержание серы в стали сни-
снижается до <0,01 %.
Выводы
А. Общие представления. На обобщаю-
обобщающей диаграмме (рис. 3.25, по Шейку) [9]
степень десульфурации представлена в за-
зависимости от десульфурирующих свойств
Xя
I
Лабораторные результаты^
~ Провес НалдЦ (фо
Процесс с буфернымшланом
-Ротор '~
процесс с 2 шлаками Лф
гооычныи чугун/ /$>'jOS
Быстрый y^t "л*
^Томасовский процесс
^процесс
S Быстрый процесс
R с перемешиванием
значения
Расчетные
значения
10 20 30 40 50 60
Содержание S б газовой фазе,
% от содержная 5 0 металле и шлете
Рис. 3.25
Реакция
AG°. кал/моль
Температурная зависимость
[FeS] + 1,5O8^(Feq) -f SO8-
чисто железистый шлак
[FeS] + [MnJ^(MnS) + Fe—
при низком содержании Р.
+1340+12.81Г
—12 860 + 4.99Г
—25 650+13.86Г
5610
334
газовой фазы. Данные получены расчетным
путем и нз результатов лабораторных и за-
заводских испытаний.
Б. Термодинамические данные (см.
3.3.1.1, Выводы п. д.) приведены в табл. 165.
3.3.2. Раскисление стали
Снижение содержания кислорода в стали
до уровня, исключающего возможность оки-
окислительных реакций в слитке. Образующие-
Образующиеся при этом твердые, жидкие илн газооб-
газообразные продукты раскисления необходимо
удалить до затвердевания слитка, так как
они снижают качество стали. Содержание
[О] после раскисления снижается на по-
порядок.
Стадии процесса раскисления
1. Растворение раскислителей в жидком
металле.
2. Реакции между [О1 и раскислителем.
3. Образование зародышей, рост и выде-
выделение продуктов раскисления.
Способы раскисления стали:
а) осаждающее раскисление; б) диффу-
диффузионное раскисление; в) специальные спо-
способы раскислении (обработка синтетически-
синтетическими шлаками; раскисление в вакууме).
3.3.2.1. Равновесие реакции
раскисления
Характеристика раскислительной способ-
способности. Для каждого раскислителя раскис-
лительная способность характеризуется
равновесной концентрацией кислорода при
постоянной температуре.
В условиях равновесия различаются:
а. Ориентировочная оценка раскислнтель-
ной способности чистых элементов, которая
зависит от стабильности окислов, образо-
образованных из чистых элементов и чистого кис-
кислорода (см. 3.1).
Характеристический параметр — кисло-
кислородный потенциал:
1. При повышении концентрации некото-
некоторых элементов в железе их раскислитель-
ная способность падает и может даже при-
принимать отрицательные значения (содержа-
(содержание [О1 возрастает). Равновесные кон-
концентрации [О1 при 1600 °С и 0,1 % раскис-
лнтеля [119]:
Раскнслитель . . Сг Мп, V Р С
Равновесная кон-
концентрация [О], % 0,18 0,1 0,025 0,02
Раскислитель . .
Равновесная кон-
концентрация [О], %
Si
Продолжение
Ti A1
0,018 0,003 0,001
2. С ростом температуры 'увеличивается
равновесная концентрация кислорода что
вызывает уменьшение раскислительной спо-
способности растворенных веществ. Раскнсли-
тельная способность некоторых элементов
при 1600 °С приводится на рис. 3.26.
0.02 0,050,10 0,2 0.S 1,0 2,0 5,0
Содержание распислителя, %
Рис. 3.26
-AG = RT InpOi (зависит от температуры). 3.3.2.2. Осаждающее раскисление
Отсюда выводятся условия равновесия
реакции окисления:
К — рО2 (зависит от температуры),
где D — раскислитель.
б. Раскислительная способность техниче-
технических материалов. Так как при раскислении
реагируют не чистые вещества, а их рас-
растворы в Fe, то с учетом взаимного влия-
влияния реагентов условия равновесия изменя-
изменяются и приводят к изменению реакционной
способности соответствующих элементов:
Ниже приведены некоторые факторы,
влияющие на раскислительную способ-
способность.
Осаждающее раскисление осуществляет-
осуществляется при помощи элементов, обладающих
большим сродством к кислороду, чем Fe
А. Основная реакция [МеО] +?>а±[Ме] +
Б. Продукт раскисления DO должен
быть удален из расплава [DO]— .
Раскисление марганцем. Марганец может
применяться в качестве раскислителя, по-
поскольку МпО нерастворим в Fe. Эффектив-
Эффективность его, однако, невелика (рнс. 3.27, для
безуглеродистых расплавов) [63].
Эффективное раскисление проходит толь-
только в области III (рнс. 3.27), где уже на-
начинается первичная кристаллизация Fe и
остаточный расплав обогащается кислоро-
кислородом и марганцем.
Раскисление кремнием. В расплавах с
низким содержанием углерода и марганца
возможно уже при температуре 1600 °С
335
(рис. 3.28) [63]. Продукт раскисления —
твердый SiO2. Раскисление одним только
Si на практике не применяется (образуют-
(образуются шлировые выделения S1O2). Сталь, со-
содержащую марганец, раскисляют ферроси-
ферросилицием.
0,2 0,4 0,6 0,8 W 1,2 ГА 16 W
Мл, % (по массе)
Рис. 3.27
/ — Fe н Fe—МпО. расплав; П — Fe (расплав)
FeO—МпО — твердый раствор; /// — Fe+оста-
точный расплав
Рнс. 3.28
/ — безмарганцевый расплав при 1550—1620° С;
2— то же, прн 1620—1660 "С; 3 — эксперимен-
экспериментальные изотермы расплавов, содержащих
марганец
Раскисление марганцем и кремнием. Рас-
кислительная способность, силикомарганца
(~20 % Si," ~65 % Мп) выше, чем у Мл
или Si в отдельности. Образуются жидко-
текучие . силикаты марганца. Рост раскис-
лительной способности комплексного рас-
кислителя по сравнению с отдельными
компонентами (например, Мя) обусловлен
образованием продуктов, раскисления в ви-
виде смешанных окислов или соединений (на-
(например, силикаты), активность которых
меньше K=([Me]m[O]nllaM o .
fn п
Раскисление алюминием. Алюминий об-
обладает очень высоким сродством к кислоро-
кислороду и поэтому является сильным раскисли-
Телем.
Комплексные раскислители. Эффектив-
Эффективные раскисянтели (см. силикомаргайец).
Кроме того, для них характерна высокая,
степень отделения продуктов раскисления.
Комплексны^ раскислители повышают
скорость реакции раскисления. Комплекс-
Комплексные раскислители: силикомарганец; А1
(после Si и Мп); CaSi; CaAl; AlCaSi; ред-
редкоземельные элементы Се, La (в соедине-
соединении с другими раскислителямн); В, Ti, Zr,
Ва, Mg (в соединении с другими раскис-
лителями).
3.3.2.3. Продукты раскисления
Реакции образования продукта раскис-
раскисления (DO):
[Мп] + [О]-*МпО; 2[А1] +3[О]->А12Су,
[Si] + 2 [O]-*SiCy, [Ti] + 2 [О]-*ТЮ2;
[C] + [O]->CO,
а также реакции между образовавшимися
веществами (возникают силикаты, двойные
окислы, смешанные окислы, химические со-
соединения н т. д.).
Основные требования к продуктам рас-
раскисления: меньший удельный вес; макси-
максимальная текучесть и способность к коагу-
коагуляции; поверхностное натяжение большее,
чем у Fe.
Это обеспечивает очистку жидкого же-
железа.
Продукты раскисления подразделяются
на:
— первичные или первичные окислы (от-
(относительно крупные частицы, образуются в
течение 10—20 с после введения раскисли-
теля);
— вторичные (образуются при охлажде-
охлаждении расплава и при вторичном раскислении;
очень мелкие; плохо отделяются от распла-
расплава, вязкость которого уже увеличивается).
Основные характеристики продуктов рас-
раскисления: 1) температура плавления;
2) плотность; 3) поверхностное натяжение
(в сравнении с жидким Fe).
Скорость отделения. Зависит от разме-
размера частиц (закон Стокса); подвижности
расплава; поверхностных свойств; смачи-
смачиваемости.
Особенности некоторых продуктов рас-
раскисления
а. Кремний. Сначала образуется S1O2
(~ 98 %), затем — силикаты Fe, Mn.
б. Титан. Выделяются крупные частицы
(~200 мкм) гетерогенного состава (макс.
~90%ТЮ2).
в. Алюминий. Мелкодисперсные выделе-
выделения ~97% А12О3 C0—50 мкм), которые
переходят в силикаты вместе с Fe, Mn, A1,
Si. Возможно спекание частиц.
г. Цирконий. Очень мелкие частицы
~93 % ZrO2 (<10 мкм).
д. CaSi. Хорошо коагулирующие части-
частицы C0—50 мкм), содержащие СаО. Обра-
Образование силикатов Са, Si, Мп.
е. CaAl. 'Спеченный продукт (до 40 мкм),
в состав которого входят Са и А1.
Изменение общего содержания кислорода
после введения раскислителей.
А. Комплексные раскнслители. Применя-
Применяются для улучшения отделяемости про-
336
дуктов раскисления. Для получения хоро-
хороших свойств материала количество вклю-
включений должно быть минимальным.
Б. Кислородный баланс. Кислород в ви-
виде оксидных включений влияет на свойст-
свойства материала. Поэтому содержание раство-
растворенного и связанного кислорода необходи-
необходимо снижать.
Зависимость механических свойств от
содержания кислорода для нелегированной
стали приводится иа рис. 3.29 [53].
%, кгс-мггг
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
- ,\
-
-
-
-
- ""»\ ^^
-*' ^\
1 1 1
Рис. 3.29 о 0,05 0,1 0,15 0,2
0г,%
В. Изменение содержания кислорода и
включений, а также температуры расплава
железа в процессе осаждающего раскисле-
раскисления показано на рис. 3.30 [63].
1650 "С 1600 "С
\
В
ffr
Рис. 3.30
/ — содержание растворенного кислорода; 2 —
то же связанного; 3 — то же суммарное; А —
конец окислительного периода; Б — выпуск;
В — выдержка в ковше; Г — разливка
1. Содержание растворенного [О] в кон-
конце окислительного периода плавки велико
и соответствует содержанию' С, однако в
22—140
результате осаждающего раскисления при
выпуске оно резко снижается и достигает
минимального значения при затвердевании.
2. Доля связанного кислорода в конце
окислительного периода мала (очищающее
действие окислительного процесса). При
осаждающем раскислении оиа резко увели-
увеличивается, затем медленно падает, а при за-
затвердевании снова возрастает за счет схва-
схваченных окислов DxOy.
3. Общее содержание кислорода опреде-
определяется как сумма обеих его форм. Это со-
содержание и определяется при анализе проб
(см. 3.6).
3.3.2.4. Диффузионное
раскисление
Характеристика процесса. .Выражение
«диффузионное» не полностью соответству-
соответствует существу процесса. Более точный тер-
термин — «экстракционное раскисление» [9].
При диффузионном раскислении содер-
содержание [О] снижается за счет раскисления
шлака. Раскислителями могут быть С, Si,
А1. Основная задача — снижение содержа-
содержания FeO в шлаке, что усиливает диффузию
кислорода из металла в шлак (см. правило
распределения Нернста). Шлак состоит из
~65 % СаО, 20 %SiO2, 10 % CaF2 и ~ 1 %
FeO и МпО.
LPeO— (FeO)/[FeO] — зависит от тем-
температуры. Образуются газообразные (или
жидкие) продукты раскисления.
Применяется только в дуговых печах, где
нет горящих газов.
Реакция протекает в несколько стадий:
1. [FeO]**(FeO).
2. (FeO) +/?** (/?O)+Fe (RO — продукт
раскисления).
3. В зависимости от типа раскислителя
образуются богатые карбидами шлаки
(~2% СаС2), если восстановитель — уг-
углерод, или белый шлак, если Si, A1.
Коэффициент скорости диффузионного
раскисления. Факторы, влияющие на коэф-
коэффициент скорости диффузионного раскис-
раскисления:
1) увеличение содержания извести в
шлаке (т. е. уменьшение содержания FeO)
усиливает восстановительное действие;
2) вязкость шлака (присадка CaF2);
3) перемешивание (повышает скорость
раскисления).
3.3.2.5. Другие способы
раскисления
Обработка расплава железа синтетиче-
синтетическими шлаками. Широко применяется на
практике. В дуговой печи наводится шлак
из А12Оз и СаО. Шлак заливают в ковш,
туда же с высоты 3—6 м выливают струю
металла из печи. Способ позволяет снизить
содержание кислорода и серы.
Электрошлаковый переплав. Основная
цель — очистка стали от S и неметалличе-
неметаллических включений в процессе расплавления
исходного материала в разогретой шлако-
шлаковой ванне(~1800 °С, см. 4J0). Кроме того,
337
за счет затвердевания в водоехлаждаемом
кристаллизаторе можно управлять структу-
структурой слитка.
Вакуумное раскисление. Основывается
главным образом на реакции обезуглеро-
обезуглероживания, так как в вакууме раскислитель-
ная способность углерода значительно воз-
возрастает (см. рис. 3.31) [9]. Из данных,
0,2
0,1
0J05
ОМ
0,01
0,005
0,002
0,001
0,0005
0,0002
0,0001
0,00005
0,00002
О.00001
0,001
0,0050,01 0,050,10,2 0,5 1
Раскислитель, %
— газообразные энергоносители (природ-
(природный газ, газ дальнего газоснабжения, ге-
генераторный газ, доменный газ, пар);
— электроэнергия.
Энергоноситель подбирают по следующим
параметрам: а) доступность; б) цена; в) со-
содержание серы; г) достигаемые тепловые
характеристики [теплотворная способность,
истинная температура (калориметрическая),
величина теплопередачи].
Теплотворная способность, ккал-кг-1 или
ккал-м, некоторых энергоносителей:
Мазут 9000—10 000
Природный газ 7000—9000
» » (СССР) . . ,8200—8500
Газ дальнего газоснабжения . 4000
Генераторный газ 1650
Колошниковый » 900—1000
Состав (%) газообразного топлива при-
приводится в табл. 166.
Рис. 3.31
ТАБЛИЦА
Газ
Природ-
Природный
Коксо-
Коксовый
Колош-
Колошниковый
со
0
6
29
/66
со,
3
2
12
н.
0
57
2
CHj
90
25
0
CmH«
1
2
0
N,
6
8
57
г-м-3
<3
0,1
0
приведенных на рисунке, следует, что А12О3
при 1600 °С и 0,01% С должен был бы
восстанавливаться. Однако это невозмож-
невозможно, поскольку фактическое парциальное
давление кислорода выше.
3.3.3. Материальный
и тепловой баланс
Материальный баланс
1. Материалы, используемые для произ-
производства стали (собственный и привозной
скрап, чугун, руда, прокатная окалина,
ферросплавы, топливо, кислород, шлакооб-
разующие).
2. Продукты сталеплавильного производ-
производства (сталь, шлаки, отходящие газы, пыль).
Коэффициент извлечения металла i\M:
Ям
•100%,
где qa — количество жидкого металла, кг;
дч — количество чугуна, кг; qc — количест-
количество скрапа, кг, на 1 т жидкого металла.
Значение г\м изменяется в зависимости
от способа выплавок для стали: томасов-
ский ~90; мартеновский 92—95; плавка с
кислородным дутьем ~90; электросталь
95—96.
Тепловой баланс
А. Энергоносители:.
— мазут;
Б. Источники тепла:
— горение топлива или превращение
электрической энергии в тепловую;
— физическое тепло загружаемых мате-
материалов (например, жидкий чугун);
— окисление и ошлаковывание Fe и со-
сопутствующих элементов.
В. Процессы, потребляющие тепло:
— нагрев металла, шлака, дыма;
— нагрев подводимых и образующихся
газов;
— нагрев шлакообразующих флюсов,
окислителей, ферросплавов;
— превращения сырой руды, извести;
— потери тепла с излучением, с охлаж-
охлаждающей водой, отходящими газами.
Г. Характеристики теплового баланса.
Определяются, как правило, на 1 кг сопут-
сопутствующего Fe элемента, при этом в балан-
балансе рассматривается: углерод (FeeC), мар-
марганец (МпзС), кремний (FeSi), фосфор
(Fe3P) [54].
Д. Особенности теплового баланса раз-
различных процессов.
— Окисление потоком воздуха. Из-за вы-
высокой доли азота малый тепловой эффект.
— Окисление рудой. Руда охлаждает
плавку. Выигрыша тепла нет.
—Томасовский процесс. Для получения
достаточного теплового эффекта горение С
должно сопровождаться также окислением
Р (>1,7%Р).
— Мартеновский процесс. Применение
подогретого воздуха. Дополнительное ис-
338
ТАБЛИЦА 167
Mr,
Si
Fe
Продукт реакции
Расход О2, кг
Расход Ог, кг
Количество окисленного про-
продукта реакции, кг
Объем окисленного продукта
реакции, м3
Удельная теплота реакции при
25 СС, ккал/кг .
СО
1,33
1,87
—2648
СОа
2,66
1,87
—8281
МпО
0,29
1,29
—1653
2СаО-
•SiOa
1,14
3,99
6,13
—7875
I
ЗСаО •
РА
1,29
2,76
5,01
—7321
FeO
0,29
1,29
—1150
пользование мазутно-кислородных форсу-
форсунок.
— Конвертор LD. 40 % поступающего
тепла образуется в результате окисления и
ошлаковывания сопутствующих элементов
и Fe. Поэтому возможна загрузка низко-
низкофосфористым чугуном с добавкой скрапа.
Е. Тепловой коэффициент полезного дей-
действия v\w:
^w = ;г •100%-
Ус
где Qu — тепло выпускаемых металла и
шлака; Qc — тепло, получаемое от садки,
топлива, реакций. '
Тепловой к. п. д. зависит от способа вы-
плавкн стали: томасовский процесс -~50;
мартеновский процесс ~30; процесс с верх-
верхним кислородным дутьем ~65; производ-
производство электростали ~ 60.
Пример. Тепловой и материальный
баланс.
а. Превращение вещества и тепла в окис-
окислительном периоде производства стали
[541 —см. табл. 167.
Балласт, образующийся при загрузке
Кислород чис-
чистый Не образуется
Воздух, м8 . . 3,51 7,02 0,77
Fe2Os, кг ... 3,10 6,20 0,68
чис-
3,00
2,65
Продолжение
Не образуется
3,30
3,01
0,76
Кислород
тый . . .
Воздух, м8
Fe2Os, кг.
Избыток тепла, образующийся при за-
загрузке (при температуре процесса), ккал
Кислород чис-
чистый 2129 7174 1312
Воздух .... 302 3522 942
FeaO3 —4384 —5852 —112
Продолжение
Кислород чис-
чистый . . . „ . 5393 5184 802
Воздух .... 4058 3252 437
FejjOs —176 —1129 —1630
Примечание. Данные приведены на 1 кг
сопутствующего железу элемента.
* Все данные на 1 т жидкой стали.
б. 40-т дуговая электропечь [54]*
/о
Шихта, кг 1082=100
В том числе:
скрап, кг 965=89,2
передельный чугун, кг 80=7,4
руда и присадки, кг . 37=3,4
Извлечение металла . .95,5
Известь, кг 30—50
Шлак (окислительный и
восстановительный), кг . 40—80
Обожженный доломит,
кг 24—45
Электроды, кг .... 5—9
Продолжительность
плавки, ч 3—5
Расход энергии, кВт-ч . 600—700
. Поступление тепла, Мкал 633=100
В том числе:
тепло электроиагрева 563=89
тепло реакций:
используемое . . . 52,6=8,3
неиспользуемое . . 17,4=2,7
Расход тепла, Мкал . . 633,0=100
В том числе:
сталь 340,3=53,8
шлаки 40,5=6,4
восстановление руды . 45,7=7,2
потери на рассеяние . 35,5=5,6
охлаждающая вода . 88,2=14,0
тепло отходящих га-
газов:
явное 65,4=10,3
скрытое ..... 17,4=2,7
3.4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ
Принципы классификации цветных метал-
металлов B.2.2)
а. По характерным признакам (плот-
(плотность, химические свойства, цвет исходной
руды или металла и т. д.).
В ГДР по этим признакам цветные ме-
металлы подразделяются,'на основные цветные
(Си, Ni, Co, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi и Hg); бла-
благородные (Au, Ag и платиноиды); щелоч-
щелочные (Na, К, Li); щелочноземельные (Са,
22*
339
Ba, Sr); легкие (Al, Mg, Ti) и редкие (Ge,
In, Re, Ga, Tl, Ir, Th, Zr, Hf, U)>.
б. Классификация по температурам плав-
плавления A,0).
в. Классификация по электрохимической
активности 2:
— благородные металлы (Аи, Ag, Pt,
металлы платиновой группы);
— полублагородные металлы (Си, Hg);
— неблагородные металлы. Остальные —
согласно периодической системе элементов.
г. По степени трудности получения ме-
металлов из их руд:
— легко получаемые металлы (малое
сродство к металлоидам);
— металлы со средним сродством к ме-
металлоидам, которые можно восстанавливать
с углеродом (например, Cd, Ni, Pb, Zn, Cu,
Hg, Sb, Co);
— металлы с большим сродством к ме-
металлоидам, для получения которых требу-
требуется электролиз или металлотермия (на-
(например, Al, Mg, Ti).
Возможна классификация по методам
получения D).
б. Основные виды применения. Темпера-
Температуры кипения и начала улетучивания неко-
некоторых элементов (соединений) приводятся
в табл. 168.
Т А Б Л
о
§1
II
Pb
PbS
PbO
Sn
SnS
SnO
SnO2
SnCl4
И ЦА 168
Температура,
°C
начала
улету-
улетучивания
1100
750
800
1200
>1000
1600
—
кипе-
кипения
1740
1350
1470
2362
1230
1425
2000
114
О
И
К
si
0
со—
Zn
ZnS
ZnO
Cd
CdS
CdO
Sb2O4
As2O3
Температура,
°C
начала
улету-
улетучивания
~I200*
>1200
—
980*
980*
—
кипе-
кипения
907
.—
>1800
765
1385
1425
424
* Сублимация.
3.4.1 Первичная
переработка сырья
3.4.1.1. Пирометаллургические
способы
Дистилляция, Применяется, когда кон-
концентрация получаемого металла мала.
Предпосылка -— высокое давление паров
летучих компонентов. Необходимо учиты-
учитывать и вид возгона (металл или окисел).
Возможны следующие варианты процессов:
улетучивание металла (например, Zn);
улетучивание окисла. Возгон (например,
Pb); улетучивание сульфида (например,
Sn).
а. Основные положения. Процесс описы-
описывается уравнением Клаузиуса—Клапейрона.
Зависимость между температурой, давле-
давлением пара и теплотой испарения (AHV)
описывается уравнением:
dinp/dT=AHv/RT2.
1 Промышленная классификация, при-
принятая в СССР, предусматривает деление
цветных металлов на следующие группы:
тяжелые, младшие, легкие, благородные и
редкие. Редкие металлы дополнительно под-
подразделяются на тугоплавкие, легкие, ред-
редкие, рассеянные, редкоземельные и радио-
радиоактивные. Прим. ред.
2 Электрохимическую активность ме-
металлов в СССР принято характеризовать
положением элемента в ряду напряжений,
т. е. величиной его нормального электрохи-
электрохимического потенциала. Каждый более
электроположительный элемент (располо-
(расположенный в ряду напряжений левее) будет
более благородным по сравнению со своим
соседом справа, имеющим более электро-
электроотрицательный потеидвал и являющимся
менее благородными. Прим, ред.-
Концентрационная плавка на штейн или
шпейзу
а. Образование штейна. Процесс перера-
переработки руды до промежуточного сульфидно-
сульфидного расплава — штейна. Основывается на
различии в сродстве металлов к сере (на-
(например, основной компонент — Си, сопутст-
сопутствующий — Fe) и взаимной растворимости
сульфидов (например, CU2S, FeS).
Температурные зависимости свободной
энергии некоторых сульфидов приведены
на рис. 3.32 [911. Основные характеристи-
характеристики элементов и их сульфидов (обозначены
66", кнал/моль 5г
D
-10
~2О
-30
-U0
~5О
-60
-70
-80
-до
-100
-110
-по
-130
-140
- /
/
/
/
/
/
s \
' I /¦
A*Vк /
/ /
/ У
''г /
4
1 I !
200 400 800 1200 1600
Температура, V
Рис. 3.32
340
в скобках): температура плавления F (F);
температура кипения К (К); температура
сублимации S (S); температура превраще-
превращения U (U).
Металлы с переменной валентностью
остаются в металлургическом полупродук-
полупродукте (штейне) всегда в виде низших сульфи-
сульфидов (меньшее давление диссоциации).
Необходимые условия процесса:
— ценные компоненты должны оста-
оставаться в штейне;
— при образовании штейна необходимо
учитывать дополнительное удаление серы
(десульфурацию) при плавке;
— степень обогащения штейна ценным
компонентом зависит от степени ошлаковы-
вания минералов пустой породы и других
оксидов;
— компоненты с меньшим сродством к
сере предохраняют ценные компоненты от
окисления и используются как «топливо»
(например, FeS).
б. Шпейзы. Мышьяковистые продукты
плавки, частично растворимые в штейне.
Они представляют собой сплавы мышьяко-
мышьяковистых или сурьмянистых соединений ме-
металлов (арсенидов и антимонидов). Сурь-
Сурьма, однако, имеет меньшее значение как
шпейзообразователь.
Различают богатые (>50 % As) и бед-
бедные (<50 % As) шпейзы.
Шпейзы образуются в результате боль-
большего сродства некоторых металлов (напри-
(например, Ni, Co) к As, чем к S. Температура
плавления шпейз ниже, чем у штейнов. Ос-
Основной компонент шпейз — FeAs. В шпей-
зах теряются благородные металлы (Аи),
что делает их получение нежелательным.
3.4.1.2. Окислительный
и сульфатизирующий обжиг
сульфидного сырья
Обжиг. Термическая обработка сырья для
подготовки его к последующей пирометал-
лургической или гидрометаллургической
переработке. При этом предварительно
окисленное сырье всегда изменяет свой хи-
химический состав, а иногда и физические
свойства.
Обжиг необходим для превращения сер-
сернистых или мышьяковистых соединений в
окислы для последующего их восстановле-
восстановления и получения металла.
Обжиг одновременно может служить
процессом рафинирования. Он необходим
также для предварительного частичного
ошлаковывания (образования шлаков) и
смешения компонентов шихты (связывание
присадок).
Различаются два типа обжиговых про-
процессов:
а) обжиг на порошок (в механических
многоподовых печах) и высокопроизводи-
высокопроизводительный обжиг во взвешенном состоянии
(в кипящем слое);
б) агломерирующий обжиг (со спекани-
спеканием); "по принципу работы может быть с
просасыванием или продуванием газа через
шихту; установки для такого обжига под-
подразделяются на стационарные и подвижные.
Основы обжига сульфидов
Основная система Me—S—О:
1. Окислительный обжиг: 2AfeS+3O2=»
2МО25О б ^ P
2
jPso1x
2МеО+25О2; необходимо:
xV(kpPou)>me PSo, —упругость диссо-
диссоциации сульфатов.
Условия: удаление SO2, температура
обжига должна превышать температуру
диссоциации MeSO.|.
2. Сульфатизирующий обжиг:
2Ме S + ЗО2?2Ме О + 2SO2;
необходимо:
Лэ2> ^sOj — парциальные давления
или О2.
Условия: SOr-»-SO3, увеличение kp ;
температура обжига не должна превышать
температуру диссоциации AfeSO4 E00—
700 °С).
Кинетика обжига
а. При низких температурах скорость
химической реакции (СР) мала по сравне-
сравнению со скоростью процессов диффузии. СР
зависит от величины реакционной поверх-
поверхности частиц сырья.
б. При высоких температурах СР воз-
возрастает до величины, соответствующей ско-
скорости диффузии.
в. Воспламенение частиц сульфидов. Воз-
Возникает иа границе между областями кине-
кинетического и диффузионного процессов. Тем-
Температура воспламенения не постоянна и
зависит от размера зерен сульфида, скоро-
скорости и состава газового потока, рОа, свойств
сульфидов.
г. Главный критерий. Увеличение скоро-
скорости реакций окисления приводит к сниже-
снижению температуры воспламенения. Необхо-
Необходимо увеличивать скорость.нагрева.
Физические основы обжига
а. Газовая фаза. Влияет иа процесс об-
обжига и его производительность. Формы
участия газовой фазы: газы омывают по-
поверхность слоя шихты (обжиг с перегреба-
нием); газы проходят через слой твердой
шихты (агломерирующий обжиг); газы
омывают падающие твердые частицы (об-
(обжиг во взвешенном состоянии); газы созда-
создают разрыхленный псевдоожиженный слой
и обтекают колеблющиеся твердые части-
частицы (обжиг в кипящем слое). Должен обес-
обеспечиваться хороший взаимный контакт га-
газовой и твердой фаз (принцип противото-
противотока).
б. Обжиг в механических многоподовых
печах. Шихта в обжиговой печи предвари-
предварительно подогревается до 300—600 °С (иног-
(иногда за счет сжигания газа). С ростом темпе-
температуры СР увеличивается.
Чтобы скорость обжига при равномерном
распределении тепла оставалась постоянной
в течение всего процесса, необходимо выпол-
выполнение двух условий: 1) соблюдение прин-
принципа противотока шихты и газа; 2) воз-
возможность дополнительного обогрева зоны
разгрузки.
341
Даже при выполнении этих условий про-
процесс протекает не вполне удовлетворитель-
удовлетворительно, так как лишь часть поверхности обжи-
обжигаемого материала контактирует с газами
(за исключением времени падения частиц
с пода на под).
Продолжительность обжига увеличива-
увеличивается с увеличением степени десульфурации
н уменьшением реакционной поверхности
шнхты.
Тепловые параметры процесса обжига
определяются напряженностью теплового
баланса.
Преимущества обжига в миогоподовых
печах: пригоден для предварительного об-
обжига; пригоден для гранулированного
сырья; относительно спокойное состояние
материала; малое пылеобразование; приго-
пригоден для обжига малосернистого сырья.
Недостатки: малая поверхность контакта
газов с твердым материалом; время обжи-
обжига велико; низкая производительность; пло-
плохо используется тепло отходящих газов;
возможность спекания шихты (образование
«козла», авария печи).
в. Агломерирующий обжиг — процесс с
одновременным спеканием тонкодисперсных
материалов.
Схема агломерирующего обжига с про-
сасыванием воздуха представлена иа рис.
3.33 [911.
Воздух
Рис. 3.33
/ — агломерат; // — по-
подогрев воздуха; III—зо-
III—зона обжига; IV — подо-
подогрев шихты; V — холод-
холодная шихта
:Щ
1 1
ш
1 1
Отходящие
газы
Газовая фаза переносит тепло и служит
средством окисления.
Физические закономерности агломериру-
агломерирующего обжига-определяют следующие фак-
факторы:
— Количество просасываемого воздуха.
Зависит от сопротивления слоя шихты {W)
W=ahvsyti/(dV22g), где А —высота слоя
шихты; v — средняя скорость газов; \ —
объемная масса газов; tj — вязкость газов;
d — размер твердых частиц; V — объем
пор; g — ускорение силы тяжести; а—чис-
а—числовой коэффициент.
Частицы шихты должны иметь примерно
одинаковые размеры. (В однородных сыпу-
сыпучих материалах v образуются одинаковые
пустоты между частицами.)
— Теплопередача. Зависит от величины
поверхности взаимодействия фаз газ —
твердое тело. Увеличение скорости движе-
движения газов способствует улучшению тепло-
теплопередачи (конвекцией); высокая скорость
движения газов препятствует образованию
сульфатов вследствие их диссоциации и
уноса SO2, однако при этом может про-
произойти преждевременное спекание и .сни-
.снижение производительности. Для предотвра-
предотвращения этого используется предваритель-
предварительный частичный обжиг.
г. Обжиг во взвешенном состоянии.
Смесь измельченной сухой шихты и возду-
воздуха вдувается в камеру сгорания, где под-
поддерживается необходимая температура, и
происходит окисление сульфидных частиц
шихты.
Скорость падения частиц шихты должна
быть меньше, чем скорость обжига самых
крупных частиц. При обжиге применяется
принцип противотока.
Преимущества:
— при соблюдении оптимальных скоро-
скоростей падения частиц и обжига (главных па-
параметров процесса) с ростом температуры
возрастает СР, а следовательно, и произ-
производительность;
— нежелательных химических соедине-
соединений (например, ферритов) образуется ма-
мало.
Недостатки: большие затраты на подго-
подготовительные операции (измельчение руды);
сильное пылеобразование; значительная
вторичная сульфатизация обожженных пы-
пылевидных частиц в отходящих газах.
д. Обжиг в кипящем слое. Загруженный
за дырчатую подину печи мелкий материал
продувается воздухом. При этом образует-
образуется псевдоэмульсия (газовая фаза — твердое
вещество), напоминающая кипящую жид-
жидкость. Образование «кипящего слоя» про-
происходит за счет различия физических ха-
характеристики газовой фазы и твердого ве-
вещества.
Основные параметры: количество дутья
(зависит от дисперсности и других физи-
физических свойств шихты); давление дутья
(зависит от высоты слоя шихты и ее веса).
Подача газа по поперечному сечению зо-
зоны кипящего слоя может быть:
— равномерной (равномерное распреде-
распределение газа в слое шихты); кипящий слой
образуется, когда увеличение скорости ви-
витания частиц (скорости подачи дутья) не
приводит к дальнейшему падению давления
в слое обжигаемой шихты;
— вихревой (распределение газовой фа-
фазы неравномерное);
— скорость витания частиц зависит от
скорости подачи дутья, соответствующей
моменту образования кипящего слоя.
3.4.1.3. Кальцинирующий,
восстановительный
и хлорирующий обжиг
Кальцинирующий обжиг. Термическое
разложение карбонатов. Ход и полнота
протекания процесса зависят от Рссу Каль-
Кальцинирование — подготовительный процесс
при получении металлов.
а. Основное уравнение процесса:
342
Разложение карбонатов происходит в
три стадии: 1) нагрев без выделения СОг;
2) образование поверхностного окисного
слоя с выделением СО2; 3). распростране-
распространение окисного слоя до сердцевины частицы,
высокое давление СОг внутри ее.
б. Свободная энергия образования кар-
карбонатов приведена на рис. 3.34 [91].
AG", ккалнаполь СОг
О
/ мдсо
У
у
у-
У
У
_ /
У СаСО3
/
У
У
У
г
у
у
У
.<
ВоСОз
У
У'
-Й7
-л?
-40
-Я?
^ 200 400 600 t,°C
Рис. 3.34
Объяснение см. текст к рис. 3.32
в. Парциальное давление СО2 должно
быть низким, что требует отвода СОг из
системы.
ТАБЛИЦА 169
Карбонат
СаСО,
MgCOs
ZnCO3
FeCO3
РЬСОЯ
20
500
624
800
883
400
450
490
540
625
281
291
295
395
490
320
Упругость Диссоциа-
Диссоциации, мм рт. ст.
2,2—10-?"
0,1
495
201
760
0,1
6,8
59
747
760
300
500
700
760
760
760
г. Зернистость карбонатов (величина
зерна). Влияет на процесс разложения кар-
карбонатов.
Температуры диссоциации (ГДИс) карбо-
карбонатов приведены в табл. 169.
Восстановительный обжиг
а. Термодинамические и кинетические ха-
характеристики. В отличие от As и Sb при
окислительном обжиге S улетучивается
легче. As и Sb могут быть удалены при
этом только частично из-за диспропорцио-
нирования АвгОэ и переокислеиия Sb2O3
при повышенных температурах. Поэтому
необходим восстановительный обжиг.
б. Основные уравнения. При использова-
использовании СОг:
Me As + СОг-*Ме О + СО + As;
при использовании SO2".
ЮМе As + 12У2 SO2-»l0Me О +
s + 4As;
3As2Oe + 6SO2-»-6SOs + 3As8Os;
4As + 3SO2-*-2As2Os + 1V2 S2;
11/8S24-3O2-<>3SO2
lOAfe As + 15V2 O2 + 6SO2->10Afe O+"
+5As2O3 + 6SO3
В первом случае степень обжига ~50 %,
во втором ~90 %.
Хлорирующий обокиг
Основное уравнение
Me S + 2NaCl + 2О2-*-Ме С12 +
+ Na2SO4 —ДД.
Основной процесс протекает в четыре
стадии:
Стадия 1. Окисление сульфида
2FeS2 + 5VS
Стадия 2. Частичная сульфатизация:
Fe2O3 + 2SO2
Fe2O3 + 3SO2
Стадия З. Взаимодействие NaCl с FeSO4:
FeSO4 +2NaCl-*Na2SO4 + FeCl2;
Fe2 <SO4K + 6NaCl-*3Na2SO4 + 2FeCls;
в присутствии Ог образуется свободный С1:
4NaCl + 2SO3 + O2-*Na2SO4 + 2С12.
Стадия 4. Хлорное железо или хлор
реагируют с MeS, образуя хлориды:
4FeC!s
2-*-6CuCl2 + 2Fe2O3 +
+ 3SO2;
Cl2 + O2-*-2CuCl + SO2.
343
3.4.2. Производство
чернового металла
3.4.2.1. Основные положения
Основная реакция. При производстве ме-
металла в любом случае необходимо отщеп-
отщепление аниона, т. е. перевод ионов металла
(катионов) путем присоединения электро-
электронов (восстановления) в металлическое со-
состояние. Восстановитель соединяется с
анионом
MeA+R
Классификация:
A. Восстановительная плавка (восста-
(восстановление металла с участием реагента).
Процесс характеризуется применением спе-
специального восстановителя, например угле-
углерода. Восстановление может быть пря-
прямым—см. 3.2 (МеО+С*±Ме+СО) и кос-
косвенным—см. 3.2 (AfeO+CO^Afe+CCb).
Б. Реакционная плавка. Процесс харак-
характеризуется взаимодействием сульфида и
оксида (возможно, сульфата) одного и то-
того же металла: MeS+2MeO*±3Me+SQ2.
B. Осадительная плавка (цементация).
Процесс характеризуется восстановлением
MeS с помощью цементации металла в то-
токе расплава за счет металла, имеющего
большое сродство к сере: AfeS+Fe;j=sAfe+
+FeS.
Восстановительная плавка имеет также
следующие разновидности: карботермня
(восстановитель С или СО); силикотермия
(восстановитель Si); алюмотермия (восста-
(восстановитель А1).
В качестве восстановителей могут быть
использованы другие вещества (например,
Н2) и металлы, имеющие большее сродство
с кислородом.
Черновой металл. Металлическая фаза,
образующаяся по основной реакции. По-
Помимо основного металла, она содержит
примеси в виде совместно восстановлен-
восстановленных других металлов, а также раствори-
растворимых в металлической фазе компоиеитов.
Термодинамические предпосылки получе-
получения металлов. Для получения металла по
основному уравнению MeA+R*±Me+RA
требуется выполнение условия: —AGBa>
>—AGMeA, откуда следует рвл<РыеА или
—RT In Pra>—RT In рмел.
Кинетические предпосылки получения ме-
металлов
а. Классификация. Гетерогенные химиче-
химические реакции между различными фазами:
твердая-)-газообразная; твердая+жидкая;
жидкая+жидкая; жидкая+газообразная.
б. Механизм протекания реакции. Вклю-
Включает два вида процессов, определяющих
кинетику реакций:
— физические — выравнивание концент-
концентраций и температур (подвод восстановите-
восстановителя в зону реакции). Скорость процессов
зависит от состава шихты и ее крупности;
— химические (все химические превра-
превращении, приводящие к образованию метал-
металла). Скорость процессов зависит от темпе-
температуры.
Наряду с этим следует учитывать: побоч-
побочные реакции (сопутствующие компоненты
реагируют с исходными и конечными про-
продуктами основного процесса); ускоряющее
(каталитическое) или замедляющее дейст-
действие сопутствующих компонентов; отсутст-
отсутствие взаимодействия сопутствующих компо-
компонентов с основными.
в. Скорость протекания реакции (СР).
Технологические Методы получения цветных
металлов в отдельных агрегатах, например
шахтных печах, характеризуются относи-
относительно высокими скоростями химических
реакций. Диффузионные слои, образующие-
образующиеся на поверхностях раздела фаз, снижают
скорость химических превращений. Поэто-
Поэтому конечную СР определяет главным об-
образом диффузия. Для увеличения произво-
производительности металлургического агрегата
необходимо ускорить диффузию турбулент-
турбулентной конвекцией.
3.4.2.2. Восстановительная
плавка
Основная реакция
а. Классификация. Различают две стадии
процесса:
— 1-я стадия (подготовительная). Под-
Подготовка сульфидной шихты к плавке с
целью полного удаления серы, если она не
требуется в последующих процессах, при
возможном одновременном окусковывании
(см. Агломерирующий обжиг):
2Ме S + ЗО2-*2Же О + 2SO2.
•— 2-я стадия. Восстановление окислов,
полученных на первой стадии, до металла:
ЖеО+С->-Же + СО
б. Восстановление углеродом. Проходит
прямо или косвенно по реакции Будуара
(см. 3.2): CO2+C*s2CO.
Восстановление окислов на основе реак-
реакции Будуара (теоретическое рассмотрение):
Си2О — косвенное восстановление при
всех температурах, прямое выше 100 °С;
РЬО — косвенное восстановление при
всех температурах, прямое выше 350 °С;
ZnO — косвенное восстановление выше
300 °С, прямое выше 950 X;
AI2O3 — косвенное восстановление невоз-
невозможно, прямое выше 2000 °С.
в. Восстановление водородом. Применя-
Применяется, когда восстанавливающие свойства
СО недостаточны, а также, если СО или С
образуют соединения с основным метал-
металлом (карбонилы, карбиды) и если водород
не загрязняет основной металл или мо-
может быть легко удален из него.
г. Восстановление кремнием (см. полу-
получение Mg, 3.4.6.8).
д. Восстановление алюминием (метод
Гольдшмидта).
Черновой металл
а. Требования к технологическому про-
процессу:
344
— относительно высокая чистота черно- ется, то происходит сульфатизация, по-
зого металла; скольку еще не достигается температура
— малые потери металла в шлаках; диссоциации сульфата:
— при использовании бедных руд обяза-
обязательное получение промежуточных продук- 2Ме& + 3O2-*-2AfeO + 2SO».
тов (штейиы, шпейзы);
— минимальное количество оборотных ,-,
продуктов («козлы», печные настыли, кор- Основное уравнение здесь:
ки из ковшей и желобов). 0С;Г1 , п -»псп „„.*-_ „2 //„2 _ v
б. Черновой металл. Состав его соответ- A*Ja-t-ua+.?XJBfum Лр — psoj\pso, PoJ-
ствует определенной системе сплавов, так -. т _
как основные и сопутствующие составля- „ б" Температура. С ростом температуры
ющие взаимодействуют друг с другом, на- ПРИ Равновесии давлении SCVSOa КР умень-
пшмео- шается. При этом уменьшается и До,
— Образуют твердые растворы: Pt-Au, a следовательно, преимущественно образу-
Ас—Аи Fe-Co Fe-Ni, Ni-Co, Zn-Cu, ются 0KC«№. увеличивается давление дис-
Sn-Cu,'Pb-In,Bi-Sb; социации сульфатов.
— образуют эвтектики: Pb-Cu, Pb-Ni, в' Парциальное давление SO2. Умеиьше-
pjj jn jn__pe. ние парциального давления SO2 связано с
— образуют'системы с частичной раство- ег0 УДалением из реакционной зоны и ве-
римостью в твердом состоянии, например, дет,к Уморению образования оксидов.
а) штейны Cu4FeS3 с PbS и, возможно, с Параметры процесса образования метал-
ZnS; б) шпейзы; в) при обогащении Ag; оческой фазы
г) при обогащении Ni, Au, Pt. a- Влияние температуры. Согласно урав-
нению AG=—RT lrigQ . При увеличении
температуры изменение ДО" отрицательно,
3.4.2.3. Реакционная плавка что способствует образованию металла,
т~^.\. Используется при получении Си и
Основная реакция РЬ.
а. Характеристика. Реакция между суль- б. Парциальное давление SO2. Сниже-
фидом и оксидом или сульфатом одного и ние парциального давления SO2 в газах
того же металла без участия восстанови- приводит к увеличению выхода металла,
теля Равновесные давления SO2 для некото-
MeS + 2MeOti3Me + SO!i. сых реакций типа MeS+2MeO**3Me+SO2
2 приводятся ниже:
PbS + 2РЬО ^ ЗРЬ + SO2
t, °C 692 755 800 847 870
pso , ат 0,008 0,05 0,13 0,72 1,09
Ш Pso, —2.1 —КЗ —0,89 —0,15 0,04
CujjS + CuaO ^ 6Cu + SO2
t, °C . 508 591 730 851 973 1051
р5Ог ат 0,045 0,159 1,007 3,03 5,73 6,46
l^ —1,35 —0,8 0,03 0,48 0,76 0,81
0,5NisSa + 2NiO ^ 3.5Ni + SO2
t, °C 727 927 1127 1327 1527
Pso, ат Ю-11 5-10-8 3,2-10-^ 5-10-6 5-10-»
lgPsOi —11,0 -8,3 —6,5 —5,3 —4,3
б. Стадии процесса. Основная реакция в. Образование металлической фазы в
протекает в две стадии в течение одного системе Me—S—О, см. рис. 3.35 [91].
рабочего процесса: В этой системе существуют следующие
1) частичное окисление сульфидов соединения:
2AleS + 3O2-*2AleO + 2SO2; „ MeSJ ^e0- MeS0*; „S°2; S°3-
^ 2 ' 2> На тройной диаграмме образуются поля,
AleS+O2-*-AleSO4. представляющие монвариантные трехком-
2) взаимодействие между остаточными поиентные системы:
сульфидами и образовавшимся оксидом — поле /: MeS+2MeO=t*3Me+SO2;
или сульфатом • _ пода //; MeS+3AfeSO4**4MeO+4SO2;
Me S + 2Ме О->ЗМе + SO2; _ пода ///; 2AleO+2SO2+02«2MeSO4.
Me S + Me SOt-+2Me + 2SO2. Учитывай образование сульфатов на пер-
Параметры процесса окисления сульфи- еой стадии основной реакции, получим:
дов поля 1+11:
а. Концентрация кислорода. Если при
окислении давление кислорода увеличива- 2MeS + 4MeO^6Me + 2SO2,
345
Me S + ЗМе SO^Me O+4SO2
ЗМе S + ЗМе Ю^бМе + 6SO2,
Me S + Me SO4?2Me + 2SO2.
Поля I+II+III
MeS + 2Me OtSMe + SO2,
Me S + ЗЛ1е SO4?4Afe О + 4SO2,
2Me О + 2SO2
2Me S + Me SO4 +O22 ЗМе -f-3SQ2.
г. Различие плотности получающихся фаз
для удовлетворительного разделения долж-
должно превышать двукратное.
Рис. 3.35
Черновой металл. Выход годного метал-
металла и его качество зависят от способа полу-
получения:
— Медь. Из медного штейна получают
черновую (конверторную) медь (~98%
Си). Рафинирование необходимо.
— Свинец. В результате реакционного
процесса образуется черновой свинец высо-
высокого качества, содержащий обычно только
примеси благородных металлов.
3.4.2.4. Осадительная плавка
(цементация)
Происходит в расплаве. Металл с повы-
повышенным сродством к сере вытесняет основ-
основной металл из его сульфида:
В качестве вытесняющего металла часто
используют железо, обладающее повышен-
повышенным сродством к сере. Металл-цементатор
должен иметь высокую реакционную актив-
активность. Процесс зависит от температуры.
Применяется только в качестве подгото-
подготовительного или побочного процесса (выде-
(выделение РЬ или Sb из сульфидных полупро-
полупродуктов присадкой Fe).
3.4.2.5. Электролиз расплавов
Процесс применяется для получения вы-
высокоактивных металлов в тех случаях, ког-
когда другие методы восстановления вслед-
вследствие их химической активности непригод-
непригодны, а также для металлов, имеющих техно-
технологически приемлемые температуры плав-
плавления. Для снижения температуры плавле-
плавления электролита следует применять соот-
соответствующие соли. Необходима предвари-
предварительная глубокая химическая очистка ис-
исходных материалов.
Применяют для получения А1 илн Mg.
3.4.3. Рафинирование
чернового металла
Черновой металл, загрязненный приме-
примесями, рафинируют различными методами
(с относительно узкими границами приме-
применимости) .
1. Физические методы. Ликвация (зейге-
(зейгерование), осаждение интерметаллических
соединений, дистилляция (дразнение).
2. Химические методы. Избирательные
окисление и сульфидизация, хлорирование.
3. Электрохимические методы (электро-
(электролитическое рафинирование). Электролиз
водных растворов или расплавов.
3.4.3.1. Физические методы
рафинирования
Основываются на различиях в физиче-
физических свойствах разделяемых компонентов.
Ликвация. Метод рафинирования черно-
чернового металла, основанный на создании го-
гомогенности расплава за счет уменьшения
растворимости примесей при медленном
охлаждении расплава или на разложении
сплава при его дедлеином иагреве.
Используются "Некоторые свойства эвтек-
эвтектических систем с отсутствием растворимо-
растворимости или с малой растворимостью компонен-
компонентов в твердом состоянии.
Ликвационное рафинирование может
осуществляться: 1. При охлаждении. Про-
Процесс оптимальный с точки зрения теплотех-
теплотехники. Основной металл кристаллизуется
после примесей, имеющих меньший удель-
удельный вес. При этом образуется пена или
съемы. При обратном соотношении плот-
плотностей, наоборот, сливают основной рас-
расплав. Если оба продукта ликвации жидкие
(например, Pb/Zn). то выпуски производят
иа разных уровнях (в отстойник или же-
желоб).
2. При иагреве. Процесс используется,
когда эвтетйка составляет основу исходно-
исходного материала. Нагрев ведется до темпера-
температуры несколько выше солидуса. Исходный
материал — черновой металл. Легкоплавкие
компоненты вытапливаются и располага-
располагаются по границам зерен первичных крис-
кристаллов основного металла, которые оста-
остаются в твердом состоянии. Происходит лик-
ликвация.
Наряду с температурой для успешного
рафинирования имеет значение также рас-
растворимость присутствующих компонентов.
Данные о смешиваемости в жидком состоя-
состоянии [911 приведены в табл. 170.
Ликвация с образованием интерметалли-
интерметаллических соединений. Процесс (по Кроллу)
состоит в том, что к расплаву чернового
металла, загрязненного примесями, добав-
добавляется другой металл или несколько метал-
металлов. Образуются интерметаллические со-
соединения между примесями и присадочны-
присадочными металлами, которые должны быть
нерастворимы в основном металле или рас-
растворимость которых должна зависеть от
температуры. При этом образуются туго-
тугоплавкие соединения постоянного состава
346
ТАБЛИЦА ПО
Комбинация
Металл/металл
Сульфнд/сульфид (штейн)
Арсенид/арсеинд (шпейза)
Окисел/окнсел (шлак)
Металл/сульфид (штейн)
Металл/арсенид (шпейза)
Металл/окисел (шлак)
Сульфид (штейн)/арсенид (шпейза)
Сульфид (штейн) /окисел (шлак)
Арсеннд (шпейза)/окисел (шлак)
Галоидная соль/галондная соль
Галоидная соль/окисел
Полная смеши-
ваемость
Чаще асего
Как правило
Всегда
Как npaan.no
Иногда
»
Никогда
Редко
Никогда
»
Чаше всего
Ограниченная
смешиваемость
Редко
Na2S—Cu2S—
1ч 13*32
Никогда
Незначительно
Часто
»
Редко
Чаще всего
Иногда
Очень редко
Редко
»
Практически
полная несмеши-
несмешиваемость
Очень редко
Никогда
»
ж
ж
»
Чаще всего
Очень редко
Чаще всего
» »
Редко
- »
(удаление Bi нз РЬ за счет присадок Са и
Mg); образуются тугоплавкие твердые рас-
растворы (ТР) различного состава с широкой
областью гомогенности ТР (отделение бла-
благородных металлов от РЬ прн помоши Zn);
уменьшается температура выделения за
счет сдвига концентрации насыщения
вследствие применения легкоплавких легн-
рующях добавок. Это эквивалент добавке
ноаых элементов к тройной системе (очи-
(очистка А1 от Fe с помощью Si и Мп или Ti
или Сг); изменение растворимости приводит
к ликвации двух жидких фаз (очистка чер-
чернового цинка от свинца).
Дистилляционное рафинирование. Улету-
Улетучивание одного или нескольких компонен-
компонентов в результате изменения агрегатного
состояния (жидкость — газ). При рафини-
рафинировании металлов применяется избиратель-
избирательная дистилляция при максимально возмож-
возможной разнице в температурах кипения. Так
как черновой (исходный) металл представ-
представляет собой сплав, то кипение происходит не
при фиксированной температуре, а в интер-
интервале температур.
1. Диаграмма кипения. Вид диаграммы
кипения определяет процесс дистилляции,
например: а) двухступенчатое рафинирова-
рафинирование (рис. 3.36) [91]; б) азеотропно кнпя-
В, % —~
Рис. 3.36
Рис. 3.37
щая смесь, состав которой отвечает макси-
максимуму. Трудности в разделении имеют место
только вблизи азеотропной точки Аг' (рнс.
3.37).
2. Закон Генрн (см. 3.1). Парциальное
давление рл летучего компонента А в га-
газовой .фазе над расплавом смеси веществ А
и В пропорционально молярному содержа-
содержанию Ха компонента А в расплаве рл=
=К-Ха.
Коэффициент пропорциональности (/С)
определяет степень летучести компонента
К=Ра — нормальная летучесть; К>Ра —
высокая летучесть; К<рл — низкая лету-
летучесть.
Отделение какого-либо компонента при
дистилляции происходит тем эффективнее,
чем выше его летучесть и соответственно
упругость паров при рабочей температуре.
3. Скорость диффузии. Так как дистилля-
дистилляция — процесс, идущий на поверхности
расплава, уменьшение концентрации лету-
летучего компонента вблизи поверхности долж-
должно компенсироваться его диффузией из глу-
глубины расплава. Поэтому скорость диффу-
диффузии— определяющий параметр. Она долж-
должна быть больше или равной скорости испа-
испарения.
4. Вакуумная дистилляция. Прн постоян-
постоянном отводе газовой фазы создается боль-
большое различие между парциальным давле-
давлением и упругостью насыщения летучего
компонента, рафинирование ускоряется и
увеличивается степень очистки. Температу-
Температуры кипения металлов при пониженных, дав-
давлениях [91] приведены в табл. 171.
таблица m
Металл
Cd
Zn
Mg
Pb
Си
Ni
Температура кнпення, °С при
давлении, мм рт. ст.
760
765
907
1100
1740
2330
>3000
76
545
660
800
1270
1720
2300
7,6
445
540
650
1030
1380
1800
0,76
355
430
570
870
ИЗО
1500
0.076
265
320
420
660
900
1200
5. Дифференциальная или простая дяс-
тнлляцня. Часто оказывается не эффектив-
эффективной для очистки основного металла, поэто-
поэтому применяется ректификапня.
6. Ректификация. Характеризуется по-
постоянным чередованием испарения низко-
кипящнх компонентов и конденсации час-
частично улетучивающихся вместе с ними вы-
347
сококнпящих компонентов прн орошении
¦газовой фазы (принцип противотока) жид-
жидким черновым металлом или конденсирован-
конденсированными высококипящими компонентами в рек-
ректификационных колоннах. При этом проис-
происходит обогащение паровой фазы низко-
кипящими компонентами и расплава высо-
высококипящими компонентами.
Разновидности процесса: ректификация
в потоке (встроенная этажерочная система
колпачковых или ситчатых тарелок); по-
поверхностная ректификация (встроенная на-
насадка).
7. Конденсация. Необходима для получе-
получения основного металла или примеси в жид-
жидком или твердом состоянии. Достигается
при понижении температуры ниже точки
росы (прн данных условиях):
— АН.
Для определения давления насыщения
паров металлов используют уравнение
Майера:
lgp
ийр
где А, В, С — константы; Т — температу-
температура, °С.
Дразнение. Заключается в продувании
инертного или других не реагирующих с
данной системой газов через расплав. Прн
выделении газов расплав «закипает», при
этом удаляются растворенные в металле
газы («дразнение на плотность»). Основа
процесса — закон Снвертса (см. 3.6). Осо-
Особый вид процесса — «дразнение на ков-
ковкость», происходит восстановление окислоа
(рафинирование меди).
3.4.3.2. Химические методы
рафинирования
Представляют собой избирательное окис-
окисление, основываются на различиях в хими-
химическом сродстве к О, S, C1.
Избирательное окисление. Основывается
на различном сродстве к кислороду основ-
основного металла и растворенных в нем при-
примесей:
МеХ + 0,5О2-*-Ме + ХО.
Отсюда следует: возможны потери основ-
основного металла из-за совместного окисления;
необходимость удаления окислов (в шлак
илн газовую фазу); преимущество имеют
металлы, которые . способны растворять
собственные * окислы, являющиеся косвен-
косвенным окислителем (переносчик кислорода).
Избирательное сульфидирование. Рафи-
Рафинирование сульфиднрованнем основывается
на различии сродства разделяемых компо-
компонентов к сере:
Кроме S, можно использовать сульфиды:
МеХ + Me S-+2Me + XS.
При этом возможно прямое получение
металлов из MeS-фазы. В отлнчие от лик-
вационного рафинирования избирательное
сульфидирование происходит при постоян-
постоянной температуре, ..
Избирательное хлорирование. Рафиниро-
Рафинирование хлорированием основывается на раз-
личин сродства разделяемых компонентов
к хлору:
МеХ + С12-*-Ме + X С12,
МеХ + Me Cl2-*-2Ate + X Cl2.
образуется в виде твердой, жидкой
или газовой фазы. Хлорирование может
идти с выделением больших количеств теп-
тепла иногда даже требуется охлаждение.
Химическое осаждение. Рафинирование
при добавлении растворов соответствующих'
кнслот.
При различных способах разделения ис-
используют: H2SO4; HNO3; царскую водку;
переработку (регенерацию) вторичного
сырья.
3.4.3.3. Электролитическое
рафинирование
Рафинирование металлов при электроли-
электролизе с растворяющимся анодом. Растворение
основного металла с поверхности анода и
выделение его на катоде. Обогащение не-
неблагородными металлами электролита и
благородными анодного шлама.
Процесс протекает в системе: раствори-
растворимый анод — электролит—катод (катод—
листы основного металла высокой чисто-
чистоты). Напряжение разложения в этом слу-
случае равно нулю. Для ведения электроли-
электролитического рафинирования требуется лишь
небольшое напряжение на шинах.
3.4.4. Гидрометаллургия
(см. 4.0)
3.4.4.1. Подготовка сырья
Перевод ценных компонентов в раство-
растворимую форму. Взаимодействие между
твердым сырьем и жидким реагентом (ге-
(гетерогенная система). Сырье должно иметь
большую удельную поверхность (высокая
степень измельчения).
Степень перевода в форму, удобную для
растворения, зависит от степени измельче-
измельчения (отношение массы свободных частиц
определенной крупности к общей массе),
которая прн флотации должна составлять
~ 75 % (для обеспечения соответствующей
поверхности частнц).
Основные подготовительные процессы
гидрометаллургии. Различные виды обжи-
обжига C.4.2): окислительный; сульфатнзирую-
ший; хлорирующий; восстановительный.
3.4.4.2. Перевод в растворимое
состояние и выщелачивание
Растворители
а. Цель выщелачивания. Перевод метал-
металлов или их соединений в раствор.
б. Растворители. Кислоты, щелочи и со-
соли металлов:
348
H2SO4 — дешевая, поддается регенерации.
Fe2(SO4K растворяет сульфиды, действу-
действует как окислитель; работает в кислых рас-
растворах [иначе Fe(OH)s выпадает в осадок].
NaOH — для перевода алюминия в водо-
водорастворимый алюминат.
МНз^М-ЦЬСОз— для растворения метал-
металлов и окислов в присутствии кислорода;
образующиеся соединения легко разлага-
разлагаются.
КаяСОз—добавляется в твердом состоя-
состоянии при обжиге (для перевода сульфидов
в сульфаты).
Щелочные цианиды. Действуют в присут-
присутствии кислорода. Образуют комплексы
благородных металлов.
НС1, HNO3 — применяются редко. Не
поддаются регенерации. Вызывают сильную
коррозию.
в. Выбор растворителя. Правило: основ-
основные породы требуют щелочного, кислые —
кислотного растворителя. При возможно-
возможности следует переводить металл а нейтраль-
нейтральные или кислые солн, так как основные
соединения обычно трудно растворимы.
г. Требования к растворителям:
— должны быть дешевыми и доступны-
доступными; не должны вызывать коррозии аппара-
аппаратуры н создавать вредные условия труда;
— селективное воздействие на компонен-
компоненты сырья;
— после регенерации должны возвра-
возвращаться в производственный цикл.
Влияние различных факторов на процесс
выщелачивания
1. Диффузия. В результате насыщения
продуктами растворения область вблизи
границы раздела твердой и жидкой фаз
обедняется растворителем. Выравнивание
происходит за счет диффузии, которая оп-
определяет скорость всего процесса. Повы-
Повышение температуры и перемешивание спо-
способствуют разрушению диффузионного
слоя и ускоряют растворение.
2. Структура твердой "фазы. Характер
взаимодействия растворителя с выщелачи-
выщелачиваемым сырьем определяется видом связи:
нонной, ковалентной, металлической, коор-
координационной или смешанной, (переходной).
3. Вязкость пульпы. При выщелачивании
с перемешиванием сырье и растворитель
образуют пульпу, интенсивный диффузион-
диффузионный обмен в пульпе ускоряет растворение,
а следовательно, и извлечение.
4. Степень пропитки сырья. Проявляется
главным образом прн просачивании раство-
растворителя через неподвижный слой материала
(перколяцня). Скорость просачивания за-
внснт от объема пор, смачиваемости. При
просачивании растворитель вытесняет воз-
воздух из пор, трещин и т. д., причем это мо-
может благоприятно воздействовать на из-
извлечение.
5. Адсорбция газов. Существенное влия-
влияние оказывает кислород, диффундирующий
из газовой фазы а растворитель. В зави-
зависимости от свойств поверхности и сродства
твердой фазы к кислороду их взаимодейст-
взаимодействие происходит в три стадии: а) физиче-
физическая адсорбция на поверхности твердой
фазы; б) образование кислородной пленки;
в) образование слоя окислов. При этом
связь кислорода с поверхностью твердого
вещества увеличивается.
6. Состав жидкой фазы. В процессе рас-
растворения состав жидкой фазы непрерывно
изменяется. Эффективность выщелачива-
выщелачивания снижается (особенно прн перколяции).
Поглощающая способность жидкой фазы
зависит от температуры и давления. Кон-
Концентрация насыщения, которая соответст-
соответствует максимальной поглощающей способ-
способности, в технологических системах не дол-
должна достигаться. Работать следует с не-
ненасыщенными растворами.
Виды выщелачивания.
а. На скорость выщелачивания влияют
следующие факторы: температура; вид и
концентрация растворителя; интенсивность
перемешивания; физические и* химические
свойства растворяемого сырья.
б. Влияние шлама на скорость выщела-
выщелачивания зависит от вида и физических
свойств шлама:
1) первичный шлам (тонкодисперсные
частицы исходной руды);
2) вторичный шлам (тонкодисперсные
частицы сырья, образующиеся при выщела-
выщелачивании).
в. Виды выщелачивания:
1. Выщелачивание просачиванием (пер-
коляция). Частицы сырья должны быть
однородными (~ 1 мм). Высота слоя за-
засыпки зависит от размера частиц. Проса-
Просачивание может быть восходящим и ннсхо-
дящнм, бывают и комбинированные процес-
процессы. Скорость просачивания 6—8 см-ч.
Применяются растворители различной
концентрации. Свежий (концентрирован-
(концентрированный) раствор подается на частично выще-
лаченный материал.
2. Выщелачивание с перемешиванием
пульпы (агитация). Конечный эффект вы-
выше, чем при перколяции.
Применяются две схемы процесса выще-
выщелачивания:
— непрерывное (пульпа проходит через
ряд последовательно установленных чанов
с растворителем);
— периодическое (чаны с растворителем
периодически загружают пульпой. Метод
работы параллельный). Используют и ком-
комбинированные схемы, а также выщелачи-
выщелачивание в автоклавах при повышенном дав-
давлении.
3.4.4.3. Разделение раствора от
выщелачивания и нерастворенного
остатка
Необходимая стадия процесса, так как
при выщелачивании сырья из него извлека-
извлекается только часть способных к растворению
компонентов, а остаток твердого вещества
образует.с раствором суспензию.
Для разделения применяют: метод де-
декантации илн метод фильтрации.
Декантация. Процесс заключается в от-
отстаивании осадка н сливании жидкости.
Декантация зависит от размера частиц н
их плотности. Меры по укрупнению частиц,
ускоряющие декантацию: добавка коагу-
коагуляторов, уменьшающих разность потенцна-
349
лов между разноименно заряженными жид-
жидкостью и частицами твердого вещества;
повышение температуры; выбор оптималь-
оптимальной степени измельчения твердого вещест-
вещества. Коагуляторами служат: коллоиды; элек-
электролиты.
Декантация классифицируется следую-
следующим образом; по принципу действия (не-
(непрерывная, периодическая); по методу осу-
осуществления (одноступенчатая, многосту-
многоступенчатая).
Фильтрование (фильтрация). Разделение
твердой и жидкой фаз пропусканием пуль-
пульпы через пористые вещества (материалы),
соответствующие степени дисперсности
твердой фазы,
а. Скорость фильтрования. Основной па-
параметр процесса, зависит от размера твер-
твердых частиц; плотности суспензии; свойств
отделяемых твердых веществ (сопротивле-
(сопротивление фильтрации осадка на фильтре).
б. Скорость фильтрации (dVJdt) и со-
сопротивление фильтрации (/?):
dV/dt = Ap/R; R = (p
где Ар — перепад давления; V — объем
фильтрата; А — площадь фильтра, перпен-
перпендикулярная к направлению потока; р —
удельное Сопротивление потоку; а — объем
осажденной на фильтре твердой фазы
(м3), отнесенный к объему фильтрата (м3);
к —¦ коэффициент сжимаемости; / — время;
т, К — константы. Скорость фильтрации
при:
»«=0 (плотный однородный осадок)
(сжимаемый однородный осадок)
dV/dt = (Др1-* A*)/(Va p);
v.=tn—1 (неоднородный осадок)
в. Фильтрация под давлением. Прн гомо-
гомогенном и склонном к уплотнению осадке
фильтрация прн постоянном давлении це-
целесообразнее фильтрации с Постоянной ско-
скоростью.
г. Процесс фильтрации. Заканчивается
промывкой осадка. Промывка вытеснением:
промывочная вода подается в направлении,
противоположиом Движению фильтрата при
фильтрации. Известен процесс неполной
промывки вытеснением (например, при
фильтрации с помощью фильтр-прессов): в
этом случае промываемая поверхность
уменьшается, а путь промывочной воды
удлиняется.
д. Устройства для фильтрации:
— вакуум-фильтры (нутч-фильтр, рам-
рамный и барабанный вакуум-фильтры, плос-
плоский фильтр). Всасывание пульпы через
фильтр за счет вакуумирования.
. — фильтр-прессы (кельби-фильтр, кель-
би бурт-фильтр рамный и камерный
фильтр-прессы). Нагнетание пульпы через
фильтр под давлением.
3.4.4.4* Очистка растворов
Для получения металла высокой чистоты
растворы от выщелачивания должны быть
очищены от примесей.
Возможные способы очистки: цементация;
электролиз с нерастворимым анодом; крис-
кристаллизация; осаждение.
Цементация C.4,2.4). Процесс, при кото-
котором более электроотрицательный металл
вытесняет более электроположительный из
раствора его соли. Неблагородный элемент
при этом окисляется, а ион более благо-
благородного Металла, наоборот, восстанавли-
восстанавливается.
а. Скорость реакции (СР). Гетерогенная
система. Основные параметры, определяю-
определяющие СР: Длительность взаимодействия; Ин-
Интенсивность перемешивания; температура;
состав раствора; поверхность Частиц це-
цементирующего металла.
б. Требования к цементирующему ре-
реагенту. Цементирующий реагент не дол-
должен образовывать нерастворимых соединен
ний с компонентами раствора.
в. Применение: цементация золота из
цианистых растворов цинковой пылью; це-
цементация серебра из цианистых растворов
алюминиевой пылью; цементация меди же1
лезным скрапом.
Электролиз с нерастворимым анодом.
Процесс, при котором концентрация основ-
основного металла в электролите убывает. Элек-
Электрическая энергия используется главным
образом на разложение электролита (при
растворимом аноде — на преодоление со-
сопротивления электролита).
При использовании нерастворимого ано-
ца происходит заметная поляризация элек-
электродов (из-за выделения газов).
В качестве нерастворимых анодов При-
Применяются только те металлы, у которых
высокий анодный потенциал (больше, чем
потенциал разряда содержащихся в рас-
растворе анионов); высокое перенапряжение
выделения (кислорода), что обеспечивает
разряд на аноде анионов.
Прн работе с нерастворимым анодом сле-
следует учитывать следующее:
— перед электролизом необходима очист-
очистка раствора от прнмесей;
-~ при аыделении неблагородных метал-
металлов необходимо создать перенапряжение
водорода;
— вид материала нерастворимого анода;
— в процессе электролиза увеличивается
концентрация кислоты в электролите.
Кристаллизация. Процесс, при котором из
пересыщенной жидкой фазы выпадает из-
избыток твердого вещества. Процесс зависит
от Т, р, структуры твердой фазы. Процесс
начинается с образования зародышей кри-
кристаллизации, которое зависит от скорости
снижения температуры, интенсивности пе-
перемешивания, уменьшения относительной
молярной массы. Поверхностная энергия
определяет образование зародышей крис-
кристаллизации.
Оборудование процесса для кристалли-
кристаллизации:
1) аппараты периодического действия
(охлаждение на воздухе без перемешива-
360
ння, искусственное охлаждение е переме-
перемешиванием) ;
2) аппараты непрерывного действия
(желобковый кристаллизатор);
3) вакуумные кристаллизаторы (благо-
(благоприятные условия роста и уменьшение
объема маточного раствора).
Осаждение соединений. Применяется при
гидролитическом осаждении для отделения
Fe при очистке растворов от выщелачива-
выщелачивания. Свободные кислоты должны быть при
этом нейтрализованы. Кроме того, регули-
регулируя рН раствора, можно избирательно
осаждать растворенные металлы в виде
гидроокисей, карбонатов и основных солей.
а. Адсорбционное осаждение. Для улуч-
улучшения фильтруемости (увеличения разме-
размеров частиц) и совместного осаждения (ад-
(адсорбционного присоединения других эле-
элементов) добавляют коагулянты и другие
вспомогательные вещества (древесный
уголь).
б. Осаждение солей (основных, нейтраль-
нейтральных, сульфидов, карбонатов, двойных со-
солей).
в. Осаждение дистилляционным разло»
жением. При нагреве аммиачного раствора
карбоната аммония удаляются NHs н COj.
При этом происходит гидролитическое раз-
разложение.
3.4.5. Амальгамная
металлургия
Основывается на следующих свойствах
ртутн: низкой температуре плавления; спо-
способности хорошо смачивать н растворять
некоторые металлы; легкой нспариемости.
Преимущества амальгамных методов со-
состоят в использовании ртути как вспомо-
вспомогательной фазы:
— жидкая металлическая система реаги-
реагирует с водными растворами прн комнат-
комнатной температуре;
— жидкие электроды—сырье для гидро-
гидрометаллургии;
— избирательные методы разделения н
очистки с использованием амальгам (чер-
(черновой металл растворяется и очищается
при повышенной температуре).
ТА Б Л И
Металл
Ag
А1
Аи
Са
Cd
Со
Сг
Си
Fe '
. К
Mg
и а т
Раствори-
Растворимость, %
(по массе)
0,030
0,0023
0,13
0,30
5
1 -10—е
4- Ю-7
0,02
5-10-»
0,38
0,31
Металл
Mil
Na
Ni
Pb
si
Sn
Th
Ti
и
Zn
Zt
Раствори-
Растворимость. %
(no массе)
0,0017
0,62
2-10-e
1,47 •
0,001
0,87
0,016
1 • 10-B
I • 10-»
1,99
0,003
Амальгамы. Истинные'растворы металлов
в ртути.
Растворимость металлов в Hg приводят-
приводятся в табл. 172.
Растворимость металлов увеличивается
с ростом температуры (рнс. 3.38) [38].
Текучесть.
Sn
20
о гор ш т,°с
Рис. 3.38. Растворимость металлов в ртути
а. Амальгамы. Имеют приблизительно
такую же вязкость, как н Hg.
б. Суспензии. Механическая смесь
амальгам нерастворимых металлов. Полу-
Получаются электролитическим осаждением на
Hg-катоде. Текучесть при концентрации
*?0,5 % (по массе) такая же, как у Hg.
Возможно обогащение амальгам при по-
помощи фильтрации (пастообразные амаль-
амальгамы).
Перенапряжение водорода на амальга*
мах. Очень высокое. Поэтому возможно
выделение неблагородных металлов (Fe,
Zn) из кислых растворов. Из-за полной
смачиваемости взвешенных в, Hg частичек
не происходит локального аыделения дру-
других элементов. Поэтому увелнчнаается
устойчивость к действию воды и кислот.
Потенциал амальгам. Определяется не-
неблагородной составляющей.
Получение амальгам
1. Прямой электролиз:
а) осаждение из водного раствора на
Hg-катоде;
б) осаждение нз неводного раствора
(например, Mg);
в) осаждение из смеси солей (например,
Th).
2. Непрямой электролиз. Осаждение пу-
путем фазового обмена с амальгамой натрня.
Фазовый обмен — способность амальгамы
неблагородного металла выделять благо-
благородные металлы нз водного раствора. Об-
Образуется новая амальгама
Разложение амальгам
1. Раздельное осаждение. Прн наличии
нескольких металлов осаждение идет в
следующей последовательности: благород-
благородный металл, неблагородный металл, кроме
того, проходит и фазовый обмен.
2. Блокирующий электролиз. Из раство-
растворов осаждаются только благородные ме-
металлы, а неблагородные удаляются путем
351
фазового обмена. В результате так назы-
называемого блокирующего действия образу-
образуются электролиты высокой чистоты.
3. Перекристаллизация. Прн увеличении
температуры отделяются металлы, нерас-
нерастворимые даже при высокой температуре
(отфильтровываются Fe, Ni, Co, Сг). Затем
остаток переходит в фильтрат и отделяет-
отделяется холодной фильтрацией.
Получение металлов из амальгам. Амаль-
Амальгаму разлагают дистилляцией. Температу-
Температура должна быть несколько выше точки ки-
кипения Hg. Выпадает порошок металла, сво-
свободный от ртути и удобный для обработ-
обработки методами порошковой металлургии.
3.4.6. Примеры
металлургических
технологий
В табл. 173—180 приведены обобщенные
данные о химических свойствах некоторых
металлов (табл. 173), сульфидов (табл.
174), окислов (табл. 175), сульфатов (табл.
176), карбонатов (табл. 177), хлоридов
(табл. 178), арсенидов (табл. 179) и арсе-
натов (табл. 180). Принятые обозначения:
М — масса; р — плотность; Tan — темпера-
температура плавления; Гквп — температура кипе-
кипения; фо — нормальный потенциал; q —
удельная теплота плавления; —ДЯ—энталь-
—ДЯ—энтальпия; S — энтроция; ср — удельная теплоем-
теплоемкость; ГдаС н ГдиС — температуры начала
и конца диссоциации; Гоор — температура
образования; Трааа — температура разложе-
разложения.
3.4.6.1. Металлургия меди
Схема получения меди. Исходное сырье—
сульфидная медная руда или концентрат;
местная необогащенная руда с содержани-
содержанием <2,4 % Си.
1) в некоторых случаях частичный окис-
окислительный обжиг;
2) концентрационная плавка (на штейн)
может производиться в шахтных, отража-
отражательных, электрических печах (штейн со-
содержит ^45 % Си) или во взвешенном
состояний (штейн содержит ^60Си);
3) продувка в конверторах на черновую
медь;
4) рафинирование в отражательных пе-
печах на анодную медь (содержащую бла-
благородные металлы);
5) электролитическое рафинирование на
катодную медь с последующей переплав-
переплавкой:
— электролит (никель);
— анодный шлам (благородные метал-
металлы).
Процесс обжига. Предварительный окис-
окислительный обжиг применяется прн необ-
необходимости удаления избыточной S н подго-
подготовки части Fe к ошлакованию (см.
3.4.2.2, 3.4.2.3).
Концентрационная плавка на штейн
а. Отражательная плавка.
Ошлакование железа:
3Fe2O3 + FeS->7FeO + SO2;
9Fe2O3 + FeS-*-FeO + 6Fe3O4 + SO2;
3Fe3O4 + FeS-»-10FeO + SO2
2FeO + SiO2-v2FeO • SiO2.
Обратное сульфидирование медн и ее
окислов:
6CuO + 4FeS-»-3Cu2S + 4Fe
Си2О + FeS-*-Cu2S + FeO;
2Cu + FeS-J-Cu-jS + Fe
2Fe + O2 -f SiO2-*2FeO • SiO2 .
б. Шахтная плавка (восстановительная).
Основа — равноаесие реакции Будуара:
Fe2O3 -f CO-*-2FeO + СО2;
Fe2O9 -f C-»-2FeO + CO
2FeO + SiO2-*-2FeO-SiO, .
Иногда образуется металлическое железо
(настыль).
Арсенаты и антнмонаты при этом перехо-
переходят в арсениды и антимоннды, а сульфа-
сульфаты в сульфиды.
в. Продукты плавок штейн, содержащий
в зависимости от применяемой технологии
г?45 % Си или <60 % Си.
Получение черновой меди. Переработка
медного штейна конвертированием.
1-й период. Окисление FeS и ошлаковы-
вание FeO:
2FeS + 3O2-*2Fe0 + 2SO2,
2FeO + SiO2-»-2FeO-SiO2.
Образуется белый штейн (матт) с 78 %
Си, который продувается на черновую
медь, и конверторные шлаки с ~ 4 % Си,
которые возвращаются в плавку на штейн.
2-й период. Взаимодействие Cu2S—СигО
с образованием черновой меди:
2Cu2S + 3O2-*2Cu2O + 2SO2,
2Cu2O + Cu2S-*-6Cu + SO2.
Оставшиеся в меди примеси составляют
— 2,5% (Cu2S, Ni, As, Sb, Fe, Co, благо-
благородные металлы, Bi, SO2, Cu2O).
Рафинирование черновой меди
— избирательное окисление в отража-
отражательных печах (Си2О окисляет Fe, Ni, Co,
As, Sb, Pb; Cu2S превращается в Си);
— дразненне:
1) дразненне на плотность (удаление
SO2); 2) дразнение на ковкость (восстанов-
(восстановление СигО до 0,03 % О2);
— электролиз с растворимым анодом
(в электролит переходят Ni, As; в анодный
шлам — благородные металлы, As, Sb, Bi,
получается медь с ~99,95 % Си).
Гидрометаллургия меди
а. Подготовка руды. В зависимости от
содержания Си и S применяются различ-
различные виды обжига:
— окислительный (для сульфидных ма-
материалов) ;
— сульфатизирующий (когда отработан-
отработанная щелочь может быть слита);
352
— хлорирующий (при наличии 5=3 % S
после предварительного обжига).
б. Химическое разделение (аффинаж).
Рафинирование путем селективного раство-
растворения компонентов сплава в растворах со-
соответствующих кислот.
Разновидность способа:
— при помощи H2SO4—применяется
наиболее широко;
— башенной кислоты (смесь HC1+H2SO4);
— NH4OH+ (NH4JCO3. если пустая по-
порода хорошо растворима в кислотах.
При этом используются выщелачивание
методом просачивания (перколяцня) и вы-
выщелачивание с перемешиванием пульпы
(агитация).
в. Очистка растворов после выщелачи-
выщелачивания.
— сернокислый медный раствор, загряз-
загрязненный Fe, Ni, Co, As.
— аммиачный медный раствор, загряз-
загрязненный Ni и Со.
1) восстановление Fe2(SO4h:
Fe2 (SO4K + SO2 + 2H2O-*-2FeSO4 + 2H2SO4;
2) Fe выделяется в виде Fe(OH)s|. При
этом адсорбируется As;
3) удаление СО2, NH3
Обработка цементной медью:
Fe2 (SOjJs + Cu-*CuSO4 + 2FeSO*.
г. Выделение меди из раствора.
1. Из сернокислого раствора:
— цементация; электролиз — Си; крис-
кристаллизация CuSO4.
2. Из аммиачного раствора:
¦ — осаждение СиО при термическом раз-
разложении;
— восстановительная плавка СиО с
флюсом.
3.4.6.2. Металлургия никеля
Схемы получения никеля
I. Исходное сырье — сульфидная руда с
=SS6 % Ni и ==S3% Cu:
1) предварительный обжиг при высокой
концентрации S;
2) плавка на штейн в отражательных
или шахтных печах или плавка во взвешен-
взвешенном состоянии на Си—Ni-штейн с <:25 %
Ni+Cu (иногда На Си—Ni-файнштейн);
3) разделение Си и Ni. Обжиг Ni- кон-
концентрата, восстановительная плавка Ni, ра-
рафинирование Ni электролизом.
II. Исходное сырье — окисленная руда с
2—10 % Ni:
1) сульфидизирующая плавка с частич-
частичным восстановлением;
2) продувка Ni-штейна на файнштейн
или частичный обжиг Fe—Ni сырой крицы;
3) обжиг файнштейна; очистка от меди;
восстановление до металла или плавка
обожженной крицы на ферроникель. .
Подготовка сульфидной руды. Предва-
Предварительный окислительный обжиг. Чтобы
предохранить Ni от ошлаковывання при
плавке содержание S в огарке должно
быть больше, чем в Си-огарке.
Плавка на штейн сульфидной руды.
а. Отражательная плавка. Основные ре-
реакции сводятся в основном к реакциям тер-
23—140
мнческой диссоциации высших сульфидов н
реакциям взаимодейстаия твердых и жид-
жидких веществ.
Ошлаковывание Fe в виде фаялита:
4FeO + O2->-2Fe2O3;
2FeO + SiO2-*-2FeO-SiO2.
Обратная сульфиднзацня NiO и CuO
(Cu2O):
3NiO + 2FeS-*NisS2 + Fe2Os;
6CuO + 4FeS-*-3Cu2S + 4Fe
б. Шахтная плавка. Такая плавка суль-
сульфидных Си—Ni руд является типичным по-
лупиритным процессом. Реакции окисления
сульфидов:
(Fe,Ni)9 S8 + 17O2-*-9NiO + 9FeO + 8SO2;
CuFeS2 + 3O2-»-CuO + FeO + 2SO2;
2FeS2 + 5O2-*-2FeO + 4SO2;
2FeS + 302->2Fe0 + 2SO2.
Полупиритный процесс занимает проме-
промежуточное положение между восстанови-
восстановительной и пиритной плавкой. Источником
тепла служит кокс (от 8 до 10 %). Часть
тепла выделяется при окислении S. Про-
Процесс обычно характеризуется переработкой
кислой пустой породы.
Пирнтная плавка применима при высо-
высоком содержании пирита. Окисление шихты
и образование штейна происходят в шахт-
шахтной печи одновременно. FeS является топ-
топливом. В чистом виде сейчас не применя-
применяется. Большое выделение SO2 приводит к
загрязнению окружающей среды. Прототи-
Прототипом пнритной плавки является автогенная
плавка высокосерннстых бедных руд, пред-
представляющая собой комбинированный про-
процесс обжига и плавки.
. в. Руднотермическая плавка. Проводит-
Проводится в печах, оборудованных самоспекающн-
мися набивными электродами. Процесс
применим для переработки тугоплавкого
сырья.
г. Плавка во взвешенном состоянии.
Получение чернового никеля из сульфид-
сульфидных руд. Исходным материалом является
Си—Ni-штейн или белый штейн. Полный
окислительный обжиг (обжиг намертво).
Разделение меди и никеля в конверторе
невозможно, так как из-за большого срод-
сродства Ni к кислороду возможно его ошла-
ковыванне. Процесс конвертирования за-
заканчивается получением №—Си-файнштей-
на с 78 % Ni+Cu+0,3 % Fe. Дальнейшая
его переработка сводится к разделению
меди и никеля, которое может проводить-
проводиться следующими способами:
— Карбонильный метод. Ni—Cu-штейн
подвергается полному обжигу (намертво).
Си удаляют из огарка выщелачиванием.
Остаток от выщелачивания восстанавлива-
восстанавливается до никелевой губки карбонильным
способом: Ni+4CO-^Ni(COL.
Си не образует карбоннла. Fe, Co можно
отделить от Ni, так как термическое раз-
разложение карбонилов этих элементов проис-
происходит прн более высоких температурах.
353
ТАБЛИЦА 173
Металл
Си
Fe
Ni
Со
Pb
Sn
As
Sb
Bi
Zn
Основные характеристики металлов
«<a»)
63,57
55,85
55.69
58,94
207,21
118,70
74,91
121,76
209,00
65,38
P. „
8,92
7,86
8,90
8,90
11,34
5,81
5,72
6,84
9,80
7,13
т
Tr
1084
1535
1453
1492
327,4
231,8
w
2595
2730
3177
3185
1750
2430
616*6
630
271
419,4
1635
1560
907
Фо. В
+0,52
+0,345
—0,44
—0,04
—0,23
—0,29
—0,12
—0,14
+0,05
+0,30
+0,2
+0,2
—0,76
Свойства соединений
кислородом
темпера-
температуря на-
начала взаи-
модейст-
модействия. "С
350
25*s
150**
650
300
300
25
250
250
25
500
<820
>820
225
продукт
реакции
CUgO
CuO
Fe(OH)s
FesO4
Fe2Os
NiO
CoO
COaO*
PbO
Устой-
чивый
SnOs
As8O3
O. n.*«
Sb2O3
O. p.
Bi2Os
ZnO
серой
темпера-
температура на-
начала взаи-
модейст-
модействия, °С
40
1535
553
300
330
250
250
630
280
420
продукт
реакции
Cu,S
CuS
FeS
(NiS)
NisS2
CoS
PbS
SnS
As2Ss
SbsSa
BisS2
ZnS
354
Металлов с . _.
хлором
темпе-
температура
начала
взаимо-
дейст-
действия, °С
30.
К- К.*'
350
300
250
25
150
25
250
продукт
реакции
CuCl
CuCl2
FeCl8
NiCl2
СоС1г
PbCl2
SnCl4
AsCJs
SbCl3
B1CI3
ZnCl2
другими реагентами
1
реагент
so2
SO2+O2
CO
so2
CO
so2
SOj,
so2
co2
—
so2
so2
so2
SO2 + CO
темпера-
температура на-
начала взаи
мод«йст-
вня, °С
550
300
—
>50<150
800
>50
650
<880
250
<600
—
>300
-
>419
>907
продукт реакции
Cu2S+Cu2O
Cu2O+CuSO4
—
Ni(C0L
NiO + Ni3Sj!
Co(COL
CoO + CoS
PbS + PbO или
PbSO4
SnO2+V2S2
SnO2 + CO
—
Sb2O3 + Sb2S3
He реагирует
ZnS + ZnO
ZnS + CO2
РвстаоримосЛ
растворитель
HaSO^'+O,
r HC1*4-O2
—
HC1« или
H2SO4 + O2
Кислородсодер-
Кислородсодержащие кисло-
кислоты, щелочи
Разбавленные
кислоты FeCl2
HNOg
Прочие кисло-
кислоты и щелочи
продукт..: •
растворения
CuSQ4
CuCl2 (CuCl)
CuSO4, CuCl2
(CuCl)
—.
NiCl4;NiSQ4;
быстрое раст-
растворение, очень
стойкие
Медленное р?-
створение
СоС12 + FeCl2
Pb(NOs)s.
Нерастворимые
или трудно-
труднорастворимые '
соли
Устойчиво по отношению к хо-
холодным разбавленным кисло-
кислотам. В НЫОз и горячей HaSO4
быстро растворяется
—
—
Растворы солей в минеральных
солях склонны к гидролизу
Н1ЧОз; хорошс
царской водке
горячей H2SO4
НС1 + О$
растворим в
растворим" в
Bid*
Растворимость в. кислотах и
щелочах зависит от чистоты
цннка. Прнмеси увеличивают
растворимость
23*
369
Металл
Cd
AI
Mg
Основные характеристики металлов
М(ат)
112,41
26,97
24,32
г. см"s
8,64
2,70
1,74
321
658
657
765
2500
1102
Фо, В
—0,40
-1,3
—1,55
Свойства соединений
кислородом
темпера-
температура
начала
взаимо-
взаимодействия.
"С
25
750
25
725
550
продукт
реакции
О. п.
CdO
О. п.
А12Оа
MgO
серой
темпера-
температура
начала
взаимо-
взаимодействия,
СС
325
800
600
продукт
реакции
CdS
А1А
MgS
Примечание. Ряды металлов по убывающему сродству к металлоидам. Кислород:
Sn—Ni—Co—Pb—Sb—Bi—As; хлор: Mg—Al—Mn—Zn—Pb—Fe—Ni—Cu—Si. Такого рода ряды дают
ческое сродство изменяется.
*" Разбавленная. и Концентрированная или разбавленная. •* Влажный. •* Сухой. »5 Темпера
ТАБЛИЦА 174
Сульфид
CuS
CuFeS2
Cu5FeS4
FeSa
FeS
NiS
Ni2S3
(NiFe)eS8
Общие физико-химические харак
M
(мо-
ляр-
лярная)
159,20
95,63
183,53
501,93
119,97
87,91
90,75
215,56
г-см
5,6
4,6
4,87
4,84
4,60
т
°С
1127
1171
1195
790
800
ч*.
ккал/
моль
2,6
7,73
5,8
Гкип"
°С
—
—
—
— д н,
ккаль-
моль
19,6
12,1
42,4
22,8
22,5
49,7
S,
кал-К"*
X моль J
28,5
15,9
12,7
16,1
16,1
36,6
кал¦град J моль *
а | &.10Г-3| с-10—6
20,32
10,4
12,20
9,25
2.64
2,38
12,80
—
—
—
356
Продолжение
металлов с
|хлором
темпе-
температура
начала
взаимо-
дейст-
действия, °С
325
25
340
продукт
реакции
CdCl2
А1С1,
MgCl2
другими реагентами
реагент
Воздух +
+ со2
со2
СО
N2
темпера-
температура
начала
взаимо-
взаимодействия,
°С
>765
К- к.*'
<2000
725
продукт реакции
CdS
CdCOs
А12О3 + С
или А14С3;
А12О3 + A14Q
MgN2
Рестворимость
раствори-
растворимость
Sf'
HNO3
продукт
растворения
Почти нерастворим
Медленно, CdCb
Хорошо растворим
' Растворимость зависит от чи-
чистоты А1 и крепости кислоты.
Значительно активнее действу-
действуют щелочи, даже сильно раз-
разбавленные
Разбавленные кислоты раство-
растворяют быстро, концентрирован-
концентрированные (H2SO4) медленнее
Са—Mg—A1—Si—Mn— (Zn)—Fe—Sn—Co—N1—As—Sb—Pb—Си; сера: Ca—Mg—Mn—(Zn)-Al—Cu—Fe—
только приближенную закономерность, так как в зависимости от температуры н активности химн-
тура сублимации. О. п. — окисная пленка. *7 К. к. — красное каление.
теристикн
температур-
температурный интер-
интервал, °С
623—1400
273—1273
, 598-Г11Л
! 298—600
i
1
Поведение при окислении (обжиге)
темпера-
температура нача-
начала взаимо-
взаимодействия,
°С
250—400
-Cu2S
350 \
350 /
250 1
250 /
500
700
500
продукты реакции
Cu2O; CuO
CUoO + CuO
+ Fe2O3
<570°C >570°C
FeO- >¦ Fe3O4 у
-*Fe2O3
NiO
NiO
NiO; FeO-*Fe2O3
примечание
Чем выше температура обжига, тем
больше образуется устойчивого со-
соединения СигО
В обжигаемом материале количество
свободного FeO незначительно. Про-
Происходит или образование фаялита
или окисление до FesO4 или Fe2Os
NiS практически не образуется в ме-
металлургическом процессе; NisS3 — ос-
основная форма сульфидов Ni в штейне
357
Сульфид
CoS
PbS
¦ ZnS
CdS
SnS
SnS,
As2S6
BisS,
NasS
CaS
Общие физико-химические харак
M
(МО-
ляр-
ная)
91,0
239,27
97,44
144,47
150.76
182,82
246,03
310,16
339,70
403,82
514,18
78,5
72,14
р'_.
г-см
5,45
7,5
4,03
4,82
5,08
4.5
3,43
4,12
7,39
1,86
2,8
1100
1114
1800
1000
880
307
300
546
750
950
—
?\
ккал/
моль
—
8,7
—
—
—
15.0
8.9
1,6
—
гкип'
—
1280
—
1230
565
—
—
—
—
— д я.
ккаль/
моль
0,4
22,5
48,2
34,5
25,1
40,0
30,0
35,0
40,5
42,2
93,0
110,0
S.
кал-К"-**
Хмель"
13,6
21,8
13.8
16,5
18,4
20,9
—
30,3
37,2
22,5
13,5
V
кал.град—* моль—1
а
10,6
10,66
12,16
12,9
9,8
—
24,2
28,9
—
10,2
Ь.1О-!
2,51
3,92
1,24
0,9
6,6
—
13,2
6,10
—
3,80
C.W-*
—
—
До-1,36
—
—
—
—
—
i
•
1 Я — удельная теплота плрвлеиня.
Продолжение
териетики
температур-
температурный, интер-
интервал. К
273—1373
298—900
298—1200
298—1273
298—1000
—
298—821
298—Тяп
—
273—1000
Поведение прн окислении (обжиге)
темпера-
температура нача-
начала взаимо-
взаимодействия,
"С
500
350
550
550
-*-SnS }
—
ОЗОЗ
500
—
—
продукты реакции
СоО
PbO; PbSO4; (Pb)
ZnO; ZnSO4
CdO; CdSO4
SnO2
As2O3; As2O5
As2O5
Sb2O3; Sb2O4
Sb2O5
Bi2O3; Bi2(SO4K
Na2O; Na2SO4
CaO; CaSO4
примечание
—
PbO имеет сильное сродство к SOg
ZnS относительно трудно поддается
обжигу из-за очень плотной структу-
структуры. Температура начала окисления
сильно зависит от размера
Окисление происходит с образовани-
образованием нестабильного летучего SnO. При-
Природный SnO2 называется касситери-
касситеритом
As2C>5 образуется пря диспропорцио-
нировании As2O3. As2Og — летуч*
As2O5 — нет
Sb2O3 — летуч, Sb2O4 и БЬ2Об — нет
Природный В1гОз называется висму-
висмутовой охрой
—
—
369
ТАБЛИЦА 175
Окисел
Cu2O
CuO
FeO
Fe3O4
Fe2O3
NiO
CoO
C03O4
PbO
PbO2
Pb3O4
ZnO
CdO
SnO
SnO2
As2O3
As2O6
Общее фнзико-хнмические хирактеристнки
I
§
s
143,14
79,57
71,85
231,55
159,70
74,69
74,96
240,82
223,21
239,21
685,63
81,38
128,41
134,70
150,70
197,82
229,82
t
X
и
Q.
6,0
6,45
5,7
5,18
5,24
7,45
5,68
6,07
9,53
9,38
9,1
5,47
fi.2-
8,2
6,45
6,95
3,86
4,09
о
к
a
1232
1336
1360
1530
1570
1900
1810
890
Разла-
Разлагается
»
1975
Улет-
учи-
учивается
>700
>1900
C21)
Разла-
Разлагается
л
§
о-
13,4
7,4
33,0
—
6,2
—
—
_
8,3
а
к
S-,
—
Разла-
Разлагается
То же
—
1470
—
—
A390)
_
A810)
457
§
а:
1
40,0
37,1
63,5
268,0
197,0
57,5
57,1
216,3
52,4
66,1
175,6
83,2
61,1
68,4
138,7
156,15
218,5
s
•к
кал/(
со .
22,45
10,2
14,2
35,0
21,5
9,2
12,65
24,5
16,2
18,3
50,5
10,4
13,1
13,5
11,6
29,33
25,5
ct
а
14,9
9,27
12,38
«29,88
Р48.0
а23,49
рзб.о
¦у31,70
12,98
—
10,6
12,7
—
11,71
9,65
9,55
17,66
8,37
27,85
кал-град 1-ыолъ *
5,7
4,8
1,,2
48,2
—
18,6
1,76
—
4,0
7,8
—
1,22
2,08
3,5
2,4
48,6
,.10-»
—
—0,38
—
—3,55
—
—
—
—
—2,18
-5,16
—
темпера-
температурный
интервал,
К
298—1200
298—1250
298—1200
298—900
900—1800
298—950
950—1050
1050—1750
533—1100
—
298—900
298—1000
—
298—1600
298—1200
298—1273
298—1500
273—548
360
Поведение при
темпера-
температура i
iaia-
ла восста-
восстановления,
СС
С
550
550
_
760
400
625
750
350
500
—
800
750
—
—
СО
130
130
_
450
250
150
500
200
185
200
750
350
500
550
150
—
1
сх
с
Си
Си
Fe, Fe8C
Fe, FesC
Fe
Ni
Co
Co
Pb
PbO, Pb
_
Zn
Cd
SnO-*-Sn
»
As
—
восстановлении
примечание
CujO имеет наи-
наибольшее значение
в металлургии из
всех окислов меди
Свободный FeO в
сырье практически
ие содержится
С частично рас-
растворим в Ni, уси-
усиливается диффу-
диффузией
СаО при темпера-
температуре восстановле-
восстановления имеет замет-
заметную летучесть
РЬО из всех окис-
окислов тижелых ме-
металлов имеет наи-
наибольшее сродство
kSO3
Техническое при-
применение при тем-
температуре > 1000 СС
CdO заметно летуч
Свободный SnO
нестабилен
Частичное улету-
улетучивание As при
восстаиовлеиии
Прочие взаимодействия
реагент
(реакция)
С18
so3
SiO2;
Fe2O3
Си, SO2
S
Cl2
Диссо-
Диссоциация
so2
CO
Диссо-
Диссоциация
MeO
SiO2
Fe2Os
SiO2
so2
Cl2
Fe2O3
PbS
so2
MeO
Диссо-
Диссоциация
Cl2
Fe2Os
SiO2
Ha
H
Cl2
Диспро-
яорциони-
рование
Cl2
MeO
MeO
, .
&5
S
темпер
чала в;
ствия,
500
<500
600
600
К. к.»
550
300—570
<1300
200
1125
>600
>600
—
>250
>6ОО
665
700
Калиль-
Калильный жар
_
470
250
650
800
270
400
1000
300
185
<400
продукт
реакции
CuCI
CuO
Cu2O-SiO2
Феррит
Cu2S
СиС1г
FesO4+Fe
FeS+FegO4
FeO+CO.,
Fe3O4+O2
2NiO-SiO2
(медленно)
NiO-Fe^g
(быстрее)
2CoO-Si02
(быстро)
CoS04+CoS
CoCI2
распад иа
CoO+O2
PbO-Fe-A
Pb-fSOa'
Pb+PbSO4
Плюмбаты
PbO+O2
ZnCI2
ZnO-Fe2O3.
2ZnO-SiO,
Cd
Sn
SnO,
AsaOu-{~As
AsCl3+As8O6
Арсениты
Арсениты
растворимость
Хорошая раство-
растворимость в кисло-
кислотах NH4OH;
NaCN, коицеитри-
рованиой NaOH
Растворимость
очень сильно за-
зависит от темпера-
температуры образования
Растворимость
зависит от степени
нагрева
Растворимость
лучше, чем NiO
Практически ие
застворимы
Растворим в НС1,
HgSO4 и щелочах
Растворим в НС1
MeSOt, H2SO4, не-
нерастворим в щело-
щелочах
SnO растворим в
НС1, H2SO4; SnOa
нерастворим. Ста-
иат Na хорошо
растворим в HjO
Большая аналогия
cSb
361
—
Oratcejj
Sb2OB
SbaO4
и a,
CaO
MgO
«A-
S1OV
Общие фнзико-химические характеристики
1
' «
291,52
323,52
307,52
466,0
56,08
40,32
101,94
60,06
со
1
О.
5,67
3,58
3,0
8,9
3,4
3,65
3,9
2,26
2,32
и
е
а
S-,
655
C00)
817
2570
2642
2046
1670
1702
!ОЛЬ
S
13,0
—
6,8
19,0
' —
—
_
—
о
1
1456
—
1890
2850
2800
2700
2230
2230
к
Е
<
1
167,0
215,0
138,0
151,9
143,7
400,0
209,2
—
С ¦ мол
>5
29,4
29,9
36,2
9,5
6,55
12,2
10,1
С
а
19,1
28,11
24,74.
11,86
10,18
27,38
14,40
14,64
р, кал-град—1-1
ft-103
17,1
__"
8,СУ
1,08
1,74
3,08
2,04
2,64
a-io ?
i
—
—
— 1,66
—1,48
—8,20
—
^оль—1
температур-
температурный интер-
интервал, К
273—930
300
298—800
298—1177
298—2100-
298—1800-
523—2000
390—2000
К. к — красное каление.
ТАБЛИЦА 176
Сульфат
CuSCV
FeSO4
Fe,(SO4K
Общие физико-хнмнческие характер
М
(моляр-
(молярная)
159,53
151,91
399,88
«.
о
й
d
3,61
—
3,10
к
200
—
D80)
\
¦—
СП
\с
СГ
—г
—
—
гн
дас о^
. с
гк
ДИС
500
825
510
680
450
720
—АН,
ккал/моль
184,7
221,3
653,2
L
Ц
25,3
—
—
ср, кал-град 1-
а
18,77
—
—
Ь-10*
17,20
¦—
—
с-10—Б
—
—
Продолжение
Поведение при восстановления
• температу-
температура начали
восстанов-
восстановления, "С
С
—
>1500
>2000
' —
СО
150
200
—
—
продукт
Sb
Bi
riapuMg
A1;A14CS
—
примечание
Частичное улету-
улетучивание Sb2O3 при
восстановлении
Природный, извес-
известен как охра
Карботермическо-
му восстановле-
восстановлению практически
ие поддается
Пары Mg очень
активны
Карботермическое
восстановление не-
незначительно
_
Прочие взаимодействия
реагент
(реакция)
S
SbjS.,
Разложе-
Разложение
&,
SiOs
FesO.,
Cl2
SiO?
NaCl+
+Н8О
MeO
темпера-
температура на-
начала
взаимо-
взаимодействия.
°С
380
300
650
500
>200
750
1000
—
продукт
реакций
Sb2Ss+SO2
Sb+SOj
Sb.O4-*-
->-Sb2O8
Bl
В1ОС1+
+BiClj
2CaO«SiO.;
taO-SiO»
2CaO.FeaOs;
CaO'FejOs
MgCL
2Л^О-З1ог
Na,O-
•А1гО8+НС1
Силикаты
растворимость
Растворимы толь-
только в концентриро-
концентрированных кислотах
(или) при гидро-
гидролизе). Sb2O6 прак-
практически растворим
только в концент-
концентрированной НС1
Растворим в кон-
концентрированных
кислотах
Растворим в кис-
кислотах
Растворим в кис*
лотах
а почтя нераство-
нерастворим; у растворим
в HCI, NaOH
SiO? растворим в
HF
рисунки
температур-
температурный интер-
интервал, К
298—900
—
1 —
Химические свойства
реагент
С
Gii,S
Си2О
Си
Сиб
О2 (воздух)
СО
FeS.
NaCl
температура
начала
ввакмодей-
етвия, °С
>К. к.
450
380
280
510
460
300
290
продукт реакций
Си; Cu»S
CuO+SO.
CuCH-SOa
Cu2O-fSO2
CuSO4-^FeO
Fe2(SO4)g-j-FeA+SO4
FeS+SO,
FeSO4+S,
FeCls+Na^SOi
примечание
Зависимость от тем-
температуры. Реакции
происходят не пол-
полиостью
—
363
Сульфат
NiSO4
CoSO4
PbSO4
2nSO4
CdSQ,
SnSO4
MgSO4
CaSO4 '
Na2SO4
K2SO4
BaSO4
Bi2 (SO4K
Общие фнзико- химические характерн
М (моляр-
(молярная)
154,75
155,00
303,27
161,44
208,47
214,76
120,38
136,14
142,05
174,26
223,42
706,18
СО
о
(-.
Q
3,68
—
6,2
3,74
—
—
2,66
2,96
2,70
2,66
4,50
—
о
g
—
1087
G40)
1000
C06)
1127
1297
884
1096
1580
—
I
С?
—
—
9,6
—
4,79
—
3,50
6,7
5,8
8,1
9,7
—
М
690
840
720
880
850
1135
530
760
827
—
900
1150
800
1380
—
1510
>1580
570
870
-дя,
ккал/моль
" 216,0
i
—
218,5
233,4
222,22
—
304,95
340,7
330,48
342,66
349,4
—
S, ккал-
•к-1-
моль х
—
—
35,2
30,6
31,0
—
—
25,6
35,7
44,8
31,6
—
с , кал-град *•
¦ моль—1
а
30,1
—
10,96
21,9
18,48
—
—
16,78
29,06
28,77
33,60
33,80
—
ft-Ш'
9,92
—
31,00
18,2
18,5
. —
—
23,60
19,34
23,80
13,40
—
—
—
4,20
—
- —
—
—
—
4,6;
8,43
—
Примечание. Последовательный ряд окислов металлов по убывающему сродству к трех
FeO; К- к. — температура красного каления.
364
Продолжение
стики
температур-
температурный интер-
интервал, К
298—1200
—
298—1100
298-Гпл
298-Гпл
—
—
298—1400
514—1157
298—856
856—Гпл
298—1300
—
Химические свойства
реагент
NiS
с, со, н2
CoS
PbS, Pb
CaO
Fe
SiO2
с со
Cl2
PbO, CaO
H2
температура
начала
взаимодейст-
взаимодействия, °С
300
Калильный
жар
500
550
700
720
530
500
К. к.
продукт реакции
NiO+SO2
NiS(Ni)
CoO+SO2
РЬО+Ю2
CaSO4-fPbO
Pb; FeS, Fe3O4
PbO-SiO2
ZnO; ZnS
ZnCl2
РЬЮ4; CaSO4; ZnO
CdS; Cd
примечание
Реакция идет медлен-
медленно и не полностью.
Ni образуется при по-
повышенной температу-
температуре
Равновесная реакция
Вытеснение
Очень слабая зависи-
зависимость от температу-
температуры. Вытеснение
—
SnSO4 не имеет значения для металлургических процес-
процессов. В отличие от Sn (SO4J растворим в воде.
С, СО
НС1
CaS
SiO»
С, СО
а,
с
—
SiO2
А1А
—
700
К- к.
900
950
500
<1150
i
<850
1025
>1000
—
MgO+SO2
MgCl2
CaO+SO2
CaOSiOa
CaS
CaCl2
Na2S
—
BaCl2
2BaO-SiO2
BaD-Al2O3
Bi2S3+Bi
Образование MgS не-
незначительно; равно-
равновесная реакция
—
Оксфордский процесс.
Сульфаты щелочных
металлов имеют зна-
значение для металлур-
металлургических процессов
только в отдельных
случаях
—
Е
В закрытом тигле
.окиси серы: КгО—NajO—ВаО—СаО—АЬО8—PbO—Ag2O—CdO—MgO—NIO—MnO—ZnO—СяО—СоО—
365
ТАБЛИЦА 177
Карбонат
Си(ОНJ
FeCOs
NiCGg
CoCOs
PbGOg
ZnCOs
CdCO3
MgCDs
CaCGs
NaCOs
K2COS
BaCOs
MnCOs
Общие физико-химические характеристики
M
(моляр-
(молярная)
344,75
115,86
118,70
118,95
267,22
125,39
172,42
84,33
100,09
106,00
138,20
197,37
114,94
1
d
3,88
3,8
4,13
6,6
4,44
4,26
3,04
2,93
2,53
2,29
4,3
3,13
B20)
—
—
Разла-
Разлагается
C30)
A40)
Разла-
Разлагается
C50)
(825)
850
897
A740)
—
q, KKaj
• моль-
—
—
—
—
—
8
7,8
—
—
ГДис
т к
'дне
200
200
400
340
200
450
140
390
265 '
345
300
469
883
850
1800
915
1450
200
4Ш
—ДЯ, 1
моль—
142,2
172,8
162,7
i
172,7
168,0
193,3
178,7
268,0
289,5
269,89
274,46
240,9
213,9
U
S, кал
¦ моль
21,0
22,2
31,3
19,7
24,0
15,7
22,2
32,5
26,8
20,5
ср. кал
а
—
—
12,29
9,3
—
18,62
24,98
13,98
а20,77
Р37.0
V39.0
21,99
. град—
—
28,6
33,0
—
13,8
5,24
54,4
11,70
9,30
1 • моль—'
с-10—•
—
—
—
—
—
^4,16
—6,20
—3,13
—2,86
•и
температур-
температурный интер-
интервал, К
Химические свойства
реагент
темпера-
температура на-
напала вэа-
имодей-
ствня, "С
продукт
реакции
примечания
150
CuS, Cu^S
Безводные карбонаты меди в приро-
природе не встречаются. Основные карбо-
карбонаты представлены такими минерала-
минералами, как малахит CuCO3-Cu(OH)s н
азурит 2СцСО3 • Си (ОН) 2. Выше 220 "С
отщепляются СО$ и Н2О
Диссоциация
Взаимодей-
Взаимодействие
200
<570
FeO+COj,
Практическое значение имеет только
в виде, минерала сидерита (железный
шпат)
Безводный NiCOs и гидрат №СОз-6НзО трудно получать и они не име-
имеют особого значения в металлургии. Из растворов никелевых солей со
щелочами или карбонатами осаждаются основные карбонаты перемен-
переменного состава МЮ№СОНО
В природе встречается очень редко в виде кобальтового шпата СоСОз
или ремннгтонита CoCOj-xHgO. Для металлургии не представляет ин-
интереса. При осаждении из растворов солей образуются аналогично Ni,
основные карбонаты Со переменного состава.
298—800
В природе встречается в виде церуссита. Термическое разложение при
350 °С приводит прежде всего к образованию основного карбоната
>298
400
ZnS+CO2+SO2
В минералогии известен как цинко-
цинковый шпат (смитсонит) или гидроции-
кит (основной карбонат); легко рас-
растворим в кислотах и растворах солей
аммония
Nad
¦ CdCl2
(не полиостью)
В минералогии: отавит (изоморфен
цинковому шпату); слабо растворим
в воде, хорошо — в H2SO4
298—760
В природе встречается в виде магнезита MgCOe или доломита MgCO3-
¦СаСОз. Из растворов солей Mg выпадают основные карбонаты с 1, 3
или 5 молекулами Н;О
298—1200
SiO.
SOa
450
100
Силикат Са
CaSO«+CO2+S
В природе встречается в виде кальци-
кальцита (известковый шпат) или аргоиита,
а вместе с MgCOg — доломита
298—500
Применяется в пирометаллургии как присадка при обжиге для перево-
перевода S в водорастворимый Na2SO4, в гидрометаллургии — как осадитель
при карбонатном или гидратиом осаждении
Имеет меньшее значение в металлургии, чем сода. В аналитической хи~*
мии применяется совместно с содой для образования расплавов-раство-
расплавов-растворителей •
298—1040
1040—1241
1241
В природе встречается в виде витерита. В металлургии не имеет су-
существенного значения
298—700
Практически не растворим в воде, при термической диссоциации в при-
присутствии Og образуется повышенное количество MnOj
ТАБЛИЦА 178
Хлорид
Общие физико-химические характеристики
М
(моляр-
(молярная)
¦Л-
ц
у К
ДИС
у К
Дис
°С
с , кал-град—'-моль—'
с 10—5
Cud
CuCl2
99,02
134,3
3,53
148,05
432
630
2,5
FeCl2
FeCl»
NiCl.
CoCl2
PbCl2
ZnCL
CciCl2
SnCL
SnCl4
126,76
162,22
129,60
2,98
2,80
3,55
677
304
A000)
10,3
10,2
18,5
432
1690
340
1367
300
1022
300
319
970
32,2
49,2
20,8
27,0
5,87
19,2
81,5
95,7
73,0
28,7
32,2
23,35
18,94
29,56
17,50
2,08
3,16
129,85
278,12
136,29
183,32
189,61
260,53
3,36
5,85
2,91
4,05
3,39
2,32
730
498
313
568
247
—33
5,8
5.5
5,3
3,1
2,2
1050
800
954
732
600
967
652
113
77,8
«5,8
99,5
93,0
83,6
130,3
25,4
32,6
25,9
31,2
61,8
14,41
15,96
15,0
16,0
16,2
25,57
—1,17
—6,H
-1,19
14,6
8,0
10,85
7,7
9,26
0,20
-1,87
368
Химические свойства
температур-
температурный интер-
интервал, К
реагент
темпера-
температура на-
начала взаи
модейст-
вия, °С
продукт
реакции
примечание
298— Т,
пл
Н»О пары
NaCl, KC1
230
Cu+HCl
CuO+HCl
Двойной хлорид
CuCl-'-Cu
Выше 440 "С реакция замедля-
замедляется
СиСЬ является катализатором
для реакции 4НС1+О2я*2Н8О+
+2Clj. Двойные хлориды1 ха-
характеризуются * меньшей ско-
скоростью разложения
298—950
298-Гг
Н2О(г)+О2
Н2
С1о
СиО
250
250
450
120
150
Fe+HCl
FeCls
TeCl2->-Fe
CuCl2+Fe2Os
При действии только паров
HjO образуется FeO+HCI-»-
-*-Fe3O4+HCl+H2. Аналогично
Н2 действует, например, Zn (г)
или Zn (р-р)
Принцип «хлорирующего об-
обжига». При 600 "С проходит
полностью
298—Т„
Оо
400
NiO+Cl2
Ni+HCl
№СЬ гигроскопичен, медленно
растворяется в воде. С окисла-
мн щелочноземельных метал-
металлов образует NiO+хлорид ме-
металла
298—1000
Н2О(г)+О2
600
Со3О4+НС1
Гигроскопичен, растворяется в
воде легче, чем NiCl2, однако
склонен к гидролизу
298—Гг
Э(г)-
Н2О(г)+С
РЬ+НС1
Pb+HCI+CO
Аналог металлов, имеющих вы-
высокое сродство к хлору (напри-
(например, цинка)
298—Г,
РЬО
<800
ZnO+PbCl2
ZnCU очень гигроскопичен.
В водных растворах склонен к
разрушению двойных солей.
Очень легко растворим в воде
298— ГЕ
По свойствам аналогичен ZnCb, включая очень легкую раствори-
растворимость в воде
298—520 Н2О: О2
Fe, Zn
298—1000
Fe, Zn
SnO2 или SnCl4
Sn+FeCl2; ZnCl2
SnCI2+FeCl2; ZnCl2
Конечный продукт зависит от
концентрации Н2О и О2.
SnCl2 — сильный восстанови-
восстановитель, но под действием Fe, Zn
восстанавливается сам (напри-
(например, при лужении). Окислы тя-
тяжелых металлов в присутствии
Н2О образуют SnO2 или
Sn(OHL
24—140
369
Хлорид
AsCl3
AsCl6
SbCls
SbClB
BiCl3
BiOCl
NaCl
KC1
CaClg
MgCl2
A1C1S
Общие физике-химические характеристики
М
(ыоляр-
иая)
181,36
252,22
228,13
299,05
315,37
260,46
58,45
74,56
110,99
95,23
133,34
О
d
2,16
3,14
2,33
4,75
7,72
2,16
1,18
2,16
2,33
2,44
-16,2
—40
73,3
4
224
800
770
765
712
A92)
ii
2,4
3,1
2,4
2,6
6,9
6,1
6,8
10,3
8,5
ГДис „с
ГДИС
130
220
102
461
U65
Й07
1600
300
1418
180
180
§
ti
80,2
91,4
104,8
90,6
87,3
98,7
104,2
189,5
153,4
166,8
h
sg
«•?
56,8
44,7
Ч
17,4
19,7
27,2
21,4
26,3
с , кал-град—'.моль—1
а
31,9
10,3
10,98
9,89
17,18
18,90
19,80
&.1№>
—
51,1
3,90
5,20
3,04
1,42
—
с-10-5
1
—
—0,77
—0,60
—2,06
—2,64
}
370
Продолжение табл. 178
Химические свойства
температур-
температурный интёр-
аал. К
реагент
темпера-
температура на-
начала вЗа-
нмодейст-
кия, °С
продукт реакции
примечание
298—381
Pb, Se, Те
Ag
AsH3
25
As+хлорид
3Ag-AsCl3
As+HCl
He реагирует с Al, Bi, S
273—346 Ярко выраженная склонность к образованию двойных солей с хло-
хлоридами щелочных металлов. Хорошо растворим в воде, но склонен
к гидролизу. Не имеет практического значения для металлургии, так
как легко разлагается.
Воздух
Н2О (ж)
Н2
120
BiOCl
ВЮС1
Bi+HCl+H2O
BiClj сильно гигроскопичен и
склонен к образованию двой-
двойных хлоридов, которые препят-
препятствуют выпадению BiOCl в оса-
осадок. Дальнейшее восстановле-
восстановление возможно также с помо-
помощью окислов щелочных и ще-
щелочноземельных металлов +
+ восстановитель, а также за
счет металлов, имеющих срод-
стио к С1
298—Гщт Имеет значение для металлургии как носитель С1 при хлорирующем
обжиге и как составная часть солевых расплавов (метод Харриса,
солевое защитное покрытие и т. д.)
298—7",
пл
Имеет меньшее значение для металлургии, чем NaCl
600—TD
НаО
Na<
(г)
аС1
780
СаО+ТО
4NaCl-CaCl2
Разлагается легче, чем g
но труднее, чем MgCl2CCaO
образует оксихлорид 4СаСЬ-
•СаО
СаСОа
400
Мг(ОН)С1+НС1
CaCl2+MgCOs
Выще 550 °С образуется MgO+
+НС1, при взаимодв/йствии с
Na2SO4 образуются NaCl+
+MgSO4, а с CaCs—Mg+
+СаС12+С
298—Г,,
Н2О
25
АЦОН)8+НС1
Очець гигроскопичен!
24*
371
ТАБЛИЦА 179
Арсеииды
Cu3As
Fe2As
FeAs
NiAs2
NiAs
NisAs2
Ni5As2
CoAs
CosAs2
Co2As
Co6As2
Co2Ass
CoAs2
ZnsAs2
ZnAss
CdgAsa
M
(молярная;
265,62
186,59
130,75
208,51
133,62
325,89
443,27
133,85
376,64
193,79
444,52
344,61
208,76
280,58
,-
215,20
487,05
1
U
О.
_
5,7
7,6
7,7
—
7,6
7,8
8,3
—
—
—
—
ь
825
919
1030
968
998
1180
1040
958
923
—
—
1015
771
456
Pi
Ю
_
—
—
400
—
—
858
923
—
—
i-
<!
i •
25,6
—
—
13,0
—
13,6
27,2
13,5
26,5
34,4
22,0
—
14,0
« I
ОТ
— »
15,3
—
—
15,4
38,3
23,0
53,3
39,2
22,2
—
Химические свойства
Составная часть шпейз- Диссо-
Диссоциирует выше 400 °С, при
Б00 °С полностью в присутствии
FeSj, так как SO2 восстанавли-
восстанавливает арсенаты
—
Температура начала окисления
неизвестна, но ниже, чем у
NiAs
Окисляется выше 470 "С, диссо-
диссоциирует >800 °С
Важнейшая составная часть
Ni-шпейзы. Окисляется выше
600 °С, диссоциирует >1400°С
Окисляется выше >900°С
Диссоциирует выше 800 °С.
Окисление начинается, как и у
других арсенидов Со, вы-
выше 450 °С
C03AS2 и СогАэ имеют одина-
одинаковые химические свойства. Оба
плохо растворимы в НС1 и
H2SO4
Основной компонент Со-шпей-
зы, так как содержит наимень-
наименьшее количество As.
При взаимодействии с SO2 об-
образуются Co3As2-t-CoO-t-As2O3,
a cHCl — AsH3!
Свойства неизвестны
Полностью аналогичен NiAsj
Образуется из Zn+As при силь-
сильном прокаливании. Об этом не-
непрочном соединении ничего не
известно.
Не имеет практического значе-
значения в металлургии
Свойства неизвестны. Возмож-
Возможно аналогичен Ni3As2, причем
при температуре выше 800 °С
Cd имеет большее сродство к
As, чем Ni!
372
ТАБЛИЦА 180
Арсенат
2CuO-As2O5
2Cu2O-As2O5
3NiO-As2O5
5NiO-As2O5
3CoO-As2O5
5CoO-As2O5
2PbO.As2O5
3ZnO-As2O5
ZnO>As2O5
CaO-As2O5
2CaO-As2O6
ч
3CaO-As2O5
M
(моляр-
(молярная)
388,96
516,00
453,89
603,27
484,64
504,52
676,24
490,04
311,20
285,90
341,98
398,48
1
о
d
—
4,98
4,84
3,18
—
к
a
—
—
i
1450
Ь
Ч
<580
—
>600
—
h
а
ее
—
—
>1000
—
>600
>800
Химические свойства
Изучены мало
При нагреве возможно разло-
разложение с образованием 4СиО-
•AS2O5+AS2O3
Оба арсената образуются при
обжиге шпейзьГ
Температуры плавления и дис-
диссоциации неизвестны, но очень
высоки
При обжиге шпейзы, по-види-
по-видимому, преобладает 5CoO-As2Os>
так как ЗСоО-АвзОб при повы-
повышении температуры становится
более основным
5CoO-As2C>5 растворим в НС1
и H2SO4
Восстанавливается до AS2O3+
+Pb+As. Разложения при по-
мощн SiC>2 до сих пор не уста-
установлено. С FeS2 выше 800 "С
разлагается
Возможно арсенаты Zn образу-
образуются из первично образовавше-
образовавшегося арсенита гпО-АвгОз при
его разложении выше 375 °С.
При нагреве с Н2 и S более
полное улетучивание As в виде
As2S3 или AS2O3
Оба арсената переходят в
ЗСаО-АБгОб. Восстановление
обоих арсенатов выше 350 °С
до 3CaO-As2O5+As2O3
Важнейший арсенат. Восста-
Восстановление Нг происходит выше
350 °С до арсенита. Восстанов-
Восстановление Углеродом происходит
выше 800 °С. Разложение 'при
помощи SiO2 —выше 1000°С
373
— Флотационное разделение. N1—Cu-
файнштейн медленно охлаждают до
~500°С, измельчают и подвергают флота-
флотации. При флотации происходит разделение
Си и N1 с получением соответствующих
сульфидных концентратов. Богатый Ni-кон-
центрат подвергают полному окислительно-
окислительному обжигу; закись никеля восстанавливают
до металла.
— Хибинетт-процесс (гидрометаллурги-
(гидрометаллургический метод). Ni—Cu-файнштейн обжига-
обжигают намертво. Сц удаляют выщелачиванием,
остаток восстанавливают. Отлитые никеле-
никелевые аиоды подвергают электролизу с диаф-
диафрагмой, защищающей прикатодное прост-
пространство. Анолит очищают от меди.
Очистка закиси никеля (сульфидные ру-
руды). Двустадийный процесс:
1) обжиг, при котором остаточная S уда-
удаляется при нагреве в присутствии №2СОз
или NaNO»; образовавшийся Na2SO4 затем
выщелачивается. Далее проводят восста-
восстановление до металла; 2) выщелачивание —
обработка огарка растворами НС1, если не-
необходимо дополнительно очистить закись
никеля от Си и Fe.
Восстановитедьно-сульфидирующая плав-
плавка окисленных руд. Способ плавки Ni-py-
ды в восстановительной атмосфере с до-
добавкой сульфиДизатора (в шахтных или от-
отражательных печах).
Две теории процесса сульфидирования:
а) через восстановление сульфата каль-
кальция:
7CaSO« + 28CO->-7CaS + 28СО2;
7CaS + 9NiO2 3№3S2 + 7СаО + SOS;
7СаО + 9SiO2-»7 (CaO-SiO2) + 2SiO2
9 (NiO-SiOs) + 7CaSO4 + 28CO-*3Ni3S2 + '
+ 7 (CaO-SiO2) + 28CO2 + 2SiOs + SO2;
б) путем обменной реакции:
3(NiOSiCv + 3CaSCy->-3NiSO4 +
+ 3(CaO-SiO2);
3NiSOa + 10CO-»Ni3St + 1OCQ2 + SO,
3(NiO-SiO2) +3CaSO4 + 10CO-*Ni3S2 +
¦f 3 (CaO-SiOjj) + 10CO2 + SO2.
Содержание Ni в штейне — от 30 до
40%.
Частичное восстановление Ni—Fe-крицы
(окисленные руды). Процесс происходит во
вращающейся трубчатой печи с присадкой
известняка и кокса.
Трубчатую печь условно можно разбить
на три зоны:
1) зона предварительного нагрена (от
300 до 600 °С), где происходит обезвожи-
обезвоживание и разложение карбонатов;
2) зона восстановления (до 1100°С):
SF^Og + CO-*-2FesO,; + СО2;
Fe,O4 + CO-»-3FeO + СО2;
FeO + CO-*-Fe + CO2;
NiO + CO->Ni -f- CO2j
3) кричная зона A300 °C)'. Образование
Fe—Ni-крииы, ошлаковывание остатка окис-
окислов Fe; крица: ~6 % Ni; 80 % Fe.
S74
Ферроникель может также получаться:
а) в результате селективного обжига в
кипящем слое измельченной необжатой
Fe—Ni-крицы;
б) из Ni-файнштейна (см. получение чер-
чернового никеля из сульфидных руд).
Гидрометаллургия никеля
а. Подготовка руды (см. гидрометаллур-
гидрометаллургия Си). Исходные материалы: бедная си-
силикатная руда с <;2 % Ni (Fe2O3. MgO,
SiOz);' сульфидный концентрат с ^14%
Ni (Си, Со); никелевая шпейза с ^35 % Ni
(Fe, As, Sb, Cu, Co).
б. Перевод в растворимую форму и вы-
выщелачивание.
Окисленнные руды. Аммиачное выщела-
выщелачивание (метод Никаро). Селективное нос-
стаиовление руды до №мет. Выщелачивание
огарка:
Ni + (NH4)S CO8 + (п — 2) NH4OH +
+ 0,5O2-*-Ni (NHs)n CO3 + (я — 1) Н2О;
п=2 + 6(Со ведет себя анологично Ni).
Сульфидные руды. Аммиачное выщела-
выщелачивание в автоклавах (канадский метод):
NiS-FeS + 3FeS -f 7O2 -f 10NH3 +
+ 4H2O-*[Ni(NHg)e SO41
+ 2(NH4JS2O3;
2 (NHiJa S2OS + 2O2-*(NH4J
+ (NH4JSO4;
(NH4J S8Oe + 2O2 + 4NH3 + H2O->
->NH4 • SO3 • NH2 + 2 (NH4J SO4
(Co и Си ведут себя аналогично Ni).
Шпейзы. Окислительный обжнг с целью
перевода арсенидов в арсенаты и антимо-
нидов в антимонаты. При обжиге в много-
многоподовой печи возможно диспропорциониро-
вание:
5As2O8->3As2O5 -f 4 As.
Сернокислотное выщелачивание. Кон-
Концентрированная кислота применяется при
повышенном давлении (в автоклавах), раз-
разбавленная — при выщелачивании в нормаль-
нормальных условиях:
NiO + H8S04-*NiSO4 + Н2О;
Ni3 (AsO4J + 3H2SO4->3NiSO4 + 2H3AsO4;
Nis (AsOsJ + 3H2SO4->3NiSO4 +
(Co, Cu, Fe и другие растворимые в кис-
кислотах металлы ведут себя аналогично Ni).
Другие способы выщелачивания:
1) силикатные руды с малым содержа-
содержанием MgO можно выщелачивать концент-
концентрированной H2SO4 (хемико-процесс).
2) выщелачивание сульфидных руд H2SO4
под давлением.
в. Очистка растворов от выщелачивания.
— Сернокислый раствор, загрязненный
Со, Cu, Fe (Mn, Zn, As). Стадии процесса^
1) электролитическое осаждение меди до
концентрации ^0,5 г/л; ,
2) кристаллизация смешанного купороса
испарением электролита;
3) осаждение Си добавкой Na2S;
4) осаждение Fe и адсорбция As;
5) осаждрние Со в виде Со(ОН)з при
помощи NaOH.
— Аммиачный раствор, загрязненный Си,
Co(Fe):
1) окисление воздухом с осаждением
Fe(OHh;
2) отгонка СО2 и 1МНз при помощи ще-
щелочи и водяного пара.
г. Получение никеля.
— осаждение Ni из сернокислого раство-
раствора в виде основного карбоната добавкой
соды;
— выделение Ni из аммиачного раствора
в виде основного карбоната [№2(ОНJСОз1
термическим разложением.
Электролитический никель получают
электролизом NiSO4.
Чушковой никель получают восстановле-
восстановлением NiO коксового угля.
Кристаллы сульфата никеля NiSO4-
¦7Н2О (CuSO4).
3.4.6.3. Металлургия ванадия
Схема получения ванадия. VsOs может
быть побочным продуктом при получении
медного штейна (характерно для ГДР).
Последовательность операций:
1) измельчение и подготовка материала;
2) перевод в растворимое состояние и
обжиг;
3) выщелачивание;
4) получение чернового ванадиевого ан-
ангидрида.
Подготовка
а. Измельчение V-содержащих шлаков.
б. Подготовка к выщелачиванию.
Измельченный шлак смешивают с NaCl,
Н2О, H2SO4 и тщательно перемешивают.
V переходит н форму ванадатов щелочных
металлов.
Подготовка шлака для переработку и
обжиг
а. Подготовка шлака для переработки с
целью перевода ванадия в растворимое со-
состояние.
б. Обжиг во вращающихся трубчатых пе-
печах: V3+-»-V5+ (водорастворимый ваналат).
Обожженный материал быстро охлажда-
охлаждают, чтобы обеспечить растворимость вана-
дата в воде,
Реакций:
NaCl
+ НС1 — АН (при 20 °С);
2NaCl
+ 2НС1 — АН (при обжиге);
V2O4 + 8HC1-*2VC14 + 4Н2О;
V2Oe + 6HC1-*2VOC1S + НгО. •
Выщелачивание
а. Промежуточные стадии выщелачива-
выщелачивания:
— 1-я стадия: обработка НгО при 80 °С.
Отфильтрованный осадок иапранляется во
2-ю стадию.
— 2-я стадия. Осадок разбавляют 1н.
H2SO4; происходит растворение ванадата.
б. Дополнительная обработка. Си и Zn
осаждают в виде карбонатов и гидроокнс-
лов.
Получение чернового ванадиевого ангид-
ангидрида
а. Получение Сернокислый ванадиевый
раствор обрабатывают H2SO4 V2O5 выпа-
выпадает в осадок, Na2SO4 отмывают. Получен-
Полученный продукт содержит ~85%V2O54Fe,
Мп, Мо, Си, щелочи.
б. Очистка V2O5. Осуществляется перево-
переводом с помощью 1МНз в метаванадат аммо-
аммония. При этом происходит очистка от Fe и
Мп. Очищенный продукт прокаливают:
2NH4VO3->-V2O5 + 2NHS + Н2О.
в. Возможные пути получения металли-
металлического ванадия:
— металлотермия V2O5+5Ca-*2V+5CaO;
— электролитический способ (на ферро-
феррованадий, ~50 % V).
3.4.6.4. Металлургия свинца
Схема получения свинца. Исходное
сырье — сульфидная свинцовая руда, со-
содержащая Си, Ni, Sn, As, Sb, Bi, благород-
благородные металлы:
1) агломерирующий обжиг до 1 % S
(как пранило, обжиг намертво)'
2) восстановительная планка агломерата
в шахтных печах на черновой свинец (верк-
блей);
3) рафинирование чернового металла
ликвацией и присадкой серы для удаления
Си. Окислительное рафинирование в отра-
отражательной печи. Получение частично рафи-
рафинированного свинца;
4) окончательное рафинирование от
благородных металлов и Bi ликвацией с
образованием интерметаллических соедине-
соединений добавкой Zn (метод Паркса) или К 4-
+Mg (метод Жолиие), электролитическое
рафинирование (при содержании Bi^=
3*0,5%).
Агломерирующий обжиг.
а. Процесс окисления сульфидов:
— частичный обжиг (сейчас применяет-
применяется редко) до 2—3 % остаточной S, необ-
необходимой для образования штейна при по-
последующей плавке, куда переходит медь.
— полный обжиг. Вся Си при плавке
перейдет в черновой свинец.
б. Реакции:
PbS + 2O2->-PbSO4;
4PbS + 7О2-»2 (PbO-PbSO4) + 2SO2;
3PbS + 502->2Pb0- PbSO4 + 2SO2;
SPbS + 802->4РЬО. PbSO4 + 4SO2;
3PbSO4 + PbS->4PbO + 4SO2;
2PbS + 3O2-*-2PbO + 2SO2;
2PbS + PbO->-3Pb + SO2;
PbSO4 + PbS-*-2Pb + SO2.
в. Побочные процессы: возможно обрат-
обратное окисление Pb; связывание РЬО в сили-
силикаты F50—800 °С); связывание РЬО в
ферриты (900—1000 СС); PbSO4 диссоцииру-
диссоциирует при температуре выше 1000 °С с обра-
375
зованием основного сульфата; PbS, РЬО
улетучиваются выше 750 °С; As переходит
в As2C>3 или AsjOs+As (диспропорцнони-
рование); Sb переходит в БЬгОз или БЬгСи,
Sb2O6 антимонаты; Zn ошлаковывается в
виде ZnO или Fe—Zn-фаялита; Си пере-
переходит, в штейи (при частичном обжиге).
г. Разновидности процесса обжига:
агломерате ^45 % РЬ;
— одноступенчатый, при содержании в
— двухступенчатый (предварительный и
окончательный), при наличии As в исход-
исходном материале.
Восстановительная плавка
а. Главные процессы:
— восстановление РЬО в основном при
помоши СО;
— образование СО по реакции Будуара
в результате сгорания 80 % кокса перед
фурмами по реакции'C+Ojr»-CGi и далее
СО2+С»2СО.
б. Основные реакции:
>170°С
РЬО + СО >-Pb + COS (косвенное
восстановление);
>500°С
РЬО + С >-РЬ + СО (прямое восстанов-
восстановление);
>630°С
PbSO4 + 4СО >PbS + 4СО2;
PbS + Fe
>900°С
+ FeS
PbO-SiO, + CaO->-CaO-SiO2 + PbO;
PbO-SiO2 + 2FeO->FeO-SiO2 + PbO.
в. Побочные процессы: ZnS переходит в
шлак, часто образуя настыли; Zn в виде
ZnO переходит в шлак; ZnO частично вос-
восстанавливается до паров Zn с повторным
его окислением в верхней части печи (воз-
(возможно образование настыли); Си перехо-
переходит в штейн; As, Sb растворится в РЬ
(возможно также образование шпейз); Sn
распределяется между металлом и шлаком;
Bi иа 70 % растворяется в Pb; Ni, Со рас-
распределяются между черновым свинцом,
шпейзой и штейном; благородные металлы '
растворяются в основном в РЬ, частично
в штейне (Ag) или в шпейзе (Pt, Аи).
Реакционная (горновая) плавка F5—
70 % РЬ в концентрате)
Для этого процесса, ведущегося в горне,
необходима крупная, чистая, богатая руда
с содержанием sg3 % SiO2 и низким со-
содержанием As и Sb во избежание потерь
РЬ. В результате этого процесса получа-
получается чистый РЬ E=99 %).
Для ведения процесса не требуется кокс,
можно использовать низкосортный уголь.
Извлечение РЬ составляет ~65 %. Полу-
Получаемый при этом серый шлак и пыль вос-
восстанавливают в шахтной печи:
2РЬ0 + PbSJ3Pb + SO2;
PbS + PbSO4->2Pb + 2SO2.
Рафинирование чернового свинца. Исход-
Исходный продукт содержит 5*97 % РЬ, осталь-
остальное Си, Sn, As, Sb, Bi, благородные ме-
металлы.
S76
а. Очистка от Си ликвацией. При охлаж-
охлаждении свиица кристаллизуются Си-съемы
(шлекеры) с меньшей плотностью. Проис-
Происходит также ликвация растворенного
штейна. При нагреве рабочая температура
несколько превышает температуру плавле-
плавления РЬ, который вытапливается из приме-
примесей (Си, Ni, Co, штейн) и сливается.
б. Очистка от меди сульфидированием:
— способ Колкорда. После ликвации
остается ~0,1%Си. Присадкой серы со-
содержание Си снижается до ^0,01 % (ис-
(используется большое сродство Си к S);
— окислительное рафинирование.
в. Ликвация с образованием интерметал-
интерметаллических соединений:
— очистка от благородных металлов
(процесс Паркса). Вмешивание Zn и уда-
удаление образовавшейся серебряной пены.
Сначала в пену переходят Аи и Pt, затем
Ag;
— очистка от Bi. В жидкий РЬ вмешива-
вмешивают K+Mg. При длительном охлаждении
выделяется тройное соединение Ca*MgBBu.
Остаточное содержание Bi ^0,015 %. К и
Mg удаляются хлорированием (метод Жо-
ливе).
г. Дистилляция. После очистки от благо-
благородных металлов в свинце остается
~ 0,7 % Zn. Для его удаления используют
различие в давлении паров РЬ и Zn при
вакуумирований. Пары Zn конденсируют.
д. Электролитическое рафинирование (при
^0,5 % Bi). Используется электролиз о
растворимым анодом. Очистка от Bi и бла-
благородных металлов.
Электролиты:
— H2SiF6 при низком содержании Bi в
анодах; требуются громоздкие установки;
— HBF4 прн высоком содержании Bi в
анодах; требуются установки меньших раз-
размеров;
— сульфаминовая кислота NH2SO3H.
е. В результате рафинирования получа-
получаются: электролитический свинец и чушко-
чушковый мягкий свинец.
3.4.6.5. Металлургия олова
Схема получения олова:
1) оксидное сырье с As, W. Возгонка Sn;
2) восстановительная плавка;
3) рафинирование чернового металла
ликвацией, дразнением, сульфидированием,
электролизом.
Подготовка к плавке
а. Применяется предварительная хими-
химическая обработка руды для отделения W
спеканием с содой с целью перевода CaWO*
в растворимый NasWO*
б. Используется обжиг для снижения со-
содержания As.
в. Возгонка Sn из бедных руд и обога-
обогащение им летучей фазы (<|65 % Sn) в ви-
виде SnS (температура кипения 1230°С) и
частично SnO (температура кипения
1425 ?С).
Два метода возгонки Sn в виде SnS:
— возгонка фьюмингованнем. Вдувание
смеси угольной пыли, воздуха и сульфиди-
затора в оксидный расплав;
— вельцевание. Перемешивание смеси ис-
исходного сырья, воздуха, восстановителя
(топлива) и сульфидизатора в трубчатой
печи:
Предпочтительные сульфидизаторы:
CaSO4-FeS2(FeS).
Окисление: SnS(ra3)+2Or->-SnO2+SOa.
В оставшемся шлаке (при фьюмингова-
нии) или клинкере (при вельцевании) со-
содержится 0,1— 0,3 Sn.
Производство чернового олова
а. Исходный материал: обогащенный
концентрат (<65%Sn); возгоны (пыле-
(пылевидный концентрат) (^65 % Sn).
б. Восстановительная плавка. Косвенное
восстановление в шахтных или Отража-
Отражательных печах с использованием малозоль-
иого антрацита:
SnO2 + 2CO->Sn + 2СОа,
Эффективность восстановления снижает-
снижается по следующим причинам:
. — восстановление SnO2 проходит, оче-
очевидно, через стадию образования SnO;
— окислы примесей образуют соединения
с SnO;
— окислы Fe образуют гартлинг (FeSn2);
при высоком содержании Fe восстановле-
восстановление проводят в отражательной печи.
Рафинирование чернового металла
• а. Черновое олово содержит rs=97 % Sn.
Основные примеси — Fe, Pb, Cu, As, Sb, Bi.
б. Способы рафинирования:
— ликвация при нагреве для отделения
Fe (гартлинга); ~240сС;
— дразнение для удаления механических
примесей при помощи древесины или водя-
водяного пара;
— очистка от меди сульфидированием;
вмешивание серы при ~350сС;
— электролиз с растворимым анодом в
растворе NS
3.4.6.6. Металлургия цинка
Схема пирометаллургического получения
цинка:
1) полный окислительный обжиг сульфид-
сульфидных или кальцинация карбонатных руд;
2) обжиг;
3) производство чернового металла;
4) рафинирование чернового металла
ликвацией и ректификацией.
Обжиг
а. Подготовка. Полный окислительный
обжиг до ^ 1 % S. При этом в отвальном
продукте содержится до 2 % Zn.
б. Способы обжига:
j— в кипящем слое (предпочтительный);
—- во взвешенном состоянии, в механи-
механических многоподовых печах (применяются
реже).
в. Основные реакции:
ZnS + 2O2-*ZnSO4;
3ZnS + 5,5O2-*ZriO-2ZnSO4 + SO2;
3ZnSO4 + ZnS-*4ZnO + 4SO2.
г. Побочные процессы:
>750°C
ZnS + ЗРЬО » 3Pb + ZnO + SO2;
>950°C
ZnS + 3CdO *• 3Cd + ZnO + SOa.
ZnO может образовывать ферриты
(>650cC) или силикаты; Cd сублимирует
(>980сС) в виде CdS или улетучивается
ранее в виде CdO; Pb частично улетучива-
улетучивается в виде PbS или РЬО или образует
феррит в силикат; Си (в форме сульфидов)
затрудняет полный обжиг; Fe снижает тем-
температуру воспламенения шихты, увеличи-
увеличивает тепловыделение; CaO, MgO образуют
сульфаты; SiO2, Fe2C>3 образуют силикаты,
ферриты.
Производство чернового металла
а. Способы:
— дистилляция в горизонтальных или
вертикальных ретортах;
— способы Империал-Смелтинг. Комби-
Комбинированное получение Zn+Pb. Спеченный
концентрат плавится в шахтной печи с кок-
коксом. Zn улетучивается.
б. Реакции дистилляционного процесса:
ZnO + CO->Zn (пар) + СОа;
СО8 + С-Ч-2СО
ZnO + C-*-Zn (пар) + СО.
Главным образом происходит косвенное
восстановление. Количество Zn (пар) зави-
зависит от наличия СО и кинетики реакции.
в. Побочные процессы в муфеле: феррит
цинка при температуре > 1200 "С восста-
восстанавливается до ZnO, FeO, возможно так-
также образование металлического Fe; сили-
силикат цинка восстанавливается при еще боль-
больших температурах и медленнее; сульфат
цинка частично диссоциирует, образуется
ZnS; Fe2O3 восстанавливается до Fe; РЬО
восстанавливается до Pb и частично улету-
улетучивается; PbSOt разлагается с образова-
образованием PbS; CdO восстанавливается до Cd,
улетучивается и собирается в алонже; As,
Sb переходят частично в черновой Zn, час-
частично в пыль; CaSO4 восстанавливается до
CaS (>800°С); СаО образует силикаты с
FeO и SiO2; AI2O3 образует шпинель с ZnO.
Рафинирование
а. Исходный материал: жидкий черновой
Zn с 5*96 % Zn, содержащий Pb, Cd, Fe,
As.
Извлечение цинка: в горизонтальных ре-,
тортах E=90%) и в вертикальных ретор-
ретортах (Ss82 %).
б. Способы рафинирования:
— Ликвация при охлаждении; удаление
Pb до ^1 %, Fe до 0,03 %. Отражательная
печь.
— Ректификация для отделения Pb
(жидкая фаза) и Cd (пары).
Гидрометаллургия Zn
а. Подготовка концентрата к выщелачи-
выщелачиванию. Окислительный обжиг проводится
преимущественно до ZnO. Снижению доли
растворимого ZnO способствуют увеличе-
увеличение доли ZnSO4; переход цинка а трудно-
труднорастворимой феррит. Кроме того, сульфид
цинка, содержащий железо, склонен к по-
поверхностному окислению, при этом часть
377
ZnS остается в неокисленном состоянии в
сульфидном ядре.
б. Растворение цинка. Производится рас-
растворами H2SO4 с использованием отрабо-
отработанного электролита.
Феррит цинка растворим только в кон-
концентрированной HsSO4.
Принципы выщелачивания:
— обработка пульпы в резервуарах ти-
типа «Пачука» (метод «Анаконды»);
— выщелачивание в мешалках при повы-
повышенной температуре (метод Тайнтона).
в. Очистка раствора от выщелачивания."
— осаждение Fe (и As) гидролизом при
нейтрализации кислоты;
— очистка от меди цементацией цинко-
цинковой пылью;
— цементация Cd и остаточной меди
цинком;
*— осаждение Со в слабом кислом рас-
растворе р-нафталом.
г. Получение металлического цинка.
Цинк из растворов ZnSO* выделяют элек-
электролизом с А1-катодами и РЬ-анодами.
3.4.6.7. Металлургия алюминия
Схема получения алюминия:
1) производство глинозема;
2) получение алюминия электролизом
расплава;
3) рафинирование алюминия.
Производство глинозема по способу
Байера. Применяется для получения гли-
глинозема из высококачественных1 бокситов.
Требуется получать AI2O3 высокой чисто-
чистоты, так как А1 сильно электроотрицателен.
При электролизе алюминия примеси более
электроположительных металлов осажда-
осаждаются из расплава вместе с АИ
А12О3-Н2О + 2NaOH?2NaAlO2 + 2НаО;
А1гО3. ЗН2О + 2NaOH^2NaAlOa + 4HaO.
Образующийся при выщелачивании крао
ный шлам, содержащий гидроокись Fe, от-
отделяется от алюминатного раствора филь-
фильтрацией. При гидролизе алюминатных рас-
растворов в осадок выпадает гидроокись А1.
Процесс ускоряется введением затравки
[мелких кристаллов А1(ОНK]:
2NaAlO2 -Ь 4НаО->-А1аОз-ЗНаО + 2NaOH.
Из исходной руды (с содержанием
^25 А1) получается концентрат, содержа-
содержащий sg99,9 % А12Оз-
Производство чернового алюминия.
А12О3 растворяется в криолите (Na3[AlF6]),
который подвергается электролизу с
угольными электродами.
Основные процессы:
а) растворение глинозема в криолите:
N% [AlFe] + AlaO3^3NaAlOFa;
б) анодный процесс:
3NaA10F2 + l*/2 С -f 6F-*
в) катодный процесс:
2Na [A1F4] + 6Na-*-8NaF -f- 2A1.
На катоде происходит осаждение А1, на
аноде выделяются СО и СО2.
Рафинирование чернового алюминия
а. Черновой металл содержит 5=99 %
А1; основные примеси: Fe, Si, Cu, Ti.
б. Способы рафинирования:
— Отстаивание. Удаление механических
загрязнений. Усреднение состава алюми-
алюминия, полученного в разных электролизерах.
— Дразнение. Удаление механических
загрязнений и Нг; производится продув-
продувкой N2.
— Хлорирование алюминия. Проводит-
Проводится с целью отделения Mg и Na продувкой
расплава CU и N2 прн 850 °С (в барабан-
барабанной печи).
— Ликвация. Выделение Fe в виде FeAl3.
— Электролитическое рафинирование по
трехслойному методу. Образование «жид-
«жидкого анода» присадкой Cu+Si. Состав
электролита A1F3, BaF2, KF, NaF. Чистый
Al собирается в самом верхнем слое. Ка-
Катоды угольные.
3.4.6.8. Металлургия магния
Схема получения магния:
1) разложение карбонатов, хлорирование;
2) производство чернового металла,
электролиз расплава, карботермия;
3) рафинирование чернового металла.
Подготовка сырья:
— термическое разложение карбонатов.
MgCO3 или MgCOs-СаСОз с выделением
COs (>600°C);
— получение хлорида Mg:
а) обезвоживанием MgCl2-6H2O (без:
водный MgClsj является исходным продук-
продуктом для электролиза расплава);
б) хлорированием MgO после сушки:
MgO + С12 + C-*MgCl2 + СО;
2MgO + 2С12 + C-*2Mgd2 + COa.
Производство чернового металла
а. Исходные материалы MgCb с приме-
примесями NaCI, KCI, СаС12, MgO или MgO-CaO.
б. Способы получения:
— электролиз расплавленных солей Ь
диафрагмами на аноде (углеродный анод).
Выделяется С12. Катод железный;
— карботермический процесс
>2000°С
MgO + С *¦ Mg (пар) + СО.
Необходима быстрая конденсация Mg во
избежание обратного окисления.
Рафинирование чернового магния
а. Исходный материал — черновой март
ний, содержащий Mg(^99%), Fe, Mn,
Ni, Si.
б. Способы рафинирования:
— переплавка с флюсом с целью отделе-
отделения механических примесей;
— ликвация с образованием иитерметал-
лических соединений. Снижение содержа-
содержания Fe до 0,03 % при помощи Мп или SI;
Be, Zr. Кристаллизация при охлаждении»
— дегазация с обработкой ССЦ или
FeCl3.
378
3.4.6.9. Металлургия
благородных металлов
Схема получения:
1) первичная обработка исходного
сырья;
2) попутное извлечение или гидрометал-
гидрометаллургия (извлечение из руд);
3) рафинирование.
Способы первичной обработки. Благород-
Благородные металлы содержатся в исходном сырье
(рудах, промежуточных продуктах, вто-
вторичных сплавах и т. п.) в незначительных
количествах. Первичная переработка бед-
бедного сырья ставит своей целью концентри-
концентрирование (обогащение) благородными ме-
металлами конечных продуктов.
а. Попутное извлечение благородных ме-
металлов (БМ).
— Переработка концентратов и пром-
продуктов (Pb, Hg, Си, штейн, шпейза).
Возможны способы:
— Амальгамация. Кроме БМ, амальга-
амальгамируются также галоидные соединения Аи
и Ag.
— Получение БМ при производстве меди
(анодный шлам).
— Золото и платина концентрируются в
анодном шламе при электролизе чернового
серебра.
— Из чернового РЬ, получаемого в
шахтной печи, из которого БМ выделяются.
При электролизе БМ переходят в анодный
шлам или осаждаются Zn (метод Паркеса).
Дистилляция, купелирование РЬ, разделе-
разделение.
б. Гидрометаллургия. Может совмещать-
совмещаться с переработкой промпродуктов. БМ пе-
переводятся в раствор. Если прямое извлече-
извлечение БМ невозможно, то исходные продук-
продукты обрабатываются предварительно указан-
указанными выше методами.
Основные способы выщелачивания:
— цианистое выщелачивание, т. е. выще-
выщелачивание при помощи NaCN или KCN
(Аи растворимо лучше, чем Ag) с после-
последующим осаждением БМ цинковой пылью
из растворов;
— тиосульфатное выщелачивание. Только
для Ag-содержащих руд. Аи не растворя-
растворяется в ШгвгОз или K2S2O3. Затем прово-
проводится цианистое выщелачивание. Осажде-
Осаждение Ag после тиосульфатного выщелачива-
выщелачивания проводится Na2S. Далее следует обра-
обработка купелированием.
в. Импрегнирование (впитывание). Отно-
Относится к методам извлечения БМ. Основано
на использовании РЬ как коллектора БМ
н его способности к разложению сульфидов
серебра:
Ag2S + Pb-*PbS + 2Ag;
Ag2S + PbO-*2Ag + 2Pb + SOa.
В свинцовую ванну может быть добавлен
анодный шлам.
,, г. Купелирование. Старый способ. Осно-
Основан, на коллектировании БМ жидким свин-
свинцом с последующей его отгонкой.
'^Рафинирование серебра
Стадия I: перевод чернового Ag в аноды
совместно с другими БМ купелированием.
Си, Bi остаются на поду, РЬ испаряется.
Стадия И: электролиз Ag с добавлением
H?SO4 или HNO3. Последний растворитель
предназначен для отделения Аи и Pt от Ag.
Электролиз серебра
Способ Мебиуса. Катод: Сг—Ni-
сталь. Анод: рафинированное Ас. В анод-
анодном шламе содержатся другие БМ.
Способ Балбах — Тума. Катод:
графит. Аноды: пластины рафинированного
Ag. Анодный шлам обеднен Ag.
Аффинаж: Ag растворяется в горячей
концентрированной H2SO4; Au, Pt остают-
остаются в осадке; Си, Pb, Bi переходят в раствор.
2Ag + 2H2SO4-^AgaSO4 + 2Н2О + SO2.
Квартаж: HNO3 частично растворяет Pt
HPd.
Рафинирование золота
а. Электролиз. Из исходного чернового
золота отливают аноды. Электролиз про-
проводится в солянокислом растворе золото-
хлористоводородной кислоты. В анодный
шлам переходят Ag, Ru, Ir, а платина мо-
может переходить в электролит.
б. Процесс Миллера. Расплав чернового
золота обрабатывается С1. Присутствие Pt
не допускается. Хлорирование Си, Pb, Zn,
Ag и образование летучих хлоридов.
Получение металлов платиновой группы.
Платиновые металлы осаждаются фрак-
фракциями. Осадок расплавляется с гидросуль-
гидросульфатом или NaOH и NaNO3 и выщелачива-
выщелачивается. Затем вторичное осаждение или уле-
улетучивание с непосредственно последующей
конденсацией. После многократного терми-
термического разложения или восстановления с
помощйю водорода образуется губчатый
металл, который переводится в компактную
форму плавлением, ковкой или литьем.
3.5. ШЛАКОВЫЕ РЕАКЦИИ
3.5.1. Общие положения
Шлаки представляют собой смеси простых
и/или полимеризированных анионов, элект-
электрически нейтрализованных катионами. Ис-
Исторически сложились различные виды клас-
классификации шлаков, отражающие различ-
различные подходы к исследованию их свойств.
Классификация. Окислы в шлаках под-
подразделяются на: основные, кислотные и
амфотерные, при этом принимают во вни-
внимание только так называемые свободные
концентрации.
Другой классификационный признак тре-
требует введения понятия термодинами-
термодинамическая активность, учитывающего
молекулярное строение шлаков. Актив-
Активность— молярная доля окислов. Шлаки
подразделяют по коэффициенту активности.
Еще одна возможность классификации —
через введение ионных долей (ионных ак-
активностей) вместо молярных концентраций.
Возможно лучшее объяснение реакций в
шлаках с помощью применения законов
для идеальных растворов.
Количество свободных окислов (%) рав-
равно сумме окислов минус количество связан-
связанных окислов.
379
Проблема: значения активностей извест-
известны лишь для малого числа ионов; наибо-
наиболее ранний подход к изучению шлаков [63].
Роль шлаков
а. Общие требования, предъявляемые к
шлакам:
— поглощение примесей из расплава;
— регулирование поглощения кислорода
из газовой фазы расплавом при фришева-
нии. Регулирование переноса кислорода;
— предохранение расплава от поглоще-
поглощения нежелательных веществ (например, га-
газов SO2, H, N и др.). Защита от потерь
тепла излучением.
б. Специальные требования к шлакам,
зависящие от условий плавки и продолжи-
продолжительности процесса (на примере сталепла-
сталеплавильного производства).
Период окисления. Высокий окислитель-
окислительный потенциал и достаточная основность
для быстрого удаления фосфора и углеро-
углерода. Требуется жидкоподвижный активный
шлак.
Период доводки н раскисления. Шлак
предохраняет расплав от поглощения кис-
кислорода, серы и фосфора.
Диффузионное раскисление. Шлак дол-
должен извлекать кислород и серу из распла-
расплава. Требуется высокая текучесть шлака.
в. Некоторые важные физические свой-
свойства шлаков: температура плавления; вяз-
вязкость; однородность; теплопроводность;
поверхностное натяжение; малое поглоще-
поглощение определенных металлов (цветная ме-
металлургия); достаточное отличие по плот-
плотности от расплава; склонность к пенообра-
зованию (в некоторых процессах должна
быть ограничена).
Классификация компонентов шлаков
Основные компоненты, например СаО,
MgO, BaO, FeO (Na2O, KaO, PbO, SnO,
Cu2O).
Кислотные компоненты: SiO2, P2O5
(Fe2O3, SnO2, As2O5, Sb2O5).
Амфотерные компоненты: А12О3, Сг2Оз
(ZnO).
Силикаты, имеющие преимущественно
кислотный характер:
Фаялит BFeO-SiO2).
Грюнерит (FeO-SiO2).
Zn-фаялит [2 (FeO, ZnO)-SiO2].
Родонит (MnO-SiO2).
Тефроит BMnO-SiO2).
Кнебелит (FeO-MnO-SiO2).
Силикаты, имеющие преимущественно ос-
основной характер:
Монтицелит (CaO-MgOSiO2).
Ортосиликат кальция BCaO-SiO2).
Трехкальциевый силикат CCaO-SiO2).
Форстерит BMgO-SiO2).
Волластонит (CaO-SiO2).
Пироксен, диопсид (CaO-MgO-2SiO2).
Оливин [2 (FeO, MnO, MgO, CaO)SiO2].
Алюмосиликаты (СаО • А12О3 • SiO2; 2CaO-
•Al2O3-SiO2).
Шпинели, имеющие преимущественно ос-
основной характер:
Феррит магния (MgO-Fe203).
Феррит кальция BCaO-Fe2O3; ЗСаО-
•Fe2O3).
Шпинель (MgO-A^Os).
Хромит (FeO-Cr2O3).
380
Хромит магния (MgO-СггОз).
Шпинелид [FeO (Fe, VJO3].
Фосфаты, имеющие преимущественно ос-
основной характер:
Трехкальциевый фосфат (ЗСаО-Р2О5).
Тетрафосфат кальция DCaO-P2Os).
¦Понятия.
а. Степень основности, основность шла-
шлака р'. Упрощенное определение: р'—
= % СаО/% SiO2.
Полное определение:
• р' = [(СаО) + (МпО) +
+ (MgO)]/[(SiO2) + (P2O6)].
На основе представления об ионном
строении шлаков можно определить значе-
значение ро =lgQo~ [H4].
б. Вспенивание шлаков. Как правило, не-
нежелательный процесс. Пена состоит из
жидких частиц металла и шлака, газовых
пузырьков и малых частиц примесей.
в. «Короткие» и «длинные» шлаки.
«Длинные» шлаки носят преимущественно
кислотный характер, «короткие» — преиму-
преимущественно основной (см. Доменный про-
процесс, 3.2).
3.5.2. Даграммы состояния
металлургических шлаков
3.5.2.1. Отдельные компоненты
Двуоксид кремния St'O2. Может сущест-
существовать в различных кристаллических (кварц,
тридимит, кристобалит) и аморфных
(кварцевое стекло, опал) модификациях
(рис. 3.39).
и
J.
ш
ш
л—'
500Л
1000
1 JT
1500
— А
ZO01
3 -
2 -
1 -
О
120230 575 870
Рис. 3.39
/ — а-кристобалит; // — кварцевое стекло; /// —
а-тридимит; IV — C-тридимит; V—3-кристобалит;
VI — 0-кварц; VII — а-кварц; А — стабильные
формы; ? — нестабильные формы
Оксид кальция СаО. Образуется при об-
обжиге (прокаливании) известняка. СаО яв-
является важнейшей составной частью шлака
при удалении из металла серы и фосфора,
для чего требуется высокая активность
СаО (см. 3.3). СаО образует стабильнее
соединения с SiO2 — силикаты; с PO
фосфаты.
Оксид (II) железа, вюстит, FeO. В систе-
системе Fe—О (рис: 3.40) [135] существуют три
соединения (Fe203->-Fe304-»-FeO — в поряд-
порядке уменьшения содержания кислорода).
Вюстит имеет нестехиометрнческий состав
(Fei-,,0) и устойчив выше 570 °С.
Оксид магния MgO. Имеет небольшое
значение в металлургических процессах.
Поступает в основном из огнеупорной фу-
1400
400
20 22 24 26 28 SO 3Z
$i, % (помассе)
Рис. 3.40
/ — расплав окислов; // — магнетит+расплав
окислов; /// — у—Fe+вюстит; IV — a—Fe+вю-
стит; V — вюстит; V/ — а—Fe+магнетит; VII—
вюстит+магиетит; VIII — магнетит; IX — маг-
нетит+гематит; X — гематит+кислород
теровки. При содержании ~5 % MgO вяз-
вязкость шлака увеличивается.
Оксид бария ВаО. Понижает температу-
температуру образования и вязкость шлака.
Оксид алюминия. Амфотерен. В малоиз-
малоизвестковых основных шлаках реагирует как
кислота, в кислых шлаках — как основание.
Оксид цинка ZnO. Имеет амфотерный ха-
характер, но основные свойства преобладают.
В присутствии А12Оз (от 6 до 8 %) проис-
происходит нежелательное образование шпине-
шпинели. Если содержание ZnO превышает по-
поглощающую способность шлака, то она об-
образует суспензию или восстанавливается до
газообразного цинка, что вредно сказыва-
сказывается на работе печи.
Оксиды олова SnO, SnO2. SnO имеет яв-
явно выраженный основной характер, а
ЗОг — кислотный.
3.5.2.2. Многокомпонентные
системы
Замечание: химические формулы сме-
смешанных окислов на диаграммах состояния
часто записывают в сокращенном виде, на-
например:
2>PeO-SiOa =
j *
3CaO-Al2Os = С3 А.
2CaO'SiOa (плавятся конгруэнтно). Темпе-
Температура плавления эвтектик (SiO2+CaO-
•SiO2 и CaO-SiO2+3CaO-SiO2) лежит
около 1420 °С, т. е. относительно высока.
Неконгруэнтно плавятся 3CaO-2SiO2 и
3CaO-SiO2- Эвтектика с большим содержа-
содержанием СаО (/з» 1,0-5-1,4) имеет значение
при доменном процессе (десульфурация).
we
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
юоог
800
fftfl
V
Расплав
/ 7 \ ,
- л \Л
_* ж?
м
ш
л s'"f
I
ZmIh'
н
ш
Zffl
1
-
-
.1
т
i
f И
ж
N'
i
-иг J3J
1 1 1
6 10 20 30 СаО*1Ог ^
СаО, % (notiacce) 3Ca0-SiO3
Рис. 3.41
/ — два расплава; // — а-гСаО-БЮг+расплав;
/// — ЗСаО-28Ю2+расплав; IV — a-CaO-SiO2+
+расплав; V — СаО+расплав; VI — a-2CaO-SiOs+
+СаО; VII — ЗСаО-SiOj+CaO: VIII — а-2СаО-
•SiO2+3CaO-SIOs; IX — a-2CaOSiO2; X — Р-
2CaO-SiOs+3CaOSi02; XI — а-кристобалит+
+расплав, XII — а-тридимит+расплав; XIII — а-
тридимит+а-СаС-БЮг; XIV — a-CaOSi02+3Ca0-
•2SiO2; XV — а-тридимит+Р-СаО-вЮг: XVI —а-
кварц+Э-СаО-81О2: XVII — Р-кварц+Э-СаО-вЮг;
XVIII — P-2CaOSiO2+CaO; XIX — P-2CaO-SiOir+
+3CaO-2SiO2; XX — 2CaO-SiO2+3CaO-SiO-: XXI-
V-2CaO-SiO2+CaO; XXII — PCSQ3C
Система СаО — А12О3 — рис. 3.42 [9].
5СаО-ЗА12Оз и СаО-АЬО3 плавятся при
Г>1600°С конгруэнтно. А12ОЭ играет
роль кислотного компонента. Алюминат
t,°C
2000
1900
W0
1700
1600
1500
1400
\
\
I \
\
- \
1 3"!
Расплав
s'
/
1 И
J
¦Система CaO—SiO2 — рис. 3.41 [91]. Не-
Некоторые соединения диссоциируют до плав-
плавления. Устойчивые окислы СаО-БЮг и
0 20 40 60 80 100
CqO АЩ, % (помассе; А1г03
Рис. 3.42
/ — СаО+расплав; //—СзАз+расплав; III—
С3А5+расплав; /V — СА+расплав; V—CsA+
+расплав; VI — АЬОз+расплав
381
кальция стабилен, хотя плавится неконгру-
энтио. Узкая область плавления.
Система CaO—FeO — рис. 3.43 [91]. Си-
Система определена не полностью. Имеются
два варианта (по данным Олсеиа, а так-
также Хэя и Уайта, эвтектика отсутствует).
Система СаО—/е2О3 — рис. 3.44 (9J.
О 10 20 30 40 50 60 70 80 SO W0
Coo FeO,% FeO
Рис 3.43
/ — СаО+расплав; // — FeO+расплав;
/// — CaO; IV — CaO+2CaOFeiiOa; V—
2CaO--FejOa+FeO; VI — FeO
2200
гооо
1800
1600
1409
1W0
woo
800
600
\
1
\
ж
РасплаС
V
«1
U
1 1
1 1
t
А
Т
i 1
О 10 20 30 40 50 60 70.8090100
СаО
Рис. 3.44
/ — СаО+расплав; // — CsF+расплав;
/// — Fe2Os+расплав; IV — CaO+C2F;
V - CFS
806'h
400
0 ZO 40 60 80 100
Pz05 CaO,% CaO
Рис. 3.45
/ — С4Р+расплав; //—С3Р+расплав;
/// — CjP+ряеплав; IV — СР+рас-
плав; V—СаО+расплав
выступает Как «кислотный» окисел а
высокоосновных шлаках. Образуются ела*
боустойчивые кальциевые ферриты BСаО-
•Fe2O3; CaO-Fe2O3; CaO-2Fe2O3).
1000
О 10 ZO 30 40 50 60 70 80 S0100
5iO2 Н%%(ломассе; FeO
Рис. 3.46
/ — окись железа в жидкой фазе; // — два
расплава; /// — расплав; IV — кристобалит+
+расплав; V — ¦шндимит+расплав; VI — фая-
лит+расплав; VII — расплав+вюстит; V1I1 —
тридимит+фаялит; IX — фаялит+вюстит
1300 \-
1200
О 10 20 30 40 50 60 70 80 SO 100
feO MnO,% MnO
Рис. 3.47
/ — расплав; // — твердый раствор FeO—
MnO
t,°c
гооо
1000
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
Расплав
и
ьш ш\\
1 !
ZO 40 60 80 ЮО
О
FeO
Рис. 3.48
/ — А12Оз+расплав; // — шпииель+рас-
плав; /// —г шпинель; IV — расплав+
+FA; V — расплав+FeO; VI — АЬОз:
VII — АЬОз+FA; VIII ~ FeO; IX —,
FeO+FA
382
Система CcO—P2Os — рис. 3.45 [9]. Не
имеет - технического значения, тдк как лег^
коплавкие смеси находятся в области
-50% Р2О5.
Система FeO—SiO2 — рис 3.46 [91]. Си-
Силикат 2FeO-SiO2 (фаялит) при температу-
температуре плавления разлагается на FeO и SiO2.
SiOj повышает температуру плавления
шлака (кислый мартеновский процесс).
Система FeO—РЛпО — рис. 3.47 [9]. Не-
Неограниченная растворимость в твердом и
жидком состоянии.
0 20 40 60 80 1OQ
ЗСаО-Р2О5, % (noMaccej
Рис. 3.49
/ — два расплава: // — расплав+СзР
CoF2, % (попассе)
Рис. 3.50
/ — два расплава; // — расплав+
+ CaF2; HI — FeO+CaF2
1&ПП
О 10 20 30 40 50 60\70 80 0010b
SiO AlgOj 3AI2O3
z SiOz 2SiO?
(, %(notiacce)
Рис. 3.51
/ — кристобалит+расплав; // — коруид+рас-
плав; /// — ЗА12Оз-28Юг+расплав; / V — ко-
pyHfl+3AlsO8-2SiO2; V ~ кристобалит+ЗА12Оа-
¦2SiO2; VI — тридимит+ЗА1аО3-28Ю
Система FeO—А12О3. Малые количества
А1гОз действуют на FeO как флюс (рис.
3.48) [9]. Это же имеет место в системе
FeO—SiO2.
Система FeO—3CaO-P2Os. Калышофос-
фаты стабильны и тугоплавки (рис. 3.49)
[9]. Температура плавления СзР при до-
добавлении FeO снижается (~80%).
Система FeO—CaF2. При 1400 °С жидкий
FeO растворяет до 2 % CaF2; жидкий CaFs
растворяет также ~2 % FeO. В широкой
области составов растворимость отсутству-
отсутствует (рис. 3.50) [134]
t,°C
2000
1800
1600
\
- ш
1
Расплав
\ */
FV~
/
У
/
/
i i
ш
m
1 1
-^I7O5°C
\
\
\
!
Z7 Л? Й7 Ji1 4Й1 Л!7 60 70 80 90 100
MnO SiO2,% SiO2
Рис. 3.52
/ — два расплава; 11—кристобалит+расплав; 111—
тридимит+расплав; IV — МпО+расплав; V —
MaS+расплав; VI — MS+расплав; VII—MS+SlOs;
Vlll — MnO+MaS; IX — M2S+MS
10 20 30 40 50 60 70 80 90 MnO
Рис. 3.53
СаО-5Шг
2FeO-5iO2
CflO 10 20 30 40 SO 60 70 80 90 FeO
Рис. 3.54
383
Система Al2O3—SiO2 — рис. 3.51 [91].
Эвтектика при ~6%А12О3. Муллит
CAl2O3-2SiO2) разлагается ниже темпера-
температуры плавления. AlgCVSiOg — силлиманит.
Система MnO—SiO2 — рис. 3.52 [9]. Име-
Имеет значение для кислого мартеновского про-
процесса.
Система FeO—MnO—SiO2 — рис. 3.53
9]. Растворимость SiO2 в шлаках FeO—
"пО составляет ~50 % (при 1500—
1600ВС). СаО и А12Оз увеличивают раство-
растворимость до ~60%- Выше !700°С имеет
место расслоение на две фазы с различным
содержанием SiO2.
[9
М
Система СаО— Al2Os—SiO2. Линии АВ и
CDE (рис. 3.55) [9] ограничивают область
однородных шлаков при 1600сС (изотер-
(изотермы). В этой области располагаются домен-
доменные шлаки. Наиболее легкоплавкие эвтек-
эвтектики: СБ+САвг+тридимит и CS+CAS2+
+C2AS.
Система СаО—CaF2—SiO2. CaF2 — хоро-
хороший флюс для известково-кремнистых шла-
шлаков (рис 3.56) [9].
Система CaO—P2Os—FeOn (рис. 3.57)
[54]. 1600 °С, рОг =10~5 ат, изотермиче-
изотермическое сечение. Обнаружены несколько обла-
COO 10 20 30 40 SO 60 70 80 #7Al2Gj
СаО 10 ZO 30 40 SO 60 70 SO
Рис. 3.55
/ — кристобалит; // — тридимит
Рис. 3.56
FeOn 10 20 30 40 50- 60 70 80 30 СаО
Рис. 3.57
/ — конечные шлаки процессов LDAC и томасовского; S — расплав
Система CaO—FeO—SiO2. Область соста-
составов вблизи фаялита имеет особенно боль-
большое значение при основном процессе про-
производства стали, а также в цветной метал-
металлургии (рис. 3.54) [9]. Линии АВ и CD
ограничивают область однородных жид-
жидких шлаков при 1600СС (изотермы). Име-
Имеются также более легкоплавкие шлаки с
температурой плавления 1100—1200°С.
Пунктирные линии на диаграмме соответ-
соответствуют конодам между находящимися в
равновесии фазами.
feo
Рис. 3.58
CoF2
384
«ей расслоения внутри гемогеянюга рас-
расплава, а также граница предельной раство-
растворимости твердой извести или 4СаО-РгО5
в расплаве. Расположение областей разры-
разрыва смешиваемости и направления конод
указывает на сильное отталкивание между
растворенным ЗСаО-Р2О5 и FeO. Вблизи
областей несмешиваемости активность FeO
высока, а в окрестностях систем FeO—Р2О5
и FeO—СаО активность ниже, хотя содер-
содержание FeO остается неизменным. Такие
шлаки имеют высокую реакционную спо-
способность (см. 3.5.5 известково-фосфатные
шлаки).
Система CaF2—Fe0—2Ca0-Si02. Изо-
Изотермическое сечение (рис. 3.58) [63] Об-
Область несмешиваемости двойной системы
CaF2—FeO замыкается ортосиликатом
(тройная система).
3.5.3. Структура жидких
шлаков
3.5.3.1. Классические модельные
представления
а. Молекулярная теория Шенка. Откло-
Отклонения свойств отдельных компонентов от
идеальных объясняются с помощью «сво-
«свободных концентраций»: % свободных окси-
дов= % всех оксидов—% связанных оксидов.
б. Кербер и Олсен вместо свободных кон-
концентраций ввели в рассмотрение термоди-
термодинамические активности. Активность равна
молярной доле окисла; коэффициент актив-
активности.
3.5.3.2. Ионная теория
Очень хорошо применима к расплавам
солей и простым шлаковым системам. При-
Применительно к системам металлургических
шлаков требует дальнейшего уточнения.
Основой этой теории являются представле-
представления о ионной природе расплавленных шла-
шлаков.
Были найдены, например, следующие ви-
виды ионов: металлические катионы, напри-
например Fe2+, Ca2+; неметаллические анионы,
например, F~, О2-, S2~; комплексные анио-
анионы, например {SiO4L~, (PO4K~.
Ионная активность — ионная доля
а. Согласно Темкину:
б. Согласно Герасяменвос
ХА + = пА+ р!
Х
v-=
A+ ~ ПА+ /^"катионов'
= "у-/2«анионов-
Здесь X — ионная доля; пА+ — число
грамм-ионов А+ на 100 г расплава.
Рассматриваемый ион представляет собой
сумму одноименно заряженных ионов.
Пример. Бинарный шлак FeO—БЮг
ионизируется на: Fe3+; (SiO4)*~; О2-. От-
Отсюда следует: X _j_2 =1 или
+*„2- = 1.
Правило Темкина. Молекулярное соеди-
соединение AY в расплаве ионизируется. Равно-
Равновесие: A Y=A++Y~.
Связь между активностями молекул и ио-
ионов: aAY=aA+ +ay_
При полной ионизации в расплаве: аД+ =
Для соединения AY имеем: аДу =ХД_^ -+-
+ *
Для соединения Л2У имеем: йА у=-
+V--
Это уравнение выражает правило Темки-
Темкина.
Такие растворы не подчиняются законам
Рауля и Генри. Существуют так называе-
называемые растворы второго рода, которые
идеальны относительно имеющихся в них
ионов, но не" являются идеальными по от-
отношению к молекулярным составляющим
[63].
Ионная доля кислорода. Имеет особое
значение при металлургическом исследова-
исследовании шлаковых систем:
V- =
При определении и 4_ (и — число молей
на 100 г или массовая доля, деленная на
относительную молекулярную массу) кис-
кислородные ионы могут вносить в расплав
или извлекаться из него (образование анн-
онных комплексов),
и»— образуется из:
Число свободных ионов в расплаве:
+ иMgO) - Bns,Oi + 3«Al2oa + 3nPtOe).
Критерий: если и 2— —положительно, то
существует избыток ионов кислорода и со-
соответственно основной шлак; если ПО2_
отрицательно, то недостаток ионов кисло-
кислорода и соответственно кислый шлак.
Пример вычисления ионных долей в шла-
шлаке см. табл. 181 [63].
25—140
38S
I I I
¦&¦*
Ь. 5
t I t
I I I
00
о
00 00
О* о
** «
S
п
о.
о
ю
о*
с
I I I
сч
е
о
II
сч
о
О
о
I
f
2
о"
II
1 '
о
д
г
и
со
п
U
о
8
о
со
8
а к
а*
8
о
со
2 Я
Р
I S
S;
«о
"С
I5
а.
386
3.5.4. Шлаки доменного
процесса
Составляющие: 35—40 % СаО; 28—40 %
SiO2; 5—17%А12О3 и 2—13 % MgO, кроме
того, <10%МпО; <1%Р2О5; <1%
Na2O; <2 % КгО; <1 % FeO.
Основность: p'=l-i-l,5.
Количество шлака (зависит от содержа-
содержания Fe в руде и флюса) составляет 300—
800 кг на 1 т чугуна.
Свойства доменных шлаков
а. Температура ликвидуса многокомпо-
многокомпонентных систем 1300—1350 °С.
б. Область доменных шлаков в системе
СаО—SiO2—А12Оз показана на рис 3.59
[134].
2570
2050"
Рис. 3.59
/ — кислый доменный процесс; // — основной до-
доменный шлак
в. Вязкость шлака. При соотношении
CaO:SiO2: А12О3=50 : 40 : 30 и температу-
температуре 1500 °С составляет ~ЗП, что соответ-
соответствует хорошей текучести (если вязкость
больше 25 П, то текучести нет).
Образование шлака
а. Предварительная стадия в шахте при
71<1000°С. Проходят реакции между еще
твердыми минералами и пустой породой
руды; образуются новые минералы.
б. Образование первичного шлака при
71>1000°С. Происходит местное плавление
легкоплавких соединений. Размягчение ру-
руды. Первичный шлак содержит большую
долю FeO. В горне первичный шлак рас-
растворяет СаО и золу кокса, образующуюся
перед фурмами. Содержание FeO снижает-
снижается. Степень восстановления увеличивается.
в. Конечный шлак. Выпускаемый из печи
шлак содержит менее 1 % FeO.
Реакции
а. Восстановление Si из шихты. Условия
восстановления ухудшаются, когда -повы-
-повышается основность и уменьшается актив-
активность SiO2. Восстановление Si начинается
при 1100 °С. "Основное количество Si по-
поглощается из первичного шлака.
б. Восстановление Мп из шихты. Актив-
j ность МпО в первичном (кислом) шлаке
¦' мала. Мп растворяется в Fe только тогда,
когда образуется основной известковый
шлак (способствует повышению выхода
Мп).
в. Удаление серы. Возможно с помощью
основного шлака.
Распределение серы: [FeS] =е* (FeS). Пе-
Перевод серы (FeS) в нерастворимый в чугу-
чугуне и растворимый в шлаке сульфид CaS с
помощью СаО происходит в горне печи:
(FeS) + (CaOWCaS) + (FeO);
[FeS] + (CaO)-v(CaS) + (FeO);
(FeS) + (CaO) + C->(CaS) + [Fe] + {CO}.
Равновесие реакции:
Ks = a(CaS) a(FeO) /a[FeS] a(CaO) >
a(CaS)/a[FeS3 ••
Лучшему удалению серы способствует:
повышение активности СаО; уменьшение
содержания FeO; повышение температуры.
Степень удаления серы. Достигает в до-
доменной печи 95 % (переводится в шлак)
при р'> 1 и содержании менее 1 % FeO.
Эти благоприятные условия нарушаются,
если количество шлака слишком мало; со-
содержание серы в коксе слишком велико.
3.5.5. Шлаки в процессе
производства стали
а. Шлаки окислительного периода плав-
плавки. В зависимости от способа ведения ме-
металлургического процесса (кислый или ос-
основной) подразделяются:
— Известково-силикатные шлаки. Пере-
Передел сырья с низким содержание Р, основ-
основной процесс. Состав: ~48%СаО; ~ 15—
20 % SiO2; ~ 10—14 % FeO; ~5—10 °'о
МпО; р'= 1,2-5-3,5.
— Железисто-силикатные шлаки. Передел
сырья с низким содержанием Р и S, кис-
кислый процесс. Состав: ~60%SiO2; ~ 15—
25% FeO; -8—18% МпО; ~3—15 %
СаО; р'<0,1.
— Известково-фосфатные шлаки. Пере-
Передел сырья с высоким содержанием Р, ос-
основной процесс. Состав: ~ 48 % СаО;
-21 % Р2О5; ~ 13 % FeO; p'= 1,5-5-2,7.
б. Шлаки восстановительного периода
(система СаО—CaF2—SiO2) подразделя-
подразделяются:
— карбидные шлаки состава: 55—65 %
CaO+MgO; 18—20 % SiO2; 10—15 % CaF2;
~2 % СаС2; ~ 1 % FeO; ~ 1 % МпО;
— белые шлаки состава: 55—65 % СаО+
¦4 MgO; 15—20 % SiO2; 5—10 % CaF2; ~ 1 %
FeO; ~ 1,5 % МпО.
Окислительная способность шлаков окис-
окислительного периода оказывает сильное
влияние на ход реакций при окислении, за-
зависит от aFeO.
а. Коэффициент распределения LFe/O за-
зависит от температуры системы LFeO =
= [FeO]/FeO= [O]/(FeO).
б. Шлаки на основе FeO, насыщенные
вторым компонентом, — см. рис. 3.60 и табл.
182 [63].
25*
387
. 5,55
02)%
0,27
0,21
0,16
0,12
0,09
0,07
ППЙ
***
<:
1530
ТАБЛИЦА
1.
Источник
Кербер —
2. Тейлор —
мен
3.
4.
4.
6.
1
2,
Л
—--~
6 7 8
fovr,/rr
5,35
^2
1
1600
Рис. 3.60
182
Олсен
¦ Чип-
Шенк — Пфафф
Фншер —
Шпитцер
Фишер —
фишер —
7. Бишоп —
—Чипмен
8.
Энде
Энде
Грант
Шенк — Визнер
' Насыщенные.
i
5,15
I
>>
уЛ
*-*
1650 t,°C
ig [О]
6800
~~ т
6300
~~ т
6400
~" т
3333
~ т
3920
т
4030
~ т
5200
~~ Т
6120
~ Т
+ 3
+ 2
+ 2
+ 0
+ 1
+ 1
+ 1
+ 2
.12
,734
,74
,88
.08
.13
.74
,21
Второй
компо-
компонент
MgO
—
MgO*
Доло-
Доломи г*
SiO*
СаО*
СаО*
SiO*
Межатомное взаимодействие в растворах
на основе FeO приводит к отклонению их
свойств от идеальных. В насыщенных рас-
растворах СаО и SiO2 отклонение активности
FeO от идеальной отрицательно (рис. 3.61)
[63].
Окислительная способность железистых
шлаков изменяется, если добавляются
другие компоненты (см. данные в табл.
182). При добавлении второго компонента
до насыщения происходит разбавление
FeO-шлака (межатомное обменное взаи-
взаимодействие).
Содержание FeO в насыщенных раство-
растворах при 1600 "С приведено ниже:
2-й компо- MgO СаО Спеченный SiOj
нент доломит
FeO, % ~94 ~58 ~70 ~56
(по массе)
Рве. 3.61
/ — чистые FeO-шлаки: // —
MgO насыщенный; /// — SiOz
или СаО насыщенный; /V — то-
масовские шлаки
В известково-фосфатных шлаках актив-
активность FeO выше, чем в идеальном рас-
растворе.
Металлургическая известь или извест-
известняк — роль СаО в шлаке
Критерии качества:
— Химический состав 90—95 % СаО.
Низкое содержание S1O2. Для конверто-
конверторов— минимальное содержание СО2 и
MgO. Для мартеновских и электрических
печей желательна определенная концент-
концентрация СО2. Флюсы: Fej>O3, AI2O3, CaF2, бо-
бораты, природный FeO.
— Размеры частиц. Для мартеновских
печей 8—50 мм, для конверторов 8—30 мм,
для процессов OPL или LDAC — пыль.
При этом следует обращать внимание на
возможность гидратации.
— Способ производства. Определяют ка-
качество. Например, известь, полученная в
шахтных печах, хуже удаляет серу, чем
известь из вращающихся трубчатых печей.
Изготавливается слабо- и сильнообожжен-
ная известь. Слабообожжениая — в первую
очередь для конверторного производства.
Слабообожженная известь переходит в
сильнообожженную (например, в подовой
печи). При этом происходит увеличение
размеров кристаллитов и уменьшение по-
пористости. Переход в сильнообожженное со-
состояние происходит, если скорость до об-
обжига превышает скорость растворения.
Для увеличения скорости растворения при-
применяются окатыши или брикеты из мелко-
мелкодисперсной смеси извести и флюсов.
Известково-силикатные шлаки. Для этой
системы на рис. 3.62—3.65 [63, 134] пока-
показаны: A) граница насыщения для чистой
трехкомпонентной системы; B) граница на-
насыщения для технической многокомпонент-
многокомпонентной системы с SCaO+FeO+SiO2=80 %, a
также, когда это возможно, область жид-
388-
2CaO-5iO2
70,
3CaOSiO2
80
SO
(CaOJ 10
или(саоУ
20 30 40 SO 60 A 70 80 SO (FeO)
(FeO) или (FeO)J % (noмассе) или (FeO)'
Рис. 3.62
CaO FeO
Рис. 3.63
/ — конечные шлаки (мартеновский или LD-
процесс); // — ненасыщенный жидкий шлак
кого шлака при 1600 °С, насыщенного SiO2,
2CaO-SiO2, 3CaO-SiO2 и CaO [63].
В технических шлаках предельное значе-
значение пс^о—1 не достигается даже при ма-
малом содержании SiCfe, так как наличие
МпО приводит к образованию твердого
раствора СаО—МпО. Поэтому только в
конце периода окисления происходит насы-
насыщение 2CaO-SiO2 и 3CaO-SiO2 и тем са-
самым снижается дефосфорирующее действие
шлака в мартеновском, электродуговом и
LD-процессах. FeO главным образом дей-
действует как флюс для СаО и увеличивает его
реакционную способность. Росту жидкотеку-
чести такого шлака способствуют МпО,
РгО5> MgO и А1гО3.
Состав шлака влияет на активность
FeO. Для оценки окислительной способно-
способности при насыщенном известково-силикат-
ном шлаке недостаточно знать содержание
FeO и основность шлака, поэтому следует
определить активность FeO [линии одина-
одинаковой активности FeO (см. рис. 3.64) и ли-
линии насыщения при 1600°С (см. рис. 3.62)].
Рис. 3.64
/ — насыщение
// — насыщение ЗСаО-SiOs
/// — насыщение СаО
70
/00
сао
80 70
60 SO 40
Ш,°/о(М0Л.}
30 20
389
Основность должна составлять ~2,2 (см.
рис. 3.65). Необходимо, однако, учитывать
различие в активности шлака в начале и
конце процесса окисления.
Окислительная способность по возмож-
возможности должна уменьшаться для рациональ-
рационального ведения процессов восстановления и
легирования (главным образом при марте-
мартеновском процессе).
Г\ \
Особенности дефосфорации в различных
процессах производства стали:
— LD- и мартеновский процессы — низ-
низкофосфористая шихта; ?=(Ps>O5)/[P]2;
L растет с увеличением р' (до ~2,7) и со-
содержания FeO A600 °С).
— Томасовский конвертор — высокофос-
высокофосфористая шихта; удаление Р начинается
после удаления С (см. 3.3). Сначала дол-
Рис. 3.66
2 4
СаО+МпО+МдО
Si0z+P20s
Рис. 3.65
Известково-фосфатные шлаки (см. рис.
3.57). Такие шлаки с малым содержанием
FeO склонны к разделению фаз. FeO уве-
увеличивает реакционную способность этих
шлаков. С приближением к области насы-
насыщения известью активность FeO падает.
Поэтому шлаки томасовского процесса про-
проявляют сильное окислительное действие
(FeO-шлаки), а также эффективно удаля-
удаляют фосфор (фосфатные шлаки). Окисли-
Окислительные и фосфатные шлаки (разделенные)
находятся в равновесии.
Реакции
а. Дефосфорация. С чистыми FeO-шлака-
ми невыполнима, но может быть осуществ-
осуществлена со шлаками, богатыми FeO (например,
скрап-рудный процесс при низкой темпера-
температуре).
Добавка СаО (известь), будучи сильным
основанием, вытесняет FeO из соединения с
PSOS:
CFeO.P2O
= DСаО-Р2Об) + 3 (FeO) — ДЯ.
Так как процесс сильно экзотермичен, то
увеличение температуры сдвигает равнове-
равновесие в сторону повышенного содержания Р.
Поэтому дефосфорацию необходимо вести
при низких температурах.
Используются известково-силикатные
шлаки (мартеновский процесс, LD-процесс)
и известково-фосфатные (томасовский про-
процесс, LDAC-процесс).
(СаО) 10 20 30 40 SO 60 70 80 90 (FeO
шш{ШУ {Ш),% (по массе) или (FeO.
жен быть создан высокоактивный шлак (от
8 до 10 мин после начала продувки).
— LDAC-процесс — высокофосфористая
шихта. Удаление Р начинается параллель-
параллельно с окислением С (см. 3.3) СаО вдува-
вдувается струей кислорода, поэтому активный
шлак образуется рано. Для дальнейшего
удаления Р требуется смена шлака.
б. Десульфурация. Лучше всего прохо-
проходит в восстановительной среде (устанавли-
(устанавливается равновесие между условиями окис-
окисления и восстановления).
Десульфурация происходит путем связы-
связывания S2- известью) FeS+(CaO) = (CaS) +
+ (FeO). Реакция слабо экзотермична:
К = aCaS aFeo/aFeSaCaO*
На процесс десульфурации оказывают
влияние: уменьшение окислительного дей-
действия шлака, десульфурация в доменной
печи, см. 3.5.4; повышение температуры, ко-
которое способствует увеличению реакцион-
реакционной способности, горячий расплав (десуль-
(десульфурация в печи): углерод, кремний, фос-
фосфор благоприятно влияют на активность
серы, состав шлака (коэффициент распре-
распределения серы) Коэффициент распределения
серы L=(S)/[S] В чистой системе СаО—
FeO— SiO2 (рис 3.66) [54] при насыщении
СаО может быть достигнуто значение L=
= 14. В технических системах L=10-M2.
Некоторое увеличение содержания FeO
(при повышенных температурах) положи-
положительно влияет на растворимость СаО.
В системе СаО—РгО5—FeO значение L
значительно меньше, чем в системе СаО—
FeO—SiO2.
Особенности десульфурации в различ-
различных агрегатах:
— Мартеновская печь. Удаление затруд-
затруднено, так как сера содержится в топливе:
{SOs} + [Fe]=[FeS]+2[O] в период плав-
плавления.
390
— Томасовский конвертор. Целенаправ-
Целенаправленное удаление серы в этом процессе не
представляется возможным, поскольку в
томасовском процессе используются основ-
основные шлаки. Важным является низкое со-
содержание S в чугуне и извести (т. е. в ис-
исходных материалах).
— Конвертор с верхним дутьем. Реакци-
Реакционно-активный шлак образуется к началу
периода продувки. Поэтому возможно хо-
хорошее удаление серы. Около ~40 % S свя-
связывается в шлаке. Кроме того, возможно
прямое окисление серы: (CaS)+3/2{O2}->-
-»-(СаО) +{SO2}. По этой реакции происхо-
происходив удаление еще 15 % S.
— Дуговая печь. Смена шлака после
окончания периода окисления. Наведение
доводочного шлака, содержащего, напри-
например, 65% СаО+15 % CaF* Особенно хоро-
хорошие условия создаются при низком содер-
содержании FeO и высокой температуре. Расчет
десульфурации: S=[SB]/[1+?F/100)], где
S — содержание серы, % (по массе); Sb —
содержание в первичной пробе, % (по мас-
массе); b — количество шлака, % (по массе),
отнесенное к массе расплава.
3.5.6. Шлаки в производстве
цветных металлов
Основная систещр: FeO—СаО—SiO2.
Значение FeO. Необходимая составная
часть, которая, однако, уменьшает извле-
извлечение металла. Это влияние обусловлено
прежде всего образованием фаялита
2FeO-SiO2, необходимого для проведения
металлургического процесса.
Значение основных составляющих шлака.
Связывание кислых компонентов (таких,
как SiO2, SnO2, AI2O3, Sb2O5 и др.) и бла-
благодаря этому уменьшение степени ошлако-
вывания основного металла. Это возможно
в случае, когда окисел основного металла
сам не является кислым (например, SnO2).
Действие основных составляющих шлака
ослабляется в следующей последователь-
последовательности: СаО, MgO, FeO, ZnO.
Железисто-силикатные шлаки. В метал-
металлургии цветных металлов значения не име-
имеют.
Повышение добавки железа. Применяет-
Применяется при необходимости увеличения содер-
содержания FeO. Добавка производится в виде
пиритных огарков. В первую очередь дол-
должно быть уменьшено содержание Fe2Os,
так как иначе образуются нежелательные
ферриты (xAfeO-#Fe2O3). Кроме того,
ЁегОз не образует силикатов. При повы-
повышенной температуре Fe2O3 проявляет кис-
кислые свойства.
Содержание StO2 должно быть повышен-
повышенным для компенсации основных компонен-
компонентов, иначе будет происходить окисление
FeO до Fe2O3 и образование ферритов.
Шпинели. По свойствам аналогичны фер-
ферритам. В их состав входит А12Оз. Ухудша-
Ухудшают плавкость шлака (например, образова-
образование ZnO-Al2O3 при наличии ~8%А12Оз в
шлаке).
Zn-фаялит. При достаточно высоком со-
содержании FeO в расплаве происходит свя-
связывание ZnO (которая в большинстве слу-
случаев проявляет основные свойства). Избе-
Избегают образования тугоплавкого феррита
ZnO-Fe2O3- Этот феррит образуется, если
при недостатке SiC>2 происходит окисление
FeO до Fe2O3, а также если Fe2O3 из пирит-
ного огарка восстанавливается в недоста-
недостаточной степени.
3.6. ГАЗЫ В МЕТАЛЛАХ И КРАТКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЩИТНЫХ
И РЕАКЦИОННЫХ ГАЗОВ
Общие характеристики газов в металлах
а. Вид газа: элементы (например, Н, О,
N); соединения (например, SO2, СОг, СО,
СНг, Н2Опар).
б. Взаимодействие газов с металлами
(главным образом с расплавами):
— механические включения газов, напри-
например SO2 из Си2О и Cu2S в Си или СО из
С и FeO при затвердевании стали;
— химические соединения в виде так на-
называемых собственных фаз, например, нит-
нитриды, сульфиды, оксиды;
— растворенные газы (в атомарном со-
состоянии), например Н в Fe, Al, Ni.
в. Соотношение между поглощением и
выделением газа зависит от взаимодейст-
взаимодействия в системе газ — металл с учетом дав-
давления и температуры.
— Стадии процесса поглощения газов
(рис. 3.67).
— Поглощение измеримых количеств во-
водорода в определенных системах может
быть экзотермическим (например, палла-
палладий, редкоземельные элементы, цирконий)
и эндотермическим (например, железо,
медь, алюминий).
1
ая адсорбция
Физическая адсорбция
Экзотермический процесс;
количество связанного
газа уменьшается с
ростом температуры
Собственная р
Хемосорбция, или
активированная адсорбция.
Эндотермический процесс;
количество связанного газа
увеличивается с росто»*
температуры
Рнс. 3.67
391
г. Температурная зависимость раствори-
растворимости газа при эндотермическом процессе
(закон Бореля). L = Ко e~Q'2kT , где
L — растворимость; k—постоянная Больц-
мана; Q — теплота растворения; Ко — кон-
константа растворимости.
Д. Зависимость растворимости газа от
давления. Подчиняется закону Сивертса
[G] для соответствующего газа (О, N
или Н): [G] = К Ур ,
где р — давление; К — константа.
е. Выделение газа. Как правило, проис-
происходит при затвердевании. При этом имеет
место скачкообразное уменьшение раство-
растворимости газа. Этот процесс важен при раз-
разливке жидкого металла. Представляет
опасность образование пор (пузырей) осо-
особенно для литейных материалов. Для улуч-
улучшения качества ,литых металлов необходи-
необходимо уменьшить содержание в них газов До
минимально возможных значений (см.
3.6.1). С этой целью воздействуют на ис-
источники, из которых поступают газы в ме-
металлы.
Источниками газов являются: окружаю-
окружающая атмосфера (печная, при разливке); газы
из примесей шихты (влажная шихта); фор-
формовочные материалы и литейная форма.
Отсюда вытекают общие мероприятия по
снижению содержания газов в металлах:
1) выдержка расплава (улетучивание —
выход газов, .всплывание продуктов раскис-
раскисления) ;
2) промывка расплава солями (связыва-
(связывание газов);
3) обработка расплава защитными газо-
газовыми средами или в вакууме;
4) специальные мероприятия (например,
для расплава Си сначала окисление О-»-
-*H2Of, затем раскисление).
Мероприятия, указанные в пп. 2 и 3,
снижают парциальное давление газов.
ж. Единицы измерения. Содержание га-
газа измеряется в кубических сантиметрах на
100 г металла, в процентах или миллион-
миллионных долях (млн.-!)| например;
Водород
Азот
см'/юо г
металла
1
1
0,00009
0 00125
млн.
0,9
12,5
3.6.1. Система
водород — железо
Растворимость, температурная зависи-
зависимость растворимости
а. Общие замечания. Растворимость во-
водорода в чистом железе повышается с по-
повышением температуры (эндотермический
процесс). Первым этапом растворения Н
является адсорбция молекул Н2 на поверх-
поверхности металла и их диссоциация. Образо-
Образовавшиеся атомы водорода занимают поло-
положения в междоузлиях или замещают ва-
вакансии кристаллической решетки.
Повышение температуры ведет к мень-
меньшей устойчивости кристаллической решетки
и тем самым увеличивает растворимость.
Вследствие этого при температуре плавле-
392
ния растворимость Н увеличивается скач-
скачком (см. рис. 3.68) [5,65]. Для а-железа
температурная зависимость слабее, чем для
у-железа.
б. Температурная зависимость раствори-
растворимости водорода в чистом железе [65]:
600 8001000 7ZO014001600 t°D
Рис. 3.68
— При атмосферном давлении G60 мм
рт. ст.) :
lgL,eo=— A/T + B+1.U;
\gLieo — растворимое количество Н на
100 г: Aa.Fe =1454; Ау.Ре =1433; Ba,Fe =
=0,439; Bv.Fe =0,296; Г в К.
— При любом заданном давлении:
Уравнения используют для решения прак-
практических задач. -»
в. Закон квадратного корня (Сивертса).
Следует из уравнения для любого давле-
давления (при заданной температуре концентра-
концентрация растворенного в металле Н пропорцио-
пропорциональна квадратному корню из парциально-
парциального давления Н над металлом): [Н] =
У~
г. Влияние легирующих элементов на рас-
растворимость водорода. Например, № уве-
увеличивает, а Сг, Мо уменьшает раствори-
растворимость Н.
д. Диффузия. Происходит при отсутствии
равновесия. По коэффициенту диффузии
водорода а-железо (рис. 3.69) [65] сильно
отличается от у-железа и других металлов.
При снижении температуры водород отно-
относительно быстро диффундирует из а-же-
леза.
В интервале 800—1000 °С Н быстро диф-
диффундирует также из ужелеза> а также, на-
например, из Zr и Ti (важно для термической
обработки и аналитического определения
водорода). Диффузионная способность во-
водорода (D) в Fe зависит от давления Н
над Fe: DFe — К У рн^ , где К — коэффи-
коэффициент, зависящий от температуры.
Влияние водорода на свойства материала:
при увеличении содержания водорода в
металле уменьшаются пластичность (отно-
(относительное удлинение и сужение при раз-
разрыве) и увеличивается охрупчивание (за-
(зависит от скорости деформации, при увели-
увеличении ее выражено слабее).
КГ8
Рис. 3.69
12 3
Ю3/Т, /Г*
Виды охрупчивания:
1. Флокены возникают в больших поков-
поковках, если не было достаточно времени для
выхода водорода из металла при охлаж-
•дении. Образование флокенов уменьшает-
уменьшается при соответствующей термической обра-
обработке (медленное охлаждение или дегаза-
дегазация расплава).
2. Флокены типа «рыбий глаз» часто об-
образуются при дуговой сварке, когда может
происходить поглощение Нг.
3. Замедленное разрушение связано с по-
поглощением водорода при травлении или при
гальванической обработке поверхности. Во-
Водород при отпуске в интервале 100—
200 °С влияет главным образом на замед-
замедленное разрушение высокопрочных сталей.
Трещины при травлении (скопление мо-
молекулярного водорода в порах и включе-
включениях, повышение давления). Внутрикристал-
литное коррозионное растрескивание в
ферритных сталях (кислые, а также содер-
содержащие НгБ среды при совместном действии
механических напряжений).
Технологические особенности
а. Водород в чугуне. Содержится, как
правило, в количестве 3—7 см3/Ю0 г
твердого чугуна; содержание зависит от
продолжительности выдержки и от харак-
характера окружающей атмосферы.
б. Атмосфера печи. Парциальное давле-
давление водяного пара в доменной печи @,10—
0,18 ат) зависит от вида топлива. Давление
изменяется в течение процесса (при окис-
окислении увеличивается; если скорость обез-
обезуглероживания уменьшается, то содержа-
содержание Н также увеличивается; кипение рас-
расплава способствует удалению газов). Дав-
Давление изменяется также при нижнем дутье
газовыми смесями, содержащими кислород
(парциальное давление водяного пара 1,5—
2 ат). Повышение парциального давления
водяного пара увеличивает содержание Н
в расплаве и вызывает необходимость при-
принимать специальные меры по его снижению.
в. Известь. Металлургическая известь дол-
должна быть хорошо просушена, так как ее
влажность оказывает сильное влияние на
содержание Н в стали.
г. Шлаки. Могут поглощать Н из атмос-
атмосферы печи и обогащать им расплав. Нахо-
Находится ли Н в виде ионов ОН не установ-
установлено. Количество растворенного в шлаке
водорода также подчиняется закону квад-
квадратного корня с достаточной точностью.
Растворимость водорода в интервале от
1400 до 1800 °С слабо зависит от темпера-
температуры.
3.6.2. Система
кислород — железо
Растворимость
а. Общие замечания. В жидком состоя-
состоянии имеется широкая область несмешивае-
несмешиваемости. В равновесии находится расплав Fe,
содержащий кислород, и расплав, содержа-
содержащий FeO (рис. 3.70) [5].
t°C
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
\
-
1
п
ш
ж
,27 ,
1
1
1/
г
1 1
Т
, И
ш
-ш
О 10 20 30 40 SO 60 70
Рис. 3.70
/ — два расплава; // — a-Fe+расплав: /// —
Y-Fe+вюстит; IV — вюстит; V — расплав+CV
VI — FeaCU+Os: VII — FfeCV VIII — Fe,O3+
+OS; IX — os-Fe+вюстит; К — Fe3O«; XI — a-
Fe+Fe8O«
В монотектической точке A523 °C) рас-
расплав Fe содержит 0,16 % O2. При этом про-
происходит реакция (полужидкая эвтектика из
б-Fe и FeO). При более низких температу-
температурах образуется гетерогенная область, со-
состоящая из v-Fe и жидкой FeO. Далее об-
образуется вюститная фаза.
При дальнейшем снижении температуры
(равновесие!) вюстит распадается на фер-
феррит и Fe3O« E60 °С).
Растворимость кислорода в твердой фазе
точно не определена.
Система Fe—О является основой при об-
обработке стали в жидком состоянии (см. 3.3).
393
б. Диффузия. Коэффициент диффузии
очень мал, D»l-10-10 см2-с-' при 1000°С.
в. Продукты раскисления. При удалении
кислорода из жидкого расплава образуют-
образуются нерастворимые твердые окислы (см. 3.3.
Раскисление), которые полностью удалить
нельзя. Кислород в этих окислах составляет
так называемую нерастворимую долю кис-
кислорода.
Влияние кислорода на свойства материа-
материала. С ростом содержания кислорода в ме-
металле увеличивается склонность к старе-
старению (может привести к охрупчиванию, в
результате имеется опасность хрупкого раз-
разрушения), а также количество кислородсо-
кислородсодержащих неметаллических включений.
При этом соответственно уменьшаются
относительное удлинение и сужение при
разрыве, ударная вязкость, особенно на
образцах с острым надрезом, а также (под
влиянием неметаллических включений)
склонность к росту зерен и анизотропия от-
относительного удлинения и относительного
сужения (вдоль и поперек направления де-
деформации).
3.6.3. Система
азот — железо
Растворимость
а. Общие замечания. Растворимость азо-
азота в жидком и твердом Fe зависит от тем-
температуры (рис. 3.71) [65]. При температу-
температурах превращения и при плавлении раство-
растворимость изменяется скачкообразно.
0,05
0,04
а
91
.—¦J
и
1 .
^#.
1536
12"
— ¦**
о
Расплав
0,03
0,02
0,01
600 800 1000 1200 /400 1600 t,°C
Рис. 3.71
Величины растворимости: ~ 2,8 % в y-Fe
при 650 "С и ~0,1 % в a-Fe при 590 °С.
б. Диаграмма состояния (рис. 3.72) [5].
Три азотсодержащие фазы: \', соответ-
соответствующая Fe4N, г. ц. к. решетка; е, соответ-
соответствующая Fe4N, гексагональная решетка,
[N]—в междоузлиях (октаэдрическая); |,
соответствующая Fe2N, гексагональная или
орторомбическая решетка.
Кроме того, после отпуска закаленных
сплавов может образоваться сверхструк-
сверхструктурная фаза a" (Fe8N или РеN№). Нитри-
Нитриды Al, Ti, Cr, V, Si термодинамически зна-
значительно более стабильны, чем нитриды Fe.
в. Закон Сивертса (закон квадратного
корня). Растворимость азота в жидкой и
твердой фазах подчиняется уравнению
г. Влияние других элементов на раство-
растворимость азота. Увеличивают растворимость
V, Nb, Cr, Та, Mn, Mo, W. Уменьшают рас-
растворимость С, О, Si, S, Co, Ni, Cu, Sn.
t°C
WO
600
500
400
300
Рис. 3.72
" \/ w
a+g't
Г I i
i
10 15 20
25
д. Диффузия. Коэффициент диффузии N
в Fe значительно меньше, чем Н в Fe:
DFe =13,5-Ю-8 см2-с-' при 1000°С.
Влияние азота на свойства материалов.
С ростом содержания азота в металле
увеличиваются:
— склонность к старению и связанная с
этим склонность к хрупкости;
— синеломкость (из-за снижения плас-
пластичности в интервале 100—300°С);
— предел текучести и временное сопро-
сопротивление на растяжение (азот специально
добавляют в регламентированных количе-
количествах для увеличения предела текучести
без значительных изменений пластичности);
— межкристаллитное коррозионное рас-
растрескивание вследствие внутренних напря-
напряжений (устраняется дезазотированием рас-
расплава и термической обработкой);
— стабильность аустенита (соответствен-
(соответственно снижение температуры Ms).
Уменьшаются:
— относительное удлинение и относи-
относительное сужение при разрыве;
— ударная вязкость, особенно на образ-
образцах с острым надрезом (см. Старение,
Хрупкость);
— свариваемость (у сталей, склонных к
старению);
— рост зерен (из-за присутствия нитри-
нитридов А1 и V).
Технологические особенности
а. Поглощение азота жидкой фазой. Ис-
Источники азота: шихтовые материалы, рас-
кислители, ферросплавы, атмосфера печи.
б. Дезазотирование, азотирование. Деза-
зотирование происходит в процессе кипе-
кипения, например при продувке СО. Азотиро-
Азотирование в конверторном производстве про-
394
исходит при продувке кислородо-воздуш-
ной смесью. Азотирование возможно также
при медленной разливке раскисленного ле-
легированного металла с высоким содержа-
содержанием Сг.
3.6.4. Система
газ — цветные металлы
Кислород. Реагирует с цветными метал-
металлами, образуя окислы, ас другими элемен-
элементами — водяной пар, SO2, СО, СО2. При
этом газообразные соединения могут дис-
диссоциировать на свободные элементы, ре-
реагирующие в свою очередь с расплавом.
Водород
а. Газовая пористость. Образуется при
кристаллизации металла. Чем больше ска-
скачок растворимости при кристаллизации и
меньше растворимость водорода в твердом
металле, тем больше газовая пористость.
б. РЬ и Zn не растворяют водород ни в
твердом, ни в жидком состоянии.
в. Mg. Характеризуется повышенной рас-
растворимостью водорода, но в точке плавле-
плавления растворимость мала. Поэтому магние-
магниевые литейные сплавы меньше подвержены
порообразованию.
г. Си. Растворимость водорода в Си
меньше, чем в Mg. Ni увеличивает раство-
растворимость Н в Си, А1 и Sn уменьшают.
Водяной пар. Также является причиной
газовой пористости.
а. Си. Может одновременно растворять
О и Н. Чтобы уменьшить проникновение
водяного пара, требуется хорошее раскис-
раскисление (например, при помощи Р, Be, Li, С а,
Mg, В). В отсутствие О сам по себе водо-
водород менее опасен (см. Водородная болезнь
Си, 1.7.3.3; 2.2.2).
б. Mg. Реакция взаимодействия с водя-
водяным паром невозможна, так как Mg гораз-
гораздо активнее взаимодействует с О, чем Н.
Разливка производится в атмосфере SO2.
в. А1. Поглощение водяного пара идет по
реакции:
ЗН2О + 2A1-~A12OS + ЗН2.
Si увеличивает растворимость Н; Al, Mg
уменьшают.
г. Ni и Ni—Си сплавы. Реакция с водя-
водяным паром возможна; при этом образуют-
образуются окислы. При выплавке в качестве за-
заключительного этапа требуется хорошее
раскисление. Проводится, как правило, в
три этапа: Mn-vSi-vMg.
Двуокись серы. Атмосфера печи обогаще-
обогащена SO2 вследствие сгорания S, имеющейся
во многих сортах жидкого и газообразного
топлива.
а. Си и Ni. Характеризуются повышенной
растворимостью SOS. При понижении .тем-
.температуры соответственно понижается рас-
растворимость:
повышение Т
6Cu
расплав
+ so2
X
как его влияние аналогично влиянию водя-
водяного пара.
б. А1 и Mg. He реагируют с SO2.
Окислы углерода
а. Ni и Ni сплавы. Свойства этих спла-
сплавов сильно подвержены влиянию С, кото-
который может поступать из СО или СО2.
б. Си. Малоактивна в реакциях с С. При
доступе кислорода образуются поры (СО).
в. Другие металлы. Некоторые металлы
образуют стабильные карбиды, в большин-
большинстве случаев не превращающиеся в СО или
СО2. Возможна незначительная пористость
в литье.
Азот. Имеет значение его взаимодействие
с Mg; сильное сродство к азоту приводит
к образованию нитридов и может вызвать
дефекты литья.
3.6.5. Определение газов [65]
Общие замечания
а. Особенности определения Н, О, N. Во-
Водород находится в виде: легкодиффунди-
рующего, доля которого 60—90 % всего его
количества; эта часть водорода извлекает-
извлекается из твердого образца при температуре
600—800 °С, часто при 1100°С, и трудно-
диффундирующего (остальная доля), ко-
который извлекается путем плавления образ-
образца в вакууме при температуре выше
1600°С.
Кислород находится в виде окислов. По-
Поэтому необходимо расщепление связи
Me—О:
уменьшение?
X Cu2SpaCTBOp, в Cu+ 2Cu2OpaCTBOp_ в Си.
Необходимо удаление SO2 путем окисле-
окисления и последующего восстановления, так
Мех Оу + уС-^хМе + «/СО;
Мех Оу + zC-*Mex Cz~y + yCO.
Определение кислорода осуществляется
через образование СО.
Азот находится в виде нитридов и в
очень малых количествах в твердых рас-
растворах. Выделяется при помощи термиче-
термической диссоциации:
2Мех N-+2xMe + N2;
2Мех N + yZ-*-2Mex Cy + N2.
б. Методы определения.
— Вакуумная экстракция. Раздельная
или совместная экстракция в углеродсодер-
жащих системах в вакууме и раздельное
определение О, Н, N.
— Метод газа-носителя. Раздельная или
совместная экстракция в углеродсодержа-
щих системах с использованием продувоч-
продувочного газа н раздельное определение О, Н, N.
— Специальные методы: спектроанали-
тические; изотопные; масс-спектрометри-
ческие; химические и электрохимические.
Определение водорода
а. Определение общего количества водо-
водорода путем вакуумного плавления образ-
образцов (возможна добавка Sn для снижения
температуры плавления). Размеры образ-
образцов определяются применяемой аппарату-
аппаратурой.
б. Определение легкодиффундирующей
доли водорода (эта доля имеет значение
для металлургии, так как она наиболее
сильно влияет на свойства материалов).
395
Образец помещают в медный тигель с
клапанным затвором [65], нагревают на за-
заданную температуру и охлаждают мини-
минимум до —70 °С, чтобы уменьшить коэффи-
коэффициент диффузии Н. Поверхность образца
предварительно обезжиривают.
в. Определение водорода в шлаках. Ме-
Методы описаны в работах [65, 63]. Экстра-
Экстрагированный водород (водяной пар) под
действием СаСг переходит в соединения
типа (СН). Сгорание дает эквивалентное
количество СО* Отсюда вычисляется со-
содержание Н.
Диспергирован-
Диспергированный изолят
Просвечивающая
электронная
микроскопия
Данные о
размерах, форме
и структуре
выделенных
фаз в областях
< 1 мкм
1 Сталь
•
Определение
характера осадка
(изолятов)
1
Микрохими-
ческий анализ
1
Данные о распре-
распределении легирую-
легирующих элементов в
матрице и выде-
выделениях
Дифракция
рентгеновских
лучей
1
Данные о
структуре и
количестве
выделенных
фаз
1
Рентгеновский
флюоресцентный
анализ
Данные о
распределении
легирующих
элементов в
матрице и
выделениях
ШлтЬ
Оптическая
микроскопия
Данные о раз-
размерах, форме
и распределе-
распределении, а также о
колвчестве
выделенных
фаз в областях
> 1 мкм
Рис. 3.73
Объект исследования
Метев исследования
I Выделенные
фазы (изоля/л)
Диспергирован-
Диспергированный изолят
Состав
Данные
тура
Микрохимический
анализ
Масса
Анализ эмиссионных
спектров
Рентгенодскип ф
оресцентнып анализ
Дифракция Г
рентгеновских лууеи \ 1^
Форма
деление
Экстрагцродон-
ные частицы
Просвечивающая элек-
электронная микроскопия
Растровая злешлроннат
яшросколия
Микрозонд
Шлиф
Лазерный
микроанализатор
U А 1
fill
ВТ
ОД
1о Л
од
\г
тация
? I
• А
I*
Silk
-о
Фольга
Оптическая
микроскопия
Й8Г
Пикро~
автораВиография
8
8
п
?
Рис. 3.74
Определение кислорода. Производится
методом вакуум-плавления или плавления
в среде инертного газа, а также специаль-
специальными методами (см. Металлографический
анализ).
Осуществляется в откаченных кварце-
кварцевых трубках, подобранных в соответствии
с размерами образцов, или в ¦ погружном
тигле [65].
Определение азота. Производится мето-
методом вакуум-плавления, плавления в среде
инертного газа или специальными метода-
методами (например, по методу Кьельдаля). Осу-
Осуществляется на компактных образцах,
размеры которых зависят от выбранной
методики исследования, или на стружке
(опилках).
Металлографический фазовый анализ
[90, 65]. Метод служит для определения
природы и состава неметаллических вклю-
включений и фаз в металлических материалах;
основан на растворении (химическом или
электрохимическом) основного материала с
последующей идентификацией и анализом
выделенных фаз или включений из осадка
(изолята). Ниже дается обзор этого мето-
метода и способов идентификации [94].
Ход исследования показан на рис. 3.73.
Необходимо отметить, что первоначаль-
первоначальные задачи металлографии были значи-
значительно расширены после введения некото-
некоторых новых методов идентификации (рис.
3.74).
ТАБЛИЦА 183
3.6.6. Защитные
и реакционные газы
Защитные и реакционные газы имеют
большое значение при термической обра-
обработке металлов.
Защитными называются газы и газовые
смеси, предназначенные для предохранения
поверхности горячего металла от нежела-
нежелательных реакций, таких как, например,
обезуглероживание, образование окалины,
цветов побежалости и др.
Реакционные газы или газовые смеси
применяют с целью определенного измене-
изменения свойств поверхностных слоев металла,
например цементация, обезуглероживание,
азотирование и т. д.
Классификация. Согласно принятой тех-
технической терминологии защитные и реак-
реакционные газы подразделяют следующим
образом: эндогазы; экзогазы; формир-газы;
инертные газы; моногазы; крекинг-газы; га-
газы — продукты неполного сгорания (экзо-,
эндо-, моиогазы); водород.
Так как перечисленные выше термины
недостаточно характеризуют состав и дей-
действие газов, применяют и другую дополни-
дополнительную классификацию: классический газ
для светлого отжига; инертные защитные
газы; N—Н-смеси; науглероживающие га-
газы; газ, являющийся продуктом разложе-
разложения NH3; водород.
Газ
Экзо 1
Экзо 2 . .
Экзо 3
Моно 1
Моно 2 . . ...
Моио 3 . ....
Разложение гШз (кре-
(крекинг-газ)
Разложение метанола
(крекииг-газ) ....
Азот (как продукт раз-
разложения воздуха) . . .
СО,
3—10
3—10
3—10
0—1
0—1
0—1
Следы
0
2
0
СО
0,5—16
0,5—16
0,5—16
18—20
0,5—14
0,5—2
Следы
0
31
0
н,
0,5—25
0,5—25
0,5—25
32—50
0,5—25
0,5—25
0,5—25
25
65
1
он.
0—1
0—1
0—1
j 2
0—1
0—1
0—1
0
2
0
02
0
0
0
0
0
0
0
о о. о
59—98
59—98
59—98
24—28
60—98
72—98
74—99
75
0
99
Точка росы, "С
+20
+8
—18н—25
+20-;—25
—18н—50
—18-=—50
—18н—50
—35-4-—50
—35
—30-=-—50
ТАБЛИЦА 184
Газ
Классический газ
для светлого от-
отжига
Инертные защит-
защитные газы ....
Смесь Н2—N2 . .
Науглероживаю-
Науглероживающий газ ....
„Разложение NH3 и
чистый водород
Н8. %
22—0
1—5
10—20
40
75—100
со.%
12—3.
Следы
20
G
СО,, %
3—Ю
Следы
0
и «с
0-.—20
—40
—40
0Ч-—20
—40
Защитный
газ
X
XX X X
Реакцион-
Реакционный газ
X
1 X X X
Взрыво-
Взрывоопасно сть
X
X
X
X
397
Состав газов (%)—табл. 183. Основные
компоненты защитных и реакционных га-
газов и их действие — см. табл. 184.
Эндогазы. Газовые смеси, полученные
путем частичного сгорания горючих ве-
веществ в установках для производства за-
защитных газов при эндотермическом про-
процессе в условиях недостатка воздуха.
Состав — см. Классификация.
Исходные вещества: газ городского и
дальнего газоснабжения, пропан, бутан,
генераторный газ, бензин, керосин, дизель-
дизельное топливо.
Применение: в качестве атмосферы при
светлом отжиге, пайке твердыми припоя-
припоями, закалке, спекании, цементации.
Экзогазы. Газовые смеси, полученные
путем частичного сгорания горючих ве-
веществ в установках для производства за-
защитных газов при экзотермическом процес-
процессе в условиях избытка воздуха.
Состав — см. Классификация.
Исходные вещества — см. Эндогазы.
Применение: в качестве атмосферы при
светлом отжиге, пайке твердыми припоями,
нормализации, спекании, обезуглерожива-
обезуглероживании (при содержании >0,2 % С в стали).
Формир-газ. Смесь азота и водорода.
Состав: 10—30 % Н2; 70—90 % N2; точка
росы —50° С.
Применение: светлый отжиг, пайка твер-
твердыми припоями.
Инертные газы. Газы, которые, будучи
достаточно чистыми, практически не реаги-
реагируют с горячей поверхностью металла (N,
Аг или Не).
Состав:
Н2, % О2. % N.. % р<?Г!с
Азот неочищен-
неочищенный 0 0,2 99,8 —30
Азот чистый .1 — 99 —50
Применение: светлый отжиг, пайка твер-
твердыми припоями; используется так же, как
промывочный газ.
Моногазы. Газовые смеси, состоящие нз
N, Н и СО или из N и Н.
Состав — см. Классификация.
Исходные вещества — см. Эндогазы.
Применение: светлый отжиг, пайка твер-
твердыми припоями, закалка, спекание, норма-
нормализация, цементация.
Газы — продукты разложения (крекин-
(крекинга). Газовые смеси, которые получаются
термическим разложением, например гШз
(или метанола).
Состав — см. Классификация.
Применение: крекинг-газ гШз наиболее
пригоден для таких сталей, которые содер-
содержат элементы (Сг, Si, AI), окисляющиеся
при наличии СО и СОг даже в инертной
атмосфере. Кроме того, крекинг-газы ис-
используются в качестве атмосферы при пай-
пайке твердыми припоями, спекании, восста-
восстановлении порошкообразного железа.
Газы неполного сгорания. Газовые смеси,
полученные при неполном сгорании газооб-
газообразного или жидкого топлива. К ним отно-
относятся эндо-, экзо- и моногазы.
Водород
Состав:
Но/ ,-* о/ Точка
2. % О2, % росы, оС
Неочищенный во-
водород .... 99,8 0,2 —30
Водород высокой
чистоты .... 100 0 —50
Применение: светлый отжиг, нормализа-
нормализация, спекание, обезуглероживание (в ув-
увлажненном состоянии).
4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Классификация
а. По типу производимых материалов: про-
производство железных сплавов, например чу-
чугуна и/или стали, и производство цветных
металлов, например Си, Al, Pb, Zn, Sn, Ni,
Mg и т. д.
б. По виду технологии:
— Пирометаллургические методы (окис-
(окислительная и восстановительная плавка; об-
обжиг; прокаливание; испарение металлов;
восстановление веществ в твердом состоя-
состоянии; электролиз расплавов).
— Гидрометаллургические методы (рас-
(растворение; выщелачивание; очистка щелоч-
щелочных растворов; концентрирование; разде-
разделение; электролиз водных растворов).
— Методы порошковой металлургии (по-
(получение порошков; формование изделий;
спекание; окончательная обработка).
Электрометаллургические методы. Ме-
Методы, при которых используется электриче-
электрическая энергия.
Эти методы частично относятся к пиро-,
частично к гидрометаллургии. В первом
случае электрическая энергия используется
как источник тепла (например, электриче-
электрически обогреваемые плавильные печи), во
втором — как источник химической энергии
(например, электролиз). - --
4.1.1. Пирометаллургические
методы (общие
представления)
Методы получения и рафинирования ме-
металлов при повышенных температурах в
расплавленном, газообразном или твердом
состоянии.
Классификация
— Плавление. Окислительная плавка,
например:
Ме1 + Меи О~>-Ме1 О + Меп или
Мег + Меи + О-»Л4е, О + Меп.
Восстановительная плавка, например
AfeO+C->-Afe+CO.
Осадительная плавка, например:
МеЛ
el +MenS.
Зейгерование (выплавление легкоплавкого
металла из смеси металлов).
— Обжиг. Окислительный обжиг, напри-
например:
2MeS + 3Oz-+2MeO + 2SO2.
Восстановительный обжиг, например:
Mez О3 + СО-*-2Л4еО + СО2.
Сульфатизирующий обжиг, например
МеО+SO3-WWeSO4.
Хлорирующий обжиг, например:
MeS + 2О2 + 2NaCl-»MeCl2 + Na2SO4.
Кальцинирование (прокаливание), напри-
например:
МеОО3-+МеО + СО2.
— Испарение. Дистилляция.
— Восстановление в твердом состоянии.
Например:
МеО + С-*-Ме + СО;
МеО + СО-+Ме + СО2.
— Электролиз расплава. Например при
получении А1 или Mg.
4.1.2. Гидрометаллургические
методы (общие
представления)
Методы получения н рафинирования ме-
металлов из руд, комплексных концентратов,
полупродуктов прн помощи главным обра-
образом водных растворителей с целью перево-
перевода неизвлекаемых металлов в раствор или
отделения пустой породы.
Классификация
— Выщелачивание. Растворение метал-
металлических компонентов путем, например, вы-
выщелачивания просачиванием, с перемеши-
перемешиванием, при повышенном давлении.
— Концентрирование. Уменьшение коли-
количества растворителя путем, например, воз-
возгонки, испарения.
— Разделение. Удаление нерастворимых
компонентов путем, например, осветления
(отстаивания), декантации, фильтрации,
центрифугирования, экстракции.
— Осаждение. Получение металлов пу-
путем, например, электролиза, цементации,
осаждения, кристаллизации, высаливания,
испарения растворителя.
Замечание. Пиро- и гидрометаллургиче-
гидрометаллургические рабочие процессы дополняют друг
друга, например обжиг перед гидрометал-
гидрометаллургическим процессом илн электролитиче-
электролитическая очистка после предшествующего пи-
рометаллургического процесса.
4.1.3. Методы порошковой
металлургии
Методы получения металлических по-
порошков и дальнейшее изготовление из иих
изделий.
Классификация
— Получение порошков — механическое
измельчение, распыление (или разбрызги-
разбрызгивание), методы восстановления, карбониль-
карбонильный метод, химическое осаждение.
— Формование заготовок из порошков
(холодное прессование, горячее прессова-
прессование, прессование со связкой, непрерывное
прессование, прокатка, гидростатическое
прессование, шлнкерное литье, ковка по-
порошков — в обоймах).
— Спекание (спекание с жидкой фазой,
спекание без жидкой фазы).
— Окончательная обработка (обработ-
(обработка резанием, калибровка, пропитка, наугле-
науглероживание, нанесение защитных покры-
покрытий).
4.2. МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗА
И СТАЛИ (ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ)
Классификация
А. Производство чугуна (рис. 4.1) —домен-
—доменный процесс, процесс в низкошахтной печи.
Б. Производство губчатого железа —
процессы в шахтной печи, в печах кипяще-
кипящего слоя, во вращающихся трубчатых печах,
В. Производство стали (периодические
процессы) — мартеновский процесс, конвер-
конверторный процесс.
Г. Производство стали (непрерывные
процессы) — методы: Bisro, Voest, Irsid,
каскадный, окислительная плавка в желоб-
ковой печи.
Методы последующей обработки нор-
нормально выплавленной стали: специальные
методы переплавки, вакуумная обработка,
метод обработки газами, метод промывки
шлаком, обработка при разливке.
Характерные особенности основных про-
процессов производства стали [32]
Производство стали в подовых плавиль-
плавильных печах:
1. Так как энергия подводится извне
(топливо илн электроэнергия), то процесс
не зависит от того, протекают металлурги-
металлургические реакции с поглощением или выделе-
выделением тепла (см. 3.0). Поэтому имеется
большая свобода в выборе шихтовых ма-
материалов.
2. Реакции протекают почти исключи-
исключительно между металлом и шлаком. Окисли-
Окислительные реакции протекают при наличии
химически активного шлака.
399
Рис. 4.1
I заводская пристань и железнодорожная станция; 2 — уголь; 3 — мелкая руда и присадки
«10 мм); 4 — кусковая руда и присадки (>10 мм); 5 — окатыши; 6— установка дробления и гро-
грохочения; 7 — мелкая руда и присадки (<10 мм); 8— коксовальная установка; 9 — кокс; 10—сме-
10—смеситель; // — сортированные руда и присадки (~10—50 мм); 12 — агломерационная установка;
13—составление шнхты; 14 — кокс; 15 — агломерат; 16—присадки; 17 — руда; /8 — окатыши; 19—
доменный газ и пыль; 20 — чистый доменный газ; 21 — газовый двигатель и сжигание; 22 — домен-
доменная печь; 23 — газоочистка; 24 — доменный газ; 2В — горячее дутье; 26 — разливочная машина;
27 — воздухонагреватель; 28 — сталеплавильный завод; 29 — чугун; 30—холодный воздух; Ы>—
32 — отходящий гаа в дымовую трубу,; 33—- мехаллопрнемник; 34 — реализация шлака
400
3. Скорости реакций определяются про-
процессами на границе металл — шлак и ско-
скоростями переноса (транспорта) в этих фа-
фазах.
4. Передача тепла происходит через
шлак в ванну.
Производство стали в конверторах с воз-
воздушным дутьем:
1. Подвода тепла извне нет. Расход теп-
тепла компенсируется исключительно за счет
реакций между кислородом и примесями
или железом. Поэтому свобода в выборе
шихтовых материалов ограничена.
2. Реакции сначала протекают между га-
газовой и металлической фазами. Для уда-
удаления С, Si и Мп не требуется присутствия
жидкого шлака. Для дефосфорации и де-
сульфурзции требуетси своевременное об-
образование активного шлака.
3. Скорости удаления С, Si и Мп опре-
определяются скоростью подачи кислорода.
4. Передача тепла происходит от метал-
металла в шлак.
Производство стали в кислородных кон-
конверторах с верхним дутьем. Объединяет
достоинства процессов в мартеновских пе-
печах (свобода выбора шихтовых материа-
материалов, высокое качество стали) и процессов
с воздушным дутьем (непосредственная ре-
реакция между металлом и газовой фазой,
высокие скорости реакций) и ие имеет их
недостатков (насыщение металла азотом
в томасовском процессе, сульфурация от
топлива в мартеновском процессе).
Изменяя способ продувки, можно при-
приблизить ход процесса к процессу в марте-
мартеновских печах или к процессу в конверто-
конверторах с воздушным дутьем.
Тенденция развития
а. Производство чугуна и стали в на-
настоящее время почти полностью основыва-
основывается на периодических процессах.
б. Хотя в настоящее время методы не-
непрерывного производства стали только на-
начинают развиваться, в будущем возможен
переход к этим методам.
в. Основной схемой производства стали
в настоящее время является доменная
печь — кислородный конвертор. Лишь затем
(по значимости) следует скрап-процесс в
электропечи.
г. Производство губчатого железа имеет
преимущественное значение для тех стран,
в которых в достаточном количестве име-
имеются дешевые богатые железные руды и
природный газ или нефть. Здесь основной
схемой производства является прямое вос-
восстановление — электропечь.
д. Методы последующей обработки нор-
нормально выплавленной стали с целью ее ра-
рафинирования и соответственно улучшения
качества приобретают все возрастающее
значение.
е. В будущем ожидается применение
атомной энергии в металлуртии.
4.2.1. Метод производства
чугуна
Метод, заключающийся вп-восставовлении
.рЗЕДЫ (как правило,, окисленной) в шахт-
шахтной печи в присутствии кокса (как источ-
26—140
ника тепла и восстановителя) и шлакооб-
разующих добавок (см. 3.5), отделении
пустой породы и получении жидкого чу-
чугуна.
Шихта (смесь руды и флюсов) и кокс
загружаются в печь через колошник и в те-
течение нескольких часов опускаются к пло-
плоскости фурм. Через воздушные фурмы в
печь вдувается горячее дутье (800—
1100°С), которое реагирует в фурменной
зоне с основной массой кокса, образуя
фурменный газ (СО, N, Н2). Этот газ дви-
движется вверх через опускающийся столб
шихты, передает ей тепло и восстанавли-
восстанавливает железо и марганец из окислов (рис.
4.2).
О 4008001200T600Z0i
Температура, "С
Рис. 4.2
А — уровень засыпи; Б — нагрев шихты; В —
косвенное восстановление; Г — прямое восста-
восстановление; Д — уровень фурм
Твердые вещества, загружаемые в печь,
по мере опускания и роста температуры"
претерпевают следующие изменения (ста-
(стадии процесса): сушка; разложение гидра-
гидратов; разложение карбонатов; косвенное
разложение окислов железа и марганца
(посредством СО); прямое восстановление
окислов Fe, P, Si и Мп твердым углеродом
(нежелательный процесс); науглероживание
и одновременное плавление восстановлен-
восстановленной руды; дальнейшее науглероживание в
жидком состоянии; накапливание жидкого
чугуна и одновременно образующихся шла-
шлаков в горне; выпуск чугуна и шлака (см.
3.2.3.1).
Химический состав важнейших шихтовых
материалов доменного процесса приведен в
табл. 185 [135].
Некоторые технологические замечания. i
Охлаждение стального кожуха печи мо-
может осуществляться орошением или раз-
разбрызгиванием воды под давлением, но луч-
лучше потоком воды через замурованные в
кладке холодильники.
Восстановление и десульфурация — см.
3.3.1.5, 3.5.4.
Образование шлака. Первичный шлак
возникает относительно рано нз легкоплав-
легкоплавких компонентов сырья (содержит большое
количество FeO). Конечный шлак: 35—
40 % СаО; 0,5 % S; 28—40 % SiO2; I % FeO;
401
ТАБЛИЦА
Материал
Железные ру-
руды:
магнетнто-
вая
красный же-
железняк . . .
сидерит сы-
сидернт
обожженный
бурый же-
железняк . .
Марганцевые
руды:
никополь-
никопольская ....
чнатурская .
Известняк . .
/85
Содержание, %
Fe
50-70
40—70
30—40
44-52
25—50
1,9
1,4
0.4
Мп
0,04—0,2
0,1—1,0
1,0—7,0
1,0—10
0,5—5,0
48
50
Р
0,02—3,0
0,1—0,8
0,02
0,03
0,1—1.0
0,2
0,2
SlOs
0.1—7,0
5,0—18
7,0—10
8,0—14
5,0—15
10,5
12,0
0,7
А12О,
0,3—1,2.
1,0—6,0
0.3—1,0
0,2—5,0
1,0—10
1,4
0.6
СаО
1,0—6,0
0,5—5,0
0,5—3,0
1,0—5,0
1,0—25
1,1
54
MgO
0.5—1,5
0,2—1,0
0,5-3,5
1,0—5,0
0,2—2.0
0,8
0,8
Потерн прн
обжиге
(СО2+гид-
ратная
вода)
0,0—8,0
20.0—30,0
8,0—30,0
13,1
9,0
43,2
Влаж-
Влажность
1,0—10,0
0,5—2.0
1,0—10,0
5.0—15,0
5—17% А12О3; Ю%МпО*; 2—13
Рнс. 4.3
/ — горн; 2 — заплечики: 3 — распар: 4 — шахта;
5 — колошник; 6 — кожух из листовой стали; 7 и
* — холодильники
Колошниковый (доменный) газ. Выхо-
Выходит из домны с температурой 200 °С и име-
имеет следующий состав: 10—16 % ССЬ; 28—
32 % СО; 3 % Н2; 54—58 % №; 20—40 г/м3
колошниковой пыли.
Удельный расход кокса. Имеет решаю-
решающее значение в процессе производства чу-
чугуна. В последние годы постоянно снижа-
снижается [137].
Размеры печи. Полезный объем (м3).
Экономическая эффективность растет с
увеличением объема печи. Крупнейшие пе-
печи—1960 г. 1400 м3; 1974 г. 5000 м3 (вве-
(введена в эксплуатацию в конце 1974 г. в
Кривом Роге, СССР, производительность—
4 млн. т чугуна в год).
Конструкция. Разрез одной из доменных
печей СССР полезным объемом 1700 м3
дан на рис. 4.3 [135].
Основное назначение доменного процес-
процесса заключается в производстве исходных
материалов для сталеплавильного произ-
производства. Даже при запланированном уве-
увеличении годового мирового производства
губчатого железа на 30 млн. т (80-е годы),
рост производства сырой стали в первую
очередь должен быть обеспечен соответст-
соответствующим увеличением суммарной мощности
доменных печей. Продукты производства—
передельный чугуи, литейный чугун, зер-
зеркальный чугун (Шпигель), ферросилиций,
ферромарганец (см. 2.3).
4.2.2. Метод производства
губчатого железа
Методы прямого получения полупродук-
полупродуктов для производства стали из железной
руды или концентрата путем восстановле-
восстановления твердым или газообразным восстанови-
* Доменные шлакн содержат, как пра-
правило, до 1—3 % МпО. Прим. ред.
** В доменных шлаках Р2О5 практиче-
практически отсутствует. Прим. ред.
402
16
Рис. 4.4
/ — отходящий газ; 2 — рекуператор; 3 — воздух; 4 — природный газ; S — газосмесительная каме-
камера; 6 — колошниковый газ; 7 — восстановительный газ; 8 — реакционная камера; 9 — восстанови-
восстановительная печь; 10—аппарат газоочистки; // — скруббер; 12— отвод холодного газа; 13 — сито; 14—
холодильник; 15 — выход губчатого железа; 16 — окомкованная руда, Fe2Oj; 17 — грохот; 18 — мел-
мелкая руда; 19 — просушенный шлам; 20 — отсеянные частицы; 21 — пресс для изготовления брикетов
телем при температуре ниже точки плавле-
плавления (минуя стадию получения чугуна).
Губчатое железо — это пористый полу-
полупродукт, содержащий ~95 % железа с
примесями породы и окислов железа, слу-
служащий сырьем для производства стали
(главным образом в электропечах); можно
также использовать в доменном производ-
производстве.
Классификация по методам получения:
A. Получение в твердой фазе (в шахтной
печи). Кусковую руду или окатыши раз-
размерами 3,5—26 мм загружают в цилиндри-
цилиндрические, вертикальные шахты или реторты
(порциями или непрерывно) и подвергают
воздействию восстановительного газа.
Б. Получение в кипящем слое. Измель-
Измельченную железную руду с частицами вели-
величиной от 0,05 до 3,5 мм и в ряде случаев
соответствующим образом измельченные
прокатную и другие виды окалины обраба-
обрабатывают в реакторе. Навстречу опускаю-
опускающимся твердым частицам движется поток
нагретого восстановительного газа, при
этом происходит восстановление.
B. Получение во вращающихся трубча-
трубчатых печах. Шихту загружают со стороны
более высоко расположенного торца на-
наклонно установленной трубчатой печи; при
вдащении печи шихта непрерывно переме-
перемешивается и перемещается по наклону вниз,
нагреваясь и восстанавливаясь в потоке ре-
реакционного газа.
а. Способ Мидлэнд-Росс. Основан на
принципе работы шахтной печи (рис. 4.4)
[62].
б. Способ Пурофер. Основан иа принци-
принципе работы шахтной печи (рис. 4.5) [62].
26*
Восстановительный газ получаетси из при-
природного или коксового газа (неполное сго-
сгорание), содержит 40% Н2, 19% СО, 38% N2.
в. Способ Хил. Основан на принципе ра-
работы шахтной печи (рис. 4.6) [62]. Вос-
Рис. 4.5
1 _ вода; 2 — колошниковый газ; 3 — шахтная
печь; 4 — окатыши: 5 — очистка и охлаждение га-
газа; 6 — природный газ; 7 — воздух для реакции;
8 — реактор; 9 — мелкая руда; 10 — воздух для
горения; 11 — отходящий газ; /2 —губчатое же-
железо
становительный газ состоит из 15 % Нг и
85 % СО. Образуется при взаимодействии
метана с водяным паром.
г. Способ Армко. Основан на принципе
работы шахтной вечя (рис. 4.7) [62]. Ре-
Реакционный газ состоит из Нг и СО. Полу-
Получается в результате реакции природного
403
12
I
I
2
rCG
850...
100СГС
4
150°C
8 9 10 tl
Phc. 4.6
1— акатышн или окись железа; 2— аппарат га-
газоочистки; 3—горелка; 4 — сгандартный реактор;
5 — преобразовзтель газа; 6 — подогретый газ;
7 — подогрев газа; 8 — природный газ; 9 — подо-
подогретый сжатый воздух: 1С — губчатое железо;
// — печной газ; 12 — в следующий реактор
900°С
5
65°С
10
?
8
газа с охлажденным и просушенным домен-
доменным газом.
д. Способ SL/RN. Основан на принципе
работы вращающейся трубчатой печи (рис.
4.8) [62]. Применяется твердый восстано-
восстановитель.
е. Способ HIB (Nu-Iron или US-Steel).
Основан на принципе кипящего слоя (рис.
4.9) [62]. Восстановление конвертирован-
конвертированным природным газом. Восстановительный
газ сбдержит ~ 85 % Н2. Образующийся
порошок железа брикетируется.
Относительно недавно разработанные
способы массового производства стали на
комбинатах, объединяющих установки пря-
прямого восстановления и электропечи, в бу-
будущем, по-видимому, смогут конкурировать
с такими ведущими технологическими ли-
линиями, как доменная печь — кислородный
конвертор или переработка скрапа в элек-
электропечах. В настоящее время производство
стали с использованием методов прямого
восстановления невелико, но оно все увели-
увеличивается
Производство губчатого железа: 1972 г.—
3 млн. т; 1975 г. — 10 млн. т; 80-е годы
>-30 млн. т.
По сравнению со всеми другими основ-
основными методами восстановления (включая
доменный процесс) метод прямого восста-
восстановления в шахтной печи имеет лучшие по-
показатели по производительности (рис. 4.10).
Последующее развитие этого метода за-
зависит от стоимости и доступности (нали-
(наличия) природного газа или других природ-
природных видов топлива, а также от затрат на
Рис. 4.7
/ — отходящий газ; 2 — окатыши; 3 — реактор го-
горения; 4 — активный реактор; 5 — шахтиая печь;
6 — воздушное дутье; 7 — природный газ; в—губ-
в—губчатое железо; 9 — резервуар с газовой смесью;
10 — газовый компрессор; 11 — дожигание факе-
факелом
10
Рис. 4.8
1 — концентрат; 2 — окомкованне; 3— аварийная дымовая труба; 4 — отходящий газ?
S — пыль; 6 — йодогреваемая решетка; 7 — возвратный уголь; 8—восстановительная
печь; 9—свежий уголь; 10 — разгрузка печи, к холодильнику
404
производство восстановительного газа. Но-
Новый подход к оценке методов прямого вос-
восстановления возникает при использовании
тепловой мощности ядерных реакторов.
Рис. 4.9
1 — сушка; 2 — грохочение: S—отходящий газ;
4 _ измельчение: 5 — пар; 6 — природный газ; 7—
холодильник; 8 — превращение газа; 9 — подогрев
газа; 10 — двухступенчатый подогрев; И — двух-
двухступенчатое восстановление. fi=»75 %; 12 — брике-
брикетирование; 13 — охлаждение
to
W/
¦у.-г
1
1
р
fa
1
I
i
г
1 2
Рис. 4.10
А — вращающаяся печь SL—RN; Б — печь ки.
пящего слоя (US-Steel); В — доменная печь?
Г — реторты ХИЛ; Д — шахтные печн (Пуро-
фер, Мндлэнд-Росс)
4.2.3. Прямое восстановление
железной руды
с использованием атомной
энергии
Методы производства железа и стали,
при которых тепловая энергия атомного ре-
реактора используется для получения горя-
горячего восстановительного газа, с помощью
которого осушествляется восстановление
окисленных железных руд.
Сильно сжатый газообразный гелий на-
нагревается в атомном реакторе / до
~1200°С и отдает часть своего тепла в
теплообменнике 2 твердому, жидкому или
газообразному топливу, которое вследствие
термического разложения образует горячий
восстановительный газ с высоким содержа-
содержанием Н2 или СО. Другая часть тепла по-
Иефть\ хвдздух
300°С
Рис. 4.11
Дутье
Природный
газ
Изёыток
¦ \
'омшншю-
выйеаз
Губчатое
железо
Рис. 4.12
средством газовой турбины превращается в
электрическую энергию. Восстановительный
газ поступает в реактор 3, где происходит
восстановление руды до губчатого железа
[135]. Схемы доменного процесса и процес-
процесса прямого восстановления железа с ис-
использованием тепла атомных реакций по-
показаны на рис. 4.11 и 4.12 соответственно.
До настоящего времени процесс широко-
широкого технического применения не имеет, так
как необходимы большие и дорогостоящие
предварительные работы. Строительство
первого металлургического комбината, где
будет использоваться атомная энергия,
планируется начать в 1985 г. [135]. Пред-
Предполагается в главной технологической ли-
линии объединить прямое восстановление ру-
руды до губчатого железа и его переработку
в сталь в дуговых электропечах.
Другие возможные случаи применения:
производство восстановительного газа для
доменного процесса, электролиз.
4.2.4. Методы производства
стали (общие
представления)
Классификация
А. Конверторное производство — про-
процессы: LD; LDAC (OPL); Калдо; роторный;
PL; томасовский и конверторный -с нижним
405
дутьем; метод непрерывного производства
стали.
Б. Производство в подовых печах —
процессы: мартеновский; электросталепла-
электросталеплавильное производство; производство в
двухваннчх печах; плазменный процесс.
МеЛйЬынОюследующей обработки обычно
выплавдешге I стали:
специальный переплав (в вакуумной ду-
дуговой" печи, в вакуумной индукционной пе-
чн, электроннолучевая плавка, электрошла-
электрошлаковый переплав);
вакуумная обработка жидкой стали (де-
(дегазация в ковше; дегазация струи металла
при разливке; дегазация порцнямн, цирку-
циркуляционная дегазация).
а. Расплавление металлической шихты
(если не загружается жидкий металл) и
присадочных материалов за счет подводи-
подводимой извне энергии или за счет тепла, выде-
выделяющегося при окислении примесей же-
железа.
б. Снижение концентрации нежелатель-
нежелательных примесей железа (см. 3.3) до допусти-
допустимых значений путем окисления и восста-
восстановления.
в. Добавление легирующих элементов в
соответствии с установленными требова-
требованиями.
г. Повышение температуры расплава, по-
поскольку по мере уменьшения концентрации
примесей одновременно растет температура
ликвидуса, а также для компенсации по-
потерь тепла при легировании, выпуске и раз-
разливке стали с учетом необходимого пере-
перегрева жидкого металла.
д. Образование активного шлака (см.
3.5) для удаления примесей из металла
(шлак используют в качестве сырья для
других отраслей народного хозяйства).
е. Разливка с получением качественных,
не содержащих дефектов слнтков, загото-
заготовок (см. 2.5) или литых изделий.
Сталь — важнейший материал для ма-
машиностроения и производства строитель-
строительных конструкций. Несмотря на постоянное
появление и развитие новых материалов
(пластмассы, цветные металлы, керамика),
сталь сохранит свое ведущее положение в
будущем. Это обусловлено высокими экс-
эксплуатационными свойствами стали и воз-
возможностью ее производства в требуемых
больших количествах.
О значении стали свидетельствует тот
факт, что за 10 лет между 1960 и 1970 гг.
ее мировое производство почти удвоилось
(с 330 до 589 тилн. т в год). При этом про-
производство стали в кислородных конверто-
конверторах увеличилось с ~ 10 млн. т в 1960 г. до
360 — в 1970 г.
Производство электростали с 1960 по
1970 г. более чем удвоилось: с 36,3 до
83 млн. т.
Производство мартеновской стали в этот
период оставалогь примерно на одном уров-
уровне, составляя ~250 млн. т в год, в то вре-
время как производство томасовской стали
сокращалось. Объем производства сырой
стали различными методами в абсолютных
значениях (млн. т в год) и в процентах
ко всему производству стали за период с
1960 по 1970 г. характеризуется данными
406
1960 1962 1964 1966 1968 1970
Рнс. 4.13
/ — электросталь; // — мартеновская
сталь; /// — бессемеровская н кисло-
кислородно-конверторная сталь; IV — тома-
совская сталь
1960 1962 1964 1966 1968 1970
Рис. 4.I4
/—IV—то же. что на рис. 4.13; V —
специальные стали
рис. 4.13 и 4.14. На 1985 г. предполагается
следующее соотношение (доля в общем
производстве, %):
Кислородно-конверторная сталь . 70
Электросталь 20
Мартеновская 10
Томасовская 0
В разных странах соотношение между
объемами производства стали различными
способами неодинаково, что определяется
специфическими условиями в каждой из
них (наличие и стоимость сырья, уровень
промышленного развития).
4.2.4.1. Конверторное
производство стали
4.2.4.1.1. Процесс LD
Процесс выплавки стали из передельного
чугуна посредством продувки кислородом
сверху (процесс Linz—Donawitz). Техни-
чески чистый кислород продувается через
охлаждаемую водой трубу (фурму) с мед-
медным соплом в жидкий металл (рис. 4.15)
[54]. При этом окисляются н ошлаковыва-
ются вредные примеси. Окисление постав-
поставляет достаточное количество тепла для ве-
ведения процесса без дополнительного подво-
подвода тепла извне.
Рис. 4.15
Кислород: 99,5—99,8 % О2.
Достоинства этого метода:
1. Стоимость переработки чугуна при-
примерно на 50 % меньше, чем при мартенов-
мартеновском процессе.
2. Возможность добавлять большие ко-
количества скрапа и руды.
3. Высокая производительность.
4. Низкое содержание азота в стали
(-0,004%).
5. Качественные характеристики такие
же, какпри мартеновском производстве.
Сырье — передельный чугун, содержа-
содержащий: 4,0—4,5 % С; 0,05—1,4. % Si; 0,80—
2,80 % Мп; <0,25 % Р; <0,045 % S.
Охлаждение:
1. Охлаждение скрапом. Добавка до
30 %• Скрап загружается совместно с флю-
флюсом (для образования шлака) перед залив-
заливкой жидкого чугуна.
2. Охлаждение рудой. Добавка до 10 %.
Быстрое образование активного шлака.
Имеет преимущество по сравнению с добав-
добавлением скрапа, так как экономится время
загрузки. Загрузка производится вместе с
известью в пустой конвертор.
3. Охлаждение губчатым железом.
4. Охлаждение известняком (мягкое).
Примечание: скрап и руда взаимозаме-
взаимозаменяемы. Эквивалентное соотношение относи-
относительно охлаждающего действия —; скрап :
: руда=3,5 : 1.
Окисление. Ход окисления примесей при
продувке кислородом сверху показан на
рис. 4.16 [113]. Особенности:
P,S С, МП
0,08
Ж 0,02 1
О О
Рис. 4.16
U 8 12 16 20
Время от начала продувщ мин
а) поток кислорода окисляет в первую
очередь Fe. Примеси окисляются за счет
окислов Fe (см. 3.3.1);
б) Si н Мп окисляются уже в первые ми-
минуты продувки;
в) окисление фосфора и углерода проис-
происходит одновременно (в отличие от томасов-
ского конвертора); см. 3.3.1.4. На процесс
удаления примесей влияет технология про-
продувки: малая глубина погружения фурмы
в металл — «жесткая продувка» — предпоч-
предпочтительное удаление углерода; глубокое по-
погружение фурмы — «мягкая продувка» —
предпочтительное удаление фосфора.
*<Ш0О
ifSffff 27500
Рис. 4.17
«07
Рис. 4.18
Шлак. Для образования шлака добавля-
добавляют 60 кг извести иа 1 т стали. При необ-
необходимости обеспечить особо низкое содер-
содержание фосфора требуется наведение вто-
вторичного шлака.
Раскисление. Легирование. Возможно
как в конверторе, так и в разливочном
ковше.
а. Конструкция — см. рис. 4.17 (кисло-
(кислородно-конверторный цех, разрез [113],
Сталеплавильный завод 2 в Линце, Австрия).
б. Профили кислородных конверторов.
Конверторы старых конфигураций (рнс.
4.18, а) [113] по форме близки к бессеме-
бессемеровскому и томасовскому. Современные
конверторы (рис. 4.18, б) усовершенствова-
усовершенствованы с целью снижения износа футеровки,
увеличения подачи кислорода и увеличения
емкости.
в. Огнеупорная футеровка. Только основ-
основная, состоящая из доломита, магнезита или
других огнеупорных материалов, у кото-
которых содержание MgO соответствует ин-
интервалу между содержанием его в доло-
доломите и магнезите, изготавливается на смо-
смоляной связке или спеканием. В последнее
время применяют так называемые «улуч-
«улучшенные» огнеупорные материалы (с опти-
оптимальным содержанием С для повышения
устойчивости к разрушающему воздействию
шлаков). Расход огнеупоров составляет
2,7—5 кг/т стали. Схема футеровки 30-т
конвертора показана на рис. 4.19 [139].
Рис. 4.19
/ — смолодоломнтовые блоки (~70 % MgO); 2 —
промежуточный слой из смолодоломитовой массы;
3 — стандартный магнезитовый кирпич; 4—маг-
4—магнезитовый кирпич VK-1; 5'—два слоя магнезито-
магнезитового кирпича; 6 — утрамбованная смолодоломнто-
вая масса; 7 — шамотный кирпич
г. Дутьевое сопло (фурмы) конвертора
LD — см. рис. 4.20 [139]. В больших кон-
конверторах кислород продувают через не-
несколько сопел, в малых — через одно.
Доля стали, выплавленной в кислород-
кислородных конверторах, в мировом производстве
стали непрерывно растет.
Рис. 4.20
1 — кислород;
охлаждение
2 — водяное
Продукт производства — преимуществен-
преимущественно низкоуглеродистые стали. Расширяется
применение этого метода для производст-
производства высокоуглеродистых и низколегирован-
низколегированных сталей. При создании особых условий
(предварительное расплавление легирую-
легирующих добавок в дуговой печи или вагранке)
или При продувке соответствующего леги-
легированного чугуна возможно также произ-
производство высоколегированных сталей.
42.4.1.2. Процесс LDAC (OPL)
Процесс выплавки стали из высокофос-
высокофосфористого (томасовского) чугуна продув-
продувкой кислородом сверху. LDAC— начальные
буквы слов Linz—Donawitz^Arbed-centre
(фирма Arbed и Центр металлургических
исследований Бельгии и Люксембурга).
OPL—Oxygen (кислород), Poudre (поро-
(порошок), Lance (фурма).
При этом процессе образуется значи-
значительное количество фосфорных шлаков,
которые используют как удобрение.
Принцип — см. Процесс LD, принципи-
принципиальная схема — см. рис. 4.21 [139],
408
Рис. 4.21
Особенности процесса?
а. Переработка высокофосфористых (то-
масовских) сортов чугуна.
б. Одновременно с потоком кислорода
вдувается порошковая известь (до 1 мм).
Суммарный расход извести ~ 140 кг/т
стали, причем ~30 % загружается в виде
кусков до начала продувки.
в. Вдувание порошковой извести приво-
приводит к быстрому образованию жидкотекуче-
го активного шлака.
г. Из конвертора производятся одно- или
двукратное скачивание шлака.
Технология:
Шихта — томасовский чугун.
Охлаждение—см. процесс LD, 4.2.4.1.1.
Окисление — см. процесс LD. Характерис-
Характеристики хода плавки показаны на рис. 4.22
*
4Si
\
X
\
у
Ч
\
>
6%fe
me ^
1600 °^
1500 Щ
1400%
О 10 20 SO 40 50 60
Расход кислорода, м3/т чугуна
Рис. 4.22
[113]. Особенности: более быстрое удале-
удаление фосфора по сравнению с углеродом
выражено еще отчетливее, чем в процессе
LD (см. 3.3.1.1). Для быстрого образова-
образования шлака применяют главным образом
«мягкую» продувку.
Стадии процесса — см. рис. 4.23 и 4.24
[1131 (процесс прекращается при содержа-
содержании [С]=0,5-5-0,7 %).
1. Заливка чугуна.
2. Нормальная продувка до содержания
С в ванне 0,7—0,9 %.
3. Отбор пробы для определения С и Р
в ванне, измерение температуры, слив шла-
шлака (при переработке томасовского чугуна).
4. Окисление шлака при глубоком погру-
погружении фурмы и малом расходе кислорода.
5. Нейтрализация шлака при небольшом
погружении фурмы, большом расходе кис-
кислорода и подаче значительного количества
порошковой извести в струю кислорода.
6. Определение содержания С и темпера-
температуры ванны.
Рис. 4.23. Стадии A—5) процесса OPL
409
7. Кратковременная дополнительная про-
продувка для корректировки содержания С и
температуры ванны.
8. Выпуск стали.
Конструкция — см. процесс LD,
Рис. 4.24. Стадии F—8) процесса OPL
Процесс имеет большое значение для
стран, обладающих месторождениями вы-
высокофосфористых железных руд. Продук-
Продукты производства — см. процесс LD.
4.2.4.1.3. Процесс Калдо
Процесс выплавки стали из передельного
или томасовского чугуна посредством про-
продувки кислородом сверху в наклонно уста-
установленном конверторе (рис. 4.25) [113].
Принципы:
а) конвертор устанавливается под углом
17—20° к горизонтали;
Рис. 4.2Б
/ — положение конвертора при заливке чугуна;
2 — то же при загрузке извести и руды; 3 — кис-
кислород; 4 — водяное охлаждение; 5 — отходящий
газ: 6 — устройстве для отходящих газов; 7 — по-
положение конвертора при выпуске
б) конвертор вращается во время про-
продувки со скоростью 30—40 об/мин;
в) кислород подводится через водоох-
лаждаемую трубу при относительно низком
давлении 3—4 ат (9—12 ат при процессе
LD);
г) выделяющийся из ванны газ СО сго-
сгорает в конверторе и дает дополнительное
тепло, что позволяет увеличить долю скра-
скрапа и руды в загрузке до 50% (при процес-
процессе LD доля скрапа составляет 25—30 %).
Технология
Шихта — передельный чугуи, томасовский
чугун.
Охлаждение — скрапом, богатой желез-
железной рудой.
Окисление. Вследствие низкого давления
кислорода и малого угла падения струи
кислорода на поверхность ванны (~25°)
струя кислорода проникает в сталь незна-
незначительно. Поэтому окисление идет относи-
относительно «мягко», главным образом через
шлак.
Регулируя скорость вращения, можно вли-
влиять на интенсивность реакций между ме-
металлом и шлаком. Изменение расстояния
между кислородной фурмой и поверхно-
поверхностью ванны, а также интенсивности дутья
влияет на процессы окисления металла и
шлака. Если окисление жидкого металла
идет при прямом контакте со струей кисло-
кислорода (повышенный расход кислорода и
уменьшение расстояния до фурмы), то
ускоренно удаляется углерод, если же окис-
окисление идет через шлак, то быстрее удаля-
удаляется фосфор. При повышении скорости
вращения ускоряется удаление углерода,
при снижении скорости вращения ускоря-
ускоряется удаление фосфора. Изменение скоро-
скорости вращения влияет на последователь-
последовательность выгорания. Ход окисления расплава
при процессе Калдо показан на рис. 4.26
[ИЗ].
Шлак. Обычно производят смену шлака
при переработке как томасовских чугунов
(для удаления фосфора), так и передель-
передельных мартеновских чугунов (для удаления
кремния). В конце процесса добавляют из-
известь, устанавливают максимальную ско-
скорость вращения и прекращают подачу кис-
кислорода, чтобы навести твердый шлак, ко-
который более удобен при выпуске металла и
для использования в последующем цикле.
Вклад процесса в общее производство
стали относительно мал. В 1962 г. этим
способом выплавлено примерно 2 млн. т
(в восьми конверторах).
Достоинства процесса Калдо: загрузка
большого количества скрапа (до 50 %); пе-
переработка чугуна всех сортов; извлечение
металла 91—93 % (на 3—5 % выше, чем в
процессе LD); возможно эффективное регу-
регулирование хода металлургических реакций;
очень хороший тепловой баланс; малые
потерн тепла; меньшие капитальные затра-
затраты по сравнению с процессом LD.
Недостатки процесса Калдо: несколько
более высокая стоимость по сравнению с
процессом LD; относительная продолжи-
продолжительность продувки (в минутах на 1 т
стали) в 2—6 раз выше, чем в процессе LD;
относительно более сложные конструкция
410
15 20 25 30 35Щ 40
Врет от начала продувай, пин
Р - 0,017
Рис. 4.26
и механическое оборудование агрегатов;
относительно больший расход огнеупоров
из-за более быстрого износа футеровки.
Уже в течение многих лет новые конвер-
конверторы Калдо не строятся. Перспективы при-
применения этого метода в будущем незначи-
незначительны. Продукты производства — низкоуг-
низкоуглеродистые нелегированные, спокойные и
кипящие стали.
4.2.4.1.4. Роторный процесс
Метод производства стали из передель-
передельного и томасовского чугунов путем про-
продувки кислорода сверху в горизонтально
расположенных вращающихся цилиндриче-
цилиндрических печах. Не имеет существенного значе-
значения в производстве стали. Ранее применяв-
применявшиеся установки не используются.
4.2.4.1.5. Процесс PL (Phoenix—Lanzen)
Модифицированный томасовский процесс,
в котором между периодами продува сни-
снизу воздухом, обогащенным кислородом,
производится продувка кислородом сверху
(комбинированный метод). Не имеет суще-
существенного значения в производстве стали.
Ранее применявшиеся установки не исполь-
используются.
4.2.4.1.6. Томасовский процесс
Процесс выплавки стали, при котором не-
нежелательные примеси железа выжигаются
посредством продувки через жидкий высо-
высокофосфористый чугун воздуха, обогащен-
обогащенного кислородом, смеси кислорода с водя-
водяным паром или кислорода с двуокисью уг-
углерода. Процесс ведется в подвижных гру-
грушевидный конверторах и не требует подво-
подвода тепла извне.
Принцип —см. рис. 4.27 [139].
Технология
Сырье — томасовский чугун, содержа-
содержащий: 3,4—3,8 % С; 0,25—0,5 % Si; 0,65—
1,3 % Мп; 1,7—2,0 % Р; 0,03—0,065 % S.
Охлаждение. Скрапом в количестве до
70 кг/т стали (при продувке воздухом).
Охлаждение рудой применяется реже
(слишком сильное охлаждение).
Окисление. Процесс окисления контроли-
контролируется следующими факторами (рис. 4.28)
[139]:
а) сродством примесей железа к кисло-
кислороду, активностью их окислов в шлаке,
моментом образования шлака и темпера-
температурой;
б) высокой скоростью удаления углеро-
углерода (см. 3.3.1.1);
Ш
Воздух* г
(Р=1,8-2,5ши)
Лроёубка
прекращена
tiшлаковоймельнице
наразливку
Рис. 4.27
/ — загрузка извести из известкового бункера; // — заливка чугуна из миксера в конвертор; 111 —
продувка воздухом; длительность 16—20 мин. Последовательность выгорания: кремний, марганец,
углерод, фосфор. Почти полиостью выгоревшие примеси железа переходят в шлак (за исключением
углерода), главные компоненты газового потока: азот, окись и двуокись углерода вместе с части-
частицами шлаиа и брызгами железа; продувка должна начинаться до установки конвертора в верти-
вертикальное положение, чтобы избежать проникновения чугуна в сопла; IV — слив шлака в шлаковый
ковш; V — доводка расплава; добавка ферромарганца, ферросилиция, зеркального чугуна н т. д.
в жидком или твердом виде; VI — выпуск стали в разливочный ковш
411
в) началом окисления фосфора в так на-
называемой точке перехода (см. 3.4.1.4), т. е.
в тот момент, когда удаление углерода
почти закончено и в наличии .оказывается
достаточное количество FeO для расплав-
расплавления извести и окисления Р.
Шлак. До «точки перехода» нет активно-
активного шлака. Первичные продукты окисления
(SiO2, MnO) поглощаются еще не раство-
растворившейся кусковой известью. Только к
моменту «перехода» образующаяся FeO
оказывается в контакте с твердой известью
(вследствие окончания окисления углеро-
углерода) и может служить флюсом. Температу-
Температура к этому моменту достигает 1450 °С. При
растворении извести образуется так назы-
называемый собирательный шлак, который
связывает Р и окончательный состав кото-
которого соответствует ~50 % СаО и 20—25 %
Р2О5. Применяется как удобрение (томасов-
ская мука).
Недостатки томасовского процесса:
1) ограниченная масса загружаемой
шихты (<70 т) и соответственно ограни-
ограниченная производительность;
2) ограниченная применимость получае-
получаемой стали из-за повышенного содержания
N и Р;
3) большое количество отходящих газов
и пыли (охрана окружающей среды);
4) пылеулавливание возможно только
при очень больших затратах.
Некоторое улучшение достигается при
обогащении дутья кислородом или исполь-
использовании смесей кислород — водяной пар,
кислород — двуокись углерода. Принцип
пиальные недостатки этого процесса устра-
устранить не удается.
Доля томасовского производства в миро-
мировом производстве стали [125 и 126]:
Год i960 1970 1985
(прогноз)
Доля, %...... 11,8 4,1 0
4.2.4.1.7. Кислородный конвертор
с нижним дутьем
Процесс выплавки стали, при котором
технически чистый кислород вместе с соот-
соответствующим жидким или газообразным
охлаждающим веществом продувается че-
через расплав чугуна (передельного или то-
томасовского) снизу, через расположенные в
днище конвертора фурмы.
Классификация — табл. 186.
Принцип. В днище конвертора распола-
располагаются охлаждаемые фурмы. Через фурмы
продувается кислород, сквозь кожух фур-
фурмы — охлаждающее вещество (рис. 4.29)
[125 и 126]:
а) охлаждающее вещество свободно по-
попадает в стальную ванну;
б) благодаря этому значительно снижает-
снижается температура в «пятне горения» (зоне
реакции кислорода с жидким металлом),
что делает принципиально возможным тех-
техническое применение этого метода (с точки
зрения стойкости футеровки);
в) по сравнению с классическим томасов-
ским процессом имеются следующие пре-
преимущества: возможность увеличения емко-
емкости конвертора (масса плавки до 200 т);
выплавляемая сталь имеет такие же ка-
качественные характеристики (содержание N,
Р, О, эксплуатационные свойства), как и
сталь, получаемая мартеновским или LD-
S,N2,%
0,08
0,07
0,06
0,05
0,03
0.0Z
0,01
0
4,0
3/3
IS
2,0
t,s
1,0
0,5
Sis
Мп
\
Х-
¦¦¦
\
\
S
"р-
\
\
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Врепя от начала продувщ пин
Рис. 4.28
ТАБЛИЦА 186
РО2,
Охлажда-
Охлаждающее ве-
вещество
Стой-
Стойкость
днища"*
Работающие
установки
Процесс QEK
3,5
(>96%)*
Жидкие
углево-
углеводороды
200
1X20 т
Процесс OBM-(Q-BOP)
6—10
12
То же
200
Процесс LWS
Жидкое
топливо
400
* В скобках — степень чистоты.
*• Число плавок.
6X25 т
(Sulzbach)
2X200 т
(Fairfield)
1X24 т
1Х19т
процессом; меньшее количество отходящего
газа; более благоприятные условия для
улавливания пыли; значительно более спо-
спокойный ход продувки (возможность значи-
значительного увеличения массы загрузки, козлы
в фурмах не образуются); значительно
большая стойкость днища;
г) при переработке фосфорсодержащих
чугунов этот метод имеет следующие пре-
преимущества по сравнению с верхним кисло-
кислородным дутьем: меньшее количество шла-
шлака; меньшее содержание окиси железа в
шлаке; при работе с одним шлаком дости-
достигается меньшее содержание Р в стали
(меньшая продолжительность процесса, по— ¦
вишенное извлечение Fe); меньшие потери,
железа.
412
Технология
Сырье—фосфорсодержащие сорта чу-
чугуна.
Охлаждение — сад. Принцип.
Шток в ванну стали
Рис. 4.29
Охлаждающее
вещество
Окисление — аналогично томасовскому
процессу (рис. 4.30) [125, 126]. Скорость
окисления фосфора выше, чем в томасов-
ском конверторе.
Перспективы:
а) возможно переоборудование действу-
действующих томасовских конверторов при не-
небольших затратах и за короткое время;
C,Si,Mn,P,%
3,0
ZJ5
2J0
0,5
s
>—
—
)—
р
"V
"Г
\
N
\
МП
в конце
процесс
0,020'%(
0,OSO%\
?:
In
i
0,024% S
0,007% N
1
Г%
-
n"
e1
7к,
¦4,3 -
^7
60
50
40
30
20
10
О Z 4 6 8 10 12
Время от начала продувщ мин
Рис. 4.30
б) реконструкция мартеновских цехов,
перерабатывающих жидкий чугун (замена
мартеновских печей конверторами с ниж-
нижним дутьем), позволит значительно увели-
увеличить выпуск стали при относительно не-
небольших затратах на материалы и неболь-
небольших капиталовложениях;
в) на кислородных конверторах с ниж-
нижним дутьем достижение более высокой
производительности, чем при использова-
использовании конверторов с верхним дутьем;
г) в результате быстрого переоборудова-
переоборудования томасовских конверторов и строитель-
строительства новых установок количество стали,
выплавленной в конверторах с нижним
дутьем, достигло в 1972 г. 8,8 млн. т
C2 установки).
В феврале 1973 г. в США введен в экс-
эксплуатацию первый сталеплавильный завод
с тремя крупными конверторами нижнего
дутья (по 210 т каждый) производитель-
производительностью 5,7 т в год. Ожидается дальнейшее
распространение этого метода.
4.2.4.2. Процессы изготовления
стали в подовых плавильных
печах
4.2.4.2.1. Мартеновский процесс
Процесс нагрева, плавления и окисли-
окислительной обработки твердого или жидкого
металлического сырья в пламенной (отра-
(отражательной) подовой печи, оборудованной
развитой системой регенерационных уст-
устройств. Процесс разработан инженерами
Сименсом и Мартеном.
Классификация
а. По способу эксплуатации на стацио-
стационарные и качающиеся печи.
б. По виду нагрева на печи с нагревом
мазутом; печи с нагревом мазутом и при-
природным газом; печи с нагревом смешанным
газом (с добавкой топлива и подогревом
воздуха); печи с нагревом генераторным
газом (устаревшие).
в. По способу ведения плавки на скрап-
процесс и рудный процесс. Скрап-процесс
подразделяется на скрап-рудный и скрап-
угольный (карбюраторный).
Принцип. Твердые и жидкие шихтовые
материалы загружают на плоский, вытяну-
вытянутый в длину под печи, где подвергают
тепловому воздействию факела и обрабаты-
обрабатывают кислородом. При этом шихта расплав-
расплавляется, происходит. окисление и ошлаковы-
вание нежелательных примесей, концентра-
концентрация которых, а также температура металла
доводятся к концу плавки до требуемых
значений. Факел образуется при горении
соответствующего вида топлива (см. Клас-
Классификация и 3.3). Работа ведется с пред-
предварительным подогревом воздуха.
Размеры печей: в настоящее время — до
900 т (СССР), чаще всего 100—400 т. На
рис. 4.31 [129] дан разрез современной
мартеновской печи.
Сырье. Передельный чугун, содержащий:
3,3—4,0% С; 1,0% Si; 0,8—1,5% Мп;
0,15—0,25 % Р; 0,050 % S.
Технология
Скрап-рудный процесс. В шихте большая
доля скрапа. Необходимое количество уг-
углерода вносится с твердым или жидким
чугуном (доля жидкой шихты 20—40 %)
из,доменной печи или из вагранки с горя-
горячим дутьем (увеличение производительно-
производительности мартеновской печи достигает 30%).
Необходимая для получения качествен-
качественного металла продолжительность окисли-
413
тельного периода плавки и содержание уг-
углерода определяются долей чугуна в ших-
шихте. Этот метод обычно применяют для вы-
выплавки углеродистых или низколегирован-
низколегированных сталей общего назначения.
Скрап-угольный процесс (карбюратор-
(карбюраторный). В шихте большая доля скрапа. До-
Добавка твердого чугуна не превышает 10 %.
Необходимое количество углерода добав-
добавляется в виде антрацита (кокса, кокильно-
кокильного боя).
При достижении достаточной степени
безуглероживания (см. 3.3.1.1.) при вы-
выплавке массовых сортов стали можно по-
получить удовлетворительные качественные
характеристики. При расплавлении боль-
большого количества скрапа происходит значи-
значительное насыщение серой (см. 3.3.1.5.).
Этот процесс применяют при недостатке
чугуна или при наличии особых экономи-
экономических условий.
Рудный процесс (с низкофосфористым
чугуном) с одной печью. Шихта: добавка
жидкого чугуна достигает 80 %. Осталь-
Остальное — руда, скрап, известь. В США при
загрузке чугуна в количестве, превыша-
превышающем 60 %, применяют кислородное дутье
через фурму, проходящую сквозь свод пе-
печи. При этом часовая производительность
300-т печи 40—45 т.
Наиболее экономичен состав шихты, в
котором чугуна ~ 60 % ¦ Добавки скрапа,
руды и извести определяются в зависимо-
зависимости от содержания Si и Р в чугуне. В ре-
результате активно протекающих реакций
(со вспениванием шлака) образуется пер-
первичный шлак, обогащенный Fe, Mn, Si, P
(«сбегающий»). После добавки извести и
руды плавка идет по обычному режиму
(кипение ванны и доводка стали). Процесс
применяют главным образом для произ-
производства массовых сортов стали.
То же, но с окислительной и доводочной
печами.
Шихта такая же, как и при процессе в
одной печи.
Предварительное окисление в конверто-
конверторах с кислой футеровкой (США). Предва-
Предварительная обработка кислородом в ковше
или миксере (Европа). Существующие аг-
агрегаты для предварительного окисления по-
постепенно вытесняются более современными
из-за высокой стоимости установок и само-
самого процесса.
Рудный процесс (с высокофосфористым
чугуном), например процесс Хеш.
Шихта: доля фосфорсодержащего чугуна
B % Р; 0,6 % Si) в шихте составляет
80 %. Побочный продукт плавки — шлак,
содержащий 16—18 % РгОв-
Особенности технологии: загрузка и про-
прогрев руды и извести в стационарной печи.
Загрузка чугуна. Выпуск. Отделение высо-
высокофосфористого шлака. Загрузка печи
скрапом, рудой и известью; выпущенный
чугуи заливается снова в печь и расплав
окончательно окисляется.
Расход материалов при различных мар-
мартеновских процессах [62]—табл. 187.
Конструкция — см. рис. 4.32.
а. Применение мартеновской печи кон-
конструкции Мэрца — Болеиса дает значитель-
значительные преимущества (рис. 4.32) [1391 — боль-
большая долговечность свода, лучшая передача
/////////////////Л
РИС 4.31
/ — рабочее пространство печи; 2 —воздушная камера; 3 — газо-мазутная горелка (включенная);
4 — то же (выключенная): 5 — газовоздушная шахта; 6 —воздушный каиал; 7 —кацап отходящего
газа; в — шлаковоз; 9 — подвесной свод; /0 — летка; И — выпускной желоб
414
ТАБЛИЦА 1В7
Показатели, кг-<г ' стали
Расход чугуна
Содержание железа в шлаке, % • •
То же в гранулах, %
Содержание кислорода и примесей в
скрапе-, 7о
Металлические присадки
Расход руды
Остатки в литейных (разливочных)
канавах
Процесс
скрап-рудный
200—500
30—50
110—150
15—20
16—30
15—22
4—6
20—30
15—40
30—40
88,5—91,5
рудный
600—750
40—70
200—300
15—25
30—60
45-57
3—4
15—20
70—150
30—40
84,5—89,5
скрап-угольный
30—45
100—120
15—20
15—25
4—6
15-20
15—25
30—40
89—92
• Данные приведены для заводского (оборотного) скрапа; содержание О2 н количество приме-
примесей в покупном скрапе выше.
Рис 4.32
а — традиционный про-
профиль; б — по Мэрцу—Бо-
леису
тепла расплаву, снижение расхода топлива,
повышение производительности печи.
б. Конструкции горелок. Виды головок
горелок мартеновской печи показаны иа
рис. 4.33 [139].
в. Сегментная конструкция. Строитель-
Строительство современных мартеновских печей ве-
ведется из предварительно собранных блоков
(сегментов). Сегменты могут быть быстро
установлены и смонтированы, что значи-
значительно сокращает продолжительность ре-
ремонтных работ. Для разборки старой печи
и строительства новой требуется при бла-
В
Рис. 4.33
с —вихревая газо-воздушиая горелка (/ — воздух: г —газ); б —головка Мэрца (/—ванна; 2—газ)}
е — одношахтиан головка (новая конструкция); мазутное отопление
Рис. 4.34
415
гоприятных условиях не более 10 дней.
г. Свод печи (рис. 4.34) [139}: замена са-
самонесущего (да опорах) свода подвесным
(например, трапециевидным) дает значи-
значительный эффект, в частности, облегчается
ремонт, повышается долговечность свода и
появляется возможность изготовлять его
из кирпичей одного формата.
Перспективы. Доля мартеновской стали
в мировом производстве за последние чет-
четверть века снизилась (см. 4.2.4) из-за опе-
опережающего развития конверторного произ-
производства. Так как мартеновские печи позво-
позволяют перерабатывать очень большое коли-
количество скрапа, этот метод сохранит свое
значение в странах, где образуется боль-
большое количество металлолома. Перспектив-
Перспективное направление развития мартеновского
процесса — подача килорода в потоке хо-
холодного газа в ванну через фурмы, встро-
встроенные в стены печи. Таким методом иа од-
одном из сталеплавильных заводов США бы-
была сокращена продолжительность плавки
на 225-т печи с 6 до 3 ч и увеличено годо-
годовое производство стали с 1 до 2,25 млн. т
[137J.
4.2.4.2.2. Плавка стали в электропечах
(общие представления)
Процессы производства стали, при кото-
которых электрическая энергия превращается в
тепловую и используется для достижения
и поддержания требуемой температуры
процесса.
Классификация. Электропечи подразделя-
подразделяются на дуговые, индукционные (печи по-
повышенной частоты и печи промышленной
частоты), печи с графитовыми элементами
сопротивления.
4.2.4.2.3. Плавка стали в дуговых печах
Принцип
а. В дуговой печи электрическая энергия
преобразуется в тепло, которое передается
металлу и шлаку посредством теплопровод-
теплопроводности и излучения.
б. Высокая температура дуги и хорошая
регулируемость электрической энергии по-
позволяет обеспечить любой заданный темпе-
температурный режим плавки.
в. В зависимости от выбранного состава
шлака в печи можно вести как окислитель-
окислительную, так и восстановительную плавку.
г. Отсутствует вредное воздействие горю-
горючих газов.
д. Для ускорения процессов окисления
возможно применение кислородного дутья.
е. Легко выполнима смена шлака.
ж. Лучше используются легирующие эле-
элементы.
з. Загрузка производится преимуществен-
преимущественно твёрдой шихтой (скрап).
На рис. 4.35 дана схема, иллюстрирую-
иллюстрирующая принцип действия дуговой печи [54].
Технология
Шихта — легированный или нелегирован-
нелегированный скрап в зависимости от метода плав-
плавки. Если плавка ведется без окислительно-
окислительного периода, содержание фосфора должно
быть низким.
Охлаждение — при помощи скрапа
(обычно после обработки кислородом) для
корректировки температуры перед выпус-
выпуском.
Окислительный период плавки. Удаление
примесей железа С, Si, Mn, P, S (см; 3.3),.
Рис. 4.35
Дегазация и выделение неметаллических
включений (см. 3.3 и 3.6). Благоприятное
воздействие иа эти процессы оказывает
энергичное кипение расплава. Для этого
требуется повышенное содержание углеро-
углерода в ванне (оно убывает при кипении на
0,3—0,4 %), присадка руды и извести, об-
образование жидкотекучего окислительного
шлака, быстрый подъем температуры, про-
продувка расплава кислородом.
Восстановительный период плавки.
Цель — снижение содержания кислорода и
серы. Осуществляется скачиванием окисли-
окислительного шлака, проведением предваритель-
предварительного раскисления (осаждающее раскисле-
раскисление— см. 3.3.2.2 — с использованием зер-
зеркального чугуна, FeMn, FeSi, MnSi), наве-
наведением восстановительного шлака из изве-
извести и плавикового шпата. При дополни-
дополнительной добавке гранулированных FeSi,
CaSi или А1 из восстановительного шлака
образуется белый шлак (см. 3.5), при до-
добавке кокса — карбидный шлак. Растворен-
Растворенные в металле окислы и сера диффундиру-
диффундируют в шлак, где восстанавливаются и свя-
связываются (диффузионное раскисление, см.
3.3). При увеличении длительности восста-
восстановительного периода повышается содер-
содержание водорода в шлаке (см. 3.6).
Легирование. Элементы с меньшим срод-
сродством к кислороду (см. 3.1) вводятся прн
загрузке печи, а с большим сродством к
кислороду — после раскисления стали (на-
(например, Si, AI, Ti, Zr, Mo). Углерод добав-
добавляют после скачивания окислительного
шлака (одновременно с раскислением).
Раскисление. Предварительное раскисле-
раскисление (осаждающее) после окончания окис-
окислительного периода плавки, диффузионное
раскисление в восстановительном периоде
и окончательное раскисление (дальнейшее
удаление кислорода из ванны с помощью,
например, добавки А1 — незадолго до вы-
выпуска, осаждающее раскисление).
Варианты процесса
Начальный период плавления. Наиболее
энергичное окисление происходит во время
расплавления или непосредственно после
416
расплавления. Состав корректируется леги-
легирующими присадками.
Переплав. Процесс с максимальным из-
извлечением металла из легированного скра-
скрапа в восстановительных условиях непосред-
непосредственно после расплавления или с корот-
коротким периодом кипения (без дефосфора-
ции).
Дуплекс-процесс. В одной из плавильных
печей (мартеновской, томасовском конвер-
конверторе, электрической) проводят расплавле-
расплавление, окисление, частичную или полную де-
фосфорацию и обычно раскисление. Затем
металл переливают в дуговую печь, где
уже находится расплавленный легирован-
легированный скрап, и окончательно доводят плавку
в этой печи.
Смешанный процесс. Смешивают распла-
расплавы, выплавленные и металлургически обра-
обработанные в различных печах. Смешивание
производят в ковше или в одной из печей.
Кислый процесс в дуговой печи. Имеет
преимущественное значение для стального
фасонного литья и переплава. Кислая фу-
футеровка и кислый шлак (до 60 % БЮг).
Присадка руды вызывает кипение распла-
расплава. Затем раскисление, легирование и вы-
выпуск.
Процесс с черным шлаком. Проводится
в дуговых печах большой емкости (до
500 т). Включает плавление и окислитель-
окислительную обработку (аналогично мартеновскому
процессу) без заключительного восстанови-
восстановительного периода. Применяется для произ-
производства массовых сортов стали.
Индукционное перемешивание. Для уско-
ускорения процессов раскисления и удаления
серы в восстановительном периоде плавки
создается движение расплава под действи-
действием электромагнитного поля (вместо меха-
механического перемешивания). С этой целью
под ванной располагается индуктор. Эконо-
Экономия времени в восстановительном периоде
составляет до 30 мин. Достигается быстрое
и равномерное распределение легирующих
элементов по объему расплава. Выравнива-
Выравнивание температуры облегчает скачивание шла-
шлака после окислительного периода.
Высокомощные печи УВМ (ультравысо-
(ультравысокой мощности). Печи, к которым подводит-
К.п. д. при плавлении, %
SO 75
If
О 100 200 300 400
Максимальная подВовимая
теплобая мощность, Ю'ккал/Сч-т)
Рис. 4.36
А — нормальная мощность; В — высокая мощ-
мощность; В — высшая мощность; 1 — печи ГДР;
2 — печь СССР. 100 т; 3 — печь СССР, 200 т
ся очень большая мощность. Классифика-
Классификация дуговых печей по мощности (рис. 4.36)
[136], кВт/т:
110—220 (пода-
(подаваемая мощ-
мощность)
220—320 (мощ-
(мощность трансфор-
А
1
X
Б
X /
о 2
• 3
в
1
Нормальной мощности
Высокой мощности
Наивысшей мощности
матора)
320—500
12
1Z
Рис. 4.37
/ — рабочая камера печи; 1 — опорный сектор; 3 — гидравлический привод ме-
механизма наклона; 4 — электрододержатели; 5 — электроды; 6 — сливной иосок;
7 — сводовое кольцо; в — установка пылеулавливания: 9 — загрузочная бадья;
10 — короб для печного шлака; // — разливочный ковш; 12 — короб для шла-
шлака из ковша; 13 — короб для мусора
27—140
417
В печах наивысшей мощности продолжи-
продолжительность процесса расплавления составля-
составляет 1—1,5 ч (ие более 2 ч).
Конструкция — см. рис. 4.37 [131], схема
дуговой печи.
Доминирующим среди электрометаллур-
электрометаллургических методов производства стали явля-
является процесс выплавки стали в основной
дуговой печи. Это лучший метод производ-
производства высококачественных сталей. При уве-
увеличении емкости печей (до 500 т) может
составить конкуренцию мартеновскому про-
процессу в производстве сталей массового по-
потребления. Мировое производство электро-
электростали постоянно растет, но его доля в об-
общем производстве стали увеличивается
медленнее.
Доля электростали в мировом производ-
производстве: 1971 г.—14,5%, 1980 г. —20—25%.
4.2.4.2.4. Индукционные печи
(бессердсчниковые)
Печи повышенной частоты
Принцип —см. рис. 4.38 [139].
а. К индуктору подводится переменный
ток частотой 6000—10 000 Гц.
Рис 4.38
1 — свод печи; 2 — индуктор; 3 — кожух;
4 — шихта (вторичная обмотка); 6 — огне-
огнестойкая футеровка; 6 — подвод электро-
электроэнергии и охлаждающей воды
б. Рабочим пространством является ти-
тигель (вместимостью до 15 т).
в. Переменное электромагнитное поле ин-
индуктора индуцирует в расплаве вихревые
токи; при этом электрическая энергия пре-
превращается в тепло.
г. Применяется твердая шихта.
Д. Шлак нагревается от расплавленного
металла.
е. Достоинства процесса — интенсивное
движение (перемешивание) ванны, отсут-
отсутствие опасности науглероживания, отсут-
отсутствие контакта с топливными газами, хоро-
хорошие возможности регулирования темпера-
температуры.
Индукционные печи эффективны при пе-
переработке высоколегированных отходов,
так как потери легирующих элементов »
них значительно меньше, чем в дуговых вез
чах. Этим методом можно получать особо
мягкие стали, поскольку не происходит
науглероживания от электродов. Применя-
Применяются для выплавки высококачественных
сталей (иногда как вакуумные индукцион-
индукционные печи) и в литейном производстве. По-
Поскольку трудно обеспечить стойкость ос-
основной футеровки, дефосфорация и десуль-
фурация невозможна. Из-за этого возмож-
возможности метода ограничиваются переплавом
шихты с низким содержанием Р и S. Шла-
Шлаковые реакции не происходят (относитель-
(относительно холодный шлак) (см. 3.5.).
Печи промышленной частоты
Особенности (по сравнению с установка-
установками повышенной частоты).
— Использование тока нормальной ча-
частоты, преобразования не требуются.
— Емкость тиглей: для чугуна — до 30 т,
для стали — до 8 т.
— Возможность переплава стружки.
— Более интенсивное движение жидкого
металла.
4.2.4.2.5. Печи сопротивления
с графитовыми нагревателями
Принцип (рис. 4.39) [139]:
а. В графитовом стержне, по которому
течет переменный ток, происходит преобра-
преобразование электрической энергии в тепло, ко-
которое передается расплаву посредствбы из-
излучения.
n\\\\\\\\\\\\w
Рис. 4.39
/ — графитовый стержень; 2 — расплав
б. Возможно быстрое плавление металла
в восстановительной атмосфере (рабочий
объем печи может быть герметизирован).'
в. Вследствие этого уменьшаются 'потери
металла на угар.
г. Печи используются для выплавки быст-
быстрорежущей и инструментальной сталей, не-
нержавеющих и жаростойких сталей, а также
магнитных сталей. Преимущественна1 про-
проводится переплав; ведение плавки со шла-
шлаком практически невозможно.
4.2.4.2.6. Плавка в двухподовой
(двухванной) печи
Процесс производства стали, в котором
используются печи с двумя последователь-
последовательно расположенными подами, снабженные
регенераторными установками или без них.
418
Классификация: а) двухподовые печи с
регенераторами (например, печи в СССР
или печи Steelmastep); б) тандем-печи без
регенераторов (например, печи типа Мэрц).
4.2.4.2.7. Процес плавки в тандем-печи
Принцип
а. Двухподовая (двухванная) печь без
регенераторов.
б. На одном поду происходит окисление
газообразным кислородом, на другом —
предварительный нагрев твердой шихты
теплом, выделившимся на первом поду
(рис. 4.40) [40].
ПоОогред
Окисление
Рис. 4.40
В. После каждого выпуска металла по-
последовательность процессов изменяется на
обратную.
г. Печь, таким образом, состоит из двух
одинаковых камер, назначение которых пе-
периодически изменяется и которые поэтому
должны удовлетворять требованиям, предъ-
предъявляемым как процессом окислительной
плавки, так и процессом предварительного
нагрева скрапа.
д. В процессе используют жидкий чугун
и скрап. Возможно увеличение доли скрапа
в шихте до 43 % без его предварительного
нагрева. При дальнейшем увеличении доли
скрапа необходимо корректировать тепло-
тепловой баланс путем добавки топлива (мазут-
но-кислородные или газо-кислородные го-
горелки). Для переработки шихты, содержа-
содержащей очень большое количество скрапа, су-
щестэует двухподовая печь,, в которой обе
зоны обогреваются за счет топлива одно-
одновременно (рис. 4.41) [40]. В одной зоне
под действием факела, образующегося при
сгорании топлива в струе кислорода, про-
происходят плавление шихты и доводка плав-
плавки. Образующиеся при этом газы с темпе-
температурой 1600 °С направляются на подогрев
скрапа, расположенного во второй зоне.
Дополнительный нагрев скрапа осущест-
осуществляется за счет сжигания топлива.
Тандем-печи выполняются в качающемся
(для скачивания шлака) и стационарном
вариантах.
В результате дожигания окиси углерода
в печи достигается высокая производитель-
производительность. Согласно полученным в СССР опыт-
опытным данным продолжительность плавки в
двухпоДовой печи при емкости каждой ван-
27*
ны 300 т составляет 2 ч. Продолжитель-
Продолжительность плавки в мартеновской печи такой
же емкости F00 т) составляет 10 ч, т. е.
производительность двухванной печи в 2—
2,5 раза выше. Кроме того, меньше расход
топлива и огнеупорных материалов [137].
Мазут+ВоздухG5О°С)
Рис. 4.41
/ — рекуператор
4.2.4.2.8. Плавка в плазменной печи
Процесс производства стали, при кото-
котором между катодом и загружаемым мате-
материалом образуется плазменная дуга, обес-
обеспечивающая ускоренную передачу тепла
ванне, находящейся в атмосфере защитного
газа и не подвергающейся науглерожива-
науглероживанию.
Принцип — рис. 4.42 [49].
Рис. 4.42
1 — затвор выпускного канала;
2 — подовый (донный) электрод;
3 — уплотняющий песочный затвор;
4 — перемешивающая катушка
В печах большой емкости E—10 т) пре-
предусматриваются боковые горелки (плазмо-
(плазмотроны) [61]. Плазменный факел создает
рабочую температуру 15 000—20 000 "С
(максимальная температура дуги в обыч-
обычных электропечах составляет 3500 СС). Это
обусловливает относительно высокую про-
производительность плавильной печи.
Газ, находящийся в рабочем простран-
пространстве печи (как правило, аргон), ионизиру-
4Т9
ется дугой постоянного тока. Образуется
плазменный факел длиной 1—1,5 м (в 10-т
печи), который расплавляет скрап и пред-
предохраняет легирующие элементы от окисле-
окисления. Благодаря отсутствию графитовых
электродов устраняется эффект науглеро-
науглероживания ванны, что имеет большое значе-
значение при изготовлении самых мягких сталей.
Огнеупорная футеровка печи подвергается
действию сильных термических нагрузок.
' Процесс, в смысле промышленного ис-
использования, находится в стадии разра-
разработки.
4.2.5. Процессы
непрерывного производства
стали
Процессы производства стали, при кото-
которых жидкий чугун, скрап, губчатое железо,
присадки и окислители загружают в сталь-
плавильную печь непрерывно в противопо-
противоположность периодическим процессам, кото-
которые до настоящего времени обеспечивают
практически все производство стали. Соот-
Соответственно непрерывно выпускается и гото-
готовая сталь, которая затем попадает в маши-
машины непрерывного литья заготовок.
Классификация — см. табл. 188.
а. BISRA-процесс. Струя жидкого чугуна
при падении распыляется кислородом. На-
Навстречу каплям чугуна вдуваются известь
н флюсы. Реакции окисления проходят пре-
преимущественно в падающей струе (диаметр
капель ~-1 мм). В приемной емкости про-
происходит разделение металла и шлака (рис.
4.43) [129].
б. VOEST-процесс. Падающая струя чу-
чугуна разбивается на капли боковым пото-
потоком газа. Присадки добавляются в газо-
газочугунную суспензию. Металл отделяется от
шлака в подовой печи (рис. 4.44) [129].
в. IRSID-процесс. Непрерывно поступаю-
поступающий чугун окисляется путем продувки из-
вестково-кислородной смесью и добавки
руды. Образующаяся при этом вспененная
дисперсная смесь металл — шлак — газ по-
поступает во вторую ванну, где происходит
разделение металла и шлака. Затем в лот-
лотковой индукционной печи металл гомогени-
гомогенизируется, раскисляется и легируется (рис.
4.45) [129].
ТА БЛИЦА 188
Рис. 4.43
1 — присадки; 2 — неподвижная реакционная ка-
камера; 3 — приток воздуха: 4 — слив шлака; 5 —
подвижный ковш; б — отходящий газ; 7 — поток
кислорода; 8 — подача металла
Рис. 4.44
/ — чугун; 2 — разбрызгивающий поток газа; 3 —
шлак; 4 — к металлоприемиику; 5 — отходящий
газ; 6 — присадки
г. NRIM-процесс. Жидкий чугуи обдува-
обдувается кислородом или кислородио-известко-
вой смесью в трех следующих одна за
другой ваннах, поступая в них последова-
последовательно (рис. 4.46) [129].
1-й каскад: выгорание Si, частичное вы-
выгорание СиР.
Процесс
Разработчик
Процесс окисления распылени-
распылением
Дисперсионный процесс ме-
металл — шлак — газ
Каскадный процесс
Желобковый процесс
Процесс с противотоком
BISRA (Британская ассоциация железа и стали)
VOEST (Объединение австрийских заводов по произ-
производству чугуна и стали) ,- '
IRSID (Французский исследовательский институт черной
металлургии)
NRIM (Национальный исследовательский институт- ме-
металлов, Япония)
Bethlehem Steel Corporation (США)
а) WORCRA (Conzine Rio Tinto of Australia);
б) метод противотока с электромагнитным желобом
(ФРП
420
2-й каскад: удаление остатков С и Р.
3-й каскад доводка расплава.
д. Желобковый процесс. Чугун протекает
со скоростью 30 см/мин по рабочему прост-
пространству печи, имеющему форму желоба, и
обдувается кислородом или смесью кисло-
Рис. 4.45
I — кислород и известь; 2 —охладитель (руда):
3 — чугуи; 4 — реактор; 5 — разделительная ван-
иа; 6 — шлак; 7 — сталь; 8 — газ
рода с известковой пылью. Металл и шлак
выпускают из печи совместно (рис. 4.47)
е. WORCRA-процесс. Твердый чугун и
губчатое железо расплавляются в электро-
электропечи. Постоянно добавляемый твердый ме-
металл вытесняет жидкий металл в реакцион-
реакционную камеру. Там при помощи наклонно
установленных фурм проводят окисление
металла при одновременной добавке изве-
извести и флюсов. Используется принцип про-
противотока: сталь движется справа налево,
а шлаки — ей навстречу.
ж. Процесс с противотоком (ФРГ). За-
Загружаемый чугун перемещается по проти-
воточному электромагнитному желобу (с
огнеупорной футеровкой) в тигель, где про-
производится его окисление кислородом (при
добавке присадок). Шлак и горячие отхо-
отходящие газы протекают вниз навстречу по-
потоку металла. Прн этом удаление Si и ча-
частично Р происходит уже в желобе. Шлак
и чугун нагреваются при догорании СО.
Содержание FeO в шлаке снижается, из-
извлекаются корольки железа (рис 4.48)
[129].
Рис. 4.46
/ — фурмы; 2 — чугун; 3 — шлак; 4 — сталь; 5 —
перегородка для отделения шлака; 6 — отходящий
газ
Рис. 4.47
а — поперечное сечение установки; б — продольный разрез (/ — фурмы Ог; 2 — вы-
выпуск металла и шлака; 3 — металл; 4—шлак; fi — впуск металла; 6 — фурма для
присадок; 7 — отходящий газ)
421
Рис. 4.48
/ — отходящий газ; 2—шлак;
3 — дозирующий участок;
4 — электромагнитный про-
тивоточвый лоток> 5 — подъ-
подъемный участок; 6 — металло-
приемник; 7 — сталь; 8—при-
8—присадка; 9 — продувочная фур-
фурма; 10 — фурмы для дожи-
дожигания
Все процессы непрерывного производства
стали находятся еще в стадии промышлен-
промышленной доработки. Их характеристика приве-
приведена в табл. 189.
ТАБЛИЦА
Процесс
BISRA
VOEST
IRSID
NRIM
Bethlehem
WORCRA
BRD
/89
g fi
at « н
о eg n
1958
1963
1964
1966
1961
1964
ell
35
35
20
8
5
7
10—30
CJ
4°
88
89
—
—
? О Од
""о
60—70
40
17—34
—
Исследовательские работы, выполняемые
в ведущих сталепроизводящих странах с
начала 60-х годов, приводят к совершенно
различным техническим решениям. Исполь-
Использование непрерывных процессов производ-
производства стали даст такие преимущества, как
экономия капиталовложений, снижение се-
себестоимости, лучшие возможности для ав-
автоматизации производства и применения
непрерывной разливки стали, а также бо-
более высокая чистота стали.
ТАБЛИЦА 190
4.2.6. Методы
дополнительной обработки
стали, выплавленной
обычным способом (общие
представления)
Методы интенсификации необходимых
металлургических реакций посредством спе-
специального переплава полупродуктов, ваку-
вакуумной обработки жидкой стали, продувки
газами или использования метода шлако-
шлаковых реакций с целью повышения степени
чистоты и эксплуатационных свойств стали.
Классификация. Специальные методы пе-
переплава: а) в вакуумной дуговой печи;
б) в вакуумной индукционной печи;
в) в многокамерной электроннолучевой пе-
печи; г) в установке электрошлакового пере-
переплава.
Специальная обработка жидкой стали:
вакуумная (дегазация в ковше; дегазация
струи металла при разливке; дегазация
порциями); продувка газами (например,
инертным газом — Ar, N); применение шла-
шлаковых реакций (например, метод Перрека).
4.2.6.1. Специальные методы
переплава (общие представления)
Технология. Особенности методов спе-
специального переплава приведены в табл. 190.
Показатели
Вакуумная индукцион-
индукционная печь
Вакуумная
дуговая печь
Электроннолуче-
Электроннолучевая печь
Установка элек-
электрошлакового
переплава
Шихтовые м
териалы
Легирование
Температур-
Температурный режим
Легированный или нелегированный
скрап, ферроспавы, черновые лнга-
туры
Черновые лига-
лигатуры
Возможно во время
плавки, легирующие
элементы распределя-
распределяются равномерно
Ограничен со стороны
высоких температур,
но хорошо поддается
регулировке; распре-
ление температуры в
расплаве примерно
равномерное
Легирование во
время плавки
нецелесооб-
нецелесообразно
Температура
дуги — высо-
высокая, регулиро-
регулированию не под-
поддается
Пока
можно
кевоз-
В зоне дейст-
действия электрон-
электронного пучка тем-
температура высо-
высокая, возможен
перегрев шихты
Черновые лига-
лигатуры
Невозможно
Максимальная
температура н
возможность ре-
регулирования ог-
ограничен ы
422
Продолжение
Показатели
Вакуумная индукцион-
индукционная печь
Вакуумная ду-
дуговая печь
Электроннолуче-
Электроннолучевая печь
Установка элек-
электрошлакового
переплава
Максималь-
Максимальная масса слит-
слитка
Поверхность
слитка
Источник тепла
Рабочее давле-
давление
Материал тиг-
тигля, возмож-
возможность реакций
Шлаковые
акции
ре-
Расход энергии
Производи-
Производительность
Эффект дегаза-
дегазации
То же
Эффект испаре-
испарения
Зависит от объема за-
загрузки, возможно
~50т
Как при обычных ме-
методах разливки, а
возможно и лучше,
так как нет окисления
Индуцируемый ток
10~3 мм рт. ст. и мень-
меньше; ограничивается
из-за стойкости тигля.
Возможно примене-
применение защитного газа
Керамический тигель,
реакции неизбежны
В принципе возможны
~4 кВт-ч/кг
Сильно зависит от
размера печи; 0,3—
5 т/ч
О2 — ограничено реак-
реакцией с материалом
тигля
Н2 — примерно до
равновесия
N2— условно
~50 т, возмо-
возможен непрерыв-
непрерывный выпуск
Технически при-
пригодная поверх-
поверхность слитка
Электричес-
Электрическая дуга
Ю-2 мм рт. ст.;
ограничивает-
ограничивается стабильно-
стабильностью дуги. Воз-
Возможно приме-
применение защитно-
защитного газа
Водоохлаж-
даемый медный
кристаллиза-
кристаллизатор
Невозможны
~1 кВт -ч/кг
В больших ус-
установках до
2 т/ч
Возможны низ-
низкие значения
при двойном
переплаве
Приблизитель-
Приблизительно до равнове-
равновесия
Зависит от мар-
марки стали
•18 т
Технически при-
пригодная поверх-
поверхность слитка
Поток электро-
электронов
Ю-3 мм рт. ст.
и меньше
Водоохлаж-
даемый медный
кристаллиза-
кристаллизатор
Невозможны
1—2 кВт-ч/кг
До 1,2 т/ч
Минимальные
значения
Приблизитель-
Приблизительно до равнове-
равновесия
Зависит от мар-
марки стали
Потерн тяжелых металлов на испарение увеличива-
увеличиваются от метода к методу в порядке записи слева на-
направо. Самые большие потери — в электроннолучевой
печи, ио там же достигается и наибольшая эффек-
эффективность испарения остаточных примесей
-50 т
Очень хорошая
Нагрев ' сопро-
сопротивлением
760 мм рт. ст.,
возможно при-
применение защит-
защитного газа
Водоохлаж-
даемый медный
кристаллиза-
кристаллизатор
Являются прин-
принципом метода
~ 1 кВт-ч/кг
В больших ус-
установках 1,2—
2 т/ч
Значительное '
снижение из-за
вымывания
окислов
Неясно
Неясно
Практически
отсутствует
Методы специального переплава оказыва-
оказывают следующее влияние на структуру и
свойства стали [49]:
а) .. улучшение структуры — уменьшенное
количество включений; более благоприят-
благоприятное . их распределение; уменьшенное содер-
содержание газов; уменьшенное содержание вред-
вредных примесей; большая плотность; более
высокая однородность после термической
обработки.
б) улучшение свойства — улучшенная де-
деформируемость; лучшая структура после
деформации; хорошая полируемость; отсут-
отсутствие выкрашиваний поверхности; повышен-
повышенные значения механических свойств (удар-
(ударной вязкости, усталостной прочности н др.);
уменьшение брака по флокенам и волосовн-
нам (см. 3.6).
Данные о содержании газов [46] в элект-
электростали, выплавленной в различных лечах,
приведены в табл. 191.
423
ТАБЛИЦА 191
Печь
Содержание газа, %
Вакуумная индукционная
Вакуумная дуговая, загрузка материа-
материалом, выплавленным в открытой печи .
Вакуумная дуговая печь, загрузка мате-
материалом, выплавленным в вакуумной ин-
индукционной печи
Электроннолучевая печь
Установка электрошлакового переплава
0,0004—0,002
0,0006—0,003
0,0001—0,0005
0,002
0,001—0,005
<0,0001
0,00005—0,0002
<0,0001
0,0001
0,00015—0,0003 Зависит
0,0003^0,005
0,0015—0,005
0,0002—0,002
0,003
от типа
сплава
Доля стали, обработанной методами спе-
специального переплава, в передовых промыш-
промышленных странах составляет немногим более
1 %. Постоянно растет применение этих ме-
методов для производства высококачественных
сталей, использование которых дает значи-
значительный экономический эффект.
4.2.6.1.1 Процес переплава
в вакуумной дуговой печи
Процесс специального переплава в ва-
вакуумной дуговой печн состоит в том, что
длинный слиток качественной стали (элект-
(электрод) плавится в вакууме под действием ду-
дуги между электродом и ванной жидкого
металла и затем вновь затвердевает в водо-
охлаждаемом медном кристаллизаторе.
Схема процесса плавки показана на рис.
4.49 [139].
Особенности процесса
а. Горячекатаные электроды различных
профилей расплавляются в приемнике ме-
Jill
Ж1
Рис. 4.49
/ — электрододержатель; 2 — саморасплавляющий-
саморасплавляющийся электрод; 3 — к вакуумному насосу; 4 — сли-
слиток- 5 — тигель; 6 — вода; 7 — электрическое на-
напряжение
талла дугой постоянного тока A50—200 В,
1—32 кА) в вакууме A0~2 мм рт. ст.).
б. Сталь кристаллизуется в водоохлаж-
даемой медной изложнице.
в. Сталь не перемешивается со шлаком и
огнеупорными материалами и поэтому не
загрязняется экзогенными примесями.
г . Максимальная масса выплавляемых
слитков составляет в настоящее время 50 т
(при продолжительности переплава 54 ¦ ч,
т. е. при производительности ~ 1 т/ч) [49].
Достоинства и недостатки метода пере-
переплава в вакуумной дуговой печи [49]
Достоинства;
— Отсутствие реакции с тиглем; можно
плавить любые металлы.
— Вследствие особенностей процесса за-
затвердевания получаются плотные слитки,
без признаков ликвации
— Возможность раскисления соответству-
соответствующими присадками.
— Из-за невысокого вакуума в зоне дуги
относительно малы потери на испарение
(например, марганец 15—20 %, хром 2—
3 %)•
— Возможно изготовление крупных слит-
слитков для поковок.
— Высокая степень использования энер-
энергии.
Недостатки:
— Необходимость использования однород-
однородных и электропроводящих расплавляемых
электродов.
— Переплав кусков, порошков или скра-
скрапа невозможен. Сплавы должны быть гото-
готовы заранее.
— Дегазация стали-ограничена, так как
время пребывания в жидком состоянии ма-
мало и давление в зоне дуги относительно ве-
велико (Ю-1—10~2 мм рт. ст.).
— Постоянство состава слитков (их од-
однородность) определяется однородностью
расплавляемых электродов.
— Скорость плавления можно регулиро-
регулировать только в узких пределах, поскольку
она определяется силой тока, которая в
свою очередь зависит от диаметра слитка.
— Возможности очистки путем испарения
летучих элементов или соединений ограни-
ограничены. Испарившиеся элементы и соединения
конденсируются на стеиках тигля, что,-при-
что,-приводит к загрязнению наружного слоя
слитка.
— Нельзя прерывать процесс плавления.
— Неудовлетворительные условия для
наблюдения за процессом.
4.2.6.1.2. Переплав
в вакуумной индукционной печи
Процесс, отличающийся от переплава в
открытой индукционной печн тем, что он
проводится в вакууме.
424
. Схема вакуумной индукционной печи,
рассчитанной на 27 т жидкой шихты и 13,5 т
твердой, представлена на рис. 4.50 f49"|.
Эта установка имеет следующие особенно-
особенности:
Рис. 4.50
/ — выпускной ковш; 2 — шлакг 3—жидкая сталь;
4 — вакуумная камера; 5— разливочная тележка;
б т-. кокильный туннель: 7 — кокили; 8 — индукци-
индукционная печь; 9 — отходящий газ
а) продолжительность плавки 1,5—3 ч
при жидкой загрузке и 5 ч при холодной за-
загрузке;
б) вакуум 5-10~3 мм рт. ст.;
в) разливка производится в откачиваемой
камере с помощью разливочной тележки.
Достоинства и недостатки метода пере-
переплава в вакуумной индукционной печи
Достоинства:
-+¦ Плавление и разливка происходит в
одной установке. Возможно также прецизи-
прецизионное литье.
— Возможна разливка на слитке любой
величины. Переплавляемый металл может
быть быстро разогрет.
.^-Шихтовые материалы могут быть раз-
лнчиымн: скрап, окатыши, порошки, куско-
кусковые материалы н т. д.
— Садка печн может выдерживаться в
жидком состоянии настолько долго, насколь-
насколько это позволяют возможные реакции с
тиглем.
—'Перемешивание ванны достаточно для
дегазации и легирования.
- —Возможно легирование в процессе
плавки.
¦ — Последовательность легирования произ-
произвольна, но летучие элементы вводятся в
конце:
¦— Возможен отбор проб.
— Возможно измерение температуры.
— Благоприятные условия для раскисле-
раскисления углеродом и водородом.
—Благоприятные условия для десульфу-
рации испарением или диссоциацией соеди-
соединений серы, а также с помощью соответст-
соответствующих присадок, например водорода илн
металла с более высоким сродством к сере.
— Возможно внешнее действие при обра-
образовании мостиков или корки (разбивка ло-
ломиком).
— Хороший рабочий вакуум — примерно
10~3—10—* мм рт ст.
Недостатки:
— С повышением температуры усилива-
усиливаются реакции с материалом тигля.
— Разливка и затвердевание происходят,
как и при плавке без вакуума, поэтому
ликвация имеет аналогичный характер.
— Летучие компоненты сплавов испаря-
испаряются.
— Масса разовой загрузки печи в настоя-
настоящее время не превышает ~ 13 т; соответ-
соответственно ограничена и масса получаемых
слитков.
4.2.6.1.3. Переплав в многокамерной
электроннолучевой печи
Процесс специального переплава в вакуу-
вакууме, прн котором горячедеформированные
заготовки в виде стержней частично рас-
расплавляются электронным пучком и капли
расплава попадают в водоохлаждаемый кри-
кристаллизатор, где они затвердевают в ва-
вакууме.
Схема многокамерной электроннолучевой
печи дана на рнс. 4.51 [139], а принцип ее
действия — на рис. 4.52 [139].
Рис. 4.51
/ — плавильная камера; 2 — сопро-
сопротивления потоку газа; 3—промежу-
3—промежуточные камеры; 4 — камера излуча-
излучателя; 5 — излучатель; б — зона под-
поддержания высокого вакуума A0
мм рт. ст.); 7— аоиа сильного вы-
выделения газа из расплава A0 мм
рт. ст.)
Характерные особенности процесса
а. Электронный луч с высокой плотностью
энергии с' помощью отклоняющей системы
направляется частично на переплавляемый
стержень, частично на еще жидкую ванну
металла в кристаллизаторе (для достиже-
достижения необходимого перегрева).
б. Капли расплавленного металла попа-
попадают в медный водоохлаждаемый кристал-
кристаллизатор, где подвергаются кратковременно-
кратковременному перегреву и затем затвердевают на опус-
опускающемся слитке.
425
в. Очистка металла достигается путем
плавления его в вакууме и за счет пере-
перегрева.
г. Скорость плавления выбирают, исходя
из оптимального соотношения между каче-
качеством металла и производительностью печи.
Рис. 4.52
/ — механизм вытягивания слитка? 2 — головка
стойки (медная); 3 — медный кристаллизатор;
4 — приемник; 5 — механизм подачи переплавляе-
переплавляемой заготовки; 6 — переплавляемая заготовка; 7—
электронный луч; 8 — отклоняющая система; 9 —
вольфрамовый катод; 10 — излучатель; // — анод;
12 — магнитные лиизы; 13 — подающие ролики?
14 — водяное охлаждение; 15 — гайка; 16—шпин-
16—шпиндель; /7 —откачка
д. В ГДР выплавляют слнтки массой до
18 т при производительности 0,6—0,7 т/ч.
Достоинства и недостатки переплава в
многокамерной электроннолучевой печи [49]
Достоинства:
— Отсутствуют реакции с тиглем. Возмо-
Возможен переплав любых металлов и неметал-
неметаллов.
— Высокий рабочий вакуум 10"*—Ю-5 мм
рт. ст. обусловливает сильное дегазирую-
дегазирующее действие.
— Металл можно долго выдерживать в
жидком состоянии, так как подвод энергии
не зависит от подачи заготовки.
— Можно перегреть расплав.
— При вытягивании слитка в верхней
части кристаллизатора находится жидкий
расплав, что создает благоприятные усло-
условия для дегазации металла.
— Особый способ кристаллизации позво-
позволяет получать слитки со слабо выраженной
ликвацией.
— Переплавляемый материал может быть
различным: прутки, порошок, гранулы, ока-
окатыши, скрап и т. Д.
— Возможно производство крупных слит-
слитков, в том числе квадратного и прямоуголь-
прямоугольного сечений.
— Широкая возможность регулирования
мощности плавления.
— Высокая степень использования, энер-
энергии.
— Благоприятные условия наблюдения
за процессом.
Недостатки:
— Невозможен переплав сплавов, содер-
содержащих летучие компоненты.
— Переплавляемые заготовки должны
уже иметь требуемый состав.
— Крупнокристаллическая литая структу-
структура выплавленных металлов вследствие их
высокой чистоты; в первую очередь это от:
носится к самым чистым металлам.
— Плавление возможно только при дав-
давлении <гШ~2 мм рт. ст. в многокамерной
печи н при «:10~3 мм рт. ст. в электронно-
электроннолучевых печах других типов.
— Необходимо применение высоковакуум-
высоковакуумных насосов.
— Равномерность состава слитка зависит
от качества переплавляемых заготовок.
4.2.6.1.4. Процесс электрошлакового
переплава (ЭШП)
Метод специального переплава, при кото-
котором стальной электрод обычно круглого се-
сечения расплавляется в слое жидкого шлака.
Затвердевание происходит в водоохлаждае-
мом медном кристаллизаторе.
Схема установки ЭШП мошностйо
240 кВт показана на рис. 4.53 [139].
Рис. 4.53
А — оплавляемый электрод; В — жидкий шлак:
К — водоохлаждаемый медный кристаллизатор;
М — ваииа жидкого металла: S — затвердевший
слиток; W — охлаждающая вода; Z — водооулаж-
даемый поддои; /—усадочный зазор между слит-
слитком и кристаллизатором; 2 — корочк» затвердев-
затвердевшего шлака иа слитке (не в масштабе); 3~г «за-
«затравочная» пластина
426
Принцип работы:
а. Жидкий синтетический шлак включа-
включается в электрическую цепь как выделяющее
тепло сопротивление.
б. Шлак разогревается под действием
Переменного тока примерно до 2000 "С.
в. Погружаемый в шлак электрод оплав-
оплавляется с торца. Расплавленные частицы в
виде капель проходят через жидкотекучий
активный шлак.
г. Большая площадь контакта между
сталью и активным шлаком позволяет полу-
получать высокую степень очистки стали (по не-
неметаллическим включениям, десульфура-
ции).
д. При затвердевании металла в водоох-
лаждаемом медном кристаллизаторе поверх-
поверхность слитка покрывается тонким слоем
шлака, вследствие чего получается хорошей.
Достоинства и недостатки метода ЭШП
[49]
Достоинства:
¦—Меньшие затраты на оборудование (не
требуется вакуумная установка, только печ-
печной трансформатор).
— Высокая степень очистки, а также де-
сульфурации под действием активного
шлака.
— Отсутствует испарение легирующих
элементов.
— Скорость расплавления хорошо регули-
регулируется.
- — Благодаря образованию шлакового по-
покрытия получается очень чистая и гладкая
поверхность слитка.
— Возможно получение слитков квадрат-
квадратного н прямоугольного сечения.
— Простота управления процессом. Не
требуется высококвалифицированного об-
обслуживающего персонала.
Недостатки:
— Требуются предварительно отлитые или
полученные с помощью обработки давлени-
давлением электроды.
— Сплавы должны быть получены заранее
при первичной плавке
— Умеренная дегазация.
— Вредные летучие элементы не испаря-
испаряются.
4.2.6.2. Процессы вакуумной
обработки жидкой стали
Процессы выдержки жидкой стали в ва-
вакууме при давлении 0,1—1 мм рт. ст. для
уменьшения содержания растворенных в
ней газов (N2, Н2, О?), суспендированных
окислов или для уменьшения содержания
углерода. Кроме того, возможны гомогени-
гомогенизация расплава и повышение извлечения ле-
легирующих элементов. Классификация — см.
табл. 192.
Принцип процессов:
а. Дегазация в ковше. Ковш с жядкой
сталью выдерживают в вакуумной камере
при давлении 1 мм рт. ст. Недостаток этого
процесса — ухудшение дегазации с ростом
расстояния от поверхности — может быть
устранен индуктивным перемешиванием
расплава или промывкой расплава инертным
газом. Метод наиболее эффективен для об-
обработки кипящей или полуспокойной стали
(рис. 4.54) [54'].
б. Дегазация в струе при разливке. Пада-
Падающая струя стали поступает в вакуумную
Рис. 4.54
Рис. 4.55
ТА БЛИЦА 192
Процесс
Дегазация в ковше
Дегазация в струе
металла при раз-
разливке
Дегазация порция-
порциями (DH)
Циркуляционная
дегазация (RH)
Метод ASEA—
SKF
Метад- Финкель—
Моря
Масса шихты, т
До 120
Зависит от ем-
емкости ковша или
массы слитка
420
50—300
20—140
50—300
Давление,
мм рт.
ст.
1
1
0,1—1
—
• 0,5
—
Снижение
темпера-
температуры, "С
20—40
40—60
40—60
40—60
30—50*
35—50*
Дополни-
Дополнительный
нагрев
—
—
Электро-
Электродами
То же
Продолжи-
Продолжительность
дегазации,
мин
10—20
10—20
10—20
10—20
10—15
12
Применение
«промывочного»
газа
Возможно (Аг)
Отсутствует
»
Применяется
постоянно 30—
50 л/т
Отсутствует .
(индуктивное
перемешива-
перемешивание)
Промывка ар-
аргоном
* Почти полностью компенсируется дополнительным нагревом.
427
камеру с давлением 1 мм рт. ст., разбива-
разбивается на капли диаметром 0,1—10 мм и бла-
благодаря большой поверхности эффективно
дегазируется. Недостаток — широкий конус
рассеивания струи металла.
Варианты процесса дегазации: ковш—сли-
ковш—слиток (вакуумная разливка); ковш—ковш;
печь—ковш (дегазация при выпуске) (рис.
4.55) [54].
в. Дегазация порциями (DH-процесс).
В вакуумную камеру при давлении 0,01—
1,0 мм рт. ст. засасывается жидкая сталь в
количестве 10—12 % от емкости ковша. Де-
Дегазированная сталь тем же путем возвраща-
возвращается из вакуумной камеры в ковш (продол-
(продолжительность одного хода 20 с). Процесс
повторяют до тех пор, пока все содержимое
ковша не пройдет через камеру 3—6 раз.
Последующее окончательное раскисление с
помощью нескольких подъемов с целью
перемешивания (рис. 4.56) [54].
Рис. 4.56
Рис. 4.57
г. Циркуляционная дегазация (RH-npo-
цесс). Сталь непрерывно засасывается в ва-
куумиую камеру под действием потока
инертного газа (аргона). Дегазированная
часть расплава непрерывно возвращается в
ковш. Скорость циркуляции составляет 10—
30 т/мин. Все содержимое ковша проходит
через вакуумную камеру 3—6 раз (рис.
4.57) [54].
д. Процесс ASEA-SKF. После проведения
окислительного периода плавки в печн лю-
любого типа жидкую сталь заливают в печь
типа ковша, оборудованную электродуговы-
электродуговыми нагревателями, устройством для индук-
индуктивного перемешивания и вакуумным насо-
насосом с выпуском (атмосферным) затвором.
Дегазация происходит в вакууме 0,1 мм
рт. ст. при интенсивном перемешивании
расплава (с помощью индуктора). После
снятия вакуума в ковш добавляют легиру-
легирующие элементы и шлакообразующие, про-
прогревают металл при помощи электрических
дуг, вновь проводят индуктивное перемеши-
перемешивание (гомогенизация расплава) и выпуска-
выпускают металл (рис. 4.58) [54].
е. Процесс Финкель—Мора. Схема процес-
процесса приведена на рис. 4.59 [54]. После окис-
окислительного периода плавки в печн любого
типа жидкую сталь заливают в специальный
ковш для ее обработки, который затем ус-
устанавливают в вакуумную камеру. Далее
проводят следующие операции: откачка и
нагрев-юткачка с промывкой металла1"
инертным газом-»-повторный нагрев-*-рас> •
кисление и легирование.
Рис. 4.58
/ — к вакуумному насосу; 2 — съемная вакуумная
крышка ковша; 3 — ковш; 4 — индуктор; 5 — ва-
вакуумное уплотнение ковша; 6 — электроды
Рис. 4.59
/ — к вакуумному насосу; 2 — дозатор присадок;
3 — электроды
Вакуумная обработка позволяет:
— Снизить содержание водорода до"
0,00025 %, следовательно, получать сталь,
практически свободную от флокенов.
— Снизить содержание азота (в зависимо-
зависимости от состава стали).
— Снизить содержание кислорода; ва-
вакуумное раскисление углеродом эффектив-
эффективно благодаря постоянному удалению СО.'
428
— Снизить содержание углерода в иеле-
гмррваяных сталях с 0,02—0,04 до 0,01 %,
что важно для производства листовой элект-
электротехнической стали.
— Уменьшить расход легирующих элемен-
элементов, улучшить однородность их распределе-
распределения, повысить надежность анализов.
В мире эксплуатируется 200—250 устано-
установок для вакуумной обработки [54], в том
числе:
Для дегазации в ковше ...... 19
» » в струе при разливке . 62
» » порциями 70
» циркуляционной дегазации ... 40
Прочие 28
4.2.6.3. Методы промывки
жидкой стали газами
Эти методы, находящиеся еще в стадии
разработки, характеризуются тем, что через
объем жидкой стали под давлением проду-
продувается аргон. Процесс ведут в большинст-
большинстве случаев вне печи, например в разливоч-
разливочном ковше, в отверстиях в днище которого
расположены заглушки нз пористого мате-
материала для подачи газа. Большое количество
мелких пузырьков газа, поднимаясь вверх,
способствует уменьшению содержания раст-
растворенных в металле газов и суспендирован-
суспендированных твердых загрязнений.
Принципы:
а. Установка для промывки жидкой стали
в разливочном ковше с помощью аргона по-
показана на рис. 4.60 [87].
¦i
¦Q-—t ,
Вентиль Nj Веитиль~К
Рис. 4.60
/ — ввод воздуха; 2 — стенка ковша; 3 — веитиль;
4 — стопор; б — распределительный веитиль; 6 —
свод
б. Высокую эффективность очистки можно
объяснить следующим:
— в поднимающихся пузырьках инертного
газа парциальное давление растворенных в
стали' газов и образующегося СО равно ну-
нулю, что позволяет этим газам диффундиро-
диффундировать внутрь пузырьков инертного газа и
вместе с ними уходить из расплава;
— поднимающиеся пузырьки инертного
газа оказывают флотационное действие на
неметаллические частицы, имеющиеся в
расплаве.
в. Продолжительность газовой промывки
в заводских экспериментах составляет 6—
10 мин.
г. До недавнего времени этим способом
было обработано до 70 т стали.
д. Расход промывочного газа составляет
0,2—1 м3 на 1 т стали. Применяется как
дополнение к значительно более дорогостоя-
дорогостоящим методам вакуумной обработки стали
или взамен этих методов.
Достоинства метода:
— возможность снижения содержания
растворенных газов;
— снижение содержания включений;
— гомогенизация расплава (по темпера-
температуре и химическому составу);
— возможность применения одновремен-
одновременно с вакуумной обработкой;
— возможность применения одновременно
с обработкой синтетическими шлаками.
4.2.6.4. Методы обработки
жидкой стали синтетическими
шлаками в ковше
Методы создания большой реакционной
поверхности между металлом и шлаком при
одновременном интенсивном движении обе-
обеих фаз с помощью таких технологических
приемов, как залнвка стали с большой высо-
высоты на жидкий шлак, механическое или газо-
газовое перемешивание. При этом осуществля-
осуществляются десульфурацня, дефосфорация, а так-
также уменьшение содержания включений в
стали.
¦ Принципы:
а. Шлак требуемого состава (табл. 193)
[32] расплавляют с большим перегревом
ТАБЛИЦА 193
Химический состав, °/
СаО
48-52
70
50
25-30
50
60-65
AUQ,
40-45
—
—
5-8
25-30
—
SiO,
2-3
8-15
15-20
3-10
о (по массе)
CaF,
_
30
25
50-70
+5
FeO
1-2
—
' —
<1
20-35
Назначение
Десуль-
фурация
и раскис-
раскисление
То же
»
»
Дефос-
Дефосфорация
(до 1700—1750 °С) в специальном плавиль-
плавильном агрегате и заливают в предварительно
подогретый разливочный ковш непосредст-
непосредственно перед выпуском плавки из печи.
б. В тот же ковш с высоты 3—4 м выпу-
выпускают сталь, при этом образуется эмульсия
из шлака и металла, вследствие чего пронс--
ходит интенсивная очистка стали.
в. Количество шлака составляет 4—5 %
от массы стали.
г. После определенной выдержки в ков*
ше производят обычную разливку стали.
д. В качестве вариантов метода опробо-
опробовано: механическое перемешивание сннтети-
429
ческого шлака в ковше; применение твердых
шлаков, которые плавятся только при пере-
перемешивании со сталью; применение шлаков,
которые плавятся в результате экзотермиче-
экзотермических реакций непосредственно перед выпус-
выпуском стали (принцип алюминотермии).
Применение рассмотренных методов поз-
позволяет:
а. Повысить качество стали благодаря
уменьшению содержания кислорода, серы,
включений, а именно обеспечить повышение
пластичности и вязкости (в направлении,
перпендикулярном направлению деформа-
деформации), увеличение деформируемости [62],
снижение критической температуры хрупко-
хрупкости.
б. Повысить производительность, что до-
достигается путем сокращения периода рафи-
рафинирования в электрических печах; сокраще-
сокращения периода десульфурацин в мартеновском
процессе; повышения выхода годного прн
прокатке (улучшение поверхности, уменьше-
уменьшение расслоений).
Эти методы применяются главным обра-
образом в СССР (годовое производство стали,
обработанной синтетическими шлаками, со-
составляет свыше 1 млн. т), США, Франции,
Италии, Австрии.
4.2.7. Разливка стали на
слитки, слябы и прутки
Классификация
а. По технологии разлнвкн: разливка на
слнтки или слябы (сверху н сифонная раз-
лнвКа) и непрерывная разливка (в верти-
вертикальные установки, установки с изогнутым
профилем, радиальные установки).
б. По степени раскисления жидкой стали:
разливка кипящей, полуспокойной и спокой-
спокойной стали.
в. По форме н конструкции изложниц:
— Изложницы с нормальной конусностью
(с уширеннем книзу) н изложницы с обрат-
обратной конусностью (с уширением кверху).
— Изложницы для слитков (болванок) н
изложницы для слябов.
— Изложницы с прибыльной надставкой и
без нее и изложницы бутылочного типа.
г. По условиям затвердевания: затверде-
затвердевание в традиционных изложницах и за-
затвердевание в медных кристаллизаторах с
водяным охлаждением.
4.2.7.1.Разливка стали на слитки
и слябы
Разливка спокойной стали. Сталь раскис-
раскисляется в ковше добавками Si (~О,2О°/о)
или А1 (~0,02 %). Благодаря этому исклю-
исключаются реакции между кислородом и угле-
углеродом в расплаве (Процесс кипения, см.
3.3.). Сталь затвердевает «спокойно» (без
выделения газов). В результате уменьшения
объема при затвердевании образуется уса-
усадочная раковина, расположение и конфигу-
конфигурация которой могут быть регулируемы по-
посредством специальных приемов (см. Обра-
Образование усадочной, раковины).
Затвердевание в водоохлаждаемом мед-
медном кристаллизаторе. Все процессы специ-
специального переплава (см. 4.2.6.1.) заканчива-
заканчиваются разливкой стали непосредственно в
слитки и прутки или непрерывной разлив-
разливкой. Изложницы, а в некоторых случаях и
поддоны охлаждаются водой, благодаря че-
Рис. 4.61
1 — слиток; 1 — электрод; 3 —
шлак; 4 — ванна металла; 5 —
водоохлаждаемая изложница;
6 — затвердевшая часть слитка:
7 — водоохлаждаемый поддон
му изменяются условия затвердевания (на-
(например, различие между слитками, получен-
полученными методом электрошлакового переплава
н обычной разливкой, рис. 4.61 и 4.62).
Поэтому по структуре и свойствам слитки,
полученные методами специального пере-
переплава, заметно отличаются от обычных.
Разливка сверху. Изложница заполняется
сверху из разливочного ковша со стопором
(рис. 4.63) [139].
Рис. 4.62
1 — прибыльная надставка;
2 — изложница; 3 — корка,
слитка; 4 — жидкая сталь;
5 — поддон
Рис 4.63
Примерно 80 % производимой в мире
стали разливается сверху.
Разливка полуспокойной стали. Для рас-
раскисления стали в ковш добавляют.0,1—
0,15 % Si н небольшое количество А1. В из-
изложнице сначала образуется затвердевшая
достаточно плотная, не содержащая газовых
пузырей поверхностная корочка. Обогаще-
II
у//////.
У/////к~
430
flue остального расплава углеродом н кис-
кислородом приводит к образованию пузырьков
таза СО (процесс кипения), которые, «замо-
¦раживаясь» В слитке, уменьшают склонность
к образованию усадочной раковины. Управ-
Управлять технологией разливки относительно
сложно.
Формы изложниц. Обычные изложницы
для отливки слитков или слябов показаны
на рис. 4.64 [54].
Разливка кипящей стали. Жидкая сталь
разливается без добавки раскислителей.
В изложнице быстро начинается интенсив-
интенсивное образование газов. Основная масса га-
газов уходит из расплава в виде СО. Слиток
Рис. 4.64
а — квадратная изложница с Нормальной конус-
конусностью; б — квадратная изложница с обратной
конусностью и прибыльной надставкой; в — из-
изложница с нормальной конусностью для прокат-
прокатных заготовок; г — многоугольная изложница с
прибыльной надставкой
Образование усадочной тковины. При
кристаллизации объем стали уменьшается
на 8—9 %, что полностью выявляется при
разливке спокойной стали. В случае кипя-
кипящей стали это частично компенсируется на-
наличием «замороженных» пузырьков СО. Пу-
' зьфькн завариваются при последующей
горячей деформации. Не содержащая пузы-
пузырей поверхностная зона (корочка) слитка
xripottio деформируется и обеспечивает вы-
Сбкое качество поверхности прокатываемого
материала.
' 'При разливке спокойной стали в неблаго-
неблагоприятных технологических условиях усадоч-
' Ч&й раковина может простираться вплоть до
нижней трети слитка. Так как часть слитка,
содержащую усадочную раковину, в боль-
большинстве случаев отрезают, следует по воз-
возможности добиваться сосредоточения уса-
додаой раковины в головной части слитка.
Эт^ достигается применением изложниц с
обратной конусностью, а также теплоизоли-
теплоизолирующих и экзотермических прибыльных над-
стй^ок (металл долгое время остается жид-
жидкий; н затекает в пустоты, образующиеся
при' усадке) — рис. 4.65 и 4.66 [54].
' Макроструктура литых слитков. Схемати-
Схематическое изображение макроструктуры'слитка
(см. 1.8.1.), дано на рис. 4.67 [74].
> Ликвация (см. 1.8.1.3. и 1.8.1.4.). Увеличи-
Увеличивается с увеличением массы слитка. Склон-
Склонность к ликвации у кипящей стали гораздо
больше, чем у спокойной.
1 Сифонная разливка. Жидкая сталь из
разйивочного ковша со стопором через цент-
ровей литиик и систему каналов поступает
в изложницу снизу (рис. 4.68) [54].
F
I
:'!-Уы'"'и
.* *..
-:-----•.¦.->—
• • **;¦"•.••••«*-
* ••. • *
1
)
'""""^
.¦4
Рис. 4.65
Рис. 4.66
Рис. 4.67
/ — изложница; 2—мелкозернистый
поверхностный слой; 3—зона столб-
столбчатых кристаллов; 4 — зона дендри-
тов; 5 — центральная зона крупных
кристаллов
кристаллизуется при наличии оставшихся
пузырьков СО, что в какой-то мере компен-
компенсирует усадку и уменьшает склонность к
образованию усадочной раковины.
431
Рнс. 4.68
4.2.7.2. Непрерывная разливка
Метод, при котором разливаемый металл
выходит нз литейной формы уже в виде
затвердевшего профиля. Последний длиннее,
чем литейная форма, и может иметь любую
заданную форму поперечного сечения [161.
Преимущества метода непрерывной раз-
лнвкн по сравнению с разливкой в излож-
изложницы:
— Выход металла увеличивается на 10—¦
12 % по сравнению с периодической разлив-
разливкой в изложницы с последующей прокаткой
слитков на блюминге.
— Более высокая степень механизации.
— Управление процессом может быть ав-
автоматизировано.
— Высокая производительность.
— Лучшая совместимость с последующи-
последующими непрерывными процессами деформации.
4.3. МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ (ОБЗОР)
Классификация металлургических процес-
процессов
а. По виду применяемого технологическо-
технологического процесса (см. 4.1.): гидрометаллургичес-
гидрометаллургические и пирометаллургические процессы.
б. По виду перерабатываемого сырья и по-
получаемого основного продукта; различают
металлургии: меди; никеля; ванадия; свин-
свинца; олова; цинка; алюминия; магния благо-
благородных металлов (золота, серебра, плати-
платины) редких металлов (см. от 3.4.6.1. до
3.4.6.9.).
в. По аппаратурному оформлению техно-
технологии получения цветных металлов (см.
4.4.).
4.4. АППАРАТУРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМ
СПОСОБОМ (ОБЗОР)
Общие положения. Цветная металлургия
характеризуется большим многообразием
используемых методов получения металлов.
В зависимости от особенностей перерабаты-
перерабатываемого сырья возможны различные вари-
варианты технологических схем и их аппаратур-
аппаратурного оформления.
Классификация печей. Печи для получе-
получения цветных металлов подразделяются сле-
следующим образом.
а. По конструкции и особенностям реак-
реакционного пространства на шахтные, камер-
камерные, подовые, трубчатые нли барабанные,
печи с вращающимся подом, тигельные, му-
муфельные.
б. По виду обработки загружаемого мате-
материала:
— Обжиговые печи.
Обжиговые шахтные печи — обжиг и спе-
спекание кусковой руды.
Подовые пламенные (отражательные) пе-
печи— обжиг и спекание мелкой руды, меха-
механические подовые обжиговые печи с подвиж-
подвижным подом и закрепленным гребком, а так-
также с закрепленным подом и подвижным
гребком.
Вращающиеся печи — обжиг мелкой ру-
руды, удаление летучих компонентов.
Высокопроизводительные обжиговые пе-
печи — обжиг мелкой и пылевидной руды (об-
(обжиг во взвешенном состоянии), обжнг в ки-
кипящем слое.
Агломерапнонные установки (спекатель-
ные чаши, спекательные ленты, столы) — об-
обжиг и оку сков ание мелкой руды.
¦— Плавильные печи.
Шахтные плавильные печи — плавка кус-
кусковых материалов (руды, брикетов или аг-
агломерата).
Пламенные (отражательные) плавильные
печн — плавка мелких руд и концентратов
и рафинирование черновых металлов.
Трубчатые вращающиеся печи (вращаю-
(вращающиеся плавильные и пламенные отражатель-
отражательные печи, короткобарабанные печи)—плав-
печи)—плавка и возгонка летучих компонентов.
Конверторы — переработка штейнов н
черновых сплавов.
— Дистилляцнониые печи — дистилляция
Hg, Zn, Cd, Mg в горизонтальных нли вер-
вертикальных ретортах.
По способу нагрева.
— С прямым нагревом. Непосредственный
контакт носителей тепла с шихтой (шахтные
и подовые печн, агломерационные установки
и т. д.). Нагрев осуществляется теплом то-
топочных газов.
— С косвенным нагревом. Шнхта не кон-
контактирует с топочными газами (муфельные,
тигельные или ретортные печн).
4.4.1. Печи цветной
металлургии
4.4.1.1. Печи для обжига
мелкодисперсных материалов
Классификация
1. Обжиговые печи с механическим пере-
гребаннем ограниченной производительно-
производительности (печи с вращающимся подом; печи типа
«Спирлет»; многоподовые печн).
2. Современные высокопроизводительные
обжиговые печн (печи для обжига во взве-
432
Рнс. 4.69
шенном состояния типов «Трейл» и «Нн-
коль Фриман»; печи для обжига в кипящем
слое).
Печь с вращающимся подом. Принцип
действия [911] показан на рнс. 4.69. Печь
имеет подвижной обжиговый под и стацио-
стационарное гребковое устройство. Поступающий
материал перемещается от центра пода к
его периферии, где он обжигается и оттуда
затем удаляется. Печь применяют для пред-
предварительного (частичного) обжига.
Механическая многоподовая пень. Прин-
Принцип действия [91] показан на рис. 4.70. Об-
Обжигаемый материал с помощью перегреб-
перегребного устройства перемещается через печь
по зигзагообразному пути сверху вниз и за-
затем удаляется из печи на периферию ниж-
нижнего пода. Потоки газа направлены снизу
вверх. Основной эффект обжига достигается
при пересыпании материала с пода на под.
Печи для обжига во взвешенном состоя-
состоянии типа «Николь—Фриман». Принцип дей-
действия [91] показан на рис. 4.71.
Высокая производительность достигается
за счет использования принципа сжигания
Ряс. 4.71
Обжигобый газ
Рнс. 4.72
433
угольной пыли. Смесь сырья и воздуха по-
подается в горячую обжиговую шахту. Мате-
Материал обжигается во время падения, а также
н во время пребывания частиц во взвешен-
взвешенном состоянии благодаря созданию проти-
противотока вторичного воздуха.
Печь для обжига в кипящем слое. Прин-
Принцип действия показан на рнс. 4.72 [91].
Дальнейшее повышение производительности
печей кипящего слоя может быть достигну-
достигнуто путем увеличения скорости движения га-
газовой фазы относительно твердого вещества.
4.4.1.2. Агломерационные
(обжиговые) аппараты
Классификация
а. Установки периодического действия:
тигель; агломерационная чаша; агломераци-
агломерационные тигли Хаидингтон — Эберлейн.
сасывается через шихту. Стационарные ча-
чаши располагаются в направляющих, вдоль
которых движутся тележки с шихтой, со-
содержащей топливо. Подвижные чаши до-
доставляются краном к загрузочным н зажига-
зажигательным устройствам, а затем устанавлива-
устанавливаются на рабочее место.
Ленточная агломерационная машина Ду-
Дуайт—Ллойда. Принцип действия показан
на рис'4.74 [91]. Непрерывная цепь отдель-
отдельных спекательных тележек (паллет). Ис-
Используется принцип просасывання или про-
продувания воздуха. Эффективная рабочая пло-
площадь составляет только 33 % площади ко-
колосников. Существуют установки с рабочей
площадью до 200 м2.
Агломерационный стол Шлиппенбаха.
Поверхность круглой вращающейся решет-
решетки используется на 90 %¦ Производитель-
Производительность ограничивается диаметром установки
(9 м).
Рис. 4.73
б. Установки непрерывного действия:
ленточная агломерационная машина Ду-
Дуайт — Ллойда; агломерационный стол
Шлиппенбаха.
Принцип действия. Агломерационные ма-
машины с дутьем снизу вверх. В настоящее
время такие машины почти ие применяются
из-за неоднородного спекания и необходи-
необходимости применения тяжелого физического
труда.
Агломерационные чаши. Принцип дейст-
действия показан на рис. 4.73 [91]. Воздух про-
Рис. 4.74
/ — бункер; 2—заслонка; 3—ды-
3—дымовая труба; 4 — камера зажи-
зажигания: 5 — паллеты; 6 — ваго-
вагонетка.: 7 — камера разрежения;
8 — регулировка разрежения;
9 — смеситель; 10 — ленточный
питатель
4.4.1.3. Шахтные плавильные
печи
Классификация
а. Круглая шахтная печь Пильца.
б. Прямоугольная шахтная печь Рашета.
Принцип действия круглой шахтной печи
показан на рис. 4.75 [100]. Как и при про-
производстве чугуна, твердое топливо (кокс)
смешивается с шихтой. Через сопла, распо-
расположенные в плоскости фурм, в печь подает-
подается сжатый воздух, за счет которого горит
кокс (см. 3.2.). Горение кокса обеспечивает
необходимое для плавления тепло и образо-
образование СО, который восстанавливает руду.
Пример: круглая шахтная печь с кирпич-
кирпичной кладкой и короткой зоной водяного
охлаждения (производство свинца) — рис.
4.76 [91].
Шахтная печь прямоугольного сечения
(печь Рашета). Принцип действия показан
ПППППППП ППП1
UUll Uil U U.U UUUI
3
434
на рис. 4.77 [132]. Достоинством шахтных
плавильных печей является относительно
высокий коэффициент использования тепла
благодаря хорошему контакту между топли-
топливом и шихтой и эффективному теплообмену
между восходящими печными газами и
опускающейся шихтой. Недостаток заключа-
заключается в необходимости использования доро-
дорогого металлургического кокса и однородной
по размерам кусковой руды. Развитие печей
для плавки во взвешенном состоянии умень-
уменьшает практическое применение шахтных пе-
печей.
Рис. 4.75
Рнс. 4.76
/ — загрузочная площадка; 2 — загрузочная во-
воронка; 3 —шахта с огнеупорной кладкой; 4 — за-
заплечики; 5 — водоохлаждаемые кессоны; 6 — воз-
воздушные фурмы; 7 —шлаковая летка; « — огне-
огнеупорный горн; 9 — летка для выпуска металла
4.4.1.4. Высокопроизводительные
плавильные печи
Принцип действия. Мелкодисперсная ших-
шихта вместе с газообразным или пылевидным
топливом вдувается в горячий реакционный
объем через горелки на своде. Химические
превращения реагирующих веществ и их
плавление происходят в факеле. Продукты
плавления собираются в горне внизу шахты.
Высокая скорость протекания реакции меж-
между шихтой и газовой фазой обеспечивает
гораздо большую производительность, чем
в случае шахтных Печей.
Рнс. 4.77
28*
435
Воздух для Воздух
охлаждения т
4 газов
И дымоВпй
трубе
Рис. 4.78
/ — бункер: 2— заслонка; 3—шкековый питатель; 4 — циклонная горелка;
5 — воздухораспределительный коллектор; 6 ~ сопла; 7 — корпус печи; 8 — от-
отстойная камера; 9 — рекуператор; 10 — дымосос
А-А
Рнс. 4.79
€
8 330 кг пара на 1т концентрата
Рис. 4.80
а,— по Оутокумпу (/ — сульфидные коицентраты; 2 — присадки; 3 — горелка для концентрата; 4 —
котел-утилизатор; 5 — рекуператор; 6 — шлак; 7 — штейи; 8 — удаление пылад 9—холодный воздух;
W — газы на производство H2SO4); б— INCO [/ —сульфидный концентрат и нрисадки; г —воздух;
3 — кислород, 33 % от массы руды; 4 — шлак; S — штейн; (—отходящий газ, К % (по объему) SOJ
436
Примеры
а. Циклонная плавильная печь (СССР) с
вертикальной камерой (рнс. 4.78) [91].
б. Печь для плавки во взвешенном состо-
состоянии типа Ланге (рнс. 4.79) [91]. Применя-
Применяется для производства свинца н олова.
в. Печи для плавки во взвешенном состо-
состоянии для переработки сульфидных медных
концентратов по финскому (Оутокумпу, рис.
4.80, а) и канадскому (ИНКО, рнс. 4.80,6)
методам [91].
При плавке во взвешенном состоянии до-
достигается значительное повышение произво-
производительности по сравнению с традиционными
способами благодаря высокой удельной теп-
тепловой нагрузке, создаваемой как подводи-
подводимым теплом, так и теплом экзотермических
реакций при окислении; высокой скорости
протекания реакций в гетерогенных систе-
системах; большой удельной поверхности частиц
реагирующих ¦ 'компонентов; рациональной
конструкции печи.
4.4.1.5. Стационарные пламенные
(отражательные) печи
Принцип действия. Печи с неподвижным
подом (спеченным, набивным или кирпич-
кирпичным), имеющие кислую или основную футе-
футеровку, и факельным горением топлива
(угольная пыль, газ или мазут); реже на-
нагрев с помощью топочного газа колоснико-
колосниковой топки, так как длина пода ограничена
(длина пламени невелика). Свод в современ-
современных печах выполняется подвесным.
4.4.1.6. Вращающиеся
пламенные печи
Классификация. По соотношению длины
L и диаметра D-. короткобарабанные печи
A : 1); печи нормального типа (от 2:1 до
4:1); трубчатые печн (от 4:1 до 10:1).
Рнс. 4.81
Рис. 4.82
/ — погружающаяся загрузочная воронка; 2 — откидная горелка; 3—двигатель
привода; 4 — привод; Б — летка; 6 — подвижная головка для отходящих газов;
7' — воздухонагреватель
437
Принцип действия. Печи вращаются во-
вокруг горизонтальной оси, обогрев осущест-
осуществляется газом, мазутом или угольной пылью
с прямоточным или противоточным движе-
движением отходящих газов. Предназначены для
переработки отходов или полупродуктов; в
некоторых случаях и для рафинирования
(с невысокой производительностью).
а. Короткобарабанная печь Кальмеера
(рис. 4.81) [91]. Высокий тепловой к. п. д.
Пламя меняет направление и не контактиру-
контактирует непосредственно с расплавом. Максималь-
Максимальная температура 1330 °С (рабочая —от
1150 до 1200 °С). Малые потери улетучива-
улетучиванием, лучшее разделение фаз при осажде-
осаждении, легкое разделение фаз при выпуске.
б. Печь Дершеля (рис 4.82) [100J. Разно-
Разновидность вращающейся пламенной (отра-
(отражательной) печи (горизонтальная, периоди-
периодического действия) длиной от 6 до 9 м и диа-
диаметром от 2 до 2,5 м. Направленный вдоль
осн углепылевой или мазутный сквозной
факел. Печь хорошо приспособлена для
окислительного рафинирования, восстанов-
восстановления и удаления летучих компонентов.
в. Печь для вельцевання (рис. 4.83)
[100]. Печь непрерывного действия длиной
от 30 до 90 м с наклоном от 1 до 4 % отно-
относительно горизонтали. Топочные газы в
большинстве случаев вводятся в печь по
принципу противотока. Часто используется
для процессов возгона металлов, процессов
восстановления, сушки и кальцинирования.
Вельцевание ведется с получением твердого
нли размягченного продукта.
Рис. 4.83. Схема печи для вельцевания
А — загрузочный конец; В —загрузка; С —устройство для спиральной подачи; D — уплотнение;
Е — выгрузка, F — горелка (нефть, газ, угольная пыль); G — привод; И — гидравлическое устройст-
устройство для изменения наклона печи
4.4.1.7. Конверторы и горны
4.4.1.7.1. Конверторы
Классификация
а. Вертикальные конверторы (типа
Грейт—Фоллс).
б. Горизонтальные конверторы (типа
«Анаконда» длиной, равной 1,25-*-1,5 диа-
диаметра, и типа Пнрс—Смита длиной, равной
4—5 диаметрам).
Принцип действия. Конвертор представля-
представляет собой поворачивающийся сосуд груше-
грушевидной илн барабанной формы с огнеупор-
огнеупорной футеровкой, в котором производится
продувка воздухом жидкого медного или
никелевого штейна на черновую медь нли
файнштейн (рис. 4.84) [100].
'///////////////////////////////////А V/////////////////,
Рис. 4.84
1 — фурмы; 2 — воздухопровод
438
В отличие от конверторов для производи
ства стали (см. 4.2.4.) продувка штейна осу-
осуществляется воздухом, подаваемым через
фурмы, расположенные на одной из его
боковых сторон. На рис. 4.85 приведен кон-
конвертор типа «Анаконда» [100].
Рис. 4.85
4.4.1.7.2. Горны
Принцип действия. Печи для производст-
производства свинца путем реакционного обжига чи-
чистых богатых сульфидных концентратов;
В прямоугольном (типа Ньюмена) или
кольцеобразном (типа Шлиппенбаха) ко-
корыте находится жидкий свинец, на поверх-
поверхности которого плавает шихта (концентрат,
топливо, присадки). В горячую шихту вду-
вдувается воздух. Образующийся при этом
очень чистый свинец собирается в горне, из
которого выпускается по сливному желобу.
Образующийся так называемый серый
шлак, богатый свинцом, непрерывно или
периодически (в зависимости от конструк-
конструкции горна и определяемого ею режима ра-
работы печи) удаляется.
Примеры
а. Горн Ньюмена (рис. 4.86) [91]. Чаще
всего используется в виде сдвоенных печей
с общей фурменной коробкой. Расположен-
Расположенная у широкой стенки подвижная мешалка
ж
выполняет механическую обработку шихты
и тем самым заменяет часть ручного труда,
связанного с периодическим режимом ра-.
боты печи.
б. Горновая печь Шлиппенбаха (рис. 4.87)
[91].
Состоит из вращающейся кольцеобразной
ванны, конструкция которой аналогична на-
настольному агломерационному аппарату (см.
4.4.1.2.). Дробилка устанавливается стацио-
стационарно. Полная механизация исключает тя-
тяжелый ручной труд.
4.4.1.8. Плавильные сосуды
(печи ретортного типа)
Классификация: плавильные котлы; ти-
тигельные печи; ретортные печи.
Принцип. Особенностью является косвен-
косвенный нагрев. Плавильные сосуды выполняют
из огнеупорных материалов или металлов.
Низкий коэффициент использования те- х
пла — результат косвенного нагрева.
4.4.1.8.1. Плавильные котлы
Принцип действия. Печи с газовым или
мазутным нагревом, в которых подвешива-
подвешивается прямоугольный или полусферический
котел из литой стали (при использовании
до 850 °С), а также из серого литейного
чугуна или гематита (до 550 °С). Разгрузка
котла производится путем выкачивания
(центробежный насос, центрифуга), с по-
помощью донного вентиля или путем опроки-
опрокидывания. Гомогенизация достигается пере-
перемешиванием с помощью мешалок.
Пример—рис. 4.88 [91]- Схема непод-
неподвижного плавильного котла с донным вен-
вентилем и сводом.
Примечание. Применяется для плавления,
рафинирования и легирования.
1200
2000
Рис. 4.87
Рис. 4.88
439
D0?1
440
4.4.1.8.2. Тигельные печи
Классификация
а. Стационарные печи с подвижным тиг-
тиглем.
б. Стационарные печи со встроенным тиг-
тиглем.
в. Опрокидывающиеся печи со встроен-
встроенным тиглем.
Принцип. Печи обогреваются мазутом, га-
V////////,
Рис: 4.89
о — плавильная камера; Ь — камера подогрева; с, d, g — каналы для отвода
газов; е — решетка; f — рекуператорные трубы; ft — дымовая труба; I, / —
вентилятор; k — воздушная камера; / — рекуператор; о, п — воздушная камера
и клапан; р — воздуховод для предварительного подогрева; s — газовый ка-
канал; t, w — воздушная рубашка; и — загрузочная воронка; о — канал дутья;
v' — клапан; г — стальной наружный кожух
Ось
поворота
45'
(Угол
поворота)
Рис. 4.90
зом, коксом или имеют электронагрев. Снаб-
Снабжены огнеупорным тиглем. Используются
при высоких температурах и величине за-
загрузки массой до 200 кг. Имеют относи-
относительно низкий коэффициент использования
тепла и повышенный износ футеровки нз-за
механических и химических нагрузок. Тиг-
Тигли изготавливаются из графитизированной
глины и выдерживают от 20 до 60 загрузок.
Примеры
а. Печь с нижним дутьем н рекуперато-
рекуператором (стационарная печь, подвижный ти-
тигель)— рис. 4.89 [91]. По окончании плав-
плавки тигель извлекается из печи.
б. Поворотная печь со встроенным тиг-
тиглем (рис. 4.90) [91]. Разгрузка осуществ-
осуществляется через сливной лоток тигля при на-
наклоне печи.
441
4.4.1.8.3. Ретортные печи
Классификация: горизонтальные реторты
периодического действия и вертикальные
реторты непрерывного действия.
Принцип. Реторты характеризуются отде-
отделением реакционной зоны от зоны нагрева
(топочных газов). В реторте обеспечивается
устойчивый химический состав газовой фа-
фазы. Обогрев с помощью горючего газа (с
использованием подогрева газа или возду-
воздуха), жидкого топлива, электронагрева, реже
с помощью твердого топлива. Материал ре-
реторты — огнеупорная керамика. Такие ре-
реторты применяются при получении благо-
благородных металлов, цинка, ртути.
Лечи с горизонтальными ретортами
Принцип. Печи состоят из рабочей каме-
камеры, в которой поэтажно расположены ре-
реторты со своими конденсаторами и алон-
жами.
В нижней части печи расположены реге-
регенератор и рекуператор для предварительно-
предварительного нагрева воздуха и газа. Реторты накло-
наклонены 'в сторону разгрузки (рис. 4.91) [91]
для лучшего удаления содержимого реторт.
В зависимости от типа печи устанавливает-
устанавливается от трех до восьми рядов реторт. Длина
печи достигает 20 м. Максимальная темпе-
температура в зоне нагрева 1500 °С. Рабочая
температура 1300 СС.
Например, в реторте нагревается смесь
обожженного цинкового концентрата, со-
содержащего ZnO, и восстановителя (уголь).
Одновременно с восстановлением происхо-
происходит дистилляция цинка.
Пример. Печь Вальцель—Оверпельт (бель-
(бельгийская печь, рис. 4.92) [91]. Ретортная
печь с тремя ярусами. Регенеративный га-
газовый нагрев с предварительным подогре-
подогревом газа и воздуха.
Вертикальные ретортные печи
(вертикальная реторта)
Принцип. Печи непрерывного действия с
использованием противотока (подобно
шахтным печам). Применяются для брике-
брикетированного сырья. Основным этапом раз-
развития печей с вертикальными ретортами
за последние 50 лет были: реторта Ройц-
хайм — Реми и реторта Нью-Джерси.
Пример. Реторта Нью-Джерси — рис. 4.93
[91]. Самая совершенная ретортная печь
для производства и рафинирования метал-
металлов. Нижняя горячая часть печи высотой
8,5 м выполнена из карборундовых блоков,
а верхняя холодная часть A,6 м) —из ша-
шамотного кирпича. Нагрев осуществляется
генераторным или полукоксовым газом с
предварительным подогревом воздуха; ино-
иногда с помощью электронагрева. Срок служ-
Рис. 4.9!
/ — алонжа; ! — пуссьера; 3 — конденсатор;
4 — жидкий цинк; 5 — реторта; 6 — шихта
Рис. 4.92
442
ттттт
Рис. 4.93
бы муфеля A) — около двух лет. Произво-
Производительность от 2,5 до 4 т Zn в сутки.
Шихта — спеченные ококсованные брике-
брикеты. Пары Zn—Cd при 875 "С поступают в
конденсатор B), где образуется жидкий
цинк.
4.4.1.9. Электрические печи
Дуговые печи
а. Дуговые печи с косвенным нагревом
(радиационный нагрев). Применяются для
выплавки латуни, бронзы, меди (рнс. 4.94)
[100].
Рис. 4.94
Рис. 4.9Б
"Сеть
' Трансформа-
I WW4 1 тор
Рис. 4.96
РИС. 4.97
Рис. 4.98
1 — железный сердечник; 2 — расплавленный ме-
металл; 3 — первичная обмотка; 4 — вторичная об-
обмотка (~9—50 Гц)
б. Дуговые печн с прямым нагревом (про-
(прохождение тока через шихту и излучение
дуги). Применяются главным образом для
выплавки стали (рис. 4.95) [100].
Печи сопротивления
а. Печи с прямым нагревом (руднотерми-
ческие печи — Прим. ред.). Расплав в печи
является электрическим сопротивлением, в
котором выделяется необходимое тепло
(рис. 4.96) [100].
б. Печи с косвенным нагревом. Электри-
Электрическая энергия преобразуется в тепловую в
угольных или металлических элементах со-
сопротивления. Применяются для плавки ме-
металлов, легирования и термической обра-
обработки (рис. 4.97) [100].
Индукционные печи
а. С железным сердечником (рис. 4.98)
[100]. Расплавленный металл образует вме-
вместе с замкнутым железным сердечником
вторичную обмотку трансформатора. При-
меняетси дли плавки Си, Zn, Sn, A1, лату-
латуни, бронзы.
б. Бессердечниковая индукционная печь
(рис. 4.99) [100]. Расплавленный металл
Рнс. 4.99
является вторичной обмоткой трансформа-
трансформатора без железного сердечника. Частота от
50 Гц до 1 МГц. Применяется для леги-
легирования и плавки металлов.
4.4.2. Примеры
электролизных установок
для производства цветных
металлов
4.4.2.1. Электролитическое
рафинирование меди
(электролиз водных растворов)
Принцип (рис. 4.100). Из меди, предназ-
предназначенной для рафинирования, отливают
аноды с ушками толщиной от 30 до 50 мм.
От 25 до 42 анодов загружают в прямо-
прямоугольную ваниу с зазорами от 8,4 до
10,5 см. Между анодами устанавливают ка-
тодиые основы в виде тонких медных ли-
листов.
Продолжительность растворения анода
составляет от 26 до 32 дней при плотности
тока 160—210 А/м5, падение напряжения
на ваине около 0,4 В Температура электро-
электролита 55 °С, концентрация Си 45 г/л и сер-
серной кислоты 190 г/л.
При электролитическом рафинировании
чистая медь выделяется на катодах, а при-
примеси собираются на дне в виде шлама или
растворяются в электролите,
443
УХ
Рис. 4.100
4,4.2.2. Электролиз алюминия
(электролиз расплавленных
солей)
Принцип (рис. 4.101) [33]. Катодом слу-
служит подина ванны. Аиод состоит из много-
многочисленных предварительно обожжен-
обожженных угольных блоков (старая конст-
конструкция), набивных самообжигающихся
электродов (необожженная вязкая анодная
Рис. 4.101
масса в алюминиевом кожухе, которая по
мере сгорания анода постепенно обжигает-
обжигается) или из предварительно обожженных
непрерывно вводимых анодных блоков.
Электролит состоит из криолита CNaF-
•A1F3), который при Т>950°С плавится и
растворяет до 15 % глинозема (А12Оз). По
плотности электролит легче металлического
алюминия. Прн электролизе (сила тока от
30 до 130 к А) происходит электролитиче-
электролитическое разложение АУЭ^. Жидкий А1 соби-
собирается на дне ванны, откуда его периодиче-
периодически удаляют вакуумированием.
45. НОВЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
РЬ, Zn,Cu [91]
а. Плавка свинца. Концентрат, содержа-
содержащий от 60 до 80 % РЬ, брикетируется и за-
затем вместе с обожженной оборотной пылью
спекается с продуванием воздуха. Продукт
спекания содержит от 60 до 70 % РЬ. Этот
спек с высоким содержанием свинца парти-
партиями загружается в короткобарабанную
печь (см. 4.4.1.6.) без дополнительных при-
присадок. В печи, обогреваемой мазутом или
444
газом, происходит ликвация свинца. После
многократных циклов загрузки и выпуска
производится обработка богатого свинцом
остатка углем и серой. Сопутствующий Zn
при этом процессе интенсивно улетучива-
улетучивается.
б. Метод BBU, Применяется блайберге-
ровская круглая печь, представляющая со-
собой дальнейшую модификацию круглой гор-
горновой печи Шлиппенбаха (см. 4.4.1.7.2.).
Для этого процесса требуются богатые кон-
концентраты (»72 % РЬ), которые предвари-
предварительно окомковываются в смеси с оборот-
оборотной пылью (от 2 до 5 мм). Шихта состоит
из окомкованного концентрата и, небольшо-
небольшого количества угля (аналогично ранее рас-
рассмотренному способу плавки в горновой
печи). Богатые остатки (серый шлак) пере-
перерабатываются в короткобарабэнной или
шахтной печи (см. 4.4.1.З.). При использо-
использовании короткобарабанной печи (небольшие
загрузки) остатки восстанавливают углем
и обрабатывают серой при добавке соды
или железного скрапа.
в. Метод Империал-Смелтинг. Особен-
Особенностью этого метода является комбиниро-
комбинированное производство Zn и РЬ. При получе-
получении свинца по этому способу одновремен-
одновременно получается металлический цинк, вследст-
вследствие чего стоимость производства РЬ ока-
оказывается ниже, чем при любом другом ме-
методе (в шахтных печах, горнах, BBU-ме-
тод).
Концентраты спекаются и затем плавятся
с коксом в шахтной печи специальной кон-
конструкции. Испарившийся цинк поступает в
конденсатор, где захватывается свинцом,
который затем с помощью ликвации и ди-
дистилляции вновь отделяется. Свинец (воз-
(возможно, содержащий благородные металлы,
Си и другие элементы) вместе со шлаком
периодически выпускается. Разделение
свинца и шлаков происходит в отстойнике.
г. Процесс Воркра (см. 4.2.5.). Новый тип
печи непрерывного действия, ¦ в которой
осуществляется плавка подаваемого через
фурмы сырья с получением штейна и шла-
ка. Этот процесс позволяет также использо-
использовать одну печную установку для переработ-
переработки штейна в черновую медь. Успешное раз-
разделение фаз осуществляется путем приме-
применения принципа противотока. При этом
черновая медь и шлак выпускаются на про-
противоположных концах печн.
д. Дальнейшие новые направления разви-
развития новых процессов': "
— циклонная плавка (СССР);
— процесс Норанда (Канада);
— процесс Хитахь (Япония).
5. СПОСОБЫ
ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ
5.1. ДЕФОРМАЦИЯ, ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ
Пластическая деформация — один из про-
процессов изменения формы твердого тела. При
этом масса и состав материала остаются
без изменения [2,81]. Изменение формы
твердых тел в результате пластической де-
деформации происходит под действием напря-
напряжений, уровень которых должен удовлет-
удовлетворять условию текучести (см. закон теку-
текучести [2]).
Классификация процессов деформации:
а. По виду напряженного состояния в зо-
зоне деформации [2] — см. табл. 194.
б. По виду главных перемещений и дейст-
действию сил [2] (рис. 5.1).
Объемная ш/пап-
noBtta, двухсто-
двухстороннее прессоба-
ниевштанпес
Процесс
Обмхтя ттан-
ловка в зтры-
топ штопле
Осадка яежбу
плоскими и фа-
сонныма бойка-
пи (открытая
итамловка)
Штамповка
выдавливанием,
прессование,
редукционное
продавлибание
Сглаживание и
упрочняющая
лака/та
Прокатка
в ципинври-
</еских
валках
Протятка,
ротационное
выдавливание
Вытяжка
с утонением
посредством
выдавливания
Расковка
Ротационная.
/говна'
1
I
II
и
Лрвцесс
Волочение
проволоки,
волочение
профиля
Глубокая
вытятка
Вытяжка
с утонением
путем
лротятки
Рельефно-
формобочная
штамповка
Обтяжка
Гибка
с прямой
кромкой
Гибка с
искривленной
кромкой
Закручивание
Вытяжка
с яередачев
Эта деформацаи
Рис. 5.1
445
ТАБЛИЦА 194
Вид деформации (пре-
(преобладающие напряжения)
1. Сжатие (сжимаю-
(сжимающие)
2. Растяжение — сжа-
сжатие (растягиваю-
щие-t-сжимающие)
3. Растяжение (рас-
(растягивающие + сжи-
сжимающие или растяги-
растягивающие)
4. Изгиб (изгибаю-
(изгибающие)
5. Сдвиг (сдвигаю-
(сдвигающие)
Действие преобла-
преобладающих напряжений
Прямое
Косвенное (пол-
(полностью или частич-
частично)
То же
»
Прямое
»
Косвенное (полно-
(полностью или частич-
частично)
То же
Прямое
Область применения в зависимости от вида
главных перемещений
поступательного
Свободная ковка, объ-
объемная штамповка,
запрессовка
Прошивка, выдавли-
выдавливание, накатывание
продольной канавки
Волочение (проволо-
(проволока, трубы, профили),
глубокая вытяжка
Поперечная вытяжка
Вытяжка (продоль-
(продольная, поперечная, глу-
глубокая)
Гибка в штампе
Протяжка профилей
Сдвиг
вращательного
Прокатка продольная,
винтовая, поперечная
Ротационное выдав-
выдавливание с утонением
стенок, накатывание
канавок по окружно-
окружности
Внешняя опрессовка
Внутренняя опрессов-
опрессовка
Гибка в валках, на-
навивка, намотка
Сжатие с изгибом
Экструзия (выдавли-
(выдавливание)
Скручивание
5.1.1. Основные положения
5.1.1.1. Деформируемость
Способность материала в твердом состо-
состоянии под действием внешних сил изменять
свою форму без нарушения сплошности.
Деформируемость зависит от действующих
сил и напряжений и выражается в том или
ином изменении формы.
Пластическое состояние. Зависит от
свойств материала и конкретных условий
проведения деформации при реализации
различных процессов формоизменения.
Область пластичности на кривой растяже-
растяжения расположена между началом текучести
и нарушением сплошности материала (см.
1.И.1., 1.П.2.1.).
Условия пластической деформации. Про-
Процесс пластического течения есть про-
процесс необратимого движения дислокаций
Рис. 5.2
/ — предел текучести; 2 — область де-
деформации
(см. Пластическое состояние), зависит от
свойств материала и условий деформации
(рис. 5.2) [81]).
5.1.1.2. Механизм деформации
(см. 1.1., 1.5., 1.11.1.)
5.1.1.3. Состояние материала
Область пластической деформации огра-
ограничена (см. 5.2.1.1.): условиями пластично-
пластичности, с одной стороны и условиями предель-
предельной когезии (разрушения), с другой. Гра-
Граничные условия выражают связь между
состоянием материала и условиями дефор-
деформации (напряженным состоянием).
Сопротивление пластической деформации,
сопротивление формоизменению kf. Харак-
Характеристика материала, относящаяся к одно-
одноосному напряженному состоянию. Описы-
Описывает начало и ход пластического течения
при заданном напряжении. Условное обо-
обозначение kf. Величина kf зависит от свойств
материала, пластической деформации <р, ее
скорости ф и температуры процесса.
1. Формоизменение — упругое или пласти-
пластическое изменение формы твердого тела. На
диаграмме напряжение — относительное
удлинение (рис. 5.3) отмечены аЕ, Os и ов-
2. Работа деформации — работа, необхо-
необходимая для того, чтобы тело, имеющее форму
параллелепипеда с размерами ребер ho, bo,
h, в результате пластической деформации
приняло размеры h\, b\, U (рис. 5.4).
Уравнение работы (работа деформации).
Метод расчета работы, затраченной при де-
деформации тела, без учета потерь:
446
где kf — сопротивление пластической де-
деформации (kfm — среднее значение); V —
объем деформируемого тела; Ло — высота
тела до деформации; h\ — высота тела по-
после деформации.
— закон постоянства объема (см. 5.2.1.4.);
— действуют только силы, моменты от-
отсутствуют;
— трение не учитывают;
— для главных напряжений (см. 5.2.1.4.)
справедливо:
Рис. 5.3
kt=<ji—<J2= <Ji—аз — теория касательных
напряжений (см. 5.2.1.4.).
Уравнение работы Финка характеризует
фактическую работу деформации с учетом
kfm-
Wo = Vkfm In (йо/ftj = Vk,m ФЛ;
/
/
#=--=*sh
w
h
Рис. 5.4
Уравнение работы (истинная деформиру-
деформируемость) с учетом виутрениего в внешнего
треиия:
где kw—полное сопротивление деформации
или давление металла на инструмент
(kwm — среднее значение); гц — коэффици-
коэффициент полезного действия пластической де-
деформации.
Уравнение Финка:
«V-J kfv(dhih).
При определении работы деформации
без учета потерь (например, при ковке, про-
прокатке) для деформируемого параллелепи-
параллелепипеда исходят из следующих условий:
Здесь фй — логарифм главной деформа-
деформации; kwm — среднее полное" сопротивление
деформации (оопротивдевие - материала в
направлении, обратном деформации); а —
удельная работа деформации, равная
«Pi
3. Скорость деформации. Изменение сте-
степени деформации в единицу времени
(%-с-1).
4. Температура деформации (формообра-
(формообразования) — температура, при которой осу-
осуществляется пластическая деформация.
5. Полное сопротивление деформации
(при давлении металла на инструмент)—
сопротивление материала изменению формы
(с учетом внешнего и внутреннего трения,
внутреннего сдвига):
где kf — сопротивление пластической де-
деформации; kT, ki — сопротивление внешнему
трению и сопротивление, необходимое для
преодоления дополнительных внутренних
сдвигов в материале.
6. К. п. д. деформации.
Отношение сопротивления пластической
деформации к полному сопротивлению де-
деформации. Используется для оценки мето-
методов деформации в различных условиях фор-
формоизменения:
Кривые текучести. Описывают зависи-
зависимость между kt и ф; подразделяются на
кривые текучести при холодной и горячей
Холодная деформация
Влияние
деформации t),
большая I малая
¦Скорость деформации
/плая
большая
Горячая Вефорпация
— Температура рекристаллизации
Рнс 5.5
447
деформации (рис. 5.5) [138]; в последнем
случае учитываются- накладывающиеся про-
процессы рекристаллизации.
5.1.1.4. Условия деформации
Каждое тело изменяет свою форму, если
под действием внешних сил оно выведено
из состояния равновесия.
Рис. 5.6
Классификация-, идеально упругое тело
(закон Фука); идеально пластичное тело
(условие Сен-Венана); вязкое тело (закон
Ньютона).
Напряженное состояние. Любые действу-
действующие на тело силы можно разложить на
составляющие по трем взаимно перпендику-
перпендикулярным направлениям — осям пространст-
пространственных координат (рис. 5.6).
а. Главные напряжения. Напряжения, воз-
возникающие во взаимно перпендикулярных
плоскостях: ах, cv, ov, оь а2, аз.
б. Среднее главное напряжение (ат).
Среднее арифметическое или среднее глав-
главное напряжение:
в. Нормальное напряжение. Напряжение,
действующее в направлении, перпендику-
перпендикулярном плоскости сечения.
г. Касательное напряжение. Напряжение,
действующее в плоскости сечения.
д. Условия деформации. Если касательное
напряжение больше сопротивления сдвига,
происходит деформация.
При одновременном действии нормально-
нормального и касательного напряжений эталонное
напряжение определятся с учетом основных
положений теории прочности.
е. Виды напряженного состояния.
Классификация напряженного состояния
в зависимости от вида действующих глав-
главных напряжений представлена на рис. 5.7.
Закон постоянства объема. Тело имеет
одинаковый объем до и после деформации.
Элементарный объем в обоих случаях со-
сохраняет форму параллелепипеда:
h0 b0 Lo= h1blLl = V — const;
h1b1l1lhBbBls>=l.
1. Коэффициент обжатия (осадки) (y):
2. Коэффициент уширения ф):
3. Коэффициент вытяжки
Закон постоянства объема в упрощенной
форме:
Логарифмические степени деформации
или логарифмические деформации (истин-
(истинные):
Фп = In (hxlho); фЬ = In (Vo);
5.1.1.5. Условия пластичности,
течения, критерий течения
Существуют теории, которые позволяют
описать условия напряженного состояния в
материале.
Теории прочности. Понятия, необходимые
для описания условий начала возникнове-
возникновения пластической деформации. Применяют
для определения сопротивления деформа-
деформации и эталонных напряжений.
Различают:
1. Теория касательных напряжений. Опре-
Определение сопротивления деформации путем
испытаний на одноосное растяжение или
сжатие (см. I.H.2.I., 1.Н.2.2.). При двухос-
двухосном напряженном состоянии учитывают
только максимальное и минимальное на-
напряжения (О!>а2>аз): 2тШах=о—о"з=?/
(по Треска). При соблюдении этого условия
может начаться процесс течения.
2. Теория формоизменения. Проводят ис-
испытания (по Мизесу) для описания пласти-
пластического поведения (деформации) материала.
Условие течения (сложение работы дефор-
деформации по трем направлениям главных на-
напряжений CTi, a2, Оз):
Уп^с
Линейное,
или одноосное
напряженное
состояние
Плоское, или
двухосное
напряженное
состояние
Одноименные напряжения
(одного знака)
Объемное,
или трехосное
напряженное
состояние
Разноименные напряжения
Рис. 6.7
448
Важно при прокатке, так как, если kf со-
соответствует эталонному напряжению, на-
начнется течение материала.
5.1.1.6. Условия когезии
(деформации без разрушения)
Вводится понятие предельной величины
пластической деформации, которую матери-
материал выдерживает без разрушения в зоне де-
деформации [81].
Эта величина пластической деформации
зависит от свойств материала (вида и
структуры); условий деформации (вида на-
напряженного состояния, температуры и ско-
скорости деформации).
Величины деформации при различных
процессах деформации приведены на рис.
5.8.
Эти перемещения могут происходить од-
одновременно.
б. Работа деформации (кВт-ч-т-1). Ис-
Используется при проектировании новых про-
прокатных станов и для сравнения действую-
действующих.
в. Диаграмма вращающий момент — вре-
время. Дает представление о зависимости Мв
от времени прокатки. Служит основой рас-
расчета усилий главного привода прокатной
клети и определения эффективного момента
(с учетом характеристики двигателя).
г. Диаграмма мощность — время. Мощ-
Мощность двигателя представляется как функ-
функция времени. Служит основой расчета иа-
грузки на главный привод прокатной клети.
Требуемая мощность зависит от числа
оборотов (п) (Р — мощность; t — время;
п — число оборотов).
Испытание
на одноосное сжатие
Испытание
на одноосное
'растя/кете
-0J3
0,33
Рис. 5.8
5.1.1.7. Некоторые понятия
а. Зона деформации [2|. Область твердо-
твердого тела, в которой происходит пластическая
деформация. Под действием внешних сил в
зоне деформации возникают необходимые
для пластического течения напряжения.
Внешние силы через деформирующий инст-
инструмент воздействуют иа материал. Во вре-
время деформации возникают главные и. сдви-
сдвиговые относительные перемещения (система
заготовки — деформирующий инструмент).
Главное перемещение (вращательное или
поступательное) вызывает пластическую
деформацию в соответствующей зоне.
Сдвиговые перемещения (врашательиое
или поступательное) ведут к смещению зо-
зоны деформации,
29—140
На рис. 5.9 приведена диаграмма для од-
одного прохода на реверсивном стаие.
Рис. 5.9
449
5.1.2. Процессы
деформации
Классификация
а. По температуре:
— Холодная деформация. Температура
деформации лежит ниже температуры ре-
рекристаллизации (см. 1.10.), преимуществен-
преимущественно при температуре от комнатной до 250 °С
(для сталей). Характерным является рост
деформационного упрочнения материала в
ходе деформации, которое может быть
устранено с помощью отжига (нагрева) по-
после деформации.
— Горячая деформация1. Температура
деформации лежит выше температуры ре-
рекристаллизации (см. 1.10.). Часто горячую
деформацию проводят в условиях, когда
рекристаллизация протекает интенсивнее,
чем деформационный наклеп. При этом
упрочнение в момент образования новых зе-
зерен (рекристаллизованных) уменьшается за
счет развития процессов разупрочнения.
б. По характеру действия сил при обра-
обработке:
— прямое действие силы. Материал обыч-
обычно деформируется под действием движу-
движущихся навстречу друг другу контактных
плоскостей (ковка, прокатка, высажива-
высаживание);
— косвенное действие силы. Усилие де-
деформации прилагается так, что, находясь
между расположенными под углом друг к
другу контактными плоскостями, материал
деформируется за счет возникающих при
этом на контактных плоскостях реактивных
давлений (прошивка, прессование, волоче-
волочение, отбортовка, осадка).
в. По виду получаемой продукции: заго-
заготовки; трубы; полосы и листы; профили;
поковки, прессовки; проволока.
г. По конструктивным признакам валко-
валкового узла в клети стана.
1 Неполное деление; правильнее разли-
различать:
а) холодную деформацию — при темпе-
температурах от 0,1 до 0,37V,
б) теплую деформацию — при температу-
температурах от 0,4 до 0,67V,
в) горячую деформацию — выше 0,6—
0,77V Прим. ред.
5.1:2.1. Процессы получения
заготовок
Классификация
а. Тяжелые заготовки — блюмы сечением
от 130X130 до 350x350 мм (исходный ма-
материал — слиток) и слябы толщиной более
40 мм и шириной до 2 м (слиток, непре-
рывнолитая заготовка).
б. Легкие заготовки — заготовки сечени-
сечением От 40X40 до 140x140 мм (исходный
материал—блюмы) и сутунки толщиной
6—30 мм, шириной 150—180 мм (непрерыв-
нолитая заготовка).
Блюминг. Тяжелый стан горячей прокат-
прокатки, прокатывающий слитки обычно массой
2—12 т (иногда и более крупные) на заго-
заготовки для дальнейшей обработки на про-
прокатных станах.
Характеристики блюмингов приведены в
табл. 195.
ТА БЛИЦА
Вид
блюмингов
Тяжелые .
Средние . .
Легкие . .
1S5
Диаметр
валков» мм
1100—1250
850—1050
600—800
Масса
слит-
слитка, т
5—12
2,5—5
~2
Произво-
дитель-
дительность, т/ч
200—400
50—200
<70
Принцип работы. Большей частью двух-
двухвалковые клети, которые работают в ревер-
реверсивном режиме (рис. 5.10) [2].
Благодаря росту применения машин не-
непрерывного литья заготовок (больший вы-
выход годного, меньшие затраты на обработку
и меньшие капиталовложения, меньшая за-
затрата рабочей силы и занимаемой площади)
блюминги потеряли свое значение, однако
во многих странах они еще используются, а
иногда строятся новые.
Слябинг. Тяжелый специализированный
стан горячей прокатки, который прокатыва-
прокатывает слитки массой до 15 т (иногда и более
крупные) на слябы, поступающие затем на
другие (последующие) прокатные станы д4я
прокатки на широкие листы и другие подоб-
подобные изделия.
Принцип работы. Аналогичен блюмингу.
ff 7 &
Рис. 5.10
1 — печи большого объема; 2 — методические печи; 3 — привод; 4 — ножницы: 5 — отводящий
шлеппер; 6 — решетка для слябов; 7 — ножницы; «—пакетирующий рольганг; 9 — маслоцеит-
раль (насосная станция); 10 — прокатная клеть; // —пулы управления; 12 — слитковоа
450
Во избежание дефектов по бокам сляба не-
необходим ребровый пропуск, связанный с по-
потерей производительности (подъем верхнего
валка). При использовании универсальной
обжимной клети (см. рис. 5.11) [2] произ-
производительность слябингов может быть по-
повышена на 30 %.
Назначение — для получения заготовок,
которые используются главным образом для
изготовления горячекатаной широкой по-
полосы.
Рис. 5.11
5.1.2.2. Методы изготовления
труб
Трубы можно разделить на бесшовные и
сварные.
) 5.1.2.2.1. Методы изготовления
бесшовных труб
Бесшовная труба — изделие, получаемое
из сплошной заготовки. Процесс производ-
производства бесшовных .труб обычно состоит из
следующих операций; изготовления полой
заготовки; раскатки; редуцирования или
растяжки.
Для каждой операции используются раз-
различные технологические приемы и способы
производства (рис. 5,12).
Изготовление полых заготовок (гильз) ме-
методом прокатки
а. Прошивной стан винтовой прокатки с
бочкообразными валками Маннесмана. Тру-
Трубопрокатный стан винтовой прокатки с дву-
двумя вращающимися в одном направлении
валками, оси которых- расположены под
острым углом друг к другу. Предназначен
для непрерывной прошивки или раскатки и
растяжки круглых заготовок в толстостен-
толстостенные гильзы, из которых затем получают
трубы со стенкой стандартной толщины.
Принцип работы. Благодаря вращению
расположенных под углом друг к другу
валков центральная часть круглой заготов-'
ки приобретает в процессе деформации
овальное сечение и разрывается под дейст-
действием растягивающих напряжений (рис.
5.13) [2]. Валки калиброваны. В зоне про-
Рис. 5.13
шивки отверстия материал заготовки, вин-
винтообразно втягиваемый в зазор между вал-
валками, разрушается. Оправка на штанге рас-
расширяет образовавшееся пространство и
проглаживает его (рис. 5.14) [2].
Рис. 5.14
/ — зона прогладки; 2 — зона поперечной про-
прокатки; 3 — зона прошивки
Способы производства бесшовных труб
Прошивка
Прокатка
(прошивные станы
винтовой прокатки
с бочкообразными
валками Маннесмана
и с грибовидными и
дисковыми валками
Штифеля, трубопро-
трубопрокатный стан Дишера)
Прессование
(прошивка на
горизонтальном илн
вертикальном
прессе)
Раскатка
(горячее и холодное
пильгерование,
шведский стан,
автоматический
стан — стан Штифеля,
непрерывный стан,
раскатной стан-удли-
стан-удлинитель, стан-расши-
стан-расширитель, раскатной
стан Ассела, стан
Целикова)
Редуцирование
или растяжка
(волочение, ковка,
редукционный
трубопрокатный
стан, раскатной
трубопрокатный
стан)
Рис. 6.12
29*
451
Агрегат применяется для прошивки труб-
трубных заготовок перед станом Штифеля и
другими трубопрокатными станами и для
раздачи гильз.
б. Прошивной стан с грибовидными вал-
валками Штифеля. Стан винтовой прокатки
без прогладочной части. Предназначен для
прошивки заготовок с помощью валков
большого диаметра. Позволяет получать
гильзы с очень тонкими стенками (рис
5.15) [2].
подвергается деформации при периодиче-
периодическом обжатии.
Гильза, . полученная на стане винтовой
прокатки или на прошивном прессе (или вы-
вытянутая на раскатном стаие), ступенчато
обрабатывается при подаче на оправке
(рис. 5.18) [2]. Сначала валками отсекает-
Рис. 6.15
Рис. 6.16
в. Прошивной стан с дисковыми валками
Штифеля. Стан винтовой прокатки без про-
прогладочной части. Предназначен для про-
прошивки круглых заготовок с помощью вал-
валков большого диаметра. Позволяет получать
гильзы с очень тонкими стенками (рис
5.16) [2].
Рис. 5.17
г. Прокатка на стаие Дишера. Прошивной
стан с бочкообразными валками для изго-
изготовления трубы со стенкой стандартной
толщины из сплошной заготовки за одни
проход.
Жесткие линейки или поперечные валки,
характерные для станов винтовой прокат-
прокатки, заменяются вращающимися дисками,
повышающими эффект раскатки. Этим спо-
способом изготавливают трубы с толщиной
стенок 2—3 мм (рис. 5.17) [2].
Способы раскатки
а. Горячее пильгерование. Способ горячей
прокатки на пилигримовом стане в валках
с переменным радиусом ручья. Использует-
Используется для изготовления бесшовных труб. Тру-
Трубы циклически вытягиваются в валках при
подаче на оправке. Вся трубная заготовка
Рис. 5.18
а — отсечка участка и обжатие; б — раскатка
и обкатка; в — подача и кантовка трубы; W —
прокатка; VH — подаче через форголлер; VS —
смещение; D — кантовка
ся определенный участок гильзы, который
раскатывают на оправке при одновременном
ее возвратном движении. Затем идет пода-
подача гильзы (на следующий участок) с одно-
одновременной кантовкой ее вокруг оси. Про-
Процесс циклически повторяется. После горя-
горячего пильгерования производится выравни-
выравнивание трубы на прогладочном или
калибровочном стане.
Этим способом получают трубы диамет-
диаметром 140—550 мм при толщине стенок 8—
28 мм. Позволяет изготовлять трубы с внут-
внутренним и внешним профилем.
В последнее время не используется из-за
неритмичности работы системы.
б. Холодное пильгерование. Способ холод-
холодной прокатки на пилигримовом стане. Труб-,
ная заготовка периодически раскатывается
в холодном состоянии на конической оправ-
оправке. В отличие от станов горячего пильгеро-
пильгерования возвратио-поступательные движения
совершает клеть. Рабочие калибры валков
обкатывают неподвижную трубу (рис. 5.1&)
[2J. Заготовка смещается на определенную
/7777777777777777/////////'
Рис. 5.19
I — кривошипио-шатуниый механизм; 2 — клеть;
3 — валок; 4 — ручей валка; 5 — гильза; 6 — обра-
обрабатываемая труба; 7 — оправка; 8 — штаига оп-
оправки; * — упор; 10 — суппорт
452
11
Рис. 5.20
/ _ Печь для нагрева слитков; 2 — горизонтальный пресс; 3 — монорельс для «лети обжимного
¦ стана: 4, 5 — клеть обжимного стана; 6 — нагревательная печь; 7 — монорельс для чистовой клети;
8 _ чистовая клеть; 9 — задающая тележка; 10 — ножницы; Л — обкатной став; 12 — возврат оп-
оправки; 13 — калибровочный стан; 14 — правильная машина: /5 — холодильник
длину и одновременно кантуется на 60°.
Стан используется для изготовления труб
внешним диаметром 12—300 мм при соотно-
соотношениях толщины стенок к внешнему диа-
диаметру трубы < 1 : 100.
Способ используется преимущественно
при производстве прецизионных труб из
высоколегированных сталей с высоким ка-
качеством поверхности и для изготовления
труб из нелегироваиных сталей, так как (по
сравнению с холодной вытяжкой) позволяет
значительно уменьшить сечение (до 80 %
от исходной величины) без промежуточного
нагрева.
в. Шведский стан. Калибровочный стаи
горячей прокатки полых заготовок на оправ-
оправке с получением бесшовных труб (рис. 5.20)
[2]. На рисунке показан шведский стан с
четырьмя двухвалковыми клетями. Харак-
Характерный признак двухвалковых клетей — сту-
ступенчатые круглые калибры. В каждый ка-
калибр вводится оправка, удерживаемая упо-
упором. Сначала гильза задается в максималь-
максимальный калибр с минимальной оправкой.
Последующая деформация раскатываемой
части гильзы проводится в калибре меньше-
меньшего размера с оправкой большего диаметра.
Внешний диаметр и толшина стенок трубы
постепенно уменьшаются. Требуется много-
многократная нарезка заготовок, промежуточный
нагрев и чистовая прокатка.
Наиболее старый способ производства
труб используется для получения широкого
сортамента труб при малом объеме каждой
партии. Благодаря механизации производи-
производительность шведского стана может быть до-
доведена до 75 % производительности стана
Штифеля тех же размеров, но требуется
значительно большее количество обслужи-
обслуживающего персонала-.
г. Автоматический стан (установка)-Шти-
(установка)-Штифеля (прокатка труб на оправке). Трубо-
Трубопрокатный стан в комплекте с печью, про-
прошивным станом винтовой прокатки, автома-
автоматическим станом, обкатным станом, печью
для промежуточного нагрева и редукцион-
редукционным станом.
Облегченный агрегат Штифеля (рис. 5.21)
[2] представляет собой дальнейшее усовер-
усовершенствование малопроизводительного и
сложного шведского стана. Заготовка рас-
раскатывается в круглом калибре за 2—3 про-
прохода со сменой оправок. Калибр меняется
при поперечном перемещении задающей те-
Рис. 5.21
/ — прошивной стан; 2 — автоматический стаи;
3 — обкатной стан; 4 — калибровочный стаи; 5 —
холодильник; 6 — правильная машина; 7 — редук-
редукционный стен
лежки. Гильза подается в калибр поршне-
поршневым устройством, труба извлекается роли-
роликовой парой при подъеме верхнего валка,
устанавливается новая оправка и заготовка
снова подается в калибр.
Облегченные агрегаты Штифеля использу-
используются для изготовления труб с внешним ди-
диаметром 160—400 мм.
Способ Штифеля оправдывает себя при
часто изменяющейся производственной про-
программе и применяется во всех промышленно
развитых странах (широко применялся в
США для производства труб по заказам
нефтяной промышленности).
В последнее время более предпочтитель-
предпочтительным является использование непрерывных
трубопрокатных станов, прессов для выдав-
выдавливания труб (и прутков), штоссбанков
(установок для сварки труб).
д. Непрерывный трубопрокатный стан.
Стан для прокатки труб с расположенными
последовательно смещенными на 90° отно-
относительно друг друга двухвалковыми клетя- .
ми, Предназначен для одновременной горя-
453
чей прокатки и раскатки гильз на оправке.
Раскатка заготовок проводится на штан-
гообразной оправке, обычно не закреплен-
закрепленной. Валки имеют открытый калибр, и тру-
труба остается незакрепленной на оправке.
После исправления овальности (скругле-
ния) в последнем калибре оправку извле-
извлекают из трубы (рис. 5.22) [2].
ступенчатой калибровкой, предназначенный
для раскатки предварительно прошитых
трубных заготовок.
Рис. 6.22
Непрерывный трубопрокатный стан —
наиболее современный высокопроизводи-
высокопроизводительный агрегат, предназначенный для про-
производства бесшовных труб. Он характери-
характеризуется высокой степенью автоматизации и
малой потребностью в рабочей силе. Годо-
Годовая производительность — 200 тыс. т и
более.
е. Раскатной стан-удлинитель (по Калм-
су). Двухвалковый стан винтовой прокатки
для раскатки прошитых гильз. Валки ста-
стана имеют ступенчатую калибровку (рис.
5.23) [21 Гтан используется как промежу-
Рис. 5.23
точная клеть после прошивного пресса в
агрегате Щтифеля, пилигримовом стане или
перед штоссбанком.
ж. Стан-расширитель для изготовления
труб большого диаметра (процесс Эрхарда,
процесс Рекнера). Предназначен для произ-
производства бесшовных тонкостенных труб
большого диаметра из литых или кованых
заготовок. Валки обрабатывают как наруж-
наружную, так и внутреннюю поверхности заго-
заготовки.
На стане Эрхарда (рис 5.24) [2] толщи-
толщина стенок заготовки уменьшается при одно-
одновременном увеличении диаметра трубы.
На стане Рекнера (рис. 6.25) [2] разме-
размешаются 6—8 пар валков. Наружные валки
приводные. Стан предназначен для обра-
обработки полых заготовок длиной 14—18 м и
массой 40—75 т. Сложные в техническом
отношении станы-расширители все чаще за-
заменяются установками для сварки труб
большого диаметра.
з. Раскатной стан Ассела. Трехвалковый
стан винтовой прокатки со специальной
Рис. 6.24 Рнс. 5.25
1 — труба; 2 — верхний валок; 3 —
регулируемый направляющий ва-
валок; 4 — нижний валок; S — устано-
установочные винты
Три смещенных на 120° валка деформиру-
деформируют полую заготовку. Прокатка проводится
на оправке (рис. 5.26) [2],
Рис. 5.26
А — ввод трубнрй заготовки; Б — зона незна-
незначительной деформации; В — зона интенсивной
деформации; Г — зона снятия иагрузкн; Д —
зона калибровки; ? — зона вывода трубной
заготовки
Способ используется при производстве
толстостенных труб для шарикоподшипни-
шарикоподшипников.
Основные преимущества способа: высокая
точность размеров по диаметру и толщине
стенок трубы; высокая эффективность де-
деформации благодаря ступенчатой калибров-
калибровке валков.
и. Стан Целикова. Стан холодной про-
прокатки, предназначен для уменьшения диа-
диаметра и толщины стенок труб при обработ-
обработке заготовки между роликами, которые на-
направляются линейками, и конической оправ-
оправкой (рис. 5.27) [2],
454
Рис. 5.27
1 — кривошипно-шатуниый механизм; 2 — ролик; 3 — лииейка; 4 — клеть; 5 —ход клети; 6 — гиль-
ва; 7 — оправка; 8 — обрабатываемая труба
Стаи применяется для изготовления тон-
тонкостенных высококачественных труб из
средне- и высоколегированных сталей. Тол-
Толщина стенок 0,1—2 мм при одновременной
обработке надвигаемых друг иа друга труб.
Позволяет получать трубы с меньшей тол-
толщиной стенок.
Способы редуцирования или растяжки
а. Холодное волочение труб [2]. Волоче-
Волочение бесшовных или сварных труб в холод-
холодном состоянии осуществляется в фильере,
рабочий диаметр которой меньше наружно-
наружного диаметра трубы.
В полости трубы может находиться внут-
внутренний инструмент. В этом случае происхо-
происходит уменьшение толщины стенки. Материал
трубы подвергается деформационному
упрочнению.
Принцип волочения. Безоправочное воло-
волочение (рис. 5.28). Наружный диаметр трубы
уменьшается, незначительно увеличивается
толщина стенок, удлинение составляет
1,35—1,40 (при содержании в стали 0,3 %
€).
Рис. 5.28
Рис. 5.29
Волочение на короткой неподвижной
оправке (рис. 5.29). Используется наиболее
часто. Оправка жестко крепится на стерж-
стержне. Уменьшается наружный диаметр трубы
и толщина стенки, удлинение около 1,50
(при содержании в стали 0,3 % С). Ско-
Скорость волочения 20—140 м-мин-1.
Волочение со штангой (рис. 5.30). Труба
протягивается вместе со штангой через во-
волочильное кольцо. Преимущество: меньший
износ внутреннего инструмента. Недоста-
Недостаток: необходимо освобождать трубу от
штанги с помощью отвальцовки. Удлинение
(при содержании в стали 0,3 % С) состав-
составляет 1,70—1,75. Используется для изготов-
изготовления тонкостенных труб Значение этого
способа постепенно уменьшается.
Рис. 5.30
Рис. 5.31
Волочение на короткой плавающей оправ-
оправке (рис. 5.31). Оправка удерживается в
требуемом положении в зоне деформации
самопроизвольно. Способ используется при
производстве труб наружным диаметром
6—20 мм. Производительность при длине
трубы <450 м 450 м-мин-1.
Волочение труб с их расширением (рис.
5.32). Используется короткая подвижная
оправка. Способ применяется для получе-
получения труб с небольшим внутренним диамет-
диаметром, когда трудно уменьшить толщину сте-
стенок.
Холодное волочение труб — основной спо-
способ, применяемый для изготовления труб
высокой точности размеров по толщине
стенок и наружному диаметру при высоком
качестве поверхности.
б. Редукционный прокатный стан. Непре-
Непрерывный прокатный стан для обработки
455
(иногда окончательной) бесшовных или
сварных труб. Работает без внутренней
оправкн. Уменьшает наружный диаметр ра-
разогретых заготовок. Толщина стенок умень-
уменьшается от клетв к клети. Принцип рабо-
работы—см. рис. 5.33 [2J,
Рис. Б.32
трубы вместе с уменьшением толщины сте-
стенок.
Редукционно-растяжные станы использу-
используют после стана Штифеля, штоссбанка, пвлн-
гримового стана, пресса для выдавливания
труб или установки для сварки труб. При-
меневие этих станов обеспечивает повыше-
повышение качества труб, а также возможность
реализации универсальной программы про-
производства труб из гильз стандартных раз-
размеров и -рентабельное изготовление неболь-
небольших партий труб.
в. Раскатной трубопрокатный стаи. Стан
для раскатки горячекатаных труб (см. рис.
5.34 [2J). Конусные ' валки раскатывают
трубу на оправке. Исходный диаметр
<700 мм.
Использование этих станов непрерывно
сокращается в связи с прогрессом в технике
производства сварных труб.
5.1.2.2.2. Методы иаготовлешш сварных
труб
Способы, предусматривающие деформа-
деформацию (свертывание) листов и полос в трубы
в горячем и холодном состояниях. После
Рис. 5.33
Различают:
— Калибровочный стаи. Использует те-
тепло, сохраняющееся в горячекатаных тру-
трубах в процессе их изготовления, для дости-
достижения определенной степени редуцирова-
редуцирования и повышенной точности размеров (ма-
(малое число клетей).
— Редукционный стан. Многоклетевой
стан, характеризуется повышенной сте-
степенью деформации; в ряде случаев приме-
применяют промежуточный нагрев полых загото-
заготовок. Деформация осуществляется с по-
помощью двух дисковых валков, развернутых
относительно друг друга на 90°. При чи-
чистом редуцировании происходит утолщение
стенок труб (устраняется небольшим растя-
растяжением).
Редукционно-растяжной стан. Аналогичен
редукционному. ^Дополнительное значитель-
значительное растяжение заготовки между отдельны-
отдельными клетями вызывает заметное удлинение
деформации (свертывания) кромки свари-
сваривают.
Различают горячекатаные и холодноката-
холоднокатаные сварные трубы.
а. Горячекатаные сварные трубы. Техно;
логические операции:
— обработка штрипсов (резка, правка,
изготовление длинных или бесконечных по-
полос);
— нагрев штрипсов до температуры горя-
горячей деформации (свертки) илн нагрев кро-
кромок до температуры сварки (обычно в пе-
печах с газовым илв электрическим нагре-
нагревом);
— деформация (свертка) полос в шлице-
вую трубу с помощью волочильной воронки
(рис. 5.35 [138]) или профильной прокатки
(метод Фрец-Муна, рис. 5.36);
— сварка шлицевой трубы различными
способами (встык, внахлест, частично с опе-
опережением);
Рис. 5.34
/ — валки; 2 — труба; 3 — оправка
Рис. 5.35
а _ пень; б — штрипс; в т- вентилятор; г — воло-
чнльвая воронка; д — волочильная цепь
456
— окончательная отделка (редуцирова-
(редуцирование, калибровка, правка, резка на заданную
длину).
б. Холоднокатаные сварные трубы. Техно-
Технологические операции:
— подготовка штрипсов (обезжиривание,
удаление окалины, травление, обрезка кро-
кромок, изготовление бесконечных полос);
Рис. 6.36
а — вентилятор; б —формующие валки; в —сва-
—сваривающие валки
— деформация (свертка) в холодном со-
состоянии [с помощью волочильной воронки,
на листогибочном стане (рис. 5.37 [2] ги-
гибочном прессе, многовалковой гибочной ма-
машине] .
— сварка шлицевой трубы различными
способами (контактная сварка, рис. 5.38).
— окончательная отделка (удаление гра-
грата, калибровка, правка, резка на заданную
длину).
Рис. 6.37
Медные ротки
Е
Рис. 5.38
Схема контактной сварки
шлицевой трубы
5.1.2.3. Методы изготовления
полос и листов
Классификация
— Методы изготовления полосы горяче-
горячекатаной и холоднокатаной.
— Методы изготовления листа тонкого и
толстого.
Понятия и определение.
¦ а. Тонкий лист. Горячекатаные листы тол-
толщиной <4 мм, шириной 500—1600 мм, дли-
длиной 1000—3000 мм, изготовляемые на ста-
станах тонколистовой горячей прокатки или
отрезанные от широких горячекатаных по-
полос соответствующих толщин.
б. Толстый лист. Горячекатаные листы
толщиной 4—60 мм, шириной 600—4000 мм,
длиной 4000—12 000 мм, изготовляемые на
толстолнстовых станах горячей прокатки
или отрезанные от горячекатаных широких
полос соответствующих толщин.
в. Горячекатаная полоса. Полоса толщи-
толщиной 1,0—12 мм, шириной не более 2500 мм
в рулонах массой 15—30' т подвергается
дальнейшей переработке на холодноката-
холоднокатаную ленту или разрезке на толстые или
тонкие листы (см. выше).
г. Холоднокатаная лента. Лента толщи-
толщиной <4 мм в виде лент (полос) или руло-
рулонов с обрезной кромкой подразделяется на
узкую «300 мм); средней ширины C00—
600 мм) и широкую F00—2000 мм).
Получение тонкого листа (см. рис. 5.39
[2]). Заготовки нагревают до 800—900 СС,
обжимают, пакетируют и прокатывают в
пакетах с одним или несколькими промежу-
промежуточными нагревами на конечный размер.
Затем обрезают кромку пакета, разделяют
его на отдельные листы, отжигают, травят,
отделывают и правит.
Рис. Б.39
/ — печь для иагрева слябов; 2 — рольгаиг; 5 —
передаточный механизм; 4 — транспортировочный
рольганг; 5 — подъемио-поворотный стол; 6 —
обжимная трехвалковая клеть; 7 —привод верх-
верхнего валка; в —тележка для раската; 9 — транс-
транспортер полосы; 10 — контрпривод; // — двигатель;
/2 — нагревательная печь; /3 —чистовая двухвал-
двухвалковая клеть; 14 — склад
457
Рис. Б.40
/ — нагревательные колодцу, 2 — тележка для перевозки слябов; 3 — методические печи; 4 — ока-
лииоломатель; 5 — обжимная клеть; 6 — эджерная клеть; 7 — чистовая клеть с эджерными валка-
валками; в — направляющая линейка; 9 — установка кислородной резки; 10 — ножницы для обрезки
концов раската н деления раската; // — печи для отжига; 12— правильная машина; 13— холо-
холодильник; 14 — кантователь листов; 15 — дисковые иожннцы; 16 — отделочные ножницы; П — весы
17 Z0
19
Рис. 5.41
1 — склад слябов; 2 — задающее устройство; 3 — методические толкательные печи; 4 — печной роль-
гаиг; 5 — стеллаж для охлаждения проката; 6 — окалиноломатель двухвалковый; 7—10 — четыре
клети черновой группы четырехвалковые (эджерные валки); 11 — ножницы для обрезки концов
полосы; 12 — гидросбив окалииы; 13 — 6-клетьевая чистовая группа; 14 — бесконтактный прибор
для измерения толщины и ширины полосы; 15 — отводящий рольганг; 16 — приводиые ролики; 17 —
подземные моталки (ниже уровня пола); /8 — опрокидыватель рулонов; 19 — транспортер рулонов;
20 — кантователь рулонов
Тонколистовые станы играют все меньшую
роль вследствие увеличения производства
горячекатаной и холоднокатаной полосы
(более высокая производительность, лучшее
качество). Новые тонколистовые станы поч-
почти не строятся.
Получение толстого листа (рис. 5.40) [3].
Слябы обычно нагревают под прокатку в
нагревательных колодцах, методических
толкательных печах или в печах с выдвиж-
выдвижным подом. После этого производится про-
прокатка слябов в продольном направлении (с
одновременной ломкой окалины, ликвидаци-
ликвидацией конусности), кантовка и прокатка в по-
поперечном направлении на заданную конеч-
конечную ширину, новая кантовка и прокатка в
продольном направлении на конечную тол-
толщину. Далее — обрезка кромок и правка ли-
листа. В ряде случаев проводится нормализа-
нормализация. В современных мощных станах приме-
применяются четырехвалковые клети и дополни-
дополнительные обжимные клети.
Описан основной процесс производства
толстых листов, удовлетворяющий широ-
широким требованиям производства.
Получение горячекатаной полосы. Разли-
Различают непрерывный и полунепрерывный про-
процессы получения полосы. Схема непрерывно-
непрерывного широкополосового стаиа горячей прокат-
прокатки приведена на рис. 5.41 [2]. Слябы за-
зачищают огневой зачисткой, ускоренно на-
нагревают до 1250 СС (меньшее окалинообра-
зование), обжимают до подката длиной
<с50 м (окалиноломатель, гидросбив окали-
окалины при давлении до 100 атм, прокатка с
кантовкой) и, наконец, проводят чистовую
горячую прокатку полосы. Для этого вы-
выдерживают подкат на промежуточном роль-
рольганге для обеспечения заданной температу-
температуры конца прокатки. После обрезки кромок
и повторного удаления окалнны гидросби-
вом проводят непрерывную чистовую про-
прокатку, обычно в шести- н семиклетьевой чи-
чистовой группе со скоростью >20 м-с~'.
Полосу охлаждают водой на холодильном
рольганге до 650 °С и сматывают. При по-
полунепрерывном процессе черновая группа
состоит из реверсивных клетей.
Получение холоднокатаной ленты
Станы для получения холоднокатаной
ленты классифицируют по расположению
валков (рис. 5.42);
Ж
Рис. Б.42. Расположение валков при получении
холоднокатаной ленты
а) двухвалковый стан (валки большого
диаметра, ограниченная вытяжка) применя-
применяют для получения относительно узких, гоФ-
стых лент при малых обжатиях за проход;
б) четырехвалковый стан — универсаль-
универсальное применение;
в) 6-валковый стан; 12-валковый стан;
20-валковый станы — применяются преиму-
преимущественно для прокатки тонких полос из
высокопрочных сталей;
458
г) стан MKW (универсальный стан холод-
холодной прокатки); имеется возможность приме-
применять большие скорости прокатки при отно-
относительно малых диаметрах валков;
д) стан с непрерывным расположением
клетей (типа тандем) — для получения ши-
широкой ленты непрерывным процессом (от 2
до 6 клетей, обычно четырехвалковых).
Горячекатаную полосу травят, прокатыва-
прокатывают полистно или непрерывно с промежуточ-
промежуточным отжигом или без него. Отжиг проводят
в колпаковых печах. Металл поставляется
в виде рулонов или листов.
Процесс имеет решающее преимущество
при производстве тонколистовой стали.
Ускоренный рост развития производствен-
производственных мощностей во всем мнре связан с уве-
увеличением спроса на листовую сталь.
5.1.2.4. Методы изготовления
профилей
Методы получения горячекатаных или хо-
холоднокатаных профилей различных форм и
размеров (кроме леиты, листа, труб и про-
проволоки).
Профили классифицируют по нескольким
признакам.
а. По размерам готовой продукции:
Наимено-
Наименование
стана
Диаметр
валков,
мм
Диаметр
проката,
мм
Площадь
сечения,
мм
Крупно-
Крупносортный
650-950
100-300
7800-70000
Средне-
сортный
Мелко-
Мелкосортный
360-650 240-360
30-100
8-35
300-3600 50-400
б. По температуре прокатки: горячеката-
горячекатаные и холодногиутые профили.
в. По назначению: например рельсы; шн-
рокополочные тавровые балки; специальные
профили; балки.
20
Провесы производства крупносортной
стали. Процессы горячей прокатки крупно-
крупносортных профилей из стали (круглых диа-
диаметром 100—300 мм; квадратных соответст-
соответствующих размеров; двутавровых со стенкой
140—600 мм; соответствующих U-образных
или другой формы; железнодорожных рель-
рельсов прочностью 20—70 кгс-мм-2; полосовой
стали шириной 200—400 мм; угловой стали
с полкой от 130X130 до 200X200 мм нли
соответствующих неравнополочных уголков
обычно на трех- и четырехклетевых станах
из блюмов илн непрерывнолитых заготовок.
Тяжелые крупносортные станы (рис. 5.43,
открытый крупносортный стан с трехвалко-
выми клетями) строятся как двухвалковые
реверсивные, более легкие — как трехвалко-
вые.
Наблюдается относительное замедление
развития крупносортных станов, так как по-
потребность в крупносортной стали, в отличие
от листовой, мелкосортной стали и проволо-
проволоки растет медленно.
Трехвалковый стан 700
Чистовая двухвалковая клеть 650
Процессы производства среднесортной
стали. Процессы горячей прокатки средне-
сортных профилей из стали (круглых диа-
диаметром 30—90 мм; квадратных соответст-
соответствующих размеров; двутавровых профилей
со стенкой 80—140 мм, соответствующих
U-образных или иной формы; рудничных
рельсов; листовой стали шириной 50—200
мм; угловой стали с полкой 40—130 мм или
соответствующих неравнополочных уголков)
из катаных или непрерывнолитых заготовок
иа линейных или непрерывных прокатных
станах.
Т8 ТТ 75 IS
.Um/. У
Ш Ш Ш
12 11 1079 79 В
Рис. Б.44
; травильный агрегат; 2 — печной рольганг с машиной для кислородной резки и весами: 3 — тол-
толкатель заготовок; 4 — печи; 5 — выталкиватель заготовок: 6 — поперечный рольганг; 7 — захват
кантователя; 8 — направляющее устройство; 9 — две двухвалковые реверсивные клети; 10 — канто-
кантовальная букса; // — чистовая двухвалковая клеть; 12 — ножницы; 13 — холодильник; 14 — правиль-
правильная машина; 16 — отводящий рольганг; 16 — ножницы холодной резки; 17 — толкатель раската;
18— поперечный цепной транспортер; 19 — штабелеукладчик; 20 —сменные валки
45?
Рис. Б.45
Типы средиесортных прокатных станов:
линейные (устаревшей конструкции), три
клети, малая производительность, устарев-
устаревшее расположение оборудования; линейные
(полностью механизированные), 3—4 клети,
производительность *•> 180 тыс. тонн в год,
позволяют выполнять различные программы,
стоимость стана и его технического обслу-
обслуживания меньше, чем у непрерывного ста-
стана; непрерывные, 24 клети, высокая произ-
производительность F00 тыс. тонн в год).
Современный линейный среднесортный
прокатный стан — см. рис. 5.44 [2|.
Вследствие постоянного роста потребно-
потребности в их продукции среднесортные станы
требуют дальнейшего технического усовер-
усовершенствования.
Процессы производства мелкосортной
стали. Процессы горячей прокатки мелких
стальных профилей (круглых диаметром
8—38 мм и квадратных соответствующих
размеров, полосовых размером от 12X5 до
60X10 мм; угловой стали с полкой 20—
50 мм, U-образных профилей со стенкой
<80 мм; тавровых и других профилей из
легкой заготовки) на станах с линейным
или непрерывным расположением оборудо-
оборудования.
Производительность станов некоторых ти-
типов, тыс. т в год:
Линейные станы устаревшей кон-
конструкции 120—180
Станы с шахматным расположе-
расположением двухвалковых клетей:
полунепрерывные ...... 360
непрерывные ........ До 900
Современные непрерывные станы с гори-
горизонтальными и вертикальными клетями поз-
позволяют получать профили повышенной точ-
точности (за счет регулирования температуры
конца прокатки) и с высоким качеством
поверхности.
Схема расположения оборудования непре-
непрерывного мелкосортного стана — рис. 5.45
[2].
Интенсивное развитие производства мел-
мелкосортного проката связано с увеличением
потребности в этом материале и ростом тре-
требований к допускам и качеству поверхно-
поверхности.
5.1.2.5. Методы изготовления
кованых и прессованных
заготовок
Различают следующие методы изготовле-
изготовления заготовок: ковка; свободная ковка,
объемная штамповка; непрерывное прессо-
прессование (экструзия); штамповка выдавлива-
выдавливанием, горячая и холодная штамповка.
Применяемое оборудование в зависимо-
зависимости от выбранного процесса-.
— свободная ковка, объемная штампов-
штамповка— молот, гидравлический пресс, машина
свободной ковки; молот для объемной
штамповки, пресс для объемной штамповки,
горизонтально-ковочная машина, ковочные
вальцы;
— непрерывное прессование — установка
непрерывного прессования;
— штамповка выдавливанием — установ-
установка для штамповки выдавливанием.
5.1.2.5.1. Свободная ковка
Ковка инструментом, не содержащим эле-
элементов формы обрабатываемого изделия
или содержащего их только частично. Кро-
Кроме того, к свободной ковке относят также
процессы деформации изгибом (гибка) и
процессы пластической деформации сдви-
сдвигом (рубка).
Принцип работы предусматривает выпол-
выполнение большого числа операций: протяжка,
расплющивание, осадка, разгонка, прошив-
прошивка, гибка, пробивка отверстий, закручива-
закручивание, вырубка, правка и т. д. в различной
последовательности.
Примеры
а. Протяжка. Постепенное уменьшение
поперечного сечения поковки. Материал при
этом перемещается преимущественно в про-
продольном направлении (рис. 5.46 и 5.47) [2].
/ /
п
2
Рис. Б.46
с —квадратные заготовки и полосы; б — круглые
заготовки; 1 — верхний боек; 2 — нижний боекг
3 — то же, вырезной
Рис. 5.47. Схема протяжки полых заготовок:
/ — поковка; 2 — оправка: 3 — направление растя-
растяжения; 4—верхний боек; 5 — водяное охлажде-
охлаждение; 6 —цепь краиа; 7 —диск с упорамщ в —
нижний боек
460
б. Расплющивание (расковка). Увеличе-
Увеличение ширины поковки при уменьшении ее
толщины. При этом длина остается почти
неизменной. Продольная ось поковки парал-
'. лельна продольной оси бойков (рис. 5.4S)
[21.
в. Осадка. Увеличение поперечного сече-
сечения поковки при уменьшении ее высоты
(рис. 5.49) [2].
г. Местная осадка (высадка). Получение
заготовок со ступенчатым уменьшением по-
поперечного сечения с помощью вытяжки (рис,
5.50 и 5.51) [2].
д. Вытяжка с передачей. Образование
уступов и выемок, расположенных несиммет-
несимметрично относительно главной оси, например
Рис. 5.48
/ — верхний боек; 2 — поковка; 3 — нижний боек
—*- Перемещение
Рис. 5.49
1 — верхняя осадочная плита; 2 — заготовка; 3 -
нижняя осадочная плита; 4 — верхний боек; 5-
поковка; 6 —осадочная плита
Рис. 5.50
а — односторонняя высадка под молотом; б — од-
односторонняя высадка под прессом; в — двухсторон-
двухсторонняя высадка поя молотом или прессом; 1 — верх-
верхний боек; 2 — нижний боек; 3 — наметка
Ш-г
Рис. 5.51
1 — верхний боек; 2—нижний боек; 3 — калевка;
4 — уступ (звплечик)
выступы на коленчатом валу (рис. 5.52)
[2].
е. Прошивка. Получение отверстий в по-
поковке при продавливании сплошных или
пустотелых пуансонов (прошивней) различ-
различного сечения. Необходимы также подкла-
подкладочное кольцо, полый цилиндр, калибры
(рис. 5.53) [2].
ж. Шлицевание [2]. Вырезка материала
поковки с помощью кислородной резки, пи-
пилы или фрезы.
Рис. 5.52
верхний боек; 2 — нижний боек
Рис. 5.53
/ — сплошной прошивень; 2 — поковка
-3
Рис. 5.54
1 — стойка; 2 — цилиндр; 3 — система управления;
4 — стойка управления; 5—ударная штанга; 6 —
шток поршия; 7 — ковочный боек; в — шабот;
9 — опорная плита; 10 — фундамент
461
я. Гибка [2]. Промежуточная деформация
кованой заготовки удлиненной формы с ис-
искривленной или прямой главной осью и
асимметричным расположением дополни-
дополнительных элементов.
и. Закручивание [2]. Получение радиаль-
радиальных уступов в различных плоскостях кова-
кованой заготовки после предварительной ков-
ковки уступа в одной плоскости, последующего
местного нагрева и закручивания (напри-
(например, для некоторых типов коленчатых ва-
валов).
Оборудование
а. Одностоечный молот для свободной
ковки (рис. 5.54) [2). Привод от сжатого
воздуха или пара. Используется для свобод-
свободной ковки мелких и средних изделий.
б. Четырехколонный ковочный пресс (рис.
5.55) [2]. Используется для получения сред-
Рис. 5.55
входной (о) и выходной (в) трубопроводы гидрав-
гидравлического цилиндра; / — рабочий цилиндр; 2 —
плунжер; 3 — верхняя траверса: 4 — стойка: 5 —
нижняя траверса; 6 — подвижная траверса; 7 —
цилиндр обратного хода; 8 — плунжер обратного
хода; 9 — траверса; 10 — тяга; // — сальник
I .. .
Рис. 5.56
них и крупных изделий с помощью свобод-
свободной ковки и объемной штамповки. Усилие в
прессе передается на боек через закреплен-
закрепленный на штоке поршень, приводимый в дви-
движение гидравлическим (на воде или масле)
приводом.
в. Машина для точной штамповки (см.
схему рис. 5.56). Применяется для ковки
стержней, осадки валов, осей, полых изде-
изделий и т. д. с малыми припусками на обра-
обработку, а также для автоматической ковки,
5.1.2.5.2. Объемная штамповка
Обработка давлением при температурах
горячей деформации. Деформируемый мате-
материал (металл) и инструмент (объемный
штамп), движутся навстречу друг другу.
Различают, облойную и безоблойную объ-
объемную штамповку. Схема технологического
процесса объемной штамповки приведена на
рис. 5.57, В качестве исходного материала,
как правило, применяется прокат, а для
цветных металлов — непрерывнопрессован-
ные заготовки.
Исходный материал
Нагрев
L
шция
I
|" Окончательная деформация
Шление зад сенца
Термическая
обработай, правка,
удаление окалины
Рис. 5.57
Готовое изделие
Облойная канадка
'ОШиная Накопитель ' Поверхность
Руцей перёмрта облря соударения
Рис. 5.58
Облой при объемной штамповке. Излиш-
Излишний материал, который при штамповке в
разборных ковочных штампах затекает в
облойные каиавки с образованием тонких
кромок (заусенцев) и способствует полному
заполнению ручья. При дальнейшей обра-
обработке поковки заусенцы удаляются.
Схема образования облойной канавки при-
приведена на рис. 5.58.
а. Преимущества объемной штамповки:
— большая однородность получаемых по-
поковок;
— меньшие припуски на обработку, а сле-
следовательно, снижение стоимости обработки;
— возможность получения сложных поко-
поковок.
462
б. Преимущества безоблойной объемной
штамповки:
— экономия материала (~30% особенно
для небольших изделий) обусловлена отсут-
отсутствием потерь на облой при зачистке и
уменьшением числа случаев перекоса по-
поковки;
— промежуточная обработка может быть
частично или полностью исключить;
— последующая обработка резанием су-
существенно сокращается;
— возможна ковка заготовок без смеще-
смещения;
— меньший расход энергии;
— большая стойкость штампов.
в. Ограничения: объемная штамповка эко-
экономична только при выпуске больших пар-
партий изделий, так как изготовление штам-
штампов— дорогостоящий процесс; безоблойная
объемная штамповка применяется главным
образом для симметричных тел вращения
(зубчатые колеса, ступицы и т. д.); безоб-
безоблойная объемная штамповка требует, чтобы
исходная заготовка имела строго определен-
определенный объем (допуск з:1 %).
Применяется при любых .заданных степе-
степенях деформации и позволяет прессовать
труднодеформируемые материалы.
Последовательность технологических опе-
операций при получении прессованных изделий:
1) нагрев исходного материала;
2) прессование (для стали скорость прес-
прессования 100—400 мм-с) с применением
смазочного материала;
3) охлаждение (на воздухе или в воде);
4) правка, обрезка;
5) удаление окалины;
6) термическая обработка.
Преимущества получения прессованных
изделий по сравнению с прокаткой: получе-
получение сложных профилей (которые иначе
можно получить только сборкой из отдель-
отдельных элементов нли обработкой резанием);
применение материалов, которые ие прока-
прокатываются или прокатываются с большим
трудом; используется при изготовлении не-
небольших партий изделии.
Прессование применяется при производ-
производстве заготовок для бесшовных труб, сплош-
сплошных н полых профилей.
5.1.2.5.3. Прессование
Процессы деформации металла для полу-
получения профилей и труб на соответствующих
прессах.
Схемы процессов прессования приведены
на рис. 5.59. Металл при оптимальной тем-
температуре выпрессовывается из закрытого
контейнера через калиброванную матрицу.
Внешняя форма прессованного профиля со-
соответствует форме калибровочного отвер-
отверстия матрицы, внутренняя — форме оправки
(при прессовании полых профилей).
/ 4 Z 3 6
Изделие
Рис. 5.59
. а — прессование с обратным истечением
металла; б — прессование с прямым исте-
истечением металла: / — пресс-изделие; 2 —
матрица; 3 —контейнер; 4 — металл заго-
заготовки. 5—пресс-шайба; 6 — пуансону 7 —
пробка
5.1.2.5.4. Штамповка выдавливанием
Пластическая деформация, заключающая-
заключающаяся в выдавливании материала через отвер-
отверстие профилирующего инструмента. Приме-
Применяется преимущественно для производства
заготовок.
Классификация
а. По направлению выдавливания заготов-
заготовки. Способы выдавливания: прямое (рис.
5.60), обратное (рис. 5.61) —сплошных, по-
полых и тонкостенных заготовок, боковое
(рнс. 5.62).
Рис. 5.60
а — сплошные профили; б — полые;
в — тонкостенные
Рис. 5.61
о —сплошные профили; б—полые;
в — тонкостенные
б. По температуре деформации: горячее и
холодное выдавливание. Подготовленные
исходные заготовки (круглая листовая,
прутковая, штампованная) укладываются в
контейнер. Пуансон пресса при каждом ра-
рабочем ходе погружается в контейнер. При
этом заготовка продавливается через отвер-
463
стие матрицы н изменяет свое поперечное
сечение.
Используется для получения различных
сплошных и полых тел (отдельных деталей)
при относительно большом объеме произ-
производства (рис. 5.63 и 5.64)- [2].
Рис. Б.62
5.1.2.6.1. Горячая прокатка проволоки
на проволочных станах
Специализированные станы горячей про-
прокатки с линейным или непрерывно располо-
расположенным оборудованием, диаметр .250—
280 мм. Применяются для производства
проволоки нли круглой стали диаметром
5—16 мм.
Проволочная заготовка прокатывается в
горячем состоянии на линейных, полунепре-
полунепрерывных или непрерывных станах на прово-
проволоку диаметром >5 мм, которая, как пра-
правило, сматывается в бунты. Схема современ-
современного процесса получения горячекатаной
проволоки показана на рис. 5,65. Проволоч-
Проволочные станы наряду со станами для получе-
Рис. S.63
а — полые изделия с дном или без два после различных видов штамповки, выдавливания, перфо»
рирования; б — то же, ио со ступенчатой боковой поверхностью
Рис. 5.64
а — сплошные изделия с головками различной формы; б — то же, ио с хвостовиками ступенчатой
формы; в — сочетание форм с и б
5.1.2.6. Методы изготовления
проволоки
Классификация: горячая прокатка и про-
протяжка (волочение) проволоки.
иия полосовой и мелкосортной стали в на-
настоящее время значительно усовершенство-
усовершенствованы.
5.1.2.6,2. Волочение проволоки
Процесс холодной деформации катанки
или тянутой проволоки с помощью воло-
464
Рис. 5.65
Рис. 5.66
/ — разматывающий бграбаи; 2 --- волока; 3 —
сматывающий барабан
чильного инструмента. Применяется для
уменьшения поперечного сечения, улучшения
качестна поверхности и упрочнения.
Различают: станы однократного н много-
многократного волочения.
Принципы работы:
Рис. 5.67
а. Станы однократного волочения. Катан-
Катанку протягивают через волочильный инстру-
инструмент (волоку) с последующей намоткой на
барабан (рис. 5.66). Применяются для по-
получения проволоки диаметром >4,5 мм,
проволоки из стали с повышенным содер-
содержанием углерода н из легированной стали.
б. Станы многократного волочения. Про-
Проволока последовательно протягивается че-
через несколько фильер (рис 5.67) [2].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[I] Autorenkollektlv: Analytikum. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindostrie, Leipzig A971)
[2] Neumann, H., und Autorenkollektiv: ABC-Umformtechnik, Metal]. VEB Deutscher Verlag fur
Grundstoffindustrie, Leipzig A974)
[3] Blumenaner, H., und G. Pusch: Bruchmechanik. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie,
Leipzig A973)
[4] Eisenlmth, W., und A. Lingelbach: Kleine Chemie. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie,
Leipzig A969), 2., uberarb. Auflage
[5] Eckstein, H.-J.: Warmebehandlung von Stabl. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie,
Leipzig П 969)
[6] Eckstein, H.-J.: Werkstoffkunde, Eisen und Stahl, Band 1 und 2. VEB Deutscher Verlag fur Grund-
Grundstoffindustrie, Leipzig A971/72)
17] AutorenkoUektw: Heransgeber: Hadamovsky, H.-F.: Halbleiterwerkstoffe. VEB Deutscher Verlag
fur Grundstoffindustrie, Leipzig A968 und 1972)
[8] Heber, C, und B. Kozik: Physik. BSB, B. G. Teubner, Veriagsgesellschaft, Leipzig A971)
[9] Javojskij, V. I.: Theorie der Stahlerzeugung. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig
A969)
[10] Mende, D., und G. Simon: Physik, Gleichungen und Tabellen. VEB Fachbuchverlag, Leipzig A971)
[11] Autorenkollektiv, Federfiihrung: Nitzsche, K.: Werkstoffpftifung von Metallen A. und 2. Band).
VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A969), 2., verb. Auflage
[12] Nascr, К.-Л.: Physikalische Chemie. VEB Deutscher Verlag Шг Grundstoffindustrie, Leipzig A969)
[13] Schatt, W., und AutorenkoUektw: Einfuhrung in die Werkstoflwissenschaft. VEB Deutscher Verlag
fur Grundstoffindustrie, Leipzig A972)
[14] Schumann, H.: Metallographie. VEB Deutscher Verlag fUr Grundstoffindustrie, Leipzig A969)
7., verb. Auflage
[15] Sclwlz, Ullrich: Vorlesung Isotopenanwendung. UnverSffentlicht. Wissenschaftsbereich Nichteisen-
metallurgie der Sektion Metallurgie und Wefkstofftechnik, Bergakademie Freiberg A973)
[16] AutorenkoUektw: Technologie der Urformung, Baustein BF 1/4. VEB Deutscher Verlag fiir Grund-
Grundstoffindustrie, Leipzig A971)
[17] AutorenkoUektw: Chemische Analyse in der EisenhUtten-Industrie. Eiscnhiitten-Institut der Berg-
Bergakademie Freiberg A964)
[18] AutorenkoUektw: Diffusion in metallischen Werkstoffen. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoff-
Grundstoffindustrie, Leipzig A970)
[19] AutorenkoUektw: DDR- und Fachbereichsstandard GieBereien. VVB Giefiereien, Leipzig A964)
[20] AutorenkoUektw: Elektronenstruktur. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A972)
[21] AutorenkoUektw: Einfuhrung in das eisenhuttenmannische Praktikum. Lehrbrief der Bergakademie
Freiberg A968)
[22] AutorenkoUektw; Fachkunde fur GieBer und Former. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie.
Leipzig A972)
[23] AutorenkoUektw: Grundlagen, Technik und Ergebnisse des Umschmelzens von Edelstahlen nach
Sonderverfahren. Freiberger Forschungshefte В 122 und В 126. VEB Deutscher Verlag fur Grund-
Grundstoffindustrie, Leipzig A966)
[24] Autorenkollektiv: Grundlagsn metallischer Werkstoffe, Korrosion und Korrosionsschutz. VEB
Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A973)
[25] AutorenkoUektw: GuDwerkstoffe, NE-Metalle, Sinterwerkstoffe, Plaste. VEB Deutscher Verlag fur
Grundstoffindustrie, Leipzig A974).
[26] Autorenkollektiv: Kristallisation. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A969)
[27] Autorenkollektiv: Magnetismus-StrukturundEigenschaftenmagnetischerFestkorper. VEB Deutscher
Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A967)
[28] Autorenkollektiv: Phasenumwandlungen im festen Zustand. VEB Deutscher Verlag fiir Grundstoff-
'industrie, Leipzig A973)
[29] Autorenkollektiv, Stahlberatungsstelle Freiberg: Qualities- und Edelstahle, Band 1 und 2. VEB
Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A971)
[30] Autorenkollektiv: Rekr'istallisation metallischer Werkstoffe. VEB Deutscher Verlag fiir Grundstoff-
Grundstoffindustrie, Leipzig A966)
[31] Autorenkollektiv: Schwingfestigkeit. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A973)
[32] Autorenkollektiv: Stahlerzeugung C Teile). Bergakademie Freiberg, Sektion Metallurgie und Werk-
Werkstofftechnik A973)
[33] Autorenkollektiv: Technologie der Erzeugung von NE-Metallen, BF 1/3. VEB Deutscher Verlag
fur Grundstoffindustrie, Leipzig A972)
[34] Autorenkollektiv, Stahlberatungsstelle Freiberg: TGL-Taschenbuch, Stahle, Teil I und II. VEB
Deutscher Verlag fiir Grundstoffindustrie, Leipzig A972)
[35] Autorenkollektiv: TGL-Taschenbuch, NE-Metalle, Teil I, II und НГ. VEB Deutscher Verlag fur
Grundstoffindustrie, Leipzig A970)
[36] Autorenkollektiv: Werkstoffe der Elektrotechnik und Elektronik. VEB Deutscher Verlag fur Grund-
Grundstoffindustrie, Leipzig A973)
[37] Autorenkollektiv: Werkstoffhandbuch NE-Metalle (Teil I-IV). VDI-Verlag, Dusseldorf, BRD A960)
[38] Autorenkollektiv: Werkstoffhandbuch Stahl und Eisen. Verlag Stahleisen, Dusseldorf, BRD A965)
[39] Sarth, H., und Autotenkollektiv: Taschenbuch fiir Metatfurgen. VEB Deutscher Verlag fur Grund-
Grundstoffindustrie, Leipzig A964)
466
[40] Bartu, F.: Die Bauweise des Tandemofens und ihre warmetechnischen Grundlagen. Vortrag Ostrava
A971)
[411 Beckert, M., und H. Schmiedeh Kleine Werkstoffkunde. Bergakademie Freiberg, 6 Lehrbriefe A965)
[42] Behrendt, M., und O. Buhtz: Chemisch-physikalische Grundlagen - BG 4. VEB Deutscher Veriag fur
Grundstoffindustrie, Leipzig A971)
[43] Bergmann. L., und Cl. Schafer: Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. Ш, Teil I. Walter de Gruyter-
Verlag, Westberlin A962)
[44] Bernhardt, W.\ Einfiihrung mit der Phasenkontrasteinrichtung am Neophot2. Jenaef Rundschau 14
A969) 234
[45] Betechtin: Lehrbuch der speziellen Mineralogie. VEB Deutscher Veriag fiif Grundstoffindustrie,
Leipzig A968)
[46] Beyer, В.: Werkstoffkunde, NE-Metalle. VEB Deutscher Veriag fUx Grundstoffindustrie, Leipzig
A971)
[47] Beyer, H.: Handbuch der Mikroskopie. VEB Veriag Technik, Berlin A968)
[48] Bockstiegel, G.: Eine einfache Formel zur Berechnung raumlicher Gr6Benverteilungen aus durch
Linearanaiyse erhaltenen Daten. Z. Metallkde. 57 A966) 647
[49] Bohmer, S., und K.-H. Werner: Entwicklungsstand des Umschmelzens von Edelstahlen nach Sionder-
verfahren. Freiberger Forschungshefte В 122. VEB Deutscher Veriag far Grundstoffindustfie, Leip-
Leipzig A966)
[50] Brdicka, R.: Grundlagen der physikalischen Chemie. VEB Deutscher Veriag der Wissenschaften,
Berlin A968) 7. Auflage
[51] Broda, E., und T. Schonfeld: Die technischen Anwendungen der Radioaktivitat Bd. I, 3. Auflage.
VEB Deutscher Veriag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A962)
[52] Buhtz, O.: Metallkundliche Grundlagen - BG 3/1. VEB Deutscher Veriag fur Grundstoffindustrie.
Leipzig A971)
[53] Buhtz, O., und Autorenkollektiv; Lehrbuch Metallurgie. VEB Deutscher Veriag fur Grundstoff-
Grundstoffindustrie. Leipzig A971)
[54] Burghardt, H.: Metallgewinnung Eisen und Stahl, Teilll, Metallurgie der Stahlerzeugung A. und
2. Lehrbrief). Bergakademie Freiberg A974), Neue Hiitte 11 A966) 699/700
[55] Fa. Calamari: Prospekte
[56] Bender, D., und E. Pippig: Einheiten, MaBsysteme, SI. Akademieverlag, Berlin A973)
[57] Daves, K.: Werkstoffhandbuch Stahl und Eisen. Veriag Stahleisen, Dusseldorf A965)
[58] Disa/Disamatic: Prospekte
[59] Eisenkolb, K, und W. Kurzmann: Zerstorungsfreie Werkstoffpriifung. VEB Deutscher Veriag fur
Grundstoffindustrie, Leipzig A970)
[60] Exner, H. E.: Analyse der Gefiigeverteilung von Kornern, Poren und Pulverteilchen. Z. Metallkde. 57
A966) 755. Neuer'e inetallkundliche Untersuchungsverfahr'en. Veriag Stahleisen m. b. H., Dusseldorf
\1970). Modellversuche zu den Umr'echnungsverfahren von linearen und ebenen in raumliche Grof3en-
verteiiung. Metall 21 A967) 431
[61] Esser, F., H. Fiedler und W. Lachner: Zur Theorie des Ein- und Niederschmelzens festen metallischen
Einsatzgutes in Plasma-577-Ofen. Z. Neue Hiitte 19 A974) 10
[62] Fellcht, K.: Zum Stand der Difektfeduktion. Neue Hutte 19<1974) 65/71
l<Sl\Fenzke, H.-W.: Physikalisch-chemische Grundlagen der Eisenmetallurgie. Lehrtriefe 1 bis 4 der
Bergakademie Freiberg A966)
[64] Fiedler, If., und G. Schaif: Neue Hutte 15 A970) 645
[65} Fischer, W., W. Forster und R. Zimmermam; Gasbestimrnung in Eisen und Stahl. VEB Deutscher
Veriag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A968)
[66] Fischmeister, IT. F.: Verfahren und Apparate der quant, Metallographie. Prakt. Metallogr. 2 A965)
[67] Freund, H.: Handbuch der Mikreskopie in der Technik, Bd. Ш, Teil 1 und 2. Umschau-Verlag,
Frankfurt/Main A969)
[68] GieBereikalender. Giefierei-Veflag, Dusseldorf, BRD
[69] Gumher, F., und И. Oettel: Rontgenfeinstrukturanalyse. Bergakademie Freiberg, 2 Lehrbriefe A970)
[70] Gumher, K.: Gefugebildung und Verlauf der Koerzitivfeldstarke bei der Gliihbehandlung kalt-
verformter Bandstahle. Freiberger Forschungshefte В 146 A969)
[71] Hanke, Ел Prufung metallischer Werkstoffe. VEB Deutscher Veriag fUr Grundstoffindustrie, Leipzig
(I960)
[72] Heinz, #., G. Pusch und M. Krempe: Technische Stoffe, 3. Auflage. VEB Deutscher Veriag fitr
Grundstoffindustrie, Leipzig A974)
?73] Herfarth, K., und W. Hilgenfeldt; Tabellenbuch fur GuBveftraucber". VEB Deutscher Veriag fur
Grundstoffrndustrie, Leipzig A968)
[74] Heptner, H., und И. Stroppe: Magnetische und magnctinduktive Werkstoffprtifung, 3. Auflage.
VEB Deutscher Veriag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A973)
[75] H-ohenwaldt, W., und K.JPfeffer. Technologie der Warmebehandhmg von Metallen - BF2/1. VEB
Deutscher Veriag fiir Gfundstoffindustrie, Leipzig A971)
neiMombogen, K, und G.?etzow: Z. Metallkunde 61 A970) 81
[77] Hutte. Taschenbuch fiir Eisenhuttenleute, 5. Auflage. Veriag von Wilhelm Ernst u. Sohn, Berlin
A961)
[78] Institut fiir Leichtbau, Dresden, DDR. Hinweise zum Werkstoffeinsata:
[79].'Information,des VEB.Slaht-sund Walzwerk Brandenburg im Qualitats- und Edelstahlkombinat
fiber Konstruktionsrnerkmale jm modernen SM-Ofenbau-
[80] Javorski, В. М., un<b4. A. Delia/: PJysik griffberejf. Akademieverlag Berlin A973)
30. «
[81] Jefinke,H.,-R. Retzkevaiu W. H^ber: Fertigungstechnik, Umformen und Schmicden. Verlag Technik,
Berlin A972) 2. Aufiage
[82] Jangg, G.: Amalgam-metallureische Verfahren aus Allg. Metallurgie des NE-Wefkstoffhandbuehes.
VDI-Veflag, Dusseldorf A960), 2. Aufiage
{83] Jalntig, Wr. Metallographie der Gufflegierungen. VEB Deutscher Veflag fiir Grundstoffindustrie,
Leipzig A971)
[84] Jurczyk, J., G. Lanz und H. Wemme: Methoden der Eisen- und Manganerzanalyse. VEB Deutscher
Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A969)
[85] Kadnet, H., und Autorenkotlektiv: Chemie, 8. Aufiage. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffkdu-
strie, Leipzig A970)
[86] Keune, В., M. Augustin, D. Demus und E. Taeger: chimica - em Wissensspeicher. VEB Deutscher
Veflag f6r Grundstoffindustrie, Leipzig A972)
[87] Kepka, M., Z. Kletecka und M. Kastoltryz: Spiilbehandlung mit Argon auBerhalb des Ofens. Neue
Hiitte 19 A974), 143/147
[88] Keyser, C. A.: Basic Engineering Metallurgy. Prentice-Hall, Inc. New York A952)
[89] Kiesler, A.: Technologie der Stahlerzeugung - BF 1/1. VEB Deutscher Verlag fUr Grundstoffindostrie,
Leipzig A972)
[90] Koch, W.'. Metallkundliche Analyse. Veflag Stahleisen, Dusseldorf imd Veflag Chemie, Weinheim,
BefgstraEe (BED), 1965
[91] Kctte, Xti Spczielle Metallhiittenkunde in synoptischsr Darstellung. Lehfbriefe 1 bis 6, Bergaka-
d«mie Freiberg A968)
Synoptische Lehrwerkdafstellung (Lehrbriefe), Bergakademie Freiberg, Fernstudium A9681
[92] Krautkriimer, J., und H. Krautkramer: Werkstoffpriifung mit Ultraschall, Messeprospekt
[93] Kraufi, 5.: MSglichkeiten zuf Intensivierung der Metall-Schlacke-Reaktionen am Beispiel der" Be-
handlung von fliissigem Stahl mit synthetischen Schlacken in der Pfanne. Weiterbildungsveranstal-
tung der Befgakademie Freiberg, Sektion Metallurgie und Werkstofftechnik, Juni 1973
[94] Kimath, J.: Dissertation (unveroffentlicht). Bergakademie Freiberg, Sektion Metallurgie und Werk-
Werkstofftechnik A974/75)
[95] Kurzrmm, W.i Zerstorungsfreie Werkstoffpriifung. 2. Lbf. Bergakademie Freiberg, Sektion Metall-
Metallurgie und Werkstofftechnik A969)
B>6] Latnbrecht, J.: Die Efstafruag von Blocken und Strangen. Bergakademie Freiberg, Sektion Metallur-
Metallurgie und Werkstofftechnik A973)
[97] Lange, W., u. a.: Metallkunde-Pfaktikum. Lehrbrief der Bergakademie Freiberg A966)
[98] Lange, A., und K. Kotte: Hiittenkunde fur Bergleute und Auf bereiter. Befgakademie Freiberg, Fern-
Fernstudium A961)
[99] Grundlagen der Metallhiittenkunde (Lehrbriefe). Bergakademie Freiberg, Fernstudium. A967)
[100] Lange, A., und W. Tappe: Allg. MetallhUttenkunde (Lehrbrief). Bergakademie Freiberg A959)
[101] Laube, W., J. Stelter und H. Wolodkiewiz: Technologie der Vor- und Nachbereitung des Arbeits-
gegenstandes - BF 2/2. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A972)
1102] Liesenberg, O., und S. Mai: Anschnittechnik fur FormguB, Lehrbrief Befgakademie Freiberg A973)
[103] Fa. Linseis. Prospekte
[104] Loner, If.: Bedeutung von bruchmechanischen Kennwerten, insbesondere ouch fiir Stable niederer
bis mittlerer Festigkeit. Thyssen-Forschung 1 A973), 41-47
[105] Mainka, I.: Haitereitechnisches Fachwissen. VEB Deutscher Veflag fur Grvmdstoffindustfle, Leipzig
A973)
[106] Michalzik, G.: Pfaktikutosanleitung (unveroffentlicht). Bergakademie Freiberg, Sektion Metallurgie
«nd Werkstofftechnik
[107] Mika,J.: Metallurgische Analysen. Akademische VeflagsgeseUschaft Geest u Portig KG., Leipzig
A964)
[108] Miller, П.: Grundlagen der Halbleiter-EIektfonik. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York
A971), Bd. 1
[109] Nestler, C.-G.: Einfuhrung in die Elektrorienmetallogfaphie, Eisett trnd Stahl. VEB Deutscher Verlag
fiir Grundstoffindustrie, Leipzig A961)
[110] Neumann, F. K.: Elektrol. Atzen bei konst Potential. Prakt. Metallorg. 3 A966), 261
[Ш] MdceW, G.\ StranggieBen von Stahl. Weitefbildungsveranstaltung der Bergakademie Freiberg,
¦ Sektion Metallurgie und Werkstofftechnik Freiberg A973)
[112] Oettel, W. O.: Grundlagen der Metallmikroskopie. Akademische VeflagsgeseUschaft Geest в,
PorUg KG., Leipzig A959)
[113] JPerlow, N. J., und M. P. Kwitko: Die Stahlherstellung in Sauerstoffkonvertern. VEB Deutsche)
Verlag fiir Grundstoffindustrie, Leipzig A967)
[114] Racho,, R., und K. Krause: Spezielle Werkstoffe der Elektronik. VEB Deutscher Veflag far Grund-
stoffindustrie, Leipzig A973)
[115] Reh, В., und B. Simtnen: Metallographische Orientierungsbestimmungen an hexagonalen Viel-
kristallea mit Hilfe der quantitativen Pol.-Einrichtung am Neophot2. Jenaer Rundschau 17 A972)
250
[116] Fa. Reichert. Prospekte
[117] VEB ROW, Rathenower Optische Werke, DDR. Prospekte
[Ш] Saltykov, S. A.: Stereometrische Metallographie. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie,
Leipzig A974)
[119] Samarin, A. M.i Physikalisch-chemische Grundlagen der Desoxydation von Stahl. VEB Deutscher
Veflag fUr Grundstoffindustrie, Leipzig A960)
468
[120] Sajadatz, H.,D. WinkterwA »T.Zo/u(er:WissensspeicherKraftwerksbetrieb. VEB Deutscher Verlag
fur Grundstoffindustrie, Leipzig A971)
1121] Simmen, В.: Praktikumsanleitung (unverSfferitficht).' Bergakademie Freiberg, Sektion Metallurgie
und Werkstofftechnik
[122] Simmen, В., und W. Richling: Zum Einsatz quantitative]: Untersuchungsverfahren in der Metallo-
sraphie. Metallograph. Arbeitsbl&ttef, KOT-FachausschuB «Metallographie und Plastographie«
A972, Heft 2)
[123] Spauszus, S.: Methoden der chemischen Stahl- uad Eisenanalyse. VEB Deutscher Verlag fur Gr'und-
stoffmdustrie, Leipzig A967)
[124] Schaarwachter, W., H. LOdering und F. K. Neumann: Arch. Eisenhiittenwes. 34 A963), 187
[125] Scheidig, K., R. Gather und H. Luck: Entwicklung des QUK-Verfahfens zum Frischen von Roheisen
im bodeablasenden Sauefstoffkonvertef im VEB Maxhutte Unterwellenborn. Neue Hutte 18 A973),
277/281
[126] Scheidig, K., und E. Richter: Zur Metallurgie des bodenblasenden Sauerstoffkonverters. Neue Hiitte
18 A973), 385/88
[127] Schneider, H. G., ¦and.AutorenkoUektiv: Epitaxie, Endotaxie. VEB Deutscher VeriagfOr Grundstoff-
Grundstoffindustrie, Leipzig A969)
[128] Steinmetz, ?.: Kontinuieriiche Stahlerzeugung. Technische Mitteilungen Krupp 66 A973), 379/82
[129] Steinmetz, E., und 7. Kuhn: Kontinuieriiche Stahlerzeugung. Klepzig Fachberichte 79 A971), 570/575
[130] Stolzel, K.: Giefiereiprozefltechnik. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A971)
sowie Voriesungsunterlagen (unverSffentlicht)
[131] Struers: Firmenschriften, Frospekte A968 bis 1974)
[132] Ttffel, V>: Lehrbuch der Metallhuttenkunde НП. G. Hirzel-Verlag, Leipzig A951,1953,1954)
[133] Tilo, ?.: Anorgahische Chemie in Frage und Antwort. Verlag J. A. Barth, Leipzig A953)
[134] Wenzel, fr.,und H.-W. Fenzke: Eisenhiittenkunde fiirhuttenmannische Fachrichtungen. Lehrbriefe
Teil I und Teil II, Bergakademie Freiberg A968)
[135] Wenzel, W.: Eisenhiittenkunde fur huttenmannische Fachrichtungen, Teil I Metallurgische Roh-
eisenerzeugung. Lehrbrief der В A Freiberg A968)
Direktreduktion von Eisenerzen zur Weiterverarbekung im Elektrolichtbogenofen unter Verwendung
von Kernenergie. Neue Hutte 19 A974), S. 129/132
[136] Werner, K.-H.: Arbeitsstahle der Welt. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig A973)
Sonderstahlkunde, Lehrbriefe 1 bis 5. Bergakademie Freiberg, Fernstudium A959)
Aufbau und Betrieb von Hochleistungs-Lichtbogenofen, Teil I Mecbanischer Aufbau und Betrieb.
Neue Hutte 19 A974), 72/76
[137] ZIM. ExpreBinformationen
[138] Zouhar, G., und G. Zouhar jun.: Grundlagen der biMsamen Formung, Lehrbriefe, .Berg&kademie
Freiberg A966)
[139] Kiesler, A.: Technologic der" Stahlerzeugung, BF1/1. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie,
Leipzig A971)
[140] Klemm, H.: Die Geffige des Eisen-Kohlenstoffsystems, 5. Auf Jage. VEB Deutscher Verlag fur Grund-
¦ stoffindustrie, Leipzig A974)
[141] Bernstein, M., «nd K.-E. Bensger: Dissertation. MISIS, Moskau A973)
J142] VEB Carl Zeiss, Jena: Prospektmaterial und Geratebeschreibungen
[143] Wrana, J., und R. Ziebsch: Halbleiter. Lehrbrief fur das Fernstudium, Bsrg3kademie Freibe.-g A967)
[144] Frohberg, M. G.: Vortrag, Bergakademie Freiberg
[145] Oettel, H,: Merkblatt »SI« fiir Lehrewecke, Bergakais.tib Freibs/s AЭ75)
ПРИЛОЖЕНИЕ
Марки сталей по TGL и их аналоги по стандартам СССР
TGL
Марка
1
СЮ
С15
С20
С25
С35
С45
С55
С60
C70W2
C80W2
C85WS
C90W2
C100W1
C1C0W2
C110W1
C110W2
C130W2
Ск25
Ск35
Ск45
Ск55
СкбО
Ск67
М5
М7
М10
М14
М20
М35
М45
М46
М55
М65
М66
М75
М85
МЫЗ
МЫ5
МЫ6
МК45
МК58
МК63
МК68
МК73
МК75
МК78
МК82
МК87
МК92
МКЮ1
Ми8
Mull
№ стандарта
2
6546, 12372, 14195, 14508, .
18251 20981, 25361
6546, 12372, 14195, 14508,
18251, 20981
15089, 101—029
6547, 12372 14195, 14508,
15198, 18251, 20981
6547,7961, 12372, 14195, 14508,
15089, 15198, 18251. 20981,
25911
6547 7961, 12372, 13870,
14195, 14508, 15198, 18251,
20981, 25911
6547, 14508 15198, 25911,
101—029
6547 14508, 15198, 18251,
20981,25361 25911
4392, 14508, 20989, 20990,
4^92 14508, 20989, 20990,
4392,' 14508 20989, 20990,
4392 20989^ 20990
4392, 14508, 20989, 20990,
4392, 14508, 20989, 20990,
4392, 14508, 20990
4392- 20990
4392; 14508, 20990
15198
15198
15198
14192, 14515, 15198
15198
14192, 14515
8663
8663
8663
8663
8663
8663
8663
7624, 101—029
8663
8663
7624, 14102, 101—02S
8663
8663
14507
6545
14507, 101—043
6714
6774
6774
6774
6774
14192, 14515
6774
6774
6774
6774
14192, 14515
6545, 14508
6545, 14508
гост
Марка
3
10
15
20
25
35
45
55
60
У7
У8
У8ГА
У9
У10А
У10
УНА
У11
У13
25
35
45
55
60
65
05кп
08кп
Ст1кп
15
20
35
45
45
55
65
65
75
85
15К
СтЗ
20К
45
55
60
70
70
75
75
У8А
У9А
У9А
У10А
СтЗ
Ст2
№ стандарта
4
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
380—71
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
5520—79
499—70
5520—79
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1050—74
1435—74
1435—74
1435—74
1435—74
499—70
499—70
470
Продолжение
TGL
Марка
1
MuK9
RFe60
RFe80
RFelOO
StA-I
StA-III
StEZb
StG
StGb
StGb
StGu
StSZb
StSZu
StTZb
StTZu
StZb
StZu
St32
St32b-2
St32hb-2
St33
St34
St34b-2
St34hb-2
St34hb-2Cu
St34u-2
St35-1
St35b-2B
St35b-2B
St35b-2
St35hb-2B
St35hb-2
St35hb-2
St35u
St35S
St38
St38b-2
St38hb-2
St38u-2
St38-3
St42
St42b-2
St42u-2
St42-3
St45-1.A
St45-2B
H45-2
H45-3
KT45-3
№ стандарта
?
7253/02
15193
15193
15193
12530/01
12530/01
23035
9553, 9559, 21212, 23035
21212
23035
9553, 9559, 21212, 22462,
23035, 27440, 27442
9553, 9559, 21212. 23035
7008, 9553, 9559, 21212, 22462,
9553, 9559, 21212, 23035
7008, 9553, 9559, 21212, 22462,
23035, 27440, 24442
9553, 9559, 21212, 23035,
101—029
9553, 9559, 21212, 22462, 23035,
27440, 27442
18245, 27867/01
18245
18245
7960, 9560, 9895, 9896
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
7960, 9560, 9895, 9896, 14508,
20816, 22462
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
7960
7960, 9560, 9895, 9896, 14508,
9413/01
9413/01
9414
18245
9413/01
9414
14514/02, 18245
13873, 18245, 27867/01
18245
9760, 9560, 9895, 9896, 14508
7960,9560,9895, 9896, 14508,
ПЛО1С OOvlAO
zUo ID, Zz*kbZ
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
7960, 9560, 9895, 9896, 14508,
20816, 22462, 24979/02,
101—031/02
7960, 9560, 9895, 9896, 20816,
22462
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
24977
7960, 9560, 9895, 9896, 14508,
20816, 101—029
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
20816
7060, 9560, 9895,9896
9413/01
9413/01
22426
22426
28192, 9413
ГОСТ
Марка
3
08A
ЭАА
ЭА
Э
А1
АНТ
С88Юосв
ССт2кп
ССт2сп
ССтЗсп
ССт2кп4
08Юсв, 08Ф
08св
08кп
08кп
08кп
08кп
08кп
08сп
08пс
Critic
Ст2кп
ССт2сп
ССт2пс
ССт2кп
Ст2сп
10
10
10
Ст2сп
Юпс
Юпс
Юкп
Юкп
Юкп
СтЗкп
ССтЗсп
ССтЗпс
ССтЗкп
ССтЗсп
Ст4кп
ССт4сп
ССт4кп
09Г2
Ст4сп
20
09Г2
09Г2С
10ХНДП
№ стандарта
4
2246—70
3836—73
3836—73
3836—73
5781—75
5781—75
9045—80
380—71
380—71
380—71
380—71
9045—80
9045—80
16523—70
16523—70
16523—70
16523—70
10705—80
Ю7П5—80
10705—80
380—71
380—71
380—71
380—71
380—71
8731—74
8731—74
8733—74
10705—80
-8731—74
8733—74
10705—80
10705—80
10705—80
10705—80
380—71
380—71
380—71
380—71
380—71
380—71
380—71
380—71
19282—73
8731—74
8731—74
19282—73
19282—73
19282—73
471
Продолжение
TGL
гост
Марка
стандарта
Марка
стандарт а
1
.4
stso
St50r2
Н52-3
HS2-3B
St55-1A
St55-2B
St55-2B
St60
St60-2
St60/90
St70
St70-20
X2Cr№20.10
X2&NiN18.10
X2CrNiMoNil8.12
X5CrNil8.10
X5CrNil9.9
X5CrNiMol9.11
X5Cr№MoNbl9.11
X5CrNiMoCuTi
X5CrNiN19.7
X5CrNiNb20.10
X5CrNiTi26.6
X6Crl4
X7Crl3
X7Crl4
X7CrAI13
X8Crl5
X8Crl7
X8CrNiMoTil8.11
X8CrNiTil8.10
X8CrTil7
X8CrTil8
X10Crl3
X10CrA117
ХЮСгАИЗ
X10CrA118
Х10СГА124
X10CrMnNiNl7.9.4
X10CrNil8.9
X12CrNil7.7
X12CrNi22.12
X12CrNi25.4
X12CrNi26.20
X12CrNiMnl9.9
X12CrNiS18.8
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
7960, 9560, 9895, 9896, 14508,
20816
9896, 14508, 15198, 20816,
22426, 25302/02, 101—029
9413/01, 9414
9413/01
9413/01
9414
7960, 9560, 9895, 9896, 14508,
24878
7960,. 9560, 9895, 9896, 14508,
20816
12530/05
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
7960, 9560, 9895, 9896, 14508
7253/02
7143
13795
7143
7143,13795, 13811, 14195,
14508, 18248, 21211
7253/05
7253/02
7253/02
7143, 13795, 13811, 21211
7143, 13795, 13811, 14508
7253/02
7143, 13795, 13811,14508
7253/02
7143, 13811, 14508
7143, 13795, 14508
7143, 13795, 21211
7253/09
7143, 13795, 13811 ,14508,
21211
13795, 13811, 14508, 21211,
23292/02, 101—043
7061,7143, 13795, 13811, 13871,
14508, 15194, 21207, 21211,
23292/02, 104—043
7143, 13795, 13811, 14508,
O1 O1 1
ZlZll
7253/02
7143. 13795, 13811, 14508,
21211
7061, 14508, 15194, 21207,
21211
7061, 14508, 15194, 21207,
O1 O1 1
7061, 14508, 15194, 21207,
21211
7061, 14508, 15194, 21207,
O1O11
9840
7143, 13195, 14508
14187
7253/02
7253/02
7253/02
7253/02
7143
СтБпс
35
10Г2С1
18Г2
18Г2
Стбсп
35.
35
Стбпс
45
55
55
01X19H9
03X18H11
03X18H12
03X17H14M2
06X18H10
14X18H10
04X19H9
04Х19Н1ШЗ
08Х19Н10МЗБ
0X17H20M
07Х21Г7АН5
07Х19Н10Б
08X22H6T
06XM
08X13
0Х13Ю
06X14
12X17
08X17H13M2T,
10X17H13M2T
08X18H10T,
08X18H12T,
12X18H10T,
12X18H12T
08X17T
10X17T
12X13
15Х6СЮ
10Х13СЮ
15Х18СЮ
15X25T
12Х17Г9АН4
12X18H9
12X18H9
10X20H15
06Х24Н6ТАФМ
13X25H18
08Х20Н9Г7Т
12X18H10E
380—71
1050—74
19282—73
8731—74
8733—74
8731—74
8731—74
8733—74
380—71
1050—74
1050—74
1050—74
2246—70
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
2246—70
2246—70
2246—70
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
2246—70
5632—72
5632—72
2246—70
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
2246—70
5632—72
5632—72
5632—72
.5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
2246—70
2246—70
2246—70
2246—70
5632—72
472
Продолжение
TGL
Марка
1
X15CrNiSi20.13
X15CrNiSi25.20
X20Crl3
X22CrMoV12.1
X22CrNil7
X40Crl3
X50CrMnNiN22.9
X79WCol8.5
X82WMo6,5 (DMo5)
X82WV9.2(ABCIH)
X90CrMoV18
X125WV12.4(EV4)
8CrMo25
8Mn6
9CrMo4.5
10CrMo9.10
10Mn4
10Mn6
10MnSi6
10MnSi8
12CrMo20.5
12CrMoV10.5
12S10
13CrMoMo4.4
13NiCrl2
15Q3
16CrMo4.4
16MnCr5
17Mn4
18CrMnTi5
20MnCr5
24CrMoV5.5
25CrMo4
30CrMoV9
30Mn5
30WCrV17.9
30WCrV34.11
31CrV3
34Cr4
34CrMo4
35CrA16
35S20
36CrNiMo4
37MnSi5
37MnV7
38SiCr6
40Cr4
40Mn4
40MnCr4
42CrMo4
45MnV7
45CrSi
45CrSiV6
45WCrV7
Ns стандарта
2
7061, 15194, 21207, 21211
7061, 14508, 15194, 21207,
21211
7143, 13147, 13795, 13811
7961,13147, 14508
7143, 13195, 14508
4393, 7143, 13795, 13811,
14508
13870
7571
7571, 14508, 25256
7571
4393, 7143, 13795, 13811, 14508
7571
7253/02
7253/02
7253/02
6918, 7961, 14183, 14507,
15089, 23292
7253/02
7253/02
7253/02
7253/02
6918
7253/02
3083
7961, 14183, 14507, 15089
4393
6546, 14195, 14508, 18251,
опое I
ZvcTOl
15198
6544, 6546, 14195, 14508,
18251, 20815, 29981
14507
6546, 14308
6544, 6546, 14195, 14508,
20815
7961, 13147, 14508, 15089,
15198
6547, 13871, 14508, 20815
4391, 6547,14508, 15198,
OQOOQ /flO
zoZyj/Uz
6547, 14508, 18251, 20815, 20981
7746
7746
7393, 14508, 40991
6547, 14508
6547, 14508, 15198
4361, 14508
12529
6547, 14508, 15198, 25911
6547, 14508, 15198, 20815
6547, 14508, 15198
6547, 14508, 20815
6547, 13870, 14508,20815,
2b911
6547, 14508, 20815
14102
6547, 14508, 15198, 20815,
25911
6547, 14508, 20815, 20981
13870
7253/02, 13870, 14508
4393, 14508, 20991
ГОСТ
Марка
3
20X20H14C2
20X25H20C2
20X13
15X11МФ
20X17H2
40X13
55Х20Г9АН4
Р18К5Ф2
P6M3
P9
95X18
Р14Ф4
10X5M
10Г2
10XM
08ГА
ЮГА
08ГС
08Г2С
X5M
13Х2МФР
A12
15XM
12XH3A
15X
15XM
18ХГ
16ГС
18ХГТ
18ХГ
30XM
30ХЗМФ
30Г2
4Х85ФМ
ЗХ2В8Ф
ЗХ2В8Ф
35X
35XM
38X20
40XH2MA
35СГ
38XC
40Х
40Г
40ХГ
38XM
40X9C2
40XC
45XB2C
№ стандарта
4
5632—72-
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
5632—72
19265—73
19265—73
19265—73
5632—72
19265—73
2246—70
2246—70
2246—70
2246—70
2246—70
2246—70
2246—70
5632—72
2246—70
1414—75
4543—71
4543—71
4543—71
4543—71
4543—71
5520—79
4543—71
4543—72
4543—71
4543—71
4543—71
5950—73
5950—73
5950—73
4543—71
4543—71
4553—71
4543—71
4543—71
4543—71
4543—71
1050—74
4543—71
4543—71
5632—72
5632—72
5950—73
473
Продолжение
TGL
Марка
]
50Сг2
50СгМп4
50CrV4
50Мп4
50SiMn7
55NiCrMoV6
55SiMn7
60SlMn7
60WCrV7
67SiCr5
80CrV3
85Crl
85CrMo7.2
90SiCr5
100Cr6
ШОСгМпб
100V3
105Cr4
105Cr5
105WCr6
HOCr-2
120Mn50
120 WV4
140Cr2
142WV13
175CrMoWV46
210Cr45
Ks стандарта
2
101-056
13789
6547, 13789, 13872, 14192, 14508,
14515, 20815, 20911, 25981
20815
13789
7746
13789, 14102, 14515, 141Э2
13789, 14192, 14515
4393, 14508
4393, 14192, 14508, 14515,
20991
4393, 21634, 20991
4393, 20991, 21634
4393, 23175
4393
4393, 14508, 15205/01, 20Э91
15205/02
4393
7253/02
101—056
4393, 14508, 20991
4303
14102
4393, 14508, 101—66
4393
4393, 23175
4393
4393, 13870, 14508, 20991,
23157
ГОСТ
Марка
3
50X
50ХГА
50ХФА
50Г
50C2
5XHM
55C3
60C2
6XB2C
6XC
8ХФ
9X1,9ХФ
9X
9XC
15, ШХ15
ШХ15СГ
Ф
ШХ9
X
хвг
ИХ
Г12
В2Ф
13Х
ХВ5
Х12М
Х12
№ стандарта
•4
4543—71
14959—79.
14959—79
4543—71
14959—79
5950—73
14959—79
14959—79
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
801—78
801—78
5950—73
801—78
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
5950—73
Предметный указатель
Аббе закон 175
Аберрация:
монохроматическая 176
хроматическая 176
Агитация 349
Агломерационные аппараты 434
Адсорбция 391
Азот 394, 39Б, 397
Аллотропия 14
Алюминий 283. 290
— металлургия 378
— сплавы 290—295
Амальгамная металлургия 351
Анизотропия 13
— магнитная 146
Антиизотипия 14
Антифазные границы 23
Антиферромагнетизм 144
Анти-Шоттки-дефект 21
Апохроматы 176
Армко способ 403
Арсеииды 372, 373
Аустеннт 33, 85
— остаточный 83
Аффинаж 353, 359
Ахроматы 176
Б
Баббиты 297
Байера способ 375
Балбах — Тума способ 379
Баркгаузена эффект 145
Баура — Глеснера кривая 323
— реакция 319, 320
Баушингера эффект 98
Белла реакция 319
Билбн слой 167
Биттера порошковые фигуры 144
Благородные металлы, металлургия 379
Ближний порядок 16
Блоха стенки 144
Блюминг 450
Бокштнгеля — Салтыкова метод 186
Бора магнетон 143
Бореля закон 392
Бронза алюминиевая 280
— бериллиевая 281
— кремнистая 289
— марганцовистая 288
— оловянистая 279. 285. 287
Брэгга уравнение 156
Будуара кривая 323
— реакция 319, 345
Бюргерса вектор 21
В
Вакансии 20
Вакуумная обработка стали 427
Вакуумное раскнсленне 338
Ванадий, металлургия 375
Вельцеванне 377
Внброполировка 167
Видемана — Франца закон 141
Внутреннее трение;
— измерение 149
— применение 151
Водород 392, 395
Возврат 85
Возгонка 376
Волочение 455
Временное сопротивление:
прн растяжении 108
— сжатии 111
Вытяжка 461
Выщелачивание 348, 353, 374, 375, 399
Вязкость разрушения 103
Вязкое течение 98 •
Г
Газовые смеси 318
Газы в металлах 391
— инертные 398
Гартблей 296
Генри закон 347
Гетеротипия 14
Гнббса правило фаз 317
Гидрометаллургия 348, 377, 379, 399
Гинье — Престона зоны 72
Гистерезис 146
Гомотипня 14
Гравиметрический анализ 198
Границы зерен 23, 63
миграция 89
Графит 35
Гримме — Зоммерфельда фазы 18
Гука закон 91, 108
Д
Дальний порядок 16
Двойники 179
Двойннкованне 87, 93
Дебая — Шеррера метод 156
Декантация 349
Десульфурацня 334
Детекторы 210
Дефекты решетки, классификация 20
нульмерные Шоттки 20
Френкеля 21
— упаковки 23
Деформационное упрочнение 94
Деформация:
геометрия 93
горячая 447, 450
классификация процессов 445, 446
критическая степень 87
Пластическая 94, 445
теплая 450
холодная 447. 450
Деформируемость 446
Дефосфорация 331, 332
Диаграммы:
время — температура превращений (ВТП) 74
вращающий момент — время 449
мощность — время 449
напряжение — относительное удлинение 109
напряжение — относительное укорочение 111
Диаграммы состояния:
типы 26
железо — углерод 28, 30
• построение 29
Диаграммы состояния цветных металлов, реаль-
реальные:
алюминия 55
благородных металлов 59
магния 57
меди 48
никеля 58
олова 59
свинца 52
цинка 52
Диамагнетизм 144
Дилатометрия 151. 162
— применение 153
Днпольный момент 143
Дислокации:
классификация 21
винтовые 21
краевые 21
Ломер — Коттрелла 22
переползание 21
полные (единичные) 22
размножение 107
скольжение 21
— поперечное 21
смешанные 21
узлы 22
энергия 22, 23
Дисперснонно-твердеющие сплавы 72
Дистилляция 340, 376, 399
— вакуумная 347
— дифференциальная 347
Днсторсия 176
Дифракция нейтронов 158
Диэлектрическая поляризация 143
— проницаемости 143
Доменная плавка:
материальный баланс 322
металлургические реакции 318
тепловой баланс 322
— коэффициент полезного действия 322
диаграмма горения 32?
температура горения 323
Домены 144
Дразнение 348, 352, 377
Дуплекс-процесс 417
DTA-крнвые 154
Ж
Железо:
аллотропические модификации 29
восстановление косвенное 321
— прямое 321
кривые охлаждения и нагрева 29
методы производства 402
постоянные решетки /9
475
Заготовки 450
Законы:
действия масс 317
квадратного кория 65
постоянства объема 449
Зародышеобразование 61, 68
Затвердевание 61
Звук, скорость 188
Звуковые волиы 187
Зеебека эффект 141
Зейгерование 399
Зернограиичное скольжение 97
— упрочнение 96
Зона 16, 72
— образование 16
— уравнение 15
Зона деформации 449
И
Изложницы 431
Излучения, виды 209
Изоморфизм 14
Изотипия 13
Изотропия 13
Импрегиирование 379
Индукция насыщения 143
Ионная проводимость 139 141
Ионы, подвижность 139
Испытания:
иа глубокую вытяжку по Эриксену 115
Эигельгарту и Гроссу 117
— длительную прочность 122
— загиб 113
— изгиб 112
продольный 122
— ковкость 134
— кручение 112
— наматывание 134
— осадку 114
— «отгиб» 134
— пробивание отверстий 113
— прокаливаемость 132
— раздачу 134
— расковку 134
— растяжение 108
— сжатие 111
— срез 113
— скручивание 115
— ударное кручение 122
сжатие 111
— ударную вязкость 118
— циклическую прочность (усталостные) 124
— эксплуатационную выносливость 126
сварных соединений 135
твердости 131
труб 116
К
Калдо процесс 411
Кальцинирование 399
Карбонаты 366, 367
Карбонильный метод 353
Квазиизотропиое состояние 92
Квартаж 379
Кербера — Олсена теорчя 385
К-излучеиие, длины воли 155
Кислород 393, 397
— парциальное давление 158
Кислородный потенциал 317, 318
Ковка свободная 460
Когезия 449
Количественная металлография 181
методы исследования 182
формулы и понятия 183
Композиционные материалы 106
Конверторы:
с верхним дутьем 391
— нижним дутьем 412
типа Грейт-Фоллс 438
— Анаконда 438
томасовский 391
Конденсация 348
Коицеитрациоииая плавка на штейн 340, 352
Концентрированное расслоение 28
Концентрирование 399
Коррозия, виды 201. 205
Коррозионные испытания 200
— пары 202
— среды 205
— характеристики материалов 204
Коэрцитивная сила 143
Коэффициент вытяжки 47
— интенсивности напряжений 103
— линейного расширения 151
Кривые напряжение — деформация 95
— текучести 447
476
Кристаллизация (очистка растворов) 350
Кристаллизация — см. Затвердевание
Кристаллическая решетка:
плоскости 14
типы 93
энергия 60
Кристаллическая система 12, 13
Кристаллы 11
— форма 64
Крутильный маятник 150
Кремний металлический.309
— окисление 329
Кюри температура 145
Л
Лавеса фазы 18
Латунь 49. 278, 284, 285
Лауэ метод 156
Легирующие элементы:
алюминии 47
бор 44
ванадий 46
вольфрам 45
кобальт 44
кремний 40
марганец 40
медь 44
молибден 45
никель 44
ниобий 47
сера 42
таитал 47
титаи 46
фосфор 41
хром 42
Ледебурит 34. 35
Лента 219, 457
Ликвация 431
— виды 67
— дендритная (микроликвация) 65
— зональная 66
Лист 457
Литая структура 67
LO-процесс 406
LDAC-процесс 4088
Магний 298
— металлургия 378
— сплавы 300
Магнитная индукция 143
— постоянная 144
— проницаемость 146
Магнитные весы 148
— потери 146
— свойства, техника измерений 147
Марганец:
извлечение 330
металлический 312
окисление и восстановление 321
Мартенсит 81—83
— образование 72
Материаловедение, определение 11
Маттисена правило 139
Мебнуса способ 379
Медь 48, 278
— кислородсодержащая 284
— металлургия 352
— рафинированная 277
— сплавы 277
— электролитическая 285
Меднобериллиевые сплавы 281
Медноиикелевые сплавы 280
Межфазиые границы 24
Металлические материалы 213
— соединения 354—356
Металлы, свойства 11, 354
Металлургические процессы, классификация 398
— реакции 316, 317
Методы:
дифрактомегрии 157
магнитные 193, 148
меченых атомов ?С7
монокристалла 156
плоской пленки 157
поликристалла 156
порошковых фигур 149
фазового контраста 178
Механика разрушения 102, 104, 105
Механические свойства 90
Мидлэид-Росс способ 403
Микрозонд электроннолучевой 160
Микропластичиость 96
Микроскоп ионный 160
— оптический 173
— электронный 158
Микроскопия высокотемпературная 179
— интерференционная 178
— флуоресцентная 179
Микротвердость 129
Микро т. э. д. с, измерение 181
Микрофотометрия 181
Миллера индексы 14
Модуль всестороннего сжатия 91
Мозли закон 164
Монокристалл 93
Моиотропия 29
Монохроматоры 156
Н
Нагружение. виды 501
Надежность 108
Намагниченность 144
— остаточная 97
Намагничивание методы 148
Напряжения 91
— остаточные 97
Напряженное состояние 100
—— виды 448
Напряженность магнитного поля 144
Нейзильбер 279, 286, 287
Никель 304, 305
— металлургии 353
— сплавы 305
Ньютона закон охлаждения 153
О
Обжиг 341, 352, 375, 377
— агломерирующий 342, 375
— в кипящем слое 342
— во взвешенном состоянии 342
— восстановительный 343, 399
— кальцинирующий 342
— окислительный 399
— сульфатизирующий 399
— хлорирующий 343, 399
Обменный интеграл 145
Образцы:
заливка 163
маркировка 164
отбор 162
очистка 166, 167
полировка 198
Объемный анализ 198
Оже-спектрометр 160
Окисление избрательное 348
Оксиды 360—363
Олово, металлургия 346
— чистое 301
Оптика, основные понятия 173
Ороваиа механизм 106
Осадка 461
Осаждение 350, 399
Освещение светлопольное 176
— темнопольиое 177
Охрупчивание. виды 393
П
Парамагнетизм Н4
Пассивность 202
Пельтье эффект 142
Переплавы специальные 422
Перитектическая реакция 30
Перколяция 349
Перемещения 449
Перлит 32—35, 80
— вырожденный 80
— образование 73
Перлитное превращение 80
Печи:
агломерациоиая чаша 434
вакуумио-дуговая 422, 425
вакуумио-индукциоииая 422—424
горновые 439, 440
двухваиные (двухподовые) 418
Дершеля 438
для плавни во взвешенном состоянии 436
доменная 402
дуговые 416
индукционные 418
Кальмеера 437, 438
мартеновская 390, 414
обжиговые 432
плазменная 419
ретортные 442
сопротивления 418
тандем 419
тигельные 441
циклонная 436
шахтная 434
электрические 443
электронно-лучевая 422, 423, 425
Пильгероваиие 452
Пирометаллургия 340, 399, 438
Плавильный котел 439
Плавка:
восстановительная 344, 375, 377, 399
восстановительно-сульфидирующая 374
окислительная 399
осадительная 346, 399
отражательная 352, 353
реакционная 345, 376
руднотермическая 353
Плазменная печь
Пластичность, область 446
Подшипниковые ¦ плавы 297, 307
Ползучесть 98
Полигонизация 85
Полиморфизм 14
Полупроводниковые материалы 313, 315
Полюсные фигуры 15
Полярная сфера 15
Поперечное сужение 108
Порошковая металлургия, методы 399
Потенциальная яма, модель 139
Предел выносливости 125
— текучести 94, 108
при сжатии 111
— упругости 108
Прессование 463
Припои 289
— мягкие 301
Присадочные материалы 289
Проволока, производство 464, 465
Прогиб 112
Промежуточное превращение 81
Пространственная решетка 11
Протяжка 460
Профили проката 459
Прочность, способы повышении 106
— теоретическая 94
¦— теории 448
Прошивка 461
Псевдоморфизм 14
Пуассона коэффициент 91
Пурофер способ 403
Пьезоэлектрический эффект 190
PL-процесс 411
Р
Работа выхода электронов 139
— деформации 108, 449
Радиоактивные изотопы;
получение 211
применение 212
Разделение 399
Разрушение 99
— вязкое 101
— методы испытаний 102
— формы 101
— хрупкое 100
Раскисление 335, 337
Расплющивание 461
Рафинирование 376—379, 443
— дистилляциоииое 347
— ликвациоииое 346
— электролитическое 348
Реацкии:
восстановления 317
диаграмма 322
обезуглероживания 326, 328
окисления 317, 325
равновесная 326
Рекристаллизация 86
— вторичная 88
— собирательная 88
— текстура 89
Ректификация 347
Релаксация 98 :
Рентгеновская дефектоскопия, 197,
Рентгеновские трубки 155
— эффекты 157
Рентгеновское излучение 154
монохроматическое 156
Реитгеиоструктуриый анализ, применение 157
флюоресцентный 160
Роторный процесс 411
Рудный процесс 415
С
Сверхпластичность 97
Сверхпроводимость 143
Сверхстру'ктура 16
Светофильтры, виды 177
Свинец 293, 299
— металлургия 375
— сплавы 298—300
Сдвиг 91
Сивертса закон 348, 392, 393
Силикокальций 312
Силикомарганец 311
Силикомедь 311
477
Системы:
CaO—S1O2 381
CaO—А12Оз 381
CaO—FeO 382
CaO—Fe2O3 382
CaO—PsOs 383
FeO—SIO2 383
FeO—MnO 383
FeO—Al2Oa 383
FeO—3CaOP2Os 383
FeO—CaFs 383
A12O3—SiO2 384
MnO-SlO2 384
Системы газ—металл:
H—Fe 392
О—Fe 393
N-Fe 394
Системы газ — цветные металлы 151
Системы многокомпонентные 59
Системы тройные:
FeO—MnO—SiO2 384
CaO-FeO-SiO2 384
CaO-AI2O3—SiO2 384
CaO—СаРг—SIO2 384
CaO—PsOs—FeOn 384
СаРг—FeO—2CaSiO2 385
Скрап-рудный Процесс 413
Скрап-угольиый процесс 414
Слэтера коэффициент 145
Слябинг 450
Смешанная проводимость 141
Сопротивление пластической деформации 446
Спектроскопия мессбауэровская 160
Сплавы 15
— железа, классификация 213, 214
обозначения 214, 215
— железо—углерод, классификация 28
Срез 91
Стали:
автоматные 242
азотируемые 229
арматурная 223
быстрорежущие 242
водородоустойчивые 234
дииамиые 237
для заклепок 217
— катанки 218
.— подшипников качения 238
— поковок крупных 243
— сварочной проволоки 231
— турбнииых лопаток 236
— холодной высадки 226
— цепей 217
жаропрочные 234
жаростойкие (окалиностойкие) 232
износостойкие 237
инструментальные 239, 240
кислотостойкие 231
клапанные 236
котельная листовая 221
литейная 35
метизные 218
немагнитные 244
нержавеющие 231
пружинные 23С
строительные 216» 224
трансформаторные 237
трубные 221
улучшаемые 227
хладостойкие 243
хромируемые 230
цементуемые 226
Сталь, производство:
конверторное 407
мартеновское 413, 414
материальный и тепловой баланс 338
металлургические реакции 325
методы 399, 405
непрерывное литье 420
основные процессы 325
разливка 430
химический состав 256
Стальное литье 254. 255
Станы:
Ассела раскатной 454
калибровочный 456
Маинесмана прошивной 451
раскатной удлинитель 454
редукциоиио-растяжиой 456
редукционный 456
Рекнера 454
Целикова 454
Штифеля автоматический 453
— прошивной 452
Эрхарда 454
Старение 37
478
Стеклообразное состояние 25
Стереографическая проекция 15
Стереометаллография 181
Структура, виды 161
Структурные составляющие 161
Сульфаты 362—365
Сульфидировшше избирательное 348
Сульфиды 356—359
Сульфурация 334
Твердость 129
Твердые растворы:
внедрения 17
за'мещення 15
Текстура 13
— в литых металлах 68
— деформации 98
Темкина правило 385
Тепловое расширение 151
Теплопроводность 141
Термическая обработка, технические аспекты 83
Термический анализ 153
Термомеханнческая обработка 107
Термопары, т. э. д. с. 142
Термоэлектрический ряд напряжений 141, 142
Типографские сплавы 297
Томсона абсолютная дифференциальная т. э. д. с.
141
Трубы бесшовные 451
— сварные 456
Т. э. д. с, методы измерения 142
У
Углерод, активность 327
— влияние на свойства стали 46
Удельная теплопроводность 144
Удельное сопротивление 139
методы измерения 140
Удлинение 91, 108
Укорочение 111
Ультразвук 188
Ультразвуковая дефектоскопия 188
методы 191
применение 192
техника 192
Упрочнение 36
Упругости теория 91
Уравнение состояния 317
Усадочная раковина 431
Усталостная прочность, диаграммы 125
Усталостные испытания 124
Усы 68
Фазовые превращения 69
классификация 70
¦ обозначения 30
температуры 29
Фазовый анализ металлографический 397
Фазы внедрения 18
— выделения 70
— иитерметаллические 18, 19
Ферримагнетизм 144
Феррит 32, 83
Ферромагнетизм 144
Феррованадий 312
Ферровольфрам ЗП
Ферромарганец 309, 310
Ферромолибден 312
Ферроникель 311
Ферросплавы 308
Ферросилиций 309
Ферротитан 310
Феррофосфор 312
Феррохром 309, 310
Ферстера зонд 149
Фигуры травления 170
Фильтрование (фильтрация) 350
Франка дислокации 23
Фришеваиие 325
Формир-газ 398
Фотографирование структуры 180
Фьюмиигование 376
Хемоэпитаксия 69
Хил способ 403
Химико-термическая обработка 108
Химический анализ количественный 199, 200
Химический состав, контроль 198
Хлориды 368—371
Холла постоянная 140
Холла эффект 140, 313
Холла—Петча соотношение 96
Холодная деформация 447. 450
Хром металлический 309, 310
Хэш-процесс 414
u
Цветные металлы:
металлургические реакции 339
система обозначений 277
сплавы, классификация 48
химический состав 284—289
Цементация 350
Цементит вторичный 33—35
Цинк 302, 303
— металлургия 377
— сплавы 303
Циитля фазы 18, 19
Черновой металл 344, 346
Чугуи:
ковкий 245
легированный 247
— отбеленный 253
литейный' 245
метод производства 401
иелегированиый отбеленный 250
передельный 306
с пластинчатым графитом 247
— шаровидным графитом 247
III
Шарля—Шварца—Салтыкова метод 185
Шахтная плавка 353
Шенка теория 385
Шлаки 379
— диаграммы состояния 380
— доменного производства 387
— железнсто-силикатиые 387, 391
— известково-силикатиые 387
— нзвестково-фосфатиые 387
— классификация 379
компонентов 380
— металлургические 326
— производства стали 387
цветных металлов 391
— синтетические 337
Шлиф 162
Шлицевание 461
Шмида — Боаса закон 93
Шокли дислокации 22
Штамповка выдавливанием 463
— объемная 462
Шпейзы 341, 345, 374
Штейн 340, 352
Э
Эвтектическая реакция 30
Эвтектоидиая реакция 30
Экзогазы 398
Электрическая проводимость 139
Электроанализ химического состава 199
Электролиз 399
— алюминия 444
— расплавов 346
— с нерастворимым анодом 350
Электронная проводимость 139, 141
Электросталеплавильный процесс 416
Электрохимическая активность 440
Электрошлаковый переплав 337, 422, 423, 426
Элементарная ячейка 12
Эиантиотропия 29
Эидогазы 398
Эпитаксия 68
Ю
Юм-Розерн фазы 18